Embed Size (px)
Citation preview
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta
Katedra experimentálnej elektrotechniky
ŠTANDARD POZEMSKÉHO VYSIELANIA DIGITÁLNEJ TELEVÍZIE - DVBT
Martin BOBÁL
2009
Štandard pozemského vysielania digitálnej televízie - DVBT
BAKALÁRSKA PRÁCA
MARTIN BOBÁL
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta
Katedra experimentálnej elektrotechniky
Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE
Vedúci bakalárskej práce: Ing. Igor Víťaz, CSc.
Stupeň kvalifikácie: bakalár (Bc.) Dátum odovzdania bakalárskej práce: 12.6.2009
LIPTOVSKÝ MIKULÁŠ 2009
ABSTRAKT
Bakalárska práca sa zaoberá digitálnou pozemskou televíziou DVB-T. V úvode je
v krátkosti popísaný vývoj televízie a televízneho vysielania. Ďalej sú zhrnuté doteraz
používané štandardy vysielania analógových systémov, vývoj digitalizácie systémov
a prehľad digitálnych štandardov televízneho vysielania používaných v súčasnosti.
Cieľom tejto práce bolo vytvoriť prednášku na tému: Štandard pozemského
vysielania digitálnej televízie. Na splnenie tohto cieľa bolo potrebné splniť čiastkové
ciele, a to stanoviť náukové ciele prednášky, sformulovať učebné otázky a spracovať
didaktické náplne k učebným otázkam. Tieto ciele sú spolu so samotnou didaktickou
náplňou uvedené v tretej kapitole. Samotná prednáška je spracovaná aj v elektronickej
podobe v programe Microsoft Office PowerPoint a môže slúžiť študentom bakalárskeho
štúdia Žilinskej univerzity.
ABSTRACT
Bachelor work deals with digital terrestrial television DVB-T. In the introduction
is briefly described development of television and television broadcasting. There are also
sum up standards now used by analog broadcast systems, the development of digitization
systems and overview of digital television broadcasting standards used in coincidence.
Target of this work was created a lecture on the topic: Standard of terrestrial
digital television broadcasting. For fulfilment of this target it was necessary fulfil
intermediate targets, as determine non-fiction targets of lecture, formulate an educational
issues and process didactic contents to educational issues. These targets are along with
didactic content introduced in the third chapter. The lecture itself is processed in
electronic form in Microsoft Office PowerPoint, and can serve students with bachelor's
degree University of Žilina.
OBSAH
ÚVOD ..................................................................................................................................1 1. Analýza vývoja štandardov pozemského vysielania televízie ......................................3 1.1. Štandardy vysielania analógových systémov ..........................................................5 1.2. Vývoj metód digitalizácie televíznych systémov ....................................................8 1.3. Prehľad štandardov digitálneho vysielania ............................................................15 1.4. Závery pre realizáciu bakalárskej práce.................................................................17 2. Ciele bakalárskej práce ...............................................................................................18 3. Metódy realizácie bakalárskej práce ...........................................................................19 3.1. Náukové ciele.........................................................................................................19 3.2. Učebné otázky........................................................................................................20
3.2.1. Všeobecný model DVB-T..............................................................................20 3.2.2. Tvorba a spracovanie obrazového a zvukového digitálneho signálu ............20 3.2.2.1. Zdrojové kódovanie obrazového signálu ...................................................21 3.2.2.2. Zdrojové kódovanie zvukových signálov ..................................................21 3.2.2.3. Multiplexovanie v DVB-T.........................................................................21 3.2.2.4. Kanálové kódovanie...................................................................................21 3.2.3. Prenos digitálneho signálu v DVB-T.............................................................22 3.2.3.1. Modulácia signálov DVB-T.......................................................................22 3.2.3.2. Vysielače DVB-T.......................................................................................22 3.2.3.3. Prijímače DVB-T .......................................................................................22
3.3. Didaktická náplň ....................................................................................................23 3.3.1. Všeobecný model DVB-T..............................................................................23 3.3.2. Tvorba a spracovanie obrazového a zvukového digitálneho signálu ............28 3.3.2.1. Zdrojové kódovanie obrazového signálu ...................................................28 3.3.2.2. Zdrojové kódovanie zvukových signálov ..................................................34 3.3.2.3. Multiplexovanie v DVB-T.........................................................................42 3.3.2.4. Kanálové kódovanie...................................................................................45 3.3.3. Prenos digitálneho signálu v DVB-T.............................................................49 3.3.3.1. Modulácia signálov DVB-T......................................................................49 3.3.3.2. Vysielače DVB-T.......................................................................................52 3.3.3.3. Prijímače DVB-T .......................................................................................55 4. Technicko-ekonomické zhodnotenie .................................................................56 ZÁVER........................................................................................................................58
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY .............................................................................59
ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK
Obr. 1 Princíp rozkladu obrazu Nipkowým kotúčom..........................................................1 Obr. 2 Princíp prekladania riadkov......................................................................................3 Obr. 3 Tvorba a prenos obrazového signálu v analógovej televízii.....................................5 Obr. 4 Druhy vzorkovania ...................................................................................................9 Obr. 5 Princíp kvantovania ................................................................................................10 Obr. 6 Princíp PCM ...........................................................................................................11 Obr. 7 Všeobecný model DVB-T ......................................................................................23 Obr. 8 Porovnanie digitálnej a analógovej TV z hľadiska poskytovania TV služieb.......27 Obr. 9 Vzorkovacie štruktúry ...........................................................................................29 Obr. 10 Príklad DCT na matici 8x8 ...................................................................................31 Obr. 11 Postupnosť koeficientov po kvantovaní ...............................................................32 Obr. 12 Skupina obrázkov .................................................................................................33 Obr. 13 Zníženie bitovej rýchlosti pri digitálnom prenose zvuku .....................................34 Obr. 14 Prah počuteľnosti a prah bolesti ...........................................................................35 Obr. 15 Maskovanie kvantizačného šumu v čiastkových frekvenčných pásmach ............36 Obr. 16 Model podpásmového kódovania .........................................................................37 Obr. 17 Tvorba programového a transportného dátového toku........................................42 Obr. 18 Zloženie paketov pre elementárny dátový tok......................................................43 Obr. 19 Zloženie programového dátového toku ...............................................................44 Obr. 20 Zloženie transportného dátového paketu.............................................................44 Obr. 21 Zapojenie kóderov a dekodérov pri kanálovom kódovaní ...................................46 Obr. 22 Paket transportného toku RS (204, 188)...............................................................47 Obr. 23 Konvolučný kóder ................................................................................................48 Obr. 24 Porovnanie využitia pásma pri FDM a OFDM.....................................................50 Obr. 25 Grafické znázornenie vytvorenia OFDM rámca...................................................51 Obr. 26 Bloková schéma vysielača DVB-T.......................................................................52 Obr. 27 Bloková schéma prijímača DVB-T ......................................................................55
Tab. 1 Prepínanie kanálov pri päťkanálovom prenose zvuku............................................41 Tab. 2 Parametre 2k a 8k – OFDM pre DVB-T ................................................................50
ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV
AFC Adaptation Field Control
ATSC Advanced Television Systems Committee
AVC Advanced Video Coding
CC Continuity Counter
COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing
CRC Cyclic Redundance Control
CRT Cathode Ray Tube
DCT Discrete Cosine Transform
DMB Digital Multimedia Broadcasting
DPCM Differential Pulse Code Modulation
DVB-T Digital Video Broadcasting - Terrrestrial
EPG Electronic Programme Guide
FDM Frequency Division Multiplexing
FEC Forward Error Correction
FFT Fast Fourier Transform
GOP Group of Pictures
HDTV High Definition Television
HP High Priority
ISDB Integrated Services Digital Broadcasting
ITU International Telecommunication Union
JPEG Joint Photographic Experts Group
LCD Liquid Crystal Display
LDTV Low Definition Television
LFE Low Frequency Enhancement
LP Low Priority
MPEG Motion Picture Experts Group
MUSICAM Masking Pattren Adapted Universal Subband Integrated Cosiny and
Multiplexing
NTSC National Television Standards Committee
PAL Phase Alternation Line
PCM Pulse Code Modulation
PES Packetized Elementary Stream
PUSI Payload Unit Start Indicator
QAM Quadrature Amplitude Modulation
RS Reed-Solomon
SBC SubBand Coding
SDTV Standard Definition Television
SECAM Séquentiel couleur á mémoire (fr.)
TEI Transport Error Indicator
TP Transport Priority
TPS Transmission Parameter Signalling
VHF Very high frequency
VLC Variable Length Code
ÚVOD
Ľudia túžili komunikovať už od nepamäti, či už vlastným hlasom alebo pomocou
rôznych vynálezov ako rádio alebo telegraf. Tieto zariadenia ľuďom umožnili
komunikáciu na diaľku, teda prenos hlasu na väčšie vzdialenosti. To však ľuďom
nestačilo a tak sa pokúšali aj o prenos obrazu. [1]
Prvé pokusy sa uskutočnili v polovici 19. storočia. Išlo však len o prenos
statického obrazu. Ďalšie pokusy a výskumy viedli k tomu, že v roku 1884 Paul Nipkow
skonštruoval zariadenie, ktoré nazval teleskop. Ten rozkladal obraz na body a opätovne
obraz aj z bodov zostavoval. Teleskop vykresľoval obraz pomocou rotujúceho kotúča so
špirálovo usporiadanými otvormi. Mal veľmi malý a nekvalitný obraz, ktorý bol
rozložený na 30 riadkoch po 40 bodov. Ďalší vývoj televízie znamenal vznik mechanickej
televízie, ktorá bola veľmi podobná Nipkowmu teleskopu a mala aj rovnaké nevýhody.
Napriek veľkým nevýhodám mechanických televízií sa začali sériovo vyrábať v norme
s 30 riadkami a 12,5 snímkami za sekundu a zahájilo sa pravidelné vysielanie, spočiatku
len v Amerike a neskôr aj v Európe. [1]
Obr. 1 Princíp rozkladu obrazu Nipkowým kotúčom
V roku 1923 si ruský vedec Vladimír Zworykin nechal patentovať snímaciu
a prijímaciu elektrónku. Týmto objavom začala éra elektronickej televízie, ktorá mala
spočiatku horší obraz ako mechanické systémy, ale neustálym zlepšovaním predbehla aj
mechanické prístroje. Stále však mala veľké rozmery, malú zobrazovaciu časť a vďaka
elektrónkam im trvalo nejakú dobu pokým sa „zohriali“ a mohli správne pracovať.
Pravidelné vysielanie elektronickej televízie začalo po roku 1935 vo viacerých štátoch.
V Nemecku sa začalo vysielanie so 180 riadkami a prvé televízory mali uhlopriečku
okolo 28 cm. [1]
1
V bývalom Československu sa pravidelné vysielanie začalo v roku 1953, no už
predtým boli uskutočnené amatérske a skúšobné televízne vysielania. O tri roky neskôr
začalo aj vysielanie televízneho štúdia v Bratislave. V tých časoch bolo na Slovensku
približne 500 televízorov a vysielalo sa len dva dni v týždni, neskôr každý deň okrem
pondelka. Technológia napredovala a tak od roku 1993 začala vysielať Slovenská
televízia na dvoch programoch pre celé územie Slovenskej republiky. V roku 2008
pribudol aj tretí športový kanál, ktorý bol spustený so začiatkom Olympijských hier
v Pekingu. [2]
V súčasnej dobe sa na Slovensku ešte stále vysiela väčšinou analógová televízia.
Digitálne pozemské vysielanie sa zatiaľ uskutočňuje len v skúšobnej a experimentálnej
podobe, aj to len v Bratislave, Banskej Bystrici, Zvolene, Košiciach a v Prešove. Do
konca roku 2012 sa predpokladá na Slovensku pravidelné digitálne pozemské vysielanie a
úplné vypnutie analógového televízneho vysielania. [7]
2
1. ANALÝZA VÝVOJA ŠTANDARDOV POZEMSKÉHO VYSIELANIA TELEVÍZIE
S nástupom televízie a jej následným vývojom sa museli navrhnúť aj normy
a rôzne štandardy pre vysielanie analógovej televízie. Týmto normám sa museli
prispôsobiť vysielacie aj prijímacie zariadenia. Dnes sú tieto štandardy používane takmer
na celom svete, pričom v rôznych častiach Zeme sa využívajú rôzne štandardy.
V analógovej televízii sa definujú technickými parametrami, napr. parametre prenosu
obrazu a zvuku, šírka pásma, použitá modulácia a iné informácie prenášane spolu
s televíznym signálom, napríklad teletext. V digitálnej televízii sú všetky tieto parametre
súčasťou jedného systému. [3]
Princíp prenosu obrazu je u všetkých štandardov v podstate rovnaký. Obraz je
rýchla postupnosť za sebou zobrazujúcich sa obrázkov, najčastejšie je obrázková
frekvencia 25 Hz. Obraz je možné rozložiť na riadky, pričom sa používa neprekladané
(tzv. progresívne), alebo prekladané riadkovanie. Pri prekladanom riadkovaní sa úplný
obrázok skladá z dvoch polobrázkov. Prvý polobrázok začína uprostred hornej strany
obrazovky a končí v pravom dolnom rohu, naopak druhý polobrázok začína v ľavom
hornom rohu a končí v strede dolnej hrany obrazu. Prekladané riadkovanie má svoje
výhody (menšie blikanie pri zachovaní šírky frekvenčného pásma obrazového signálu),
ale aj nevýhody (stupňovitá reprodukcia šikmých hrán obrázkov, pretože dva susedné
zobrazované riadky sú posunuté o určitý časový interval). [8]
Obr. 2 Princíp prekladania riadkov
3
Prvý televízny signál bol len čiernobiely, takže aj prvé televízne prijímače boli
skonštruované na príjem len čiernobieleho obrazu. Tomu museli byť prispôsobené aj
vtedajšie štandardy, v ktorých sa nenachádzala informácia o farbe, ale len hodnota jasu
daného bodu. Neskôr sa však pôvodný čiernobiely signál zdokonalil na farebný a opäť
bolo nutné vynájsť nové normy, alebo zlepšiť pôvodné. Aby si všetci ľudia nemuseli
kupovať nové televízory, bolo potrebné zachovať kompatibilitu s prijímačmi, ktoré vedeli
zobraziť len čiernobiely obraz. To nebolo vôbec jednoduché vzhľadom na dodržanie
spomínanej kompatibility, pretože bolo nutné dodržať určité pravidlá. Pridaný signál
nesúci informáciu o farbe nemal ovplyvňovať kvalitu čiernobieleho obrazu, pridaním
tohto signálu sa nemala zväčšovať šírka pásma celkového prenášaného televízneho
signálu, ďalej mal byť signál nesúci informáciu o farbe obrazu jednoducho oddeliteľný od
čiernobieleho signálu a odolný voči vplyvom, ktoré vznikajú počas spracovania a pri
prenose televízneho signálu. Vo svete vzniklo niekoľko štandardov na prenos
a spracovanie televízneho signálu. Každý z nich si nejako poradil s kompatibilitou
farebného a čiernobieleho obrazu. [3]
4
1.1. ŠTANDARDY VYSIELANIA ANALÓGOVÝCH SYSTÉMOV
Analógové televízne vysielanie spočíva vtom, že zaznamenávaný obraz a zvuk sa
plynulo (spojite) premieňa na elektrický analógový signál, ktorý sa ďalej upravuje.
V bloku zdrojového kódovania sú obsiahnuté operácie v základnom frekvenčnom pásme.
Pridávajú sa pomocné zložky obrazového signálu (synchronizačné a zatemňovacie
impulzy) a úplný farebný signál sa upraví podľa použitej sústavy farebnej televízie. Blok
kanálového kódovania obsahuje modulátor a zmiešavač. V modulátore sa upraveným
obrazovým signálom moduluje nosná vlna použitím amplitúdovej, frekvenčnej a fázovej
modulácie. Zmiešavač tento namodulovaný signál prevedie do vysokofrekvenčného
pásma. Takýto signál je vysielaný do priestoru a šíri sa vo forme spojitej vlny. Signál
zachytený anténou sa v prijímacom zariadení demoduluje a dekóduje, aby bolo možné
zobraziť obraz na obrazovke. [8]
Obr. 3 Tvorba a prenos obrazového signálu v analógovej televízii
Princíp prenosu a spracovania farebného televízneho signálu je u všetkých
štandardov v podstate rovnaký. Ide o prenos troch farieb a to červenej (Red), zelenej
(Green) a modrej (Blue). V skrátenom zápise sa to uvádza ako RGB. Ak tieto tri signály
nesúce informáciu o jednotlivých farbách spočítame (Red+Green+Blue) dostaneme
výslednú hodnotu jasu daného bodu na obrazovke. Výsledná hodnota jasu je ale už daná,
pretože ho udáva čiernobiely signál. Pri tvorbe týchto štandardov sa zistilo, že ak
poznáme hodnoty dvoch signálov nesúcich informáciu o farbe a hodnotu výsledného jasu,
tretia hodnota farby sa dá dopočítať. Toto zistenie napomohlo k výraznému
zjednodušeniu prenosu farebného obrazu so zachovaním kompatibility s čiernobielym
obrazom. Pri spracovaní a prenose celkového farebného televízneho signálu je okrem
iného dôležitý práve čiernobiely signál. [3]
5
Na medzinárodnej konferencii, ktorá sa uskutočnila v roku 1961 v Stockholme
Medzinárodná únia definovala súbor noriem pre vysielanie televízneho signálu. Každej
norme pre vysielanie čiernobieleho signálu bolo priradené označenie pomocou jedného
písmena (A-N). Toto označenie spoločne so systémom kódovania farebnej televízie
(PAL, NTSC, SECAM ) jednoznačne určuje každý štandard analógového televízneho
vysielania, napr. PAL-I, NTSC-M atď. [3]
Analógový signál sa skladá z jednotlivých zložiek signálu, sú to chrominačné
(farebné) signály (UR,UG,UB) a luminačný (jasový) signál UY. Pri kompozícii
analógových signálov do úplného farebného signálu v základnom frekvenčnom pásme sú
používané tri základné analógové sústavy. Líšia sa spôsobom použitej modulácie
farbonosnej vlny a modulačnými rozdielovými farebnými signálmi. [8]
Sústava NTSC (National Television System Committee) bola vypracovaná v roku
1954 v Spojených štátoch amerických pre verejné vysielanie. Neskôr sa rozšírila aj do
Kanady, Mexika a Japonska. Farebný obraz sa v sústave NTSC prenáša signálom, ktorý
je zložený z jasového a farbonosného signálu. Pri prenose sa využíva kvadratúrna
modulácia jednej nosnej vlny. V americkej verzii tejto sústavy farebnej televízie bola
zvolená farbonosná vlna s frekvenciou 3,579545 MHz s 525 riadkami, 60 polobrázkami
za sekundu a so šírkou pásma obrazového signálu 4 MHz. Pre použitie sústavy NTSC
v európskych televíznych normách so 625 riadkami, 50 polobrázkami za sekundu a šírkou
pásma obrazového signálu 5 až 6 MHz sa použila farbonosná vlna s frekvenciou
4,4296875 MHz. Výhodou tejto sústavy je jednoduchosť prijímača farebnej televízie
a dobrá kompatibilita so sústavou čiernobielej televízie, naopak nevýhodou je veľká
citlivosť na skreslenie vo frekvenčnej oblasti farbonosného signálu. Zo sústavy NTSC
vychádzajú aj ďalšie prenosové sústavy PAL a SECAM. [4]
Štandard farebnej televízie PAL (Phase Alternation Line) vychádza zo základných
princípov sústavy NTSC a bola vytvorená ako jej zdokonalenie začiatkom šesťdesiatych
rokov v niekdajšej Nemeckej spolkovej republike. Sústava PAL výrazne odstraňuje
fázové skreslenia, ktoré vznikajú v prenosovom kanáli. Ďalšou výhodou je jednoduché
režijné spracovanie, kontrola a meranie úplného obrazového signálu. V európskych
televíznych sústavách bola zvolená farbonosná frekvencia 4,433618 MHz. Nevýhodou je
drahší a zložitejší dekodér a zvýšené nároky na presnosť a stabilitu. Existuje viacero
obmien systému PAL, napr. PALS(PAL single), PALDL(PAL delay line), PALN(PAL
6
new), ktoré sa líšia len spôsobom dekódovania farbonosného signálu. Pre kompletnosť
treba spomenúť sústavu PAL plus, ktorá umožňuje sledovanie obrazu vo formáte 16:9.
[4]
Sústava SECAM (Séquentiel couleur á mémoire) bola navrhnutá v roku 1957 vo
Francúzsku. Táto sústava taktiež využíva základné princípy normy NTSC, ale je
zdokonalená o nové prvky, ako napríklad použitie frekvenčnej modulácie pre prenos
farbonosnej informácie. Táto sústava neprenáša obe farebné zložky súčasne, ale vždy sa
prenáša len jedna z nich. Prijímač preto potrebuje oneskorovaciu linku. Nevýhodou
sústavy SECAM je nižší informačný objem farbonosných signálov, medziriadkové
blikanie na vodorovných aj šikmých rozhraniach sýtych farieb, väčšia citlivosť na rušenie
šumom a zložitejší dekodér. [4]
7
1.2. VÝVOJ METÓD DIGITALIZÁCIE TELEVÍZNYCH SYSTÉMOV
Analógové vysielanie televízneho signálu má niekoľko nevýhod. Problémy sú
najmä s kvalitou signálu, pričom na niektorých miestach môže dôjsť k výraznému
skresleniu signálu, alebo k poklesu úrovne signálu. Môže to byť zapríčinené nepriamou
viditeľnosťou s vysielačom, alebo rôznymi inými vonkajšími vplyvmi, ktoré pôsobia na
televízny signál. V neposlednom rade je veľkým problémom to, že televízny kanál má
šírku 8 MHz, a prenáša sa v ňom len jeden televízny kanál, čo pri dnešnom počte
vysielacích staníc zapríčinilo, že celé frekvenčné spektrum vyhradené na prenos
televíznych signálov je už takmer vyčerpané. Tieto ale aj ďalšie nevýhody analógového
vysielania podmienili vznik digitálnych systémov. [5, 6]
Prevod analógového signálu na digitálny sa nazýva digitalizácia, a tento proces je
možné zhrnúť do troch základných krokov :
• vzorkovanie
• kvantovanie
• kódovanie
Vzorkovanie signálov je prvou základnou operáciou pri prevode analógových
signálov na digitálne. Pri vzorkovaní sa spojitý priebeh signálu x(t) vyjadrí jeho
diskrétnymi hodnotami, odobratými v periodických vzorkovacích okamihoch tn = nTv.
Podľa tvaru vzoriek môžeme rozlíšiť tri druhy vzorkovania:
Ideálne vzorkovanie – obr. 4a) Šírka vzoriek je nekonečne malá (Diracove impulzy).
Takéto vyjadrenie nie je možné prakticky realizovať, stretávame sa s ním hlavne pri
teoretickom sledovaní problematiky spracovania diskrétnych signálov.
Vzorkovanie 1. druhu – obr. 4b) Šírka vzoriek má konečnú hodnotu τ a vrchol vzoriek
sleduje spojitý priebeh x(t). Toto sa dá veľmi jednoducho realizovať spínačom. Prakticky
sa ale s takýmto tvarom vzoriek nestretávame, lebo informácia o priebehu vrcholov
vzoriek je pri ich ďalšom spracovaní vždy stratená a je bezvýznamná. [8]
8
Obr. 4 Druhy vzorkovania
Vzorkovanie 2. druhu – obr.4c) Šírka vzoriek má konečnú hodnotu τ a vrchol vzoriek
vykazuje stály tvar – napr. pravouhlé impulzy. Je to prakticky sa vyskytujúci prípad.
Nazýva sa tiež vzorkovanie s pamäťou, pretože výstup spínača je doplnený pamäťovou
kapacitou, na ktorej sa udržuje odobraná okamžitá hodnota signálu.
Spätný prevod časovej postupnosti vzoriek na pôvodný spojitý priebeh x(t) sa
nazýva obnova signálu. Ak nemá nastať skreslenie obnoveného signálu, musí
vzorkovanie spĺňať základnú podmienku, vyjadrenú vzorkovacím teorémom (Shanon –
Kotelnikov teorém).
Kvantovanie umožňuje prevod signálu so spojite sa meniacou amplitúdou na
signál s konečným počtom diskrétnych rozlišovaných hodnôt. Kvantovanie môže byť
rovnomerné (lineárne) s rovnakými kvantizačnými intervalmi, alebo nerovnomerné
(nelineárne), ktoré sa používa pri zvláštnych aplikáciách. [8]
Princíp kvantovania spojitého signálu x(t) je znázornený na obrázku č.5.
Dynamický rozsah Ds možných hodnôt amplitúd spojitého signálu x(t) je rozdelený do
konečného počtu kvantizačných stupňov šírky Δk. Každý kvantizačný stupeň Δk je
ohraničený dvomi susednými rozhodovacími úrovňami. Všetky okamžité hodnoty
spojitého signálu x(t), ležiace v určitom kvantizačnom stupni, sú vyjadrené jedinou, tzv.
kvantovou hodnotou yk.
9
Obr. 5 Princíp kvantovania
Časová postupnosť kvantovaných hodnôt {yk}predstavuje kvantovaný signál,
u ktorého dochádza k zmene kvantovanej hodnoty vždy, keď amplitúda spojitého signálu
x(t) prekročí rozhodovaciu úroveň medzi dvoma susednými kvantizačnými stupňami. [8]
Pri kvantovaní signálu vzniká tzv. kvantizačná chyba, ktorá sa prejavuje ako
rušivý proces, označovaný ako kvantizačný šum. Kvantizačný šum vzniká tým, že
amplitúdový rozsah vstupného spojitého signálu so všeobecne nekonečne veľkým počtom
možných okamžitých hodnôt je rozdelený do konečného počtu kvantovaných hodnôt.
Jedná sa o principiálnu chybu, ktorú nie je možné na prijímacej strane prenosového
reťazca eliminovať, lebo prijímač nemôže z prijatej kvantovanej hodnoty spätne odvodiť
pôvodnú veľkosť vzorky.
Okrem kvantizačného šumu v procese digitalizácie vznikajú aj ďalšie systémové
skreslenia, napr. lineárne skreslenie, stroboskopické skreslenie, preťaženie kvantizéru
atď. Tieto skreslenia je možné rôznymi metódami viac či menej eliminovať. [8]
Po vzorkovaní a kvantovaní sa výsledný diskrétny signál kóduje, to znamená, že
prevedieme diskrétne hodnoty, ktoré sú vyjadrené v desiatkovej sústave do inej číselnej
sústavy, ktorá má nižší číselný základ. Takto vyjadrená hodnota signálu sa nazýva
kódové slovo. V praxi sa najčastejšie používa binárna číslicová sústava. Každej
kvantovacej hladine sa priradí jedinečné kódové slovo (obr. 6). Dĺžka kódového slova
(počet bitov) je určená počtom kvantovacích hladín. Ak je počet bitov m, potom počet
kvantovacích hladín bude i = 2m. V praxi sa v kódovom slove polarita vzorky signalizuje
bitom najvyššej významnosti. Pre kladné bity 1 a pre záporné 0. [10]
10
Impulzne kódová modulácia PCM (Pulse Code Modulation) patrí medzi
najčastejšie používané metódy kódovania analógových signálov. V podstate ide o súhrn
popísaný v predošlých častiach – vzorkovanie, kvantovanie a kódovanie.
Obr. 6 Princíp PCM
Pri 8-bitovom kvantovaní a vzorkovacej frekvencii 13,5 MHz pre televíznu normu
so 625 riadkami a 25 snímkami za sekundu, čo zodpovedá štandardnému
digitalizovanému obrazového signálu, by bola potrebná bitová rýchlosť 216 Mb/s. Takúto
bitovú rýchlosť je veľmi ťažké dosiahnuť. Vhodným spôsobom zdrojového kódovania je
možné znížiť túto vysokú bitovú rýchlosť digitálneho signálu PCM a redukovať ju na
rýchlosť 4-15 Mbit/s.
Digitálny obrazový signál zaberá podstatne širšie frekvenčné spektrum
v porovnaní s analógovým signálom a jeho prenos by vyžadoval vysoké nároky na šírku
frekvenčného pásma prenosového kanála. Preto je nutné vykonávať kompresiu dátového
toku pomocou kompresných algoritmov. Tieto algoritmy využívajú fakt, že z dátového
toku je možné vypustiť nadbytočné (redundantné) a nepodstatné (irelevantné) informácie
do takej miery, aby bola zachovaná požadovaná kvalita obrazu a zvuku. [6]
11
V digitálnej televízii bol pôvodne uvažovaný pre kompresiu obrazových
a zvukových signálov štandard MPEG-1, alebo MPEG-2, ale v súčasnosti prichádza do
úvahy nová alternatíva vo forme MPEG-4, príp. MPEG-4 AVC.
Podstatou kompresie bitov u sústav MPEG je redukcia redundancie v časovej
oblasti, na základe využitia diferenčnej impulznej kódovej modulácie DPCM
(Differential Pulse Code Modulation). Vysoké bitové rýchlosti digitálneho prenosu
s PCM moduláciou si vyžadujú zníženie bitovej rýchlosti. DPCM sa veľmi dobre
uplatňuje pri týchto štandardoch. Ide vlastne o zdrojové kódovanie. Princíp DPCM
spočíva v porovnávaní hodnoty určitej vzorky v televíznom riadku s hodnotou napr.
niektorej predošlej vzorky v rovnakom riadku, čiže rozdiel medzi porovnávanými
vzorkami je jedna vzorkovacia perióda. Tento proces sa označuje aj ako predikcia
(predpoveď) a na prenos sa použije len rozdiel skutočnej hodnoty vzorky
s predpovedanou hodnotou. [7]
Ďalší spôsob zdrojového kódovania digitálnych signálov spočíva v diskrétnej
kosínusovej transformácii DCT (Discrete Cosine Transform) a v kódovaní s premenlivou
dĺžkou kódu (slova) VLC (Variable Length Coding). Obidve tieto metódy zmenšujú
bitovú rýchlosť digitálneho obrazového signálu a podrobnejšie je o nich popísané
v samotnej prednáške.
Štandard MPEG-1 (Motion Pictures Experts Group) bol vyvinutý pre
komprimovanie dátového toku pohyblivých obrázkov. Štandard MPEG je vytvorený zo
štandardu JPEG (Joint Photographic Experts Group), ktorý bol vytvorený pre
komprimovanie statických obrázkov. Využíva DPCM moduláciu s rovnakou predikciou
obrázkov, DCT transformáciu a VLC kódovanie pre zníženie bitovej rýchlosti
obrazového signálu.
U tohto štandardu sa rozoznávajú tri úrovne spracovania zvuku. Úroveň 1,
úroveň 2 a úroveň 3 sa označujú aj ako MP1, MP2 a MP3 (príp. layer I, layer II
a layer III). Rozdiel medzi týmito úrovňami spočíva vo vzorkovaní frekvenčného spektra
v každom čiastkovom pásme, kvantovaní, kódovaní a v jeho ďalších úpravách. Pri
úrovniach 1 a 2 sa bitová rýchlosť znižuje aj tým, že sa nepoužije zbytočné (irelevantné)
členenie do jemných kvantizačných stupňov nepotrebných pre ľudský sluch. V tretej
úrovni sa uplatňuje navyše aj potlačenie nadbytočných informácií na základe štatistického
spôsobu Huffmanovho kódovania, výsledkom čoho sú rôzne kompresné pomery a teda
12
rôzne výstupné bitové rýchlosti pre jednotlivé úrovne. Najväčšia kompresia sa dosahuje
kódovaním na tretej úrovni, naopak prvá úroveň poskytuje len veľmi malú redukciu
bitovej rýchlosti.
Štandard MPEG-2 je určený najmä na kompresiu digitálnych obrazových dát
s prekladaným riadkovaním. Bol navrhnutý ako zdokonalenie štandardu MPEG-1,
pričom používa rovnaké základné metódy. Na rozdiel od MPEG-1 používa rôzne stupne
rozlíšenia v jednom bitovom toku (napr. štandardná televízia a televízia s vysokým
rozlíšením HDTV), alebo pre rôznu kvalitu signálu uplatňujúcu sa za rôznych
prenosových podmienok. Redundancia digitálneho signálu sa zmenšuje znížením počtu
bitov potrebných pre prenos. Signál sa pritom nesmie viditeľne skresliť. Najskôr sa tak
deje pomocou diferenciálnej impulznej kódovej modulácie DPCM a potom pomocou
diskrétnej kosínusovej transformácie DCT. Druhé hlavné zmenšenie počtu bitov
v dátovom toku zaisťuje kódovanie s premennou dĺžkou slova VLC. Komprimovaný
bitový tok sa ďalej kóduje kanálovo kvôli potlačeniu chybovosti pri prenose.
MPEG-2 používa päťkanálové zvukové vysielanie bez toho, aby bolo nutné
zvyšovať päťkrát bitovú rýchlosť. Zároveň musí byť zachovaná spätná zlučiteľnosť, aby
bol dekodér sústavy MPEG-1 schopný spracovať tento viackanálový zvuk
a reprodukovať ho ako dvojkanálové stereofónne vysielanie. Štandard MPEG-2 rovnako
ako štandard MPEG-1 rozoznáva tri úrovne spracovania zvuku. Keďže systém DVB-T
prijal tento štandard ako východiskový, podrobnejšie je spracovaný v samotnej
prednáške.
Štandard MPEG-4 (podľa ITU H.263) bol prvý krát normovaný v roku 1998
a odvtedy bol niekoľko krát doplnený. Je to vlastne zdokonalenie systému MPEG-2,
najmä z hľadiska kompresnej účinnosti a flexibility. Základ vychádza z modelu
DPCM/DCT, ale je doplnený množstvom dodatočných nástrojov pre kompresiu,
spoľahlivosť prenosu a kódovania objektov.
MPEG-4 podporuje prekladané aj neprekladané riadkovanie. Prínosom tohto
štandardu je kódovanie objektov s ľubovoľným tvarom oproti MPEG-1 a MPEG-2, kde
bolo možné kódovať len pravouhlé objekty. Tým sa umožnilo nezávislé kódovanie
objektov s ľubovoľným tvarom samostatne, nezávisle na jeho okolí či pozadí. Podporuje
efektívny prenos, zvýšenú odolnosť voči chybám a stupňovateľné kódovanie v širokom
rozsahu hodnôt bitových tokov. Tento štandard sa delí na niekoľko profilov.
13
Najjednoduchšie kódovanie pravouhlých objektov používa profil S (Simple). Základom
je klasický prístup kódovania pomocou DCT s využitím predikcie obrázkov. V tomto
profile sú využívané len obrázky I a P. Ďalší profil Advanced Simple Profile (AS) je
rozšírený o obojsmernú predikciu, voliteľnú kvantizáciu a podporu prekladaného
riadkovania. Advanced Real Time Simple Profile (ARTS) používa ďalšie dodatočné
nástroje pre zlepšenie chybovosti a účinnosti kódovania. Využíva novú techniku
NEWPRED (New Prediction), ktorá obmedzuje dopad chyby, ktorá sa vplyvom
predikčných algoritmov časovo šíri.
Ďalšou populárnejšou modifikáciou štandardu MPEG-4 je štandard
MPEG-4/AVC (Advanced Video Coding), ktorý je tiež známy pod názvom H.264.
Účelom bolo vytvoriť štandard, ktorý by zabezpečil uspokojivú kvalitu obrazu,
minimálne na úrovni predchádzajúcich komprimačných metód (MPEG-2, MPEG-4)
s prenosovým bitovým tokom nižším asi o polovicu. Štandard je možné použiť v rôznych
systémoch digitálnej televízie, ale jeho využitie sa predpokladá najmä u systémov
s vysokou rozlišovacou schopnosťou (HDTV). [7]
14
1.3. PREHĽAD ŠTANDARDOV DIGITÁLNEHO VYSIELANIA
Súčasná doba je plná moderných digitálnych technológií. Digitálne spracovanie
obrazu, zvuku už nie je žiadnou novinkou. Digitalizácia prináša okrem skvalitnenia
súčasných služieb aj vznik nových služieb a neobišla ani televíziu. Digitálnu televíziu
poznáme určitú dobu ako satelitnú, ktorá začínala ako prvá. Súbežne s ňou sa začali
vyvíjať káblové digitálne systémy a dnes aj pozemská digitálna televízia, ktorá je
najmladšia z digitálnych noriem vyvíjaných v Európe. Súčasne s európskym projektom sa
vyvíjajú aj konkurenčné platformy.
Jedným zo štandardov digitálneho vysielania je štandard HDTV (High Definition
Television), ktorý podporuje viackanálový zvuk a kanálovú moduláciu podľa typu
distribúcie digitálneho signálu (satelitná, káblová, pozemská) sa predpokladajú
nasledujúce formáty rozkladu obrazu:
• 720p - progressive (neprekladaný), 720 riadkov x 1080 bodov v riadku,
25 (50) obrázkov/s
• 1080i - interlacing (prekladaný), 1080 riadkov x 1920 bodov v riadku,
50 polobrázkov/s
• 1080p - progressive (neprekladaný), 1080 riadkov x 1920 bodov v riadku,
25 obrázkov/s
Digitalizovaný signál formátu 720p má rýchlosť nekomprimovaných obrazových
dát cca 311 Mb/s a formát 1080p dokonca až 830 Mb/s, pričom štandardný digitalizovaný
signál má rýchlosť bitového toku 216 Mb/s. Preto sa na kompresiu digitálneho
obrazového signálu predpokladá účinnejší kompresný algoritmus, napr. MPEG 4-AVC.
[8]
15
Vo svete používa niekoľko štandardov pre digitálnu televíziu. Väčšina z nich sa
neustále vyvíja a zdokonaľuje. Nižšie sú uvedené najpopulárnejšie štandardy, ich
modifikácie a krajiny, resp. miesta kde sa tieto štandardy používajú.
DVB (Digital Video Broadcasting)- Európa / Ázia
Terestriálne (terrestrial): DVB-T, DVB-T2, DVB-MT, DVB-MC,DVB-MDS
Satelitné (satellite): DVB-S, DVB-S2, DVB-SH, DVB-SMATV,
Káblové (cable): DVB-C, DVB-CS,
Hybridné (hybride): DVB-H, DVB-SH, DVB-/H2, DVB-IPTV,
DVB- J/MHP (Multimedia Home Platform),
ATSC (Advanced Television Systems Committee)- USA
ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting)- Japonsko
DMB (Digital Multimedia Broadcasting)- Čína, Južná Kórea
[7]
16
1.4. ZÁVERY PRE REALIZÁCIU BAKALÁRSKEJ PRÁCE
V úvodnom bode je stručne popísaná história a vývoj prenosu obrazu na diaľku,
od prvých pokusov až po súčasné televízne vysielanie. Ďalší bod je zameraný na
jednoduchý popis princípu vysielania analógovej televízie. Následne sú opísané tri
základné štandardy vysielania analógových systémov, a to NTSC, PAL a SECAM.
Digitalizácia televíznych systémov je zameraná na vzorkovanie, typy vzorkovacej
štruktúry, kvantovanie a kódovanie televízneho signálu, ktorý je nutné komprimovať.
Preto sú následne v krátkosti zhrnuté niektoré kompresné algoritmy MPEG. Digitalizáciu
televíznych systémov a kompresné algoritmy je možné využiť aj v samotnej prednáške,
nakoľko to úzko súvisí s obsahom prednášky. Na záver je uvedený prehľad súčasne
používaných štandardov digitálneho vysielania.
17
2. CIELE BAKALÁRSKEJ PRÁCE
Hlavným cieľom spracovania bakalárskej práce je spracovať prednášku na tému:
Štandard pozemského vysielania digitálnej televízie. Na splnenie tohto cieľa, som si
stanovil tri čiastkové ciele:
1. Stanoviť náukové ciele prednášky,
2. Formulovať učebné otázky prednášky,
3. Spracovať didaktické náplne k učebným otázkam.
18
3. METÓDY REALIZÁCIE BAKALÁRSKEJ PRÁCE
3.1. NÁUKOVÉ CIELE
Prednáška je určená pre študentov bakalárskeho štúdia. Predpokladá sa, že študenti
majú základné znalosti z oblasti základov rádiovej komunikácie, poznajú základnú
štruktúru rádiových prijímačov a rádiových vysielačov, poznajú základné metódy
digitálneho spracovania signálov, základné typy používaných modulácií signálov a sú
zoznámení so základnými princípmi tvorby, spracovania a prenosu analógového
televízneho signálu.
1. Študenti po vypočutí prednášky získajú prehľad o základných metódach
tvorby, spracovania a prenosu digitálneho televízneho signálu pri pozemskom vysielaní
televízie.
2. Študenti by mali vedieť základné metódy tvorby digitálneho obrazového a
zvukového signálu v televíznom prenose, základné etapy ich spracovania pre prenos
a základné modulačné metódy používané na prenos.
3. Študenti by sa mali zoznámiť so základnými postupmi tvorby digitálnych
obrazových a zvukových signálov, základnými metódami zdrojového kódovania signálov
ako spôsobov znižovania informačného toku a základnými metódami kanálového
kódovania na zvýšenie spoľahlivosti prenosu digitálnych signálov, základnými
modulačnými metódami digitálnych signálov s veľkou prenosovou rýchlosťou.
4. Študenti by mali získať prehľad o používaných zvukových a obrazových
formátoch MPEG na prenos digitálneho televízneho obrazu a zvuku, a o metódach
vysielania, šírenia a príjmu digitálneho televízneho signálu.
19
3.2. UČEBNÉ OTÁZKY
V tejto časti bakalárskej práce sú stanovené a zdôvodnené učebné otázky
prednášky DVB-T. Stanovené otázky sú rozdelené do troch hlavných okruhov, a to
nasledovne:
1. Všeobecný model DVB-T,
2. Tvorba a spracovanie obrazového a zvukového digitálneho signálu,
3. Prenos digitálneho signálu DVB-T.
3.2.1. VŠEOBECNÝ MODEL DVB-T
V tomto bode by sa mal čitateľ prednášky, resp. študent zoznámiť s danou
problematikou a dozvedieť sa všeobecné informácie o DVB-T. Študent sa ďalej zoznámi
so základnými princípmi a vlastnosťami, ktorými sa DVB-T vyznačuje. Získa taktiež
informácie o možnostiach príjmu pozemskej digitálnej televízie.
Analógové a digitálne systémy sa od seba veľmi odlišujú, preto je potrebné
poukázať na rozdiely medzi nimi, ich výhody aj nevýhody, príp. aké vylepšenia a ďalšie
technologické možnosti prináša digitalizácia televízie. Tento bod je dôležitý pre
pochopenie potreby digitálnej televízie.
3.2.2. TVORBA A SPRACOVANIE OBRAZOVÉHO A ZVUKOVÉHO DIGITÁLNEHO SIGNÁLU
Štandard DVB-T je pomerne dosť zložitý a rozsiahly, preto sa skladá z viacerých
podsystémov. Keďže aj tieto podsystémy sú sami o sebe zložité, sú rozdelené
do nasledujúcich bodov.
1. Zdrojové kódovanie obrazového signálu.
2. Zdrojové kódovanie zvukových signálov.
3. Multiplexovanie v DVB-T.
4. Kanálové kódovanie.
Popis systémov je zoradený chronologicky pre lepšie pochopenie problematiky.
20
3.2.2.1. ZDROJOVÉ KÓDOVANIE OBRAZOVÉHO SIGNÁLU
DVB-T využíva viacero možností kódovania obrazových signálov. Jedným zo
základných spôsobov je zdrojové kódovanie, preto je potrebné aby bolo uvedené
v učebných otázkach. Študent by mal získať hlavné poznatky o zdrojovom kódovaní,
o možnostiach zdrojového kódovania, mal by vedieť prečo sa vlastne takéto kódovanie
uplatňuje pri digitálnej televízii, a ako sa zmení zdrojovo kódovaný signál oproti
pôvodnému obrazovému signálu. Zdrojové kódovanie zahŕňa niekoľko procesov, ako
vzorkovanie, kvantovanie, kosínusovú transformáciu DCT atď. Všetky tieto úkony sú
v procese zdrojového kódovania veľmi dôležité.
3.2.2.2. ZDROJOVÉ KÓDOVANIE ZVUKOVÝCH SIGNÁLOV
Táto téma je nemenej dôležitá ako predchádzajúca, preto bolo nutné venovať aj jej
rovnakú pozornosť. Proces zdrojového kódovania zvuku je takisto veľmi náročný, ako
proces zdrojového kódovania obrazu a takisto zahŕňa vzorkovanie, kvantovanie
a subpásmové kódovanie. Je tu potrebné venovať pozornosť aj zvukovým štandardom
používaným v digitálnej televízii DVB-T.
3.2.2.3. MULTIPLEXOVANIE V DVB-T
Dátové signály, ktoré sa vytvoria po zdrojovom kódovaní sa následne
multiplexujú do výsledného dátového toku. Multiplexovanie je dôležitý proces v systéme
DVB-T, pretože do výsledného dátového toku je možné pridávať aj rôzne iné dáta ako len
obrazové a zvukové signály. Pre tieto, ale aj iné výhody je princíp multiplexovania dát
používaný v systéme DVB-T, a aj preto je zaradený medzi týmito učebnými otázkami.
3.2.2.4. KANÁLOVÉ KÓDOVANIE
Tento spôsob kódovania tiež patrí medzi hlavné spôsoby kódovania v systéme
DVB-T, má však úplne odlišnú úlohu ako zdrojové kódovanie. Aj napriek tomu je
potrebné venovať tomuto procesu dostatočnú pozornosť, pretože sa podieľa na
bezporuchovom prenose obrazových aj zvukových dát. V prípade výskytu chyby sa snaží
čo najrýchlejšie ju eliminovať, takže sa uplatňuje vo vysielačoch aj v prijímačoch.
21
3.2.3. PRENOS DIGITÁLNEHO SIGNÁLU V DVB-T
Prenos digitálneho signálu v sebe obsahuje modulovanie signálu, jeho vysielanie
televíznymi vysielačmi a príjem televíznym prijímačom. Tretiu učebnú otázku som
rozdelil na čiastkové otázky.
1. Modulácie signálov DVB-T.
2. Vysielače DVB-T.
3. Prijímače DVB-T.
3.2.3.1. MODULÁCIA SIGNÁLOV DVB-T
Ďalším bodom v učebných otázkach je modulácia signálov v DVB-T a to preto,
lebo je potrebné uviesť aký typ modulácie sa v systéme DVB-T používa, ako sa to
v takomto digitálnom systéme prevádza, a aké má použitá modulácia výhody resp.
nevýhody.
3.2.3.2. VYSIELAČE DVB-T
Pre úplnosť je z didaktickej stránky potrebné uviesť aj vysielače v systéme
DVB-T. Nepochybne sú vysielače dôležitým prvkom vo viacerých systémoch, nielen
v digitálnej televízii, preto je potrebné stručne o nich pojednať aj v tejto prednáške.
3.2.3.3. PRIJÍMAČE DVB-T
Na záver sú uvedené prijímače, ktoré nemajú o nič menší význam ako vysielače.
Je potrebné o nich pojednať z technickej stránky, vysvetliť z čoho sa prijímače skladajú,
príp. ktoré prijímače sú vhodné na použitie v digitálnej televízii a ktoré nie.
22
3.3. DIDAKTICKÁ NÁPLŇ
3.3.1. VŠEOBECNÝ MODEL DVB-T
DVB-T pochádza z anglického názvu Digital Video Broadcasting – Terrestrial a
v slovenčine znamená štandard pre pozemské vysielanie digitálnej televízie. Všeobecný
model digitálnej televízie pozostáva zo štyroch hlavných častí, v ktorých dochádza
k tvorbe, kódovaniu, úpravám pre prenos, príjmu a k dekódovaniu televízneho signálu.
Štyri hlavné časti sú:
• televízne štúdio
• vysielač s vysielacou anténou
• prenosové prostredie
• prijímač s prijímacou anténou
Obr. 7 Všeobecný model DVB-T
23
V televíznom štúdiu sa pomocou použitej impulzne kódovej modulácii - PCM,
ktorá predstavuje základný princíp digitálnej televízie dosahuje, že z pôvodného
obrazového a zvukového signálu dostaneme štúdiový signálový tok vo forme
elektrických impulzov – bitov. Tento štúdiový signálový tok má vysokú bitovú rýchlosť
(počet bitov za sekundu), ktorá je nevhodná na prenos.
Zníženie bitovej rýchlosti zabezpečuje najmä zdrojové kódovanie, čo je druhý
základný princíp digitálnej televízie. Zdrojové kódovanie obrazového signálu je
uskutočňované podľa štandardu MPEG-2, čo zabezpečí vylúčenie redundantných
a irelevantných informácií. Zvukové signály sú prevádzané a zdrojovo kódované
pomocou metódy MUSICAM (Masking Pattren Adapted Universal Subband Integrated
Cosiny and Multiplexing) na digitálnu formu, ktorú je možné zlúčiť s dátovým tokom
obrazového signálu. Obrazový a zvukový dátový tok sú podľa štandardu MPEG-2
zlúčené do jedného programového toku a niekoľko programových tokov je zlúčených do
transportného toku, ktorý je vstupným signálom pre vysielač.
Vysielač tento transportný tok upraví na tvar vhodný na prenos v danom
prenosovom kanáli, tj. kanálové kódovanie. Kanálovým kódovaním upravený transportný
tok sa ďalej upravuje na modulovaný vysokofrekvenčný signál a vysielač ho privedie na
vysielaciu anténu, ktorá prevedie premenu vysokofrekvenčného signálu na
elektromagnetické pole šírené do priestoru.
Vonkajšie prenosové prostredie sa prejavuje veľmi negatívnymi vplyvmi, ktoré sú
známe z teórie šírenia elektromagnetických vĺn. Ide najmä o útlm v závislosti na
vzdialenosti, ktorý sa môže meniť spolu so zmenami v atmosfére, ďalej rôzne šumy,
hluky a odrazy vyskytujúce sa v mieste príjmu. Veľmi nepríjemne pôsobia na digitálny
prenos tzv. impulzné poruchy, spôsobené obvykle nesprávne odrušenými elektrickými
strojmi a prístrojmi.
Prostredníctvom prijímacej antény sa na prijímacej strane zachytí
elektromagnetický signál vyslaný vysielacou anténou a prevedie sa naspäť na
vysokofrekvenčný signál, ktorý sa ako prijatý signál privedie k prijímaču a odtiaľ
k televízoru. [9]
24
V nasledujúcich riadkoch sú zhrnuté rozdiely medzi analógovou a digitálnou
televíziou. Podstatou analógového vysielania je , že snímaný obraz a zvuk sa plynulo
premieňajú na spojitý analógový elektrický signál, ktorým je modulovaná nosná vlna
vysielača.
Za charakteristické vlastnosti analógovej televízie je možné považovať:
• v jednom televíznom kanáli so šírkou 8 MHz sa prenáša jeden televízny
program (so zvukovým sprievodom),
• na viacerých miestach dochádza k degradácii signálu spôsobeným viaccestným
šírením, ku poklesu úrovne signálu atď.,
• kvalitný príjem analógového signálu je možný len pomocou vonkajšej pevne
zabudovanej antény,
• na pokrytie určitého územia sú potrebné vysielače s pomerne veľkým
vyžiareným výkonom,
• susedné vysielače nemôžu z dôvodu možného rušenia vysielať na rovnakom
televíznom kanáli, čoho dôsledkom sú značné nároky na frekvenčné spektrum,
• nevýhodou je tiež nemožnosť sledovať televíziu v pohybe. [7]
Digitálne televízne vysielanie sa realizuje v doteraz využívaných televíznych
pásmach, tj. III. televízne pásmo VHF (174-230 MHz) a IV. a V. televízne pásmo (470-
862 MHz). Ani šírka kanála sa v porovnaní s analógovým vysielaním nemení a zostáva 8
MHz (príp. 7 alebo 6 MHz).
Vlastnosti digitálneho vysielania je možné zhrnúť do niekoľkých bodov:
• vysielanie viacerých televíznych programov v jednom televíznom kanáli
(obvykle 3 až 5 televíznych programov v štandardnej kvalite),
• spoľahlivejší príjem, eliminácia rušenia a iných prenosových porúch,
• efektívne využitie frekvenčného spektra,
• pomer strán obrazu 4:3 aj formát 16:9 (širokouhlý formát),
• televízia s nízkym rozlíšením LDTV (Low Definition Television),
• televízia so štandardným rozlíšením SDTV (Standard Definition Television),
25
• televízia s vysokým rozlíšením HDTV (High Definition Television),
• možnosť prenosu niekoľkých sprievodných zvukových signálov (od
monofónneho zvuku až po priestorový zvuk),
• elektronický programový sprievodca EPG (Electronic Programme Guide),
• nové aj existujúce programy,
• možnosť prenosu aj iných dátových tokov, napr. rozhlasové programy a ďalšie
služby prenášané za účelom zábavy, obchodu atď.,
• rôzne doplňujúce funkcie ako napríklad služba aktualizácie softvéru prijímača,
• možnosť interaktívneho vysielania. [7]
Digitálny signál predstavuje diskrétne bity, ktoré prenášajú obrazovú informáciu.
Digitálna televízia predstavuje efektívnejší a pružnejší vysielací systém v porovnaní s
analógovým. Dovoľuje vysielateľom priniesť množstvo nových aj existujúcich služieb.
Pre používateľov digitálna televízia znamená čistejší, ostrejší obraz a redukciu
rôznych analógových rušení, redukciu „duchov“, zlepšenie príjmu v horskom teréne a
v oblastiach, kde bol analógový príjem obmedzený. Medzi ďalšie pozitívne vlastnosti
digitálnych systémov patrí možnosť voľby kvality obrazu (od minimálnej kvality až po
maximálny dátový tok), a taktiež aj zvuku. Potreba vysielačov s menším výkonom je aj
ekonomická výhoda. Naopak nevýhodou digitálneho vysielania je, že každý silnejší
rušivý efekt má na digitálnu televíziu oveľa väčší vplyv ako na analógové vysielanie.
Znamená to, že u digitálnej televízie je obraz teoreticky stopercentný, alebo žiadny. [5,6]
26
Obr. 8 Porovnanie digitálnej a analógovej TV z hľadiska poskytovania TV služieb
Na obrázku je možné vidieť porovnanie analógovej a digitálnej televízie
z hľadiska poskytovania televíznych služieb. V prípade analógovej televízie je možné
vidieť, že s rastúcou vzdialenosťou od vysielača dochádza postupne k znižovaniu úrovne
signálu a k plynulému poklesu kvality obrazu. U digitálnej televízie sa kvalita obrazu
dlhodobo nemení, až v určitej vzdialenosti od vysielača nastane prudký pokles kvality
obrazu. Tento pokles spôsobuje prejavy štvorčekovania obrazu, prípadne zamŕzanie
obrazu a nakoniec úplný výpadok obrazu a zvuku. [7]
27
3.3.2. TVORBA A SPRACOVANIE OBRAZOVÉHO A ZVUKOVÉHO DIGITÁLNEHO SIGNÁLU
3.3.2.1. ZDROJOVÉ KÓDOVANIE OBRAZOVÉHO SIGNÁLU
Keby sa mal preniesť neredukovaný bitový tok, ktorý u štandardnej digitálnej
televízie (SDTV) predstavuje asi 216 Mb/s, bolo by na to potrebné, pri amplitúdovej
modulácii s jedným čiastočne potlačeným pásmom, pri rovnakom počte 0 a 1, frekvenčné
pásmo široké asi 216 MHz. Takýto prenos by bol ťažko uskutočniteľný v satelitnom
vysielaní, ale už vôbec nie pomocou pozemských vysielačov a v televíznych káblových
rozvodoch. Aby bolo možné digitálny televízny signál prenášať pozemskými vysielačmi,
a pri tom ešte zabezpečiť efektivitu prenosu s niekoľkými televíznymi programami
s frekvenčnou šírkou pásma 8 MHz, je potrebné digitálny signál stlačiť (komprimovať),
tj. zmenšiť bitovú rýchlosť a použiť pri tom iné, účinnejšie modulačné spôsoby, ako
amplitúdová modulácia.
Podľa odporučenia ITU-R 601 sa počíta so vzorkovacou frekvenciou 13,5 MHz
pre jasový signál (Y) a 6,75 MHz pre chrominančné zložky signálu (CB,CR). Digitálny
signál, ktorý je označený ako 4:2:2 (Y:CB:CR) má teda jasovú vzorkovaciu frekvenciu
dvojnásobnú oproti vzorkovacej frekvencii chrominančných zložiek signálu. Dôvodom je
nižšia zraková rozlišovacia schopnosť ľudského oka, teda nižšia schopnosť rozlíšiť
farebné detaily obrazu v porovnaní s čiernobielym obrazom. Na dve jasové vzorky teda
pripadá jedna vzorka CB a jedna CR. V štúdiu sa vyskytuje aj chrominančne neobmedzený
formát 4:4:4 s rovnakým počtom všetkých vzoriek a so spoločnou vzorkovacou
frekvenciou. S takýmto formátom pracujú profesionálne strihové a iné štúdiové systémy.
Pri spracovaní digitálneho signálu sa najčastejšie používa formát vzorkovania 4:2:0, kde
sa u chrominančných zložiek vynecháva vzorkovanie každý druhý riadok, tj. vždy jeden
riadok vo zvislom smere, ale obidva chrominančné signály sa prenášajú súčasne. Takúto
vzorkovaciu štruktúru využívajú najmä systémy MPEG. [7]
Vzorkovacia štruktúra sa ale v reprodukovanom obraze môže prejavovať rušivo.
Pri malom počte vzoriek je najmenej rušivá polobrázková ortogonálna (pravouhlá)
štruktúra, ale jej vytváranie je dosť komplikované. Pri počte vzoriek presahujúcom 600
vzoriek na jeden riadok už nie je rozhodujúca štruktúra vzorkovania, preto sa najčastejšie
používa plne ortogonálna štruktúra vzorkovania. [8]
28
Obr. 9 Vzorkovacie štruktúry
Projekt digitálneho televízneho vysielania DVB prijal ako východiskový štandard
televízneho vysielania sústavu MPEG-2 pre obrazový aj zvukový signál. Výrazná
redukcia bitového toku sa v sústave MPEG-2 dosahuje DPCM moduláciou. Podľa
spôsobu zdrojového kódovania sa zmenšuje bitová rýchlosť digitálneho signálu PCM
z pôvodného signálu vstupujúceho do kóderu ( 216Mb/s ) na redukovanú bitovú rýchlosť
4-15 Mb/s. Redundancia digitálneho signálu sa zmenšuje znížením počtu bitov
potrebných na prenos, s ohľadom na zachovanie potrebnej kvality signálu.
Základom kompresného spracovania digitálnych signálov je prevod časového
priebehu do spektrálnej oblasti pomocou diskrétnej kosínusovej transformácie - DCT.
Skutočný časový priebeh obrazového signálu je nahradený zodpovedajúcim kosínusovým
priebehom s príslušnou frekvenciou, amplitúdou a fázou. Systémy MPEG používajú
väčšinou dvojrozmernú diskrétnu kosínusovú transformáciu s obrazovými blokmi
s veľkosťou 8x8 obrazových prvkov (pixelov). Týchto 64 obrazových (priestorových)
prvkov x, y sa po transformácii nahradí 64 spektrálnymi koeficientmi fx=u a fy=v, ktoré
sú usporiadané do identickej dvojrozmernej matice. Výhodou DCT je, že frekvenčné
koeficienty sú reálne, z čoho vyplýva, že pre spätnú transformáciu sa využíva rovnaký
postup.
29
Koeficienty DCT, tj. funkcia G (u, v) sa počítajú z funkcie g (x, y) podľa rovnice:
Nvy
NuxyxgvCuCvuG
yx 2)12(cos
2)12(cos),()(),(
41),(
7
0
7
0
ππ ++= ∑∑
==
,
kde
u,v = súradnice vo frekvenčnej oblasti,
x,y = súradnice v priestorovej oblasti,
N = 8,
konštanty
C(u) = C(v) = 1, pre u = v = 0,
C(v) = 1, pre u > 0, v > 0.
Transformácia funkcie G (u, v) sa prevedie pomocou inverznej kosínusovej
transformácie IDCT (označuje sa aj ako DCT-1) na pôvodnú funkciu g (x, y) podľa
nasledovnej rovnice:
Nvy
NuxvuGvCuCyxg
yx 2)12(cos
2)12(cos),()()(
41),(
7
0
7
0
ππ ++= ∑∑
==
Najväčšiu hodnotu dosahuje koeficient jednosmernej zložky G (0,0), pretože
v tomto koeficiente je sústredená podstatná časť energie signálu. Veľkosť koeficientov
smerom k vyšším frekvenčným zložkám rýchlo klesá a blíži sa k nulovej hodnote. Tu sa
naskytá možnosť redukcie bitového toku, ak by sa z prenosu vylúčili koeficienty
s nulovými, príp. veľmi nízkymi hodnotami. [7]
Najdôležitejším krokom pre redukciu bitového toku je kvantizácia koeficientov po
použití DCT. Všetky koeficienty sú po spektrálnej analýze vydelené koeficientmi
kvantizačnej matice Q (nazývaná aj matica viditeľnosti) a zaokrúhlené na celé číslo, čím
ale vzniknú straty, pretože po spätnej transformácii sa výsledné hodnoty mierne líšia od
pôvodných. V skutočnosti vznikajú aj straty v dôsledku zaokrúhľovania výsledkov
násobenia už pri výpočte základných koeficientov matice DCT. [6]
30
Obr. 10 Príklad DCT na matici 8x8
Každá zo 64 frekvencií má svoj vlastný kvantizačný koeficient. Čím je tento
koeficient väčší tým viac informácie sa stratí. Okrem toho sú zavádzané oddelené
kvantizačné tabuľky pre jasové a farebné dáta, kde farebné dáta sú kvantované viac než
jasové dáta. To umožňuje využiť rozdielnu citlivosť oka na jas a farbu. Kvantizáciou je
tiež možné riadiť nastavenie "kvality" resp. kompresného pomeru. Kompletná
kvantizačná tabuľka, ktorá sa použije pri kvantovaní, je uložená do výstupného
komprimovaného súboru. Dekompresor tak vie ako rekonštruovať príslušné DCT
koeficienty. [6, 7]
Po kvantizácii vznikne koeficient DC (jednosmerná zložka signálu) a 63
koeficientov AC (spektrálne harmonické zložky signálu) upravených pre entropické
kódovanie (pozri obr.11). Pred samotným kódovaním je pole 8x8 koeficientov po DCT a
kvantizácii preorganizované do postupnosti "cik-cak". Toto preorganizovanie spôsobí, že
koeficienty zodpovedajúce najnižším frekvenciám sa dostávajú z ľavej hornej časti
matice DCT na začiatok postupnosti "cik-cak". Ostatné, často nulové koeficienty
31
zodpovedajúce vyšším frekvenciám, vytvárajú v postupnosti "cik-cak" beh za sebou
nasledujúcich núl.
Obr. 11 Postupnosť koeficientov po kvantovaní
Redukcia počtu nulových koeficientov a tým aj zníženie bitovej rýchlosti je
založené na kódovaní s premenlivou dĺžkou kódu (slova) VLC (Variable Length Coding),
pri ktorom sa podľa daných tabuliek priraďujú pravdepodobnejším, čiže často sa
vyskytujúcim kombináciám znakov kratšie kódové slová a naopak kombináciám s nižšou
pravdepodobnosťou výskytu sa priraďujú dlhšie kódové slová. Toto kódovanie sa tiež
označuje ako entropické. [6]
Ďalším spôsobom znižovania prenosovej bitovej rýchlosti je modulácia DPCM,
ktorá vytvára rozdiel v hodnotách vzoriek medzi súčasným a predošlým obrázkom, teda
vytvára predikciu (predpoveď) medzi obrázkami. Stav predošlého obrázku znamená
predpoveď pre súčasný obrázok. Obrázok kódovaný rozdielom od predošlého obrázku sa
označuje ako P (Predicted) obrázok, a takáto predpoveď sa nazýva dopredná. Súčasný
obrázok je možné predpovedať aj z obrázku, ktorý bude nasledovať, ale tento obrázok je
potrebné uložiť do pamäti pred vytvorením rozdielu. Takáto predikcia sa nazýva spätná.
Vytváraním jednosmernej predikcie sa zníži bitová rýchlosť asi dvakrát. Až osem
násobné zníženie bitovej rýchlosti je možné dosiahnuť obojsmernou predikciou. Pri tejto
predikcii je potrebné vytvoriť pre rozdiel súčasného obrázku predpoveď, ako priemer
z minulého obrázku a obrázku nasledujúceho. Takto kódovaný obrázok sa označuje ako
B (Bidirectional) obrázok. Všetky obrázky nemôžu byť s predpoveďou, pretože by boli
32
všetky obrázky závislé od seba a dekodér komprimovaného signálu by nemal
východiskový bod pre svoju činnosť.
Vytvára sa preto skupina obrázkov GOP (Group of Pictures), v ktorej sa
pravidelne opakujú obrázky bez predpovede (väčšinou každých 12 obrázkov). Tieto
obrázky sa označujú ako I (Intra frame) obrázky. [7]
Obr. 12 Skupina obrázkov
33
3.3.2.2. ZDROJOVÉ KÓDOVANIE ZVUKOVÝCH SIGNÁLOV
V digitálnej televízii je potrebné okrem komprimovania obrazového signálu
komprimovať aj sprievodný zvuk. V systéme DVB-T bol pôvodne na kompresiu zvuku
uvažovaný štandard MPEG-1, vrstva 1 alebo 2 pre dvojkanálový zvuk, resp. neskôr
štandard MPEG-2, vrstva 2 pre viackanálový zvuk.
Obr. 13 Zníženie bitovej rýchlosti pri digitálnom prenose zvuku
Na obr. 13 je možné vidieť jednoduché zapojenie kóderu zvuku. Signál PCM má
prenosovú rýchlosť 768 kb/s, čo zodpovedá vzorkovacej frekvencii 48 kHz a 16 bitovému
kvantovaniu (štúdiová kvalita). Bolo by zbytočné prenášať silné akustické signály stále
s rovnakým počtom kvantizačných stupňov. Preto sa podľa sily užitočného akustického
signálu v určitých frekvenčných oblastiach počet kvantizačných stupňov zmenšuje
a zmenšuje sa tým aj bitová rýchlosť potrebná na prenos. Toto dynamické kvantovanie
podľa povoleného kvantizačného šumu maskovaného v rôznych častiach frekvenčného
spektra rôzne silnými akustickými zložkami tvorí základ pre vylúčenie zbytočných bitov
z prenášaného signálu. Spôsobí to zmenšenie prenosovej bitovej rýchlosti z pôvodných
768 kb/s na redukovanú rýchlosť 100-200 kb/s, podľa použitej vzorkovacej frekvencie
a podľa žiadanej kvality výsledného signálu. Zvukový bitový tok so zníženou prenosovou
rýchlosťou sa multiplexuje s obrazovým signálom a celok sa ďalej kóduje kanálovo. Na
dekódovacej strane sa v prijímači pred D/A prevodníkom obnoví prenosová rýchlosť
signálu PCM na 768 kb/s, čo je rýchlosť, ktorá zodpovedá vstupnému signálu na
kódovacej strane. [7]
Ďalším spôsobom úpravy zvukových signálov pri digitálnom prenose je
tzv. maskovanie. Pre lepšie pochopenie je potrebné poznať niektoré javy z psychologickej
akustiky. Za prah počuteľnosti považujeme frekvenčnú závislosť akustického tlaku, pri
ktorej ľudský sluch prestáva vnímať sínusový akustický signál. Táto krivka začína zhruba
34
pri 16 Hz a končí niekde okolo 16 kHz. Horná hranica akustického tlaku je určená
prahom bolesti.
Obr. 14 Prah počuteľnosti a prah bolesti
V praxi pri bežnom počúvaní človek nevníma iba jeden sínusový tón, ale zmes
rôznych frekvencií. Pri trvalých zvukoch môže jeden druh zvuku potláčať počuteľnosť
iného zvuku, aj keď je ich frekvencia rôzna. To znamená, že pri určitej úrovni
akustického tlaku jeden zvuk maskuje iný. Krivky udávajúce hladinu akustického tlaku,
od ktorých je počuteľnosť zvuku sínusového priebehu s určitou akustickou hladinou LT
maskovaná silnejším úzkopásmovým šumom určitej hladiny LŠ, sa nazývajú prahy
súčasnej počuteľnosti. Maskovanie však nenastáva len pri súčasnom pôsobení
maskujúceho a maskovaného zvuku, ale aj v prípade že maskovaný krátkodobý signál
určitej akustickej hladiny LT prichádza až po ukončení maskujúceho zvuku s hladinou LŠ
(index š označuje biely, tj. rovnomerný šum). Dochádza k tomu, ak sa objaví maskovaný
signál do 10 ms po ukončení maskujúceho signálu. Po ďalšom 10 ms intervale
maskovanie slabne a po 200 ms úplne zaniká.
Dôležitý je ale práve opačný jav, pri ktorom určitý sínusový signál danej
frekvencie a hladiny maskuje úroveň šumu. Zvukový signál sa skladá zo spektra zložiek
na rôznych frekvenciách. Na obr. 15 sú zvolené tri najsilnejšie tóny pri frekvenciách 0,25;
35
1 a 4 kHz s hladinou akustického tlaku L=60 dB. Príslušné krivky maskovacích
prahových hodnôt udávajú rozhranie, pod ktorým nie sú ostatné zvuky uvažovaných
frekvencií počuteľné. A práve túto vlastnosť je možné využiť pri maskovaní
kvantizačného šumu tak, že šumové spektrum „tvarujeme“ podľa najsilnejších zložiek
zvukového signálu. Z premenlivej hladiny šumu vychádza minimálny počet bitov pre
kvantovanie. [11]
Obr. 15 Maskovanie kvantizačného šumu v čiastkových frekvenčných pásmach
Subpásmové kódovanie SBC (SubBand Coding) predstavuje účinnú a univerzálnu
metódu pre kódovanie zvukových signálov. Základnou myšlienkou SBC je kódovanie
zvukového signálu tak, že maskované frekvencie sú z kódovaného signálu odstránené.
Obnovený signál sa síce líši od pôvodného, ale ak je signál správne zakódovaný ľudské
ucho nie je schopné tento rozdiel rozpoznať.
Vstupný signál je rozdelený do M frekvenčných pásiem, ktoré sa nazývajú
podpásma. Signál každého podpásma je vzorkovaný vzorkovacou frekvenciou a následne
je signál každého podpásma kvantovaný tak, aby kvantizačný šum vnesený kvantovaním
neprekročil krivku maskovania pre dané podpásmo. Počet kvantizačných hladín
36
v kvantizačných jednotkách je riadený signálom z psychoakustického modelu, v ktorom
sa realizuje analýza vstupného signálu. Informácia o počte kvantizačných hladín je spolu
so vzorkami podpásiem prenášaná oznamovacím kanálom. Na základe prijatej informácie
je prijatý tok bitov rozdelený na jednotlivé podpásma, vedený do regenerátorov,
v ktorých sú obnovené signály subpásiem a následne sú kombinované do výsledného
obnoveného signálu. Výhodou je skutočnosť, že dekodér je schopný obnoviť analógový
signál bez toho, aby poznal štruktúru psychoakustického modelu použitú v kóderi. [10]
Obr. 16 Model podpásmového kódovania
Zvuková časť pôvodne uvažovaného štandardu MPEG-1 pre kompresiu zvuku
v systéme DVB-T je rozdelená do troch úrovní spracovania zvuku.
V prvej úrovni spracovania (MP1) sa transformuje vstupný digitálny PCM signál
z časovej oblasti do oblasti frekvenčnej, tzn. že určitý počet za sebou prichádzajúcich
vzoriek sa vyjadrí pomocou vlastných frekvenčných zložiek. Vytvárajú sa skupiny
sériových dát, ktoré predstavujú 384 vzoriek, pričom každá takáto skupina trvá 8 ms
a nazýva sa rámec dát. Frekvenčné zložky sa ďalej rozdelia do 32 rovnako širokých
čiastkových pásiem. Tieto čiastkové pásma sa vzorkujú frekvenciou, ktorá predstavuje
32. podiel pôvodnej vzorkovacej frekvencie, tj. 48 : 32 = 1,5 kHz. Tento proces sa nazýva
aj podvzorkovanie spektra. Z každého pásma sa vyberie z 12 vzoriek jedna vzorka
s najväčšou amplitúdou a podľa nej sa stanoví tzv. činiteľ mierky (scale factor). Týchto
32 činiteľov mierky má rozhodujúcu úlohu pre stanovenie maskovacích prahov v každom
pásme. Následne sa porovná týchto 32 maximálnych amplitúd s hodnotami
z psychoakustického modelu. Tento obvod napodobňuje ľudské psychoakustické
37
vlastnosti. Následne sa z porovnaných hodnôt zvolí hladina ešte maskovateľného
kvantizačného šumu. Podľa hladiny kvantizačného šumu sa potom pridelí v každom
pásme vždy pre 12 vzoriek určitý počet bitov b. Zmenšením počtu bitov (od 2 do 15) sa
zmenší celková prenosová rýchlosť výsledného bitového toku. Z 32 kanálov
s kvantovanými frekvenčnými zložkami sa vo výstupnom obvode vytvára komprimovaný
sériový digitálny signál, s prenosovou rýchlosťou, ktorú je možné v kóderi meniť od
448kb/s pre najkvalitnejší signál, až po 32 kb/s pre menej kvalitný signál, v ktorom sa už
objavuje aj kvantizačný šum.
Druhá úroveň (MP2) vychádza z predošlého systému určeného pre digitálne
vysielanie rozhlasu MUSICAM (Masking Pattren Adapted Universal Subband Integrated
Cosiny and Multiplexing), čo v preklade znamená integrované multiplexovanie
a kódovanie vo všeobecnom subpásme s prispôsobeným maskujúcim vzorom. Postupy
spracovania signálu sú rovnaké ako v predchádzajúcej úrovni, menia sa tu len niektoré
parametre a pristupujú nové doplnky. Rovnako ako v prvej úrovni sa tu vytvorí 32
subpásiem. Každé pásmo obsahuje skupiny s 36 frekvenčnými vzorkami. V jednom rámci
sa nachádza 36 . 32 = 1152 vzoriek a pri vzorkovacej frekvencii vstupného PCM signálu
48 kHz trvá jeden rámec 24 ms. Používajú sa tu až tri činitele mierky (tri najväčšie
hodnoty amplitúd z 36 vzoriek). Všetky tri sa používajú len v prípade, že signál vykazuje
rýchle časové zmeny. Pri pomalších zmenách postačia aj dva, alebo len jeden činiteľ
mierky. Rozhoduje o tom obvod pre voľbu počtov činiteľov mierky, ktorý je obsahom
kódera. Počet kvantovacích úrovní od 2 do 15 bitov sa používa len pri nízkych
frekvenčných pásmach, tieto úrovne sú určené 4-bitovým údajom. Pre stredné pásma
postačí 8 kvantovacích úrovní, ktoré sú určené 3-bitovým údajom (23 = 8). Vyššie pásma
majú obvykle len 4 kvantovacie úrovne, pretože je tu malá pravdepodobnosť výskytu
veľkých amplitúd. Preto postačí aj dvojbitový popis týchto úrovní. Prenosová rýchlosť
potrebná na prenos najkvalitnejšieho signálu v tejto úrovni je zhruba 384kb/s.
S treťou úrovňou spracovania zvukového signálu (MP3) je spojené nielen
zníženie prenosovej rýchlosti, ale najmä zvýšenie nákladov, ktoré hrajú hlavnú úlohu
v konštrukcii dekodérov pre komerčné účely. Tento spôsob kódovania zvukových
signálov nefiguruje v európskom návrhu digitálnej sústavy DVB-T, preto je tu uvedený
len pre úplnosť danej problematiky. Opäť sa tu PCM signál rozdelí do 32 frekvenčných
pásiem, a v každom z týchto pásiem sa signál transformuje do 18 spektrálnych
38
koeficientov. V jednom rámci sa teda vytvorí 32 . 18 = 576 vzoriek. Príliš úzka
frekvenčná filtrácia môže spôsobiť chyby v časovom slede výstupného signálu, preto sa
podľa povahy vstupného signálu prepína počet vzoriek v rámci na 32 . 6 = 192, tak ako to
vyžaduje časové rozlíšenie. Tým sa presnejšie určí hranica počuteľnosti kvantizačného
šumu v signáli.
Zvukový štandard MPEG-2 vznikol ako zdokonalenie štandardu MPEG-1.
Cieľom bolo uskutočniť zlučiteľný prenos niekoľkokanálovej stereofónie a znížiť bitovú
rýchlosť tak, aby bola zachovaná požadovaná kvalita reprodukovaného zvuku.
Pri nízkych bitových rýchlostiach v sústave MPEG-1 je počuteľný kvantizačný
šum, ktorý znehodnocuje výsledný zvuk väčšou mierou ako obmedzenie frekvenčného
pásma. Aby sa zlepšila akosť signálu (tzn. zoslabil sa kvantizačný šum) pri nízkych
prenosových rýchlostiach, zvolili sa v štandarde MPEG-2 polovičné vzorkovacie
frekvencie, tj. 24 kHz; 22,05 kHz a 16 kHz. Pri rovnakom počte čiastkových pásiem sa
tým dosiahne zmenšenie šírky jednotlivých pásiem. To dovolí podľa priebehu
maskovacích kriviek na obr. 15 vyššiu hodnotu kvantizačného šumu, ktorá je v užšom
pásme lepšie maskovateľná, čiže sa počet kvantizačných stupňov zmenší a tým sa zmenší
aj prenosová rýchlosť. Prínosom štandardu MPEG-2 je teda menšia počuteľnosť
kvantizačného šumu pri nízkych prenosových rýchlostiach za cenu zmenšenia
vzorkovacej frekvencie. Ďalším prínosom je niekoľkokanálové vysielanie. Najčastejšie sa
používajú tri reproduktory (pravý R, stredný C a ľavý L) umiestnené pred divákom (resp.
poslucháčom) a ďalšie dva postranné reproduktory (pravý RS a ľavý LS). Takýto
stereofónny prenos sa označuje ako 3/2 a môže byť ešte doplnený ďalším reproduktorom
s obmedzenou šírkou pásma do 150 Hz. MPEG-2 má zaistiť tento päťkanálový prenos,
bez toho, aby bolo nutné príliš zvyšovať (tj. päťnásobne) prenosovú rýchlosť. Musí byť
zachovaná spätná zlučiteľnosť so sústavou MPEG-1, aby dekodér sústavy MPEG-1 vedel
spracovať takýto niekoľkokanálový signál a reprodukovať ho ako dvojkanálové
stereofónne vysielanie. MPEG-2 umožňuje aj tzv. odstupňovanú zlučiteľnosť, čo
znamená schopnosť dekodéru sústavy MPEG-2 reprodukovať zvuk na rôznych iných
zoskupeniach zvukových kanálov, napr. 3/1, 3/0, 2/2, 2/1, 2/0 a 1/0.
39
Pre spomínanú spätnú zlučiteľnosť sa päť zvukových signálov maticuje tak, že sa
vytvárajú dva zlučiteľné signály L0 a R0 a tri prídavné signály LSW, CW a RSW podľa
nasledujúcich rovníc:
RSRSLSLS
CC
RSCRRLSCLL
W
W
W
γ
γ
β
γβγβ
=
=
=
++=++=
0
0
Pritom sa všetkých 5 signálov zmenšuje súčiniteľom α, aby sa zabránilo prebudeniu
obidvoch zlučiteľných kanálov. Kanály R0 a L0 obsahujú signály zo všetkých zdrojov.
Použitím uvedených súčiniteľov α, β, γ sa dosahujú rôzne prevádzkové postupy. Obvykle
sa používa )21(
1+
=α , 2
1== γβ . Kanály zadných reproduktorov sa môžu použiť
aj pre niekoľkojazyčný zvuk, alebo iný stereofónny prenos. Tento niekoľkokanálový
prenos v sústave MPEG-2 sa uskutočňuje na druhej úrovni s využitím skupiny
prídavných bitov v každom rámci, alebo ak nestačí počet prídavných bitov vysiela sa za
rámcom prídavný bitový tok. Kvôli zlučiteľnosti so sústavou MPEG-1 by sa mala
dodržať pri niekoľkokanálovom vysielaní maximálna bitová rýchlosť 384 kb/s, ak by sa
pre prídavné kanály použili pomocné bity na konci rámca. Pre dobrú kvalitu zvuku je ale
potrebné pri väčšej bitovej rýchlosti použiť nový blok pre rozšírený bitový tok, a to pre
pokračovanie prenosu dát niekoľkokanálového zvuku, ktorý začal a nevošiel sa do
obvyklého rámca. To je signalizované v záhlaví základných rámcov a návesť je aj na
začiatku prídavného bitového toku. Dekodér sústavy MPEG-1 reaguje len na dáta
v rámcoch určené pre signály L0 a R0 a nespracováva prídavné dáta v rámci
a v prídavnom bitovom toku.
Redukcia bitovej rýchlosti sa v sústave MPEG-2 realizuje aj pomocou
tzv. prepínania kanálov. Pre získanie pôvodných zvukových signálov po spätnom
maticovaní v dekodéri sa prenášajú okrem základných signálov L0 a R0 aj rôzne
kombinácie pôvodných signálov, a to v kanáloch K2, K3 a K4.
40
K0 K1 K2 K3 K4
L0 R0 C LS RS
L0 R0 L LS RS
L0 R0 R LS RS
L0 R0 C L RS
L0 R0 C LS R
L0 R0 C L R
L0 R0 R L RS
Tab. 1 Prepínanie kanálov pri päťkanálovom prenose zvuku
Toto rôzne maticovanie sa mení pre každý rámec tak, že sa používajú kanály
s najslabšími signálmi, čím sa ušetrí niekoľko prenášaných bitov a zmenší sa výsledná
bitová rýchlosť. Ešte účinnejšie je prepínanie pre každé čiastkové frekvenčné pásmo,
alebo pre dvanásť skupín týchto pásiem. Tento spôsob je ale nákladnejší.
Ďalšie zníženie výslednej bitovej rýchlosti je spojené s využitím dynamických
presluchov (Dynamic Crosstalk). Vzorky jedného kanálu príslušné určitému druhu
maticovania sa nahrádzajú pomocou vzoriek z iného kanála s rovnakým typom
maticovania, napr. v kanáloch K2 a K4 sa použijú vzorky K2 + K4. Vychádza sa pri tom zo
skutočnosti, že smerovosť stereofónneho dojmu závisí od istej frekvencie na sile signálu
viacej ako na fázovom rozdiele jednotlivých frekvenčných zložiek. Odchýlky vzniknuté
pri prenose sú nevnímateľné, čiže irelevantné.
K efektívnejšiemu prenosu prispieva aj frekvenčné obmedzenie v strednom
kanáli C. Dojem strednej reprodukcie je u vyšších frekvencií nahradený umelým
vytvorením stredu zo signálu L a R.
Prípadný šiesty hĺbkový kanál LFE (Low Frequency Enhancement) prenáša signál
obmedzený do 150 Hz a vzorkovaný frekvenciou, ktorá je 96. dielom vzorkovacej
frekvencie pre ostatné signály. V jednom rámci sa prenáša len jedna vzorka a jeden
činiteľ mierky. Rámec má len niekoľko bitov a prenáša sa v multiplexe
s niekoľkokanálovým rozšíreným signálom.
Podobne ako pri zdrojovom kódovaní obrazového signálu, aj pri zvukových
signáloch sa vytvára predikcia. Zo signálov L0 a R0 sa určí predikcia pre signály CW, LW,
RW, LSW a RSW, a to len v prípade, že je medzi oboma skupinami značná súvislosť. Ďalej
41
sa prenášajú len rozdiely signálov a po zvláštnom vedení aj predikčné koeficienty, ktoré
určujú stupeň predikcie. Predikcia je zapojená v každej skupine čiastkových
frekvenčných pásiem. [11]
3.3.2.3. MULTIPLEXOVANIE V DVB-T
Výsledkom zdrojového kódovania obrazového signálu je základný dátový tok,
ktorý je podľa štandardu MPEG-2 rozdelený na menšie časti (pakety), ktoré sú vybavené
informačným záhlavím. To umožňuje vzájomnú synchronizáciu obrazu, zvuku a iných
prídavných dát v dekodéri. Vytváraním paketov sa čiastkové signály multiplexujú do
výsledného toku. Ten môže obsahovať nielen jeden televízny program sprevádzaný
zvukom a prídavnými dátami (teletextom, informačnými tabuľkami, interaktívnymi
aplikáciami, atď.), ale môže byť v hlavnom multiplexore spojovaných niekoľko
televíznych programov vzájomne časovo nezávislých.
Paketový prenos televízneho signálu predstavuje veľkú flexibilitu rôzneho
spracovania. Tieto kratšie celky sa ľahšie uchovávajú v pamäti a je možné ich skladať do
rôznych podôb výsledného toku pri rôznych prenosových cestách. Vytvorenie
programového a transportného toku multiplexorom je znázornené na obr. 17.
Obr. 17 Tvorba programového a transportného dátového toku
Úprava paketového elementárneho dátového toku PES (Packetized Elementary
Stream) je základom pre vytvorenie programového, alebo transportného toku. Každý
paket začína záhlavím stálej dĺžky 6 bajtov. Za ním nasleduje časť špecifických
informácií. Keďže táto časť má rôznu dĺžku, nasledujú za ňou vyrovnávacie dáta, ktoré
vyrovnávajú dĺžku informačných dát na rovnaký počet.
42
Celková užitočná informácia (obrazová, zvuková, teletextová a dáta doplnkových
služieb) môže obsahovať maximálne 65 526 bajtov. [7]
štartovací kód ( 3 bajty )
identifikácia toku ( 1 bajt )
dĺžka paketu PES ( 2 bajty )
záhlavie
špecifické informácie pre elementárny tok
informačné dáta paketu
návesť
dĺžka záhlavia PES
informačné pole
vyrovnávacie dáta
premenlivá dĺžka, 3 až 259 bajtov
max. 65 526 bajtov
Obr. 18 Zloženie paketov pre elementárny dátový tok
Záhlavie obsahuje štartovací 3-bajtový kód a za ním nasleduje dôležitý údaj pre
identifikáciu toku. V jednom bajte je označený druh užitočnej informácie, napr. označuje
jeden zo 16 videoprogramov. Posledné 2 bajty v záhlaví označujú dĺžku paketu. V úseku
za záhlavím s rozsahom 3 až 259 bajtov sa prenášajú rôzne dáta potrebné pri prenose,
napríklad 1-bitové kontroly CRC (Cyclic Redundance Control), rôzne návesti, značky,
vyrovnávacie dáta atď.
Jednoprogramový transportný tok je zložený z paketov v programovom
multiplexore a je určený pre záznam jednotlivých programov na pásku, alebo pre účely
tvorby programov v štúdiu. Programový tok nepotrebuje zabezpečenie proti rušeniu na
prenosovej ceste a pakety sú zoradené do väčších súborov a môžu byť dlhé. Pakety
zložené z jedného, alebo viac elementárnych dátových tokov patria len jednému
programu a majú rovnakú časovú základňu.
Skupiny paketov tvoria jeden súbor (pack), ktorý je vždy označený na začiatku
súborovým záhlavím s dĺžkou 13 bajtov. Obsahuje informácie o prenosovej rýchlosti
programového multiplexu, hodinové impulzy a štartovací kód súboru. Systémové
43
záhlavie má minimálny počet 12 bajtov. Systémové záhlavie špecifikuje dátový tok
a nachádzajú sa tu štartovacie bajty, bajty pre identifikáciu toku, rôzne návesti, atď.
súborové záhlavie
systémové záhlavie
paket PES
13 bajtov min. 12 bajtov
štartovací kód
súboru
referenčné hodinové impulzy
prenosová rýchlosť programového
multiplexu
Obr. 19 Zloženie programového dátového toku
Pre pozemské vysielanie je transportné multiplexovanie veľmi dôležitou časťou.
Tento celok tvorí štandard multiplexovania MPEG-2. Keďže transportný tok je na každej
dlhšej prenosovej ceste vystavovaný rušivým vplyvom pretvárajú sa dlhé pakety
elementárnych tokov na krátke pakety rovnakej dĺžky. Dosiahne sa tým lepšie
zabezpečenie proti poruchám, ktoré sa realizuje pri kanálovom kódovaní. Dáta
transportného toku majú dĺžku 184 bajtov. Pred nimi sa prenáša záhlavie s dĺžkou 4 bajty.
záhlavie
adaptačné pole ( podľa potreby )
dáta transportného paketu
dĺžka adaptačného poľa
návesť
informácie závislé od návestí
vyrovnávacie dáta
4 bajty
1 bajt 1 bajt max. 182 bajtov
SYNC TEI PUSI TP AFC CC
max. 184 bajtov
Obr. 20 Zloženie transportného dátového paketu
44
Adaptačné pole sa vytvára v prípade, ak sa počet bajtov (maximálne 65 526)
z paketov elementárneho toku nerozdelí bez zvyšku do 184-bajtových transportných
paketov. Posledný paket má potom menej ako 184 bajtov, čiže je potrebné zvyšok
preniesť vyrovnávacími bajtmi v adaptačnom poli. Toto pole začína údajom o jeho dĺžke,
návesťami, informáciami závislými od návestí a vyrovnávacími bajtmi, ktoré dopĺňajú
zvyšok užitočných bajtov PES do počtu 184 v transportnom toku. Adaptačné pole sa
prenáša za každým paketom v intervale minimálne 0,1 s. Okrem vyrovnávacích bajtov
obsahuje aj riadiace informácie na rekonštrukciu obrazu a zvuku v dekodéri.
Záhlavie transportného toku je rozdelené do niekoľkých skupín. Prvú skupinu
tvorí synchronizačný bajt SYNC a označuje začiatok transportného paketu, ďalej
nasleduje indikátor chybného prenosu TEI (Transport Error Indicator). Ukazovateľ
začiatku skupiny užitočných dát PUSI (Payload Unit Start Indicator) udáva, že sa
v transportnom pakete nachádza záhlavie paketu elementárneho toku. Bit o prednosti
prenosu TP (Transport Priority) vyberá dôležité časti, ktoré sa pri preťažení prenosovej
cesty prenášajú prioritne. Bity pre riadenie adaptačného poľa AFC (Adaptation Field
Control) označujú podiel kódovaných bitov v rozsahu užitočných dát. Čítač súvislostí CC
(Continuity Counter) počíta pakety rovnakého identifikačného znaku a môže odhaliť
stratu paketov, prípadne ich nesprávne poradie. [7]
3.3.2.4. KANÁLOVÉ KÓDOVANIE
Kanálové kódovanie znamená úpravu komprimovaného a zdrojovo kódovaného
digitálneho signálu pre dosiahnutie neporušeného prenosu. Táto úprava zahŕňa postupy
zabezpečenia signálu proti rušeniu a vhodné modulačné metódy pre účinný prenos
prostredím. Pre digitálny signál s použitou PCM moduláciou a s prenosovou rýchlosťou
216 Mb/s je výpadok jedného bitu len veľmi ťažko postrehnuteľný na reprodukovanom
obraze, pretože to znamená zlú reprodukciu jedného obrazového pixelu.
V komprimovanom signáli sa ale výpadok jedného bitu prejaví oveľa rušivejšie, pretože
to spôsobí napr. výpadok celého makrobloku, čo je už viditeľné na reprodukovanom
obraze.
V rámci kanálového kódovania sú proti možnému vzniku chýb vplyvom rušenia
pri prenose signálu prostredím zavádzané prídavné redundancie signálu, ktoré slúžia ako
ochrana prenášaných dát. Spôsob ochrany je prispôsobený prostrediu, ktorým sa signál
45
prenáša. Iná ochrana a spôsob modulácie sa používa v pozemských vysielačoch, iná
v družiciach, a iný spôsob ochrany a modulácie vyžaduje digitálna televízia
sprostredkovávaná cez káblové rozvody. Najvyššia ochrana prenášaných dát je potrebná
práve na prenos digitálnej televízie pomocou pozemských vysielačov. Na pozemský
televízny signál pôsobí najviac rušivých vplyvov, napr. mnohocestné šírenie signálu,
vznik odrazov od rôznych budov, alebo terénnych prekážok. [7]
Transportný tok štandardu MPEG-2, ktorý je zostavený z paketových dát je
zabezpečený dvoma typmi ochranných kódov FEC (Forward Error Correction). Vonkajší
kód FEC 1 je blokový kód pre opravu symbolov. Medzi kódery (dekodéry) sa vkladá
tzv. prekladací stupeň (interleaver), ktorý slúži na premiešanie poradia symbolov tak, aby
sa susedné symboly rozmiestnili čo najďalej od seba. Zabezpečí sa tým zníženie možnosti
vytvárania zhlukových chýb. Za blokový kód FEC 1 opravujúci symbolové chyby sa
používa Reed-Solomonov kód, vnútorný kód FEC 2 býva binárny konvolučný a slúži na
opravu jednotlivých chybných bitov. [8,9]
Obr. 21 Zapojenie kóderov a dekodérov pri kanálovom kódovaní
Reed-Solomonov blokový kód je realizovaný tak, že z počtu n symbolov (bajtov),
ktoré odpovedajú číselne všetkým hodnotám je zložený blok, do ktorého je zaradených m
symbolov informačných a k ochranných bajtov, takže platí n = m + k. Blokový kód RS je
zaraďovaný v dvojčlenných skupinách kódov na prvom mieste na strane vysielača a na
druhom mieste skupiny na pred dekodérom v prijímači.
Symbol môže nadobúdať hodnoty q = 2w. Do bloku sa zaradí n = q – 1 symbolov.
Doplnením m informačných symbolov do počtu n pomocou opravných symbolov s
počtom k sa môže dosiahnuť počet t symbolov, ktoré sa sami opravia, pričom sa nájde
miesto chybného symbolu a určí sa jeho správna hodnota. Aby sa opravilo t symbolov,
musí byť v RS kóde dvojnásobný počet opravujúcich symbolov, tj. k = 2t. Samoopravný
Reed-Solomonov kód sa označuje ako RS (n, m). Pri 8 bitových symboloch je
n = 255 (n = 28 = 256, n = 256 – 1 = 255) a pri požiadavke opravy t = 8 symbolov
je m = n – 2t = 255 – 16 = 239 a označenie kódu je potom RS (255, 239). Pretože je
transportný tok zložený z paketov so 188 bajtmi, redukuje sa kód na typ RS (204, 188).
Redukcia spočíva v tom, že sa položí prvých 51 bajtov rovných nule a opraví sa 8 bajtov.
46
S väčším počtom opravujúcich bajtov sa zmenšuje pravdepodobnosť, že sa na výstupe
objaví chyba pri určitej pravdepodobnosti vstupných chýb. Matematicky sa vyjadruje
kódový pomer ako nk
nkn
nmR −=
−== 1 .
Dĺžka transportného paketu je 204 bajtov, pričom celý paket pozostáva z jedného
synchronizačného bajtu, 187 informačných bajtov a 16 ochranných bajtov, ktoré môžu
zabezpečiť ochranu maximálne 8 chybných bajtov. [7]
Sync 1 Sync n
náhodne rozmiestnených 187 bajtov
RS (204,188)
204 bajtov
Obr. 22 Paket transportného toku RS (204, 188)
Ďalším typom kanálového kódovania v systéme DVB-T je konvolučný kód. Je to
binárne orientovaný kód tzn., že zabezpečuje bity pred poruchami tak, že ich inverzné
pôsobenie opravuje. Vstupné sériové binárne dáta prichádzajú po skupinách m do
posuvného registra. Posuvný register má S dielov, ktoré tvoria dĺžku S. Register môže
uchovať v pamäti až S.m bitov, čiže môže nadobudnúť až 2Sm stavov. Dĺžka rámca
výstupných bitov je n, a tento rámec je dlhší ako rámec vstupných bitov. Pri tomto druhu
zabezpečovania ochrany sa nepridávajú žiadne zvláštne opravné bity k informačným
bitom m, ale vstupné bity sa navzájom ovplyvňujú (konvolujú) vytváraním súčtov na
rôznych odbočkách v registri. Bity sa ovplyvňujú presne predpísaným spôsobom, takže
ich pravá hodnota je „rozmazaná“. Na obr. 23 je príklad konvolúcie, kde je rámec
výstupných bitov n = 2, pri vstupných bitoch s rámcom m = 1. Kódový pomer potom
bude 21
==nmR . Takýmto spôsobom konvolúcie sa pôvodná prenosová rýchlosť
zväčšuje na hodnotu Rp/R, čo pri R=1/2 predstavuje 50 % nárast rýchlosti, čiže
redundanciu. V dekodéri konvolučného kódu sa pri dekódovaní táto redundancia odstráni.
Označenie konvolučného kódu je K (n, m).
47
Pre vytvorenie výstupného signálu v jednotlivých vetvách sa okrem odbočiek
z posuvného registra používa aj vstupný signál, preto sa počíta tzv. dĺžka pôsobenia K,
ako dĺžka registra zväčšená o jednotku a násobená veľkosťou rámca vstupných dát
. mSK )1( +=
Obr. 23 Konvolučný kóder
Konvolučný kóder so svojimi odbočkami na rôznych miestach je popísaný okrem
hodnôt m, n, K aj generujúcim mnohočlenom G stupňa S s nulovými koeficientmi v tých
miestach, kde nie je v registri odbočka. Miesta s odbočkami predstavujú jednotkové
koeficienty. K vstupu do posuvného registra môže byť priradený najvyšší alebo najnižší
rád mnohočlenu. Na obr. 23 je použitý na vstupe člen najvyššieho rádu. Zloženie
odbočiek sa popisuje v osmičkovej sústave. [11]
48
3.3.3. PRENOS DIGITÁLNEHO SIGNÁLU V DVB-T
3.3.3.1. MODULÁCIA SIGNÁLOV DVB-T
Viaccestné šírenie (multipath) je termín, používaný na vyjadrenie viacerých ciest,
ktorými sa môže rádiový signál šíriť. Jedna cesta môže byť priama a druhá cesta vznikne
pri odraze od nejakej prekážky. Do cieľa dorazia dva signály , ten odrazený s časovým
oneskorením. Efekt úniku v prípade viaccestného šírenia vo frekvenčnej oblasti
zapríčiňuje, že rozličné časti spektra sú potláčané viac ako ostatné. V digitálnom
bezdrôtovom komunikačnom systéme, sa bitová chybovosť zvyšuje v dôsledku únikov.
Preto musia prenosové systémy eliminovať negatívne účinky viaccestného
šírenia. Systém OFDM (Orthogonal Frequency Divided Multiplex), ktorý sa používa v
prípade systému DVB-T síce používa množstvo úzkopásmových zložiek (vyšší počet
nosných), celkové paralelné spektrum je široké, avšak v konečnom dôsledku sa nedá
hovoriť o širokopásmových prenosových systémoch.
Pozemské prenosové cesty pre konštelácie QAM (16-QAM, 64-QAM) vykazujú v
dôsledku mnohocestného šírenia nepriaznivé vlastnosti. Aby bol zaručený kvalitný
prenos obrazových a zvukových informácií, používa pozemská digitálna televízia DVB-T
systém C-OFDM. Písmeno C (Coded) znamená že dáta, ktoré sú prenášané niekoľko tisíc
nosnými sú zabezpečené proti chybovosti RS kódom a konvolučným kódom, ktoré tvoria
vyššie popísanú doprednú chybovú ochranu.
COFDM je modulačná schéma s viacerými nosnými, tzv. „multicarrier system“.
Prenosové pásmo je rozdelené do veľkého počtu úzkych podpásiem. Princíp OFDM je
možné vysvetliť porovnaním s klasickým frekvenčným multiplexom FDM (Frequency
Division Multiplexing), aj keď každý z nich má principiálne iné využitie. Pri FDM je
pásmo rozdelené na nezávislé, vzájomne neprekrývajúce sa podpásma. Čím viac sú
jednotlivé podpásma od seba vzdialené, tým menej sa vzájomne ovplyvňujú. Pri OFDM
sú jednotlivé nosné vzájomne ortogonálne a čo je hlavný rozdiel oproti FDM, podpásma
sa prekrývajú, ale vďaka ortogonalite nosných nedochádza k ich interferencii, čím sa šetrí
so šírkou pásma.
49
Obr. 24 Porovnanie využitia pásma pri FDM a OFDM
Signál vytvorený vyšším počtom nosných frekvencií sa implementuje použitím
inverznej rýchlej Fourierovej transformácie (IFFT- Inverse Fast Fourier Transform) a
prijímač potom v procese demodulácie použije rýchlu Fourierovu transformáciu (FFT-
Fast Fourier Transform). Veľkosť FFT je 2N, pričom N môže nadobúdať hodnoty 9, 10,
11, 12, 13, alebo 14. Veľkosť je potom 512, 1024, 2048, 4096, 8192 alebo 16384 čo
determinuje maximálny počet nosných frekvencií. Teda v systéme OFDM nie je signál
prenášaný na 1 frekvencii, ale v móde 2k na 1705 nosných a v systéme 8k na 6817
nosných. Tieto sú ortogonálne rozdelené na šírku kanála a tvoria jeden ortogonálny
funkčný systém. Ortogonalita je daná tým, že separácia nosných frekvencií (frekvenčný
rozdiel medzi susednými nosnými) je nepriamo úmerná dĺžke symbolu. Označenie 2k a
8k má pôvod v generovaní 1024, prípadne 8192 ortogonálnych nosných frekvencií. Na
prenos sa však používa len vyššie uvedený počet nosných. OFDM signál sa vysiela v
rámcoch, z ktorých každý pozostáva zo 68 symbolov, ktoré sú tvorené referenčnými
symbolmi prenášajúcimi dáta. Štyri rámce tvoria jeden super-rámec. Každý symbol je
tvorený súborom nosných frekvencií a je vyslaný s trvaním TS. Skladá sa z dvoch častí,
a to z užitočnej časti s trvaním TU a z ochranného intervalu s trvaním Δ.
Tab. 2 Parametre 2k a 8k – OFDM pre DVB-T
Symboly v rámci OFDM sú číslované od 0 po 67. Všetky symboly obsahujú dáta
a referenčné informácie. Pretože signál OFDM sa skladá z mnohých samostatne
50
modulovaných nosných frekvencií, každý symbol sa postupne delí do buniek, z ktorých
každá odpovedá modulácii prenášanej na jednej nosnej jedného symbolu. Okrem
prenášaných dát rámec OFDM obsahuje rozptýlené pilotné bunky, spojité pilotné bunky
a nosné TPS - Transmission Parameter Signalling (informácie o modulácii, ochrannom
intervale, móde OFDM). Pilotné nosné frekvencie sa používajú na synchronizáciu
rámcov, frekvencie, času a identifikáciu prenosového módu. Frekvenčná vzdialenosť
medzi susednými nosnými je 1/TU.
Obr. 25 Grafické znázornenie vytvorenia OFDM rámca
Z dôvodu vyššie spomínaného viaccestného šírenia signálu sa používa ešte
metóda vkladania ochranného intervalu na zabránenie tzv. medzisymbolovej interferencie
(InterSymbol Interference). Pri tejto metóde sa celkové trvanie symbolu predĺži o dĺžku
ochranného intervalu. Odrazené signály prichádzajú do prijímača v dobe, kedy prijímač
detekuje, ale nič neprijíma (doba ochranného intervalu). Takýmto spôsobom sa vyhne
príjmu rôznych nezmyslov, z ktorých by nedokázal vyčítať užitočnú informáciu. [7]
51
3.3.3.2. VYSIELAČE DVB-T
Celková bloková schéma vysielača DVB-T signálu je zobrazená na obr. 26.
Vysielač sa skladá z dvoch hlavných častí:
• Zdrojové kódovanie a multiplexovanie (Source coding and Multiplexing)
• Kanálová adaptácia (Terrestrial Channel Adapter)
Obr. 26 Bloková schéma vysielača DVB-T
52
Medzi hlavné časti bloku zdrojového kódovania a multiplexovania patrí:
• Video kóder – kóduje obrazovú časť signálu na video MPEG-2
• Audio kóder – kóduje zvukovú časť signálu na audio MPEG-2
• Dátový kóder – oddelene od pracovného signálu (audio/video) kóduje informácie
o parametroch týchto signálov, vytvára parametrový signál
• Programový multiplexor – združuje signály (audio/video/parametrový) do jedného
signálu (úplného)
• Transportný multiplexor – združuje a radí pakety vytvorených úplných signálov
do jedného dátového toku
Rozbočovač (Splitter) rozdeľuje prichádzajúci prenosový tok na dva nezávislé
toky s vysokou HP (High Priority) a nízkou prioritou LP (Low Priority). Rozbočovač teda
realizuje hierarchický prenos. Bloky označené čiarkovane sú použité len v prípade, že
systém používa hierarchický prenos. Inak je rozbočovač nepotrebný a používa sa iba
horná vetva kanálovej adaptácie.
Prispôsobenie multiplexu a rozptýlenie energie (MUX Adaptation and Energy
Dispersal) plní dve základné funkcie, identifikuje MPEG-2 prenosový tok ako postupnosť
dátových paketov a vyrovnáva rozloženie energie v kanáli. Rozptýlenie energie
ovplyvňuje prenášaný tok, aby mal charakter náhodnej postupnosti dát. Takýto signál je
odolnejší proti pôsobeniu degradácie prenosového kanála.
Vonkajšie kódovanie (Outer Coder) predstavuje prvý stupeň ochrany prenášaných
dát voči chybám. Tu sa aplikuje blokový Reed-Solomonov kód RS(204,188). Vonkajšie
prekladanie (Outer Interleaver) sa používa na prehodenie poradia prenášaných dát. To
potom umožňuje rozdeliť prípadné zhluky chýb na chyby individuálne, ktoré dokáže RS
kód opraviť. Vnútorné kódovanie (Inner Coder) vykonáva druhý stupeň ochrany dát voči
chybám. V DVB-T sa používa konvolučné kódovanie s kódovými pomermi 1/2, 2/3, 3/4,
5/6, 7/8. Čím je kódový pomer nižší, tým sa pridáva k dátam viac redundancie a tým je
oprava chýb v prijímači účinnejšia. Vnútorné prekladanie (Inner Interleaver) znovu
prekladá dátovú postupnosť s cieľom zredukovať vplyv zhlukových chýb. Mapovanie
(Mapper) prideľuje (mapuje) symboly vystupujúce zo symbolového prekladača na
jednotlivé OFDM nosné.
53
Rámcová adaptácia (Frame Adaptation) má za úlohu zoskupovať OFDM symboly
do rámcov. Taktiež sa tu do rámcov vkladajú pilotné signály a signály TPS (Transmission
Parameter Signalling). OFDM modulátor vytvára ortogonálny frekvenčne delený
multiplex nosných. V tomto bloku sa procesom IFFT vytvárajú jednotlivé nosné, ktoré sú
potom modulované danými symbolmi. Vkladanie ochranného intervalu (Guard Interval
Insertion) je blok, v ktorom sa vloží ochranný interval z dôvodu potlačenia vplyvu
viaccestného šírenia. Prevodník D/A a koncový stupeň (Front End) slúžia na prevod
digitálneho signálu na analógový a na potrebné zosilnenie vysielaného signálu. Signál je
tiež posunutý do požadovaného frekvenčného pásma. [12]
54
3.3.3.3. PRIJÍMAČE DVB-T
Prijímač by mal obsahovať duálne bloky k blokom vo vysielači. Konkrétna
realizácia však závisí od výrobcov. Možná bloková schéma prijímača je zobrazená na
obr. 27.
Obr. 27 Bloková schéma prijímača DVB-T
Prijatý signál je najskôr transformovaný do základného pásma a prevedený na
digitálny signál v A/D bloku. Nasleduje synchronizácia, kde sa určujú začiatky
jednotlivých rámcov. Pomocou ochranných intervalov sa tiež identifikujú začiatky
OFDM symbolov. V tomto bloku sa odstraňuje aj frekvenčný posun pomocou pilotných
signálov. Nasleduje OFDM demodulácia, kde sa pomocou FFT demodulujú jednotlivé
nosné. V bloku ekvalizácie sa extrahujú pilotné signály a použijú sa na ekvalizáciu
prijatého signálu. Následným demapovaním sa z TPS signálov určia parametre
užitočného signálu a na jeho výstupe je tok symbolov, ktorý ďalej postupuje cez vnútorný
deinterleaver. Ten následne vyselektuje prípadný HP alebo LP tok. Tento tok ďalej prejde
do bloku vnútorného dekódovania, kde sa odstránia chyby. Vo vonkajšom deinterleaveri
sú dáta prekladané do pôvodnej postupnosti. Nasleduje vonkajšie dekódovanie, kde je tok
dekódovaný, t.j. odstráni sa redundancia a opravia sa prípadné ďalšie chyby.
V poslednom bloku sa odstráni vplyv pseudonáhodnej postupnosti, ktorá je spôsobená
rozptýlením energie vo vysielači. Výstupom je už MPEG-2 tok, ktorý sa ďalej spracúva.
[12]
55
4. TECHNICKO-EKONOMICKÉ ZHODNOTENIE
V úvode som v krátkosti zhrnul históriu a vývoj televízie. Zameral som sa hlavne
na objavy, ktoré znamenali pre ľudstvo veľký pokrok, napríklad teleskop Paula Nipkowa
z roku 1884, alebo snímaciu a prijímaciu elektrónku Vladimíra Zworykina z roku 1923.
Ďalej som popísal vývoj televízie a televízneho vysielania v bývalom Československu až
po súčasné vysielanie na Slovensku.
V prvom bode som krátko charakterizoval čo je to televízny štandard, a čím je
definovaný. Ďalej som popísal princíp rozkladu obrazu na riadky pomocou prekladaného
a neprekladaného riadkovania. Dôležitý bol prechod z čiernobieleho na farebné
vysielanie, čomu sa museli podriadiť aj štandardy analógového vysielania. Rovnako ako
prechod na farebné vysielanie som v tomto bode popísal aj problémy so spätnou
kompatibilitou.
Charakteristiku prenosu a spracovania farebného televízneho signálu som popísal
v bode 1.1. V tomto bode som sa mal venovať najmä štandardom vysielania analógových
systémov, takže som sa zameral na tri základné a najznámejšie analógové štandardy, a to
v prvom rade štandard NTSC, z ktorého vychádzajú aj ďalšie štandardy PAL a SECAM.
Pri ich charakteristike som sa zameral najmä na technické parametre a zhodnotil som
výhody a nevýhody týchto analógových štandardov.
Digitalizácii televíznych systémov som venoval veľkú pozornosť v bode 1.2, kde
som spomenul tri základné kroky vedúce k digitalizácii analógových signálov, a to
vzorkovanie, kvantovanie a kódovanie. Ďalej som tu zahrnul aj najjednoduchší spôsob
prevodu analógového signálu na digitálny, a to pomocou PCM modulácie. Z dôvodu
veľkej rýchlosti dátového toku, ktorý vychádza z PCM kóderu som v tomto bode uviedol
aj kompresné štandardy. Kompresný štandard MPEG-2 bol zvolený ako východiskový
pre štandard digitálnej televízie DVB-T, preto som tu popísal a charakterizoval vývoj
a zdokonaľovanie štandardu MPEG.
Prehľad v súčasnosti používaných štandardov digitálneho vysielania som uviedol
v bode 1.3. Moja snaha bola zameraná na najznámejšie digitálne štandardy používané na
svete. Ďalej som tu v krátkosti charakterizoval v dnešnej dobe často skloňovaný štandard
HDTV pre televíziu s vysokým rozlíšením.
56
V druhej kapitole bakalárskej práce som spracoval ciele bakalárskej práce. Hlavný
cieľ práce je spracovať prednášku na tému: Štandard pozemského vysielania digitálnej
televízie. Na splnenie tohto cieľa som si stanovil tri čiastkové ciele, a to: stanoviť
náukové ciele prednášky, sformulovať učebné otázky a spracovať didaktické náplne
k učebným otázkam.
Tretiu kapitolu bakalárskej práce som rozdelil na tri podkapitoly, kde som sa
venoval náukovým cieľom, učebným otázkam a didaktickej náplni samotnej prednášky.
V náukových cieľoch prednášky som popísal, pre koho je daná prednáška vhodná
a vytvorená. Ďalej som tu uviedol požiadavky na študenta prednášky, ktoré zahŕňajú, čo
by už mal študent ovládať a aké sú potrebné základné teoretické vedomosti, ktoré musí
študent ovládať pred samotným prednesom prednášky, aby pochopil učivo. Následne som
tu popísal aj očakávaný prínos pre študenta, tzn. s čím sa študent oboznámi a aké
informácie mu prednáška prinesie. Študent po vypočutí prednášky by mal získať prehľad
o základných postupoch, metódach a systémoch používaných v štandarde digitálnej
televízie DVB-T.
Učebné otázky som rozpracoval v bode 3.2. Rozdelil som ich na tri hlavné časti
pre lepšie pochopenie učiva, a z toho istého dôvodu som aj učebné otázky formuloval
chronologicky. Prvú časť tvorí všeobecný model DVB-T, kde sa študent oboznámi so
všeobecnými a základnými informáciami o DVB-T. Druhá časť má názov: Tvorba
a spracovanie obrazového a zvukového digitálneho signálu. Z dôvodu rozsiahlosti
a zložitosti tejto časti som ju rozdelil na štyri menšie celky, a to: zdrojové kódovanie
obrazového signálu, zdrojové kódovanie zvukového signálu, multiplexovanie v DVB-T
a kanálové kódovanie. V tejto časti sa študent oboznámi s týmito systémami používanými
v štandarde DVB-T. Posledná časť s názvom: Prenos digitálneho signálu v DVB-T
zahŕňa v sebe modulácie signálov v DVB-T, vysielače a prijímače DVB-T.
V kapitole 3.3 som spracoval samotnú prednášku na tému DVB-T. Snažil som sa
držať sa stanovených učebných otázok, podľa ktorých som prednášku vytváral. Pri tvorbe
prednášky som sa snažil čo najjednoduchšie a najlepšie priniesť informácie a fakty
študentovi, aby s daným učivom nemal veľké problémy, ale zároveň som dbal na splnenie
náukových cieľov prednášky.
Cieľom tejto bakalárskej práce bolo vytvoriť prednášku na tému DVB-T. Na
splnenie tohto cieľa bolo potrebné bolo potrebné splniť čiastkové ciele, a to stanoviť
57
náukové ciele prednášky, sformulovať učebné otázky a spracovať didaktické náplne
k učebným otázkam.
Nebolo jednoduché sformulovať a splniť tieto ciele, pretože bolo potrebné určiť
rozsah a náročnosť učiva a prispôsobiť toto učivo cieľovej skupine poslucháčov. Myslím,
že nakoniec sa mi to však podarilo a mojim prínosom je samotná prednáška. Táto
prednáška môže byť využitá v praxi, teda môže slúžiť študentom bakalárskeho štúdia
Žilinskej univerzity, ktorí už majú základné teoretické vedomosti potrebné pre
pochopenie prednášky. Pre uľahčenie štúdia a pre lepšie znázornenie učiva je prednáška
spracovaná aj v elektronickej podobe v programe Microsoft Office PowerPoint a tvorí
prílohu k bakalárskej práci.
ZÁVER
Na záver by som chcel len zdôrazniť, že sa mi podarilo splniť všetky ciele, ktoré
boli stanovené v bakalárskej práci. Prednášku som sa snažil vytvoriť tak, aby nebola pre
študentov bakalárskeho štúdia veľmi náročná, ale zároveň, aby spĺňala náukové ciele a
určitú úroveň bakalárskeho štúdia na vysokej škole.
58
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY
[1] KAINZ, Bedřich.: História televízie – Časť I., dostupné na internete: http://www.opravovne.sk/EDUCTV/Cast1_HistoriaTelevizie.pdf
[2] WIKIPEDIA, Slovenská televízia, dostupné na internete: http://sk.wikipedia.org/wiki/Slovenská_televízia
[3] WIKIPEDIA, Televizní norma, dostupné na internete: http://cs.wikipedia.org/wiki/Televizní_norma
[4] PTÁČEK, Milan.: Přenosové soustavy barevné a digitální televize – 2.vydání. Nakladatelství dopravy a spoju, Praha 1981,OS-31-022-81–05-38.
[5] VÍT, Vladimír. a kolektiv: Televizní technika, SNTL - Nakladatelství technické literatury, Praha 1979.
[6] KUBA, Petr. VÍT, Vladimír.: Televizní technika – studiové zpracování televizního signálu. In BEN-technická literatura, Praha 2000, ISBN 80-86056-88-0.
[7] LEGÍŇ, Martin.: Televizní technika DVB-T. In BEN-technická literatura, Praha 2006, 1. vydání, ISBN 80-7300-204-3.
[8] ŘÍČNÝ, Václav.: Videotechnika - prednášky, Vysoké učení technické v Brně, Ústav radioelektroniky, Brno 2006, ISBN 80-214-3225-X.
[9] BEDNÁR, Jiří.: Digitální televize – 2. vydání, Sdělovací technika, Praha 2007,
ISBN 80-86645-17-7.
[10] BABJAK, Marián.: Teória prenosu informácií I. – skriptá, Vojenská Akadémia, Liptovský Mikuláš 2002, ISDN 80-8040-193-4.
[11] VÍT, Vladimír.: Televizní technika – přenosové berevné soustavy, BEN - Technická literatura, Praha 1997, ISBN 80-86056-04-X.
[12] Projekt DVB, SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA, Fakulta elektrotechniky a informatiky v Bratislave, Katedra telekomunikácií, dostupné na internete: http://www.ktl.elf.stuba.sk/projects/ukdvb/TP-pred_final.doc
59
ČESTNÉ VYHLÁSENIE
Vyhlasujem, že som zadanú bakalársku prácu vypracoval samostatne, pod
odborným vedením vedúceho bakalárskej práce Ing. Igora Víťaza, CSc. a používal som
len literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičiavaním bakalárskej práce.
V Liptovskom Mikuláši dňa 12.6.2009 .................................................
podpis študenta
60
POĎAKOVANIE
Týmto by som sa chcel poďakovať vedúcemu mojej bakalárskej práce
Ing. Igorovi Víťazovi, CSc. za odborné vedenie, ochotu, trpezlivosť a pomoc pri
vypracovaní bakalárskej práce.
61
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta
Katedra experimentálnej elektrotechniky
ŠTANDARD POZEMSKÉHO VYSIELANIA DIGITÁLNEJ TELEVÍZIE - DVBT
Prílohová časť
Martin BOBÁL
2009
Príloha A
Vypracovaná prednáška na tému: Štandard pozemského vysielania digitálnej
televízie – DVB-T, spracovaná v elektronickej podobe v programe Microsoft Office
PowerPoint.
