Vývoj digitální televizní techniky Obsah přednášky 1. Důvody a principy digitalizace 2. Evropské standardy digitální televize 3. Digitalizace zemského TV vysílání v ČR
1. Důvody a principy digitalizace Jak se vytváří ze spojitého signálu signál digitální? a) obecný spojitý signál - mění se plynule v čase i velikosti, b) signál vzorkovaný v čase s periodou dle Shannon-Kotelnikovova zákona f vz 2 f max c) odpovídající digitální signál sekvence nul a jedniček vyjadřující velikost jednotlivých vzorků - např. v binárním kódu Převod do digitální formy se uskutečňuje v tzv. A/D (analogově - digitálních) převodnících a zpětný převod v D/A (digitálně analogových) převodnících.
Děje v přírodě i v živých organismech jsou většinou spojité (analogové). Převodem signálu do digitální formy vznikají systémová zkreslení, která částečně původní signál degradují. To platí pro jakékoliv, ale i pro obrazové, signály v televizi. Proč se tedy vlastně digitalizuje? Primárně si ji vynutil vznik číslicových počítačů a nutnost přizpůsobit signály jejich řeči. Digitální forma signálů však má i řadu dalších výhod prakticky ve všech oblastech lidské činnosti.. Výhody digitalizace signálů v televizi - vysoká odolnost vůči různým zkreslením a útlumu při přenosu - zlepšení energetické účinnosti vysílačů, - lepší využití kmitočtových pásem (zvýšení počtu programů), - zvýšení kvality a kapacity záznamu v nových mediích (optický záznam) včetně záznamu do pevných pamětí, - zlepšení obrazu (např. 100 až 600 Hz rozklad, redukce šumu, přenos přídavných informací - např. EPG Electronic Programme Guide aj.), - v zemském digitálním vysílání (DVB-T) možnost budování tzv. jednokmitočtových sítí (SFN - Single Frequency Network), ve kterých se vysílače pracující na stejném kmitočtu neruší a také možnost příjmu v mobilních prostředcích a řada dalších výhod.
Nevýhody digitálních signálů - nevýhodou digitálních signálů je velká šířka kmitočtového pásma pro přenos. Vlastnosti obrazových signálů - velká nadbytečnost (redundance), nepodstatnost(irelevance) a míra korelace obrazové informace však umožňují použití účinných kompresních algoritmů - např. JPEG, MPEG 1, 2,4 aj. k výraznému snížení objemu dat i přenosové rychlosti (až 300x) bez znatelného snížení kvality obrazu. Principy kompresních algoritmů byly známé řadu let, ale jejich nasazení v digitální televizi umožnil až vývoj rychlých výpočetních prostředků, které byly schopny vykonávat tyto složité matematické operace v reálném čase, Ukázky různých snímků před a po kompresi - při digitalizaci dochází vznikají systémová zkreslení - nejznámější je tzv. kvantovací šum nepřímo úměrný počtu kvantovacích úrovní (v TV technice 256). Vhodně volenými parametry digitalizace je možno tyto degradace minimalizovat.
Vliv prostorového rozlišení na kvalitu digitalizovaného obrazu prostorové rozlišení je dáno počtem obrazových bodů (pixel - Picture Element) v obraze. Jeho zvětšování odpovídá větší objem digitálních dat a v případě video-sekvencí vyšší požadovaná přenosová (bitová) rychlost. Např. pro nekomprimovaný záznam dvouhodinového barevného filmu (7200 s) digitalizovaný dle doporučení CCIR ITU R 601 (824x625 pixelů, 8 bitů na pixel a 25 snímků/s.), by potřeboval kapacitu záznamového media D = 193 GB, přičemž jednostranný disk DVD má kapacitu jen 4,7 GB!!! a) b) c) d) a) H.V = 16 x 16 pixelů v obraze, b) H. V = 32 x 32 pixelů v obraze, c) H. V = 64 x 64 pixelů v obraze, d) H. V = 256 x 256 pixelů v obraze
Vliv jasového rozlišení na kvalitu digitalizovaného obrazu Jasové rozlišení je dáno počtem jasových úrovní připadajících na jeden pixel (obrazový bod). Jeho zvětšováním se opět zvětšuje objem digitálních dat a v případě video-sekvencí přenosová (bitová) rychlost. V obrázcích a) až d) vzrůstá počet jasových úrovní (kvantovacích hladin) na jeden obrazový bod. a) b) c) d) a) 1 bit/pixel = 2 úrovně/pixel, b) 2 bity/pixel = 4 úrovně/pixel, c) 4 bity/pixel = 16 úrovní/pixel, d) 8 bitů/pixel = 256 úrovní/pixel
Obecná struktura televizního přenosu Televizní studio Televizní vysílač Televizní přijímač snímaný obraz Produkční část kamery mikrofony Zdrojové kódování digitalizace komprese režijní zpracování Kanálové kódování ochranné kódování digitální modulace vf. výkonové zesílení Přenosová trasa Terminálová část reprodukce obrazu Digitalizace v televizní technice je byla zahájena na základě doporučení Mezinárodní telekomunikační unie ITU (dříve CCIR) R BT 601 z r. 1982, které definuje základní parametry složkové digitalizace obrazových signálů. Je to vlastně jediný celosvětově platný standard v oblasti digitální televize. Později již žádný standard s celosvětovou platností nevznikl. Digitalizace TV řetězu neprobíhala současně. Začala digitalizací obrazových signálů - zejména v záznamových systémech a zařízeních pro digitální magnetický a potom optický záznam (CD, DVD, Blu Ray). Na přelomu 80. a 90. let proniká digitalizace do signálového zpracování v TV přijímačích. V 90. létech vznikají první digitální vysílací platformy a standardy 1. generace nejdříve do satelitní distribuce. V současnosti se začínají uplatňovat i platformy 2. generace v souvislosti s rozvojem HDTV a 3D televize.
2. Evropské standardy digitální televize první digitální vysílací platformy, které byly standardizovány komisí ETSI (European Telecommunications Standards Institute) jsou: satelitní DVB - S (Digital Video Broadcasting Satelite), standardizována v roce 1994 normou EN 300421 zemská) DVB -T (Digital Video Broadcasting Terrestrial) standardizována v roce 1995 normou EN 300744 kabelová DVB - C (Digital Video Broadcasting Cable), standardizována v roce 1994 normou EN 300429 Úspora kmitočtového spektra po ukončení digitalizace proti stavu před jejín zahájením je tzv. digitální dividenda. O jejím využití pro další služby se bude teprve rozhodovat.
DVB S Využívá - kmitočtová pásma 12 GHz a vyšší, - digitální modulaci QPSK (Quadrature Phase Shift Keying - kvadraturní fázové klíčování nosné vlny), - komprimovaný modulační transportní datový tok a multiplex dle kompresního standardu MPEG 2, V současné době je to nejrozšířenější digitální vysílací platforma. DVB - S2 satelitní platforma druhé generace. Byla standardizována v roce 2005 evropskou normou EN 302307. Má vyšší přenosovou účinnost. Rozšiřuje standard DVB-S o modulace 8 PSK, 16 APSK, 32 APSK, využívá rovněž kompresi MPEG - AVC, kvalitnější proti-chybové zabezpečení aj. Slouží především pro vysílání HDTV, distribuci televizních signálů k zemským vysílačům apod. Zkušebně se již vysílá několik programů HDTV v tomto standardu. Jejich příjem však vyžaduje speciální satelitní přijímač DVB-S2.
Využívá DVB T - kanály ve IV. až V. TV pásmu ( 470 až 860 MHz), - digitální modulaci CODFM (Coded Orthogonal Frequency Divided Multiplex), - komprimovaný společný modulační transportní datový tok a multiplex dle standardu MPEG 2. Modulace COFDM je odolná vůči vícenásobnému příjmu signálů odražených od různých překážek. Lze tak vysílat v jedno-kmitočtových sítích SFN (Single Frequency Network), které umožňují úsporu kmitočtového spektra a snížení výkonu vysílačů, jejichž signály se vzájemně neruší, ale podporují. Tato modulace umožňuje také mobilní příjem v různých
DVB T2 zemská vysílací platforma druhé generace. Byla standardizována v roce 2009 evropskou normou EN 302755. Jde o zásadní inovacizdrojového i kanálového kódování pro zvýšení bitové rychlosti (zvýšení informační kapacity přenosového kanálu), zlepšení odolnosti signálu DVB-T2 (tzv. (robustnosti), zvětšení rozsahu jedno-kmitočtových sítí, zlepšení možností mobilního přijmu aj. Využívá - kanály v IV. až V. TV pásmu (470 až 860 MHz), - digitální modulaci CODFM, - vnitřní modulace QPSK, 16-QAM, 64-QAM a 256-QAM, - větší počet stavů (počtu nosných) 1k, 2k, 4k, 8k, 16k a 32k, - komprimovaný společný modulační transportní datový tok dle standardů MPEG 2 a především MPEG 4 AVC (H.264), - kvalitnější proti-chybové zabezpečení LDCP aj. Platforma DVB -T2 se od roku 2010 experimentálně užívá např. ve Vídni a počítá se s jejím budoucím nasazením i v ČR.
DVB - H (DVB -T Handheld) - (EN 302304) Využívá - TV pásma I až III (47 až 230 MHz), případně pásmo L (1,5 GHz) - digitální modulace COFDM módy 2k, 4k, 8k s modulacemi nosných QPSK nebo 16-QAM, - standard komprese obrazových dat MPEG- 4 AVC, - rychlost datového toku na jeden program 384 kbit/s. vychází ze standardu DVB-T. Je určen pro mobilní příjem malými terminály (mobilní telefony, přenosné přijímače). Umožňuje příjem obrazu s nižším rozlišením (352 x 288 pixelů) a s přijatelnou kvalitou zvukového doprovodu. DVB - T MHP (Multimedia Home Platform) je nadstavbou standardu DVB-T pro interaktivní služby. Vyžaduje další přenosový kanál od účastníka k centrální databázi (pevná linka, Internet, kabelová televize, mobilní telefon) a přijímač schopný zpracovat signály DVB-T a také generovat data od účastníka k centrální dabázi. Data jsou cylicky vysílána v multiplexu DVB-T (pro všechny) nebo jsou přenášena na vyžádání zpětným kanálem jen pro konkrétního účastníka). Služba se v ČR nerozvíjí, protože nemá proti Internetu žádné výhody!
DVB C Pro kabelovou distribuci využívá - kabelové S kanály (105 až 479 MHz) - digitální modulaci M-QAM (Many Quadrature Amplitude Modulation - vícestavová amplitudová kvadraturní modulace s počtem stavů M = 16, 64 a později i 256, - komprimovaný transportní datový tok a multiplex podle kompresního standardu MPEG 2. Díky použité modulaci 64-QAM lze v kanále se šířkou pásma 8 MHz přenášet digitální signál programového multiplexu s bitovou rychlostí až 35 Mbitů/s., což představuje až 7 TV programů standardní kvality. Standard DVB-C se rozvíjel nejpomaleji vzhledem k velmi dobré kvalitě kabelových kanálů totiž nepřináší znatelné zlepšení obrazu ve srovnání s analogovým přenosem. Provozovatelé kabelové televize. na něj přecházejí především z důvodu zvýšení počtu programů a lepšího zabezpečení signálů vůči pirátskému příjmu.
DVB - C2 kabelová distribuční platforma druhé generace standardizovaná v roce 2009 evropskou normou EN 302 769. Jeho spektrální kapacita se již blíží Shannonovu limitu, který definuje maximální objem informací, které lze přenést kanálem s danou šířkou pásma a odstupem S/Š. Využívá - kabelové S kanály (105 až 479 MHz), - digitální modulaci COFDM s počtem 4k nosných vln - digitální modulaci nosných M-QAM s počtem stavů 16 až 4096-QAM, - komprimovaný společný modulační transportní datový tok dle standardů MPEG 2 a především MPEG 4 AVC (H.264), - kvalitnější proti-chybové zabezpečení LDCP + BCH 1) aj. 1) LDPC (Low Density Parity Check) a BCH (Bose-Chaudhurt-Hocquengham jsou vysoce účinné korekční kódy pro opravu chyb při vysoké úrovni šumu a interferencí v kanále. Jsou užity i ve standardech DVB-S2
3. Digitalizace zemského TV vysílání v ČR Časový harmonogram 2000 zahájení pokusného vysílání DVB-T v Praze (České Radiokomunikace a CDG) zkoumání možného souběhu ATV a DTV 2005 pravidelné vysílání DVB-T v Praze, v roce 2006 v Brně a Ostravě, 2005-06 problémy vyvolané soukromými TV stanicemi NOVA a PRIMA. Bojkot digitalizace a nechuť opouštět přidělené kmitočty ATV, jejichž licence byly uděleny v roce 1999 na 17 let!!!), 2006 - Regionální radiokomunikační konference RCC 2006 v Ženevě o rozdělení kmitočtového pro spektra DTV v evropských státech, 2006 - schválení novely Zákona č. 231 Sb/2001 o provozu rozhlasového TV vysílání vyjádřené již nevyhovujícím Zákonem č. 235 Sb/2006, 2008 - vláda ČR schvaluje konečnou versi TPP (Technický plán přechodu od ATV k DTV) vypracovaného ČTU (Český telekomunikační úřad). Podle něj jsou uváděny vysílače DVB-T do provozu a po cca 6 měsíčním bezpečnostním souběhu jsou v daném regionu následně vypínány analogové vysílače. Definitivní vypnutí analogového TV vysílání v ČR se předpokládá 30.11.2011.
3. Digitalizace zemského TV vysílání v ČR V České republice jsou dnes operátory digitálních vysílacích sítí tzv. (multiplexů) DVB-T společnosti, které zahájily v roce 2000 experimentální vysílání - České Radiokomunikace, a.s., Czech Digital Group, a.s. a O 2 - Telefónica. V současnosti se již pravidelně vysílají ve většině z 11 regionů, na které je ČR pro účely digitalizace zemského TV vysílání rozdělena, čtyři signálové multiplexy, v nichž jsou přenášena data pro 4 až 5 TV programů standardní kvality (standardního rozlišení) včetně zvukových doprovodů a dalších dat (Teletext, EPG aj.). Průměrná bitová rychlost na jeden program je 4 až 5 Mbitů/s.
Pokrytí území ČR signálem DVB-T (stav k říjnu 2010) Multiplex) č.1 veřejnoprávní síť programy: ČT1, ČT2, ČT24, ČT4 + 7 rozhlas. programů Operátor: České radiokomunikace a.s. Multiplex) č.2 programy soukromých TV TV NOVA, TV PRIMA, Prima COOL, NOVA Cinema, TV Barrandov Operátor: České radiokomunikace a.s.
Multiplex) č. 3 programy soukromých TV Z1, Public TV, Očko) Operátor: CDG Czech Digital Group a.s. Multiplex) č.4 programy - experiment ČT1 HD, NOVA HD, O2- info/ /0čko Operátor: O 2 - Telefónica Zatím pokusné vysílání s malým výkonem pro ověření možnosti vysílat programy HDTV s kompresí MPEG 4 AVC
Konečný stav umístění vysílačů digitálního zemského vysílání DVB-T v ČR
Děkuji Vám za pozornost Václav Říčný