DVB-H: Vstupní datový tok kodéru MPEG-2

České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická DVB-H: Vstupní datový tok kodéru MPEG-2 Referát do předmětu 37MK Jan Bulava Praha 2007

OBSAH 2 Obsah 1 Úvod 3 1.1 Co je to DVB-H?............................. 3 1.2 Požadavky na DVB-H.......................... 3 2 Skloubení MPEG-2 a DVB-H služeb 4 2.1 IP enkapsulátor.............................. 4 2.2 Konkrétní příklad IP enkapsulace DVB-H platformy POLARIS.... 5 2.3 Modulace vysílaného signálu....................... 7 3 Přenos transportního toku v IP sítích 8 3.1 Konkrétní příklad převaděče IP ASI a ASI IP firmy CableWorld. 9 3.1.1 CW-4843 IP ASI převaděč................... 9 3.1.2 CW-4841 ASI IP převaděč................... 10 4 Literatura 11

1 ÚVOD 3 1 Úvod 1.1 Co je to DVB-H? Jedná se o zkratku z anglického Digital Video Broadcasting Handheld tedy o digitální vysílání pro příjem v mobilních terminálech (mobil, PDA, apod.). Doporučení DVB-H bylo mezinárodní organizací ETSI 1 oficiálně prohlášeno za standard 10. listopadu 2004. Princip vysílání je obdobný jako u standardu DVB-T pro digitální vysílání pozemními vysílači. Odlišnosti standardu DVB-H od DVB-T vyplývají z jeho zaměření na mobilní terminály. 1.2 Požadavky na DVB-H Nízká spotřeba. Spolehlivost přenosu v mobilním prostředí. Využití přenosových kanálů v TV pásmech, dále zavedení kanálů mimo TV pásmo (šířka pásma se zmenší z 8 MHz na 5 MHz). Kompatibilita se systémem DVB-T a využití jeho infrastruktury 1 European Telecommunications Standards Institute, http://www.etsi.org/

2 SKLOUBENÍ MPEG-2 A DVB-H SLUŽEB 4 2 Skloubení MPEG-2 a DVB-H služeb Na obrázku 1 je schéma zakomponování DVB-H služeb do tradičního MPEG-2 datového toku pomocí téhož multiplexu. Mobilní terminál poté přijímá pouze IP služby. Obr. 1: Schéma DVB-H 2.1 IP enkapsulátor Má za úkol vkládat IP pakety do MPEG-2 transportního toku. Může pracovat ve dvou režimech, buď jako vkládač, nebo jako generátor. Jako vkládač zařazuje IP data vysílané služby z enkodéru H.264 do existujícího MPEG-2 transportního toku. Tohoto režimu se využívá, pokud operátor televizní sítě disponuje volnou šířkou pásma v multiplexu. V módu generátor vytváří enkapsulátor z IP dat úplně nový MPEG-2 transportní tok. Samotné vložení IP paketů do MPEG-2 transportního toku obstarává MPE (MultiProtocol Encapsulation). Aby se zaručil spolehlivý přenos v mobilním prostředí, IP data v tabulkách jsou chráněna pomocí Reed-Solomonova kódu. Zabezpečení MPE FEC na obrázku 2 (MPE Forward Error Correction) spočívá v tom, že se dávky dat ukládají po bytech do matice, jejíž velikost je variabilní. Má 19 sloupců a maximálně 1024 řádků, takže maximální velikost jedné dávky je 191 kb. Zápis a čtení rámce se děje vertikálně, zatímco protichybový kód R-S se aplikuje horizontálně. Tím je zároveň dosaženo virtuálního prokládání. Úspora energie je zajištěna pomocí Time Slicingu (TS). Takto se označuje metoda vysílání při vytváření MPEG-2 transportního toku, která dokáže ušetřit až

2.2 Konkrétní příklad IP enkapsulace DVB-H platformy POLARIS 5 Obr. 2: Zabezpečení MPE FEC 80 % energie baterie. Princip (viz obrázek 3) je založen na tom, že mobilní terminál přijímá data velkou rychlostí po dávkách tzv. burstech, které trvají desítky milisekund (např. 200). Mezi těmito bursty se baterie nevyužívá. Délka intervalu mezi dávkami závisí na obsahu vysílaných služeb. Kupříkladu může být tento interval, kdy je přístroj ve sleep módu, trvat třeba čtyři sekundy. Obr. 3: Princip metody Time Slicing 2.2 Konkrétní příklad IP enkapsulace DVB-H platformy POLA- RIS IP enkapsulátor vyvinutý firmou POLARIS umožňuje efektivní enkapsulaci použitím dvou rozdílných technik. (a) Paralelní služby, které umožňují dávkové vysílání různých služeb během stejného časového úseku. (b) Rozdílné periody opakování TS. Lepší využití šířky pásma závisí na aktuální situaci a konfiguraci služeb. Následuje příklad, ve kterém máme 10 DVB-H služeb podle tabulky 1. Jednotlivé služby se liší průměrným bitovým tokem, počtem řádek a dobou opakování burstů.

2.2 Konkrétní příklad IP enkapsulace DVB-H platformy POLARIS 6 Tab. 1: Nastavení DVB-H služeb Služba Průměrná Počet Kódový Perioda [s] Bitová rychlost rychlost [bps] řádků poměr burstu [bps] IP0 1 519 099 1024 3/4 1,03 6 510 000 IP1 1 139 324 768 3/4 1,03 6 510 000 IP2 379 774 512 3/4 2,06 3 255 000 IP3 379 774 512 3/4 2,06 3 255 000 IP4 189 887 256 3/4 2,06 6 510 000 IP5 189 887 256 3/4 2,06 3 255 000 IP6 189 887 256 3/4 2,06 3 255 000 IP7 189 887 256 3/4 2,06 3 255 000 IP8 189 887 256 3/4 2,06 6 510 000 IP9 189 887 256 3/4 2,06 3 255 000 Uvažujme dále čtyři různé IP enkapsulátory (IPE): IPE typ 0: bez podpory paralelních služeb a rozdílných period TS, IPE typ 1: s podporou různých period TS, IPE typ 2: s podporou paralelních služeb, IPE typ 3: s podporou paralelních služeb a různých period TS. Na obrázku 4 jsou výsledky pro jednotlivé IP enkapsulátory a v tabulce 2 shrnutí, kolik služeb se přenáší, datový tok a také využití pásma. Obr. 4: Porovnání jednotlivých typů IP enkapsulace

2.3 Modulace vysílaného signálu 7 Tab. 2: Zlepšení využití šířky pásma Typ IPE Počet umístěných Celkový bitový Celkový služeb tok [bps] tok [%] 0 8 1 898 870 41 1 7 3 797 745 83 2 8 1 898 870 41 3 10 4 257 293 100 bitový 2.3 Modulace vysílaného signálu Při rychlém pohybu se analogový televizní signál přijímat nedá, v případě digitálního vysílání přijímat lze. Závisí to však na způsobu modulace vysílaného signálu. V DVB se využívá COFDM. Princip této modulace spočívá v rozdělení vstupního datového toku na dílčí paralelní toky, které se přenášejí každý na vlastní nosné frekvenci. Dílčí nosné se modulují pomocí 64-QAM. U DVB-T v pásmu o šířce 8 MHz je počet těchto nosných 1705 (2k mód) nebo 6817 (8k mód). Jednotlivé módy mají svá pro a proti, která se navzájem vylučují. Menší počet nosných znamená rychlejší tok a kratší ochranný interval. Z toho vyplývá větší náchylnost na zpoždění v důsledku odrazů nebo příjmu signálu ze vzdálenějších vysílačů. Zároveň však u módu 2k existuje vyšší odolnost vůči důsledkům Dopplerova jevu díky většímu odstupu jednotlivých nosných. To zaručuje lepší vlastnosti při sledování televize ve velmi rychle jedoucích dopravních prostředcích. V systému DVB-H lze nově využít též módu 4k, který je kompromisem obou výše popsaných módů.

3 PŘENOS TRANSPORTNÍHO TOKU V IP SÍTÍCH 8 3 Přenos transportního toku v IP sítích S mohutným rozšířením jednoduchých a levných IP sítí rovněž rostou požadavky aplikací. Abychom se zbavili nedostatků IP sítí (jako asynchronní přenos, různá doba zpoždění, nízká spolehlivost), je třeba pro profesionální aplikace speciálních řešení. Nízká spolehlivost může být zcela odstraněna použitím oddělených jednoúčelových IP linek, proto v profesionální oblasti datové toky budou sotva smíchány s dalšími neznámými datovými toky. Asynchronní přenos a rozdílná doba zpoždění způsobují problémy jiného rázu v jiných systémech. Proto před výběrem optimálního řešení musejí být dopředu známy vlastnosti a požadavky systému. Obrázek 5 ukazuje přenos signálu přes IP sítě k vysílačům DVB-T/H jednofrekvenčních sítí, který splňuje požadavky nejkvalitnějšího přenosu téhož datového toku k více vysílačům s nanosekundovou přesností, která může být dosažena s GPS synchronizací. Obr. 5: Zásobování vysílačů SFN DVB-T nebo DVB-H systému přes IP síť Datový tok se už po vložení MIP do adaptéru SFN nesmí změnit, přenos transportního toku musí být přehledný. Zpoždění IP sítě bude kompenzováno SFN bufferem (t MAX = 1 s) na přijímací straně a hodinový signál transportního toku je generován systémem na bázi GPS. Převaděč ASI (Asynchronous Serial Interface - asynchronní sériové rozhraní) na IP CW-4841 sestaví sedm paketů v každém z UDP/IP paketů a vyšle je pomocí unicast (pro jedno síťové zařízení) nebo multicast (pro více účastníků) adresování. Pro odstranění nerovnoměrnosti způsobené asynchronním přenosem je na přijímací straně je potřeba bufferu a pro přivedení hodinového signálu patřičný generátor. V případech, kdy se nesmí datový tok měnit, hodinový signál vysílače i přijímače

3.1 Konkrétní příklad převaděče IP ASI a ASI IP firmy CableWorld 9 musí být synchronizován speciálním externím systémem (např. na bázi GPS). Pokud je změna datového toku dovolena, lze pro odstranění rozdílu mezi hodinovými signály vysílací a přijímací strany přidat nebo odebrat nulové pakety. 3.1 Konkrétní příklad převaděče IP ASI a ASI IP firmy CableWorld 3.1.1 CW-4843 IP ASI převaděč CW-4843 byl navržen pro high-end systémy s jasným a přehledným přenosem. Příchozí UDP/IP pakety jsou dočasně uloženy (jako u CW-4842), ale vysílají se do ASI rozhraní beze změny. Data jsou uložena pouze po velmi krátkou dobu; obsah paketů je dále posílán k rozhraní ASI s rychlostí hodinového signálu bufferu. S hodinovým signálem 27 MHz na výstupu ASI jdou jeden paket za druhým, volná místa mezi pakety jsou zaplněna osmi nebo více znaky typu K28.5 (neužitečné, nulové). Výstupní signál je složen z burstů paketů (podle TM1449 se jedná o formát bursts by packets ). Zvolením hodinového signálu programovatelného NCO (Numerically Controled Oscillator - číselně řízený oscilátor), na výstupu ASI rozhraní se objevují byty paketů s periodou podle NCO frekvence. Mezery mezi byty jsou plněny opět znaky K28.5. Proto je tento formát označován jako bursts by bytes nebo bursts by data. Nákres zařízení je na obrázku 6. Obr. 6: Blokové schéma převaděče CW-4843

3.1 Konkrétní příklad převaděče IP ASI a ASI IP firmy CableWorld 10 3.1.2 CW-4841 ASI IP převaděč CW-4841 převádí transportní tok z ASI výstupu na UDP/IP pakety s unicast nebo multicast adresováním. Pakety na 100 Mbit/s Ethernet výstupu mohou být programovány na následující formáty: S volbou IP TV 7*188 bytů IP TV formát bez nulových paketů 7*188 bytů přehledný přenos s nulovými pakety 7*204 bytů přehledný přenos s nulovými pakety 7*204+32 bytů CW-Net formát zcela přehledný přenos bez synchronizace Základní verze bez volby IP TV 7*204+32 bytů CW-Net formát zcela přehledný přenos bez synchronizace

4 LITERATURA 11 4 Literatura DVB-H Transmission System for Handheld Terminals. [online]. [2005] [cit. 2007-05-18]. URL <http://www.dvb-h.org/technology.htm>. DVB-H. [online]. poslední úpravy 11. května 2007 [cit. 2007-05-18]. URL <http://en.wikipedia.org/wiki/dvb-h>. DVB-H Standard, Principles and Services. [online]. 24. února 2005 [cit. 2007-05-18]. URL <http://www.tml.tkk.fi/studies/t- 111.590/2005/lectures/henriksson.pdf>. CW-4000 - Transparent TS Transmission over IP Network. [online]. [2006?] [cit. 2007-05-18]. URL <http://www.cableworld.eu/content/4843p-a.pdf>.