DIGITÁLNÍ TERESTRIÁLNÍ TELEVIZE DVBT TECHNICKÉ MINIMUM COFDM 2DÍL

Digitální terestriální televize DVB-T: Technické minimum - COFDM 2

Digitální terestriální televize DVB-T: Technické minimum - COFDM 2.díl

Dušan Líška, 17. března 2002

Kanálové kódování

Signál SDI 270 Mbit/s má vlivem skramblování pseudonáhodný charakter. Výkonové spektrum tohoto signálu má tvar daný funkcí [(sin x)/x]² - obr. 10, první průchod nulou je na kmitočtu 270 MHz (na obr. 10 mu odpovídá hodnota PI). Nad tímto kmitočtem se přenáší pouze nevýznamná část energie.
Pro digitální stereofonní pár AES/EBU s celkovým bitovým tokem zhruba 3 Mbit/s je při kódování kódem "biphase-mark" potřebné kmitočtové pásmo 6 MHz.

Na jeden aktivní snímek připadá při 576 aktivních řádcích ve snímku a 720 aktivních obrazových prvcích na řádku zhruba 415 000 obrazových prvků. Při osmibitovém kódování spotřebujeme na zakódování jednoho obrazového prvku průměrně 16 bitů (8 bitů pro každý jasový vzorek a 16 bitů pro chrominanci, ale jen v každém druhém obrazovém prvku). Aktivní bitový tok nekomprimovaného obrazového signálu 4:2:2 je tedy při 25 snímcích/s zhruba 165 Mbit/s, aktivní bitový tok signálu 4:2:0 asi 124 Mbit/s. Nový studiový profil MPEG 2 typu 422P@ML s intrasnímkovým kódováním využívá pouze obrázky I a má užitečný bitový tok maximálně 50 Mbit/s. Délka skupiny obrázků GOP je v tomto případě N = 1 a odpovídající stupeň komprese je 165/50 = 3,3. Při skupině obrázků GOP sestavené ze střídajících se obrázků typu I a B bude užitečný bitový tok při stejné kvalitě signálu kolem 30 Mbit/s. Při dlouhé skupině GOP používané pro distribuci signálu 4:2:0 k divákům (např. N = 12, M = 3) budou opět při srovnatelné kvalitě charakteristické bitové toky kolem 10 až 15 Mbit/s v závislosti na charakteru signálu. Z uvedených hodnot je zřejmé, že ve standardu MPEG 2 závisí bitový tok při srovnatelné kvalitě signálu velmi výrazně na délce a skladbě skupiny GOP. Dlouhá skupina GOP výrazně snižuje bitový tok, ale za cenu většího zpoždění signálu v kodéru i dekodéru a obtížnějšího zpracování transportního toku (např. kvalitní střih lze uskutečnit jen na obrázek I).

Užitečným bitovým tokem se obecně rozumí bitový tok odpovídající kódovanému obrazovému signálu a příslušným zakódovaným zvukovým i datovým signálům včetně nezbytných synchronizačních informací a např. pohybových vektorů přenášených pro správné dekódování. Přídavné bity korekce přenosových chyb se ale do užitečného toku nezahrnují.

Obr. 10 - Grafy funkcí (sin x)/x a [(sin x)/x]²

Výsledné užitečné bitové toky zdrojového kódování určené pro distribuci televizního signálu závisejí na mnoha okolnostech. Jako orientační hodnoty můžeme uvažovat bitové toky 3 až 6 Mbit/s pro standardní kvalitu SDTV a kolem 20 Mbit/s pro kvalitu blížící se k HDTV. Kvalita LDTV (zhruba kvalita VHS) vyžaduje bitový tok kolem 1,5 Mbit/s. S vývojem techniky kódování se při zachování kvality signálu odpovídající bitové toky postupně zmenšují.

Klíčovými problémy kanálového kódování jsou: převedení užitečného bitového toku s kvalitou HDTV, SDTV nebo LDTV (s příslušnými zvukovými a doplňkovými digitálními signály) do přenosového kanálu, jeho dostatečné protichybové zabezpečení a doprava k divákovi. Protichybové zabezpečení při kanálovém kódování užitečné bitové toky, získané redukcí při zdrojovém kódování, opět zvětšuje. K převodu zabezpečených bitových toků (Mbit/s) do přenosového kanálu charakterizovaného svojí šířkou pásma (MHz) slouží při kanálovém kódování vícestavové digitální modulace.

Základní schémata používaných vícestavových digitálních způsobů modulací jsou na obr. 2 v článku [10]. Parametr m udává počet rozlišitelných stavů modulované nosné vlny při fázové modulaci m-PSK (Phase Shift Keying) nebo při kvadraturní amplitudové modulaci m-QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

Tab. 1 - Vztah mezi počtem stavů a počtem bitů/symbol

Přenášený bitový tok závisí na symbolové rychlosti vynásobené počtem b bitů přenesených jedním symbolem. Jestliže se každým symbolem přenáší jeden bit (dva stavy, m = 2), potom je číselné vyjádření přenosové rychlosti v symbolech/s a bitového toku v bitech/s stejné.
Vztah mezi počtem stavů m a koeficientem b udává tabulka 1.

Se zvyšováním počtu stavů se bitový tok, který lze přenést v daném kanálu, bkrát zvyšuje, ale současně se snižuje odolnost proti rušení. Ta je dána rozlišitelností jednotlivých stavů za přítomnosti šumu a rušení a v podstatě vzdáleností sousedních stavů v konstalačních diagramech.

Souhrnně lze říci, že pro celkový bitový tok, který lze přenést v daném přenosovém kanálu, je rozhodující počet bitů b přenesený jedním symbolem a kmitočtová šířka kanálu. Pokud se udává celková šířka kanálu, tj. v podstatě kmitočtový odstup jednotlivých kanálů, uplatní se ještě strmost poklesu na jeho okrajích.

Obr. 11 - Protichybové zabezpečení DVB

Užitečný bitový tok se doplňuje zabezpečovacími bity proti přenosovým chybám. Vzniká tak celkový hrubý bitový tok, který se pomocí vícestavové digitální modulace přenáší v daném kmitočtovém pásmu.

Základní obvody protichybového zabezpečení digitálních systémů jsou naznačeny na obr. 11. Toto zabezpečení bylo navrženo v rámci projektu DVB, aby vyhovovalo družicové, terestriální i kabelové digitální televizi s tím, že každé médium využívá zabezpečení podle svých specifických požadavků.

V terestriální digitální televizi se využívá kompletní zabezpečení bitového toku zahrnující vnější kódování, vnější prokládání, vnitřní kódování a vnitřní prokládání. Nejmenší zabezpečení se používá v kabelové televizi s ohledem na nízkou úroveň rušení v kabelech. Názvy vnější (outer) a vnitřní (inner) vycházejí z řazení příslušných obvodů v rámci celého řetězu kódování a dekódování, jak je zřejmé z obr. 11.

Ještě před korekcí chyb se v kodéru v rámci kanálového kódování provádí skramblování dat. Skramblování se aplikuje na pakety transportního toku TS konstantní délky 188 bajtů. První bajt každého paketu je synchronizační a má pevnou hexagonální hodnotu 47_hex. Pakety TS jsou skramblovány po skupinách osmi paketů tak, že jsou kombinovány s výstupem generátoru pseudonáhodné posloupnosti PRBS (Pseudo Random Binary Sequence) o délce 15 bitů. Každá skupina se v přijímači identifikuje tím, že synchronizační bajt prvního paketu skupiny má všechny bity invertovány, má tedy pevnou hodnotu B8_hex. K usnadnění synchronizace nejsou synchronizační bajty skramblovány.

Smyslem skramblování je zajištění pseudonáhodného charakteru toku dat (randomization, energy dispersal), vyznačujícího se rovnoměrným spojitým výkonovým spektrem od nejnižších kmitočtů opět ve tvaru [(sin x)/x]2 - obr. 10. Skramblování se provádí vždy a vůbec nesouvisí s podmíněným přístupem CA (Conditional Access), který rovněž používá skramblování, ale k zamezení dekódování bitového toku bez přístupového klíče (tento elektronický klíč získávají jenom oprávnění diváci).

Vnější kodér zajišťuje korekci chyb pomocí Reed-Solomonova kódu RS (204, 188, t = 8). Ke každému skramblovanému paketu přidává 16 zabezpečovacích bajtů, takže v každém paketu lze opravit až 8 chybných bajtů. Vnější korekce chyb zvyšuje užitečný bitový tok v poměru 204/188.

Účelem prokládání (interleaving) je zajištění přenosu proti shlukům chyb. Vnější konvoluční prokládání s hloubkou I = 12 zajišťuje, že i v případě přenosové chyby o celkové délce 12 bajtů se na vstupu dekodéru nevyskytnou bezprostředně za sebou dva chybné bajty a chyba může být vykorigována vnějším kódováním. Podobně vnitřní prokládání zajišťuje dostatečné rozházení sousedních bitů a symbolů OFDM při pozemním vysílání digitální televize. Vnější ani vnitřní prokládání přitom celkový bitový tok neovlivňují, protože jednotlivé bity, bajty a symboly pouze časově "rozhází", aniž by samy přidávaly nějaké korekční bity.

Vnitřní konvoluční kódování transformuje k zdrojových bitů na n výstupních zakódovaných bitů, kódový poměr je k/n. V důsledku vnitřního kódování se bitový tok zvyšuje v obráceném poměru n/k. Normy DVB připouštějí kódové poměry 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 a 7/8. Je zřejmé, že kódování s poměrem 1/2 je nejrobustnější, tj. zajišťuje největší ochranu signálu proti přenosovým chybám.

Terestriální vysílání digitální televize (modulační systém COFDM)

Standard DVB-T (ETS 300 744) předepisuje pro digitální terestriální vysílání využívat ortogonální frekvenčně dělený multiplex OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). Modulační systém OFDM je založený na použití velkého počtu dílčích digitálně modulovaných subnosných vln umístěných rovnoměrně v přenosovém kanálu 8 MHz (případně 7 nebo 6 MHz). Standard připouští dva základní módy s rozdílným počtem nosných vln, odvozeným od "počítačových" hodnot 2k (2048) a 8k (8192).

Obr. 12 - Spektrum dílčích subnosných COFDM v přenosovém kanálu DVB-T

Každá dílčí vlna je digitálně modulována s využitím modulačního schématu QPSK, 16-QAM nebo 64-QAM, přenáší tedy současně 2, 4 nebo 6 bitů. Spektrum každé modulované subnosné má opět známý tvar podle obr. 10. Umístění jednotlivých subnosných v kanálu o šířce 8 MHz je patrné z obr. 12. Celkové spektrum multiplexu OFDM je dáno součtem všech dílčích spekter znázorněných na obr. 12. To je v celém kanálu velmi rovnoměrné a na okrajích prudce klesá. Optimální využití přenosového kanálu patří k dalším podstatným výhodám OFDM. Důsledkem rovnoměrného spektra signálu OFDM v celém přenosovém kanálu je, že časový průběh signálu má charakter šumu. Ve skutečnosti je však tento "šumový" signál zcela přesně definován a velmi důkladně zabezpečen proti přenosovým chybám. Postupnou realizací všech operací v dekodéru v obráceném sledu se získá exaktní původní digitální signál.

K modulaci dílčích subnosných v kodéru se s výhodou používá algoritmus inverzní rychlé Fourierovy transformace IFFT. V dekodéru se pak využívá algoritmus přímé FFT.

Rozdělení celkového bitového toku mezi K nosných vln prodlouží Kkrát trvání každého bitu. Jde v podstatě o změnu ze sériového na paralelní přenos informací: místo jedné nosné přenáší informace mnoho nosných současně.

Obr. 13 - Princip vyloučení odrazů spadajících do ochranného intervalu; zobrazen je časový průběh jedné základní modulované subnosné a tří odražených signálů stejné subnosné

Symbol OFDM je tvořen jedním konkrétním stavem všech K nosných vln. Vysílá se po dobu T_S, která je složena ze dvou částí: užitečné části TU a ochranného (guard) intervalu delta. Tento interval umožňuje vyloučit všechny odrazy (pokud spadají do jeho doby trvání), protože signál je dekódován až po ustálení, kdy každá subnosná má již čistě sinusový průběh (obr. 13). Na obr. 13 je označen ochranný interval a užitečná doba trvání symbolu T_U. Ochranný interval umožňuje na-víc šířit vysílání pomocí jednofrekvenčních sítí SFN (Single Frequency Network). Pokud do nějakého místa dorazí signál z dvou různých vysílačů vysílajících stejný signál na stejné frekvenci a časový rozdíl obou signálů padne do ochranného intervalu, tyto signály se navzájem neruší, ale podporují se. Možnost využití ochranných intervalů je tedy jednou ze základních předností modulačního principu OFDM. Aby přijímač mohl uvedeným způsobem pracovat, určitý počet dílčích nosných přenáší referenční přesně definovaný signál. Referenční nosné jsou dvojího typu: kontinuální (continual pilot) a rozptýlené (scattered pilot) - obr. 14. Z celkového počtu 177 kontinuálních nosných jsou znázorněny jen nosné na obou okrajích spektra. K referenčním nosným patří i 68 nosných přenášejících informace o parametrech vysílání TPS (Transmission Parameter Signalling). Jsou to mimo jiné modulační schéma, kódový poměr a ochranný interval.

Obr. 14 - Přenos rozptýlených a kontinuálních nosných v jednom rámci COFDM (z kontinuálních nosných je znázorněn pouze první a poslední sloupec)

Zjednodušeně se dá říci, že referenční nosné "vzorkují" přenosový kanál (včetně odrazů a příspěvků z jiných vysílačů sítě SFN) a umožňují dekodéru jejich srovnáním na jednu úroveň vyrovnat celý kanál.
Velmi důležitou roli v systému OFDM hraje protichybové zabezpečení, proto se často přesněji označuje jako COFDM (Coded OFDM).

Určitou cenou za zařazení ochranného intervalu je snížení bitové rychlosti, protože v době ochranného intervalu se užitečné informace nepřenášejí. Čím větší je skutečná délka ochranného intervalu, tím větší může být vzdálenost vysílačů v jednofrekvenční síti SFN (v módu 8k až 67,2 km).

Základní parametry modulačního principu OFDM využívaného při digitálním terestriálním vysílání DVB-T jsou souhrnně uspořádány v tabulce 2. Mód 2k se zatím používá výlučně ve Velké Británii, je však obecně výhodnější pro mobilní příjem (připouští vyšší rychlosti).

Standard DVB-T umožňuje volbu ze tří modulačních schémat, čtyř velikostí ochranného intervalu a pěti kódových poměrů vnitřního konvolučního kódování. Podle stupně zabezpečení je pak možno volit užitečný tok digitální terestriální televize v rozmezí 5 až 32 Mbit/s.

Tab. 2 - Modulační princip COFDM terestriální televize

Z uvedeného stručného popisu je zřejmé, jak je systém DVB-T komplikovaný, ale vede k velmi dobrým výsledkům. Celá řada podrobností byla s ohledem na srozumitelnost vynechána. Po získání celkového přehledu je lze studovat z příslušných norem a odborné literatury.

Literatura

[1]	EN 300 744: Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television, Norma ETSI, červenec 1999
[2]	ETS 300 401: Radio Broadcasting systems; Digital Audio Broadcasting (DAB) to mobile, portable and fixed receivers, Norma ETSI, květen 1997
[3]	ISO/IEC 13818: Information technology; Generic coding of moving pictures and associated audio information, Part 1 - Systems, Part 2 - Video, Part 3 - Audio, 1994
[4]	Ely, S. R.: Kódování obrazu v systému MPEG, Sborník z Fóra EBU o digitálním televizním vysílání, ČT Praha, 1995
[5]	Kameník, V.: Zemská digitální televize - kódování a systém, TELEKOMUNIKACE, č. 1 - 4/1998
[6]	Míchal, J.: Zdrojové kódování zvukového signálu podle standardu MPEG 2, Televize '97, č. 3 - 4, Česká televize, 1997
[7]	Líška, D.: Nejbližší budoucnost digitálního televizního vysílání v Evropě, Sborník z konference Digitální televizní vysílání a přenos signálů v Evropě, Česká televize, červen 1994
[8]	Líška, D.: Zdrojové kódování obrazového signálu podle standardu MPEG 2, Sborník přednášek Digitální televize, UNIT Pardubice, říjen 1997
[9]	Líška D.: Bitové toky digitální družicové, kabelové a terestriální televize, Televize '97, č. 3 - 4, Česká televize, 1997
[10]	Líška, D.: Trendy digitální televize a rozhlasu ve světle sympozií Montreux '99 a IBC '99, TELEKOMUNIKACE, č. 12/1999, č. 1 - 2/2000
[11]	Trpák, K., Líška, D.: Blíží se konec analogového televizního světa? Konečná, prosím, přestupte si, STEREO & VIDEO, č. 2, 2000
[12]	Terminologie digitálního rozhlasu DAB, TELEKOMUNIKACE, č. 3/2000

Článek byl bez úprav a se souhlasem převzat z odborného měsíčníku Telekomunikace (pozn. red. DigitalTV.cz).

DIGITÁLNÍ TERESTRIÁLNÍ TELEVIZE DVBT TECHNICKÉ MINIMUM COFDM 2DÍL

Tags: cofdm 2.díl, princip cofdm, terestriální, digitální, cofdm, televize, technické, minimum