A digitális TV adások vételéről

A világ és benne a televíziózás digitalizálódik. Ehhez ki kellett dolgozni a digitális TV megbízható működését biztosító szabványokat is. Az alábbiakban összefoglalom milyen technikai kihívások, milyen digitális TV szabványokat eredményeztek.


Bevezetés

Manapság digitális televíziós adások vételére különböző jeltovábbítási csatornákon – műholdon, kábelen és földfelszíni sugárzáson – keresztül van mód. Ezeken kívül egyre elterjedtebb, és sokak szerint a televíziózás igazi jövőjét jelenti az interneten továbbított IPTV. De ez utóbbi annyira eltér az előbb felsoroltaktól, hogy ebben a cikkben nem is foglalkozom vele.

Azt várnánk, ahogy a világ kommunikációs értelemben „zsugorodik”, úgy a digitális televíziózásnak is globális szabványai alakulnak ki. Nos ez nem így van, de az eltérő szabványok kialakulásának elsősorban szakmai, alkalmazástechnikai okai vannak. A jó öreg analóg színes TV esetében főleg a politika miatt alakultak ki az eltérő NTSC, PAL és SECAM szabványok. A digitális TV-nek is különböző szabványai ismertek, melyek közül néhány még a kidolgozás fázisában van. Természetesen a politikusok most is fontos szerepet játszanak a szabványok elterjedésében, de ebben a cikkben azt igyekszem elmagyarázni, hogy miként befolyásolják a különböző célú alkalmazások és környezeti körülmények a digitális adás továbbításához választott technológiát.

A TV jel digitalizálása

Annak érdekében, hogy a nézők digitális TV műsort élvezhessenek, a TV képjelet digitálisan kódolni kell. Különböző kódolási eljárások léteznek, melyek fő célja a képinformáció digitalizálása a lehető legalacsonyabb adatátviteli sebességgel, a lehető legjobb minőségben. A legelterjedtebb kódolásai módszer az MPEG (Moving Picture Expert Group), mely nagyon elnagyoltan úgy működik, hogy mozgásvektorokat alkalmazva határozzák meg a kép mely részei mozognak, s ezen mozgásvektorokat és a képinformációt továbbítva a dekódoló képes visszaállítani az eredeti képtartalmat. Napjainkban a legszélesebb körben még az MPEG-2 szabványt használják – így kódolják a szabvány DVD lemezeket is -, de a mind nagyobb képernyőkön egyre nagyobb felbontásra (HDTV), s ennek továbbításához még nagyobb sávszélességre van szükség. Az átviteli kapacitások jobb kihasználása megköveteli a hatékonyabb kódolási eljárások, mint amilyen az MPEG-4 (H.264) AVC alkalmazását.

Amint a műsor az említett kódolási (tömörítési) technikákkal digitalizált formába kerül, már csak továbbítani kell a nézők készülékeihez. A digitális TV jel műholdas, kábeles és földfelszíni sugárzás révén továbbítható. Mivel mindegyik említett jeltovábbítási csatornának különböző korlátai vannak, ezért más-más technológiákat alkalmaznak a digitális TV műsorának a nézőkhöz való eljuttatása során.

Dig.TV_sat.JPG

Műhold

A műholdas vétel arra alapul, hogy a műholdvevő tányér közvetlenül látva a mesterséges égitestet egyfajta direkt vonalon veszi annak jelét. A jelet nem zavarják ugyan visszaverődések, ugyanakkor problémát jelenthet a jel gyengesége, vagyis az egyenletes háttérzajból való kiemelkedése. Ezért a jeltovábbítás módszere olyan modulációs sémát követ, mely nagyon ellenálló a zajjal szemben. A DVB-S (Digital Video Broadcasting – Satellite) szabvány által használt modulációt „Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)” azaz „négyes fáziseltolású billentyűzés” elnevezéssel illetik. Ez röviden úgy működik, hogy egy komplex vivőfrekvenciának négy fázisállapota van, melyek egymáshoz képest 90°-os fáziseltolással rendelkeznek (például 45, 135, 225 és 315 fokos eltolással). Ezzel a négy fázisállapottal 2-bites információ szimbólum (00, 01, 10, 11) különíthető el és továbbítható.

A megnövekedett sávszélesség igény kielégítésére két évvel ezelőtt új szabványt fogadtak el a DVB-S2-öt (Digital Video Broadcasting – Satellite – Second Generation), mely továbbfejlesztett specifikációjával a DVB-S-t fogja felváltani. A DVB-S2 kidolgozása egybeesik a HDTV és az MPEG-4 (H.264) videokódolás bevezetésével, s ez utóbbi bitfolyamának továbbítására is alkalmas. Az új szabvány más új lehetőségein kívül a „QPSK” mellett a 8 fázisállapotú „8PSK” modulációt is használja, amivel 3-bites szimbólumok használatát is lehetővé teszi. A DVB-S-hez képest 30%-al jobb átviteli teljesítményre képes DVB-S2 és a hatékonyabb MPEG-4 videotömörítés révén HDTV adás továbbítható azonos kapacitáson, mint ami korábban a DVB-S-MPEG-2 szabvány (SDTV) adást támogatta tíz évvel ezelőtt. A tipikus sávszélesség 45MHz és ezen kb. 50Mbit/sec. adatátviteli sebesség érhető el.

Dig.TV_kabel.JPGKábel

Kábeles környezetben nem a gyenge jel okozza a problémát, ezért nagyobb felbontású modulációs séma használható a DVB-C szabványban. Nemcsak a vivő fázisát, de amplitúdóját is felhasználják a digitális információ reprezentálására. Ezt „Quadrature Amplitude Modulation (QAM)” modulációnak hívják, és ez akár 256 különböző fázis és amplitúdó szinttel, szimbólumonként 8 bitnyi információ átvitelére alkalmas. A digitális kábel a VHF és UHF frekvenciasávok 8MHz-es sávszélességű csatornáiban akár 50 Mbit/sec. adatátviteli sebesség elérésére is képes.

A korlátozó tényező a kábelhálózat minősége lehet. Ha rossz csatlakozások vannak a hálózatban, azok visszaverődéseket okoznak. A vevőrendszer csak bizonyos mértékű visszaverődést képes kezelni, és minél nagyobb a „QAM” moduláció felbontása annál nehezebb különbséget tenni a különböző fázis és amplitúdó kombinációk, vagyis az egyes bitkombinációk között.

Dig.TV_VHF_UHF.JPG

Földfelszíni sugárzás

A földfelszínen a jelek távol az adóállomástól lehetnek nagyon gyengék, vagy annak közelében nagyon erősek is, de a visszaverődések legtöbbször kulcsszerepet játszanak. Általában nincs közvetlen rálátás az adóra, és még ha van is, a jel mindenképpen torzul a más épületekről és objektumokról érkező reflexióktól. Ezért a földfelszíni sugárzáshoz használt modulációs eljárásnak olyannak kell lennie, mely nagy dinamikatartományban változó és interferenciák által erősen zavart jel vételét is garantálja. Sokféle rendszert használnak, melyek tipikus adatátviteli sebessége egy 8MHz sávszélességű VHF vagy UHF csatornában 20-25Mbit/sec lehet.

A politikai megfontolások mellett más oka is van, hogy különböző régiókban különböző szabványok alakultak ki a földfelszíni digitális TV sugárzásra. A különbség az eltérő hálózati tervezésből és megcélzott alkalmazásból adódik.

Európára jellemző egyfrekvenciás hálózat (SFN)
Európára jellemző egyfrekvenciás hálózat (SFN)


Európában a hálózattervezés nagyon bonyolult. Minden ország – és viszonylag kis földrajzi területen vannak jó néhányan – meg akarja kapni a saját részét a rendelkezésre álló frekvenciákból (a spektrumból), és ezért mindenhol szükség van a szomszédos országok megegyezésére, hogy az egyikben sugárzott jelek ne zavarják a másik jeleit és viszont. Ennek a helyzetnek az elkerülése érdekében kívánatos, hogy nagyobb régiókat úgynevezett „Single Frequency Network (SFN)” vagyis egyfrekvenciás hálózatokkal fedjenek le. Egy egyfrekvenciás hálózatban pontosan ugyanazt a műsort pontosan ugyanazon a frekvencián, de különböző helyekről sugározzák. Így a spektrum jobban kihasználható, nő a teljes rendelkezésre álló sávszélesség, de mindennek ára van. A vevőkészülék a különböző adóktól érkező jelek egyikét nagy távolságból érkező erős visszaverődésként érzékeli, ezért az egyfrekvenciás hálózatbeli adatátvitelhez olyan szabványra van szükség, mely képes ezzel megbirkózni.

Az USA-ra jellemző hálózat
Az USA-ra jellemző hálózat


Az USA-ban más a helyzet. Itt általában felhőkarcolók tetejéről az egész régiót lefedő nagyteljesítményű adók sugározzák az adást. Itt tehát olyan rendszert kell alkalmazni, mely megbirkózik az erős, de kis távolságból érkező természetes visszaverődések okozta jeltorzulással.

A szabvány meghatározásánál fontos figyelembe venni az alkalmazás módját is. Lehet az adást venni fix telepítésű tetőantennával, vagy beltéri antennával, vagy cél lehet a mobil vétel. A jel állapota mindegyik alkalmazáshoz más és más. A fix telepítésű antennával történő vétel esetén gyenge jellel és lassan változó reflexiókkal kell működnie a rendszernek, mobil vételnél a gyors jelváltozásokat és a Doppler hatást is kezelni kell. Az új trendeket is figyelembe véve a mobiltelefonos TV vételnél a kis teljesítményfelvételű működés is követelmény.

A DVB-T digitális földfelszíni sugárzási szabvány

A DVB-T szabványt a European Digital Video Broadcasting Group dolgozta ki, és Európán kívül is a világ sok országában fogadták el. Az adások a kilencvenes évek végén kezdődtek, és az elmúlt néhány évben egyre több vevőkészülék támogatja a szabványt, melynek alapvetően két problémával kell megbirkóznia.

Mindenki, aki hallgatott már autóban rádiót, ismeri a jelenséget, hogy megállva a dugóban néha hírtelen elhallgat az állomás, s aztán akár csak néhány métert haladva újra megszólal. Ennek oka, hogy éppen ott ahol megállt a kocsi a több felől érkező rádióhullámok éppen kioltották egymást, s ezért nem volt vétel. Ez a kioltási jelenség frekvencia- és helyfüggő. Az átvitelhez egy vivőfrekvenciát használva a vételt bizony bizonyos helyeken lehetetlenné tennék a kioltások.

A kioltási hatás mellett a visszaverődések más zavart is okozhatnak. A digitális információt hordozó éppen aktuális szimbólumok és a visszaverődések révén késleltetetten vett szimbólumok információi keveredése is probléma. Ezt hívják szimbólumközi interferenciának. A problémát jól jellemzi, hogy a szimbólumok periódusidejénél jóval hosszabb idejű késleltetésekkel érkező visszavert szimbólumokkal kell számolni. A szimbólum-közi interferencia igen megnehezíti a vételt.

A fentiek miatt a DVB-T „Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)” vagyis ortogonális frekvenciaosztásos multiplexálás elnevezésű csatorna-hozzáférése és modulációja egy többvivős módszer, mely jól ellenáll a fenti interferenciáknak. A szimbólumok periódusideje akár 1ms is lehet. Mivel a csatorna több segédvivőre van felosztva (a DVB-T-ben 2048 vagy 8192), ezért csak ezek egy részét érintik a kioltások. Minden segédvivőt úgy továbbítanak, hogy azok egymást ne zavarják (ne lépjen fel interferencia – innét származik az ortogonális elnevezés). Az OFDM szimbólumot úgymond „a frekvenciatartományban” állítják elő, mielőtt egy inverz gyors Fourier transzformációval (IFFT) időtartománybeli jellé nem alakítják. A vevő egy gyors Fourier transzformációt (FFT) használva dekódolja az egyes vivőket a frekvenciatartományban.

Egymást követő OFDM szimbólumok szimbólumközi interferenciája
Egymást követő OFDM szimbólumok szimbólumközi interferenciája


A szimbólumközi interferenciát elkerülendő egy védő intervallumot iktatnak az OFDM szimbólumok közé. Szimbólumközi interferencia nem lép fel, ha a visszaverődési távolságból adódó késleltetés nem lépi túl ennek a védő intervallumnak a hosszát. A védő intervallum ugyanazt az információt tartalmazza, mint a következő szimbólum vége. Ennek két célja van: a védő intervallum és a következő szimbólum vége közötti auto-korreláció, és a vétel szinkronizálásának egyszerűsítése.

A vevőben az FFT-nek nem kell pontosan az OFDM szimbólum elején kezdődnie. Az FFT-t bárhol a védő intervallumban kezdve (amíg nem lép fel szimbólumközi interferencia) egy könnyen kiküszöbölhető fázishibától eltekintve ugyanazt az információt fogja eredményezni.

A jel kiegyenlítésének és dekódolásának megkönnyítése érdekében minden OFDM alapú rendszer tartalmaz vivőket, melyeket nem használnak adatátvitelre, de egy ismert értéket továbbítanak. Ezen „pilot vivők” teljesítményét és fázisát analizálva meghatározható a csatorna állapota a vételi oldalon. A vevőben így korrigálható a csatorna torzításának jellege, és visszanyerhetőek az eredetileg továbbított adatok.

A megbízhatóság növelése érdekében egy „Forward Error Correction (FEC)” hibajavítást is adnak az átvitt adatokhoz. A „Reed-Solomon (R-S)” kódolást követő „Trellis” kódolást alkalmazzák legelterjedtebben. Az adatok összekeverését használják még a kettő között, hogy a vételi oldalon a Reed-Solomon dekódolás kevésbé legyen érzékeny a kiesési hibákra.

Az említett módszerek mind a digitális jel biztonságos továbbítását szolgálják. Egy DVB-T vevő, ha megfelelően működik nagyon erős távoli és közeli visszaverődéseket képes kezelni.

Vélemény, hozzászólás?

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.