Porovnanie analógového vysielania a digitálneho TV vysielania DBV-T z hľadiska technického prevedenia, poskytovania služieb a ekonomickej stránky BAKALÁRSKA PRÁCA PETER BEGO ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Študijný odbor: TELEKOMUNIKACNÝ MANAŽMENT Vedúci bakalárskej práce: doc. Ing. Ján Dúha, PhD. Stupeň kvalifikácie: bakalár (Bc.) Dátum odovzdania bakalárskej práce: ŽILINA 2006
Abstrakt Cieľom tejto práce je vysvetliť základne pojmy, princípy a spôsoby spracovania a prenosu digitálneho signálu v systéme digitálnej televízie DVB pre pozemné vysielanie. Ďalšie kapitoly sa zaoberajú službami a ekonomickou stránkou. V porovnaní s klasickou TV systém DVB-T prináša koncovým účastníkom okrem TV programov aj ďalšie služby. K dispozícii sú tu ponúknuté služby jednosmerného charakteru, ale aj služby, ktoré na svoju prevádzku vyžadujú spätný smer (spätný kanál). Najväčšiu perspektívu do budúcnosti bude predstavovať najmä interaktívne a dátové služby ako napr. e-mail, prístup na internet, home banking a pod. V poslednej kapitole (Ekonomická stránka analógového a digitálneho TV vysielania DBV-T) sú rozoberané technické problémy a náklady, ktoré súvisia so zavádzaním tohto systému do praxe. Ak predpokladáme prechod z analógového na digitálne vysielanie, je počas určitého obdobia potrebná paralelná prevádzka analógového a digitálneho vysielania - nutná koexistencia pre analógové TV a DVB-T. Vzhľadom na to, že DVB-T nie je zlúčiteľná z klasickou televíziou je potrebné zaoberať sa aj základnými technickými charakteristikami digitálnych prijímačov a otázkou financovania vysielacej časti a koncových zariadení. Vzhľadom na to že šírenie TV signálu nekončí na hraniciach štátu, je dôležité ešte zodpovedať otázky týkajúce sa frekvenčného plánovania národná tabuľka frekvenčného spektra. 7
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ANOTAČNÝ ZÁZNAM - ZÁVEREČNÁ BAKALÁRSKA PRÁCA Priezvisko, meno: Bego Peter školský rok: 2005/2006 Názov práce: Porovnanie analógového vysielania a digitálneho TV vysielania DBV-T z hľadiska technického prevedenia, poskytovania služieb a ekonomickej stránky Počet strán: 61 Počet obrázkov:26 Počet tabuliek: 6 Počet grafov: 0 Počet príloh: 4 Použitá lit.: 10 Anotácia (slov. resp. český jazyk): Záverečná práca porovnáva analógové a digitálne TV vysielanie DBV-T z hľadiska technického prevedenia, poskytovania služieb a ekonomickej stránky. Ďalej opisuje základné charakteristiky jednotlivých technológii ktoré slúžia na príjem DVB-T. Na záver objasňuje jednotlivé kroky pri zavadzaní tohto systému do vysielania - financovanie nákladov a využitie frekvenčného spektra. Anotácia v cudzom jazyku (anglický resp. nemecký): The final work compares analog and digital TV broadcast DBV-T in light og technical implementation, rendition of services and economical aspect. Further it describes basic characteristics of several technologies, which are used for DVB-T receiving. In conclusion, it enlightens steps of implementing this system in broadcasting - financing of expenses and usage of frequency spectra. Kľúčové slová: analógové a digitálne TV vysielanie DBV-T, hierarchická modulácia, MPEG 2, interaktívny systém, digitálne prijímače, frekvenčné spektrum. Vedúci práce: doc. Ing. Ján Dúha, PhD. Recenzent práce :. Dátum odovzdania práce:.. 8
ČESTNÉ VYHLÁSENIE Vyhlasujem, že som zadanú bakalársku prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedením vedúceho bakalárskej práce (doc. Ing. Ján Dúha, PhD.) a používal som len literatúru uvedenú v práci. Súhlasím so zapožičiavaním bakalárskej práce. V Žiline dňa...... Ďakujem vedúcemu mojej záverečnej práce, doc. Ing. Jánovi Dúhovi, PhD. Za venovaný čas, cenné rady a usmernenie, ktoré mi pomohli k vypracovaniu záverečnej práce 9
OBSAH Zoznam obrázkov a tabuliek 6 Zoznam skratiek a symbolov 7 Úvod 10 1. Analógové TV vysielanie 11 1.1 Šírkapásma, televízny prenosový kanál 11 1.2 Princíp zlučiteľnosti televízneho prenosu 13 1.3 Princíp sústavy farebnej televízie PAL 13 2. Digitálne TV vysielanie DBV-T 18 2.1 Hierarchická modulácia v DVB-T 18 2.2 MPEG 2 v DBV-T 22 2.3 Kanálové kódovanie 30 2.4 Dátové služby v systéme DVB-T 33 3. Technické prevedenie analógového a digitálneho TV vysielania DBV-T 40 3.1 Základné charakteristiky analógového vysielania 41 3.2 Základné charakteristiky systému DVB-T 41 3.3 Otázka konvergencie 41 3.3.1 Konvergencie videa a dátových služieb 42 4. Poskytovania služieb analógového a digitálneho TV vysielania DBV-T 43 4.1 Služby poskytované analógovým TV 43 4.2 Služby poskytované DVB T 43 5. Ekonomická stránka analógového a digitálneho TV vysielania DBV-T 45 5.1 Nutná koexistencia pre analógové TV a DVB-T 45 5.2 Ekonomická investícia do prijímacej časti koncové zariadenie 46 5.3Charakter niektorých digitálnych prijímačov a ich technické parametre 47 5.3.1 USB 47 5.3.2 PCI 48 5.3.3 PCMCIA 50 5.3.4 SET TOP BOX 51 5.4 Financovanie koncových zariadený (set-top boxov) 52 5.5 Ekonomická investícia do vysielacej časti 52 5.5 Frekvenčné spektrum národné bohatstvo štátu 54 Záver 56 Zoznam použitej literatúry 57 Zoznam príloh 58
Zoznam obrázkov a tabuliek Obr. 1 Televízny prenosový kanál Televízny prenosový kanál pri čiastočne potlačenom DPP v norme D Obr. 2 a B (v III pásme) Obr. 3 Prenosová cesta bez fázového skreslenia Obr. 4 Prenosová cesta s fázovým skreslením 150 Obr. 5 a) Synchronizačný impulz farby PAL b) Vektory SIF vo troch po sebe nasledujúcich riadkoch c) Riadiaci signál pre komutačný obvod U r na výstupe rekombinátora PAL. Bloková schéme rekombinátora farbonosnej frekvencie v dekóderu Obr. 6 sústavy PAL Obr. 7 Základné modulačné konštalácie DVB-T Hierarchické modulačné konštalácie DVB-T (modré body v Obr. 8 spodných obrázkoch sú fiktívne) Obr. 9 Konštalácia QPSK + QPSK pre a = 2(modré body sú fiktívne) Obr.10 Symbolické pokrytie využitím hierarchickej modulácie Obr.11 Hierarchická modulácia pre pevný a prenosný príjem Obr.12 Hierarchická modulácia pre vyššiu bytovú rýchlosť Obr.13 Makroblok 4:2:0 - celkom 6 blokov 8 x 8 hodnôt Obr.14 Princíp detekcie a kompenzácie pohybu, pohybový vektor Používané spôsoby predikcie vo skupine obrázkov GOP, dĺžka Obr.15 skupiny N, periodicita M (pre obrázky P a I) Obr.16 Dvojrozmerná diskrétna kosínusová transformácia pre N = 8 Obr.17 Príklad transformácie DCT 4 x 4 Obr.18 Princíp psychoakustického maskovacieho javu Obr.19 Skladba transportného multiplexu podľa štandardu MPEG 2 Obr.20 Grafy funkcie (sin x)/x a [(sin x)/x]2 Obr.21 Zabezpečenie proti chybám v DVB Obr.22 Všeobecný referenčný model interaktívneho systému Referenčný model vrstvovej štruktúry protokolov pre interaktívne Obr.23 služby Obr.24 Zostava systému DVB-T Obr.25 Zostava MHP s pripájanými zarideniami Obr.26 Trojúrovňová architektúra MHP z hľadiska jednotlivých elementov Tab. 1 Tab. 2 Tab. 3 Tab. 4 Tab. 5 Tab. 6 Vzťah medzi počtom stavov a počtom bitov/symbol Vlastnosti analógového vysielania a digitálneho TV vysielania DBV- T Vlastnosti digitálneho prijímača cez USB Vlastnosti digitálneho prijímača cez PCI Vlastnosti digitálneho prijímača cez PCMCIA Vlastnosti digitálneho prijímača SET TOP BOX 6
AIS API ATM ATSC ATV BC C/N CAT CD, DVD CEPT DCT DECT DPCM DSM-CC DVB DVB MHP DVB-C DVB-H DVB-RCT DVB-S DVB-T EN EPG ERP ETSI FIP FM GOP GSM HDTV Zoznam skratiek a symbolov adaptor interaktívnej siete rozhranie pre programovanie aplikácií (Application Programming Interface) asynchrónny prenosový mód (Asynchronous Transfer Mode) výbor pre zdokonalené televízne systémy (Advanced Television System Committee) analógová televízia vysielací kanál (Broadcast Channel) odstup VF signálu od šumu (Carrier to Noise Ratio) tabuľka podmieneného prístupu (Conditional Access Table) záznamové média európska konferencia poštových a telekomunikačných administrácií (European Conference of Posts and Telecommunications Administrations) diskrétna kosínusová transformácia rozšírené digitálne bezdrôtové telekomunikácie (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) diferenčná impulzná kódová modulácia príkazy a riadenie digitálneho pamäťového média (Digital Storage Medium Command and Control ) digitálne televízne vysielanie (Digital Video Broadcasting) platforma pre domáce multimediálne zariadenia (Multimedia Home Platform) káblové digitálne televízne vysielanie (Digital Video Broadcasting - Cable) digitálne vysielanie do prijímačov typu mobilný telefón (Digital Video Broadcasting -Handheld) prenos spätného kanála DVB (Digital Video Broadcasting - Return Channel Transmission) družicové digitálne televízne vysielanie (Digital Video Broadcasting - Satellite) pozemské digitálne televízne vysielanie (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) európska norma (European Norm) elektronický sprievodca programami (Electronic Programme Guide) efektívny vyžiarený výkon (Effective Radiated Power) európsky štandardizačný inštitút pre telekomunikácie (European Telecommunications Standards Institute) priama interaktívna cesta (Forward Interaction Path) frekvenčná modulácia skupina obrázkov (Group of Pictures) globálny systém mobilnej komunikácii (Groupe System for Mobile Communication) televízia s vysokou rozlišovacou schopnosťou (High Definition 7
Television) HP vysoká priorita (High Priority) autorizovaný jazyk používaný na tvorbu dokumentov vo World Wide HTML Webe (HyperText Markup Language) IC interaktívny kanál (Interaction Channel) medzinárodná telekomunikačná únia (International ITU Telecommunications Union) JAVA programovací jazyk kw kilo watt LAN lokálne vysokorýchlostné siete (Local Area Network) LP nízka priorita (Low Priority) MAC riadenie prístupu na médium (Medium Access Control) mil. miliónov MPE multiprotokol zapuzdrovania (Multi Protocol Encapsulation) označenie normy na redukciu bitovej rýchlosti digitálneho obrazu a MPEG zvuku (Motion Picture Experts Group) NFT národné frekvenčné tabuľky NTFS národné tabuľky frekvenčného spektra NTSC sústava farebnej televízie (National Television System Committee) ortogonálny multiplex s frekvenčným delením (Orthogonal OFDM Frequency Division Multiplexing) referenčný model pre prepojenie otvorených systémov (Open OSI Systems Interconnection) PAL sústava farebnej televízie (Phase Alternating Line) PC personálny počítač PES paketizovaný elementárny tok (Packetised Elementary Stream). PID identifikácia paketu (Packet Identification) PIS poskytovateľ interaktívnej služby generátoru pseudonáhodnej postupnosti (Pseudo Random Binary PRBS Sequence) kvadratúrna amplitúdová modulácia (Quadrature Amplitude QAM Modulation) štvorstavové kľúčovanie s posunom fázy (Quadrature Phase Shift QPSK Keyin RC spätný kanál (Return Channel) RIM rozhranie interaktívneho modulu RIP spätná interaktívna cesta (- Return Interaction Path ) RIS riadiaci synchronizačnými impulzmi RPM rozhranie prijímacieho modulu SECAM sústava farebnej televízie (Sequences de Couleurs a Memoire) SFN jednofrekvenčná sieť (Single Frequency Network) SIF synchronizačný impulz farby STA spoločná TV antén 8
STB TCP TDMA TKR TS TÚ SR TV UHF USB V VF VHF VÚS digitálno-analógový prevodník TV signálu (Set Top Box) komunikačný protokol (Transmission Control Protocol) prístup s časovým delením (Time Division Multiplex Access) TV káblový rozvod transportný tok (Transport Stream) telekomunikačný úrad Slovenskej republiky televízny ultra vysoká frekvencia (Ultra high frequency) univerzálna sériová zbernica, umožňujúca pripojenie periférnych zariadení (Universal Serial Bus) vysielateľ vysokofrekvenčný veľmi vysoká frekvencia (Very high frequency) výskumný ústav spojov 9
Úvod Súčasná spoločnosť prechádza mnohými zmenami vo všetkých oblastiach. Tieto zmeny sú spôsobené jednak vnútornými požiadavkami a potrebami spoločnosti a zároveň sú reakciou na dianie sa vo svete. Zmeny možno pozorovať aj v oblasti TV vysielania. Na začiatku to bolo čiernobiele vysielanie, neskôr pribudla farba a v súčasnosti stojíme na prahu plného digitálneho vysielania. Výrazný vplyv na túto oblasť má aj počet vysielateľov TV programov a súkromný kapitál. Súčasný stav sa dá stručne charakterizovať prudkým nárastom vysielateľov, čo má za následok obmedzenú možnosť distribúcie signálu prostredníctvom rádiových vĺn. Vzhľadom na túto skutočnosť sa v oblasti distribúcie TV signálov čoraz častejšie stretávame z novým fenoménom digitálne TV vysielanie. Pomocou digitálnej TV je možné dosiahnuť úsporu národného bohatstva teda frekvenčného pásma, zvýšiť kvalitu prenosu a poskytovať množstvo doplnkových služieb. Prechod od analógovej k digitálnej TV by sa dal prirovnať k technickému pokroku, aký nastal pri prechode čierno bielej televízie na farebnú. V Európe a ďalších častiach sveta sa pod dohľadom národných a medzinárodných úradov postupne zavádza štandardizovaný systém digitálnej TV označovaný ako DVB. Tento systémy má viacero variantov ktorých nasadenie sa predpokladá v rôznych podmienkach, zariadeniach, alebo na základe požiadaviek kladených na systém. Skratky DVB-S, C, T, znamenajú digitálne štandardy pre satelitnú (S), káblovú (C), a terestriálnu alebo pozemskú (T) televíziu. Najnovšie vytvorený systém DVB-H (Handheld) prináša pravú digitálnu televíziu aj do prijímačov typu mobilný telefón. Slovensko ako súčasť Európy nemôže ignorovať aktivity okolitých štátov, potreby obyvateľstva a výhody digitalizácie, a musí sa zapojiť do procesu implementácie noriem do praxe. Do problematiky digitálnej TV popri riešení technických otázok patria aj otázky ekonomické, právne, organizačné a sociálne. Možno povedať že zasahujú do života každého jednotlivca, ako aj celej krajiny. Zavadzanie digitálnej televízie do bežného života sa stáva skutočnosťou a vzhľadom na jedinečnosť riešenia problematiky musí Slovensko postupovať individuálne a zahraničím sa môže len inšpirovať. Cieľom mojej záverečnej práce je objasniť zásadné rozdiely medzi klasickým TV a DBV-T vysielaním z technického prevedenia, poskytovania služieb a ekonomickej stránky. Táto práca má za cieľ uľahčiť orientáciu sa v problematike prechodu na digitálne vysielanie, a objasňuje ďalšie možnosti ktoré táto nová technológia prináša so sebou. 10
1. Analógové TV vysielanie 1.1 Šírka pásma, televízny prenosový kanál Na určenie šírky pásma, ktorú potrebujeme na prenos úplnej obrazovej informácie, potrebujeme poznať najnižšiu a najvyššiu modulačnú frekvenciu. Na určenie najnižšej prenášanej frekvencie stačí, keď sa obmedzíme na prípad opakovanej frekvencie párnej a nepárnej polsnímky, čo zodpovedá najnižšej prenášanej frekvencie f min = 25 Hz. Najvyššia prenášaná frekvencia sa vyskytne vtedy, keď sa obraz bude skladať zo šachovitých rozložených čiernych a bielych bodov. Pri pomere strán obrazovky 4:3 bude počet obrazových prvkov v jednom riadku 4/3. 625 = 833. Celkový počet prvkov v jednom obraze je 833. 625 = 520 000. Za jednu sekundu sa prenesie 25 celých obrazov, počet prenesených prvkov za jednu sekundu musí teda byť 520000. 25 = 13 000 000. Dva odlišné obrazové prvky môžeme prenášať jedným striedavým signálom. Potom maximálna prenášaná 6 13.10 (modulačná) frekvencia bude f max = = 6, 5MHz. 2 Vzhľadom na veľmi vysokú modulačnú frekvenciu sa na prenose obrazovej informácie používa amplitúdová modulácia. Na dosiahnutie kvalitnej amplitúdovej modulácie má byť frekvencia nosnej vlny 6- až 8- krát vyššia ako je maximálna modulačná frekvencia. Preto môže byť minimálna frekvencia nosnej vlny 40 MHz. To ale znamená pracovať v oblasti metrových vĺn, ktoré sú na tento účel rozdelené na pásma a pásma na kanály. Televízny vysielač vysiela dvojitý signál: - obrazový amplitúdovo modulovaný - zvukový frekvenčne modulovaný Ako je známe, pri amplitúdovej modulácii vznikajú dve postranné pásma. Pri maximálnej modulačnej frekvencii 6,5 MHz by šírka prenosového kanála bola 13 MHz. Vzhľadom na úsporu miest v televíznom pásme sa vysiela s čiastočne potlačeným dolným postranným pásmom, pretože na úplný prenos aj najmenších detailov celkom stačí jedno postranné pásmo. Nosná frekvencia obrazu DPP HPP Obr. 1 Televízny prenosový kanál 6,5 MHz 6,5 MHz f (MHz) 13 MHz Usporiadanie televízneho prenosového kanála s potlačeným dolným postranným pásmom musí zodpovedať televíznym normám BG a DK. Pre úplný televízny kanál so zvukovým doprovodnom je vyhradená šírka pásma podľa normy BG 7 MHz, podľa normy DK 8 MHz. 11
Amplitúdovo zmodulovaný obrazový signál zaberá podstatnú časť šírky kanála. Nosná frekvencia zvuku je frekvenčne modulovaná s maximálnym zdvihom 50 khz. Vo frekvenčnom spektre je obsiahnutá nosná frekvencia obrazu a zvuku s odstupom 6,5 MHz podľa normy DK. V norme BG je tento odstup 5,5 MHz. Podrobným skúmaním televízneho prenosového kanála zistíme, že obrazové frekvencie v rozsahu od 0 do 0,75 MHz sa prenášajú s dvoma postrannými pásmami, obrazové frekvencie od 0,75 do 6 MHz s jedným postranným pásmom. Časť obrazového signálu s frekvenčnými zložkami 0 až 0,75 MHz, ktorá je obsiahnutá v obidvoch postranných pásmach, by mala po demodulácii dvojnásobnú amplitúdu proti časti obrazového signálu s frekvenčnými zložkami 0,75 až 6 MHz, ktorá je obsiahnutá iba v jednom postrannom pásme. Táto nerovnosť amplitúdovej frekvenčnej charakteristiky obrazového signálu by mohla spôsobiť zhoršenie kvality obrazu. V záujme vylúčenia tohto nedostatku sa upravuje amplitúdová frekvenčná charakteristika v medzifrekvenčnom zosilňovači prijímača. Výsledok tejto úpravy je, že nosný signál obrazu leží v 50% úrovni amplitúdovej frekvenčnej charakteristiky, čo je znázornene na obrázku 2. Tým dosiahneme, že frekvenčné zložky videosignálu od 0 do 0,75 MHz sa prenášajú dvoma postrannými pásmami a vzájomne sa dopĺňajú na 100%. 8 MHz 6,5 MHz 0,75 6 MHz N A 0 7. kanál D DK 6. kanál D 0,45 A 0 f 0 f ZV f 01 8MHz 5,5 MHz N 5. kanál B 6. kanál B BG 7 MHz f (MHz) Obr. 2 Televízny prenosový kanál pri čiastočne potlačenom DPP v norme D a B (v III pásme) 12
1.2 Princíp zlučiteľnosti televízneho prenosu Z mnohých vyvinutých sústav farebnej televízie sa verejne využívajú iba zlučiteľné sústavy farebnej televízie. Nezlučiteľné sústavy farebnej televízie sa používajú iba v uzavretých televíznych okruhoch priemyselná farebná televízia atď. Obojstranná zlučiteľnosť sústavy farebnej a čiernobielej televízie znamená, že signál farebnej televízie možno bez akýchkoľvek úprav prijímať aj čiernobielym prijímačom bez podstatného zhoršenia obrazu, a naopak, signál čiernobielej televízie možno prijímať bez úprav farebnými prijímačmi ako čierno biely obraz. Prenos farebného televízneho obrazu v sústave s troma základnými farbami vyžaduje televízny kanál prenášajúci tri celkom nezávislé informácie, z ktorých každá zodpovedá jednej čiastkovej zložke obrazu. Týmito tromi informáciami sú základné / / farbové signály U / R, U GaU B. Ak by sme na vysielacej strane neurobili vhodné opatrenia, vzrástli by požiadavky na prenosové pásmo trojnásobne v porovnaní s prenosom čiernobielej televízie v pásme 6až 8 MHz. Prenos pásme 18 až 24 MHz by bol technicky obtiažny a okrem toho systém farebnej televízie s uvedenými signálmi by nebol zlúčiteľný so systémom čiernobielej televízie. Prenosovú sústavu farebnej televízie treba usporiadať tak, aby umožňovala kvalitný vysokofrekvenčný farebný prenos technicky hospodárnym spôsobom, to je aby vystačila so šírkou bežného čiernobieleho televízneho kanála (u nás 8 MHz). Zo základných farbových / / signálov U / R, U GaU B treba urobiť iný signál úplný farebný signál, ktorý v sebe zahŕňa všetky potrebné údaje o jase a farbe (kolorike) snímanej scény. Tento úplný farebný signál je vhodný na vysokofrekvenčný prenos jedným televíznym kanálom / / a spĺňa požiadavky zlučiteľnosti. Tento proces premeny signálov U / R, U GaU B na úplný farebný signál nazývame kódovaním. Na prijímacej strane prebieha opačný proces premeny signálu úplného farebného signálu na základné farbové signály / / / U R, U GaU B nazývame dekódovaním. Aby sa kódovaním badateľne nezhoršila kvalita reprodukovaného obrazu, treba poznať a maximálne pri ňom využívať fyziologické vlastnosti ľudského zraku, základné vlastnosti televízneho signálu a poznatky z televíznej kolorimetrie. 1.3 Princíp sústavy farebnej televízie PAL Periodické prepínanie fázy farbonosnej zložky U R U Y : Na obrázku 3 je znázornený stav bez fázového skreslenia v prenosovej ceste. Predpokladáme prenos purpurovej farby, charakterizovanej v riadku 100 fázorom F 100 s fázovým uhlom 60 0. V nasledujúcom riadku 101 kódovacie zariadenie vytvorí signál vyjadrený fázorom F 101 s fázovým uhlom -60 0. Prepínač PAL teda zmenil polaritu farbonosnej frekvencie pre vyvážený modulátor R Y. Pretože neexistuje fázové skreslenie v prenosovej ceste, signály budú vyjadrené fázormi F 100 a F 101 aj na vstupe prijímača. V prijímači musíme zase zariadiť spätné prepnutie polarity zložky fázora F 101, teda návrat fázora do pôvodnej F 101 do pôvodnej polohy. Ak neexistuje fázové skreslenie v prenosovej ceste, obidva fázory F 100 aj F 101 budú mať po prepnutí opäť rovnakú absolútnu hodnotu aj smer (uhol ϕ = 60 0 ) a budú zodpovedať vysielanej purpurovej farbe. Predpokladáme, že v prenosovej ceste sa vyskytne fázové skreslenie +15 0. Toto skreslenie sa prejaví na obidvoch fázoroch F 100 a F 101 rovnako, ich posunutie o 15 0 v smere proti otáčaniu hodinových ručičiek. Na vstupe prijímača bude mať teda fázor F 100 uhol 60 0 + 15 0 = 75 0 a fázor F 101 uhol + 45 0. 13
Fázor s uhlom 75 0 zodpovedá červenopurpurovej farbe, fázor s uhlom 45 0 reprezentuje modropurpurovú farbu. V prijímači usporiadaného podľa PAL S (PAL simple čiže jednoduchý PAL) bude mať riadok 100 červenopurpurovú farbu a riadok 101modropurpurovú farbu. Oko z určitej diaľky nerozpozná tieto dva odtiene purpurovej farby a vníma obidva riadky ako purpurovú (aditívne miešanie farieb). Pri väčších fázových skresleniach vzniká v obraze rušivá riadková jasová štruktúra, pretože riadky odlišujúce sa farbou sa odlišujú aj jasom. Lepšie je obidva fázory spočítať elektricky, ako sa to robí v prijímači sústavy PAL DL. Výsledný fázor zložený z fázorov F 100 a F 101 má uhol ϕ = 60 0, teda zachováva polohu pôvodného fázora pre purpurovú farbu. Nenastáva skreslenie farebného tónu, hoci fázové skreslenie v prenosovej ceste existuje. Nastáva 14
iba určité zníženie farebnej sýtosti, pretože polovica uhlopriečky kosodĺžnika je o niečo kratšia ako absolútna hodnota sčítavaných fázorov. Na zníženie sýtosti farieb nie je oko citlivé. 15
Voľba farbonosnej frekvencie v sústave PAL: Frekvenčné spektrum farbonosného signálu obsahuje z dôvodu periodického prepínania fázy zložky U R U Y dvojnásobný počet spektrálnych čiar. Toto komplikuje voľbu farbonosnej frekvencie f fn pre správne preloženie jasových a chrominančných zložiek farbonosného signálu PAL. Použitie polriadkového ofsetu by viedlo k tomu, že pri preložení spektrálnych čiar jednej zložky (napr. U R U Y ), by spektrum druhej zložky (U B U Y ) splynulo so spektrom jasového signálu a to by spôsobilo farebné rušenie obrazu najme vo farbách, ktoré neobsahujú zložky U B U Y. Preto je nutné voliť farbonosnú frekvenciu v tzv. štvrťriadkovom ofsete, pre ktorý platí f = ( k 0,25) f + f fn r s k ľubovolné celé číslo f r, f s riadková, snímková frekvencia Pre TV normy D,B je f s = 25Hz, f r = 15625Hz a k = 284. Potom podľa uvedeného vzťahu vychádza farbonosná frekvencia v sústave PAL f fn = 4,43361875 MHz. Synchronizačný impulz farby SIF v sústave PAL a jeho funkcie: Plní dve funkcie. Slúži ako referenčný signál pre obnovenie farbonosnej frekvencie v rekombinátori pre synchrónne demodulátory dekodéru PAL. Okrem tohto musí umožniť prenos riadiaceho signálu pre synchrónne prepínanie obvodu spätnej komutácie signálu U R U Y v dekodére. Obe informácie sú prenášané jedným signálom SIF. Synchronizačný impulz SIF farby sústavy PAL mení fázu v každom 0 riadku o ± 45 voči referenčnej nulovej fáze SIF. Obr. 5 a) Synchronizačný impulz farby PAL b) Vektory SIF vo troch po sebe nasledujúcich riadkoch c) Riadiaci signál pre komutačný obvod U r na výstupe rekombinátora PAL. V rekombinátore PAL sú za frekvenčným fázovým diskriminátorom zapojené v kaskáde dva dolné priepusty s rozdielnymi časovými konštantami - τ 1 =R 1.C 1 a τ 2 =R 2.C 2, pričom τ 1 << τ 2. Vplyvom periodického striedania fázy SIF sa za prvým 16
dolným priepustom vytvorí riadiaci signál U r s periódou 2t r, ktorým sa po zosilnení synchronizuje komutačný obvod farbonosnej zložky U R U Y v dekodére PAL. Vzhľadom k tomu (periodické zmeny sa uskutočňujú symetricky okolo nulovej referenčnej fázy SIF) nie je narušené presné obnovovanie kontinuálnej farbonosnej frekvencie z oscilátora riadeného strednou hodnotou signálu U r, ktorý je na výstupe druhého dolného priepustu s väčšou časovou konštantou τ 2. U K / U SIF AFS R 1 R 2 U r Varikap - U fn sinω fn t Oscilator PAL C 1 C 2 Obr. 6 Bloková schéme rekombinátora farbonosnej frekvencie v dekodéri sústavy PAL. Kódovací obvod sústavy PAL: Kódovacie obvody sústavy PAL sú rovnaké pre všetky spôsoby dekódovanie (PAL s, PAS DL,). Líšia sa iba prídavnými obvodmi pre periodické prepínanie fázy farbonosnej frekvencie pre modulátor zložky m 1 (U R - U Y ). Zložitejšia ja i vnútorná štruktúra zdroje SIF, ktorý musí byť riadený synchronizačnými impulzmi RIS a generovať vzorky 9 až 0 12 kmitov farbonosnej frekvencie so striedaným fázy ± 45 Dekódovací obvod sústavy PAL: PAL S (PAL Simple) V tomto prípade sa na obrazovke v susedných riadkoch zobrazujú farby zodpovedajúce priamemu a združenému vektoru farbonosnej frekvencie. Ich priemerovanie sa uskutočňuje vizuálne (ako aditívne miešanie miestnych i časovo posunutých farbonosných zložiek) zrakovým vnemom pozorovateľné. Tento proces funguje spoľahlivo pri korekcii malých fázových skreslení (α<25 0 ). Nad touto hranicou sú už farby v susedných riadkoch príliš odlišné a v obraze sa prejavuje rušivá prúžková štruktúra (tzv. roletový jav alebo tiež Hanoverské prúžky). Pre ľubovolné fázové skreslenia je nutné uskutočniť elektronickú komutáciu združeného vektoru farbonosného signálu aktuálneho riadku a jeho vektorový súčet s vektorom nekomutovaného farbonosného signálu predchádzajúceho riadku, potom je farbonosný signál a zodpovedajúca reprodukovaná farba susedných riadkoch rovnaká. 17
2. Digitálne TV vysielanie DBV-T 2.1 Hierarchická modulácia v DVB-T Európsky systém pozemskej digitálnej televízie DVB-T je určený pre široký rozsah vysielacích aplikácií. Umožňuje vysielanie vo veľkom počte variantov v závislosti od požadovaných služieb (napr. od počtu TV programov) a požadovaných parametrov (veľkosti pokrytia územia, druhu príjmu a pod.). Okrem toho systém DVB-T dovoľuje využívať aj tzv. hierarchickú moduláciu, pomocou ktorej sa dajú v tom istom TV kanále vysielať dva nezávislé prenosové toky, každý s inou robustnosťou (napr. jeden pre pevný príjem a druhý pre mobilný). Medzi základné parametre tohto systému patrí: - počet nosných frekvencií v rámci tzv. multiplexu COFDM (1705 nosných v systéme 2k, resp. 6817 nosných v systéme 8k) - spôsob modulácie (QPSK, 16-QAM alebo 64-QAM) - kódový pomer (tzv. konvolučný kód - 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 alebo 7/8) - pomer ochranného intervalu (D/TU = 1/4, 1/8, 1/16 alebo 1/32). Z toho vyplýva, že existuje 2 x 3 x 5 x 4 = 120 základných variantov. Výber variantu vysielania má zásadný význam pre tzv. čistú prenosovú bitovú rýchlosť (4,98 až 31,67 Mbit/s, z čoho potom vyplýva, koľko TV programov, resp. iných služieb je možné prenášať v rámci jedného TV kanála) a pre tzv. robustnosť systému (t.j. odolnosť proti narušeniu kvalitného príjmu v rôznych príjmových podmienkach). Okrem toho systém DVB-T dovoľuje využívať aj tzv. hierarchickú moduláciu, pomocou ktorej je možné v jednom TV kanáli vysielať dva nezávislé dátové transportné toky s rôznymi prioritami (HP = High Priority; LP = Low Priority). Pri uvažovaní hierarchických prenosov sa počet možných variantov zvýši až na 1200: 2 systémy (8k, 2k) x 5 kódových pomerov pre HP (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 pre QPSK) x 10 kódových pomerov pre LP (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 pre QPSK + pre 16-QAM) x 4 pomery ochranných intervalov (1/4, 1/8, 1/16, 1/32) x 3 možnosti faktora α (1, 2, 4). Faktor α sa nazýva "pomer usporiadania" a určuje usporiadanie modulácie QAM pre 18
hierarchický prenos (pozri obr. 9). Ak α = 1, potom takú moduláciu nazývame uniformnou; pre iné α hovoríme o neuniformnej modulácii. Základné a hierarchické konštelácie: Mapovanie dát do OFDM symbolov predstavuje moduláciu každej subnosnej podľa troch konštelácií využívaných v DVB-T: QPSK, 16-QAM a 64-QAM. Tieto sú zobrazené na obr.7. V závislosti od konštelácie sú prenesené 2 bity (pri QPSK), 4 bity (pri 16-QAM) alebo 6 bitov (pri 64-QAM) v jednom okamihu a na jednej subnosnej. Každá konštelácia vyžaduje minimálnu hodnotu odstupu C/N, pri ktorom je možná demodulácia. Napr. modulácia QPSK je zhruba 4 až 5-krát odolnejšia proti šumu ako modulácia 64-QAM. Hierarchická modulácia je založená na alternatívnom použití základných konštelácií 16-QAM a 64-QAM, uvedených na obr. 8. Môže byť chápaná ako rozdelenie VF kanála do dvoch virtuálnych vetiev, z ktorých každá má vlastnú prenosovú kapacitu, odolnosť proti šumu a mierne odlišné pokrytie územia. Rozdiely medzi týmito dvoma virtuálnymi kanálmi sú určené kombináciou konštelácie a kódového pomeru. Prakticky to znamená, že prvý dátový tok (HP) je mapovaný do konštelácie QPSK. Každý bitový pár (pretože pri moduláciu QPSK sa na jednu subnosnú mapujú 2 bity) tohto dátového toku je určený kvadrantom subnosnej v konštelácii. Druhý dátový tok je definovaný vo vnútri kvadrantu reálnou a imaginárnou zložkou subnosnej. Ak druhý dátový tok je mapovaný bitovými pármi, potom hierarchická konštelácia je "QPSK + QPSK". To znamená, že výsledná konštelácia vyzerá ako 16-QAM. Niekedy sa táto hierarchická modulácia nazýva "QPSK v 16-QAM". Ak sú v druhom toku využívané štyri bity, potom ide o moduláciu "QPSK + 16- QAM" a výsledným riešením je konštelácia 64-QAM. Niekedy sa táto hierarchická modulácia nazýva "QPSK v 64-QAM". Prvý dátový tok vždy využíva moduláciu QPSK a nazývame ho tok s vysokou prioritou (High Priority stream - HP). Druhý dátový tok v oboch prípadoch hierarchickej modulácie nazývame tok s nízkou prioritou (Low Priority stream - LP). Prenáša sa teda s moduláciou QPSK, alebo16- QAM. Teoreticky i prakticky sú možné určité varianty vyššie uvedených dvoch hierarchických modulácií, ktoré sú charakteristické tzv. faktorom alfa. Tento faktor predstavuje posunutie každého štvorca konštelácie vo vnútri kvadrantu (obr. 9). Používajú sa veľkosti α =1 (zodpovedá dvom základným vyššie uvedeným hierarchickým moduláciám), α = 2 a α = 4. Žiaľ, posunutím modulácie HP/QPSK sa zvýši jej odolnosť, ale na úkor oslabenia odolnosti toku LP/QPSK alebo LP/16-QAM. Vlastnosti hierarchickej modulácie: Za základné vlastnosti hierarchickej modulácie v systéme DVB-T možno považovať: - vysielanie dvoch nezávislých transportných tokov v rámci jedného TV kanála - pre každý čiastkový transportný tok je charakteristická jeho vlastná robustnosť a vlastné pokrytie územia. Rozdiel v odolnosti medzi HP a LP závisí od konštelácie (QPSK alebo 16-QAM) a aplikovaného kódového pomeru. HP tok je modulovaný vždy QPSK, a preto maximálny užitočný bitový tok je závislý jedine od použitého kódového pomeru. Tok LP pridružený k modulácii toku HP sa z hľadiska prijímača javí ako prídavný šum v kvadrante prijímanej konštelácie. Potom bude tok HP na tom z hľadiska povoleného odstupu C/N horšie ako v prípade základnej modulácie QPSK. 19
Obr.8 Hierarchické modulačné konštalácie DVB-T (modré body v spodných obrázkoch sú fiktívne) Existujú dva spôsoby kompenzácie tejto nevýhody z hľadiska požiadavky na vyšší odstup C/N pre tok HP: 1) ak má byť bitová rýchlosť toku HP zachovaná, potom je možné vyššie uvedenú nevýhodu kompenzovať zvýšením hodnoty faktora α 2) ak je prípustné malé zníženie bitovej rýchlosti toku HP, potom sa dá vyššie uvedená nevýhoda kompenzovať zvýšením jeho robustnosti zmenou kódového pomeru (napr. 1/2 namiesto 2/3). Čo sa týka toku LP, bitová rýchlosť je ovplyvnená konšteláciou a použitým kódovým pomerom. 20
Obr. 9 Konštalácia QPSK + QPSK pre α = 2(modré body sú fiktívne) Pretože však modulácia toku LP (QPSK alebo 16-QAM) sa používa zároveň s moduláciou QPSK toku HP, požadovaný odstup C/N pre demoduláciu toku LP je omnoho dôležitejší ako pri demodulácii QPSK, resp. 16-QAM pri nehierarchickom prenose. Plánovanie s hierarchickou moduláciou: Plánovanie sietí DVB-T (resp. výber variantu) je vždy kompromisom medzi požiadavkou na čistú bitovú rýchlosť (t.j. obvykle počet prenášaných TV programov), veľkosť pokrytého územia a robustnosť systému. To častokrát núti plánovačov zamerať sa na viacstavové modulácie, napríklad: 64-QAM a kódový pomer 2/3. LP HP Zákl. mod. HP LP Obr.10 Symbolické pokrytie využitím hierarchickej modulácie Vlastnosti hierarchickej modulácie ovplyvňujú kompromis medzi bitovou rýchlosťou a odolnosťou a v konečnom dôsledku kompromis medzi bitovou rýchlosťou a pokrytým územím. V praxi je možné výberom parametrov hierarchickej modulácie zvládnuť rôzne situácie medzi dvoma extrémnymi požiadavkami na veľkosť pokrytia územia tak, ako je znázornené na obr. 10. V dnešnej situácii, keď je frekvenčné spektrum vyčerpané analógovým TV vysielaním, môže byť hierarchická modulácia užitočná pri snahe poskytovať dve kategórie služieb (napr. pevný a mobilný príjem), čím sa dá pružne reagovať na požiadavky vysielateľov, resp. poskytovateľov iných služieb. Vysielanie pre pevný a prenosný príjem: Základným využitím hierarchickej modulácie je umožnenie tzv. vnútorného prenosného príjmu, t.j. príjmu vo vnútri budov, a to pomocou malej úpravy parametrov modulácie. Vnútorný prenosný príjem sa voči pevnému príjmu z hľadiska potrebnej intenzity elektromagnetického poľa odlišuje tým, že sa používajú neziskové antény, pričom je treba rešpektovať tlmenie spôsobené stenami budovy. Zákl. mod. HP LP LP HP prenosný príjem pevný príjem 21
Obr.11 Hierarchická modulácia pre pevný a prenosný príjem Príklad pokrytia územia pre kombinovaný pevný i prenosný (napr. vnútorný) príjem je znázornený na obr. 11. Robustnejší dátový tok HP obsahujúci programy, na ktoré je kladený z hľadiska ich významu najväčší dôraz, sa môže prijímať pevnými i prenosnými prijímačmi. Ak uvažujeme prenosný príjem, je územie pokryté tokom HP o niečo väčšie ako pri nehierarchických moduláciách. Čo sa týka pevného príjmu, je územie pokryté tokom LP len o niečo menšie ako pri nehierarchickej modulácii. Zákl. mod. HP LP Obr.12 Hierarchická modulácia pre vyššiu bytovú rýchlosť V súčasnosti prebiehajúce frekvenčné plánovanie DVB-T na Slovensku vychádza z použitia variantu s nasledujúcimi parametrami: systém 8k, modulácia 64-QAM (nehierarchická), kódový pomer 2/3, pomer ochranného intervalu 1/4 (t.j. ochranný interval 224 µs). Počíta sa s tým, že vo všetkých TV pásmach sa bude vysielať v TV kanále so šírkou 8 MHz. Sú preferované siete SFN. Treba povedať, že z hľadiska dosiahnutia vyššej užitočnej bitovej rýchlosti, ako aj z hľadiska mobilného príjmu, by bol výhodnejší menší pomer ochranného intervalu (napr. 1/8, čo zodpovedá dĺžke ochranného intervalu 112 µs). To však nie je možné, ak chceme využiť existujúce stanovištia vysielačov. Z ochranného intervalu 112 µs pri uvažovaní rýchlosti šírenia elektromagnetického vlnenia v zemskej atmosfére totiž vychádza požiadavka na maximálnu vzdialenosť medzi vysielačmi siete SFN cca 33 km. Pri väčšej vzdialenosti vysielačov dochádza v sieti SFN k tzv. "samorušeniu". V reálnej situácii na Slovensku sa vzdialenosť medzi susednými vysielačmi s ERP > 600 W pohybuje od 22,6 do 84,8 km, pričom priemerná vzdialenosť je 51,8 km (σ = 18,4). Ochranný interval 224 µs, ktorému teoreticky zodpovedá maximálna vzdialenosť 66 km, teda vyhovuje ďaleko lepšie. 2.2 MPEG 2 v DBV-T Členenie obrazu v štandarde MPEG 2: Kódovanie obrazu vychádza z odporúčania ITU-R BT.601 a BT.656, s rozkladom obrazu na 576 aktívnych riadkov, 720 aktívnych obrazových prvkov na riadku, 25 snímok/s s prekladaným alebo neprekladaným riadkovaním a aktívnym bitovým tokom 165 Mbit/s. Tento bitový tok je nutné prostriedkami zdrojového kódovania zredukovať na 3 až 6 Mbit/s, to je, dosiahnuť kompresných pomerov okolo 50:1, prípadne i vyšších. MPEG 2 rozoznáva tieto hierarchické štruktúry televízneho obrazu: postupnosť obrázkov, skupina obrázkov GOP (Group of Pictures), obrázok (picture), to je, snímka alebo pólsnímka, pruh makroblokov (slice), makroblok, blok, vzorka (sample). Vzorky sú reprezentované osembitovými informáciami o jase alebo chrominancii obrazových prvkov. Skupina 8 x 8 jasových alebo chrominančných vzoriek tvorí blok, štyri jasové bloky spolu s odpovedajúcimi chrominančnými blokmi tvoria makroblok. 22
Počet blokov v makrobloku závisí na spôsobe vzorkovania chrominančných informácii. V najbežnejšom systému označovaným 4:2:0 je v makrobloku po jednom bloku CB a CR (obr. 13). Y C B C R 8 x 8 8 x 8 8 x 8 8 x 8 8 x 8 8 x 8 Obr.13 Makroblok 4:2:0 - celkom 6 blokov 8 x 8 hodnôt Niekoľko za sebou nasledujúcich makroblokov pokrývajúcich na obrazovke rovnakých 16 riadkov tvorí pruh makroblokov. Pri 720 aktívnych vzorkách na riadku môže pruh zaberať maximálne 45 makroblokov, pruh môže byť samozrejme i kratší a jeho veľkosť sa môže v podstate ľubovoľne meniť. Najkratší pruh tvorí jeden makroblok. Ďalším stupňom je obrázok tvorený buď jednou televíznou polsnímkou, alebo snímkou. Na jednu snímku pripadá maximálne 45 x 36 = 1620 makroblokov. Rozlišujeme obrázky typu I, P a B. Obrázok I je zásadne kódovaný vnútrosnímkovo (intraframe) alebo vnútropólsnímkovo (intrafield), nemá teda žiadnou väzbu na predchádzajúce a nasledujúce obrázky. referenčný makroblok kódovaný makroblok vyhľadávaní makroblok A 12 48 4 B 32 z pamäti už prenesenej snímky Obr.14 Princíp detekcie a kompenzácie pohybu, pohybový vektor Obrázok P (predicted) je kódovaný vo vzťahu k predchádzajúcemu obrázku I alebo P na základe diferenčnej impulznej kódovej modulácie DPCM. Kódovanie prebieha po makroblokoch (a blokoch), prenášajú sa iba rozdiely signálov vzhľadom k už prenesenému referenčnému makrobloku z predchádzajúceho obrázka, pričom polohu referenčného makrobloku v pamäti udáva tzv. pohybový vektor (obr. 14). Pohybové vektory sa vytvárajú v kodéri podľa zložitých algoritmov analýzou všetkých makroblokov vo vyhladávacej oblasti, do dekodéra sú prenášané spolu so signálom. Na základe súradníc pohybového vektora vyhľadá dekodér vo svojej pamäti už prenesený makroblok a pridá k nemu prenášaný rozdiel, a tak získa pôvodné hodnoty práve kódovaného makrobloku. Obrázok B (bidirectionally predicted) môže používať ako referenciu makrobloky tak z predchádzajúceho, tak i nasledujúceho obrázka I alebo P. Aby dekodér v prijímači mohol používať i nasledujúce obrázky, mení kodér ich poradie pri vysielaní tak, že pri 23
prenose obrázka B sú príslušné referenčné obrázky I alebo P už uložené v pamäti prijímača. Správne poradie pre zobrazenie zaisťuje dekodér. Význam obrázka B spočíva v možnosti nájsť podobné bloky pri odkrývaní podrobností za pohybujúcim sa objektom v popredí, prípadne pri pohybe kamery na okrajoch obrazu. Tieto podrobnosti sú potom obsiahnuté niekedy iba v predchádzajúcom a inokedy iba v nasledujúcom obrázku. Referenčné makrobloky sú určené dvojice pohybových vektorov. Obr.15 Používané spôsoby predikcie vo skupine obrázkov GOP, dĺžka skupiny N, periodicita M (pre obrázky P a I) Skupina obrázkov GOP je tvorená niekoľkými obrázkami medzi dvoma obrázkami typu I. Pre GOP je charakteristická jej celková dĺžka N a periodicita M (obr. 15) udávajúca, ako sa opakujú obrázky typu P (vrátane obrázku I). Týmito dvoma konštantami je stanovené poradie obrázkov rôznych typov vo skupine GOP (medzery medzi obrázkami I a P sú vyplnené obrázkami B). Postupnosť je najvyššia štruktúra pri kódovaní obrazu vo štandardu MPEG 2, je tvorená skupinami GOP. V záhlaví postupnosti sa prenášajú údaje týkajúce sa spôsobu kódovania celej postupnosť. Podobne v záhlaví nižších obrazových zložiek (GOP, obrázok, pruh makroblokov, makroblok) sa prenášajú spoločné údaje týkajúce sa týchto zložiek. U makrobloku sú to najmä adresa a typ makrobloku, spôsob kvantizácie a pohybové vektory. Kompresné prostriedky MPEG 2: Kompresia bitového toku v systéme MPEG 2 je založená na diskrétnej kosínusovej transformácii DCT, pohybové kompenzované medzisnímkové predikcie na princípe DPCM, kvantizácia koeficientov DCT a ich kódovanie kódom RLC a VLC. Transformácia DCT spolu s pohybovo kompenzovanou DPCM sa nazýva hybridná DCT. blok 8 x 8 priama DCT blok 8 x 8 obrazové prvky inverzná DCT obrazové prvky Obr.16 Dvojrozmerná diskrétna kosínusová transformácia pre N = 8 24
Diskrétna kosínusová transformácia DCT nahrádza hodnoty obrazových prvkov jednotlivých blokov 8 x 8 spektrálnymi koeficientmi DCT, ktoré sú opäť usporiadané do blokov 8 x 8 (obr. 16). Jedná sa v podstate o prevod z oblasti signálových hodnôt (jasu a chrominancie) do frekvenčnej oblasti (spektrálne koeficienty), analogicky ako napr. u analógovej Fourierovej transformácie a diskrétnej Fourierovej transformácie DFT. V digitálnej televízii DVB je DCT dvojrozmerná a je obmedzená na 8 x 8 prvkov. V dôsledku veľkej korelácie (závislosti) medzi susednými obrazovými prvkami má vo väčšine prípadov najväčšiu hodnotu koeficient reprezentujúci jednosmernú zložku daného bloku, umiestený v bloku vľavo hore. Veľkosti ďalších koeficientov smerom k vyšším priestorovým frekvenciám (smerom doprava sa zvyšuje horizontálna, smerom dolu vertikálna priestorová frekvencia) obvykle veľmi rýchle klesajú a veľké množstvo koeficientov má hodnoty blízke nule. 110 106 98 92 112 105 97 90 109 107 97 94 203 15 0-1 0 0 0 1 0 0 0 0 111 107 95 91 1-2 0-1 a) obrazové prvky b) koeficienty DCT (po zaokrúhlení) Obr.17 Príklad transformácie DCT 4 x 4 Príklad diskrétnej kosínusovej transformácie DCT pre 4 x 4 prvky ukazuje obrázok 17. Jas šestnástich obrazových prvkov (pixelov) bloku sa transformuje na 16 koeficientov DCT vyjadrujúcich amplitúdy jednotlivých "harmonických". Každá z týchto harmonických má opäť tvar štvorcovej matice (v našom príklade 4 x 4) s hodnotami medzi -1 a +1, pričom jej koeficient DCT udáva, ako sa tato harmonická podieľa na hodnotách obrazových prvkov daného bloku. Ľavý horný koeficient sa označuje F(0,0) a udáva dvojnásobok priemerného jasu celého bloku. Z príkladu je tiež zrejmé, že v tomto konkrétnom prípade je väčšina (celkom 9) koeficientov po zaokrúhlení nulových. Obecne platí, že čím väčší je počet nulových koeficientov, tým je lepšia kompresia. Ale je treba poznať, že pokiaľ by sa každý koeficient prenášal pomocou konštantného počtu bitov (to je slovom konštantnej dĺžky), k žiadnej kompresii by nedošlo. Preto je nutné využiť úsporné kódovanie reťazcov núl. Po vynulovaní niektorých koeficientov a vytvorení jednorozmerného časového radu (snímaným koeficientov bloku z dvojrozmernej matice podľa predpísaných pravidiel "cik-cak" alebo "prekladania") možno pre kódované reťazce núl výhodne využiť vlastnosti kódu RLC (Run-Lenght Coding), ktorý v dvojici čísel udáva počet za sebou nasledujúcich núl a hodnotu prvého nenulového koeficientu. Tieto dvojice sú potom kódované kodérom s premennou dĺžkou slova VLC (Variable Lenght Coding), ktorý prideľuje častejším kombináciám kratšie kódové slová. Vychádza pritom zo skutočnosti, že krátke série núl sú pravdepodobnejšie než dlhé a že malé hodnoty koeficientov sú pravdepodobnejšie než veľké. Hodnoty kódu VLC sú určené tabuľkovo. V prípade, že sa daná kombinácia v tabuľke nevyskytuje, zakóduje sa pomocou špeciálneho znaku (escape code) s nasledujúcim šesťbitovým slovom udávajúcim počet nulových koeficientov (až 64) a ďalším slovom určujúcim hodnotu prvého nenulového koeficientu. Transformácia DCT sa uvedeným spôsobom aplikuje priamo na obrazové prvky blokov v obrázkoch typu I a stupeň kompresie závisí na charaktere obrázkov i na 25
spôsobe kvantovania koeficientov DCT. K tomu sa používajú tzv. kvantizačné matice 8 x 8, v nich sú uvedené vždy na odpovedajúcej pozícii osembitové čísla, ktorými sa delí príslušný koeficient DCT. Tieto čísla sa obvykle zväčšujú smerom k vyšším priestorovým frekvenciám v súladu so skutočnosťou, že ľudské oko je na ne menej citlivé a môžu teda byť kvantované hrubšie. Po uvedenom vážení koeficientov DCT kvantizačná matica sa prevádza konečná kvantizácia (obvykle na základe lineárnej stupňovitej krivky) s tým, že je možné rozšíriť tzv. mŕtvu zónu okolo nuly za účelom vynulovania maximálneho počtu koeficientov DCT. Pretože malé odchýlky okolo nuly sú spôsobované tiež šumom, ich potlačenie obvykle zlepšuje subjektívnu kvalitu obrazu. Štandard MPEG 2 používa dva typy štandardných kvantizačných matíc, v podstate ale môže kodér vytvoriť ľubovolnú kvantizačnú maticu a spolu so signálom ju preniesť do dekodéru. Dekodér potom využíva tuto maticu do doby, než dostane z kodéru maticu inú, alebo príkaz k použitiu jednej zo dvoch štandardných kvantizačných matíc. Pri kódovaní obrázkov P a B sa najskôr vytvorí rozdiel hodnôt daného bloku a referenčného (predikovaného) bloku a až tento rozdiel sa transformuje pomocou DCT. Pri statickom obraze a pri malých zmenách sú rozdiely nepatrné a po transformácii dochádza k vynulovaniu veľkého množstva koeficientov DCT a tým k značnej úspore bitového toku. Aby bola dosiahnutá úspory i pri pohyblivých obrázkoch, využívajú sa princípy detekcie a kompenzácie pohybu, pričom sa stanovia vektory pohybu vždy pre celý makroblok. Jedna zo základných metód detekcie pohybu spočíva v postupnom porovnávaní práve kódovaného makrobloku s rôznymi makroblokmi z predchádzajúceho obrázku v celej vyhľadávanej oblasti (obr. 14). Tá môže byť napr. 32 obrazových prvkov vo vodorovnom a 16 obrazových prvkov vo zvislom smere s presnosťou na polovicu obrazového prvku, ktorá sa dosahuje interpoláciou medzi susednými prvkami. V každej polohe sa vytvorí absolútna hodnota rozdielu príslušných hodnôt a tieto absolútne hodnoty sa sčítajú pre celý makroblok a uložia do pamäti. Makroblok s najmenším súčtom sa potom použije ako referenčný, jeho relatívna poloha v pamäti je určená pohybovým vektorom. Uvedený spôsob je veľmi náročný na počet výpočtových operácii v kodéru, pre dekodér je však jednoduchý, pretože tu stačí na základe preneseného pohybového vektoru vyhľadať v pamäti referenčný makroblok a pripočítaním diferencií (po inverznej transformácie DCT) získať správne hodnoty práve dekódovaného bloku daného makrobloku. Je nutné si uvedomiť, že kodér pri kompenzácii pohybu vyhľadáva najpodobnejší makroblok, čo nemusí byť vždy pôvodný, v dôsledku pohybu posunutia makroblokov. I keď sa nenájde príliš podobný referenčný makroblok, nedochádza k chybám prenosu, iba úspora bitového toku je malá alebo žiadna. Dôležitou súčasťou každého kodéru a dekodéru je vyrovnávacia pamäť, ktorá vyrovnáva premenný bitový tok v závislosti na charaktere obrazu i použitých kompresných prostriedkoch. Aby sa zamedzilo pretečeniu vyrovnávacej pamäti, je táto pamäť trvale monitorovaná a pomocou spätnej väzby sa zaisťuje primerané zaplnenie pamäti. Spätná väzba obvykle ovláda jemnosť kvantovania koeficientov DCT (a ich diferencii) a tým zmenšovanie bitového toku a znižovanie kvality pri 26
hrubšom kvantovaní. Vzhľadom k tomu, že sa jedná o jemnosť kvantovania koeficientov DCT, má kvalita v rámci kódovaného bloku "globálny" charakter. Rozdiel medzi blokmi by sa mohol prejaviť iba v prípade zlého kódovania koeficientu F(0,0) odpovedajúceho priemernému jasu bloku. Tento koeficient sa preto kóduje vždy oddelene a s najväčším počtom bitov. Obrázky I sa kódujú iba s využitím DCT. Tím je možné na začiatku skupiny snímkou GOP bezproblémové strihať obrazové signály, pretože vnútrosnímková DCT je nezávislá na predchádzajúcich snímkách. Podobnosť medzi časovo susednými televíznymi snímkami sa využíva u obrázkov P, ale hlavne u obrázkov B, ktoré umožňujú maximálnu kompresiu signálu. V prílohe 3 prichádza vstupný obrazový signál po makroblokoch na rozdielový obvod, kde sa od neho odpočíta referenčný makroblok z obrazovej pamäti a tým sa vytvorí rozdiel (predikčná chyba), ktorá sa transformuje priamou DCT. Nasleduje kvantovanie rozdielových spektrálnych koeficientov, pričom sa berie do úvahy i stav obsadenia výstupnej vyrovnávacej pamäti. Kvantované koeficienty DCT sa po inverznej DCT (teda opäť vo tvaru obrazových diferencií) pridávajú k pohybovo kompenzovanému referenčnému makrobloku na vstupu obrazovej pamäti, ktorá teda ukladá kompletný obrázok pre ďalšiu predikciu. Vo výstupnej časti kodéru sa kvantované spektrálne koeficienty kódujú kódom VLC a po multiplexovaní s pohybovými vektormi sa ukladajú do výstupnej vyrovnávacej pamäti, odkiaľ postupujú na výstup kodéru. V prípade, že na vstupe je obrázok typu I, rozpoja sa oba vypínače a na obrázok sa aplikuje transformácia DCT priamo, bez DPCM. Spätná väzba z vyrovnávacej pamäti zaisťuje pri naplnení hrubšiu kvantizáciu spektrálnych koeficientov, tým zníženie bitového toku a postupné vyprázdňovanie pamäti. Kódovanie zvuku podľa štandardu MPEG 2: Kódovanie zvuku MPEG 2 je založené na rozdelení zvukového signálu vo frekvenčnej oblasti do 32 subpásiem a využití takzvaného psychoakustického maskovacieho javu ľudského sluchu v každom z týchto subpásiem. Princíp tohoto javu je znázornený na obr. 18, kde čistý tón 1000 Hz vysokej intenzity maskuje (to je celkom prekrýva) slabší zvukový signály v blízkom okolí, nachádzajúci sa pod prahom maskovania. V dôsledku maskovacieho javu silnejšie zvukové signály potláčajú vnímanie slabších spektrálnych zložiek v danej oblasti frekvencie, ktoré potom nieje nutné kódovať. V každom subpásme možno zvoliť optimálny počet bitov na vzorku, pri ktorom je kvantovací šum ešte maskovaný a teda nedochádza ku počuteľnému zníženiu kvality zvuku. Súčasne sa signálom prenášajú ešte tzv. meradlá závislé na skutočnej veľkosti signálu v danom subpásme, aby kódovanie prebiehalo účinne bez ohľadu na okamžitú intenzitu kódovaného zvuku v danom subpásme. Jemnosť kvantovania (a teda potrebný bitový tok) v každom frekvenčnom subpásme sa v kodéri stanovuje výpočtom na základe psychoakustického modelu podľa skutočnej situácie v danom časovom intervale. Štandardy MPEG pri kódovaní zvuku rozlišujú tri úrovne (layer) kompresie. Základný kompresný algoritmy používa úroveň 1, rozšírené algoritmy úroveň 2, ktoré tak dosahujú pri rovnakej kvalite zvuku nižších bitových tokov. Najkvalitnejšia je úroveň 3. V digitálnej televízii DVB i v digitálnom rozhlase DAB a v multimédiách sa používa úroveň 2 (MPEG Audio Layer 2). Zvukové štandardy MPEG 1 a MPEG 2 sú 27