ΟΡΥΦΟΡΙΚΟΣ ΕΚΤΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΗ Στα ενδότερα της πιο εξελιγµένης και πολύπλοκης οικιακής συσκευής Toυ Γιώργου Σ. Κακαβιάτου Ο δορυφορικός δέκτης ενσω - µα τώνει σχεδόν όλη τη σύγ - χρο νη ψηφιακή τεχνολο γία, µετατρέ ποντας αυτό το «επι- κα θήµενο κουτί» (Set Top Box) σε επί τευγ µα της ηλεκτρονι - κής. Θα περιγράψουµε στη συ - νέχεια, τη δοµή του δορυφορικού δέκτη σε επίπεδο λειτουρ - γιών και βαθµίδων. ΟΡΥΦΟΡΙΚΟΣ ΕΚΤΗΣ Στα ενδότερα της πιο εξελιγµένης και πολύπλοκης οικιακής συσκευής! Π ολλοί πιστεύουν ότι οι τεχνολογίες προκύπτουν «εξ αποκαλύψεως», ως αποτέλεσµα της έµπνευσης κάποιου σοφού εγκέφαλου ή µιας οµάδας ειδικών. Σπάνια όµως η τεχνολογία εξελίσσεται µε αυτόν τον τρόπο. Πίσω από τις καινοτοµίες που αλλάζουν κάθε τόσο τη ζωή µας, βρίσκονται δεκαετίες ερευνών, αδιέξοδα και ατελέσφορη έρευνα, κόποι, απογοητεύσεις, οικονοµικές καταστροφές, αλλά και µεγάλες επιτυχίες. Μία από τις τεχνολογίες που χρειάστηκε δεκαετίες για να ωριµάσει, ανάλωσε σηµαντικούς πόρους, απασχόλησε εκατοντάδες ειδικών, δοκιµάστηκε σε αντίξοες συνθήκες και πέρασε, όπως λέµε, από τα «σαράντα κύµατα» µέχρι να καταξιωθεί, είναι το Ψηφιακό Σύστηµα Μετάδοσης Εικόνας (DVB, Digital Video Broadcasting). Η συνέχεια ήταν εντυπωσιακή, α- φού σήµερα λειτουργούν περισσότεροι από 400 εκατοµµύρια δέκτες ψηφιακής δορυφορικής τηλεόρασης. ËÓ ÙÂ ÓÔÏÔÁ ÙË ÊÔ Û È ÙËÓ appleôï Ì ÓÂÈ! Συνιστώσες I και Q Το σήµα που εκπέµπεται από το δορυφόρο (στην περιοχή συχνοτήτων από 10,7 έως 12,75 GHz) λαµβάνεται, ενισχύεται και υποβιβάζεται στην περιοχή 950-2150 MHz, από το µεταλλάκτη χαµηλού θορύβου (LNB), που βρίσκεται στην εστία της παραβολικής κεραίας. Λαµβάνεται από το δέκτη (tuner), που επιλέγει το επιθυµητό κανάλι στη ζώνη 950-2150 MHz και το µετατρέπει σε σήµα µέσης συχνότητας (IF) 480 MHz. Στη συνέχεια, ενισχύεται και αποδιαµορφώνεται για να προκύψουν οι «ορθογώνιες» συνιστώσες Ι και Q. Η πρώτη ονοµάζεται συµφασική συνιστώσα (In-Phase) και η δεύτερη ορθογώνια (Quadrature). Τα σήµατα αυτά βρίσκονται σε διαφορά φάσεως 90 µοιρών και έχουν το πλεονέκτηµα ότι δεν παρεµβάλλονται µεταξύ τους. Το σύστηµα που υλοποιεί αυτή τη διαδικασία λέγεται διαµορφωτής Ι-Q (quadrature modulator) και α- ποτελεί «θεµέλιο λίθο» όλων των συστηµάτων ψηφιακών επικοινωνιών (εικόνα 2). Στη συνέχεια, οι συνιστώσες Ι και Q ψηφιοποιούνται στη βαθµίδα ADC και οδηγούνται στον αποδιαµορφωτή. Κάθε δορυφορικό κι όχι µόνο- σήµα περιλαµβάνει τρία στοιχεία, στα οποία µπορεί να µεταφερθεί πληροφορία: Το πλάτος, τη συχνότητα και τη φάση. Αν η πληροφορία µεταφέρεται µόνο στις µεταβολές του πλάτους, προκύπτει η διαµόρφωση µε µεταβολή του πλάτους (Amplitude Shift Keying, ASK). Αν η πληροφορία περιέχεται στις µεταβολές της συχνότητας, τότε προκύπτει η διαµόρφωση µε µεταβολή της συχνότητας (Frequency Shift Keying, FSK), ενώ αν η µεταβολή γίνεται στη φάση, τότε η διαµόρφωση ονοµά- 114 ΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΝΕΑ ΜΑΡΤΙΟΣ 2009
1 Βασικές µονάδες ενός συστήµατος ψηφιακών επικοινωνιών. Η ψηφιακή τεχνολογία αποτελεί σήµερα τη ραχοκοκαλιά όλης της βιοµηχανίας ηλεκτρονικών, από την τηλεφωνία µέχρι τον κινηµατο γρά - φο. Ακόµη και η λέξη «digital» έχει γίνει της µόδας. Αν κάτι δεν είναι digital, δεν είναι πια αποδεκτό! Ένα ψηφιακό σύστηµα επικοινωνίας αποτελείται από την πηγή της πληροφορίας, τον κωδικοποιητή πηγής, τον κωδικοποιητή καναλιού και το διαµορφωτή. Μεσολαβεί το κανάλι µετάδοσης µε τα προβλήµατά του (θόρυβος, καθυστέρηση) και ένα παρόµοιο σύστηµα εκτελεί την αντίστροφη λειτουργία. Η πιθανότητα εσφαλµένης µετάδοσης συµβόλων, χρησιµοποιείται σαν µέτρο των επιδόσεων του συστήµατος. ζεται PSK (Phase Shift Keying). Μια έξυπνη ιδέα είναι να µεταβάλλουµε ταυτόχρονα δύο στοιχεία του σήµατος, για παράδειγµα, το πλάτος και τη φάση και να προκύψει η διαµόρφωση APSK (Amplitude/Phase Shift Keying). Αυτή η καλή ιδέα έχει όµως έ- να πρόβληµα. Μέχρι σήµερα ήταν αδύνατο να λειτουργήσει! Έτσι, το µόνο που µπορούσε να γίνει ήταν να διαλέξουµε πολλά επίπεδα µεταβολής µόνον του πλάτους ή µόνον της φάσης και να προκύψει η διαµόρφωση 2PSK, 4PSK, που λέγεται QPSK (Quad PSK) και µε ανάλογο τρόπο η 4ASK, που λέγεται QAM. Στη δορυφορική µετάδοση DVB χρησιµοποιείται η QPSK και ήδη έχει δροµολογηθεί η χρήση της APSK στη βελτιωµένη εκδοχή του DVB-S2. Τα ψηφιοποιηµένα πλέον σήµατα, οδηγούνται σε «ψηφιακά πακέτα» στο επόµενο λειτουργικό τµήµα (FEC) (εικόνα 3). 3 Μετά τη µονάδα λήψης (tuner), ακολουθεί ο µετατροπέας από αναλογικό σε ψηφιακό ADC (Analog to Digital Converter), ο οποίος µετατρέπει τις αναλογικές συνιστώσες Ι και Q, σε ψηφιακές. Ακολουθεί η µονάδα αποδιαµόρφωσης QPSK και η µονάδα διόρθωσης σφαλµάτων (FEC). ιόρθωση Σφαλµάτων - F E C Η δορυφορική µετάδοση είναι πολύ ευαίσθητη ως προς την α- νοχή σε λήψη λανθασµένων bit. Επιτρέπει τη µετάδοση 0,1 έως 10 λανθασµένων bit την ώρα (µε ρυθµό µετάδοσης 30Mp/s). Ο µόνος τρόπος για να πετύχουµε τέτοια ποιότητα είναι η χρήση µεθόδων (αλγόριθµων) ανίχνευσης και διόρθωσης των σφαλ- µάτων, που λέγονται συνήθως «κωδικοποίηση καναλιού». Στην τεχνολογία DVB χρησιµοποιείται η «αλυσιδωτή κωδικοποίηση» (concatenated coding), εικόνα 4. Στην αλυσιδωτή κωδικοποίηση προηγείται ένα στάδιο διασποράς της ενέργειας του δορυφορικού σήµατος (interleaving), για να εξορκιστεί το κακό των αιχµών θορύβου. Ακολουθεί ο κωδικοποιητής εξωτερικής κωδικοποίησης, µε τον αλγόριθµο Reed-Solomon. Επαναλαµβάνεται ένα στάδιο διασποράς της ψηφιοσειράς και εν τέλει έπεται το στάδιο εσωτερικής κωδικοποίησης (συνέλιξη Viterbi). Το «πακέτο» λειτουργεί (εικόνα 5) µε µεγάλη επιτυχία σε πολλές ασύρµατες συνδέσεις υψηλών απαιτήσεων, από τη δορυφορική τηλεόραση µέχρι τις επικοινωνίες στο βαθύ διάστηµα και λέ- 2 Τα σήµατα που λαµβάνονται από το δορυφόρο (στην περιοχή συχνο - τήτων από 10,7 έως 12,75 GHz) ενισχύονται και υποβιβάζονται στη ζώνη 950-2150 MHz από τον ενισχυτή χαµηλού θορύβου (LΝΒ), που βρί - σκεται στην εστία της παραβολικής κεραίας. Λαµβάνονται από το δέκτη (tuner) που επιλέγει το απαιτούµενο κανάλι στην περιοχή 950-2150 MHz και το µετατρέπει σε σήµα µέσης συχνότητας (IF) 480 MHz. Το σύν θετο σήµα υφίσταται κατάλληλη επεξεργασία στον αποδιαµορφωτή και προκύπτουν οι δύο συνιστώσες Ι και Q. 4 Αλυσιδωτή κωδικοποίηση. Όταν δύο κώδικες λειτουργούν σε σειρά ή επάλληλα ή διαδοχικά, τότε η διαδικασία λέγεται αλυσιδωτή κωδι - κοποίηση (concatenated coding). Χρησιµοποιείται σε καταστάσεις όπου η χρήση ενός µόνον κώδικα αποδεικνύεται ανεπαρκής για τα πολλά και διάφορα είδη λαθών, όπως συµβαίνει στις δορυφορικές ζεύξεις. Αν και το FEC rate που αναφέρεται στις προδιαγραφές κυµαίνεται από 1/2 έως 7/8 στο DVB-S, και από 1/4 έως 9/10 στο DVB-S2, στην πραγµατικότητα, είναι διαφορετικό. Υπολογίζεται ως γινόµενο του coderate του κώδικα Reed-Solomon (188/204) µε το αντίστοιχο της συνέλιξης. Έτσι, το FEC rate 7/8 = 0,875 πρέπει να διορθωθεί στο (188/204) x (7/8) = 0,806. 115
ΟΡΥΦΟΡΙΚΟΣ ΕΚΤΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΗ Στα ενδότερα της πιο εξελιγµένης και πολύπλοκης οικιακής συσκευής Toυ Γιώργου Σ. Κακαβιάτου 5 Στο πρότυπο µετάδοσης DVB, η διαδικασία FEC υλοποιείται σε τέσσερα στάδια. Την πρώτη διασπορά της ψηφιοσειράς, η οποία γίνεται µε τον αλγόριθµο PRBS (Pseudo Random Binary Sequence), την εξωτερική κωδικοποίηση (Reed Solomon), µια νέα διασπορά µε διαφο - ρετικό αλγόριθµο (Forney) και την εσωτερική κωδικοποίηση (συνέλιξη Viterbi. Στο DVB-S, η εξωτερική κωδικοποίηση είναι Reed-Solomon (204, 188), µε δυνατότητα διόρθωσης 8 byte. Στα µη δορυφορικά συστή - µατα DVB (T και C) δεν εφαρµόζεται εσωτερική κωδικοποίηση. γεται FEC (Forward Error Correction = Προληπτική ιόρθωση). Όλους αυτούς του κωδικοποιητές και διασπορείς, τους αντιµετωπίζουµε σαν ένα «µαύρο κουτί» στο οποίο µπαίνουν k και βγαίνουν n bit. Έτσι προκύπτει και o ρυθµός FEC (k/n). Χαµηλός ρυθµός κωδικοποίησης, σηµαίνει µεγάλος πλεονασµός και άρα, µικρότερη τιµή πιθανότητας σφάλµατος. Η διαδικασία διόρθωσης βασίζεται στον αριθµό των bit που θυσιάζονται. Θεωρητικά, όσο µεγαλύτερος αριθµός check bits προστίθενται στο σύστηµα, τόσο καλύτερο αποτέλεσµα προκύπτει. Στην πράξη, όµως, τα πολλά bits µπορούν να γίνουν και τα ίδια πηγή σφάλµατος και να χρειαστεί άλλη κωδικοποίηση για να τα διορθώσει, ενώ καταναλώνουν και πολύτιµο εύρος ζώνης. FEC rate ½ σηµαίνει ό- τι για κάθε bit πληροφορίας προστίθεται και ένα check bit. Οι α- ντίστοιχοι λόγοι 2 / 3, ¾, 7 / 8 δείχνουν ότι µειώνεται ο αριθµός των ψηφίων ελέγχου στο συνολικό bitrate. Αν υπάρχει πλεόνασµα 7 Κάθε στοιχειώδης ροή (Elementary Stream, ES) «κόβεται» σε ψηφιακά πακέτα, για να µετατραπεί σε «πακεταρισµένη στοιχειώδη ροή» (Packetized Elementary Stream, PES). Κάθε πακέτο ξεκινά µε την «επικεφαλίδα» (header), η οποία ακολουθείται από τα δεδοµένα ή «ψηφιακό φορτίο» της στοιχειώδους ροής (payload). Τα πακέτα µεταδίδονται στη σειρά, σχηµατίζοντας τη ροή του «ρεύµατος µεταφοράς» (transport stream, TS). Για να ξεχωρίζουν µέσα στο ψηφιακό ρεύµα, εφοδιάζονται µε «ταυτότητα αναγνώρισης» (packet ID, PID). bandwidth, προστίθενται περισσότερα check bits (FEC rate 1 / 2, 2 / 3 ), ενώ αν έχουµε πλεόνασµα ισχύος προστίθενται λιγότερα check bits (FEC rate ¾, 7 / 8 ). Στο DVB-S το µέγιστο FEC rate είναι 7 / 8. Στο εύλογο ερώτηµα «και ποιο απ όλα τα διαθέσιµα FEC θα χρησιµοποιηθεί», η απάντηση είναι διττή: είτε ακολουθείται η αυστηρή διαδικασία κατά την οποία ο πάροχος της υπηρεσίας καθορίζει αυστηρά το FEC rate και όποιος τα καταφέρει βλέπει εικόνα, είτε ακολουθείται η διαδικασία «σµίκρυνσης» (punctu - ring). Το σύστηµα ξεκινάει από το καλύτερο FEC rate και αν δεν καταφέρει, τότε χαµηλώνει τις απαιτήσεις στο αµέσως µικρότερο διαθέσιµο, µέχρις ότου κλειδώσει και παράξει εικόνα. 6 Η ψηφιοποιηµένη πληροφορία εικόνας, ήχου και σηµάτων ελέγχου που περιέχεται στο «τηλεοπτικό πρόγραµµα» χωρίζεται σε απλές επιµέρους «στοιχειώδεις ροές» (Elementary Stream, ES). Αυτές οι ροές θα πρέπει να οργανωθούν στον πολυπλέκτη και να συµπληρωθούν µε επιπλέον πληροφορίες, οι οποίες θα επιτρέψουν το διαχωρισµό τους από τον αποπλέκτη, το συγχρονισµό της εικόνας µε τον ήχο και την επιλογή από το χρήστη, των συγκεκριµένων στοιχείων που τον ενδιαφέρουν 116 ΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΝΕΑ ΜΑΡΤΙΟΣ 2009
8 Η διαδικασία της «πολυπλεξίας MPEG» σχηµατίζει την ψηφιακή ροή από πακέτα των 188 bytes, η οποία όµως δεν διαθέτει ούτε προστα - σία από τα λάθη διαβίβασης, ούτε καθορίζει το φυσικό µέσο και τη δια - µόρφωση µε την οποία θα µεταδοθεί. Τόσο ο µηχανισµός προστασίας και η διαµόρφωση, όσο και οι υπόλοιπες φυσικές παράµετροι, καθορίζονται ανάλογα µε τις απαιτήσεις και τα δεδοµένα της µετάδοσης. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο έχουν σχεδιαστεί διαφορετικά πρότυπα DVB, όπως το DVB-S για δορυφορική µετάδοση, το DVB-T για επίγεια, το DVB- C για καλωδιακή, το DVB-H για κινητή τηλεφωνία και το DVB-RCS για αµφίπλευρη επικοινωνία. Όλα αυτά διαφέρουν µεταξύ τους µόνο στον τρόπο διαµόρφωσης, τις συχνότητες και τον τρόπο διόρθωσης λαθών. Ο υπόλοιπος κορµός της διαδικασίας παραµένει σταθερός και αµετάβλητος. «Πακέτα πληροφορίας», τα βασικά δοµικά υλικά Το DVB, όπως τα δίκτυα ηλεκτρονικών υπολογιστών και το Internet, χρησιµοποιεί την τεχνολογία «µεταγωγής πακέτων δεδοµένων» (data packets). Η ψηφιοποιηµένη πληροφορία εικόνας, ήχου, teletext και σηµάτων ελέγχου, που περιέχεται στο «τηλεοπτικό πρόγραµµα», χωρίζεται σε απλές επιµέρους «στοιχειώδεις ροές» (Elementary Stream, ES). Αυτές οι ροές θα πρέπει να συνδυαστούν µε οργανωµένο τρόπο και να συµπληρωθούν µε επιπλέον πληροφορίες, οι οποίες θα επιτρέψουν το διαχωρισµό τους από τον αποκωδικοποιητή, το συγχρονισµό της εικόνας µε τον ήχο και την επιλογή από το χρήστη των συγκεκριµένων στοιχείων που τον ενδιαφέρουν (εικόνα 6). Κάθε στοιχειώδης ροή «τεµαχίζεται σε ψηφιακά πακέτα» και µετατρέπεται σε «πακεταρισµένη στοιχειώδη ροή» (Packetized Elementary Stream, PES). Κάθε πακέτο έχει µέγεθος 188bytes και «αρχίζει» µε την επικεφαλίδα (header), η ο- ποία ακολουθείται από τα δεδοµένα της στοιχειώδους ροής. Τα πακέτα µεταδίδονται στη σειρά, σχηµατίζοντας τη ροή του «ρεύ- µατος µεταφοράς» (transport stream, TS). Για να διακρίνονται, ε- φοδιάζονται µε «ταυτότητα αναγνώρισης» (Packet ID, PID), (εικόνα 7). Η ψηφιακή ροή από πακέτα των 188 bytes, ονοµάζεται «πολυπλεξία MPEG» (εικόνα 8). Ροές µεταφοράς και προγράµµατος Η ροή προγράµµατος (program stream) αποτελείται από µία ή περισσότερες PES (βίντεο, ήχος, άλλα δεδοµένα), οι οποίες πρέπει οπωσδήποτε να έχουν τον ίδιο χρονισµό. Αυτός ο τύπος ροής είναι κατάλληλος για εφαρµογές, στις οποίες το κανάλι µεταφοράς ή το µέσο αποθήκευσης εισάγει µικρό αριθµό σφαλµάτων. Ένα κανάλι αυτής της µορφής ονοµάζεται «σχεδόν-αλάθητο» (quasi error-free). Τα πακέτα µεταφοράς στην περίπτωση αυτή, µπορεί να έχουν σχετικά µεγάλο µήκος. Αυτό το είδος της πολυπλεξίας αφορά συνήθως σε εφαρµογές βασισµένες σε CD-ROM, σκληρούς δίσκους και δίσκους DVD. Η ροή µεταφοράς (transport stream) προορίζεται κυρίως για τη µετάδοση προγραµµάτων τηλεόρασης σε ασύρµατα περιβάλλοντα, επιρρεπή σε σφάλµατα (error-prone). Σε αυτές τις περιπτώσεις, το µήκος του πακέτου θα πρέπει να είναι σχετικά µικρό, για να ε- πιτρέπει την εφαρµογή αποτελεσµατικών µηχανισµών διόρθωσης. Για το λόγο αυτό, το µήκος του πακέτου µεταφοράς έχει καθορισθεί στα 188 bytes. Οι πίνακες προγράµµατος Εκτός από τα πακέτα µεταφοράς που περιέχουν την εικόνα και τον ήχο των τηλεοπτικών προγραµµάτων, υπάρχει και µια σειρά α- πό πακέτα µεταφοράς που µεταφέρουν άλλου τύπου πληροφορίες, απαραίτητες για τη σωστή λειτουργία της διαδικασίας µεταφοράς. Το σύνολο αυτών των πληροφοριών το χωρίζουµε σε δύο κατηγορίες. Αυτές που είναι σχετικές µε τα τηλεοπτικά προγράµ- µατα (PSI, Program Specific Information) και αυτές που είναι σχετικές µε το σύνολο της υπηρεσίας (SI, Service Information) που προσφέρει ο πάροχος. Για να µεταδοθούν αυτές οι πληροφορίες, χρησιµοποιούµε πακέτα µεταφοράς µε συγκεκριµένες ετικέτες PID. Η πολυπλεξία µεταφοράς µπορεί να µεταφέρει περισσότερα από ένα προγράµµατα, καθένα από τα οποία αποτελείται από µία ή περισσότερες PES. Για να µπορεί ο δέκτης να λειτουργήσει σωστά σε αυτήν την «ψηφιακή ζούγκλα», έχουν οριστεί τέσσερις τύποι πινάκων, οι οποίοι αποδίδουν τις ιδιαίτερες πληροφορίες προγράµµατος (PSI, program specific information). Κάθε πίνακας, α- νάλογα µε τη σηµασία του, αποτελείται από έναν ή περισσότερους τοµείς. Η συχνότητα επανάληψης των πινάκων θα πρέπει να είναι αρκετά υψηλή (10-50 φορές το δευτερόλεπτο) για να επιτρέψει στον αποκωδικοποιητή να προσπελάσει γρήγορα το απαιτούµενο πρόγραµµα, όπως γίνεται για παράδειγµα, κατά την αλλαγή του φυσικού καναλιού ή κατά τον τακτικό έλεγχο της κάρτας πρόσβασης (εικόνες 9 και 10). 9 Η διαδικασία συγκρότησης του ρεύµατος µεταφοράς είναι απαιτη - τική και πρέπει να γίνεται χωρίς λάθη. Η ετικέτα που βρίσκεται στην επικεφαλίδα κάθε πακέτου, εξυπηρετεί αυτόν ακριβώς το σκοπό. Κάθε πακέτο έχει το δικό του PID, µε το οποίο βρίσκει το δρόµο του µέσα στον ψηφιακό κυκεώνα της ροής και οµαδοποιείται κατάλληλα µε τα όµοια πακέτα. Όταν λοιπόν δίνουµε τα PID στα µενού του δέκτη, τον βοηθούµε να βρει ανάµεσά τους το πρόγραµµα της επιλογής µας. Στις περισσότερες περιπτώσεις, βέβαια, αυτό δεν είναι απαραίτητο, γιατί ο δέκτης είναι σε θέση να το κάνει και µόνος του. 117
ΟΡΥΦΟΡΙΚΟΣ ΕΚΤΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΗ Στα ενδότερα της πιο εξελιγµένης και πολύπλοκης οικιακής συσκευής Toυ Γιώργου Σ. Κακαβιάτου 10 Εκτός από τα πακέτα µεταφοράς που περιέχουν την εικόνα και τον ήχο των τηλεοπτικών προγραµµάτων, υπάρχει και µια σειρά από αυτά που µεταφέρουν άλλου τύπου πληροφορίες, απαραίτητες για τη σωστή λειτουργία της διαδικασίας. Το σύνολο αυτών των πληροφοριών το χωρίζουµε σε δύο κατηγορίες. Αυτές που είναι σχετικές µε τα τηλεοπτικά προγράµµατα (PSI, Program Specific Information) και αυτές που είναι σχετικές µε το σύνολο της υπηρεσίας (SI, Service Information), την οποία παρέχει ο provider. Για να µεταδοθούν αυτές οι πληροφορίες χρησιµο - ποιούµε πακέτα µεταφοράς µε συγκεκριµένες ετικέτες PID. Έτσι, τα πακέτα µεταφοράς µε PID = 0000 περιέχουν πληροφορίες για τη θέση του τηλεοπτικού προγράµµατος στον Πίνακα Κατανοµής Προγράµµατος (PAT, Program Allocation Table). Τα πακέτα µε PID = 0001 περιέχουν τον κατάλογο των κρυπτογραφηµένων προγραµµάτων (CAT, Conditional Access Table). Η κατηγορία πληροφοριών SI έχει γενικότερο χαρακτήρα και αναφέρεται σε πληροφορίες χρονικής εξέλιξης (TDT, Time and Date Table). Πληροφορεί για τις συχνότητες που βρίσκονται τα άλλα «µπουκέ- τα» (BAT, Bouquet Association Table). Τέλος, µεταφέρει όλες τις πληρο - φορίες σχετικά µε τον Ηλεκτρονικό Οδηγό Προγράµµατος (EPG, Electronic Program Guide). Όλη αυτή η πληροφορία είναι «µπερδεµένη» σε µια ενιαία ψηφιακή σειρά, την οποία ο αποκωδικοποιητής αποπλέκει και «τακτοποιεί» τα ανάλογα πακέτα στην κατάλληλη θέση. Κωδικοποιητής εικόνας MPEG Μετά τη διόρθωση των λαθών, το ψηφιακό σήµα µε τη µορφή των συνιστωσών Ι και Q οδηγείται στον αποπλέκτη (DEMUX), ο οποίος βάζει τα σήµατα σε κατάλληλη σειρά (εικόνα 6). Το σήµα «κυκλοφορεί» πλέον µε τη µορφή απλών ψηφιακών πακέτων (Packetized Elementary Stream, PES) και αφού ελεγχθεί ως προς το «δικαίω- µα αναπαραγωγής» από τη µονάδα ελεγχόµενης πρόσβασης (CA), τροφοδοτεί τη µονάδα MPEG. Τα οπτικά σήµατα που ανασυντίθενται από τον αποκωδικοποιητή MPEG-2 (ψηφιακά σήµατα YUV) εφαρ- µόζονται στη συνέχεια στον κωδικοποιητή εικόνας (digital video encoder, DENC), που εξασφαλίζει την µετατροπή τους σε αναλογικά σήµατα RGB / συγχρονισµού, µέσω της διασύνδεσης SCART. Τα ψηφιακά ηχητικά σήµατα οδηγούνται σ ένα µετατροπέα από ψηφιακό σε αναλογικό (DAC), ο οποίος δηµιουργεί τα κανάλια του στερεοφωνικού και περιφερειακού ήχου, αν η µετάδοση περιέχει κατάλληλη ηχητική δοµή. Όλο το σύστηµα βρίσκεται υπό την εποπτεία ενός ισχυρού µικροεπεξεργαστή 16/32 bits (όπως ο 683xx ή ένας επεξεργαστής RISC), ο οποίος ελέγχει το κύκλωµα, ερµηνεύει τις εντολές του χρήστη από το τηλεχειριστήριο και διαχειρίζεται τους αναγνώστες έξυπνων καρτών και τις επικοινωνιακές διασυνδέσεις, που γενικά υπάρχουν στο δέκτη (εικόνα 11). Το λογισµικό έχει µέγεθος πάνω από 20ΜΒ και είναι αποθηκευµένο εν µέρει σε µια flash EPROM για να υπάρχει η δυνατότητα αναβάθµισης κατά τη διάρκεια του χρόνου ζωής του προϊόντος. Το λειτουργικό σύστηµα που τείνει να επικρατήσει στους δορυφορικούς δέκτες, είναι το Linux. Η µονάδα πρόσβασης υπό συνθήκη, περιλαµβάνει έναν ή δύο αναγνώστες κάρτας µε ενσωµατωµένο µικροκύκλωµα (smart card). Στην περίπτωση της αποσπώµενης µονάδας κοινής διασύνδεσης τύπου DVB-CI, τα κυκλώµατα πρόσβασης υπό συνθήκη και αποκρυπτογράφησης, εντοπίζονται στην αποσπώµενη µονάδα τύπου PCMCIA. Ο δορυφορικός δέκτης µπορεί να επικοινωνήσει µε τον έξω κόσµο (PC, modem) µέσω µιας ή περισσοτέρων θυρών. Από την απλούστερη (σειριακή RS232) έως τη γρηγορότερη (παράλληλη IEEE 1284), αυτές οι θύρες, όπως και η διασύνδεση διαµέσου τηλεφωνικής γραµ- µής (µε τη βοήθεια ενός ενσωµατωµένου modem), είναι τα απαραίτητα σηµεία σύνδεσης για αλληλεπίδραση και δυνατότητα πρό- 11 Το τµήµα απόπλεξης (DEMUX) λαµβάνει τις ψηφιακές συνιστώσες Ι και Q και δηµιουργεί τα «πακέτα δεδοµένων» της δορυφορικής µετάδοσης, υπό τον έλεγχο της µονάδας πρόσβασης υπό συνθήκη (CA). Οι οπτικές και ηχητικές έξοδοι που έχουν τη µορφή απλών ψηφιακών πακέτων (Packetized Elementary Stream, PES), οδηγούνται στην είσοδο του τµήµατος MPEG που λειτουργεί σε συνδυασµό µε τη µονάδα µνήµης DRAM. Τα αποσυµπιεσµένα ψηφιακά ηχητικά σήµατα οδηγούνται σε ένα διπλό µετατροπέα από ψηφιακό σε αναλογικό (DAC), ο οποίος δηµιουργεί τα κανάλια του στερεοφωνικού ή κινηµατογραφικού ήχου. Τα οπτικά σήµατα από τον αποκωδικοποιητή MPEG-2 οδηγούνται στη συνέχεια στον ψηφιακό κωδικοποιητή εικόνας (digital video encoder, DENC), που τα µετατρέπει σε αναλογικά. Όλο το σύστηµα βρίσκεται υπό την εποπτεία ενός ισχυρού µικροεπεξεργαστή 16/32 bit, ο οποίος ελέγχει το κύκλωµα, ερµηνεύει τις εντολές του χρήστη από το τηλεχειριστήριο και διαχειρίζε - ται τους αναγνώστες έξυπνων καρτών και τις επικοινωνιακές διασυνδέ - σεις, που γενικά υπάρχουν στο δέκτη. Η µονάδα πρόσβασης υπό συνθή - κη, περιλαµβάνει έναν ή δύο αναγνώστες κάρτας µε ενσωµατωµένο µικροκύκλωµα (smart card). 118 ΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΝΕΑ ΜΑΡΤΙΟΣ 2009
σβασης σε νέες υπηρεσίες (χρέωση-ανά-θέαµα, τηλεαγορά, πρόσβαση σε δίκτυα). Στα νέα συστήµατα προβλέπεται και δυνατότητα θύρας Ethernet, για σύνδεση σε δίκτυο υπολογιστών. Από εκεί α- νοίγονται νέοι δρόµοι και δηµιουργούνται µεγάλες δυνατότητες για µοίρασµα κάρτας πρόσβασης, επικοινωνία µε cccam servers, F-line και άλλες τέτοιες «προχωρηµένες καταστάσεις»! Αποκρυπτογράφηση Το πρότυπο DVB περιλαµβάνει και τη λειτουργία της ελεγχόµενης πρόσβασης (CA, Conditional Access). Μέσα στην ψηφιακή ροή των δεδοµένων εικόνας (transport stream) περιλαµβάνει το χάρτη προγράµµατος (PMT, Program Map Table), ένα από τα στοιχεία του ο- 12 Ο αλγόριθµος κρυπτογράφησης υλοποιείται σε δύο επίπεδα, όπου το ένα βελτιώνει τις αδυναµίες του άλλου. Το πρώτο επίπε - δο λειτουργεί κατά τµήµατα σε επίπεδο «οµάδων» των 8 bytes (block layer) και το άλλο στο συνεχές επίπεδο «ροής» των ψηφιακών δεδο - µένων (stream layer). Ο αλγόριθµος κρυπτογράφησης χρησι µοποιεί δύο λέξεις ελέγχου (άρτια και περιττή). Κάθε µία από αυτές, µεταδί - δεται στα µηνύ µατα ελέγχου (ECM, entitlement control messages) όσο η άλλη χρησι µοποιείται. Η πληροφορία που απαιτείται για την αποκρυπτογράφηση, εκπέµπεται σε συγκεκριµένα µηνύµατα (CAM, conditional access messa ges), τα οποία έχουν δύο µορφές: µηνύµατα ελέγχου (ECM, entitlement control messages) και µηνύ µατα διαχείρισης (EMM, entitlement mana gement messages). Τα ECM εξαρτώ - νται από τη λέξη ελέγχου και την κλείδα_υπηρεσίας και εκπέµπονται περί που κάθε 2 δευτερόλεπτα. Τα EMM είναι συνάρτηση της κλεί - δας_υπηρεσίας και της κλείδας_ χρήστη. Η αποκρυπτογρά φηση βασίζεται στην ανάκτηση του κλειδιού υπηρεσίας από το EMM και του κλειδιού χρήστη, που περιέχονται στην κάρτα πρόσβασης. Στη συνέχεια, το κλειδί υπηρεσίας χρησιµοποιείται για την αποκρυπτο - γράφηση του ECM, ώστε να ανακτηθεί η λέξη ελέγχου, η οποία δίνει το σήµα απρόσκοπτης έναρξης της διαδικασίας αποκρυπτογράφησης. ποίου είναι ο πίνακας ελεγχόµενης πρόσβασης (CAT, Conditional Access Table), που καθορίζει τα δικαιώµατα στη λήψη. Περιλαµβάνει ακόµη και τον αλγόριθµο κρυπτογράφησης, που ονοµάζεται «απλός κρυπτοαλγόριθµος» (CSA, Common Scrambling Algorithm). Η ιδιοφυής σχεδίαση του συστήµατος πρόβλεψε ότι η µονάδα ελέγχου της πρόσβασης δεν θα πρέπει να είναι πλήρως καθορισµένη, άκα- µπτη και κλειστή στις προδιαγραφές, αλλά να επιτρέπει την ενσω- µάτωση διαφορετικών τεχνολογιών κρυπτογράφησης. Έτσι, το πρότυπο προτείνει δύο επιλογές: την πρόσβαση µέσω κοινού συστή- µατος κρυπτογράφησης (simulcrypt) και την πρόσβαση µέσω διαφορετικών κρυπτοσυστηµάτων (multicrypt ή CI=common interface). Στην πρώτη περίπτωση, διαφορετικά δίκτυα τηλεόρασης χρησιµοποιούν διαφορετικά συστήµατα ελεγχόµενης πρόσβασης, αλλά τον ίδιο αλγόριθµο κρυπτογράφησης. Στη δεύτερη επιλογή, ό- λες οι λειτουργίες που απαιτούνται για ελεγχόµενη πρόσβαση, περιλαµβάνονται σε µια αποσπώµενη µονάδα (συνήθως πρόκειται για την κάρτα πρόσβασης), η οποία παρεµβάλλεται στη ροή των δεδο- µένων. Αυτό επιτυγχάνεται µε τη χρήση κοινής υποδοχής (CI, Common Interface) για διαφορετικές «κάρτες». Έτσι τα διάφορα τηλεοπτικά δίκτυα µπορούν να χρησιµοποιήσουν διαφοροποιηµένα συστήµατα πρόσβασης και αλγόριθµους. Το τµήµα αποκρυπτογράφησης DESCR λαµβάνει τα πακέτα µετάδοσης και επικοινωνεί µε τον κυρίως επεξεργαστή, διαµέσω παράλληλου δίαυλου, για τη γρήγορη µεταφορά δεδοµένων. Επιλέγει και αποκρυπτογραφεί τα πακέτα του απαιτούµενου προγράµ- µατος υπό έλεγχο της µονάδας πρόσβασης υπό συνθήκη. Αυτή η λειτουργία πολλές φορές συνδυάζεται µε τον αποπολυπλέκτη (DEMUX). Λόγω της «µυστικής» δοµής του τµήµατος αποκρυπτογράφησης του προτύπου DVB, είναι ευνόητο ότι µόνον οι γενικές αρχές του είναι διαθέσιµες. Στις λεπτοµέρειες της υλοποίησης έ- χουν πρόσβαση µόνον οι κατασκευαστές του εξοπλισµού, αφού υ- πογράψουν συµφωνίες µη αποκάλυψης των πληροφοριών αυτών σε τρίτους. Πάντως, απ όσα είναι γνωστά, ο αλγόριθµος κρυπτογράφησης υλοποιείται σε δύο επίπεδα, όπου το ένα βελτιώνει τις αδυναµίες του άλλου. Το πρώτο επίπεδο λειτουργεί κατά τµήµατα σε επίπεδο «οµάδων» των 8 bytes (block layer) και το άλλο στο συνεχές επίπεδο «ροής», των ψηφιακών δεδοµένων (stream layer). Ο αλγόριθµος κρυπτογράφησης χρησιµοποιεί δύο λέξεις ελέγχου (άρτια και περιττή), που εναλλάσσονται κάθε 2 δευτερόλεπτα. Κάθε µία από αυτές, µεταδίδεται στα µηνύµατα ελέγχου (ECM, entitlement control messages) προς τη µονάδα αποκρυπτογράφησης. Υπάρχει επίσης µία προκαθορισµένη (default) λέξη ελέγχου, η οποία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για ελεύθερη πρόσβαση σε κρυπτογραφηµένη µετάδοση (εικόνα 12). Πράγµατι υπάρχει σηµαντική πολυπλοκότητα στην τεχνολογία DVB. Ίσως, όµως, γι αυτό θεωρείται τόσο επιτυχηµένο και αειθαλές. Το είπε εξάλλου - και ο διευθυντής της οµάδας σχεδίασης, πριν από είκοσι χρόνια: «Το DVB είναι τόσο προηγµένο, ώστε στη διάρκεια της ζωής µας δεν θα χρειαστεί να ασχοληθούµε ξανά µε τη σχεδίαση παρόµοιας τεχνολογίας»! 119