1 / 52

Digitálna televízia, teória a prax

Digitálna televízia, teória a prax. Kurz „DVB“ pre pracovníkov Slovak Telekom, Košice, 13.-15.12. 2010. prof. Ing.Stanislav Marchevský, CSc. Ing. Ľudmila Maceková, PhD. Katedra elektroniky a multimediálnych telekomunikácií. Fakulta elektrotechniky a informatiky.

kane-burton
Download Presentation

Digitálna televízia, teória a prax

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Digitálna televízia, teória a prax Kurz „DVB“ pre pracovníkov Slovak Telekom, Košice, 13.-15.12. 2010 prof. Ing.Stanislav Marchevský, CSc. Ing. Ľudmila Maceková, PhD. Katedra elektroniky a multimediálnych telekomunikácií Fakulta elektrotechniky a informatiky Technická univerzita v Košiciach Park Komenskeho 13, Košice stanislav.marchevsky@tuke.sk ludmila.macekova@tuke.s

  2. Osnova História: Od analógovej TV k DVB Európska iniciatíva Porovnanie analógovej a digitálnej TV SDTV, EDTV, HDTV, farebné štandardy Špecifikácie DVB-T,S,C, vrstvy DTV Kompresné štandardy pre DTV (MPEG 2, -4) Americká a japonská DTV Mobilná DTV, DVB-H Služby v DTV, MHP IPTV, HTML

  3. V prezentácii sa často budú opakovať skratky: TV – televízia DTV – digitálna televízia alebo DVB – z anglického názvu Digital Video Broadcasting, čo voľne prekladáme tiež ako digitálna televízia DVB-T – Terrestrial – pozemná DTV DVB-C – káblová DTV DVB-S – satelitná digitálna televízia

  4. História: od analógovej TV ku DVB • 1923 - prvé televízne pokusy v USA –– Vladimir Zworokin – prenos obrazu pomocou elektróniek • 1931 – prvé pokusné TV stanice v USA • 1939 – začiatok hromadnej výroby televíznych prijímačov; prenos zo slávnostného otvorenia svetovej výstavy prezidentom F. D. Roosveltom pre niekoľko stovák TV divákov v New Yorku • 1941 - vysielanie prvej obchodnej reklamy z WNBT (dnes NBC, New York) • vojna a stagnácia • 1945 – oživenie, 1946 – 6400 TV prijímačov v USA • 1948 – začali prudko pribúdať nové TV stanice aj ďalší žiadatelia o licencie – muselo sa usporiadať frekvenčné spektrum z dôvodu vzájomného rušenia

  5. História - pokračovanie • 1962 – v USA 58 mil. zapojených TV prijímačov, v niektorých rodinách aj po dva a viac kusov, v každej izbe väčších hotelov, viac než telefónov • 1953 – v bývalom Československu neexistovala samostatná inštitúcia, TV bola zaradená pod Čs. rozhlas, a mala za úlohu začať vysielať do 3 mesiacov – začalo sa 1.mája (socialistický Sviatok práce v Prahe) • 1955 – spustenie 2. TV vysielača v Ostrave a činnosti 1. prenosového voza • ďalší vývoj, zdokonaľovanie, rozširovanie • 1993 – rozdelenie ČSFR na 2 samostatné štáty- vznik samostatných verejnoprávnych aj viacerých súkromných televízií • 1999 – 1. pilotný projekt vysielania digitálnej pozemnej TV (DVB-T) v SR – Bratislave – stagnoval pre nezáujem politikov • 2004 – boli vypísané ďalšie 3 pilotné projekty DVB-T (Bratislava, B. Bystrica a Zvolen, Košice a Prešov • Ukončenie analógového vysielania vo väčšine eur.štátov sa predpokladá do r.2015

  6. Európska iniciatíva 1992 - ešte existovali v Európe značne rozdielne prístupy európskych riešiteľských tímov (RACE, dTTb, HD-DIVINE,... 1993 - aliancia DVB Project (sídlo v Ženeve, Švajčiarsko) vydala svoj štatút - dokument „Memorandum of Understanding“ (MoU, Memorandum o porozumení) - približne 300 spoločností, pôvodne len európskych a súkromných, družicových a káblových spoločností, výrobcov televíznej techniky, v súčasnosti aj vládnych a mimoeurópskych inštitúcií - otvorená iniciatíva – MoU poslednýkrát aktualizovaný v roku 2010 - harmonizácia úsilia v oblasti vývoja DTV; špecifikácie pre prenosové systémy digitálnych médií, DVB-C – káblové systémy, DVB-S – satelitné, DVB-T pozemné, tiež bezdrôtový širokopásmový prístup (broadband wireless) typu MMDS, LMDS a pod., interaktívne služby, a podporné linky spájajúce túto európsku aktivitu s podobnými v iných častiach sveta.

  7. Európska iniciatíva-pokračovanie najprv rozvoj družicových systémov – DVB-S a káblových systémov DVB-C 1995 – schválenie predbežnej špecifikácie DVB-T 1988 – vznik Skupiny expertov pre spracovanie zvuku a obrazu MPEG (Moving Pictures Experts Group) – v rámc medzinárodných normalizačných organizácií ISO a IEC – definovanie normy pre digitálnu kompresiu obrazových a zvukových signálov 1993 – publikovanie normy MPEG-1 (ISO/IEC 11172) – neprekladané obraz.formáty a kódovanie obrazu do bitovej rýchlosti 1,5 Mbit/s 1994 – publikovaná norma MPEG- 2 (ISO/IEC 13818) – kódovanie obrazu s prekladaným riadkovaním, pre aplikácie s 5 až 10 Mbit/s; neskôr rozšírená o aplikácie HDTV / 15 až 30 Mbit/s Systém DVB-T sa okrem Európy používa aj v Austrálii, N.Zélande, Singapúre, Indii, JAR a Kórei

  8. Požiadavky kladené na nový typ televízie • stúpajúci počet požiadaviek prevádzkovateľov na prideľovanie frekvencií a zároveň „vyčerpanosť frekvenčného spektra pre TV • požiadavka na možnosť sledovania TV v rýchlych dopravných prostriedkoch • stúpajúce nároky divákov na kvalitu obrazu (rozmer, rozlíšenie), zvuku a ďalšie (- interaktívne) služby • snaha o znižovanie energetickej náročnosti zariadení

  9. TECHNICKÉ ASPEKTY PRECHODU OD ANALÓGOVEJ TV KU DIGITÁLNEJ TV Základné princípy a charakteristiky ANALÓGOVÉHO vysielania

  10. Základné princípy a charakteristiky ANALÓGOVÉHO vysielania • Podstata: Obraz je pri snímaní aj pri reprodukcii v TV prijímači rozložený na riadky (viď obr. ďalej - napr. 625 riadkov v eur. TV normách). • Snímaný obraz a zvuk sú zvlášť premenené na spojité (analógové) elektrické signály (obrazový signál viď obr. ďalej) – tie modulujú vo vysielači vf-nosnú vlnu (väčšinou amplitúdová modulácia- AM pre obraz a frekvenčná pre zvuk -FM). • Modulovaný signál (TV signál) sa vysiela, a bezdrôtovo alebo káblovými systémami prenáša na väčšie vzdialenosti ...

  11. Obr. Rozklad obrazu na 625 riadkov a spätné behy zatemneného elektrónového lúča v CRT obrazovke, prekladané riadkovanie – vykreslenie najprv nepárnych r. (nepárna polsnímka), potom párnych r. (párna polsnímka),

  12. Obr.: Skutočná dráha lúča v CRT-obrazovke (Cathode Ray Tube) na konci nepárnej polsnímky, počas „snímkového“ (polsnímkového) spätného behu a na zač. párnej polsnímky (viac zatemnených riadkov – prenášajú iné informácie, nie o obraze)

  13. riadok a) riadok b) riadok c) Obr. Ilustrácia vzniku el.obrazového signálu

  14. riadkový synchronizačný impulz riadok a) riadok b) riadok c) riadkový zatemňovací impulz čierna napätie U [V] sivá biela čierna sivá čierna čas [mikrosec.] sivá Obr. Ilustrácia vzniku el.obrazového signálu

  15. Farebný „burst“ (9-11 periód nemodulovanej farbonosnej) nazadnej časti zatemňov. impulzu a IQ modulácia informácií o farbe Farbav TV obraze Prvé TV signály boli len jasové V roku 1975 bol pridanýfarebný systém PAL Obr. 2 riadky TV signálu s farebnou moduláciou PAL

  16. Obrazové spektrum = jasové + chrominančné Príklad- norma PAL: • Nosná frekvencia farby je 4.43361875 MHz • Spektrum jasu a farby sú navzájom preložené (fF=283,75 fH) • účinné využitie spektra

  17. Rozdelenie frekvenčného spektra pre televíziu napr.7 MHz v norme B Nosná frekvencia obrazu Nosné frekvencie zvuku PAL ... atď. Farebný kanál okolo nosnej farby TELEVÍZNY KANÁL n+1 TELEVÍZNY KANÁL n Obr. 2 susedné analógové TV kanály

  18. Rozdelenie pozem.TV pásiem Normy CCIR-D,K,B,G (Európa) • VHF pásmo I - kanály 1,2: 48,5- 66 MHz (D) • VHF pásmo II – už sa nepoužíva pre TV • kábelové pásmo- S-kanály, 110-170 MHz (B) • VHF pásmo III kan. 6-12, 174 - 230 MHz (D) • kábelové pásma Superband (230-290MHz) a Hyperband (302-470MHz) (G) • UHF pásmo IV, kan. 21-34, 470 - 582 MHz (G,K) • UHF pásmo V , kan.35-69, 582 – 862 MHz (G,K)

  19. 28 29 30 31 32 33 34 35 28 29 30 31 32 33 34 35 • Odlišné šírky TV kanálov vo svete • USA / Japonsko 6 MHz • Austrália 7 MHz • Európa 8 MHz 28 29 30 31 32 33 34 35

  20. NORMA TV signálu

  21. Všetky parametre – časové, frekvenčné a amplitúdové - TV signálu podliehajú TV norme. Súčasťou noriem je aj spôsob „kódovania“ farby (PAL, SECAM, NTSC). TV noriem je viac (B,G, D, K, ...) a TV prijímače musia byť skonštruované na ich príjem (ukážka niektorých parametrov rôznych TV noriem na ďalšej strane)

  22. Vývoj smerom k lepším parametrom obrazu aj zvuku pokračoval...

  23. SDTV - pôvodnánové: EDTV HDTV

  24. SDTV - Standard Definition Television • Televízia so štandardným rozlíšením • (zhrnutie – aj nevýhody ) • Pôvodný a ešte stále existujúcitelevízny zobrazovací systém • V jednom (6 až 8 MHz) TV kanáli sa môže prenášať len 1 program značné nároky na frekv. spektrum • 4:3 obrazový pomer strán, prekladaná snímka • 625 riadkov - 720 bodov/r.x 576 zobrazených riadkov, 50 polsnímok/sek., 25 snímok/sek. (Austrália, Európa); 525 riadkov - 704 bodov x 480 zobrazených riadkov, 60 polsnímok/sek., 30 obrázkov/sek. (USA, Japonsko) • Degradácia signálu pri zlej viditeľnosti na vysielač a pri mnohocestnom šírení (tzv. „duchovia“ v obraze) • Počas pohybu (v automobile) nekvalitný až nemožný príjem signálu; kvalita príjmu je zabezpečená len s pevne umiestnenou anténou • Vysielače s pomerne vysokým vyžiareným výkonom potrebné pre pokrytie územia • Susedné vysielače nemôžu vysielať na rovnakých frekvenciách (vzájomné rušenie) značné nároky na frekv. spektrum

  25. EDTV – Enhanced Definition Television - Televízia so zlepšeným rozlíšením • Prechodný krok k HDTV • Dvojitáskenovacia rýchlosť – znižuje blikanie • Progresívne skenovanie • Dvojnásobok riadkov na obrázok - prepočítané • Spracovanie obrazu – zrušenie duchov • Širší pomer strán - 16:9 • Multikanálový zvuk

  26. HDTV - High Definition Television - Televízia s vysokým rozlíšením • Nie je konkrétne definované – veľa systémov - najprv analógové, teraz digitálne • Systém svyšším obrazovým rozlíšením • Viac ako 1000 riadkovérozlíšenie • Obraz s nižším skreslením • Väčší obraz pre lepší rozhľad • Širší pomer strán pre využitie periférneho videnia • Progresívne riadkovanie namiesto prekladaného

  27. Digitalizácia TV signálu

  28. Digitalizácia signálu Vzorkovanie (potom kvantizácia) a kódovanie analógového signálu – podľa štandardu ITU-T BT.601

  29. Digitálna televízia – vlastnosti a výhody • signál zakódovaný pomocou „0“ a „1“ – vhodný pre číslicové / počítačové spracovanie • možnosť kompresie dát a umiestnenie 4, 5 aj viacerých kanálov do pôvodných analógových (tzv. kontajner alebo multiplex), pri rovnakej alebo lepšej kvalite obrazu a zvuku (až 5x viac obr. elementov oproti štandardnej TV, a možnosť prenosu aj viacerých než 2 zvukov) + prenos ďalších informácií a služieb (EPG – elektronický programový sprievodca, zábava, obchod, interaktívna televízia, ...) • pružná voľba kvality obrazu a zvuku (vrátane kvality HDTV) • neexistuje problém s „duchmi“ a zašumením („iba“ s výpadkami dát  ), stabilita obrazu (žiadne chvenie hrán a blikanie riadkov) • vysoká bezpečnosť metód kódovania pre platené služby

  30. Pokračovanie • možnosť znížiť vyžiarený výkon vysielačov (pre dokonalý príjem je požadovaná nižšia úroveň signálu) • možnosť budovania 1-frekvenčnej siete SFN (susedné vysielače môžu vysielať na rovnakej frekvencii; nerušia sa, ale podporujú vďaka prenosovej metóde) ďalšie ušetrenie spektra • možnosť používať prenosné prijímače s jednoduchými anténami a mobilné prijímače v dopravných prostriedkoch

  31. Nevýhody: • investičné – na vysielacej a prijímacej strane • kým analógový signál môže byť postupne degradovaný, a ešte stále možeme mať obraz aj zvuk, digitálny príjem je väčšinou buď kvalitný alebo žiadny

  32. DVB DVB-S,C,T obr. – zdroj: Hewlett Packard

  33. DVB – Digital Video Broadcasting – Digitálna televízia Štandard DVB je určený na digitálny prenos obrazu, zvuku a dát k divákovi družicovým, káblovým a pozemným vysielaním (DVB-S, C, T) Pre všetky uvedené médiá sú spoločné princípy a vlastnosti kódovania v základnom pásme – viď ďalej.

  34. Základné princípy: 1. Vznik DVB signálu Postupne: • digitalizácia el. signálov obrazu a zvuku • redukcia, resp. kompresia dátového toku – MPEG-2 a pod. (využitie korelácie susedných obrazových prvkov v snímke aj medzi snímkami, odstránenie redundancie a irelevancie...) • zlúčenie viacerých programov a iných služieb do 1 balíka (multiplexu, kontajnera) • vytvorenie ochrany dátového toku rôznymi metódami kódovania a tzv. prekladania (interleaving) • aplikovanie technológie OFDM (modulácia tisícok ortogonálnych nosných – možnosti „2k“ – 1705 nosných, alebo „8k“ – 6817 nosných) • každá nosná z OFDM systému je modulovaná digitálnou moduláciou QPSK alebo QAM • vloženie ochranného intervalu • vysielanie

  35. Obr. Vznik DVB signálu [3]

  36. Základné princípy:2. Spoločné vlastnosti DVB-S,C,T • Obrazové a zvukové dáta sú komprimované podľa štandardov MPEG-2 alebo MPEG-4 • Kanálové kódovanie FEC1 (vonkajší ochranný kód – blokový Reed-Solomonov kód) • Kanálové kódovanie FEC2 (vnútorný ochr. kód – konvolučný kód + Interleaving) – iba pri DVB-S, T • Spoločný kryptovací systém pre podmienený prístup k službám DVB • Scramblovanie dát pomocou pseudonáhodnej postupnosti pre zrovnomernenie spektra signálu • Spoločný systém služobných informácií (SI) o práve vysielanom programe

  37. Základné princípy 3.odlišnosti DVB-S,C,T • Systémy sa líšia vonkajšími modulačnými metódami: • QPSK (Quaternary Phase Shift Keying) – DVB-S • QAM (Quadrature Amplitude Modulation) - DVB-C • OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)-DVB-T • Dôvody odlišnosti: • rôzne šírky frekvenč. pásma • úrovne skreslenia a rušenia v prenosovom kanáli • rôzne limity vyžiareného výkonu

  38. Základné princípy -špecifikácie DVB-S (Satellite) • nízky vysielací výkon, veľká šírka pásma, zanedbateľný vplyv viacnásobného príjmu (čiže odrazov) • 1 transpondér družice vysiela 4-6 TV kanálov • FEC1 (vonkajší ochrannný RS-kód) • FEC2 (vnútorné konvolučné kódovanie s voliteľným kódovacím pomerom) • základná chybovosť BER (Bit Error Rate – pomer počtu chybných bitov ku celkovému počtu) – 10-10 až 10-11 • dig. modulácia QPSK s Grayovým kódovaním • bitový tok pre transpondér so šírkou pásma 33 MHz a s FEC2 ¾ asi 39 Mbit/s • od roku 1994 štandardizovaný normou ETS 300421 obr. zdroj: http://www.youcartooned.com

  39. Základné princípy -špecifikácie DVB-C (Cable) • rovnaká šírka pásma ako pri pozemnom vysielaní DVB-T, nízka úroveň rušenia (preto bez FEC2) – 6, 7 alebo 8 MHz • FEC1 (vonkajší ochranný RS-kód) • digitálna modulácia 64-QAM (64 stavová) • bitový tok pre 64-QAM asi 35 Mbit/s • od r. 1994 štandardizovaný normou ETS 300429 Digitálne televízne vysielanie cez káblové distribučné siete, alebo cez systémy MMDS – Multichannel Multipoint Distribution System (tzv. bezdrôtová káblovka , v pásme 2,2 - 2,3 (2,1-2,3) GHz alebo 2,5 - 2,7GHz) a novšie MVDS – Microwave Video Distribution System“ . obr. – zdroj:http://columbiaisa.50webs.com

  40. Základné princípy -špecifikácie DVB-T (Terrestrial) • veľký vysielací výkon, úzky frekvenčný kanál (v porovnaní s DVB-S), výrazný vplyv rušení (hlavne odrazy a ISI – Inter Symbol Interference - viď teória OFDM a QAM), veľká chybovosť • FEC1 • FEC2 • digitálna modulácia OFDM  malá citlivosť voči mnohocestnému šíreniu • využitie princípu IDFT (Inverzná Diskrétna Fourierova transformácia) a modulácie QAM alebo QPSK obr. – zdroj:http://www.migsmobile.net

  41. MPEG-2 kompresné kódovanie videa, zvuku a dát

  42. Vrstvy systému MPEG-2(vznik transportného reťazca) Nekomprimovaný reťazec MPEG-reťazec kódovanie MPEG-2 Paketovanie Zdrojové video PES (Packetized Elementary Stream) Transportný reťazec MPEG-2 Multiplexer Zdrojový zvuk Paketovanie kódovanie MPEG-2 Paketovanie Zdroj dát

  43. Metódy kompresie videa: • využitie podobnosti obrazových dát v rámci 1 snímky –neprenáša sa informácia o všetkých dátach, len o skupinách dát... • využitie podobnosti dát susedných snímok v obrazovej sekvencii – neprenášajú sa komplené informácie o všetkých snímkach, len o referenčných snímkach a o rozdieloch priľahlých snímok vzhľadom k referenčnej (snímky I,P,B...) • kosínusová transformácia • Huffmannovo kódovanie • Pozri obr. ďalej.

  44. skupina podobných snímok v sekvencii(GOP) Obr. Metódy MPEG-kompresie videa [4]

  45. Kompresný štandard MPEG-4 Presnejšie H.264 /MPEG-4 part10, AVC

  46. H.264 • vyvinutý skupinou Joint Video Team (JVT) • ITU-T Video Coding Experts Group (VCEG) • ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG) • označovaný MPEG-4 Part 10, Advanced Video Coding (AVC) • medzinárodný štandard od roku 2004 • stratový video kodek • znižuje veľkosť video záznamu s minimálnym dopadom na kvalitu zaznamenaného obrazu • dôvod vývoja • dosiahnutie efektívnejších kompresných metód v porovnaní s predchádzajúcimi štandardami zdrojového kódovania videa MPEG-1, MPEG-2, H.263

  47. Kvantovanie transformačných koeficientov Zdrojový video signál Predikcia Transformácia Kódovanie Vysielanie alebo uloženie v syntaxe H.264 Výstupný video signál Inverzná predikcia Rekonštrukčný filter Inverzná Transformácia Dekódovanie Metódy zdrojového kódovania a dekódovania Kompresia • zužovanie dátového toku • 4 základné bloky: predikcia, transformácia,  kvantovanie transformačných koeficientov,  entropické kódovanie Dekompresia • Inverzné časti ako kompresia: blok dekódovania inverzná transformácia, inverzná predikcia a rekonštrukčný filter • na výstupe dekodéra je žiadaná video signál

  48. Predikcia • predpoveď hodnoty obrazového prvku • využíva všeobecne silnú vnútrosnímkovú a medzisnímkovú koreláciu (podobnosť) vo videu • 2 typy: • Vnútrosnímková • Medzisnímková • nahradzuje obrazový prvok rozdielovou zložkou • H.264 pri predikcii viac flexibilný ako predchádzajúce kodeky • presnejšia predikcia a vyššia kompresia

  49. MPEG-4 - Výhody oproti starším štandardom • lepší kompresný pomer • zvýšená odolnosť voči chybám • flexibilnejší • menší nárok na dátovú rýchlosť (3 až 4x) Nevýhody • nároky na výpočtový procesorkodéra aj dekodéra • zložitejšie algoritmy kompresieako iné štandardy • kódovanie v reálnom čase • potrebné pre streaming videa • dostupnosť a cena dekódovacích zariadení Postupne sa strácajú 

More Related