Současný stav a výhledy digitálního televizního a rozhlasového vysílání Prof. Ing. Václav Říčný, Ing.Tomáš Kratochvíl, PhD. Ústav radioelektroniky, FEKT VUT v Brně

Výhody digitálních signálů v TV technice 1 Úvod Motto: Proč se lidé snaží všechny signály digitalizovat, když jsou, stejně jako většina dějů v přírodě, v podstatě „analogoví“ ? Výhody digitálních signálů v TV technice  velká odolnost vůči nelineárním zkreslením, kolísání útlumu přenosového kanálu a šumovým a rušivým signálům,  výrazně nižší potřebný výkon vysílače pro pokrytí území – ve srovnání s vy- síláním analogovým teoreticky až 10x,  v případě pozemního digitálního vysílání (DVB-T) možnost budování tzv. jednofrekvenčních sítí vysílačů - SFN (Single Frequency Network) a kvalitní- ho příjmu i v mobilních prostředcích,  možnost kvalitního digitálního záznamu (nezávislého na počtu kopií) na různá media, včetně polovodičových pamětí,  možnost užití účinných digitálních modulačních metod pro přenos, umožňují- cích efektivnější využití kmitočtových pásem,  možnost užití účinných kompresních algoritmů pro redukci objemu digitálních dat a bitové rychlosti přenosu a tím lepší využití přenosového kanálu,  možnost ochrany digitálních dat proti zkreslení, ale i nežádoucímu příjmu - např. enkrypce (utajení) dat v placené televizi Pay TV a řada dalších výhod.

Nevýhody digitálních signálů - vznik systémových zkreslení při digitalizaci (především kvantizační šum aj.). Z toho plyne postulát – velmi často zkresleně prezentovaný : Kvalita digitální audiovizuálni informace nemůže být lepší než kvalita původní analogové audiovizuální informace za předpokladu ideálního přenosového kanálu !!!!! - výrazné zvýšení potřebné šířky kmitočtového pásma přenosového kanálu při přenosu nekomprimovaných digitálních signálů. Při kódování s lineárním kvantováním (lineární PCM), platí přenosovou (bito- vou) rychlost R digitálního signálu vztah R = fvzm, kde fvz = 13,5 (6,75) MHz je vzorkovací kmitočet dle ITU R BT.601 a m = 8 je bitová reprezentace vzorku (pixelu) – tj. 256 kvanto- vacích úrovní. Pro barevný signál PAL s rozlišením 576 x 720 obraz. bodů je R = 216 Mbit/s. Vzhledem k velké korelaci, redundanci a irelevanci obrazové informace lze objem dat i přenosovou rychlost výrazně snížit (až 100x) různými kompresními algorit- my. Při kompresí však vznikají další systémová zkreslení. Potom lze přenosovým kanálem přenášet dokonce větší objem informací než v případě původních analo- gových signálů. Např. přenosovým kanálem 8 MHz při digitálním vysílání DVB-T lze přenášet až pět digitálních televizních programů ve standardní kvalitě.

Poznámka úvodem….. V celosvětovém procesu digitalizace se, bohužel, nenaplnily sny odborníků o jednotném vysílacím a distribučním systému digitální televize, který by nahradil spoustu existujících a vzájemně zcela nekompatibilních TV norem a systémů analogové televize. Svět se, ostatně jako obvykle, opět nedokázal sjednotit………I pro digitální televizi vznikla a stále vzniká spousta doporučení, norem a stan- dardů, opět vzájemně nekompatibilních, z nichž jen minimum má celosvětovou a jen o málo více celoevropskou platnost. A touto džunglí standardů a jim odpovídajících zkratek se vás nyní pokusím, bez újmy na duševním zdraví, provést. Jak tomu bylo vždy, o platnosti řady standardů nerozhodly jejich technické přednosti, ale velcí a movití výrobci a koncerny, kteří se k nim přiklonili.

ITU R BT.601 (1982) 2 Digitalizace obrazových signálů Doporučení pro digitalizaci obrazových signálů ITU R BT.601 (1982) Celosvětově platný dokument definuje standard tzv. složkové digitalizace úplných barevných signálů nezávisle na normě standardní analogové televize (NTSC, PAL, SECAM). Základní údaje standardu Kmitočet vzorkování jasového signálu UY (Y): fY = 13,5 MHz. Kmitočet vzorkování chrominančních signálů CR ,CB: fCR = fCB = 6,75 MHz. Formát vzorkování: 4 : 2 : 2. Tento formát vzorkování značí, že chrominačních (barevných) vzorků je na řádku pouze poloviční počet než vzorků jasových. Kvantování všech vzorků: lineární, ekvidistantní. Počet kvantovacích úrovní signálů UY, CR ,CB 256 (8 bitů na vzorek) Pro TV normy 625/50 (především Evropa) je na celém řádku 864 vzorků a na aktivní (viditelné) části řádku 720 vzorků jasového signálu. Vliv počtu bitů / obrazový bod (tzv.pixel) na reprodukci jasových vých úrovní v obraze 2 (dvě úrovně), 4 (16), 8 (256) bitů/pixel

3 HDTV – High Definition Television Televize s vysokým rozlišením Současný evropský analogový TV standard nabízí při převodu do digitální formy podle doporučení ITU R BT.601 tzv. standardní jasové rozlišení cca 414000 obra- zových bodů ve viditelné části obrazu (575 x 720). HDTV přináší zejména - podstatné zvětšení počtu obrazových bodů v obraze (až 2 074 000 ). Umožňu- je pozorování obrazu z menší vzdálenosti bez vjemu řádkové struktury a tím tak výraznější vjem děje – vjem neruší okolí, - možnost zvětšování zobrazovačů bez patrného vjemu rozkladového rastru, - rozšířený formát obrazu (16 : 9), - použití neprokládaného řádkování (tzv. progressive scan) pro eliminaci chvění v obraze, - kvalitní zvukový doprovod (až 8mi kanálová reprodukce typu surround) aj.

Evropský digitální standard HDTV V evropském standardu HDTV jsou definovány tři formáty rastru obrazu (poměry stran obrazu při čtvercových pixelech jsou 16 : 9). Vícekanálový zvukový dopro- vod je kódován algoritmy MPEG Layer II nebo Dolby Digital.  Formát 720 p – progressive (neprokládané řádky) 720 řádků x 1280 bodů v řádku progresivního rozkladu - 25(50) snímků/s.  Formát 1080 i – interlacing (prokládané řádky) 1080 řádků x 1920 bodů v řádku prokládaného rozkladu - 50 půlsnímků/s.  Formát 1080p – progressive (neprokládané řádky) 1080 řádků x 1920 bodů v řádku progresivního rozkladu – 25 snímků/s. Rychlost datového toku formátů HDTV Pro formát 720p digitalizovaný dle ITU R BT.601 je bitová rychlost nekomprimo- vaných obrazových dat cca 405 Mbit/s a pro formát 1080p dokonce 1081 Mbit/s (pro srovnání digitalizovaný signál PAL se standardním rozlišením 576 x 720 bo- dů vyžaduje rychlost bitového toku 216 Mbit/s.). Pro redukci objemu a rychlosti dat v HDTV se užívají kompresní algoritmy MPEG-2, ale zejména daleko účinněj- ší MPEG- 4 AVC. Pro vysoké nároky na šířku pásma kanálu začínala zkušební vysílání HDTV formou satelitního vysílání (standardy DVB-S a DVB –S2), které disponuje podstatně širšími kmitočtovými pásmy kanálů (36 MHz i více).

4 Standardy pro kompresi digitálních obrazových dat Pro kompresi digitálních obrazových signálů vznikla řada kompresních algorit- mů (standardů) – např. JPEG (Joint Photographic Experts Group -1991), MPEG-1 (Motion Picture Experts Group - 1992), MPEG-2, MPEG- 4 (a z něj odvozené algo- ritmy DivX 3 až 5, XviD aj.), MPEG- 4 AVC a řada jiných. Využívají toho, že obrazo- vá informace je silně korelovaná v  obou směrech snímku i v čase. Potlačením redundantních a irelevantních složek obrazové informace lze objem dat i přeno- sovou rychlost výrazně redukovat. Účinnost komprese závisí i na informačním obsahu obrazu. Nejmenší je v případě obrazových sekvencí s rychlým pohybem – např. při sportovních přenosech. V digitální  televizi se dnes užívají prakticky jen dva standardy a to MPEG-2 (označení dle ITU H.262) a novější i účinnější MPEG– 4 AVC - Advanced Video Coding (označení dle ITU H.264). Pro účinnou kompresi objemu obrazových dat a bitové rychlosti se používají zejména tyto signálové operace:  rozdělení obsahu komprimovaného snímku (luminance i chrominance) do bloků,  transformace signálových prvků obrazu z časoprostorové do spektrální oblasti pomocí diskrétní kosinové transformace DCT,  „cik-cak“ čtení spektrálních koeficientů z matice každého bloku,  entropické kódování spektrálních koeficientů kódem s proměnnou délkou slova VLC – Variable Lenght Coding (obdoba Hoffmanova kódu),  v případě video-sekvencí využití DPCM a tzv. vektoru pohybu pro vyjádření rozdílů obsahu sousedních snímků.

Ukázka bloku vzorků jasového signálu v bloku před a redukce počtu relevantních spektrálních koeficientů po DCT transformaci. Účinnější kompresní standard MPEG- 4 AVC (Advanced Video Coding) má uni- versální použití v širokém rozsahu výstupních bitových rychlostí a pro různé úrovně rozlišení. Je určen pro digitální vysílání ve všech standardech DVB, ale také pro záznam digitálních videodat (standardy HD DVD, Blu-ray Disc, AVCHD aj.) i pro multimediální distribuční sítě (např.ADSL2+) a další aplikace. Vychází ze stejných principů jako MPEG-2, ale řadou úprav a zlepšení dosahuje až dvoj- násobnou kompresi digitálních dat. Uplatní se zejména pro budoucí pozemní vysílání DVB-T HDTV, ale i v systémech televizního vysílání pro mobilní příjem malými terminály DVB-H (Hanheld), příp.DMB (Digital Multimedia Broadcasting) s nižší rozlišovací schopností a tedy i s nižší rychlostí bitového toku. Dekodér MPEG-4 AVC je však podstatně složitější a tedy i dražší.

5 Evropské standardy digitálního vysílání 5.1 DVB - S (EN 300421) Digital Video Broadcasting Satellite Digitální televizní satelitní vysílání - využívá kmitočtová pásma 12 GHz a vyšší, - digitální modulaci QPSK (Quadrature Phase Shift Keying - kvadraturní fázové klíčování nosné vlny), - komprimovaný modulační transportní datový tok a multiplex dle kompresního standardu MPEG 2, - vnější a vnitřní ochranné kanálové kódování (pro zabezpečení digitálních dat). DVB - S2 satelitní standard druhé generace (EN 302 307) Vychází ze standardu DVB-S, který zlepšuje s cílem zlepšení přenosové účin- nosti a dosažení systémové flexibility. Doplňuje standard DVB-S o další modu- lace - 8 PSK, 16 APSK, 32 APSK a o možnost využití kompresního algoritmu MPEG - 4 AVC aj. Je určen především pro HDTV vysílání, distribuci digitálních televizních signálů k pozemním vysílačům, distribuce typu point-to-point (např. přenos zpravodajských příspěvků z terénu), IP přenosy pomocí satelitních spo- jů. V současné době již na několika transpondérech satelitů Astra probíhá zku- šební vysílání několika programů HDTV. Příjem signálu DVB-S2 vyžaduje přijí- mač s demodulátorem DVB-S2 a dekodérem MPEG - 4 AVC.

- využívá zejména S - kanály v I. - IV. televizním pásmu, 5.2 DVB - C (EN 300429) Digital Video Broadcasting Cable Digitální televizní kabelové vysílání (distribuce) - využívá zejména S - kanály v I. - IV. televizním pásmu, - digitální modulaci M-QAM (Many Quadrature Amplitude Modulation - vícestavová amplitudová kvadraturní modulace M = 16 nebo 64 a později i i 256), - komprimovaný společný modulační transportní datový tok video-audio a multiplex dle kompres- ního standardu MPEG 2, - vnější ochranné kanálové kódování – Reed-Solomonův kód. Vnitřní ochranné kódování nepoužívá (kabel představuje kvalitní přenosový kabelový kanál). Díky spektrálně účinné modulaci 64-QAM může být např. v přenosovém kanále se šířkou pásma 8 MHz přenášen digitální signál programového multiplexu s celkovou bitovou rychlostí (včetně zabezpečovacích kódů až 35 Mbitů/s.

- využívá kanály v I. - V. televizním pásmu (47 - 800 MHz), 5.3 DVB-T (EN 300744) Digital Video Broadcasting Terrestrial Digitální pozemní televizní vysílání - využívá kanály v I. - V. televizním pásmu (47 - 800 MHz), - digitální modulaci CODFM (Coded Orthogonal Frequency Divided Multiplex kodovaný ortogonálně dělený frekvenční multiplex), - komprimovaný společný modulační transportní datový tok a multiplex dle standardu MPEG 2, - vnější a vnitřní ochranné kanálové kódování (pro zabezpečení digitálních dat). Pozemní přenosový kanál je nejméně kvalitní. Vyznačuje se velkou úrovní rušení (zejména v   městských a průmyslových aglomeracích) a především tzv. vícenásobným příjmem. Na přijímací anténu přichází, kromě přímého signálu, také zpožděné signály odražené od přírodních nebo umělých překážek, které v případě analogového vysílání degradují obraz. Použitá modu- lace COFDM je, ve spojení s tzv. ochranným intervalem, odolná vůči zpožděným a doplerovským signálům. Umožňuje v omezeném regionu budování tzv. jedno- frekvenčních sítí SFN (Single Frequency Network). Ty představují významnou úsporu kmitočtového spektra i snížení výkonu vysílačů v síti (jejich signály se neruší, ale podporují). Navíc je, díky této modulaci, ve standardu DVB-T možný i kvalitní mobilní příjem.

5.4 DVB-T MHP Multimedia Home Platform je nadstavbou standardu DVB-T pro interaktivní služby s prakticky neomezenými možnostmi. Vyžaduje další přenosový kanál od účast- níka k centrální databázi (pevná linka, Internet, kabelová televize, mo- bilní telefon) a přijímač schopný zpracovat přijímané signály DVB-T, ale také datové signály a generovat data od účastníka k centrální da- bázi. Data jsou cyklicky vysílána v multiplexu DVB-T (pro všechny) nebo jsou distribuována zpětným kanálem (pouze pro konkrétního účastníka). Aplikace a data lze uložit do paměti přijímače a lokálně je spustit. Podle typu aplikací jsou v tomto standardu definovány tři základní profily:  Profil MHP 1 – tzv. lokální interaktivita - pasivní zdroj informací se selektivním výběrem – EPG (Electronic Programme Guide), superteletext, HTML stránky aj.). Není nutný nutný zpětný kanál.  Profil MHP 2 – tzv. částečná interaktivita - hlasování, kvízy, hry a   a testy, sázky, e-shopping). Je nutný zpětný kanál pro odezvu diváka.  Profil MHP 3 - plná interaktivita včetně individuálního stahování vyžádaných dat po zpětném kanálu – např.(e-mail, VoD (Video on Demand), webbrowsing, e-banking aj. Je nutný zpětný kanál.

5.5 DVB-T H (EN 302304) DVB-T Handheld vychází ze standardu DVB-T. Je určen pro mobilní příjem malými terminály (mobilní telefony, přenosné přijímače). Umožňuje příjem obrazu s nižším rozliše- ním (352 x 288 obrazových bodů) a s přijatelnou kvalitou zvukového doprovodu. Předpokládá se vysílání v klasic- kých TV pásmech 47 - 860 MHz, příp. v pásmu L - 1,5 GHz. Při vysílání se užívá časové segmentování (Time Slicing), při kterém se jednotlivé programy vysílají z důvodu úspory příkonu z baterie v  časových segmentech, které se střídají. Část obvodů přijímače je vypnuta a aktivní jsou jen v době vysílání časového segmentu zvoleného programu. Základní parametry standardu DVB-H  digitální modulace COFDM – módy 8k, 4k (3409 nosných), 2k s modulacemi nosných QPSK nebo 16-QAM,  standard komprese obrazových dat MPEG- 4 AVC,  stereofonní zvukový doprovod HE-AAC (High Efficiency Advanced Audio Coding - MPEG - 4)  zabezpečení dat ochrannými kódy a použití ochranného intervalu obdobné jako v DVB-T,  rychlost datového toku na jeden program je 384 kbit/s. Vysílání ve standardu DVB-H lze uskutečňovat ve společném transportním toku s vysíláním DVB-T.

5.6 Další standardy pro mobilní příjem digitálního televizního vysílání 5.6.1 Standardy T- DMB, S - DMB (Terrestrial, Satellite - Digital Multimedia Broadcasting) jsou standardy pro digitální televizní vysílání ve III. TV pásmu (T - DBM) nebo v kmitočtovém pásmu L (S - DBM). Používají modulaci COFDM s modulací dílčích nosných vln DQPSK. Pro kompresi obrazových dat se užívá standard MPEG – 4 AVC, zvuku MPEG-4 BSAC (Bit-Sliced Arithmetic Coding). Protichybové zabezpe- čení i konvoluční prokládání je shodné se standardem DVB-T. Vytvořený trans- portní tok MPEG-2 je následně vložen a vysílán v  rámci multiplexu DAB. Hlavní výhodou je jednoduchá implementace do existujících sítí DAB (Digital Audio Broadcasting). V Japonsku se používá upravená verse systému ISDB-T pro mobilní aplikace s velmi podobnými parametry. 5.6.2 Standard Media FLO (Forwad Link Only). převzal většinu principů se standardů DVB - T a DVB - H a představuje zatím zřejmě nejpromyšlenější systém pro příjem multimediálních informací a dat po- mocí mobilních terminálů. Umožňuje při rozlišení 240 x 320 bodů v  obraze a počtu 15 nebo 30 snímků/s příjem v reálném čase.

Standard užívá transportní tok IP (Internet Protocol) Standard užívá transportní tok IP (Internet Protocol). Proto má uživatel kromě videa, audia a IP dat také přístup k interaktivním službám – např. stahování klipů, VoD aj. Ke snížení příkonu z  baterie používá časové multiplexování (TDM) pro- gramů (je to obdoba časového segmentování ve standardu DVB-H). Kromě zmíněných, vesměs již standardizovaných, digitálních distribučních sys- témů existuje řada dalších, jejichž osud je zatím nejasný. K nim patří např.  systém BT Mobio s přenosem dat v IP pomocí DAB, telekomunikační systém UMTS (Universal Mobil Telecommunication System), který může nabízet služby MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service),  systém DVB-SSP (Satellite Service to Portable Device) využívající satelitním vysílání pro mobilní terminály podporované pozemními opakovači,  systém DXB (systém DAB se statistickým multiplexem a časovým segmento- váním vysílaných programů aj. Zatím se jeví, alespoň v Evropě, jako perspektivní standard DVB-H.

5.7 Internetová televize IPTV (Internet Protocol TV) IPTV využívá stejnou distribuční síť jako vysokorychlostní připojení k internetu a data jsou přenášena ve formě internetového protokolu (IP). Nejde však o klasic- ké klasické internetové TV vysílání na www stránkách. Sítí IPTV se totiž šíří tele- vizní programy, které nemohou být z důvodu autorských práv uvolněny na Inter- net, který je možno sledovat kdekoli na světě. Zahraniční, ale i některé tuzemské pořady televize nakupují většinou jen pro území vlastního státu a proto je nemo- hou volně vysílat nejen přes Internet, ale ani přes satelit. Proto v případě IPTV, podobně jako u satelitní distribuce, je tato služba většinou placená. Vysokorychlostní síť většinou nevede až k zákazníkovi IPTV, nýbrž do sběrných bodů, tzv. DSL (Digital Subscriber Line), odkud se do domácnosti distribuje ze široké nabídky programů jen signál jednoho programu, který zvolí divák pomocí dálkového ovladače. Zásadní rozdíl mezi IPTV a kabelovou televizí t edy tkví v mnohem větší šířce pásma (bitové rychlosti) kabelové televize, která divákovi umožňuje okamžitě přijímat libovolný program z nabídky. IPTV však nabízí divákovi mnohem větší interaktivitu. Může si vyžádat a znovu přehrát televizní pořady vysílané v jinou dobu na jiném programu. Poznámka: Velkým problémem provozovatelů vysílání standardů s prakticky neomezeným dosahem (IPTV, DVB-S aj.) je garance autorských práv – zejména u zakoupených zahraničních programů.

Základní parametry standardu T-DAB 6 Evropské standardy digitálního rozhlasového vysílání Z řady systémů a standardů digitálního rozhlasového vysílání jsou uvedeny dva, které se jsou již využívány nebo se jeví jako perspektivní. 6.1 Standard T-DAB Terrestrial - Digital Audio Broadcasting Vyznačuje se všemi výhodami digitálního vysílání – kvalitním zvukem,odolností vůči vícenásobnému šíření, možností mobilního příjmu, několikanásobně větším využitím přenosového kanálu ve srovnání s klasickým FM vysíláním apod. Základní parametry standardu T-DAB  modulace COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex),  zdrojové kódování ve standardu MPEG -2 Layer 2,  předpokládá se vysílání ve III. televizním pásmu (174 - 230 MHz) nebo v pásmu L (1452 - 1492 MHz),  T- DAB multiplex využívá blok s pásmem 1536 kHz (v bloku je cca 6 programů s bitovým tokem 192 kHz,  pro Českou republiku jsou ve III. pásmu alokovány bloky 12C (Čechy) a 12D (Morava) a v pásmu L blok LC (1455,616 - 1457,152 MHz).

6.2 Standard T-DRM Terrestrial - Digital Radio Mondiale V Evropě je digitální rozhlasové vysílání T-DAB velmi rozšířené (Německo,Anglie aj.). Přestože v roce 2005 proběhlo v ČR úspěšné zkušební vysílání, zatím se v tomto standardu nevysílá – údajně pro ekonomick ou nevýhodnost. 6.2 Standard T-DRM Terrestrial - Digital Radio Mondiale Tento standard pro digitální vysílání v kmitočtových pásmech dlouhých, střed- ních a krátkých vln vznikl v roce 1998. Proti analogovému AM vysílání má řadu výhod - umožňuje kvalitní příjem v členitém terénu i v mobilních prostředcích, šíření signálu je méně závislé na přímé viditelnosti, pro pokrytí stejného území stačí o 6 až 9 dB nižší výkon vysílače oproti analogovému vysílání, dosahuje se vyšší kvalita signálu (větší odstup signálu k šumu S/N, menší zkreslení apod.). Pro příjem lze užívat jednoduché přijímací antény malých rozměrů aj. Základní parametry standardu T-DRM  modulace COFDM (93 až 468 nosných),  zdrojové kódování ve standardu MPEG - 4 AAC SBR (Spectral Band Replica- tion) / CELP (Code Excited Linear Prediction) příp. HVXC (Harmonic Vector Excitation Coding) pro mluvené slovo,  šířka pásma kanálu 9 nebo 10 kHz, pro stereofonní provoz dvojnásobná.

Poděkování a kontakt www.urel.feec.vutbr.cz Národní program výzkumu č. NPV II - 2E06007 Elektronika a komunikační technologie - dobrodružství a výzva pro mladou generaci. Řešitel Prof. Ing. Jiří Svačina, CSc. a pracovníci UREL ricny@feec.vutbr.cz www.urel.feec.vutbr.cz