A digitális műsorszórás alapjai

Citation preview

DIGITÁLIS

MŰSORSZÓRÁS

ALAPJAI

WALTl'R FrSCHER

A digitális

műsorszórás

alapjai

•

WALTER FISCHER

A digitális

musorszoras alapjai //

/

/

Gyakorlati útmutató mérnökök számára

FOR DÍTOTT t\: SZOMBATHY CSABA

LEKTORÁLTA:

DR. CSCHWINDT ANDRÁS

Budapest, 2005

Előszó

"A digitális

műsorszórás

alapjai" című könyv magyarországi kiadásához

Walter Fischer könyve a legaktuálisabb pillanatban jelenik meg Magyar­ országon, amikor a digitális músorszórás kísérleti ad,ísai már elindultak, < 50 Hz félkép-ire:';',c~ _ -' 525 soros rendszt'~ _c__ ~ vetkező színes a :-, _, • PAL, • NTSC, • SECAM, A PAL-, NTSC,

é~ ~:: ~ c -.

soros rendszere:'; -c' ~ -- ­ között vannak l'_-_- .:.~__ - _ sen a képvivől. a= : "::-C-' ször negatív n:c,:_, szág) használ ;': = hangvivő általa~'.:.~

Észak-Amerika _ második segéé',-.,,: __ Annak ellenére, :--,:;:- _ között csak kl~" amelyek messzi' :~ ~:-- , _­ A televíziós :.;.:::: ~: -= -' véges sugár-vissz.::'_:.:' is be kell ikta tL_ ::::- -=" kijelzőn, (A meg-c-::-:-'-::-­ sarokból áll ÖSSZe':: :-::- _. ~ '.-an, az 525 soros ~-c~_>=o közé esik. A villódzás csc:,;:::,~.::,ó egyik iéIképhez a ;:- a: : o .: :\z így felosztott ',,_:. ~:> . . encia valójába;: " ,-:-:- --, .(,[tos szimiéne: .::_.:::< ~

Tartalom

• ELSÖ FEJt:Zr:r:

Bevezetés ..... .

• MÁSODIK FElr:ZET: • HARMADIK FEJEZET:

3.1 3.2 3.3

3.4 3.5

19

Az analóg televízió

25

Az MPEG-adatfolyam ....................... .

A csomagolt elemi adatfolyam (PES) .. . .................. Az MPEG-2 átviteliadatfolyam-csomagok ........................ A vevő sz,"Ílllára szükséges információ .......................... 3.3.1 Szinkronizáció az MPEG-adatfolyammal .............. . 3.3.2 Az aktuális program szerkezetének kiolvas,ísa ............ 3.3.3 Hozzáférés egy adott programhoz ...................... 3.3.4 Hozzáférés titkosított programokhoz .................... 3.3.5 Programszinkronizáció (PCR, DTS, PTS) ....... , 3.3.6 Az MPEG-2 adatfolyam által szMlított további információk

(SI/PSI/PSIP) ....... ' .................. PSIP az ATSC-rendszerben ........ , Az MPEG-2 adatfolyam egyéb elemei .. 3.5.1 Az átviteli prioritás . 3.S.2 Az átvitelititkosítás-vezérlő bitek ..... , ................. 3.5.3 Az adaptációsmező-vezérlő bitek ................. 3.5.4 A folytonosságszámláló ..............................

• NEGYEDIK FEJEZET:

. . . . . .

.

31

35

38

38

39

41

41

43

45

52

55

. . .

Az ITU-BT.R.601 (CCIR 601)

digitális videojel .............. .

előírásainak megfelelő

Transzformációk

a frenkvenciatartományba és vissza

29

56

56

56

57

59

• ÖTÖDIK FEJEZET:

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

-

..................... .

A Fourier-transzformáció ............................... . Diszkrét Fourier-transzformáció (DFT) ......................... . . ................. . Gyors Fourier-transzformáció(FFT) ...... A DFT és az FFT megvalósítása és gyakorlati alkalmazása ........... . Diszkrét koszinusztranszformáció ............................. . Időtartománybeli jelek és transzformációJuk il frekvenciatartományba .. A DFT és FFT szisztematikus hibái és azok kiküszöbölése .......... . Ablakfüggvények .......... , ............................... .

,""""'o

63

65

66

69

70

70

73

75

77

14

•

HATODIK FEJr:ZET:

6.1

6.2 6.3

MPEG-2 képkódolás

81

A képtömörítés ..... . . . . . . .. . ....... . Cd.l A kvantálás csiikkentése III bitrLíI 8 bitre ................. 6. L2 A félképkioltás és sorkiolUs kih.lgy,ísa ........ . 6.1.3 A színfelbontás függőleges irányú csökkentése (4 : 2 : O) 6.1A További adatsebesség-csökkentő lépések ................. 6.1.5 Különbségi implllzllskód-modlll,kió .... . 6.1.6 lliszkrét koszinllsztranszform,íció és kV.1nt.1l.is ..... 6.1. 7 Cikc.l kkleképezés és a JlllIIsllrozatok futa m hllSSzkódllJ.ísa ... 6.1.8 HlIffmdn-kódolás . . . . . . . . . . . . . . . ......... Összefoglalás . . . . . . . . . . . . ........ . ........... Az elemi képíolyam felépítése ...

10.1.12

.

82

1O.l.!3

.

. . .

84 85 85 90 97 98 98 101

• •

10.1.15

•

.......... .

10.1 lvlPEG-MÉRÉSEK A DVB MÉRÉSI ÚTMUTATOJA ALAPJÁN .. .

10.1.5 10.1.6 10.1.7 10.1.8 10.1.9 10.1.10 10.1.11

r.c

-­

Tlzr':NEGYEDIK !c_

C_:. .

A szinkron elvesztése (TS_"yncJoss, l·t'S prioritás ........ . Hibás szinkronb.íjtok (Sync_byte_error. l-es prioritás) Hiányzó vagy hibás program-hozz-írendelési tábla (PAT) (PAT_eITor, l-es priorit,ís) ............................ . Hi.ínyzó vagy hib;ís programleképezési t,1b1.1 (PMT) (PMT_error,l-esprioritás) ........................... . Hibás adatcsOIllJg-azonosító (PID_error, l-es priorit,b) A folytonossági száml,íló hibajelzése (Continuity Jount_error, l-es prioritás) ..................................... . Átviteli hiba (Transporcerror, 2-es prioritas) ...... . Ciklikus redundancia-ellenörzés (CRC) általielzett hiba (CRC_error, 2-es prioritás) ......................... . Referenciaórajel-hiba (PC R_error, PCR_accuracy-elTor, 2-es prioritás) ..................................... . A megjelenítési id6bélyeg elcsúszása (PTS_error, 2-es prioritás) A feltételes hozzáférési tábla hibás (CAT_error. 2-es prioritás)

ll.! A képminő:,cc ILl.! II s:

116

ILU m0>~':

11.2 Objektív ké:·' •

TIZENKETTEJ)[f\ c

12.1 Bevezetés 12.2 A keverő 12.3 Az amp!:t!," 12A Az IQ-mo c 12.5 Az [Q-demo.' . 12.6 A Hilbert-F.'.: '= 12.7 A Hilbert-·:

128

129 130 131

-­

11.1.2

113

123 123 126

10.1.4

-

10. l.! 6 \1-:­ 10.2 Az ATSC-sz.o:­

112

A digitális képszabványok összehasonlítcÍsa

MPEG-l és .~lPEG-2, VCD és DVD, M-JPEG és MINlDVjOV . . . . . . .. MPEG-3, MPEG-4, MPEG-7 és MPEG-21 . . . ............. A digitális videojelek fizikai Jllesztőfelületei . 9.3.1 P,írhuzamos és soros CCIR 601 ........................ . 9.3.2 Szinkron párhuzamos átviteli ,ldatfolyam-illesztő (TS Parallel) . 9.3.3 Aszinkron pjrhuzamos átviteli .ldatfolyam-illeszt6 (TS ASI] ...

10.1.1 10.1.2 10.1.3

c ~

,_.S

108

KIIE~CEDIK FE.Jf·:nT:

Mérések az MPEG-2 adatfolyamon

ló:: ,'"' - ,~

106

119

TIZEDIK FEJEZET:

-

-

:-.,--.::­

10.1.14

105 105

Teletext a DVB-rendszerben ................ .

9.2 9.3

•

A digitális hangforr,ísjel A hangkodolás története Az emberi fül pszichoakusztikus modt'llje ....................... . A hangkódolás alapelve ................................... . Részsávkódol,ís az MPEG l. és IL rétege szerint .................. . Az MPEG IlL rétegében és cl Dolby Digital rendszerbcll használt transzform.1ciós kódol,ís .................... . ...... .

NYOLCAlJlK FEJEZET:

9.1

-

képminőségént:'.-;

Hangjelek MPEG és Dolby Digital rendszerű kódolása

7.2 7.3 7A 7.5 7.6

,

83

Hl-:TEDIK FeJEZET:

71

-­

81

•

TIZr:NHARMADIf;'_'.

a DVB-S rendsz,:': 133 134

13.1 A DVB-S re:'.': '=C 13.2 A DVB-s ..- -­

135 136

13.2.1

136 137 138

•

141

143

TIZE\JNEGYEi' c

14.1 14.2 14.3 14.4 14.5

139 140

141 142

-. -

a világban -

átteL~:::'

TIZENKILENCEDIK FI-JEZET:

televízió-műsorszóró

•

237 239 240 245 252

19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6

c

22.\ A bithibaar,í ll\ : B:::­ 22.2 Spektruma na Ile"

237

A földfelszíni digitális rendszer (DVB-T) ........................

digitális :.

Irodalomjegyzék Fog,llmak és meghatároz.'" A digitális televíziótecl'"

Tárgymutató ...... .

A világon mindö~~=->< 50 Hz félkép-ire:';',c~ _ -' 525 soros rendszt'~ _c__ ~ vetkező színes a :-, _, • PAL, • NTSC, • SECAM, A PAL-, NTSC,

é~ ~:: ~ c -.

soros rendszere:'; -c' ~ -- ­ között vannak l'_-_- .:.~__ - _ sen a képvivől. a= : "::-C-' ször negatív n:c,:_, szág) használ ;': = hangvivő általa~'.:.~

Észak-Amerika _ második segéé',-.,,: __ Annak ellenére, :--,:;:- _ között csak kl~" amelyek messzi' :~ ~:-- , _­ A televíziós :.;.:::: ~: -= -' véges sugár-vissz.::'_:.:' is be kell ikta tL_ ::::- -=" kijelzőn, (A meg-c-::-:-'-::-­ sarokból áll ÖSSZe':: :-::- _. ~ '.-an, az 525 soros ~-c~_>=o közé esik. A villódzás csc:,;:::,~.::,ó egyik iéIképhez a ;:- a: : o .: :\z így felosztott ',,_:. ~:> . . encia valójába;: " ,-:-:- --, .(,[tos szimiéne: .::_.:::< ~

Első

fejezet

Bevezetés

A televíziózás és az adatátvitel évtizedek óta párhuzamos, de egymástól tel­ jesen független utakon jár. Bár a - most mc~r múlt századbeli - nyolcvanas években televíziókat használtak megjelenítőként az első otthoni számító­ gépekhez, a két terület között mindössze ennyi volt a kapcsolat. Ma azonban már egyre nehezebb meghúzni a határvonalat a televízió és a számítógép kl1zött, amelyek a Il1ultimédia korszakában egyre inkiíbb összeolvadnak. Kiv,lló TV-kártyák kaphatók a számítógépekhez, így azok otthoni TV-készü­ lékként is működhetnek, ugyanakkor a nyolcvanas években megjelent tele­ text szolgáltatás már a korai időkben digitális információforrással egészí­ tette ki az analóg televíziókészülékeket. A mai fiatalok számára ez a fajta informáciöszerzés, például a tévémüsor ilyen elektronikus formc1ban való megtekintése már annyira természetes, mintha a teletext mindig is szerves része lett volna a televíziózás világának. Gyakorlatilag 1995 óta a digitális televízió világát éljük, és lényegében megszűnt minden különbség az adatátvitel és c1 televíziózás között. Ha vala­ ki szerte a világon nyomon követi e terület fejlődését, amint a szerzőnek erre szeminárium-körútjai során lehetősége nyílt, egyre több olyan alkalmaz;lssal találkozik, amelynél a televíziós és az adatszolgáltatás egyazon adatjeIbe tömörül, vagy az alkalmazás kizárólag adatszolgáltatás célját szolgálja, például gyors internetelérést biztosít az eredetileg csak digitális televíziózás számára biztosított csatornákon. Az összeolvadás közös hajtóereje a nagy adatátviteli sebesség. l\ mai nemzedék információéhsége soha nem látott mértékű, és tagjai hozzá vannak szokva, hogy nagy mennyiségű, sokszínü információforrások veszik körül őket. Távközlési szakemberekkel beszél­ getve újra és újra azt hallani, hogy mennyire irigylik a digitális televíziózás­ n,íl alkalmazott adat,ltviteli sebességeket. A GSM-hálózaton például 9600 hit/s az citviteli sebesség, míg az UMTS-nél. optimcilis feltételek mellett, például internet-hozzáférés céljára is legfeljebb 2 Mbit/s. Egy hétköznapi ISDN-telefoncsatorna kétszer 64 kbit/s sávszélességet nyújt. Ezzel összeha­ sonlítva a normál felhontású televíziójel (SDTV) már 270 Mbit/s adatátviteli sebességü, míg a nagyfelbontású televíziójel (HDTV) már cl 800 Mbit/s-os határt is meghaladja és gyakran átnyúlik akár a gigabites tartományba is.

20

EISU ILlE/ET BEVEZE I I.:'

Teljesen jogosan lehetne tehát szélessávú technikának nevezni a televízió­ zást, nemcsak a digitális, hanem már az analóg televízió esetében is, ahol a csatornák szélessége mindig is rendkívül nagy volt. i\ földfelszíni analóg és digit,ílis TV-csatornák már 6, 7, illetve 8 MHz s,ivszélességúek, a múholdon keresztül továbbított csatornák pedig elérik a 33 MHz-es sávszélességet is. Nem meglepő, hogy robbanásszerü a fejlödés, különösen a szélessávú kMlcl­ televíziózásban, amelyet nagysehességü 1Mbil/s nagyscigrendü) otthoni internetszolgáltatás céljára vesznek igénybe, k,íbelmndem segítségével. Az analóg televíziózás alapkövét Paul Nipkow fektette ll' 1883-ban, aki a ma Nipkow-Iemezként ismert eszközt fejlesztette ki. Ő állt elő azzal az elképzeléssel, hogya képet sorokra bontva továbbítsa. Az első valódi analóg televíziós képátvitelre a harmincas években került sor, mivel azonban a második világháború visszavetette a terület fejlödését, az analóg televíziózás valój,lban az ötvenes években indult meg, egyelöre fekete-iehérben. A tele­ vízió a hatvanas évek végén vált alkalmassá a színes kép,í.tvitelre, ettől kezdve pedig csak kisebb finomításokJ! hajtottak végre J rendszeren, mind a stúdió célú, mind az otthoni felhJsznc'tl,ísra szánt eszközöknél. A módszer alapelveiben további vcíltozások nem történtek. Az analóg képc1tvitel gyakran annyira tökéletes - legaleíbbis a képminőséget, nem pedig a sugiírzolt tar­ talom színvonalát illetően -, hogy igen sokan egyáltalán nem érdeklödnek a digiLllis músorok vételére alkalmas készülékek ircínt. A nyolcvanas években történt egy kísérlet (a D2MAC) a hagyományos analóg televíziózás tól való elrugaszkodásra, ez azonban különbözö okokból nem aratott sikert, a D2MAC hamar eltúnt a színpadról. Európában a PAL rendszert némileg tllvábbfejlesztve piJcra került cl PALplus, ez azonban szin­ tén nem aratott különösebb sikert a televíziókészülékek piacc1n. Hasonló újítási kísérletekre került sor ezzel párhuzamosan a világ más részein is, elsősorban Japánban és az Egyesült Államokban, amelyek a HDTV beveze­ tésére irányultak, de ezek sem nyerték el a remélt általános népszerCíséget. A stúdiókban már a kilencvenes évek kt'zclete óta liigitJlis jel,ítvitelt használnak, a "CCIR 601" szabványnak megfelelő, tömörítetlen digitális jeliolyamok iormcljában. Ezek adat sebessége 270 Mbitjs, rendkívül jól alkal­ mazhatók stúdióban történö eloszte1sra és feldolgozásra, és mind a mai napig igen népszerOek. Sugárzásra és a végfelhasználók irányábJ történö átvitelre azonban egYelltalán nem alkalmasak ezek a Jelek, mivel a kábelen, földi vagy mlíholdas csatornákon elérlwtO csatornakapacitás meg sem közelíti ezeknek a jeleknek a sávszélességigényét. Tömörítetlen I-IDTV-adások adatc'ítviteli sebessége meghaladja a 800 Mbitjs-ot. Tömörítés nélkül tehát ezeket a jeleket nem lehet sugározni. A digitális televíziózás területén az igazi áttörést a JPEG-szabv,'íny I11l'gteremtése hozta el. A JPEG (Joint Photographic Experts Gmup, "Fényké­ pészeti SzakértOi Munkacsoport") egy elsCísorban állóképek tömörítésére szakosodott szakértői csoport. Ők használták először a diszkrét koszinusz­ transzformációt (DCT) állóképek tömörítésére a nyolcvanas évek vége felé. Mára a JPEG az adatátvitel területén általánosan elfogadott szabvánnyá vált,

és nagy sikerrel a."CO -:-...: fényképezögépek l~~,::-": és ez a technika JTl.::-'::'Ó. _ a hJgyományos iél~. -~>A DCT alap\'etl' .. c - ·

Picturc Experts Grl):..:

port fejlesztette kl : -- .. 2-t. Az MPEG-l ce: .c ciöját tegye lehető'. c:' hordozóként hasc2 törőbb céllal késZl; : ~ .:: ~ jeIének szánták. }\c:-..:-:\ c::::kaic\ra. Részletel'S SZeíI1l0S gyakor­ .·..c:,::

- .::.....

DVB-C DV8-T MMDS

J83A J838 J83C ATSC ISDB-T DMB-T

Állöképek, fényképek tömörítése, interneten keresztül történö képtovábbítjs DVPro, MiniDV, digitc11is kamerc'ík CD-n tárolt mozgókép tömörítése DVD, digitális televíziórendszerek alaps~'ívi jele Digitális képmúsorszórcÍs (Digiwl Vidm Broadcasting) Múholdas digitális képmlísorszórás (Digital Video Broadcasting via Satellite) Digitális kclbeltévérenclszer (l J/gi ta I Video Broadcasting via Cab/e) Földfelszíni digitális képmLísorszórás (Digital Video Broadcasting - Tcrrestrial) Többpontos-többcsiltorn,'ís mikrohullámú elosztörend­ szer (Multipoint I'v1ulti-clwn nel Distribution System); helyi, iöldfelszíni többpontos digitcílis televíziós elosztó­ rendszer kc'íbeltévé- hálózatok kiegészítésére A DVB-C rendszer ITU-megieleWje Az USA cligitális kcí.beltévérenclszere Japán digit,'ílis k,'íheltévérendszere Földieiszíni digitális képmüsorszóró rendszer (USA, KaI1c1da) Földfelszíni digitcÍlis képmüsorszóró rendszer (Japán)

Fölclfelszíni digitcílis képmüsorszóró rendszer (Kínd)

LL tábl,hat

Digitális telel'íziös rendszerek é'5 sznbl'ánvok

- '::c':C'sen beépítjük a : \ 'c"ekben felismer­ . : ,,'C't tapasztalata. szer! példc1Ltl Auszt­

':agy a világ más .... :: '- .-,,\örü helyekről is - ~ .. ~ : ~. 2'::ziózásL A könyv . __ ~:-..o,,':2 T\'-jelekkel kez­ ~.:.: .. :' __ ,,~~lcm'itel, a digitális

Irodalomjegyzék: [IS013818-1], ETS300744, [AS3], [ITU205]

•

[IS013818-2],

[IS013818-3],

[ETS300421 j,

[ETS300429],

A világon mindö~~=->< 50 Hz félkép-ire:';',c~ _ -' 525 soros rendszt'~ _c__ ~ vetkező színes a :-, _, • PAL, • NTSC, • SECAM, A PAL-, NTSC,

é~ ~:: ~ c -.

soros rendszere:'; -c' ~ -- ­ között vannak l'_-_- .:.~__ - _ sen a képvivől. a= : "::-C-' ször negatív n:c,:_, szág) használ ;': = hangvivő általa~'.:.~

Észak-Amerika _ második segéé',-.,,: __ Annak ellenére, :--,:;:- _ között csak kl~" amelyek messzi' :~ ~:-- , _­ A televíziós :.;.:::: ~: -= -' véges sugár-vissz.::'_:.:' is be kell ikta tL_ ::::- -=" kijelzőn, (A meg-c-::-:-'-::-­ sarokból áll ÖSSZe':: :-::- _. ~ '.-an, az 525 soros ~-c~_>=o közé esik. A villódzás csc:,;:::,~.::,ó egyik iéIképhez a ;:- a: : o .: :\z így felosztott ',,_:. ~:> . . encia valójába;: " ,-:-:- --, .(,[tos szimiéne: .::_.:::< ~

Második fejezet

Az analóg televízió

A viljgon mindösszesen két főbb analóg televíziós megoldás működik: egy 50 Hz félkép-frekvenciájú 625 soros, illetve egy 60 Hz félkép-frekvencijjú 525 soros rendszer. Az e rendszerek ,11tal továbbított összetett képjelek a kö­ vetkező színes átviteli szabványokba sorolhatók: • PAL, • NTSC, • SECAM. A PAL-, NTSC- és SECAM-szabványú színes átvitel mind 625, mind pedig 525 soros rendszerek esetén használható, azonban az így előálló kombinációk között vannak olyanok, amelyeket nem valósítottak meg. A vivőt, nevezete­ sen a képvivőt, az összetett képjellel kell modulálni. A gyakorlatban legtöbb­ ször negatív modulációt alkalmazunk, egyedül az L-rendszer (Franciaor­ szág) használ pozitív (belső szinkronjel(í) modllljciót. Az első és második hangvivő általában frekvenciamodlll,11t segédvivö, de néhol (M-szabvány, Észak-Amerika) amplitúdómoduljciót is hasznjInak. Észak-Európtiban a második segédvivő digitálisan moduljIt, úgynevezett NICAM-segédvivő. Annak ellenére, hogya különböző orszjgokbanalkalmazott módszerek között csak kis különbségek vannak, mégis számtalan szabvány terjedt el, amelyek messze nem kompatibilisek egymással. A televíziós kamera a képet 625 vagy 525 sorra bontja. A televíziós vevő véges sugár-visszafutási ideje miatt azonban sorkioltjsi és félképkioltási időt is be kell iktatni. Emiatt vannak olyan sorok, amelyek nem jelennek meg a kijelzőn. (A megjelenített soroknak is csak egy része látszik.) Ezekből a sorokból áll össze a félképkioltási idő. A 625 soros rendszerben 50 ilyen sor van, az 525 soros rendszerben pedig a meg nem jelenő sorok száma 38 és 42 közé esik. A villódzjs csökkentése érdekében minden képet két félképre osztunk. Az egyik félképhez a páros, a másikhoz pedig a páratlan számú sorok tartoznak. Az így felosztott félképeket továbbít juk. Ennek köszönhetően a félképfrek­ vencia valójában a képfrekvencia kétszerese lesz. A sor elejét a képjel nulla voltos szint jénél alacsonyabb sorszinkronjel jelöli, amelynek amplitúdója

•

•

MÁSODIK FE.IEZET: AZ .\"

DICIT;Íl.IS ~liíSl)RSZlíRAs

26

-

-300 mv. A képjel összes időzítése e jel lefutó éléhez, egész pontosan a lefutó él 50 százalékos pontjához viszonyított. A 625 soros rendszerben a sor aktív képtartalomhoz tartozó része 10 ~s-mal a szinkronjel lefutó éle után kezdődik. Maga az aktív soridő 52 ~s hosszú.

A látható sorok

--

~

A látható vízszintes rész

2.1. ábra

A ktip ff/osztása sOTOkra

A televíziós kamera mátrixa először a világosságjelet állítja elő és alakítja át úgy, hogy annak dinamikatartománya O Volt (ez felel meg a fekete szintnek) és 700 mV (l00 százalékos fehér) közé essen. A mátrix a vörös, a zöld és a kék kimenetekből a színkülönbségi jeleket is létrehozza. Annak, hogy színkülönbségi jeleket használunk, több oka van. Egyrészt a meglévő fekete­ fehér készülékekkel való kompatibilitás biztosítása érdekében a világosság­ jelet külön kell továbbítani, másrészt a színes átvitelnek a lehető legkisebb sávszélességet kell elfoglalnia. A szem színekre vonatkozó felbontóképes­ sége kisebb, így lehetőség van a színjelek sávszélességének csökkentésére. A színjelek sávszélesség-csökkentése igen jelentős: míg a világosságjel sáv­ szélessége 4,2 MHz (PAL M), 5MHz (PAL B/G) és 6 MHz (PAL D/K, 1), addig a színjelé a legtöbb esetben csak 1,3 MHz. A stúdiókban közvetlenül az U = R - Y és V = B - Y színkülönbségi jeleket használjuk. PAL- és NTSC-rendszerben az átvitel során azonban a színsegéd­ vivőt az U és V színkülönbségi jelek egyszerre modulálják. (Ezt nevezik kvadratúramodulációnak, más néven IQ-modulációnak.) SECAM-rendszer­ ben a színinformációt frekvenciában modulálva továbbít juk. A PAL-, SECAM- és NTSC-rendszer közös jellemzője, hogya színinformá­ ció nagyobb frekvenciájú, a képjel frekvenciatartományának felső felében található segédvivőt modulál, a továbbítás pedig a színjel és a világosságjel összeadásával történik. A színsegédvivő frekvenciáját úgy választották meg, hogy annak világosságjelre gyakorolt hatása a lehető legkisebb legyen. A gyakorlatban legtöbbször lehetetlen a világosság- és a színinformáció közötti áthallás kiküszöbölése. Ilyen helyzet áll elő például akkor, ha a hír­ olvasó hajszálcsíkos öltönyt visel. A hajszálcsíkok fölött látható színesedés az előbb említett áthallás következménye.

·OJ.play .

... \.'

+..,.~

~F~;:-:;-7.----

j

--­ ­

.

'J

.,­

"

1

\

l.

'.

t '-jill

Fleld

•

I~

DIGITÁLIS ~1(íSORSZl)RÁS

28

A megjelenítő és kezhetnek:

felvevő

eszközök a

következő illesztőfelületekkel

rendel­

• CCVS 75 Ohm, 1 Vpp (összetett kódolású képjel, lásd a 2.2. ábrát), • RGB-összetevők (SCART, Peritel), • y jC (az áthallás kiküszöbölését lehetővé tevő külön világosság- és színin­ formáció). Digitális televíziózás eset én a lehető legjobb képminőség biztosítása érde­ kében a vevőt és a kijelzőt ajánlatos RGB- (SCART-) vagy YjC-csatlakozóval összekötni. Az analóg televíziós jellel kapcsolatos további részletek megtalálhatók a témakörhöz kapcsolódó számos kiadványban. A digitális televíziós rendszer képeket, és nem félképeket továbbít. A képeket az átviteli lánc legvégén található vcvókészülék vagy IRD TV-vevő alakítja vissza félképpé. Az eredeti forrásanyag váltott soros formátumban Ml rendelkezésre, így a tömörítés (félképkódolás) során ezt is figyelembe kell venni.

Az MPEG a M,y csoport") rÖ\'IC~­ foglalkozik. :\::: ,; - ~ adatátvitelre SZ,- .0: .. sem képhez. se:~' olyan alkalmaz2,:· c után: példá ul .~. _'::' Wollongongbar, e:::· pllló, tisztán ad2:'::.· c bít(1sa mikrohllL:::-:·. _ .. segítségével a s::: .':~ . sebességtartom2:-.~: ' Az MPEG-SL::­ hangtól és kep:. ismerteti. A g\." . ­ mint cl kép- és "._ merése. (Ez II :,':- :- ._

150 150 ISO _ ..

Irodalomjegyzék [MAEUSL3], [MAEUSLS], [YSA]

3.1. ábra

-:,:,:::::-:,,~:,e:e:":kel

rendel-

Harmadik feiezet

Az MPEG-adatfolyam

_''-:- -. ,.'2osság- és szmin­

'~-:':;:':ztosítása

,,:~.

érde­ L-csatlakozóval

~~2s::alc1lhatók -~

a Az MPEG a Moving Pictures Experts Group ("Mozgókép-szakértői Munka csoport") rövidítése, Az MPEG főleg a mozgóképek digitális átvitelével foglalkozik. Az MPEG-2 szabványban definiált adatjel általánoss,ígban adatátvitelrc szolgál, így olyan adatot is tovc1bbíthat, amelynek nincs köze sem képhez, sem hanghoz; lehet például internetadat. A világon léteznck olyan alkalmazások, amelyekben hiába is kutatnánk kép- vagy hangjelek után: például Ausztráliában, a Sydney től 70 kilométerre délre fekvő Wollongongban egy fizetőcsatorna üzemeltetője MPEG-2 rendszeren ala­ puló, tisztán adatszórási szolgáltatást biztosít. Az MPEG-2 adat jelek továb­ bítása mikrohullámú többpontú elosztórendszeren keresztül történik, ennek segítségével a szolgáltatást nyújtó Austar cég ügyfelei néhány Mbitjs-os sebességtartományba eső internetkapcsolatot használhatnak, Az MPEG-szabványhoz [IS013818-1] hasonlóan a könyv először - a hangtól és képtC'í! teljesen elkülönítve - az MPEG-adatjel általános felépítését ismerteti, A gyakorlatban az adatjelek felépítésének megértése fontosahb, mint il kép- és hangkódolás [ISO/lEe 13818-2 és l3818-3J részletes megis­ merése. (Ez utóbbi egyébként I11egtaL~lható cl könyv későbbi fejezeteiben.)

:-:',"-=-' kilobájtos hos:,:::: -:-.,.' vicleo- l'5 hang2;:: ~:' MPEG-sZ3b\-a;~'. ::;::' ben megbalc1LL: ~ :.., , lákból áll, és ,:Z '.' ~::. ~ találnia acsocc, ':-,' ' :. .

Az adat jelek felépítésének bemutatását a tömörítés nélküli kép- és hang­ jelekkel kezdjük. Az adattömörítés nélküli SDTV (Standard Definition Tele­ uisioll - normál felbontású televízió) .iel adatsebessége 270 Mbit/s, míg ugyanez az érték digitális sztereó, CD-minőségü hangjel esetén 1,5 Mbitjs. A tömörítés ut,ll1 a videojel MPEC-l l'setén l Mbit/s, MPEG-2 esetén 2-6 Mbitjs adatsebességű, míg a hangjel adatsebcssége 100-400 kbit/s lesz. (Ezek ismertetésére külön fejezetben kerül sor.) Az MPEG rendszerben a tömörített kép- és hangjeleket "elemi adatfo­ lyamnak" (Elel7lentary Stream - ES) nevezzük (3.3. jhra). Így tehát vannak vidcoadatfolyamok, hangadatfolyamok és általában "sima" adatfolyamok. Ez utóbbiak bármilyen, tömörített vagy tömörítés nélküli adatot tartalmazhat­ nak. Közvetlenül tömörítés után mind MPEG-l, mind pedig MPEG-2 esetén az elemi adatfolyamokat változó hosszúságü csomagokra kell feloszt,1I1i. A pillanatnyi kép- és hangtartalomtól függően a tömörítés hol jobb, hol russzabb, így az adatjelek szám,lra vcíltozó hosszús,lgú t,1rolási egységeket kell kialakítani. Ezek a tárolási egységek videojel est'tén legalább egy tömö-

5,75 MHz

3.1. A csoma~ (Packetiz

13,5 MHzA

világosságjel

mintavételi frekvenciája

Az MPEG e:e:~: magokra OSztc:: _c' bájt hosszú PE:::·:,:­ mag kezdeté: e::::. hen000001.-'\:,:.:' adata a "hasz:~,'~ .: típusának aZl':: adatfolyamró:.c: ~ jelző bájtok :;:.:: "hasz!l()s" ,1,;2::~.'

8/10 bit y 270 Mbit/s ITU-BT. R 601 "CCIR601"

A színjcl mintavételi

-

frekvenciája

6,75 MHz

II I

16 bit

Jobb

~~

akár 768kbit/s

t

s,lvszélesség: 15, .. 20 kHz 32/44,1/48 kHz mintavételi frekvencia

kb. 1,5 Mbit/s

II I

16 bit

Bal

~~

akár 768 kbit/s

t

sávszélesség: 15... 20 kHz 32/44.1/48 kHz mintavételi frekvencia 3.2. ábra

II I

kb. 1,5 Mbit/s

Kép- eo lwngadatjrlek

...

- :-=:,-,c::._~=.-; ..\l.AP.JAl

"c.Zl1RcÍS ALAPJAi

',:~,':~.'~

Ilwnkor az MPEG­ határának :::~ 2~~c' a célra.) :~-'-::-:c' azaz a PES-fejléc '','-::', ~:· ..'abbított elemi adat­ =2~,-:~c': :2 biten tovélbbított ~2': ,~'§:\" PES-fejlécben az C'-,; :--c'e~ nem. A PES-fejléc ,. .-'Iz opcionális fejléc , ~ :7'~' és hang szinkro­ ?:=:~-:~,,:l1agok

ilO" _ _-+j

lda!

ailO- _ _-+j

- Jda!

bit

,,----+1

'.J 110- _ - - ; . ,

" ad.)!

u E~éz":' ?'=.S eRe

PE.S­ ;"',(eriesztes

i6

;lis mezói

bit

33

HARMAOiK FEJEZET: AZ MPEG,ALJATFOLYAM

nizMásához nélkülözhetetlen "megjelenítési időbélyeget" (Presentation Time Stamp - PTS) és "dekódolási időbélyeget" (Decoding Time Stamp - DTS), Az opcionális PES-fejlécben kitöltő bájtok is szerepelhetnek. A teljes PES-fejléc ut jn az elemi adatfolyamból álló "hasznos" adattartalom következik. A hasz­ nos adatrész az opcionális fejlécet tartalmazó résszel és a fejléccel együtt .iltalában 64 kilobájt hosszú, különleges esetben ennél hosszabb is lehet. A viszonylag bonyolult szerkezetű "csomagolt elemi adatfolyam" (PES) átvitelre nem alkalmas, különösen akkor nem, ha több programot is szeret­ nénk közös adatjelben továbbítani. Az MPEG-2 rendszernek viszont éppen az a célja, hogy 6, 10 vagy akár 20 független televíziós, illetve rádiós prog­ ramot foghassunk össze közös MPEG-2 adatjellé, majd ezt az adat jelet műholdas, kábeles vagy földfelszíni kapcsolaton keresztül továbbíthassuk. Ezért a hosszú PES-csomagokat további kisebb, jllandó hosszúságú ele­ mekre kell bontani. A PES-csomagot 184 bjjtos egységekre osztjuk, majd ezekhez 4 bjjtos fejlécet füzünk. Így alakul ki a 188 bájt hosszú, úgynevezet! "MPEG-2 átviteliadatfolyam-csomag", amely ezután már nyalábolható (n1l11­ tiplexéílható). A nyalábolás során először a közös programhoz tartozó átviteli adatfolyam-csomagokat kell összefogni. A program több kép- és hangjelből állhat. Szélsőséges példa lehet a Forma-I-es futam közvetítése, ahol számos kamera képét, illetve több különböző nyelvű kommentárt is továbbítani kell. Az egyes programokat ezután szintén összefogjuk, és így alakul ki a teljes adatfolyam, amelyet MPEG-2 "átviteli adat-folyamnak" (Transport Stream ­ TS) nevezünk. Az MPEG-1 rendszerben a képet hordozó PES-csomagokat pusztán a hangot hordozó PES-csomagokkal kell összefogni, majd az előálló adat­ folyamot adathordozóra kell rögzíteni (3.5. cibra). A kép és hang számára megengedett adatsebesség 1,5 Mbit/s, az adatfolyam pedig egyetlen video- és egyetlen hangfolyamból állhat. Az MPEG-l rendszert video-CD-Iemezek készítésekor használják. Az MPEG-2 adat folyam (3.6. ábra) átviteli adat­ folyam-csomagokból áll. Ezekből a csomagokból épülnek fel azután a külön­ féIe kép-, hang- és adatjeleket tartalmazó programok. Az adatsebességtől függően az egyes elemi adatfolyamokhoz tartozó csomagok gyakran vagy rit­ kábban fordulnak elő az MPEG-2 adatfolyamban. Minden programhoz külön MPEG-2 kódoló tartozik, amely elvégzi az elemi adatfolyam kódolását, létre­ hozza a PES-struktúrát, majd a PES-csomagokból kialakít ja az átviteli adat­ folyam-csomagokat. Az egyes programok adatsebessége általában 2 és 8

Nyalábolt kép- és hang-PES-csomagok Alkalmazás: MPEG-1 video CD-lemez MPEG-2SVCD MPEG-2 video DVD-lemez

3.5. ábra

Nyalábolt PES-csomagok

34

I !ARM/'DIK FEJEZET ,-'-.:-:

PES-fejléc

PES-fejléc

3.2. Az l'vfPE

CSOTI1a Co O

"Hasznos" adatrész kezdetének jelzése = 1

4 bájtos 184 bájtos TS-fejléc "hasznos" adat

Az MPEG-2 dLL< ábra). A 188 ba': -o.": ­ adat. A "hasznC'~ ~ ~ ~ általános adatok,,: .~. meket tartalmaz .~. :-c mindig 47 i1e \, ille:.-c ,. 188 bájt. (Termé~::-o:-c;; máshol is szerer:" hoz ez a szinkIl' .. ~- ~ . a szinkron b,~i tu:; rendszerben a ,~-:. beérkezte után :>;':::.: "csomagazoIlus: :.' mag "hasznos" 2::~' szám és a szinté:~ -:. _. adatfolyamhoz \'2~' A szinkroniz2:. _-:' ~ A továbbítás utá:-. -c ~. csomagok hibá52~.--o~. be például akko~ ..-~ . hibajavító mecr.=:-::=-- . A DVB (Dig':~ . ben a hibaja\'::2" DVB-S, DVB-C \20:: ~ 188 b,ijtos csome'': .

"Hasznos" adatrész kezdetének jelzése = 1

3.6. ábra Az MPEG-2 átuiteli adar/cl!mT/l-CSoT/lagok kialakulása

Mbit/s között van. A hang-, kép- és egyNl adatok együttes sehessége állandó is lehet, de a programtartalomtól függően idöhen változhat is. Ezt nevezzük "statisztikus multiplexelés"-nek. A programokhoz tartozó átviteli adatfolya­ mokat MPEG-2 adatfolyamba szervezve (3.7. ábra) létrehozzuk a teljes átviteli adatfolyamot, amelynek adatsebessége akár a 40 Mbit/s értéket is elérheti. Egyetlen MPEG-adatfolyam 6, 8, 10 vagy akár 20 programot is tartal­ mazhat. Az átvitel során a külön-külön vett adatsebességek változhatnak, azonban a teljes adatsebességnek állandónak kell lennie. A programok tar­ talmazhatnak képet és hangot, csak hangot (hangműsorszórás) , illetve csak adatot, ennek köszönhetően a szerkezet igen rugalmas, sőt az átvitel során akár változhat is. Ahhoz, hogya dekódolás alatt az MPEG-adatfolyam éppen aktuális szerkezetét meg tudjuk állapítani, az adatfolyam a szerkezetét leíró listákat, úgynevezett táblákat is tartalmaz.

1 bitt'

1 bájtos sz

3.7. ábra Nyalábolt MPEG-2 áruireli adar(olyaT/l-csoT/lagok

..

~

-.. :: -\::. .\L:\PJAl

HARMADIK ITIEZET: AZ

35

~1I'El;·,\[)ATFllI.\':\M

3.2. Az MPEG-2 átviteli adatfolyam­ csomagok Az MPEG-2 adatfolyam állandó, 188 bájt hosszúságú csomagokból áll (3.8. ábra). A 188 bájt első 4 bájt ja a fejléc, a maradék 184 bájt pedig a "hasznos" adat. A "hasznos" adatot hordozó rész tartalmazza a képet, a hangot és az általános adatokat. A fejléc a csomagok átvitele szempontjából fontos ele­ meket tartalmaz. A fejléc első bájt ja a "szinkronizációs bájt". Ennek értéke mindig 47 hex ' illetve két szomszédos szinkronizációs bájt távolsága mindig 188 bájt. (Természetesen előfordulhat, hogya 47 hex érték a csomagon belül máshol is szerepel.) A csomag MPEG-adatfolyamon belüli szinkronizálásá­ hoz ez aszinkronbájt használatos. A szinkronizálás a szinkronbájt értéke és a szinkronbájtok közötti állandó távolság segítségével történik. Az MPEG rendszerhen a dekódoló a szinkronizálást öt átviteli adatfolyam-csomag beérkezte után kezdi el. Az MPEG-aclatfolyam m,ísik fontos eleme a 13 bites "csomagazonosító" , röviden PID (Packf,t Identifier). A PID írja le az adott cso­ mag .,hasznos" adatot hordozó részének tartaimát. A hexadecimális, 13 bites szám és a szintén továbbított listák azonosítják, hogya csomag melyik elemi adatfolyamhoz vagy tartalomhoz tartozik . A szinkronizációs bájtot közvetlenül követő bit az "átviteli hiba-jelző" bit. A továbbítás után e bit segítségével jelezhető, hogy az átviteli adatfolyam­ csomagok hibásak-e. A bitet az átviteli út végén található demodulátor állítja be például akkor, ha túl sok a hiba, és ezeket az átviteli láncban szereplő hibajavító mechanizmusok már nem képesek kijavítani. A OVB (Digital Videa Broadcasting - digitális képműsorszórás) rendszer­ ben a hibajavítás elsődleges eszköze a Reed-Solomon hibajavító kód. A OVB-S, OVB-C vagy DVB-T modulátor az egyik legelső lépésben az eredetileg 188 hájtos csomagot 16 bájtos (ATSC: 20 bájtos) hibajavító kóddal egészíti ki.

:..;.

-

'~':.~­ vevő megvizsg,: ..' -. c korábban és ke:':.. . értéke is ennü :c .. olyan kódszórc': ',c.' ~= hetetlen, hog\" 2 ..:, ­ ban.) A szinkr0:~_=c._ folyamcsomag :'cc':' ~­ szÍÍ nik meg. 1

3.3.2. Az

akL_::':~~

Az MPEG-adat:c. c és rugalmas, .-'l:: ','~:: ~ \'ideo-adatiol\-a:~~ -.-: többet úgy, hos - -.

Ha az MPEG-2 dekódoló bemenetére MPEG-2 adatfolyam érkezik, a dekó­ doló első feladata az adatfolyamra történő ráfogás, illetve a csomagszerkezet azonosítása. A dekódoló először is megkeresi az MPEG-adatfolyamban

PID =

Szinkronizadós bájt ox-p I'rogramspccífikus infonn

3.3 .3.

Hozzáfér~

Miután a PAT- és P\~~" nia az MPEG-acl2:: valamint il felha~1:~c " tossá válik, hog\>" folyamot kell clek, ." azonosítót tartal:: . ­ tartozó PID érte~:, lás SO]",1n a ve\'ö " . állítja és a képl~c-, módon összegyl:: . .: :. ja belőlük a PES·l~:-:·"' az elemi adatio>:-"::· dekódolható.

3.3.4. Hozzáre:-::

Előforclulhat, hl=: c" televíziós szolg,:.' cenchez kdpc~c: .: folyamok átvitc.c' ~ ~.' folyamok titkl\C' >. használnak, a':::,::, > A hardvernek 2= ',' ~ :: oldásához szük~::,=:-:,c c

! 7i

3.14. ábra :­

\1.."

41

,~

így múködne, A piacon lévő berendezések az MPEC-2 addtfolyam megv,il­ tozás,ít csak telies csatorna keresés végrehajtjsa ut,ín veszik észre. (A teljes csatorna keresés aUJ' tíz percet is igénybe vehet.) Ezek, egyéb Illás tényező­ vel együtt, igen honyolulttj teszik a dekódolóberendezések múködtetését, és így hátrjnyosan érintik az ú.i digitális televíziós rendszer piaci térnyerését.

c::'.-,:ell Jdar­ ,''; JZ

adat­

>,~.S

,rliormá­ hasz­ " a "program­ :::'(;-2 adatíolYd­ . cl

lel nem tartalmaz a :\ három A/D-átalakító ,~:~:-: cl létrejövő teljes adat­ ':~::-. :'elüli átvitelhez még . .:,:~, ,,(~beles) csatornákon ::' .:..z A./D-átalakítók által ::,::,::,e\lgni: CB Y CR Y CB Y. .. : ..cogClssági érték, valamint -~ ::,2:; kétszer annyi Y érték ':':~21 nevezzük 4: 2 : 2 fel­ .; ~ ..; : -t struktúrájú, ugyanis " .c :';ét színkü!önbségi jel '.~:,

:.: ~'.::~hllzamosan vagy 75 : :,.~. co:ljítani. A soros illesz­ ':-?~_.:et

(Serial Digital Inter-

NEGYEDIK FEJEZET: AZ ITll~GTR.h])1 (CCIR (,])11 ELÚiRIÍSAINAK MEGFELELÖ llIGIT,\l,IS VIDEOJEL

(ace) meghatározás rövidítése. A gyakorlathan ez az elterjedtebb, mivel lehetöve' teszi hagyományos 75 ohmos BNC-kábel használatát.

Az adatiolyamon belül az aktív képtartaloll1 kezdetét és végét különleges kódszavak, az úgynevezett SAV (start act/uc video - aktív képtartalom kezdete) és EAV (end of active video aktív képtartalom vége) kódok jelzik . Az EAV- és SAV-kód közötti időszak a vízszintes sorkioltási idő, amely a videojellel kapcsolatban nem tartalmaz semmilyen hasznos információt, vagyis a digitális jelben nincs szinkronjel. Ezért tehát a sorkioltási idő alkal­ mas kiegészítő információ, például hangjel vagy a digitális jelre vonatkozó hibavédelmi információ továbbítására. A SAV- vagy EAV-kódok mindegyike négy darab 8 vagy 10 bites kódszóból áll. A SAV, illetve EAV egy csupa egyes értéket tartalmazó kódszóval kezdő­ dik, amelyet két, kizárólag nulla értéket tartalmazó kódszó követ. A negyedik kódszó segítségével detektálható a kép, illetve iéIkép kezdete, másrészt az, hogy az adott sor függőleges irányban az aktív sorok közé tartozik-e. A negyedik kód szó legnagyobb helyi értékü bit je mimiig 1. A következő bit (10 bites (1tvitel eset én a 8., 8 bites átvitel esetén a 6.) a félképet azonosítja: ha él bit értéke nulla, akkor a sor az első, ha egy, akkor pedig a második félképhez tartozik. Az ezt követő bit (10 hites átvitel eset én a 7., 8 bites átvitel esetén az 5. bit) azt jelzi, hogy az adott sor függőleges irányban az aktív soro k közé tar­ tozik-e. Ha a bit értéke nulla, akkor a sor a látható képtartományba, ha egy, akkor pedig a félképkioltási időbe esik. A 6. bit (10 bites átvitel), illetve a 4. bit (8 bites átvitel) azt jelzi, hogy az aktuális kódszó SAV- vagy EAV- kód-e. Nulla érték esetén SAV-kódról, ellenkező esetben EAV-kódröl van szó. Az 5-2. (10 bites átvitel), illetve a 3-O. (8 bites átvitel) bitek a SAV-, illetve EAV­ kóclokhoz tartozó hibavédelmi információt továbbítiák.

or

ctl

N

o.....

"'­ I/) I/)

N

SAV = aktív képtarta10m kezdete EAV = aktiv képtartalom vége

.....

II ,-..

........ .... .... .... .... ....

'-'

....

..... ....

o

o

II .-..

o o '-' o o o o o o

o "'­ o II

.-..

o o

~

.... Q.;

8

o o '-' o o o o oo o o

::r: > ....

2

3

4

~ ef)

~

.....

TRS = időzítési referenciasorozat 4 kódszó (SAV vagy EAY) -

-

~- ~~!

s::2rint

61

4.3. ábra

SAV- és EAVkódszavak az ITUBTR.601 jelű szabl'ány által előírt jelben

62

DICITÁLIS MlíscwoZlWAS

255/1023 700mV

235/940

y

OmV

16/64

255/1023 350mV

240/960

CB/CR OmV

128/512

-350 mV

O

16/64 O

4.4. ábra

Szilltdiagrarn

A hibavédelmi referenciasorozat (Timing Re(erence Sequencc - TRS) ne­ gyedik kódszava tehát a következőképpen néz ki: • • • •

F = Félkép (O = 1. félkép, l = 2. félkép) Y = Félképkioltás cl = a sor a félképkioltási időbe esik) H = SAY/EAY azonosítása (O = SAY, l = EAY) PO, Pl, P2, P+ = védelmi bitek (Hamming-kód)

Sem a világosságjel (Y), sem a színkülönbségi jelek (Cf\' CR) nem használják ki a rendelkezésre ,ílló teljes dinamikatartományt, ugyanis ennek bizonyos h,ínyada egyrészt tartalékként szolgál, másrészt a SAY- és EAY-kódok köny­ nyü azonosítását szolgálja. Az Y jel értéke 8 bites felbontás esetén decimális 16 és 240, 10 bites felbontás esetén pedig 64 960 közé eshet. A CH és CR jelek dinamikatartománya decim,1lis l6-tól 240-ig (8 bites átvi­ tcl), illetve 64-tCiI 960-ig (10 bites átvitel) terjed. Az ezen kívül eső terület tar­ talékként használható, illetve megkönnyíti a szinkronjelek azonosítását. Ez az ITU-BT.R60l szabványnak megfelelő, általában SDI-jelként ren­ delkezésre álló videojel jut azután az MPEC-kódoló bemenetére.

A fejezet a :~~:.~:: : történő vissz,,::.:o:>.::',:­ híradástechli~.:o:- ':'. ;:.c elengedhetcl:e:: .. :~' területek, a ké;" ~~- _:'. =: nyalábolás (O -: ~, ;: DYB-T megéne:,:--< ­ ugorhatj,cí.k. A jeleket 3::2:'::-': - ~ tozónak az il:Ő: ::-'.. szolgáló műsze': oszcilloszkóp;:'2, ~-=' -­ a jeleket, mi\e csak az efiek::': :-:'~ . .c'

1I1t)

Ilúdalomjegyzék: l1TU601], [MAEUSL41, [GRUNWALDl

n

~

,.' ..0

-

.

, :-' iRSZURAS

Ötödik fejezet

Transzformációk a frekvenciatartományba " . es VIssza

,,-". - ,>' nem használják __::~_S ennek bizonyos

EAV-kódok köny­ - -- :~:S esetén decimális

- , - - c':3

- -: :"et.

_ __ -_ 2-l0-ig (8 bites átvi­ l~ -:_~-_'_~ :-.':" szinuszos és kosz::-. _:': összetevő, a képze,e:, :-:-:' VektordiagramOI'. ~:-., séghez tartozó vektc:: _~ részhez tartozó \"e;';:: =: Így ha a felbontás e: -?~;: bármelyik pontjába:-..:-: tevő) és a képzetes :.,0:':= megfordítható, más 5::. mellett létezik az ir.'.:':: Valós, időtartor.:2:-'~.:­ résszel rendelkező ;.;: :-:.:­ tív és negatív frehe:-.:~, löbbletinformációt 2: .:'

+=

H(t) = fH(f)e-i2Jr/ldf

inverz Fourier-transzformáció u(t)

2~~~.-~~----­

Időtartomany

Frekvenciatartomány

het)

Re(f) •

FT!

I

.~

iIFT

L\

H(f) Idő

Im(f}

L. ""'=7

+

-1

I FT: Fourier-transzfomáció

1FT: Im.·en Fourier-transzformáció

5.2. ábra

[\

ot-~~~~~~~-­

f

~

FOllrieHransz(omuíció

~. f

········l···L.·:

· · · . r·-, 33-j2:-. - --

f 5.6. ábra

Az IDFT

~

.-~~~e5e

._­ Periodikus jel

e~':

-

--

:.. -:: .:

.... - - .. . X .. .:: .. : ,0' . . :-

-~

~

~.

.

°

=."

­

= ­

:­

~e"."~~~~~

.,"­

, :-'~:.-­

OTlllllK FElEZET: TKi\:\"lrllRMÁCIOK A FREKVE'jClATARTllMÁNYBA ÉS VISSZI\

",Jlódi frekvenciatarto­ ,,:'Ze;: :ésről beszélhetünk,

::-.:: :oz adott

időablakba eső

'::'~:-:-:e:letek

is előfordulhat­ .ö:-:.ö~ e;öttí és az azt követő ,o:-:~.::.:. ~ai a igen egyszer(Í, A ·.,o~-:~2:'5ziormáció invertál­ .~S. :,"5:artománybeli jel idő­ :~,o':a :',2 diszkrét komplex '::-. :é:re. Ha ezt a komplex .-:::'arwIllánybeli jelet ka­ ~.~ az eredeti jellel, hanem ' . .ö::: ~'eriodikus jel lesz, : ,o,,' ~e5zletet kivágtunk (tu­ ;:-:.:,.Ll'Ú négyszögjellel), az :.::." es eg\' sin(x)jx jelnek a :3'>:an hatás is felléphet, :-.':: .. :'.5 során többé-kevésbé ::ze~:, már ami a módszer _ :-:~. .-.Llg\' cos 2 ablakot alkal­ >?:-.'::Sc):1:lt\'c1 simább átmene­ .0 ~~,o':e5ebb lesz a szakadás. ':a:a5z:natunk, van például ::-:a~~ s:f,. Az ablakozás azt _,,- ,05 a kivágott részt meg­

reb'enciatartomány

f

N pont

f

69

5.3. Gyors Fourier-transzformáció (FFT) A diszkrét Fourier-transzformáció egyszerű, ám igen idöigényes algoritmus, Ha azonban a pontok számát, azaz az N értékét úgy adjuk meg, hogy N = 2X legyen, más szóval, kettő hatványának megfelelő számú pontot választunk, akkor ennél ugyan összetettebb, de gyorsabb algoritmust is használhatunk, Ezt az algoritmust nevezzük gyors Fourier-transzformációnak (Fast Fourier Transform - FFT) , Maga az algoritmus a DFT-transzformációval megegyező eredményt produkál, de annál lényegesen gyorsabban és azzal a megkötés­ seI, hogy N = 2x (2,4,8, 16,32,64... 1024,2048... 8192 ... ). A gyors Fourier­ transzformáció szintén invertálható (inverz gyors Fourier-transzformáció ­ IFFT). Az FFT-algoritmus a lineáris algebra módszereit használja. A minták először bitfordítással végrehajtott előzetes rendezésen esnek át, majd pil­ langóalgoritmus segítségével kerülnek feldolgoztlsra. Ezek a műveletek jelfeldolgozó processzorokon és FFT-lapkákon gépi kódú algoritmusként rendelkezésre állnak. Az elvégzett szorzások számából látszik, hogy mennyivel gyorsabb az FFT- a DFT-algoritmusnál. Szorzások száma: D FT: N· N

FFT: N· log2N Az FFT-algoritmust már hosszú ideje használják akusztikus mérésekben (koncerttermekben, templomokban), valamint a geológiában (ásványok, élTek, olaj utáni kutatás). Az analízist nem valós időben, gyors számító­ gépeken hajtják végre. A vizsgálat tárgyát képezö közeget (termet, sziklát) rövid, de nagyenergiájú Dirac-impulzussal gerjesztik, majd rögzítik a rend­ szer válaszát. A Dirac-impulzus igen széles tartomtinyban az összes frekven­ ciakomponenst tartalmazza, segítségéve l tehát a közeg frekvenciaválaszát igen hatékonyan meg tudjuk határozni. Akusztikus Dirac-impulzus lehet mondjuk egy pisztolylövés, földtani lehet például egy robbantás. 1988-ban egy 256 pontos FFT végrehajtása valamely személyi számító­ gépen néhány percet vett igénybe. Manapság a 8192 pontos FFT (8k-FFT) elvégzése kevesebb mint egy ezredmásodpercig tart. Ezzel természetesen lehetövé vált olyan újfajta alkalmazások megvalósítása, mint a kép- és hangtöm6rítés, illetve az ortogonális frekvenciaosztásos nyalábolás (Ortho­ gonal Frequency Division Multip/ex - OFDM), A nyolcvanas évek végétöl az FFT-algoritmusl egyre sűrűbben használják analóg képjelek spektrumának elemzésére, illetve a képátviteli összeköttetések csoportfutási idejének meg­ határozására. Az FFT-transzformációt jelenleg már a fejlettebb oszcillosz­ kópok is el tudják végezni, így - ugyan bizonyos kompromisszumok mellett - alacsony költségLí spektrumanalízisre is lehetőség van. Az FFT a hang­ mérésekhez is ideális.

70

1)ICITAus \IÜSORSzriRÁS

5.4. A DFT és az FFT megvalósítása és gyakorlati alkalmazása A Fourier-transzformáció, a diszkrét Fourier-transzformáció és a gyors Fourier-transzformáció a komplex számmező fölött definiált. Ez azt jelenti, hogy mind a frekvenciatartománybeli, mind pedig az időtartománybeli .iel rendelkezik valós és képzetes résszel. A tipikus időtartománybeli jelek azon­ ban nlindig tisztán valósak, azaz a képzetes rész minden időpillanatban nulla. Így tehát a képzetes részt a Fourier-transzformáció, illetve annak nu­ merikus változatai, a DFT és az FFT végrehajtása előtt nullára kell beállítani. A DFT vagy FFT, illetve az IDFT vagy IFFT gyakorlati végrehajtásához két bemenő jel szükséges. A mintavételezett, idő- vagy frekvenciatartománybeli bemeneti jelek külön a valós részt és külön a képzetes részt tartalmazó táblaként állnak rendelkezésre. Mivel a tipikus időtartománybeli jel N darab mintája mindig valós, a megfelelő képzetes részek helyére l1UlIát kell írni. Ez azt jelenti, hogy az időtartománybeli minták képzetes részéhez tartozó táblát nullákkal kell feltölteni. Az inverz transzformáció végrehajtása után az idötartománybeli jel képzetes részének nullának kell lennie, feltéve, hogya frekvenciatartományban a valós rész szimmetrikus, a képzetes rész pedig antiszimmetrikus a mintavételi frekvencia felére. Ha e szimmetriák nem tel­ jesülnek a frekvenciatartományban, akkor a kimenet komplex jel lesz, azaz az időtartományban lesz képzetes összetevő is.

5.5. Diszkrét koszinusz-transzformáció Ahogy az a képletből is látszik, a diszkrét Fourier-transzformáció és annak egyik különleges változata, a gyors Fourier-transzformáció szinusz- és koszi­ nusz-transzformáció. Az időtartománybeli jel úgy áll elő, hogy számos, különböző amplitúdójú és frekvenciájú színuszos és koszinuszos összetevőt szuperponálunk egymássaL

Időtartomány

mA\':

OTO[1II( FEIEZFT

Fk =

I'.'

I

_.

II

~

Ir cos ( - - - ­

Ugyanilyen ere~:~.,:.~ szos jeleket hasr2 .. mációról (DeT) és :..ö:.~·, A különböző össz:,> összetevők összeg:,.,:.. .'~ nuszos tagra van ,,=.: ,< hanem az alapírek'.:,:·.~ ..: nusz-transzfornkc: __ \'··-1

"r

Fk = L

z

.

siní :-..::. ,.

Frekvenciatartomány Re(!)

re(t) r - - - - - - - - - . " . FFT/DFT

0---; IFFT/IDFT Im(t) ""--_ _ _ _ _ _--' 5.7. ábra

Az FFT és a UFT megvlllóslIása és gyakorlati alkalmazása

\ 5. s-

~

_.

\liiSOR,ZLÍRÁS

'alósÍtása ása

7\

ÖTÖDIK FEJEZET: TRANSZFORMÁCIÖK A FREKVEr\UATARTOMÁNYBA ÉS VISSZA

\1

It~ COS(

Fk

nk(z+l) N 2 );

:~ ,=,:-,:"':::'L':':l1áció

és a gyors :.: ,::':::';áll. Ez azt jelenti, -=.:: :::,:őtartománybeli jel .::: ':.=.::::::am'beli jelek azon­ .:cen időpillanatban ::. :::,,:,',l', illetve annak nuo':: .. ~;,1ra kell beállítani. ., ,,: ':égrehajtásához két :=-. '::=,.. t'nciatartomcÍnybeli . ",':::=>::'S részt tartalmazó ~ ~:,;::: :::anybeli jel N darab ,-:=."~,, nullát kell írni. Ez részéhez tartozó :~,'=':,.' ':égrehajtása után az . , ,':::lie, ieltéve, hogya . _~ ,: ,;épzetes rész pedig ;-:,; " :'::.mmetriák nem tel­ ":':=' :::::1,lex jel lesz, azaz o.

cos cos cos cos cos

_

. ''';'=:=:",

nszformáció

::':.:: .'::sz:ormáció és annak =::~::'.':::ó szinusz- és koszi· .::'. :'~. "lő, hogy számos. :":'c:' ~.;:,zjnuszos összetevőt

5.8. ábra

(O) (0,5x) (x)

(1,5x) (2x)

Diszkrét kosziwlsz·tmnszt'orrnáció

Ugyanilyen eredményre juthatunk, ha pusztán koszinuszos, illetve szinu­ szos jeleket használunk (5.8. ábra). Így tehát diszkrét koszinusz-transzfor­ mációról (DeT) és diszkrét szinusz-transzformációról (OST) beszélhetünk. A különböző összetevők összege megegyezik a DFT-algoritmussal kapott összetevők összegével, csak ilyenkor kétszer annyi koszillUSZOS, illetve szi­ nuszos tagra van szükség, és ezek frekvenciája nem az alapfrekvenciának, hanem az alapirekvencia felének egész számú többszöröse. A diszkrét koszi­ nusz-transzformáció nagy jelentőségű a kép- és hangtömörítés területén. \'

I., ,(

=

"t' , (nzk) L... SIJ1-­ ;-iI

z

N

hekvenciatartomány Re;f\

:::>!

Re(f)

"

: l,

sin sin sin sin sin

N pont

, .N pont II :,.., ?~t /'f

i r ---

I ml,'f'i -

f.=lts

5.9. ábra

Diszkrét SZill/lSZ-rrilnsz(oTrnáció

(0,5x) (x) (1,5x) (2x) (2,5x)

72

Ha bizonyos hosszúságú időtartománybeli jelen DeT-transzformációt haj­ tunk végre, akkor a frekvenciatartományban azoknak akoszinuszjeleknek az amplitúdóit kapjuk, amelyek összege magát az időtartománybeli jelet eredményezi. A nulladik sorszám ú együttható a jelrészlet egyenáramú össz('­ tevőjéhez tartozik. A többi együttható sorban a jel alacsony-, közép- és nagy­ frekvenciás összetevőit jellemzi, illetve azon koszinuszos tagok amplitúdóját adja meg, amelyekből az időtartománybeli jel szuperpozíció útján előál­ lítható. Mivel a jeIből kiragadott tartomány határain a DeT viszonylag jól viselkedik, ezért transzformáció és inverz transzformáció után nem lesz a jelnek szakadása. Valószínííleg éppen ez az oka annak, hogya DeT-transz­ formáció jelentős szerepet játszik a jeltömörítésben. A DeT a lPEG- és MPEG-képtömörítés egyik legfontosabb algoritmusa. A képtömörítés során a képtartaimat blokkokra osztjuk, majd a blokkokat kétdimenziós transzfor­ mációval a frekvenciatartományba transzformáljuk, végül blokkonként tömörít jük. Fontos szempont, hogya kibontás után a blokkhatárokat ne lehessen észrevenni (ne legyen szakadás ahatároknál) . A diszkrét koszi­ nusz-transzformáció (DeT) hatására a frekvenciatartományban nem komp­ lex együtthatópárok jönnek létre, azaz nem áll elő külön valós és képzetes

y

rész. Nincsen te'-:~: :.ó::: mondhatunk \c..c.:~' . pontosan a DFT ~.: .ó o' . szformáció, ar;~e.·· .­ nusz-tr anszforr:~c.: ményt produk.L .

5.6.

Időtarto

és trans. a frekve

Ebben a szakasz::-.ó­ tományi trdnsz:.:::~co a gyors Fourie:-:: oC: m;i.nybeli jel

~:-:-.::- ~ .. \·llZtuk,

.

: ~ C.

.-" 2

más szó­ Az ábrán az \égeztük. Ilyen

~::':::.,eZlk.

-,c"",c:

.~.:.. c.,'.,,~ozás

hatására a

,:':-::2:'2!:ekms hatása is

Irodalomjegyzék: [COOLEYl. [KUEPF], [BRONSTEINI

[PRESS],

[BRIGHAMl.

[HARRIS],

[FISCHER l],

[GIROD],

A világon mindö~~=->< 50 Hz félkép-ire:';',c~ _ -' 525 soros rendszt'~ _c__ ~ vetkező színes a :-, _, • PAL, • NTSC, • SECAM, A PAL-, NTSC,

é~ ~:: ~ c -.

soros rendszere:'; -c' ~ -- ­ között vannak l'_-_- .:.~__ - _ sen a képvivől. a= : "::-C-' ször negatív n:c,:_, szág) használ ;': = hangvivő általa~'.:.~

Észak-Amerika _ második segéé',-.,,: __ Annak ellenére, :--,:;:- _ között csak kl~" amelyek messzi' :~ ~:-- , _­ A televíziós :.;.:::: ~: -= -' véges sugár-vissz.::'_:.:' is be kell ikta tL_ ::::- -=" kijelzőn, (A meg-c-::-:-'-::-­ sarokból áll ÖSSZe':: :-::- _. ~ '.-an, az 525 soros ~-c~_>=o közé esik. A villódzás csc:,;:::,~.::,ó egyik iéIképhez a ;:- a: : o .: :\z így felosztott ',,_:. ~:> . . encia valójába;: " ,-:-:- --, .(,[tos szimiéne: .::_.:::< ~

Hatodik fejezet

MPEG-2 kódolás

A digitális, SDTV (Standard Definition Television - normál felhontású televízió) minőségű videojelek adatsebessége 270 Mbitjs. Ez túl nagy adat­ sebesség ahhoz, hogy ki tudjuk sug,irozni. Ez az oka annak, hogy a jeleket adásba küldés előtt tömörítenünk kell. A 270 Mbitjs-os adatsebességet le kell csökkenteni 2-6 Mbitjs-ra. A tömörítés mértéke tehát igen nagy, amit csak különböző, redundanciát csökkentő és a lényegtelen információt kiszűrő módszerrel lehet biztosítani.

6.1. A képtömörítés Az adattömörítéskor a redundáns vagy lényegtelen információt távolít juk el az adatfolyamból. A redundáns azt jelenti, hogy felesleges, a lényegtelen pedig azt, hogy szükségtelen. Feleslegesnek az az információ számít, ame­ lyet az adatfolyam többször is tartalmaz, amelynek nincs valódi információ­ tartalma, vagy amelyet a vételi oldalon matematikai módszerek segítségével veszteség nélkül vissza lehet állítani. A redundanciát például futamhosszkó­ dolással lehet csökkenteni. Ilyenkor ahelyett, hogy tíz darab llUlIát vinnénk át, egy különleges, rövid kódot továbbítunk, amely azt jelenti, hogy az adat­ folyamban tíz darab nulla következik. A Morse-kód ábécéje szintén redundanciacsökkentő elvre épül. A gyak­ rabban használt betükhöz rövid kódszavak tartoznak, a ritkábban használ­ takhoz pedig hosszabbak. Az információtechnológiában ezt a módszert Huffmann-kódolásnak nevezzük. Lényegtelen az az információ, amelyet az ember érzékszervei nem érzé­ kelnek. Videojelek esetén lényegtelen információnak n1inösülnek azok az összetevők, amelyeket szemünk anatómiájából adódóan nem veszünk észre. Az emberi szem jóval kevesebb színreceptorral rendelkezik, mint amennyi­ vel a világosságinformációt érzékeli. Ezért a "szín élessége" , azaz a színin­ formáció sávszélessége bátran csökkenthető. Szintén köztudott, hogya szem nagyon finom mintázatokra sokkal kevésbé érzékeny, mint a durvább struk­

-

82

1l1(;ITÁI.IS '.1ÜSORSZl1RilS

túrákra. Pontosan ezt használják ki a JPEG és az MPEG képtömörítési mód­ szerei. A lényegtelen információk kiszűrése mindig veszteséges módszer, ezért az adatfeldolgozásban redundanciacsökkentő módszereket használnak (gondoljunk csak a jól ismert ZIP-fájlokra).

-----

Adattömörítés

------

Redundanciacsökkentés (Nincs információveszteség)

Lényegtelen információk kisz(írése (Információveszteség)

Az MPEG-rendszerben a következő lépéseket kell végrehajtani a legfeljebb BO-szoros tömörítési arány biztosításához: • 10 bites felbontás helyett 8 bit (lényegtelen információk kiszűrése) • A sorkioltási és félképkioltási idő kihagyása (redundanciacsökkentésl • A színinformáció függőleges irányú csökkentése, 4 : 2 : O struktúra (lényegtelen információk kiszűrése) • Mozgóképek különbségi impulzuskód-, úgynevezett DPCM-modulációja (redundanciacsökkentés) • Diszkrétkoszinusz-transzformáció és kvantálás (lényegtelen információk kiszűrése)

• Cikcakk leképezés és futamhosszkódolás (redundanciacsökkentés) • Huffmann-kódolás (redundanciacsökkentés) Kezdjük ismét a kamerából származó analóg képjellel! A vörös, zöld és kék (RGB) jelekből mátrixolással előállnak az Y, Cll és CR jelek. Ezután e jelek sávszélességét korlátozzuk, illetve a jeleket analóg-digitális átalakításnak vetjük alá. Az ITU-BT.R601 által előírt lépéseke t végrehajtva az adatsebesség 270 Mbit/s lesz. Tudjuk, hogyaszíninformációt a világosságinformációhoz képest máris csökkentettük: a világosságjel mintáinak száma éppen két­ szerese a Cll vagy CR jelek mintái számának. Emiatt lesz a jel 4 : 2 : 2 struk­ túrájú. Az ITU-BT.R601 jelű szabvány tehát maga is tartalmaz olyan lépést, amely a lényegtelen információ egy részét kiszlíri. Az MPEG-képkódolás segítségével az így előálló 270 Mbit/s-os jel adatsebességét kell 2 ... 6(15) Mbit/s-ra csökkenteni.

HATODIK FLIEZIT \,.,c:, _ .

érzékelési kÜ:3zl'~­ értelme 10 bites ::< persze az utór~~.::.:' c' érdekében 10 b::::,~ :c: ­ előírt 10 bites Íe:::- _ lékkal csökken lényegtelennek 0='=::' ti jel a vételi old2 ­ vissza. Az S /:,; .:::: dB-lel emelked;:":

6.1.2. A félkérk::: Az ITU BT.R60~::,. illetve sorkioltás 2.':-­ tet sem. Az ilw:: :-:~> például hangiele,,::,' .:­ kell továbbítani. ,:.. ~: -, men kívül hag\'12. _~ c' tileg itt található::,.:.' c A 625 soros p'.\.:", :: :' a meg nem jelen::",:' : ' , százalékot kap~::>, elhagyásával n':e: _", _ c ban csak 52 ps.~, " .. takarítást tesz :-;, " mondhatjuk, hL'::

625 sor

6.1.1. A kvantálás csökkentése 10

hitről

8 hitre

Az analóg televízió egyik "ökölszabálya" szerint, ha a videojel fehér szintre vonatkozó, súlyozott jel/zaj viszonya 48 dB-nél nagyobb, akkor a zajt az emberi szem még éppen nem érzékeli. Az analóg-digitális-átalakítót meg­ felelő jellel táplálva, a 8 bites felbontás ból eredő kvantálási zaj jóval az

;:l~ ,- '1i.1' M(íSORSZÖRÁS

::

\~::'::c

;';'éptömörítési móLi­

'.:-'::::: -.-eszteséges módszer, ~: ~ :~'.-~szereket hasznc~lnak

--.::: :~'.C

:11ációk kisz(írése .',!\'('szteség)

83

HATODIK FEJEZET: MPEG·2 ,l1[]UI.AS

érzékelési küszöb alatt marad. Ennek köszönhetöen a stúdión kívül nincs értelme 10 bites felbontású V, CB és CI{ jeleket tov,1bbítani. A stúdión belül persze az utómunkálatok leegyszerüsítése és a jobb minőség biztosílcísa érdekében 10 bites felbontást használnak. Az ITU BT.R60l szabvány szeritlt elöírt 10 bites felbontás helyett 8 bitest használva az adatsebesség 20 száza­ lékkal csökken ([10-8] / 10 = 2 / 10 = 20%). Mindez azonban máris olyan lényegtelennek számító információ elvesztését jelenti, amely miatt az erede­ ti jel a vételi oldalon - a dekódolást elvégezve - teljes egészében nem állítható vissza. Az S / N (dB) = 6 x N szabályból adódóan a kvantálási zaj szintje 12 dB-lel emelkedik.

6.1.2. A félképkioltás és sorkioltás kihagyása _... e::::ei1ditani a legfeliebb :~~.:::ók kiszűrése)

:e.:.: :~c:anciacsökkentés 1 e:-.::-"::'. -t : 2 : O struktúra ~:-e::::,::

DPCM-rnodulációja

'~\egtelen

információk

'': _. :-.:: .::~(iacsökkentés)

:-~-

e.:-.' .-\. vörös, zöld és kék

. e, C ielek. Ezutcln e jelek

Az ITU BT.R60l jeW szabványnak megfelelö digitális videojel félképkioltc1s, illetve sorkioltás alatti része nem tartalmaz fontos információt, még teletex­ tet sem. Az ilyen részek azonban tartalmazhatnak kiegészítő adatokat, például hangieIeket, ám ezeket az MPEG-szabvány elöírásai szerint külön kell továbbítani. A sorkioltási és a félképkioltási időt tehát a szabvány figyel­ men kívül hagyja, ugyanis a sorkioltási és félképkioltási idő, illetve az erede­ tileg itt található jelek a vételi oldalon gond nélkül visszaállíthatók. A 625 soros PAL-jeIből a kijelzőn valójában csak 575 sor jelenik meg. Ha a meg nem jelenített 50 sort elosztjuk a teljes képnek megfelelö 625 sorral, 8 százalékot kapunk. Ez az a megtakarítás, amelyet a félképkioltási idő elhagyásával nyerünk. Egyetlen sor időtartama 64 ilS, az aktív soridő aZOI1­ ban csak 52 ps. A kettő hányadosa 19 százalékos adatsebességbeli meg­ takarítást tesz ki. Mivel a két meg takarítás id önként átfedi egymást, azt mondhatiuk, hogya teljes redundanciacsökkenés körülbelül 25 százalék.

,'2: _. ':-c~igitális átalakít,ísnak : '.e:::::-::aitva az adat sebesség ~ . .: '.:3.gosságinformácir'ihoz :.:. :::::~ak száma éppen két­ :~~.,::: :e5Z a jel 4 : 2 : 2 struk­ ~::::: ., :artalmaz olyan lépést, __ _ Az MPEG-képkódolás 2:::::,-2~'t'55égét kell 2 ... 6(15)

64 ~IS félképkioltás (8 %) ~

625 sor

bitről

8 bitre

""

o 0\

::­ fl!

,~

.::

..o

.9 .,:(

látható, aktív képtartalom

575 látható sor

fl!

.- :-:::0 ·.-:c:eo.iel fehér szintre _ :.'"O::.'~'b, akkor a zajt az -

~~

OO: c ben eg\'al:202:: tálás méné-;e felé halad'. c' 20 , A k\·ar::2:'::':00é., mosan - azc: .: :-oé.,:o együttható ';2:0~ :-0. Az így e:6.o:o: -:~:-:-. latban a JPEG- :':' '.':-: lást alkalr.i2z,,::-0:· .: , _ (6.16. ábra'. ~:.: ~ :-0.. o

.:

250 200

150 110 100 50 50

10

o

2

20

10

3

3

4

5

20

8

6

7

n

o

50 40 32

30

Q

nusz-traL:'l:coo :-:0,'::

20

16

259 , . - - - - - - - ­

10

1

o

1

1

1

4

1

2

3

4

8 5

6

7

n

11:18

250 200

150 110 100

.31) f---~----

(JAI

50

If

50

20

10

o

2

6.14. ábra

3

3 4

" , \ 1=

O 5

1

6

O

7

',.\ .~:

n

A DCT-egyiittharók kvaruálása

....

::­

~) l:ITÁUS MŰSORSZÖRÁS

.=

:~e~·:enciatartományba.

~~:",~~

'" 'É "

~

j ,~

'"

'~ ,~

...

~:~ --..,

o 'O .c~

+~

:í:~

''''

.. '=

"".. c"'"

~

~

...o

~

>c oN .~

o.. ..

~

'Il

~~

.s::

~

Profilok

;;

'Il

N

if~

-...., ~

~~

E~ ~ ".

""~

=N

~

.g -: ~ ~ ~,~ t: ':I

.E

't ~] 10'\

~

b

~-(I\

.

:~ :~

CS;;

:85 ..lt: '0 ..~

~ ~

..~

'o ,n

Az MPEG-szabl'ánv által megadott proli/ok és szintek

100

DICITÁI.IS MtlSORSZlÍRÁS

magasabb a normál felbontású televíziójel adatsebességénél, mégis a felbon­ tástól és a mintavételi struktúrától függetlenül ugyanúgy az e!özőekben ismertetett adat sebesség-csökkentő módszereket kell alkalmazni. A kódolás után létrejövő jelek csak minőségükben és - természetesen - adatsebessé­ gükben térnek el egymástól. Egy 4 : 2 : O szerkezetű, 6 Mbit/s-os normál fel­ bontású jel minősége többé-kevésbé megegyezik a hagyományos analóg televíziójel által nyújtott minőséggel. A gyakorlatban azonban az adat­ sebesség általában 2-től 8 Mbitjs-ig terjed, és ez hatással van a képminőség­ re is. (A sportműsorokhoz például egyebek mellett, a gyors mozgások miatt, magasabb adatsebesség szükséges.) Az elemi képfolyam adatsebessége lehet állandó, de a képtartalomtól füg­ gően akár változhat is. Az adatsebesség módosításához a kvantálási tényezőt az MPEG-kódoló kimeneti pufferének telítettségétől függöcn kell változtatni (6.26. ábra). Az I-, P- és B-képek makroblokkjai különbözö módon kódolhatóak. A makroblokktípusok száma B-képek esetén a legnagyobb, ahol a makro­ blokkok az alábbi módokon továbbíthatók:

HATODIK FEJEZET: \'c,: _': ­

• belsö kódoI2:'~: • előre kódoL", • előre és héí t ~.:c. • kódolás nél;';_:

A kódolás nakapacitástól 2;: .0.=> Az analóg te:",',;: _ _ hanem képeket :.:-.- ~ ~ ~ tároló tartaImát :::-:'-::::' : Van azonba r: ~ =:' ~ amely váltott sorcs, :".-. a makroblokko;';,c' _ .. lényege, hogy ci ~!C-:-· újrakódolja,

11lj(~::2_

párhuzamosdIl

6.3. Az + - 1920 képpont

1152 sor

Látható, aktív képtartalom

1920 képpont/sor x 8 bit/képpont x 1152 sor/kép x 25 kép/mp (váltott soros) x 2 (4:2:2)

~ ~

Nagy felbontáslÍ televíziós jel adatsebessége

,

~------------------_: 6.26. ábra

Az MPEG·2 kódoló

eleIl1~

A képfolyam leg~.'::'~ ~ során az egyes t>:::.: :. formációt (Der,.., _ egy CR-, illetYE' eB-:"'. : . eltérö mértékbe:-. ~,'. .::""

= 885 Mbit/s

6.25. ábra

..

2.:: .:_":C·~

6.27. ábra

~ ~ '

.

HATODIK FEJEZET: MPEG·2 K(Íf1OLIÍS

101

• belső kódolással (teljesen új tartalom), • előre kódolással, • eWre és hátra kódolással, • kódolás nélkül.

::-""~~2==~:;e:.

mégis a felbon­ _=='.2::.:2': az el\ízöekben :"2 .. 2.::2imazni. A kódolás ':-:-'2~=2:esen - adatsebessé­ ::-:..:. _; '.~jitis-os normál fel­ ::.: .: ::2gnlmányos analóg . ~.':'::''::; azonban az adat­ ~.'::2~, . . encia valójába;: " ,-:-:- --, .(,[tos szimiéne: .::_.:::< ~

Hetedik fejezet

Hangjelek MPEG és Dolby Digital rendszerű kódolása

7.1. A digitális hangforrásj el Az emheri fül dinamikatartománya körülbelül 140 dB, érzékelési sávszé­ lessége pedig legfeljebb 20 kHz. Ha jó minóségü audiojeleket szeretnénk előállítani, akkor ezeket a param6tereket feltétlenül figyelembe kell ven­ nünk. Digitalizálás előtt az analóg audiojeleket aluláteresztő sz(írő segít­ ségével sávkorlátozni kell. Az analóg-digitális átalakítás mintavételi frekven­ ciája 32 kHz, 44,1 kHz, 48 kHz (vagy 96 kHz) lehet, a felbontásnak pedig legalább 16 bites nek kell lennie. A 44,1 kHz-es mintavételi frekvencia audio­ CD-lemezek eset én használatos, a 48/96 kHz pedig stúdióminóséget jelent. A 32 kHz-es frekvencia ugyan még mindig szerepel az MPEG-szabványban, a valóságban azonban ezt már nem használjuk. A 48 kHz-es mintavételi frekvencia 16 bites felbontás mellett csatornánként 768 kbitjs-os adat­ sebességet eredményez, amely sztereó jel eset én körülbelül 1,5 Mbit/s-os adatsebességnek felel meg. A hangtömörítés célja ezen 1,5 Mbitjs-os adatfolyam adatsebességl\nek 100 és 400 kbit/s közé csökkentése. A manapság igen elterjedt MP3-fj.jlok adatsebess6ge gyakran mindössze 32 kbit/s. A videojelhez hasonlóan a se­ bességcsökkenést itt is redundanciacsökkentéssel és a lényegtelen informá­ ciók elhagyásával érjük el. A redundancicsökkentés a fölösleges információk elhagyását jelenti, azaz nem jár információvesztéssel. Ezzel ellentétben a lényegtelen információk elhagyása során az emberi fül által nem érzékelhető információkat távolít juk el. Az összes hangtömörítési eljárás a pszicho­ akusztikus modellen alapul, azaz az emberi hallás "tökéletlenségeit" figye­ lembe véve távolít juk el a szükségtelen információt az audiojeIből. Az em­ beri fül nem képes az intenzív hangokhoz id(iben vagy frekvenciában közeli gyengébb hangokat észlelni. Ez azt jelenti, hogy bizonyos hanghatások a náluk kisebb amplitúdójú hanghat.isokat elíeLlik (maszkolják).

106

Az .\1PEC·':' pedig kia",,: .

7.2. A hangkódolás története A digitális hangmüsorszóró (Digital Audio Broadcasting - DAB) rendszer kiépítésén ek elökészületeként a müncheni Institut für Rundfunktechnic (IRT) intézetben 1988-ban kifejlesztették cl MASCAM nevű kódolási eljárjst. A MASCAM-rendszerből az IRT, cl CCETT, a Philips és a Matsushita össze­ fogásának eredményeként létrejött a MUSICAM (Masking Pattem Universal Subband Integrated Coding and Multiplexing - "maszkolómint,1ra épülö uni­ verzális integrált részsávkódolás és -nyalábolás"). A DAB MUSICAM-rendszerrel kódolt hangjeleket használ. Mind a MAS­ CAM, mind a MUSICAM részsávkódolásra épül. A részsávkódolás soréín a hangjelet több részsávra bontjuk, az egyes részsávokból pedig kisebb vagy nagyobb mértékben kiszürjük a lényegtelen infmmációt. A részsávkódolás kifejlesztésével párhuzamosan a Fraunhofer Cesellshaft a Thomsonndl karöltve megalkotta a transzfmmációs kódoláson alapulö ASPEC-módszert. A módszer lényege, hogya hclngjelet az idötartományböl diszkrét koszinusz-transzformációval (DeT) a irekvenciatartományba transzformáljuk, cl lényegtelen informcíciökat pedig ott szürjük ki. Mind a részsávkódoláson alapuló MUSICAM, mind pedig a transzformá­ ciós kódoláson alapuló ASPEC bekerült az 1991-ben megjelent MPEG-l hangtömörítési szabvány (lSO/lEC 11172-3) eljárásai közé. Az MPEG-l hangkódolási szabvány hi'lrom réteget definiál: az L és II. réteg inkább a MUSICAM-, a III. réteg inkább az ASPEC-kódolást alkalmazza. Az MP3 jelölést gyakran összetévesztik az MPEG-3 rendszerrel. Az MPEC-3 célja ere­ detileg a nagy felbontású televízió (High Definit ion Television - HDTV) meg­ valósítása volt, c1m ezt beépítették az MPEC-2 szabványba, így az MPEC-3 rendszerre nem volt szükség, fejlesztése félbt' is maradt, a szabvány pedig teljesen megsz(ínL

codzng i

ci

:l':- '"'.'

MPEC-2 ;~,:::2' " Az .\lr[C,,~ ~, . Államok >~. sZab\',lm':. ,:.. ~>_ ~ decembe~éjt':~. .: NapjainkG'::: ~.::-=:-: ._ digitális Í«c:",,..::, !\éhám' m2.~ :~~.::.:~ ; mellett az AC-: :-: ~. nem rossz "':0:: ..' iilmek atkl'l~\ . . között g\a"l': ..0'. két möLiszt':: :.0:-- . is taLílkc)z\~2: :. sai az aLbl'.·c, • 1990: Do;;": =' ..0: 'c • 1991: az e:5: ,~:.: • 1991. dece:::::,,,,: '\apjainkbaI: 5=.::~:' kódolást al~2::-:~~= iol\'c.m az .\' ':c ,- ­ pedig []let' ,.c

.

..

\:- ~ ..:. '.

Jobb

1,,-:­ =C~-

16 bit

~~ sávszélesség: 15 Hz, .. 20 kHz

akár 768 kbit/s

1.5 Mbit/s

t

32/44,1/48 kHz

mintavételi frekvencia

Bal

Hi bit

e-r=v . 1%1 . ~ sávszélesség; 15 Hz ...20 kHz

akár 768 kbit/s

t

32/44,1/48 kHz

mintavételi frekvenda

7,L ábra

Dig/wlls Iwnglomísjel

TÖluörités

l

100-400 kbit/s

I f ; _. "-_

107

HETEDIK FEJEZET: HANG.IU.EK MPEG f:s nou;\' lliCITAL RENDSZERlí KönoLÁSA

Az MPEG-2 hangkódolási része jtvette az MPEG-1 rétegeit, a II. rétegből pedig kialakította az úgynevezett IL MC-réteget, ahol az MC (multic1wl1cl coding) a többcsatornás kódolás tdmogatásAra utal. Az ISO/IEC 13818-3 ielLí MPEG-2 hangkódolási szabványt 1994-ben fogadtAk el. Az MPEG-hangkódolással párhuzamosan cl Dolby Laboratórium (Egyesült Államok) megalkotta az AC-3 néven is ismert Dolby Digital hangkódolási szabványt. A szabványt 1990-ben fogadták el, a nagyközönség pedig 1991 decemberében, a Star Trek VI bemutatóján találkozhatott elöször vele . Napjainkban számos film Dolby Digital hanggal rendelkezik. Az amerikai digitális földfelszíni televízió, az ATSC kizárólag AC-3 kódolást használ. Néhány más ország szintén tervezi, hogyameglévő MPEG-hangrendszer mellett az AC-3 kódolást is bevezeti. A két rendszer párhuzamos alkalmazása nem rossz elgondolás, ha más okból nem is, azért, mert így nincs szükség a filmek átkódolására. A minőség szempontjából az MPEG és a Dolby Digital között gyakorlatilag nincs különbség. A fejlett MPEG-dekódoló lapkák mind két módszert támogatják. A PCM- és az MPRG-hang mellett DVD-lemezckcll is találkozhatunk AC-3 hangsávval. A Dolby Digital kifejlesztésének áll(mlcÍ­ sai az al,í.bbiak voltak:

e : ','

_.~

- DAB) rendszer Rundiunktechnic :.~~ ~l~doL1Si cljl1rjst. ',:c1tsushita össze­

\~.~~.~" _o:::

Pattern Universal

. ..-< 50 Hz félkép-ire:';',c~ _ -' 525 soros rendszt'~ _c__ ~ vetkező színes a :-, _, • PAL, • NTSC, • SECAM, A PAL-, NTSC,

é~ ~:: ~ c -.

soros rendszere:'; -c' ~ -- ­ között vannak l'_-_- .:.~__ - _ sen a képvivől. a= : "::-C-' ször negatív n:c,:_, szág) használ ;': = hangvivő általa~'.:.~

Észak-Amerika _ második segéé',-.,,: __ Annak ellenére, :--,:;:- _ között csak kl~" amelyek messzi' :~ ~:-- , _­ A televíziós :.;.:::: ~: -= -' véges sugár-vissz.::'_:.:' is be kell ikta tL_ ::::- -=" kijelzőn, (A meg-c-::-:-'-::-­ sarokból áll ÖSSZe':: :-::- _. ~ '.-an, az 525 soros ~-c~_>=o közé esik. A villódzás csc:,;:::,~.::,ó egyik iéIképhez a ;:- a: : o .: :\z így felosztott ',,_:. ~:> . . encia valójába;: " ,-:-:- --, .(,[tos szimiéne: .::_.:::< ~

Kilencedik feiezet

A digitális képszabványok

összehasonlítása

9.1. MPEG-l és MPEG-2, veD és DVD, M-JPEG és MiniDVjDV 1992-ben jött létre az MPEG-l, a hanggal kísért mozgóképek tömörítésére vonatkozó első szabvány. A szabvány célja a hozzávetőleg VHS-képminőség elérése volt a CD adatátviteli sebességének (max. 1,5 Mbitjs) határain belül. Az MPEG-l szabvány csak a háttértárakon és hordozókon (CD, merevlemez) tárolt fájlokkal dolgozó alkalmaziísok számára készült, nem pedig képMvitel (műsorszórás) céljára, így az alkalmazott adatszerkezetek is ezt a célkitűzést tükrözik. Az MPEG-l hang- és képkódolása igen közel áll az MPEG-2-éhez, és az alapvető algoritmusok és módszerek már itt megvan nak: az MPEG-l tartalmaz I, p és B típusú képkockákat, azaz előre- és hátramutató mozgás­ vektor-becslést, és természetesen tartalmazza a JPEG-nél korábban már al­ kalmazott diszkrét koszinusz-transzformáció (DCT) alapú redundancia­ csökkentő módszereket is. Képfelbontclsa azonban a VGA-felbontás mintegy egynegyed ére korlátozódik (352 x 288). Mezőkódolásra sincs szükség (vál­ tottsoros letapogatási mód). Az MPEG-l-nél csak egy ún. műsor-adat folyam (PS) van, amely adatcsomagokra bontott elemi adatfolyamok (PES) multi­ plexeit kép- és hangcsomagjait tartalmazza. A változó (max. 64 Kbájt) hosszúságú PES hang- és képcsomagok egyszerüen az aktuális adatátviteli sebességnek megfelelően egymás utc1n vannak fűzve, így alakul ki belölük az egyetlen adatfolyam. Ezt az adatfolyamot semmilyen további feldolgozásnak nem vetik alá, mivel ez a szabvány csak hordozón való tárolás és nem átvitel céljára szolgál. Bizonyos számú PES hang- és képcsomag egy ún. adatcso­ magcsoportot (szekvenciát) alkot, amely - magukhoz a PES-adatcsomagok­ hoz hasonlóan - fejlécből és a hasznos adatból áll. Az adatcsomagszekven­ ciák mérete gyakran igazodik a háttértár fizikai adatszektorának méretéhez. Az MPEG-2-nél a nagyobb felbontás és a jobb minőség irányába fejlesztet­ ték tovább a kódo!ási módszereket. Emellett az átvitelt mint célkitűzést is figyelembe vették az MPEG-2 adatok hordozón történő tárolása mellett. Az MPEG-2-nél az átviteli adatfolyam képezi az átviteli réteget, ami jóval kisebb

...

-

•

124

KILENCEDIK

adatcsomag-szekvenciaszerkezeteket, mélyebb szintű multiplexelést és kü­ lönböző hibajavítási mechanizmusokat tesz lehetővé. Az MPEG-I-nél egy adatfolyamban csak egy músort (egy filmet) találhatunk, míg az MPEG-2-nél multiplexeit adatfolyamok is lehetségesek, amelyek egyszerre akár 20 vagy több músort is tartalmazhatnak. A szabványos felbontású TV (SDTV) mellett az MPEG-2 támogatja a nagyfelbontású TV-t (HDTV) is. Ma a világon mindenhol az MPEG-2 szab­ ványt használják műsorszórásnál a digitális alaps,ívi jelek kódolására. A Video CD músorként egyetlen MPEG-I kódolású adatfolyamot, azaz egyetlen, multiplexeIt PES-adatcsomagokböl álló músort tartalmaz. Az ösz­ szesített átviteli sebesség közelítőleg 1,5 Mbitjs. Számos mozifilm kalóz­ példánya elérhető a fenti Video CD formátumban és letölthető az internetről vagy megvásárolható afeketepiacon. A Super Video CD egy 2,4 Mbitjs sebességú MPEG-2 adatjelet tartalmaz, szintén egyetlen, multiplexeIt PES-adatcsomagokból álló mlísor-adatfolyam formájában. A Super Video CD képminösége nagy j • az internet, • PC-s interaktív c:_,,::- ' • kevésbé jellemzl\ .= '. alkalmazások az ',', :: ~ Az MPEG·4 hivata:c:,'.': vel és az MPEG-4-g\e, _. (ún. metaadatokkal : _­ ványokat. Célja az é~' >':-, továbbítása, egyia;:2 C'~. dá ul MPEG·2 fOfIl'.2:_'-' adatokat jeleníthe: ::-,~~ mában, akár (mode~:. ' -, kal is felvértezve, ,~= ,'.'~ sára pedig az MHP -- __ form") nevű mOL:e~:­ szabványban, vala ... vevőkészülékben "e:.' Az MPEG-21 2C~:-:é zöket és módszere:,'" kiegészítésére SZO:;;:éé­

j ÁllJ

jszo"c g

~

\ us

KILE~CEDIK FFJEZET: A DIGITÁLIS Kf:I'SZABI'Á~YllK ()SSZEI1ASONLfTÁSA

Y1l1S0RSZl1RÁS

Az MPEG-4 fejlesztése tovább folytatódott, dl' új utak keresése hplyett inkább az MPEG-l-nél és MPEG-2- nél alkalmazott kép- és hangkódo!,í.si módszerek átvétele és finomítása terén. Az egYE'tJen igazi újdonság az, hogy az MPEG-4 képes kezelni szintetikus képi és c1udioviZLlális elemeket, péld,iul szintetikus hangokat is. Az MPEG-4 objektumai PES-adatfolyamként mind MPEG-2 adatfolyamban, mind MPEG-4 fájlokban elhelyezhetőek. Sőt, az MPEG-4-es adatok műsoradatfolyamként IP-adatcsomagokba ágyazva is továbbíthatók. Az MPEG-4 alkalmazások felhasználási területe általában • az internet, • PC-s interaktív multimédia-alkalmazások, • kevésbé jellemző, de létező alkalmazási terület a műsorszórás (MPEG-4 alkalmazások az MPEG-2 formátumban közvetített műsorba ágyazva),

o:~,-.::.:,zab\'ány,

amely 25 -:, ' ~:', sebesség a MiniDV '.':'='~, cl \UPEG speciális ,~':,:'2si táblák átvitell'fe, :',:co :~',,'~roblokkok között, ~·:':2\'ek közü! a kódoló ~o'::~:',::, A MiniDV és a , ,~,: ::.'agas átviteli sebes­ :', :"-.':-e ma már mintegy :.:: ::::,::,;It szerkesztőprog­ --::::': ::',lK a szakemberek .c:-,·,:'::: néven a soros dig: :.:. .. ~ BNC-csatlakozókk2: :':: ~ illesztővel ellentéc'::,:-:--­ nagy távolságra l~ :_

:'CIT·US MŰSORSZlJRÁS

:\llapot 1992 óta szabvánv

: 993 óta szabvány

: 999 óta szabvány '::001 óta szabvány

\:églegesítve '::003-ban

KILENCEDIK Ff:IEZET: A DICITALIS Kf:PSZABVA1\ YOK llSSZEH,\SONLíTÁSA

129

A digitális videojeleket soros adatfolyamként továbbít ják 270 Mbitjs átviteli sebesség mellett 75 ohmos koaxiális k,íbelen, amely a jól ismert, robusztus BNC-csatlakozóban végzödik. Az átvitelnél nem tesznek fizikai különbséget a CCIR 601-es szabvány szerinti jelek, illetve az MPEG-2-es adat­ folyamok között. A stúdión belüli jelelosztás ugyanaz, a kábelek ugyanazok, az erösítők és a kábelkiegyenlítők úgyszintén. A szakemberektől gyakran hallható ezzel kapcsolatban az SDI és a TS-ASI szakkifejezés, de a fizikai illesztőfelület mindkét esetben azonos, csak az átvitt tartalom különbözik. Az SDI a "soros digitális illesztő" kifejezés rövidítése, és a 601-es szabvány tömörítetlen, 270 Mbitjs adatsebességű videojelére utal. A TS-ASI jelentése "átviteli adatfolyam aszinkron soros illesztője", és a soros felületen átvitt MPEG-2 adatfolyamra uta!, amelynek sebessége jóval a soros felület teljes átviteli kapacitása alatt marad. Az MPEG-adatfolyam sebessége a TS-ASI illesztő állandó, 270 Mbitjs-os sebessrgéhez viszonyítva aszinkron, tehM például 38 Mbitjs-os átviteli sebesség eset én a 270 Mbit/s-ig fennmaradó különbséget egyéb kitöltő információkkal kell feltölteni. Az állandó 270 Mbit/s-os adatátviteli sebesség megvjbsztásának oka kézenfekvő: a stúdió­ ban az a kívánatos, ha egyazon jelelosztó hjlózaton továbbíthatók a CCIR 601-es jelek és az MPEG-2 adatfolyamok.

:'~~-:'

inkább összeolvad. magasabb pont­ ~. ~ ~ .. a interneten valaha . >::T~alható visszirányú 'occ··:< ;,éldául kábeltelevÍ­ ':::~'.>": minóségeazonban :'~ ~ ~~2gas költségek miatt, - :~. 2!natos, stabil nagy­ ....,; CSJk a központ és az ~. =.:: egészén m,ír nem. '.~ ~ .·.~Jl

:~lintegy 4,2-6 MHz

-:. -=': :.':ténik. Ezek a több­

.c.,:::sl:wk mind a pro­

:.2 o' ~::-::::. Ha a lezáxc1s pon­

:.:~. ~- .. :jdója l Vpp ' I\Z ('\sCí

~_ :- ~::-:~:zJmos (nyomtató­

,:.: - • MPEG-2 illesztő, \·a12:· ~ ... ­ A műszer maga az c=:~_: ~ ~. doló, MPEG-2 analir:

TS ASI egybájtos iizemrnódban (fent) és burst módban (lent)

képernyőn,

A

és el\-l'O::

mérődeködereK ~e~-­

egyidejű cleköcloLis. . végzett különiéle analízis egyedi ese: c - - ­

MPEG-2 átviteli adatfolyam

A TS ASI illesztő két üzemmódban működhet: az egyik a burst mód, amikor a TS-adatcsomagok önmagukban változatlanok maradnak és a 270 Mbit/s-os átviteli sebesség eléréséhez külön kitöltő adatcsomagokat kell beiktatni, a másik pedig az egybájtos üzemmód, amikor viszont kitöltőbáj­ tok kerülnek az adatfolyamba a fenti átviteli sebesség elérése érdekében.

Irodalomjegyzék: [CRUNWALOJ, IOVCJ, [OVMOI. [DVQ], [FISCHER4 J, [ITU601 ], [REIMERSl, [TAYLOR], IMPEG4!

\'.

-r'C

r n

Tized ik fejezet

'Iln'"

_).)_LJ. LJ __LJ. L .

-SS-!16d lszinklll .·SS---I--------­

Mérések az MPEG-2 adatfolyamon

SS--C~T----. , 'lcÚt LlLjl

IWCJ

:~ 5

I

I

TSB

II

A digitális televíziózás megielenésével sem" felhasz!lcílók reményei, sem a mérömCíszerek gyártóinak félelmci ncm igazokídtak be: továbbra is komoly igény van a digitMis televíziózásb" ll" mérómüszerck iránt, cs" k cl szükséges típusuk változott meg. Míg az analóg televíziózásnál elsösorban képjel-anali­ Zcítorokkal vizsgálták az analóg alapsávi jelek mérősorait, a digitális TV-nél már MPEG-2 méródekóderekkel dolgoznak, és az MPEG-adatfolyam közvet­ len vizsgálata vált forgalom és igény szempontjából a digitcílis !elevíziózcÍSJl,íl alkJ.lmazott legfontosabb méréssé. Az MPEG-2 méródekódoló hemenete vagy párhuzamos 25 pólus LI MPEG-2 illesztéí, vagy soros TS-ASI BNC-csatlakozó, vagy mindketW lehet. A müszer maga az alábbi alapvctő cÍramköri elemekböl áll: MPEG-2 clekó­ dolö, MPEG-2 analizátor (ez ,1 Ita lá b;m egy digitális jl'lfeldolgozó), illetwegy vezérlő számítógép, amely fogadja elZ eredményekt't, megjeleníti öket a képernyéín, és elvégzi az összes szükséges vezérlési és irányílcísi feladatot. A mérődekóderek képesek elZ MPEG-adatfolyam összes kép- l'S hangiclének egyidejCí dekódolására, valamint az adatszerkezetek elemzésére és a rajtuk végzett különféle mérésekre. Az MPEG-2 adatfolyam elemzése cl logikai analízis egyedi esetének (ekinthe(ö.

K28.5

x K28.5

MPEG-2 átviteli adatfolyam

. -< módboll (lellt )

a egyik a burst mócl, .' "'.''; maradnak és a 270 .:_, adatcsomagokat kell .:: ':~~~LlI viszont kitöltöbcíj­ ~~:':'C'~ dérése érdekében.

Videó

MPEG-2 dekódoló

Audió

. ..

Digitális jelproceS5Z0r

Illesztők

= . . encia valójába;: " ,-:-:- --, .(,[tos szimiéne: .::_.:::< ~

Tizenegyedik fejezet

A digitális televíziójelek képminőségének vizsgálata

Digitális televíziójelek esetén a képminőség egészen más hatásoktól és ténye­ zőktől függ, mint analóg jelek esetén. Míg a zaj analóg jelek eset én "havazás" formájában közvetlenül megjelenik a képernyön, digitális televíziójelek ese­ tén a zaj egy bizonyos szintig csak a csatorna bithibaarányát növeli. A jeibe épített hibajavító kódolás egy határig képes automatikusan kijavítani a bit­ hibák túlnyomó többségét, így ezek egyáltalán nem vehetök észre a képen vagy a hanghan. Ha a digitális jelek Mviteli útja túlságosan zajossá vcílik, az átvitel hirtelen, ugrásszerűen szűnik meg ("kártyavárszeríí összeomlás"). Sem a lineáris, sem a nemlineáris torzítások nem gyakorolnak közvetlen hatást a digitális televíziójel kép- vagy hangminőségére, szélsőséges esetben azonban az átvitel teljesen megszünhet. A digitális televíziózásban nincs szükség VlTS (függőleges mérője!) sávokra a lineáris és nemlineáris torzítás észleléséhez, sem fekete csíkokra a zajszint méréséhez - ezeket a jel nem tar­ talmazza, és ha tartalmazná is, semmilyen mérési eredményt nem szolgál­ tatnának a kapcsolat minőségét illetően. Mindazonáltal itt is beszélhetünk jó, közepes és rossz képminőségről, azonban ezeket a fogalmakat másként kell osztályozni, jelenlétük pedig eltérő módszerekkel állapítható meg. Lényegében két, egészen eltéréí típusú interferenciát okozó zavarforrás torzíthat ja a képátvitelt: • az MPEG-2 kódoló vagy néha a multiplexer, illetve • a modulátortól a vevőig terjedő jelÚI. Az MPEG-2 kódolónak közvetlen hatása van a képminőségre, hiszen eny­ hébb vagy nagyobb mértékű tömörítést hajt végre az eredeti képadatokon. Az átviteli jelút ugyanakkor interferenciát szenvedhet, amelynek eredménye­ ként csatorna bit hibák keletkeznek, ezek pedig nagyobb hibás képnégyze­ tek, kimerevedő képrészletek vagy teljes képkockák, illetve teljes mértékben megszűnő átvitel formájában jelentkezhetnek. Ha az MPEG-2 kódoló túl nagy mértékben tömöríti a képanyagot, nagy méretű életlen képnégyzetek jelennek meg a képernyőn. A fenti hibákat összefoglalóan "blokkosodás"­ nak nevezzük. Az alábbi néhány bekezdés azt tárgyalja, hogy az MPEG-2 képkódolás okozta hatások hogyan állnak elő és miként vizsgálhatók.

[)](;ll';\l.IS M(íSOR~/()l\AS

150

Minden képtömörítő algoritmus blokkokkal dolgozik, azaz a képet álta­ lában 8 x 8 képpontból álló blokkokra osztja, és minden blokkot külön, a többi blokktól függetlenül tömörít kisebb-nagyobb mértékben. Az MPEC ezen túlmenően a képet tovább bontja 16 x 16 képpontból álló, ún. makro­ blokkokra, amelyek a becsült képkockakódolás alapegységei. Túlzott tömö­ rítés esetén a blokkok határvonala i láthatóvá válnak, azaz blokkosodás következik be, mivel a blokkok hateÍrain megszlí nik a fényerő és a szÍn­ telítettség folytonos átmenete, ami viszont szabad szemmel is leÍtható. Előre meghatározott tömörítési arányesetén a képen jelentkező blokkosodás mértéke függ többek között a képtartalomtól is: bizonyos egyszeri'íbb jelenetek gond nélkül tömöríthetők, míg mások a tömörítésre erős blokko­ sodással reagálnak. Ebből a szempontból "egyszerűnek" azok a jelenetek minősülnek, ahol kevés a mozgás és alacsony a részletgazdagság. A rajz­ filmek, illetve a klasszikus celluloid szalagra rögzített filmek minöségromlás nélkül, viszonylag kevés problémával tömöríthetöek. Ennek többek között az az oka, hogy a páros és a páratlan félképek között ilyenkor nincs eltérés, emellett a rajzfilmeknél eÍltalában meglehetösen elnagyoltak a formák. A leg­ kritikusabb képanyagot a sportközvetítések jelentik, de a problémák mér­ téke a sportágtól is függ. Természeténél fogva a Forma-I-es közvetítéseket

TJZENF,;YELlIK FEJEZET o

nehezebb

interfere:~:

sakkmérkőzésc k

l\':: kódolótól és a beIl::c > . telműen sokat ja\'L~: ~ ~. A túlzott tömör::::~ ~ ­ is eredményezi, eZ2: c' . A döntő tényez c :Cc- - -: . romlást mindig al :.~:-=:':: ményezte kép jó '..:~ lehetetlen. Termé57:c:'> ~ - a szubjektív . ,_. eredményeket. 515:. :-. < torokat is emberi :::~_> legalábbis azokra ,c::-:.-,c ciajelet a képmin(~~~~ ." renciajel, amelht'. ~ követelmény tehá:. általában - de az á:.' A világ összes ~:c:-:. ITU- R BT. 500-as SL:::- ~. képminőség szub':c< csoportja elemzi 2 ::'.. :: ~

11.1. A képn1il Az ITU Képmll1, ~~ ~ dekódolás i prob:::':' . ,

• kép lefagyás2 '~~ = • kép megszűlk:'~ ­ • hang megsz(::~:,,~ A digitális ké~',:~~, közelében heh"e:-' minőségre. Te;:~~;::,=~'

okozta bithibák ::'~, mlísorszolgc1ltatc' : minőségmérö p~>=:::,:

közötti kommc:~,' '" kezésre. A di!2::~: ' tesztelésében i:, .. _

Ir()(Lllomjeg\

[57

:- :-':-"iscgmérö müszer a ~:e~ésére alapvctöen az :',2~l',ZJmot használja. A ',,~-;'5lld(1S jellegü hibák . ,'Zl':; képmin{ísl'g-elté­ :::2~1 cl blokkosod,ís jel­ ':C' .':'l'nbcln cl mért érték . . encia valójába;: " ,-:-:- --, .(,[tos szimiéne: .::_.:::< ~

Tizenkettedik feipzet

A digitális moduláció alapjai

Indulásképpen e fejezetben általánosan ismertetjük a különféle digitális !11odulációs eljárások alapjait. Ezt követően, mivel az alábbiakban leírtak általclnosan érvényesek mindenféle kommunik,íciós technikára és alkcll­ mazásra, folytathatnánk könyvünket akár il mobiltelefonok (GSM, IS95 vagy UMTS) témakörével is, elsődleges célkitüzésiink azonban a soron következő, DVB-S, DVB-C, OFDM, DVB-T, ATSC és lSD B-T rendszereket tárgyaló feje­ zetek elvi hátterének megalapozása. Akik járatosak a digitális modulációban, azok természetesen kihagy hat ják ezt a fejezetet.

12.1. Bevezetés Az analóg információtovábbítás hosszú idők óta amplitúdó-, illetve frekven­ ciamoduláció útján történik (AM és FM). A kisugárzandó jeleket vagy az amplitúdó, vagy a frekvencia, illetve fázis vcÍltoztat,lsán keresztül ültetik 1'c1 a vivőre. Ezt a folyamatot nevezzük modulációnak. Adatok azaz digitális jelek - kisugc'lrzcís,íhoz kezdetben amplitúdó- vagy frekvenciabillentyűzést alkalmaztak. Egy 10 Mbit/s sebességű adat[olyam amplitúdóbillentyűzéssel (ASK-val) való továbbításához például legalább 10 MHz sávszélesség szükséges, NRZ (zérusra vissza nem térő) kódolc1s esetén. Shannon tételének megfelelően legalább az adatsebesség felével megegyező sávszélességet igényel egy NRZ kódolású alapsávi jel. Amplitúdóbillentyű­ zéskor két oldalsáv keletkezik, így az elfoglalt RFsávszélesség éppen az alap­ sávi jel adatsebességével egyezik meg. A szomszédos csatornák közötti áthallás elnyomására alkalmazott szürésből adódóan azonban a gyakorlat­ ban elfoglalt sávszélesség még az előbb említettnél is nagyobb. Egy analóg telefonvonal spektruma közelítőleg 3 kHz széles. A digit,11is kommunikáció korai szakaszában 1200 bit/s adatsebességet lehetett ezen a csatornán elérni, míg napjainkban az 56 kbit/s hiztosítása sem jelent nehéz­ séget: a telefaxok és számítógépes modcmek kommunikálnak ilyen sebes­ séggel. E látványos előrelépés az IQ-moduláció néven ismert, modern digi­ t,llis !11odulációs eljárásnak köszönhető, amely alapvetően az amplitúdó­ moduláció egy változata.

>_""",,,~"'

_ _ _ _"'C'ililn_ _ _ _ $.

160

lllCITIÍLlS MlISllRSZÖRAS

Az alábbi l1lodulációs technikákat ismerjük: • Amplitúdómoduláció • FrekvenciamoduLkió • Fázismoduláció • AmplitúdóbillentyLízés (ASK) • FrekvenciabillcntyLízés (FSK) • FázisbillentyLízés (PSK) • Egyidejű amplitúdó- és fázisbillentyLízés (QAM)

TIZENKETTEDIK FF.lEZET: A

DIC:~'

A 12.1. ábrán cg\ :" látható. A jelamplit(!l'_ fázisnak megfelelő sz, ~,-'C hogya forgóvektort " - ­ pontjának kitérését .: ~ ~ é::: nuszos összetevő h,,:,, _:' leképezéssel áll elő. Bármilyen szinusz,':, ciájú, megfelelő amp~::..:.::

Célunk az adatátvitelhez szükséges sávszélesség csökkentése, ami csak a modern digitális modulációs eljárásokkal valósítható meg. Azt szeretnénk elérni, hogy az adatsebességhez képest lényegesen kisebb RF-sávszélesség legyen szli ks éges az átvitelhez, azaz: sávszélesség « adatsebesség. A leírtakat nyilvánvalóan nem lehet következmények nélkül elérni, a zavaró jelekkel és a zajial szembeni érzékenység például növekedni fog. Az alábbi­ akban a különféle digitális modulációs eljárásokat tclrgyaljuk részletesebben. Mielőtt elmerülnénk a részletekben, felhívjuk a figyelmet arra, hogya vil­ lamosmérnöki tudományokban a szinuszos mennyiségeket igen gyakran vektorokkal jellemzik. Bármely szinuszosan változó tényezö egyértelműen leírható az amplitúdójával és a kezdöfázisával, de emellett a változás ütemét, azaz a frekvenciát is ismernünk kell hozzá. A vektorábrán a t = O időpil­ lanatban ábrázoljuk a forgóvektor pillanatnyi helyzetét, amely ekkor kezdö­ fázisának mcgfelelö szögértéknél, az általa képviselt mennyiség amplitúdó­ jának megfelelö hosszal jelenik meg.

12.2 A keverő

Amint látni fogjuk, a ~.é' _. fontosabb áramkö;'i e,-c- " egy vivő segítségé\'\:' :~: két oldalsáv keletkc7' c. _. amplitúdómoduláclc\::.:· ­ het jük, mintha a ü.' vivő litemében váltog::: :. :. ' Ha a moduláló jel ::s.::.::­ a keverő kimenetén: e~. :. frekvenciájával megeg:::"'::: ' , további felharmonikc:s: ~ ~-: elnyomni. A 12.3. áb~.::: -é"~ fŐ

blokkvázlata

L.1t:~-:· ~

U~el

lm / - - - - - ,A=a vektor hossza :,/'"

-"",

, ,,

'

,

, \

Re

,,

,

- 2 ' - - - - - - - ' - - ' - -_________---1 Exponendális alak: Ae -6

-4

-2

O

2

4

(2dt+:p)

~re

cos(21tft)

6

u(t)=A sin(21tt/T +(jl)

12.1. ábra

Szinuszos jPI1't'kloráhmjo

-.-..

+ j im sin(21tft)

.:.

(itt HO = helyi osz:.: transzformátor csa:: .: :­

u(t)

\

_'

:t

rllellALlS MiíSORSZl1RÁS

A 12.1. ábrán egy szinuszos jel időtartománybeli képe és vektorábrája látható. A jelamplitúdóval megegyező hosszúságú forgóvektor a felharmonikusa is n~e~ ': nyomni aluláteresztl' ,=_ zatba jutnának a Je:t': keletkezhetnek, ame:·.~: Igen gyakran a2Oc::- .::-, lult felépítésü IQ-de:~~ . .:: ' (fm/4) eljárással tör:",',' jelet átlapolásgátló .:,_ vezetve mintavételec., tehát iqmod(t) rezgeó'=c egy periódusból nég:. :~" alakító órajele teljese:', " pontosan a 12.17. á~:::­ felelő órajelet az eL~= _ fokozat szolgáltatia.

i(t) -f---.lI--f----it--f---.+!+-f----+!4-'f----it-~1__

Konstelláció

idő

\ A/ AM\ A~ f\JJ1J VlJVVVV \\J\}V \J 12.13. ábra

Ql'SK-jel modu/áriós állapotai

IlZ

id6tartonuínvball

A következőkben az IQ-demoduláciö folyamatát tekintjük (H röviden. Az iqmod(t) digitális modulációjú jelet rávezet jük mind az 1-, mind a Q-keve­ röre. A keverők nlclsik bemeneti jele modulálatlan vivlí, dZ előbbié 00, az utóbbié pedig 90° kezdő fázissal. Ezzel egyidej(íleg egy jelfeldolgozó fokozat visszaállítja a vivőt és a szimbólumórajelet. A vivéí visszaállításához a beme­ neti jelet kétszer négyzetre kell emelni, ekkor ugyanis a vivéí frekvenciájának négyszeresénél megjelenik egy spektrumvonal, amely sávszlíréível elkülönít­ hetCi. Erre a jelre szinkronizál rá egy PLL-alapú órajel-generátor. Az emlitet­ teken kívül még a szimbólumórajelet is vissza kell állítanunk ahhoz, hogya szimbólumokat időréseik közepén mintavételezni tudjuk a döntéshez. Egyes modulációs eljárások esetén a 90° egész számú többszörösének megfeleléí bizonytalansággallehet csak a vivéít visszaállítani. Az IQ-keverés során az i(t)- és a q(t)-alapsávi jelet kapjuk vissza. 1\z ezekhez hozzáadódó vivőt és felharmonikusait alulciteresztéí sztíréík segít­ ségével még az inverz leképezés elött el kell távolítani. Az inverz leképezéí az adóoldali leképezö fokozat által végzett mtívelet fordítottját hajtja végre: mintavételezi az alapsávi i(tl- és q(t)-jelet a szim­ bölum-idéírések közq1(>n és visszaá.llítja az adatfolyamot.

iqmod(t)

-+-r

171

TIZENKETTEDIK FEJEZET: ti lllCITALlS MODUL/letÖ I\LAPJAI

t

A következö ,í.bra QPSK-modulációra szemlélteti az IQ-moduláció és -dp­ moduláció időtartománybeli folyamatát és áilapotváltozásait. Az első sorban a bemeneti adatfolyam látható (adat [tJ), míg a Jl1,ísodik és harmadik sor a modulc"ítor oldali i(t)- és q(t)-jelet ábrázolja. Az ezt követö két sorban ez utóbbi két jcl vivővel modulált, az 1- és Q-keverö kimenetérőllevehető hul­ lcí.malakja látható. A hatodik sorban az eredö iqI1lod(t) idötartománybeli alakját rajzoltuk föl. Jól látszanak az egyes szimbólumok közötti fázisugrá­ sok, míg a jelamplitúdó nem változik (QPSK-moduláció). Az utolsó sor a megfelelő konstelláció s állapotokat szemlélteti. A hetedik és nyolcadik sor a vevöoldali, digitálisan visszaállított i(t)- és q(t)-jelek alakját tartalmazza. Itt jóllátható, hogy az alapsávi összetevők mellett a vivő kétszeres frekvenciájú felharmonikusa is megjelenik, amelyet mind az 1-, mind a Q-jelútban el kell nyomni aluláteresztő szúrők segítségéve!, mielőtt az inverz-leképező foko­ zatba .iutnának a jelek. Analóg keverés esetén további felharmonikusok is keletkezhetnek, amelyeket szintén elnyomnak az aluláteresztő szűrők. Igen gyakran azonban nem a fenti áramkörökkel, hanem a kevésbé bonyo­ lult felépítésű IQ-demodulátort igénylő, (Igynevezett négyszeres mintavételi (fm/4) eljárással tfut€nik a demoduláció. Ennek során a modulált iqmod(t)­ jelet átlapolásgátl6-jaluláteresztő szúrőn keresztül egy A/D-átalakítóra. vezetve mintavételezzük, a vivő- (illetve KF-) frekvencia négyszeresével. Ha tehát iqmod(t) rezgésszáma fKF, a mintavételezési frekvencia 4 x fKF, azaz egy periódusból négy mintát veszünk (12.18. ábra). Amennyiben az A/D-át­ alakító órajele teljesen szinkronban van a vivővel, ez utóbbi forgóvektorát pontosan a 12.17. ábrán látható időpillanatokban mintavl'telezzük. A meg­ felelő órajelet az előzőekben már leírt vivő- és szimbólul11órajel visszaállító fokozat szolgáltatja.

Ü

~-------'-1~- J_

_ _ _ _ _ _1_

- :2:--;::lliük át röviden. Az '~.:-.j az 1-, mind cl Q-keve­ _::-: -.:\Ő, az előbbié Oo, az ~ :os'. ielfeldolgozó fokozat ' .. óózaállításához a beme­ ~~:' cl \ivű frekvenciájának ___ - ~j\'szűrővel elkülönít­ : _c :' -generátor. Az említet­ _c:_::ununk ahhoz, hogya _:_:c-: ~lk a döntéshez. Egyes -::-c,szörösének megfelelő

itt)

Inverz

iqmod(t) ---+

leképező Q

Szimbólum­ órajel

ho(t)

é':é't kapjuk vissza. Az ~_.:"teresztő

q(t)

szúrök segít­

Vivő

Vivő-

'---+I

=,:: úal végzett művelet - - ~S q(t)-jelet a szim­

és órajel­ visszaállító 1-------1

fokozat

12.14. ábra

. az

a

Az IQ-dcll/o!lullÍror

Adat

172

1"II.E\fTITEDIK ITlI / I l

r--_ _

-,L---.Jllr_..:=:::::;---'~

Adat (t) i(t)

, - - - - - - q(t) ~-------~

iqmOd(t)~bt~

T(t)

, f

Q(t)

f", = ~ -i.

iqmod(t) i(t)demod. q(t)demod.

+ 12.15. ábra

-4-

+ +

IQ-moduláció és -dC7l1odlllació

!lZ

Konstellációs diagram

id6tarto71l1ínrlw71

Az A/O-cltalakító által szolgáltatott ad~ltfolyamot egy "kapcsolö" két adatfolyamra bontja szét. N'ldául a páratlan mint,íkat az 1-, míg a párosakat a Q-ágba juttatja, azaz e két jelút adatsebessége feleakkora lesz, mint az A/iJ-átalakítóé. A kétjelútban található szorzók csak elCijelc,t véÍltoz­ tatnak, azaz a mintákat felváltva szorozzclk + l-gye!, illetve -l-gye!. A négyszeres mintavételi eljárás lényege a klivctkező:h a az A/iLitaLlkító pontosan a vivó- (illetve KF-) frekvencia négyszeresével mintavételez, telje­ sen cl vivéíhöz szinkronizáltan, akkor a jelmintclk felváltva a fázis- és kvadra­ túra-összetevöknek felelnek meg, amint az cl 12.15. ábrán léÍthatö. Minden második 1-, illetve Q-minta negatív eJöjelű, így ezeket -l-gyel kell szorozni. A leírt módon az irt) és q(t) alaps,ívi összetevö igen egyszerüen vissza,íl­ lítható. Mivel mindkét komponens jelalakj,lnak Mlandósulnia kell a sz im­ bólumváltások utcÍn, és a beáll,í.st egy fél órajelcikl\1ssal késlelteti az A/D­ átalakítót követö "kapcsoló", digit,í.lis szürökkel vissza kell ,íllítani el jel­ szinkron!. f\ szinkron biztosításához az egyikielet, péld,lul cl q(t)-t iIlterpol,ílni kell, ami a heolvasottielminták közötti értékek elCíc1llítjsát jelenti. Ezt véges impulzllsvcílaszll (FIR-) digitális szúrö segítségével tehetjük meg. A digitális szúrők ugyanakkor szintén rendelkeznek késleltetésse!, amit il mcÍsik (jelen esetben az 1-) jelútba beiktatott késleltetöfokozattal lehet kompcnzjlni. A késleltetó- és FIR-szúröfokozatok után szinkronizcíltan előjllnak az i(t)- és q(t)-jelminták, amelyek így már bevezethetök az inverz-leképezCi fokozatba. Amint azt már említettük, a gyakorlatban igen sok esethen ti kevésbe' honyolult, négyszeres mintavételi eljárást alkc1lmazzák. Sok\'ivCís jelek (OFOM; lásd késöbb) esetén ez az áramkör közvetlenül az FFT-iokozdt elött helyezkedik el. Az említetteken túl számos korszerű digitális áramkör is támogatja ezt a demodulációs elvet. félsebességű

12.1;' ak"

12.18, ábra

-

.-.:' "_,

173

TIZENKETTEDIK FUFZET: ADICITÁLlS MODlllj\CI(l ALAP.IAI

i(t)

..

Késlel­ tetés

-1/+1 . -1 t;

f M =4*fKF

q(t)

fs/2

i

:qmod(t)

interpol.

-1/+1

; Jldt'mod. q;t)demod.

FIR­ szűró

12.16. ábra

Négyszeres mintavételi eljárással működő IQ-demodlllátor blokkuázlata

Konstcl1ációs diagram

Q

_kapcsoló" két iir "-~.:Hákat az 1-, míg Sé'~c c c:c::, telt'akkora lesz, :::':1-::: fejlődni. Előfo'l~.:,

a növényeket \é,-, ta. Az érintetle::. me ly pontokol' ,é'

----;

bemenet

JS . . encia valójába;: " ,-:-:- --, .(,[tos szimiéne: .::_.:::< ~

Tizennegyedik feiezet

A DVB-S méréstechnika

14.1. Bevezetés Az előző fejezetben a műholdas digitális televíziós músorszórás műszaki részleteit ismertettük, a következő oldalakon pedig az ehhez kapcsolódó méréstechnikáróllesz szó. Az ETR 290-es OVB Mérési Útmutató a műholdas átvitellel kapcsolatos mérésekre is kitér. A digitális földi és kábeles televíziós műsorszóró rendszerekhez (OVB-T, illetve OVB-C) képest a műholdas méréstechnikát rövidebb terjedelemben tárgyalj uk. A műholdon keresztül történő átvitel meglehetősen hibatúrő és elvileg csak • a zajok (a közelítőleg 205 dB-es szabadtéri csillapításból adódóan) és • a mikrohullámú összeköttetések esetleges parazita sugárzásai zavarhatják. A • • • •

fentiekből

adódóan a OVB-S jelek legfontosabb vizsgcilandó

jellemzői:

a jelszint, a CIN-arány (vivő/zaj-viszony), a bithibaarány, és a vállcsillapítás.

Néhány professzionális vevő kivételével gyakorlatilag nem létezik a piacon kiiejezetten OVB-S ,ielek bemérésére tervezett mérümLÍszer. Ennek oka abban keresendő, hogy túl kicsi a digitcilis műholdas mérl'stechnika piaca, ráadásul a várható jelhibák mértéke túl jelentéktelen ahhoz, hogy bonyolult méréstechnikai eszközöket fejlesszenek ki a bemérésükhöz. Megvciltozhat azonban ez a helyzet, ha egyéb modulációkat, például 8PSK-t vagy 16 QAM­ et is rendszeresítenek a műholdas müsorszórásban, amint az szakmai körök· ben időről időre fölmerül. A következő mérőműszerek szükségesek OVB-S jelek vizsgcilatához: • egy korszerű spektrumanalizátor; • egy professzionális OVB-S vevő, bithibaarány-mérési képességgel; • egy OVB-S tesztadó beltéri egységek és IDTV-vevők beméréséhez.

TIZENNECYEI1I l; FC:

202

14.2. A bithibaarány mérése A belső és külső hibajavító kódolás miatt három ponton lehet bithibaarányt mérni a DVB-S rendszerekben: • a Viterbi-dekódoló előtt, • a Reed-Solomon-dekódoló előtt és • a Reed-Solomon-dekódoló után. Az összeköttetést leginkább jellemző és ezért a legfontosabb bithibaarány a Viterbi-dekódoló előtt mért érték. Ez úgy határozható meg, hogya Viterbi­ dekódoló kimeneti adatfolyamát az adóéval megegyező felépítésü konvolú­ ciós kódolón átvezet jük, majd az így előállt biteket összehasonlítjuk a bemeneti adatokkal (természetesen figyelembe véve a kódoló késleltetését is). Ha nincsenek bithibák, a két adatfolyam teljesen megegyezik. Az össze­ hasonlítást a fázisjel és a kvadratúrajel útjában elhelyezett komparátorok végzik. Az összeszámolt hibákat a mérés időtartama al.itt kisugárzott összes bit számával elosztva adódik a bithibaarány értéke: BER = bithibák száma / kisugárzott bitek mennyisége; a Viterbi-dekódoló előtti bithibaarány jellemzően lO-~ és lO-2 között változik. Ez az első hibajavító fokozat azonban a keletkezett hibáknak csupán egy részét képes kijavítani, így a Reed-Solomon-dekódolö bemenet ére érkező adatfolyam is rendelkezik valamekkora bithibaaránnyal. A Reed-Solomon­ dekódoló előtti bithibaarány a mérési idő alatt az RS-dekódoló által elvégzett javítási müveletek és az átvitt bitek hányadosaként adódik. A Reed-Solomon-dekódoló sem képes azonban minden bithibát korrigál­ ni, így előfordulhatnak sérült kimeneti MPEG-adatcsomagok, amelyeket a

--+ Q

-

~

Viterbi­ dekódoló

•

~

Adatok

Konvolúciós kódoló I

f+

-.t

... Q

Összehasonlító fokozat

Késleltetés

4­

! 14.l. ábra A Viterbi-dekódoló

előtti

BER

bithibaarányt

mérő

áramkör

,~

hibátlan adatc- ~ hiba-jelző bit ~_ számítható k: c: ~.~< Ha a bith::,.:~:-':­ percekig vag\' ~ . .: - ~ pontosság elére,;:, - c_­ összefüggést ,,~~ > =­ hálózatokon Íe:~< Szinte minder: ~-.:= -: doló előtti bit:~~~~:, jellemezhető 2­

helyzete is.

}'L',;:~c .:~

14.3. DVB-5

spekc Egy DVB-S

C';c:~

spektrumana:~=.: - _

szetesen ter c ~.- ~:' ­ feladatra, de ~:-:'~-­ fölfelé irán\-u_~ . __ zajszerüek é5 ~O:~ ­ megegyezik ~ '-c - ~

-!:-­

TIZE,< 50 Hz félkép-ire:';',c~ _ -' 525 soros rendszt'~ _c__ ~ vetkező színes a :-, _, • PAL, • NTSC, • SECAM, A PAL-, NTSC,

é~ ~:: ~ c -.

soros rendszere:'; -c' ~ -- ­ között vannak l'_-_- .:.~__ - _ sen a képvivől. a= : "::-C-' ször negatív n:c,:_, szág) használ ;': = hangvivő általa~'.:.~

Észak-Amerika _ második segéé',-.,,: __ Annak ellenére, :--,:;:- _ között csak kl~" amelyek messzi' :~ ~:-- , _­ A televíziós :.;.:::: ~: -= -' véges sugár-vissz.::'_:.:' is be kell ikta tL_ ::::- -=" kijelzőn, (A meg-c-::-:-'-::-­ sarokból áll ÖSSZe':: :-::- _. ~ '.-an, az 525 soros ~-c~_>=o közé esik. A villódzás csc:,;:::,~.::,ó egyik iéIképhez a ;:- a: : o .: :\z így felosztott ',,_:. ~:> . . encia valójába;: " ,-:-:- --, .(,[tos szimiéne: .::_.:::< ~

Tizenötödik fejezet

Digitális TV-jelek továbbítása szélessávú kábelhálózaton. keresztül Ca DVB-C rendszer)

Számos országban, különösen a súrün lakott területeken igen jó a kábelcs tclevÍzió- és rádiólefedettség. A kábelhcilózatok vagy 400 MHz (közelítőleg 50 MIIz-től 450 MHz-ig terjedö) , vagy 800 MHz (közelítöleg 50 MHz-töl 860 MEz-ig tcrjedö) sávszélességgel rendelkeznek. A klasszikus földi analóg műsorszórásból ismert VHF- és UHF-csatorncik mellett további sávokat is használnak ezek a rendszerek. A hagyományos televíziókészülékekkel bár­ melyik, e csatornákon sugárzott analóg TV-adás vehetö, ezzel magyarázható a kábeltévérendszerek széles körű elterjedése. Egyetlen hMrányuk az analóg müholdas müsorokkal szemben, hogy havidíjat kell értük fizetni, így sok esetben egy analóg műholdas vevörendszer egy év alatt behozza az árát. Sok esetben kellöen nagy méretü parabolaantennával ráadásul még jobb k6p­ minöség is elérhető, mint kábelen keresztül, mert cl kábeltévérendszerl'khen a sokcsatornás üzem miatt sokszor látható zavarokat okozó intermodulációs termékek keletkeznek. A nézök az alábbi szempontokat mérlegelik a kcibeles és múholdas vétel közötti választáskor: • • • • •

kényelem, a káheltévé után fizetendö havidíj, egy- vagy többcsatornás vétel, képminöség, további, egyéni elvárások.

Európában sok helyen 10% alá esett a földi RF-vétel sürúsége, de természe­ tesen ez nem jellemző a világ többi részére. Nagyjából 1995 óta sok kábeltévé-hálózaton digitális, DVB-C szabványú TV-músorokat is továbbítanak. Ezt cl fejezetet a digitális TV-jelek szélessávú kábelhálózatokon keresztül történő citvitelének ismertetésére szánjuk, az adásmódokat és egyéb rendszerparamétereket a kcibelhálózatok tipikus jel­ lemzőinek megfelelően kiválasztva. A kábelhálózatok jel/zaj-viszonya lényegesen jobb, mint a műholdas rendszereké, és visszaverődések sem lépnek föl számottevően. E körülmé­

210

IllCI1ALl5 WJSllRSZ(HAS

nyeknek köszönhetően nagyobb állapotszámLI moduláció is alkalmazható: koax-kábeleken 64 QAM, optikai hálózatokon pedig 256 QAM. Egy szé­ lessávú kábelhálózat egy fejállomásból, kábelekből és erősítőkből felépülő elosztóhálózatból, valamint az elosztóhálózat leágazási pontjai és a ház­ tartások közötti ,.végső" szakaszból, illetve d felhaszn,iló otthoni hálózatából áll. Néhány különleges szakkifejezés (mint például "hálózati szint") haszná­ latát szándékosan kerüljük, mert a különböző országokban, térségekben ezek különböző jelentés sel bírnak. A fejállomás és az elosztó végpontok közötti hálózat optikai kábelekből is felépülhet, amelyek szállíthatIldk akár rádió-, akár analóg, illetve digitális TV­ műsorokat is. A 65 MHz alatti frekvenciákon egyre több helyen visszirányú csatornát is létesítenek a szolgáltatók.

TIZENllTODIK FEJEZET:

DICIT.';~

, -

Egy 36 MHz sávszéle~o~~ és 3/4 értékü kódar2~ kábeltévés rendszere",··· Az alábbi általános c:,:,::

­

adatse~;é':':','-~

,.hasznos"

A fentieken túl a m-B-: _oc is lényegesen jobb, I::.:~~ .: ~­ A DVB-C szabvám : __ ­ spektrumszűrés lekt':·~­

15.1. A DVB-C szabvány A kábelen keresztül történő digitális képmüsorszórást az ETS 300429 számú szabvány írja le, amelyet 1994-ben fogadtak el, és nem sokkal ezután már megjelent ez a szolgáltatás a kábelt évé-hálózatokon. A következőkben meg­ mutatjuk, hogya DVB-C modulátorban az MPEG-2 adatfolyam közel ugyan­ azokon a feldolgozási müveleteken megy keresztül, mint a múholdas modu­ látorok esetében. Egyedül a konvolúciós kódolás marad el a káheltévés átvitelben, mert a lényegesen jobb minőségi jellemzőkkel rendelkező közve­ títő közeg ezt szükségtelenné teszi. A modulátor IG, 32, 64, 128 vagy 256 QAM üzemmódban képes múködni, ebből a koax-remlszcrekben jellemzően 64 QAM-et, az optikai hálózatokon pedig 256 QAM-et használnak. Vegyünk egy ,.hagyományos", 8 MHz széles s,ivkiosztású koax-rendszert! Általában 64 QAM modulációjú, 6,9 Mszimbólum/s .ielzési sebességű átvitel jellemzi ezt a csatornát. A szimbólumsebességnek kisebbnek kell lennie, mint a csatorna sávszélessége. A modulált jel spektruma a sávhatárokon folytonosan csillapított, aszúrés lekerekítési tényezője r = 0,15.6,9 Mszim­ bólum/s szimbólumsebesség és 64 QAM-moduláció (azaz szimbólumon­ ként 6 átvitt bit) mellett a teljes adatsebesség nvB _c = 6 bit/szimbólum . 6,9 Mszimbólum/s = 41,4 Mbit/s.

=

A DVB-C technika a DVB-S rendszerekével Illegegyező, 1\5 (188,204) típusú Reed-Solomon-kódolást alkalmaz. Ennek megfelelően a 188 bájtból álló MPEG-2 adatcsomagok 16 hibajavító bájttalcgl'szülnek ki 204 bájtosra, így a "hasznos" adat sebesség:

rendszert az ITU is c'; ­ ezzel párhuzamosa:: .::: ismertetünk, míg Jelt'c':· rendszert használ I ,1 '.; ­ kivételével teljes eY Egyesült Államokba:~ .:., ­ csatornakódolással :e:~.:: -: . gyaljuk.

15.2. A DVB-C

l

A DVB-C moduL1:c'· zataik döntő többses:_ . vel. A modulcitor r,~'~:. ­ álló MPEC-2 ada::·: _ amelynek első ele:::" :~

I~

• •••••• --• •••••• •• •••••• ••••••

-------~----­

--

•• •••••• •••••• • •••• •• •••••• • 15.1. ah,"

211

TIZE:-JÖTÖDIK FElEZET: lllCITÁLlS TV~ lELEK TOVÁBBíTÁSA.~

:~_ ~,,:(:ció

is alkalmazható: 256 QAM. Egy szé­ -: .- ~ -25 erősítökböl felépülö :'':'2.:.zási pontjai és a ház­ '::'=:~c,,;ó otthoni hálózatából ::~alózati szint") haszná­ _- ~5:,:agokban, térségekben ~':,-=g

"hasznos" adatsebesség m'll_c = teljes adat sebesség . 188/204 = = 38,15 Mbit/s. Egy 36 MHz sávszélességű műholdas csatorna 27,S Mszimbólum/s sebesség és 3/4 értékű kódarány mellett biztosítja ugyanezt az adatsebességet, míg a kábeltévés rendszerekben ehhez mindössze 8 MHz sávszélesség is elegendö. Az alábbi általános összefüggéssel jellemezhetök a DVB-C rendszerek: "hasznos" adatsebesség 1wRc

-~':o:nt

optikai kábelekböl is ::: '::~':'!l)g, illetve digitális TV­ . ~:' :,',bb helyen visszirányú

=::: ':'5: az ETS 300429 számú 25 :leI1l sokkal ezután már 2 ::

MPEG-2 TS

Irodalomjegyzék: [ETR290], [EFA], [GRUNWALD]

MPEG­ keret átalakítása

fL"­ k~

DIGITÁLIS MŰSORSZÓRÁS

Tizenhatodik fejezet

.~PEG-2

,datfolyam

Az ITU-T J83 szabvá11Y szerinti, szélessávú digitális kábeltévérendszer

MPEG-2 dekódoló IER

len frekvenc.:::--. :' _~, kioltást eredrT2:- _~ ;.

­

239

,'::1 kielégíu:í. A föld­ .vizül a mÍÍsorszörö .:'...: :l'll'\'ízióz,ísban álta­ -'-~'~'.'tlIsítÖ digitalizálAs­ :- '~'.::'~l'lése, amelynél az -::.:: Jjonyos esetekhen ::".: ".ihc1védc\cmmel és :.: .'tővé, mindez csu­ -- ~ J\8,T rendszerrel: az ~'_::"acióban keresett és - .. .:::, amelyekben poli­ :=~:,:,=erlíen alkalmazva a :::~::éni a frekvencia kész­ :-.=:,:~eppen

18.1. ábra

A földfelszíni rádiócsatorna

240

DIGITÁLIS MŰSORSZÚRÁS

ség természetesen a vivő rezgésszámától, továbbá a visszaverődés mértéké­ től és késleltetésétől függ. Nagyadatsebességű, digitális vektor- (IQ-) modulációval történő adatátvi­ tel esetén az elfoglalt sávszélesség a szimbólumsebességgel egyezik meg. A csatorna-sávszélesség általában kötött, míg a szimbólumsebességet a modu­ láció típusa és az alapsávi adatsebesség határozza meg. Az egyvivős rend­ szerek szimbólumsebessége általában nagy, sokszor 1 és 30 Mszimbólum/s közé esik, igen rövid, l ilS alatti (a szimbólumsebesség reciproka) szimbó­ lumidőket eredményezve. A földfelszíni rádiócsatornák reflexiós késleltetés e ugyanakkor a több 100 ilS-OS nagyságrend et is elérheti (70 km-es jelút esetén például 250 ilS). Ilyen mértékű időeltolódások szimbólumközti áthalláshoz vezetnek, igen gyakran nemcsak a szomszédos, hanem egymástól "mesz­ szebb" lévő szimbólumok között is, gyakorlatilag lehetetlenné téve a hírköz­ lést. Nyilvánvaló megoldás erre a problémára a szimbólumidő megnövelése a szimbólumközti áthallás minimalizálása végett, továbbá adásszünetek, úgynevezett védelmi idők beiktatása az egyes szimbólumok közé. A hely- és frekvenciafüggő elhalkulási jelenségeket azonban a fenti eljá­ rással nem lehet megszüntetni. Ha azonban az információt ugyanazon sáv­ szélességen belül nem egyetlen, hanem igen sok, akár több ezer vivő hordoz­ za, kellő mértékű hibajavító kódolás mellett a fading csak bizonyos vivőkre vagy vivőcsoportokra lesz hatással, de nem a teljes információmennyiségre. A vevőoldalon a teljes átvitt adatmennyiségre kiterjedő hibajavító kódolás­ nak köszönhetően és a viszonylag sérülésmentes vivők adatai alapján vissza­ állítható az elvesztett vagy jelentősen sérült vivők információja, hibamentes kimeneti adatfolyamot eredményezve. Több ezer vivő alkalmazásával az egyes vivők szimbólumsebessége a számarányuknak megfelelően csökken az egy­ vivős esethez képest. Ebből adódóan a szimbólumidő jelentősen, akár három nagyságrenddel is megnőhet, és így a milliszekundumos értéket is elérheti. A fadinggel szembeni védelem tehát megoldható ily módon, míg a szimbólum­ közti áthallástól az igen hosszú szimbólumidők és a védelmi idő óv. A fenti gondolatmenet eredményeként áll elő a sokvivős, ortogonális frekvenciaosztásos nyalábolású (OFDM) rendszer. Ezen a ponton egyelőre elegendő csupán azt látnunk, hogy a szomszédos vivők nem zavarják egy­ mást, azaz ortogonálisak.

TIZE~r-;YOLCADIK

FeJEZET: AZ ORTOGO'. '­

ortogonális

----

Az OFDM-technika tehe.: . nem zavaró) vivőelrende:.o' információ sok vivő közö::_ . A rádiócsatornán az i:-.:~ bítható. A különböző icé~-:-' különféle jelforrások ac..:: ~ hosszú ideje ismert már. -;:'-~ nalon egyidejűleg több. '.": ~ mobiltelefon-technikáb2:~ , telefonok által keltett. ..: -: impulzusjelek az időre-o ~ : Multiple Access - TD!\F

ció következményei. E~-: ~­ frekvenciában is része:.::: tomány t eredményez\-e ~ - , bít. Az egyes vivők nl.:-.: -~: 16 QAM-, illetve 64 ('.-'-\'-. egymástól. A vivők közötti Lll : ~ több ezer vivő is elhe,":·.o. információforrásböl ~: ~ -- , ellentétben azonbar: ::: ~ ~ -­ cC-.

mértékű hibavédele::~::

18.3. Az OFDM-átviteltechnika lényege Az OFDM-technika igen sok, akár több ezer vivőre épülő átviteli eljárást jelent, ahol az egyes vivők nem zavarják egymást, azaz ortogonálisak, A továbbítandó információ frekvenciák közötti átszövéssel oszlik meg a vivők között, a modulációt megelőzően azonban megfelelő hibavédelmet is kap az át viendő adatfolyam (így végső soron kódolt OFDM-moduláció áll elő, rövidítése COFDM). A vivők mindegyike vektormodulált, QPSK, 16 QAM vagy 64 QAM állapot-elrendezéssel.

cc-

utóbbi eljárás a f~e~: ~ - ­ plexing - FDM). A: ::-::­ tanak egy csatorn2:-_ ~ o adatfolyamra bom . .:: cc-,

IS. 2

0­

"

lllCITÁLlS MÚSORSZ(ÍRÁS

'::'2 a

nsszaverődés

: é:.: :ációval

____ OFDM-jelstruktúra _____

mértéké­

történő

adatátvi­ egyezik meg. A .::--.jólumsebességet a modu­ z:::a meg. Az egyvivős rend­ ,.,,:::or 1 és 30 Mszimbólumjs 5é'besség reciproka) szimbó­ .: :c', ~!lák reflexiós késleltetése :2r':elj (70 km-es jelút esetén 5:::::1 bólumközti c1thalláshoz 5 h. anem egymástól "mesz, :~ ,e:~etetlenné téve a hírköz­ ":::~',,ólumidő megnövelése ~-?::. továhbá adásszünetek, :::r:~jólumok közé. ~~-?"et azonban a fenti eljá­ :-:'::"mációt ugyanazon sáv­ 2,,-2r több ezer vivő hordoz­ ':=.:-~ csak bizonyos vivőkre

24\

TIZFNNYOLCAOIK HJEZET AI ORTOGONÁLIS FREKVE"CIAllSZTÁSOS NYALÁBOLÁS (OFllMI

ortogonális

frekvenciaosztással nyalábolt

~5ejességgel

" "O' ::~formációmennyiségre. :~:,o~!edő

hibajavító kódolás­

" .:: ·.ok adatai alapján vissza­

" .:-.formációja, hibamentes .-:':: alkalmazásával az egyes :-r.,o{~lelően csökken az egy­ .:-r.. ~j :elentősen, akár három :-.-::"::',05 értéket is elérheti. A .', r:~l)don, míg a szimbólum­ c" J \'édelmi idő óv. 2 . .' a sokvivős, ortogonális ::er. [zen a ponton egyelőre :: s.i\·ők nem zavarják egy­

Az OFDM-technika tehát ortogonális (egymásra merőleges, azaz egymást nem zavaró) vivőelrendezésnek és frekvenciaosztásos nyalábolásnak (az információ sok vivő közötti elosztásának) együttes alkalmazását jelenti. A rádiócsatornán az információ folyamatosan és időrésekben is továb­ bítható. A különböző időrésekben egymástól független üzenetek, például különféle jelforrások adatai sugározhatók. Az időrésekre alapozott átvitel hosszú ideje ismert már, elsősorban a telefontechnikában, ahol egyetlen vo­ nalon egyidejűleg több, különböző csatorna átvitele a cél, de a műholdas és mobiltelefon-technikában is alkalmazott módszer. A GSM-szabványú mobil­ telefonok által keltett, a TV- és rádiókészülékeket közismerten zavaró impulzusjelek az időrés-alapú (időosztásos nyalábolású; Time Division Multiple Access - TDMA, "időosztásos többszörös hozáférés") kommuniká­ ció következményei. Egy átviteli csatorna azonban nemcsak időben, hanem frekvenciában is részekre osztható, sok-sok keskeny sávszélességű altar­ tományt eredményezve, amelyek mindegyike egy-egy modulált vivöt továb­ bít. Az egyes vivők modulációja (ami sok esetben vektormoduláció, QPSK-, 16 QAM-, illetve 64 QAM-konstellációval) és információtartaJma független egymástól. A vivők közötti M frekvenciatávolság állandó. Egy frekvenciasávban akár több ezer vivö is eJheJ yez ked het, amelyek akár egymástól teljesen független információforrásból származó adatokat is hordozhatnak. Az előbbi esettel ellentétben azonban felépíthető a rendszer oly módon is, hogy egy megfelelö mértékü hibavédelemrnel ellátott adatfolyamot osztunk fel a vivők között. Ez utóbbi eljárás a frekvenciaosztásos nyalábolás (Frequency Division Multi­ plexing - FDM). Az FDM-rendszerek tehát egyetlen adatfolyamot továbbí­ tanak egy csatornán, de nem egyetlen vivő segítségével, hanem sok kisebb adatfolyamra bontva és vektor modulált vivőkre ültetve. Ügyelni kell, hogya

A(f)

nika lényege épülő átviteli eljárást azaz ortogonálisak. A ;::_":essel oszlik meg a vivők ::':2:5 hibavédelmet is kap az : OFD.\!-moduláció áll elő, :r:-:~,JJulált, QPSK, 16 QAM

',:. öre ~2~:.

i

-'1 18.2. ábra

*""

!

iH

Négysziigimpulzlls Fourier-transzforrnáltja

242

IlICITMIS \l\íSllRS7ÖRAs

vivők ne zavarják egymást (ortogonálisak legyenek), mivel a közöttük lévö távolság igen kicsi (mindössze néhány kHz). Az "ortogonalitás" kifejezés 90 0 -os bezárt szöget (merőlegességet) jelent, de a hírközlésben elterjedten haszn,11ják ezt a fogalmat annak jelölésére, hogy két jel- bizonyos jellemzök­ böl adódóan nem zavarja egymást. Ezen a ponton fölmerül a kérdés, hogy két szomszédos vivö kisebb-na­ gyobb mértékben mikor van hatással egymásra? Meglepö módon célszerű egy négyszögimpulzusból és annak Fourier-transzformált jából kiindulni. Egy egyszerű, ~t ideig tartó impulzus sin(x)/x jellegű spektrummal ren­ delkezik, amelynek nullhelyei egymástól állandó, M = l I ~t távolságra helyezkednek el. Egyetlen impulzus spektrumképe folytonos, azaz diszkrét vonalak helyett sin(x)/x alakú függvény. Az impulzus flt szélességének változtatásával a spektrum nullhelyeinek M távolsága is módosul. Ha az impulzl1sidö nl1llához tart, a spektrum null­ helyei a végtelenhez konvergálnak. Szélsli esetben a Dirac-impulzushoz jutunk, amelynek amplitúdómenete teljesen egyenletes és végtelen kiter­ jedésü, azaz minden frekvenciát tartalmaz. Fordított esetben, amikor ~t tart a végtelenbe, a spektrum nullhelyei fognak nullcÍl10z közelíteni, végül egyet­ len vonalat eredményezve a O frekvencián (egyenáramú összetevő). A két szélső eset közötti állapotokra érvényes, hogy

M=

TIZE~N\'OLCADIK

fc.c::'- .

A követkeZel"-" csolatot világl: > ..~ .­

fj

=

llTi rez,:c:'o':::

spektrumvon:: :2.: vivőknek c1ZOL:'.'.:'.

c folytonos \i\l;:-. _ .' pozitív végtele:-.. =: amplitúdójuK. :-::.:-~ c_ A modulál: ':.. :, . ablakfüggvér:ye~'

~:- ~

l/~t.

A ~t szélességű és Tp ismétlődési idejű impulzussorozat spektruma szintén sin(xl/x jellegű, de nem folytonos, hanem fp = l/Tp távolságra elhelyezkedő vonalakból álL

v

zédos

vivő

kisebb-na­

. '.~2":t'pŐ módon célszerű :: :-.0.::.': mált jából kiindulni. ,

spektrummal ren­ ..'.i = 1/t;t távolságra =.' :\"[onos, azaz diszkrét

'" .t':;j

:-. _. :

":-,,

:: ,,~'cktrum nullhelyeinek :::-... :: tart, a spektrum null­ "::-":-. a Dirac-impulzushoz =:'."-"-.e:e5 és végtelen kiter­ •. :::: esetben, amikor t;t tart ~-:.:: ~0zelíteIli, végül egyet­ :-:-:::.':::ú összetevő). A két

243

A következőkben az ortogonalitás és a négyszögimpulzusok közötti kap­ csolatot világítj uk meg. Induljunk ki abból, hogy a vivők szinuszosak! Egy fi = l/Tj rezgésszámú szinuszjel frekvenciatartománybeli képe egy-egy spektrumvonalat tartalmaz a +fj és -fi frekvencián. A modulált szinuszos vivőknek azonban az amplitúdója és szöge is hordoz információt, azaz nem folytonos vivőhullámok a teljes időtartományban la negatív végtelentől a pozitív végtelenig), hanem egy adott idő elteltével megváltozik mind az amplitúdóiuk, mind a fázisuk. A modulált vivők tehát úgy is modellezhetéik, mintha négyszög burkolójú ablakfüggvények segítségével folytonos hullámokból "összevágott" szaka­ szokból (je!csomagokból, burstökből) ,mnának. Matematikailag ez frekven­ ciatartománybeli konvolúcióval írható le, azaz az "ablakozó" négyszögim­ pulzus és a szinuszhullám(ok) spektruma egymásra lapolódik. A +fi és -fj frekvencia környezetében így diszkrét spektrumvonal helyett sin(xl/x bur­ kolójú amplitúdómenet jelenik meg, amelynek nL111helyeit a t;t impulzus­ szélesség határozza meg: a nullhelyek távolsága M = l//~L

. ~~:: .::éat spektruma szintén . :.'.olságra elhelyezkedő

AzOFDM-jcI ilt szimbólumideje

18.4. ábra

Burstük előállítása ablak/üggvélll!yel

f

18.5. ábra

Az ortogona!irás értelmezése OFDM-rendszcrekben

244

D1GIT.·\US M(íSORSZURAs

Egyidejűleg

több, szomszédos vivő kisugárzása eset én - a burstökbe~ adás miatt - az egyes csatornák sin(x)/x jellegű spektrumának széle; zavarni fogják a szomszédos csatornák vivőit. A kölcsönös zavarások ugyanakkor minimalizálhaták, ha az egyes részsá­ vok közepén a hasznos jel csúcsa egybeesik a szomszédos csatornák spekt­ rumának nullhelyeivel. Ez akkor teljesül, ha a vivők M távolsága a négyszög ablakfüggvény szélességének (tehát a burstök vagy il szimbólumidő hosszá­ nak) reciproka. Egy ilyen felépítésű, sokszor több ezer modulált vivőt tartal­ mazó burst az OFDM-szimbólum. történő

Az ortogonalitás matematikai feltétele tehát:

M=

l/~t,

ahol M a vivők közötti távolság, míg ~t a szimbólumidő. Például egy OFDM-rendszer szimhólumidejének ismeretében kiszámít­ ható a vivők távolsága, és fordítva. A DVB-T adástechnika úgynevezett 2k, illetve 8k adásmódját a következő idő- és frekvenciaparaméterek jellemzik: Adásmód: Vivők száma: Vivők közötti M távolság Szimbólumidő, ~t = IIM

(közelítőleg): (közelítőleg):

2k 2048 4 kllz 250 /ls

8k 8192 l kHz l ms

TIZENNYOLCADIK FElEZET


.'

L

C

::::

_,,'-:etővé tesz. Ez esetben a :?_ 2.:~1elyek hibakódoló foko­ :.-:. :";;miigurálhatók. A hierar­ ~2:>ességű bitfolyam (amely ,:-,._ :jbaiavító kódolcissal és a .!. :;1ásodik; nagyobb adat­ ~.::,.)z ezzel szemben kisebb ·.:c::láció tartozik. Ily módon ::::sú müsort két különböző :5'-::-; egyazon csatornán. A :-:,:::inőség tartozik. A kisebb .:'.:"séget eredményező adat­ ~.2.~\·obb adatsebességü, jobb '.: ­ opció, mivel a '~_ -:.:: köri elemek.

A DYB-T rendszer hierarchikus modulációt is lehetővé tesz, amellyel ked­ vezötlen körülmények között is hiztosítható cl vétel. Hierarchikus moduláció nélküli ,1tvitel esetén, ha jelentősen leromlJk aiel/zai-viszony, akkor "kártya­ várszerűen" összeomlik a rendszer. A DYB-T adástechnikában gyakran alkal­ mazott 64 QAM-moduláció és 3/4 vagy 2/3 értékű kódarány mellett 20 dB­ es jeljzaj-viszonynál található a stabil vétel határa. Ebben az alfejezetben a hierarchikus moduláció részleteit ismertetjük. E kódolási rendszerben a DYB-T modulátor két bemeneten fogadja a jeleket és két csatornakódolót tartalmaz. Az egyik, alacsonyabb sebességű adatfolyam az úgynevezett magas prioritású jelúton megy végig, és jelentös mértékű hibavédelmet kap (kódaránya például 1/2). A második, nagyobb sebességCí adatiolyam ezzel egyidejúleg az alacsony prioritású "ielútra kerül, és hiba­ védelme kisebh mértékű (például kódariÍnya csupán 3/4). Elméletileg mind az alacsony, mind a magas prioritású adatfolyam hor­ dozhatja ugy"nazt a programot, különbözö adatsebességgel, azaz eltérö tömörítés i clrcínnyal kódolva. Az elmondottak mellett ugyanakkor két teljesen különböző músor átvitele is lehetséges. A magas prioritású bitfolyamot az igen hibatürő QPSK-modulációval tOVcíbbítja a rendszer, míg az alacsonyabb prioritású jel(tton a nagyobb adatsebesség miatt ennél több állapotsz,ím kell. A DVB-T rendszerben az adatvivők modulációja azonos, és ezen vivók mind­ egyike közvetít mind az alacsony, mind a magas prioritású bitfolyamhoz tar­ tozó információkal. A magas prioritcísú adatfolyam átvitelének módja az úgy­ nevezett ,,16 QAM-be vagy 64 QAM-be ágyazott QPSK"-moduláció. A 19.8. ábr,ín cl 64 QAM-he c"Ígyazott QPSK esete Iclt!J,11Ó. Az alacsony prioritású infor­ mációkat a diszkrét konstelláció s pontok, míg cl Illagas prioritású adatokat kóduló clllapotokat a síknegyedek képviselik. A Jelen példában ily módon egy síknegyed 8 x 8-as pontcsoportja a QPSK-modulclció egy konstellációs pont­ jának felel meg.

.1.

.

1.

l"

64

o..l.,,~1

· I'

·i · I.

·

'

i

160.-\.....\ 19.7. ábra

64 QAM-lllOdu!ációjlÍ jeibe beágyazott QPSK-kol1stc!iáció. hierarchikus modu/úrú5 CSI'[ én

19.8. ah,"

.- ­

267

64 QAM-moduLícióval szimbólumonként 6 bit tov,íhhítható, dl' a síkne­ gyed szerinti QPSK-kódol,ís miatt szimbólumonként CSlIpcÍll négy bittel köz­ vetítlll'tö az alacsony prioritású bitfolYdm. A két dddtfolyam sebességénvk aránya így rögzített, jelen esetben 4: 2, dl' a "hasznos" adatselwsséget cl lw,il­ !írott kéJdarányok is befolyilsoljilk, Hasonlóképpen 16 QAM-lw ,ígyazolt (lPSK is létrehozható, de a két különbözö prioritilsú bitfolyam sebessége ekkor megegyezik (ar,ínYllk 2 : 2 lesz). A QPSK-kéJdolású adatok zavarokkal szembeni védelme tOViíbb fLlkuzhatl\ ha Ll koordiIl,ítdtengelyek mentén "megnyCJjtjllk" a konstell,íciöt. A nylljLls mértékét jellemzö a arányoss,ígi tényezö értéke l, 2 vagy 4 lehet. Minél na­ gyobb a, annál zavartüröbb lesz a magas prioritású adatfolYclm, cl nü;ik bit­ folyam érzékenységének rov,ís,íra, mivel az egyes síknegyedeken belül egyre közeleb h kerülnek egymc'Íshoz az elemi pontok. A 19.8. ,ibr,ín a hierclrchikus kódol,'íssal megvalósítható hat különbözö konstell,lciéJ képe lát!1,lUí (miml 16 QAM, mind 64 QAM állapotelrcndezl'sre, a = l, 2 és 4 eselén). A hierarchikus modulcícicí alkalmazás,ít, a értékét és a két adatfolyal11 kódarányM a TPS-vivökön keresztül közli a vevövei az adó. A iclzés,ítviteli inform,1ciéJk alapján cl vevö automatikusan a megielelö demodulálási módba áll be. Az alacsony, illetve Illclgas prioritású adatok demodul,i!ás,lval kapcso­ latban automatikusan dönthet a vevéíkészülék, a pillanatnyi vételi fel té­ teleknek I11egfclelöel1 (például d csatorna hithibaaránya alapján), dl' a fel­ hasznil1ó kézíleg is válthat cl két adatflJlyaI11 között. Az adástechnik,íval ellen­ tétben a vételi oldalon a korszer ü integrált [NB-T áramkörökhöz és vev(í készülékekhez nincs hierarchikus mLX111lilcicí kezelésére szolgcÍ.ló áralllköri opció, mivel a hierarchikus demodulálcÍsllOZ nem kellenek j,írulékos cÍram­ köri elemek.

~lO ' l ; :esz, amellyd ked­ : :"',lIChikus moduLíciö Sllll1y, "kkoI "k,irtY,l­ :J:.ában gyakran alkal­ ,,~JíjIly ml'lll'tt 20 dB-

c"71ctcit ismertetjük. E ingdciJd cl jeleket és , ,. s2iwsségü adatfolyam c~:':-';:

.;:

A jd sávszéles.ege: 8 MHz-e, csatornán, 7,61 MHz 7 MHz-e. csatornán: 6,66 MHz 6 MHz-es csatornán: 5,71 MHz

A jel sávszélesség"

O.

A teljes

-

Vivő

19.9. ábra UVB-T jelek spektruma Sk· és 2k-adásrnódban, 6, 7 és S MHz-es csatorna-sávszélesség ese/én

A "hasznos"

c:é.:::,~~~~,

Reed-Solornll:~-~::'

ható ki, a

.

kÖ\·e::-".:,-~::a \'ivői:

vagy O-tól ---,:'.Cik mennyiségének _'~et sorszámozva. A ,~> :::ódban O-tól 1704-ig, ::::~::c15a, A 19.9. ábra a ::'.:::': é,;lemzőkkel együtt ,:::,:-::~'ontból kiemelkedő

:::-".:"::l'dban 852 és 3408, ~ :,,;-, kLizépi frekvencián ~:.-~tornJn. 1.11 [~,461 kHz 0.98 [3.91J kHz ..,,,,,,,,-,,-n. 0,84 [3 ,35 J kHz

..,=.

teljes adatsebesség = szimbólumsebesség x adatvivök száma x szimbólumonként átvitt bitek száma .

A "hasznos" adatsebesség a konvolúciós kódolón beállított kódarány és a Reed-Solomon-kódoló által hozzáadott rendundancia függvényében számít­ ható ki, a következöképpen: "hasznos" adatsebesség = teljes adatsebesség x 188/204 x kódarány.

TIZEt'KILENCEDIK FEJEZET: A FÖL"'é~.·:

272

Teljes adatsebesség [MBitjs] Csat. sávsz. 8MHz QPSK 8MHz 16QAM 8MHz 64QAM 7MHz QPSK 7MHz 16 QAM 7MHz 64QAM 6MHz QPSK 6MHz 16 QAM 6MHz 64QAM

2K véd. id. 1/4 lD,800

2K véd. id. 1/8 12,000

2K véd. id. 1/16 12,706

2K véd. id. 1/32 13,091

8K véd. id. 1/4 lD,800

8K véd. id. 1/8 12,000

8K véd. id. 1/16 12,706

8K véd. id. 1/32 13,091

21,6

24,0

25,412

26,182

21,6

24,0

25,412

26,182

32,4

36,0

38,118

39,273

32,4

36,0

38,118

39,273

9,45

lD,5

11,118

11,455

9,45

lD,5

11,118

11,455

18,9

21,0

22,236

22,91

18,9

21,0

22,236

22,91

Kódarány

QPSK

1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8

16 QAM

64QAM 28,35

31,S

33,354

34,365

28,35

31,5

33,354

34,365

8.1

9,0

9,530

9,818

8,1

9,0

9,530

9,818

16,2

18,0

19,06

19,636

16,2

18,0

19,06

19,636

24,3

27,0

28,59

29,454

24,3

27,0

28,59

29,454

19.10. táblázat

A DVH-T-rendszer által biztosított teljes adatsebességek

Mivel a vivők számc1nak és a szimbólumidők hosszának aránya fordítottan alakul a két (2k- és 8k-) adásmódban, a "hasznos" adatsebességet nem befolyásolja az adásmód, ezért a

=

Moduláció

19.11. táblázat A Dr5·~·­ nem-hierarchikL:.5 - -~.~

Moduláció

Kódarány

QPSK

1/2 2/3 3/4 5/6

"hasznos" adatsebesség = 188/204 x kódarány x log2(m) x I (l + védelmi idő) x csatorna x állandó,

ahol m

esetén), log2(m) kódarány védelmi idő csatorna állandó

7/8 16 QAM

=

4, 16 vagy 64 (QPSK-, 16 QAM- vagy 64 QAM-moduláció

=

2, 4 vagy 6, a fenti sorrendben, 1/2, 2/3,3/4,5/6 vagy 7/8, 1/4, 1/8, 1/16, vagy 1/32, l, 7/8 vagy 6/8 (8, 7, illetve 6 MHz-es csatornák esetén), és 6,75 X 10 6 bit/s.

= = = =

A fenti képlet alapján bármely beállításhoz meghatározható az adatsebesség,

mind 6, mind 7 és 8 MHz sávszélességű csatornán való sugárzás eset én (lásd a 19.11., 19.12. és 19.13. táblázatot).

1/2 2/3

3/4 5/6

7/8 64QAM

1/2 2/3 3/4

S/CO 7/8 19.12. táblázat

[lit,

Moduláció S~

S :'::,000

8K véd, id. 1/16 12,706

8K véd. id. 1/32 13,091

~-Ul

25,412

26,182

:'G.O

38,]]8

39,273

lll, S

11,118

11,455 ,

~l,[l

22,236

22,91

31,5

33,354

34,365

0.0

9,530

9,818

:5.[l

19,06

19,636

~7.0

28,59

29,454

"2l:!

id.

Kódarány

QPSK

1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8

16 QAM

---

~--

4,976471 6,635294 7,464706 8,294118 8,708824 9,952941 13,27059 14,92941 16,58824 17,41765 14,92941 19,9588 22,39412 24,88235 26,12647

Védelmi idő = 1/8 Mbil/s

Védelmi idő = 1/16 Mbit/s

Védelmi idő = 1/32 Mbit/s

5,854671 7,806228 8,782007 9,757785 10,24567 11,70934 15,61246 17,56401 19,51557 20,49135 17,56401 23,41869 26,34602 29,27336 30,73702

6,032086 8,042781 9,048128 10,05348 10,55617 12,06417 16,08556 18,09626 20,10695 20,11230 18,0926 24,12834 27,14439 30,16043 31,66845

-------- - - - - - - - ­

5,529412 7,372549 8,294118 9.215686 9,676471 11,05882 14,74510 16,58824 18,43137 19,35294 16,58824 22,11765 24,88235 27,64706 29,02941

19.11. táblázat A DVB-T-rendszer által biztos/tolt "hasznos" adatsebességek nem-hierarchiklls modllláció esetén, 8 MHz sávszélesség l! csatornán

Moduláció

",', adatsebességek

,-, ~ ~~za.I1a.k aránya fordítottan . adatsehességet nem ::~=:___O3

Kódarány

Védelmi idő = 1/4 Mbil/s

Védelmi idő = 1/8 Mbit/s

Védelmi idő = 1/16 Mbit/s

Védelmi idő = 1/32 Mbit/s

----------

QPSK

-

::_ :::lí I x csatorna x állandó, 16 QAM

, .':,:;\ 64 QAM-moduláció

64QAM \~Hz-es

Védelmi idő = 1/4 Mbil/s --_. -

64QAM ----

273

rIZf'';KILENCEDIK FElEZET: ,I rllWFELSzíNI DIGITALIS TELFVíZllí-MlisORSZÖRO RE'HlSZER '. DVBTI

I; \LL' MŰSllRSZÖRÁS

csatornák esetén), és

---.:: :.::~ozható az adatsebesség, '::-.2Ió sugárzc1s esetén (lásd

1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 1/2 2/3 3/4 S/6 7/8

19.12. táblázat

4,354412 5,805882 6,531618 7,257353 7,620221 8,708824 11,611475 13,063235 14,514706 15,240441 13,063235 17,417647 19,594853 21,772059 22,860662

4,838235 6,450980 7,257353 8,063725 8,466912 9,676471 12,901961 14,514706 16,127451 16,933824 14,514706 19,352941 21,772059 24,191177 25,400735

5,122837 6,830450 7,684256 8,538062 8,964965 10,245675 13,660900 15,368512 17,076125 17,929931 15,368512 20,491350 23,052768 25,614187 26,894896

5,278075 7,037433 7,917112 8,796791 9,236631 10,556150 14,074866 15,834225 17,593583 18,473262 15,834225 21,112300 23,751337 26,390374 27,709893

A LJVB-T-rcndszcr (í/tal biztosított "hasznos" adatsebességek nem-hierarchiklls modllláció esetén. 7 MHz sávszélességű csatornán

•

-

274

IlICIT,\US MÚSORSZéÍRÁS

Moduláció

QPSK

16 QAM

64QAM

Kódarány

1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8

Védelmi idő = 1/4 Mbit/s

Védelmi idő = 1/8 Mbit/s

Védelmi idő = 1/16 Mbil/s

Védelmi idő = 1/32 Mbit/s

3,732353 4,976471 5,598529 6,220588 6,531618 7,464706 9,952941 11,197059 12,441176 13,063235 11,197059 14,929412 16,795588 18,661765 19,594853

4,147059 5,529412 6,220588 6,911765 7,257353 8,294118 11,058824 12,441177 13,823529 14,514706 12,441177 16,588235 18,661765 20,735294 21,772CJ59

4,391003 5,854671 6,586505 7,318339 7,684256 7,782007 11,709343 13,173010 14,636678 15,368512 13,173010 17,564014 19,759516 21,955017 23,052768

4,524064 6,032086 6,786096 7,540107 7,917112 9,048128 12,064171 13,572193 15,080214 15,834225 13,572193 18,096257 20,358289 22,620421 23,751337

A DVH-Trelldszer által biztosított "hasznos" adatsebességek nem-hierarchikus moduláció esetén, 6 MHz Sdl'szélességll csatorniÍn

19.13. táblázat

Amint látható, a DVB-T rendszer "hasznos" adatsebessége 4 Mbitjs és 31 Mbitjs között változik, a beállított adásjellemzőktől és a csatorna sávsz('­ lességtől függően, 7 és 6 MHz-es csatornán a rendszer kapacitása a 8 MHz­ es esethez képest 718-a, illetve 618-a. Hierarchikus modulációnál, 64 QAM-konstelláció mellett a teljes bit­ sebesség 2 : 4 arányban oszlik meg a magas és alacsony prioritású adat­ folyam között, míg 16 QAM állapotelrendezésnél a két bitfolyam sebességé­ nek viszonya 2 : 2, Emellett a két adatvonal "hasznos" bitsebessége azonban az - egymástól független - kódarányok értékétől is függ, A magas és alacsony prioritású adatfolyam "hasznos" sebessége tehát a következő összefüg­ gésekkel írható le: "hasznos" adatsebesség MilC/IS PRIOR =

= 1881204 x kódar,lny M,\G,\'; PRIOR x

szimbólumonkénti bitek száma MAC!\S PRIOR X I II + védelmi idő) x

csatorna x állandó,

"hasznos" adatsebesség t\[,ACSOl\Y PRIOR. =

=1881204 x kódarány ALilCSLl 1'-0 V I'RIOI\ x

szimbólumonkénti bitek száma I\J..\CSONY PRIOR x l (l + védelmi idő)

x csatorna x állandó,

TIZEo;KII.ENCEllI r;

ahol _o.

szimbólurnonkc:~

__ szimbólumOJ,:,,c:-_:_ ­ kódarány

védelmi idő csatorna

állandó



­

Ezzel elj utottunh .: ~",:= tos részletéhez, a2 ,,~ A konstellácicl -- - -- _. dezés, valamint ... alakul ki az ad2:'::- ­ négyzetes közé;'",:,c-, ~-: eloszlását is iig\c,'2~:> Az adásmódtol L:§:~- c< - -- -­ adatvivő találh2:,,' :: =:-, ­ A TPS-vivök SZ!:~:: -és szórt pilotie:e:< - , érdekében 2,5 dB.: .. -­ ban 413-szoros L: ... _ használtuk azt. r::~ ,

,

~

~

Összefoglal\'a,

ú

- "

adatvivők át!ag,:~

folytonos és s;' _'.­ iüggetlcnLil co ;>::,:: .. ­ A mérőm(íszc~~: ';' j d/zaj-arcln\T2' viszont a iel Z2 " lehet a vi \'Ő 12­ művelet soráL cC ~-_ az adatvivök éi::.:, c -:: és 8k-adásI1~öl~='2:~

10

X

log

= 10 x log

O,";:

,

­

DICITALIS MlN1RSZÖRAs

'.'",jelmi .~'=1/l6 ~ . ~ ~l i t ; ~

·+.391003 0.S54671 3S(,505 :- ,318339 :-.684256 -.:-82007 : :.-iJ9343

-

:.~,l7301O

:.; .636678 : :;~68512 :.~ r~()10

::- .564014 ».:"59516 ~; .95·.' '. lással bővített .\lP::~.:::.:· ­ csatornán. A sok\'. '.~:: ':. jellegű hibajavító ~;,-.::: . .:, letes elosztása bil::: é: .: COFDM-eljárás - ~::.::.' :' vetkező művelet :'-:~.:- .: megfelelően a lek,,:--:,::' ennek eredménye~2:-,' .-=­ tartalmazó tábla ~2,:::-:'::' különféle pilotie:e:-:2: -Cé ~,:: módon kiegész :e:: :.:.;,: fokozatba kerü!ne~ Az inverz FOU~:2~":':- ,::' és képzetes érték;:,.'.~=

colt ("pipeline") e::2::-:'::-c' és a kiolvasás pá~::::::.::::-,: ;c.': talmának végétő: ::-.:: _ ._ gárzandó jelalako: .:: ::-,2:::-: séhez lásd az OFD'.~· ~~. jel digitális (F1R- 3:::_:'~,­ vállcsillapítás bizto3~:':::'.~

o o

nlOl

()()j()IO o (}01O11 o UOIIII ()

(JOJ IlO O

011110 O {ll II II O Ol !(j I I O

OOIKHXI

Olnll(l

o

()

I)(XKHI o

OlXXjl)j ()

OIXJlUI

tJ(~JlII

o

()

(JOli I 10 O -,-

0111110

()OOI(XI 10

...... -....

O

O

010101

O IllOOI O

()

I

UII(lJ(} 111011111

O

_--_._­

UIOHKI

010111

O

f)IlXHII O

(JIlXXXI

1°

19.10. ábra A DVB-T rendszer leképezés! láb/á!

A DVB-T rendszer további szintén fontos jellemzöje a konstelláció k leképe­ zése: az egyes bitkombinációkhoz hozzárendelt vivőállapotokat a leképezési táblák határozzák meg. A 19.10. ábrán látható leképezési táblákban a bitek helyiértéke balról jobbra nő, így QPSK-moduláció esetén O, és 1. bit, 16 QAM­ nél O" 1., 2. és 3. bit, míg 64 QAM esetén O., 1., 2., 3., 4. és S. bit az adatok sorrendje,

19.5. A DVB-T modulátor és adó működése Miután részletesen áttekintettük a DVB-T szabványt és a kapcsolódó rend­ szerjellemzőket, áttérünk a modulátor és az adó tárgyalására. Egy DVB-T adónak egy vagy két MPEG-adatbemenete lehet, attól függően,

hogya berendezés támogatja-e a hierarchikus modulációt vagy sem, A bemeneti fokozat után következik a csatornakódoló egység, amelyből hierar­ chikus modul.:

bOCS2:~~ =- _--. -

-

..

IIZI:NKILENCEllll( FElEZET: A fÖIDFEl.SZÍNI DIGITÁI.IS TELEVíZ\(Í,",1(íSClRSZt1Rt1 REt\11SZEI, iOVBTl

"., Ili

()I)INWXI ilO(~Hj!

"'ljl

O

II

..

l i

, mXJlIi!

O

II

, III II III

Olllill~l

g---~UIOJlXI

O

()

I' ()

-nj

"

rendszerekével azonos csatornakódolással rendelkeznek, további részle­ tekbe nem bocsátkozunk e témakört illetően, Az alapsávi interfészre érkező bemeneti adatfolyamra rászinkronizál a modulátor, a 188 bájtonként ismétlődő, 47 HEX értékű szinkronbájtok segít­ ségéve!. A bemeneti fokozat minden nyolcadik szinkronbájtot invertál, azaz B8 11EX értéküre változtat, (hosszú idejű) időbélyegeket iktatva az adat­ folyamba. A következő jelfeldolgozó egység az energiaszétterítő fokozat, amelyet mind az adó, mind a vételi oldalon az invertált szinkronbájtok vezérelnek. Ezu tán az elsődleges hibavédelmet biztosító Reed-Solomon­ kódolóba jutnak az adatok, amely 16 bájtos redundanciával bővíti az adat­ csomagokat. A következő lépésben az átszövő egység "összekeveri" a biteket, így az ennek megfelelő vevőoldali fokozat, a visszarendező egység szórt hibákká alakítja majd a csoportos adatsérüléseket. Végül a konvolúciós kódoló további hibavédelemmel látja el az adatfolyamot, amelynek redun­ danciája a kihagyás mértékén keresztül állítható. Eddig a pontig az alacsony és a magas prioritásü jelüt teljesen meg­ egyezik, csupán kódarányukban térhetnek el. Ezt követően a két - illetve nem-hierarchikus moduláció esetén az egyetlen - adatfolyam demultiplex­ eren halad át, amely a kiválasztott konstellációnak (QPSK, 16 QAM vagy 64 QAM) megfelelően 2, 4 vagy 6 darab párhuzamos bitfolyamot állít elő. A következő lépésben a párhuzamos bitfolyamok egy-egy bitátszövő egységbe kerülnek, amely adatfolyamonként 126 bitből álló blokkokat képezve az egyes blokkokon belül rendezi ál a biteket. Az ezután következő szimbólum­ átszövő egység e blokkok sorrendjét változtatja meg, így a hibajavító kódo­ lással bővített MPEG-adatok egyenletesen oszlanak majd el a teljes DVB-T csatornán. A sokvivős átvitel hatékony működését a megfelelő mértékű és jellegű hibajavító kódolás, valamint az adatok rádiócsatornán történő egyen­ letes elosztása biztosítja. Az ily módon létrehozott adatátviteli technika a COFDM-eljárás - kódolt, ortogonális frekveciaosztásos multiplexelés. A kö­ vetkező művelet során a konstellációnak és a moduláció hierarchiájának megfelelően a leképező fokozat előállítja az egyes vivők állapotleírását, és ennek eredményeként két darab, az OFDM-vivők valós és képzetes részeit tartalmazó tábla keletkezik. E táblák egyes helyei üresek, ide illeszti be a különféle pilotjeleket és jelzésátviteli vivőket a keretadaptációs egység. Az ily módon kiegészített, 2048 vagy 8192 bejegyzést tartalmazó táblák az IFFT­ fokozatba kerülnek. Az inverz Fourier-transzformációt követően 2048 vagy 8192 darab, valós és képzetes értékpárból álló időtartománybeli adatsor jön létre, amelyek lán­ colt ("pipeline") elrendezésű pufferekbe kerülnek. A pufferekbe való beírás és a kiolvasás párhuzamosan történik, ahol akiolvasási müvelet a puffer tar­ talmának végétől indul, ekkor illeszti be a modulátor a védelmi időben su­ gárzandó jelalakot a megfelelő szimbólum elé. E folyamat teljes megérté­ séhez lásd az OFDM-jelek felépítését tárgyaló fejezetet is! Végül az előállított jel digitális (FIR-) szűrőn halad át, amelynek feladata a megfelelő mértékű vállcsillapítás biztosítása .

O

il

i

IOIOII!l O I)\!XXII

O .~

il II

I)

O\IXXXI

10

Konstellációk leképe­ a leképezési '2~,:,~'ezési táblákban a bitek .: '2~e,én O. és L bit, 16 QAM­ .= , 3., ..]., és 5. bit az adatok

:-.:::: é' 3

: •. ·,23 11apotokat

IS

adó

277

működése

' . .= :-:',: t'S a kapcsolódó rend­ : :.=~~\·alására. c':-:~:.':~ete lehet, attól függően, _" :~1"jul(1Ciót vagy sem. A ~ :~: egység, amelyből hierar­ o:' ·~,,".;ható. Elek felépítésük­ ::C:.:':~~:: működnek. Az egyik :'0:, 2Z alacsony prioritású ág. ·~~:- ~ leg 5 MHz-es le,'cC:" a vevő. A 1112:',,: . végett, eg', ai.::':':" kétszereséI1l'l ::.:::" átalakító ra ,i Ll é.,: , resével, vag\'is ":', van szükség. '-,~' : demodulálni 2. Il',';:·--:­ átalakítás utál: .:: ~::::-O. idöszinkront b::::::,'.- ::. ki a ielből a SZ::-.:.'-::- :-:.

IQ­

mod.

1f

2. memória

\'"

~

........

.....

elkülöníthetők.::

...

\\~ ~Ó:::" kell állítani ereLe'.. - -. adatfolyam. A piacon ka~''-:: úgymint hangc' aluláteresztö S1 ,::' ­ átalakító utáni (;~~:::~, =­ Ezen integrált árc.:~> -. nek kimenetél~ 'co ' ., __ _ említett részeg\::,,c~~' -, .

ugyanazt az információt hordozó TPS-vivő található. A demodulálandó bit értékét a vevő a megelőző szimbólumheli állapothoz viszonyítva differen­ ciális dekódolással, egy szimhólumon belül pedig többségi döntési elv alapján határozza meg. Emellett a TPS-információt még hibavédelemmel is ellátták, így a vevő csak akkor képes azt helyesen feldolgozni, ha a teljes átviteli rendszer nem lépi át a .. kártyavárszerű" összeomlás határát. A jelzés­ átviteli adatokra a csatornakorrekciós fokozatot követő inverz leképező egységnek és csatornadekódolónak van szüksége, a TPS-vivő információk ugyanis egyebek mellett a moduláció típusáról (QPSK, 16 QAM vagy 64 QAM, továbbá, hogy hierarchikus-e, vagy sem) és a kódarányról adnak tájékoztatást. Az inverz leképező működése ennek megfelelően áll be, ami azt jelenti, hogy az adott állapotelrendezésnek megfelelő inverz leképezési táblát tölti be. Hierarchikus moduláció esetén ki kell választanunk, hogya magas vagy alacsony prioritású adatfolyamot dekódolja-e a vevö. A döntést a rádiócsatorna bithibaaránya alapján vagy automatikusan a készülék, vagy a felhasználó hozza meg. Az inverz leképező után előáll az eredeti adatfolyam, amelyet a csatornadekódoló dolgoz föl. A szimbólum- és bitvisszarendező egység kivételével acsatornadekódoló felépítése és működése teljes mértékben megegyezik a műllOldas DVB-S rendszerben alkalmazott clekóclolóéval. A demodulált bitek az inverz leké­ pező fokozatból a szimbólum- és bitvisszarendező egységbe kerülnek, ahol visszaáll eredeti sorrendjük. Ezt követően a Viterbi-dekódoló dolgozza föl az adatokat, kitöltö bitekkel kiegészítve az adóoldalon kihagyott helyeket. A Viter'bi-dekódolö a kitöM biteket is sérült adatként kezeli, és a trellis-dekó­ dolónál ismertetett elv szerint próbálja kijavítani a hibákat. A következő adatfeldolgozó egység a konvolúciós visszarendezö fokozat, amely az "összekevert" bitek eredeti sorrendjének visszaállításával a csopor­ tos hibákat szórt sérülésekké bontja szét. A Reed-Solomon-dekódoló ily

19.7. A D\TB-T

zavarok A földfelszíni rL'L: ' :: 'c' Az additív Gauss:- :,c-, .: hullámterjedés o~:::.: - ::' erősíthetik és g'" ily módon a \'é~ l',',

MPEG-2 r -_ _---,TS ...-_ _---, Kép

Hangoló

DVB-T

MPEG-2

~cr@}+

AID

Dekódoló

~

"'mod

Hang

12 C-busz

Mikro­ processzor

DVB-T moduláter és adó

t BiUentyúzet! távvezérlő

19.14. ábra Egy DVB-T vevőkészülék (set-top-box) blokkulÍzlata

..

----------------~

-

-

41

TIZENKILENCEDIK IE.lEZLT ,I IOLLJFELSzíNI LJICn,IUSITI.I'VIZI(l,MOSllRSZllR(lIZ!.'IlSZER IDVllT)

módon nagyobb hatékonysággal képes működni, 16 bájt hozzáadott redun­ dancia segítségéveliegfeljebb 8 darab hibás hájtot tud kijavítani a 204 bájt hosszú adatcsomagokban. Ha ennél tlibb bájt sérült egyadatcsomagban, a fejlécben l-re állítja az átvitelihiha-jelző hitet, és sem az energia szétterítés­ megszüntető fokozat, sem az MPEG-2 dekódoló nem dolgozza föl az adott keretet. Az energiaszétterítés-megszüntető fokozat működését az invertált szinkronbájtok vezérlik, amelyeket az adatfeldolgozás végén szintén vissza kell állítani eredeti értékükre. Végül a kimeneten ismét előáll az MPEG-2 adatfolyam. A piacon kapható DVB-T vevök csupán néhány részegységből ,'íllnak, úgymint hangoló fokozat, SAW-szürő, keverőoszcillcltor a 2. KF-hcz és aluláteresztő szűrő. Ezeket követi a DVB-T demodulátor-chip, amely az A/D­ átalakító utáni összes DVB-T jel- és adatfeldolgozó áramkört tartalmazza. Ezen integrált áramkör kimeneti adatait az MPEG-2 dekódoló fogadja, amely­ nek kimenetén avisszaállított kép- és hanginformáció jelenik meg. Az összes említett részegységet mikroprocesszor vezérli, r2 C-huszon keresztül.

:\ demodulálandó bit :,-,,-:= \'iszonyítva differen­ 7'::~;: többségi döntési elv ~: :::eg hibavédelemmel is '7:: :'eldolgozni, ha a teljes "=20:1ds határát. A jelzés­ ': ,:,y,etö inverz leképező :7 ..: TPS-vivő információk ('?SK, 16 Qi\M vagy 64 2~ cl kódar,lnyról adnak 7:: :::egielelöcn áll be, ami :' cc:o: :21e lö inverz leképezési '.7:, ':.11asztanunk, hogya • .:: ,-,2-e a vevő. A döntést a ::,::.~~(1I1 a készülék, vagy a ',~ .=:: az eredeti adatfolyam,

'-77'2l acsatornadekódoló '~,7=~~ cl műholdas DVB-S '::': ..:,: bitek az inverz leké­ .:: ~ 72\ségbe kerülnek, ahol ~, - Az alaktél1\cz, .:

A teljesítmén\T~e~: : szerint mér:

ahol PEP az (U.. mény (Peak E;-;:,"~ ­

A két alaktémez.· - -

Ezeket felhaszr:2.:,': .=':: mítható ki: A legnagyobb C~ .. >:-:-: vel adódik:

ahol U (SUl s!: egy

Cl~' =-'.'­

ahol U RMSO egy 0['=-','· CIN

/ / /

. . . . . . . . . . .J.. . . . . . . . . . . , ,,

/

19.16. ábra A vál/csillapítás alakulása a határolást és a

A teljes OFD\i-e.

,

sáuszűrést követően

------------....-'

TI/ENKILE1'CEDIK lElEZET A Flll.DFELszíNI DICITALI:i T[1.EVíZIÖ·~1iíSORSZÖRll RF\;I1SZER (DVB'rl

c:e:

285

Az OFDM-jelek alaktényezője a következőképpen határozható meg: Az alaktényező általános kifejezése:

minőségét.

Az OFDM­ >':".leges követelményeket ':"'.ező, vagyis az eredő jel · e:-;ékének IEínyadosa, de ".2.':205an üzemeltetni ilyen - :L,,,ozata az alaktényezőt :~.O :utna. Emiatt azonban ::e:-\e. ráadásul az inter- és :::>elüli zajszint is megnő, :2.;:,i:ás csökken. Ez utóbbi '.'es:okozat kimenetére az ::':'::lak, amelyekkel 45 dB 3:) JB-re romlott jel/zaj­ : :t':lát a DVB-T jel alak­ .:::ermodu]ációs termékek __ ::2.:zott jel vivö/zaj-viszo­

A teljesítménymérők és spektrumanalizátorok egy része az alcíbbi definíció szerint mér: atcs

=

10 x log(PEP / P,ítl),

ahol PEP az (UCSlICS / ~2)2 / Z(] összefüggéssel számított burkoló csúcsteljesít­ mény (Peak Envelope Power) , míg P.ari = U RMS 2 / Zl1'

A két

alaktényező

közötti eltérés tehát: at á = atcs + 3 dB.

•=.e, len modulációt alkal­ :,~~e:

egy lépésben, analóg ':ekvenciára. Ez utóbbi :- 2.::"'05an befolyásolják az :".::-:etria, fázishiba) és vivő­ -=2.:2.. hogya lehető legki­ :'~ ellenére az analóg mo­ : .,~:,ugárzott jelben, amint :':". :észletesen ismertetjük

Ezeket felhasználva az OFDM-jelek alaktényezője az alábbiak szerint szá­ mítható ki: A legnagyobb csúcsfeszü!tség az összes vivő amplitúdójának összegzésé­ vel adódik: UCSÚCS

ahol

UCSlICS()

=NX

UCSlJCSll

= N x (az egyes

vivők csúcsfesziiltsége),

egy OFDM-vivő amplitúdója, N pedig a vivők száma.

•

=~ :ainak pontatlansága is ::': ~L)rülményeitől függően ..-e:en szinuszos és impul­ -. ..:.:jmterjedés miatt pedig '=:".e:nek.

Egy OFDM-jel hatásos (RMS-) értékét a U RMS

ahol U RMSO egy

OFDM-vivő

következő

,j N . U~Msn

=

hatásos értéke, azaz:

uRMSO =

Ucsúcso / ,j-2.

A teljes OFDM-jel hatásos értéke tehát:

\

U RMS

_

-

~ N . U~SlICStl 2

--

képlet írja le:

TIZE~KILFNCEDI,

lllGITALlS MlISCmSZ(ll{;\S

286

Ha nincs kc'·~· jelútba tercpa:,.:.~.' . amely az állö'~;,. delkezik.

Az iisszcs vivő fázisban való összegződésekor fellépö legnagyobb csúcsérték és az eredö jel hatásos értékének felhaszn,4lclsilval adódik, hogy

amely tovább egyszerüsítve a

következő

Oc

alakot ölti:

at OFLlM = 20 x logh'2N) = 10 x log(2N).

Az ,llaktényezö így 2k-adásmódban, 1705 vivö eseU'n elméletileg at[)\'IH 2k =

35 dB

értékel vesz fö!, míg 8k-adásmódban, 6817 at rwBT ~k

=

vivővel

41 dB

értékű.

Kiemelendő, hogya két fenti számérték csupán elméleti számítási eredmény, a jelfeldolgozó és határoló fokozatok véges kivezérelhetősége miatt ugyanis soha nem fordulnak elCi ekkora jelcsúcsolc A gyakorlatban az alaktényezö jellemzöen 12 dB és 16 dB között változik (az clCíbbi cl nagyteljesítményű adók kimenet én, míg az utóbbi a határoló nélküli modulátorok kimenetén mérhető).

19.8. A rádiócsatorna jellemzői A következő oldalakon a DVB-T rádiócsatorna tulajdonscigait elemezzük részletesen. Ideális esetben a vevőantennára egyetlen jelúton érkeznek rádió­ hullámok. Ilyenkor csak a jelszint csillapodik kisebb-nagyobb mértékben, és gyakorlatilag egyedül a Gaussi-fehérzai lehet zavaró tényezö .. Az ilyen jel­ legú, az adóra közvetlen rálátást biztosító jelút a lehető legjobb vételi jellemzökkcl rendelkezik, és Gaussi-csatornának nevezzük. Ha többszörös visszaverődések miatt sok reflektált jel adódik a közvetlen hullámhoz, a vételi körülmények lényegesen összell'ttebbek lesznek. Az ilyen jellegű, dUZ egyetlen közvetlen és sok visszdvert hullámmal jelle­ mezhető (és matematikailag ily módon modellezheW) csatornát nevezzük Ricl'-csa lor !l,llla k.

F

/

--

1l/1:i':KILENCEDlK FEllelET .\ FÖlDFELSzíNI DIGITAI,IS TH.I:VIZI(l·MtíSORSZ[)[([l [\I.'d1S/I.I( (llVB'11

1,ILlS MCíoORSZ(JRÁS

Ha nincs közvetlen rálátás az adóra, azaz az adót és a vevőt összekötő jelútba terepakadály áll, akkor az úgynevezett Rayleigh-csatorna alakul ki, amely az állóhclyű vétel tekintetében a legrosszabb tulajdonságokkal rCll­ delkezik

",,,nagyobb csúcsérték ~~.·l:.~, bogy ,; .\ U

. Á)

-:lIl"tl

Közvetlen,

visszaverődések

nélküli jelút

19.17. ábra A Gal/ssi-csatorna

~·.:'.",:i

számítási eredmény, miatt ugyanis ~".-~:atban az alaktényező

:,~::::",:ősége

Közvetlen jelút többszörös visszaveródésekkel

.. :':', cl nagyteljesítményű

.. :"::,ldulátorok kimenetén

19.18. ábra A Riec·csatonICl

lzői .: donságait elemezzük .... elúton érkeznek rádió­ :'- ;KJLE"lCEl1ll( FEJEZET: A FÜI,IlFFJSzí"lJ DJGITAI.IS TELEVíZJéÍ·,liíSOJ{SZl1RÖ REl'I1SZUZ i,DVB-Tl

'2:~

o:::.!wrú megkötés vonat­ azaz a jelter­ :~ ..',~:~.c:.1~ többutas hullám­ '

~ V~!H"

­ -.

>,

HPt;:C:?

~: ':;j ~:a;~:~_~ :'t~R ~V;~j . . \.(J!~MPf::i_': ....~ I\ud!ö MFCll Pl~Ml S(!üüJ l}~y.l ~ V>Jct;M~G,'

adatcsomagok, amelyek segítségével szinkronizálhatók egymással az adók, bárhol elhelyezkedhetnek a megakereten belül. A 19.20. táblázat a különféle védelmi időkhöz és csatorna-sávszélességekhez tartozó mega ker etek pontos hosszát tartalmazza. A MIP-ek segítségével azonban egyéb járulékos információk, például DVB-T adásjellemzCík is tovjbbíthatók, így az egyfrekvenciás hálózat vala­ mennyi adóállomása egyetlen központból konfigurjlható. Ily módon meg­ változtatható a moduláció típusa, a kódarány, a védelmi idő hossza stb. Noha mindez elvileg lehetséges, nem minden DVB-T modulátor támogatja ezt a funkciót. Ha valami oknál fogva kimaradnak a MIP-adatcsomagok vagy megsérül az információjuk, akkor az egyfrekvenciás hálózat kiesik a szinkronból. Hel egy DVB-T adó érzékeli, hogy elvesztette a szinkront vagy összeomlott a GPS­ vétel és ezért az egymásodperces ütemjel, illetve a 10 MHz-es referenciajel c!csúszott, azonnal meg kell szüntet nie a sugárzelst, ellenkező esetben csupán zajforrásként szen'pel a hálózatban. Megbízható vétel ilyen esetben csak az adott adóhoz közel, irányított antennával lehetséges. Az említett jelenségek miatt az adóba érkező adatfolyam MIP-jeit a legtöbb esetben egy MPEG-2 mérődekódoló segítségével folyamatosan elJenörzik (l6.26. ábra).

~,

':;.J

;'",;, Au&c:vi rr,~ \ !Jnte;oe:~K:"'.: »'C'

Jrid~úl:::'

,: h1(\,(JI':A'

~;

Fid Gl'{:/·f 2

; ,; Pidü:-f:8D?

~~~~,~:_~.

< 50 Hz félkép-ire:';',c~ _ -' 525 soros rendszt'~ _c__ ~ vetkező színes a :-, _, • PAL, • NTSC, • SECAM, A PAL-, NTSC,

é~ ~:: ~ c -.

soros rendszere:'; -c' ~ -- ­ között vannak l'_-_- .:.~__ - _ sen a képvivől. a= : "::-C-' ször negatív n:c,:_, szág) használ ;': = hangvivő általa~'.:.~

Észak-Amerika _ második segéé',-.,,: __ Annak ellenére, :--,:;:- _ között csak kl~" amelyek messzi' :~ ~:-- , _­ A televíziós :.;.:::: ~: -= -' véges sugár-vissz.::'_:.:' is be kell ikta tL_ ::::- -=" kijelzőn, (A meg-c-::-:-'-::-­ sarokból áll ÖSSZe':: :-::- _. ~ '.-an, az 525 soros ~-c~_>=o közé esik. A villódzás csc:,;:::,~.::,ó egyik iéIképhez a ;:- a: : o .: :\z így felosztott ',,_:. ~:> . . encia valójába;: " ,-:-:- --, .(,[tos szimiéne: .::_.:::< ~

Huszadik fejezet

A DVB-T méréstechnika

Az elözö fejezetekben megismertük a DVB-T szabvány és az OrDM-modulá­ ció részleteit, a következökben pedig a DVB-T jelek méréstechnikájával foglalkozunk, az ETR 290-es DVB Mérési Útmutató által elöírt elveket követve, illetve - bizonyos esetekben - azokon túlmenöen is. Az igen összetett tulajdonságokkal jellemezhet6 földfelszíni rádiócsatorna, a bonyo­ lult felépítésű modulátor és az analóg kvadratúrakeverő jellemzöi miatt a DVB-T mérörendszerekkel kapcsolatos elvárások lényegesen komolyabbctk, mint a műholdas vagy kábeltévés (DVB-S és -Cl méréstechnikai eszközökkel kapcsolJtban. A DVB-T jelek vizsgálata sorc1n a következó tényezöket és paramétereket kell mérni: • • • • • • • •

zajt (additív Gaussi-fehérzajt), fázisdzsittert, zavaró jeleket, többutas vételi jellemzőket, Doppler-hatást, egyfrekvenciás hálózatban fellépő hatásokat, szomszédos csatornás zavarásokat (vállcsillapítást), a modulátorkvadratúra-hibát: • amplitúdóaszimmetriát, • fázishibát,

•

vivőszivárgást.

Az alcí.bbi, DVB-T mérésekhez szükséges berendezések bizonyos fokig ha­ sonlóak a kábeltévés müszerekhez: • korszer ü spektrumanalizátor, • kOl1stellációelemzésre alkalmas DVB-T mérővevö, • DVB-T tesztadó vevökészülékek bevizsgálásához. Ezek közül a mérővevő kiemelten a legfontosabb, a DVB-T spektrum pilot­ jelei adta lehetöségeket kihasználva ugyanis a legátiogöbb vizsgábtokat lehet vele végrehajtani, mindenféle egyéb, külsö kiegészítő egység nélkül.

_.

IIIISI.,\DIK

300

vevő visszaio,s:2.: : vivök ezzel sze:~: ~ .. zött. A zai k; __'c::,,,. c. A DVI3-T :~:e _ fellépö Zcl\dL',_ különbség J~' ..'. zebbek, és az ;('­ A jelprocesszl'~ .' . értékeket is. ,,~:'..::.>: jéig delnodu.2~ ,-::., .:- =-

Az egyik legnagyobb jelentöséggel bíró vizsgálattípus a konstellációanalízis. Noha az 1990-es évek óta a digit,llis kábeltévé-rendszereknek köszönhetően igen sok tapasztalat gyűlt össze az állapotábra elemzésével kapcsolatosan, a DVB-T technikilba nem lehet ezeket közvetlenül átvinni. Eblwl1 a fejezethen kiemeit hangsúlyt fektl'tünk a DVB-T konstellációanalízisc;rl', rávilágítunk a jellegzetes problémákra és a mérési eredmények értelmezéséhez szükséges részletekre. A DVB-C rendszerek konstellációjának mérésl'vel szemben a DVB-T állapotábra vizsgálata nem csupán néhélny ezer vivő konstellációjának elell1zéséböl áll, és igen sok "fogás" nem ültethető át kiizvetlenül egyik rpm]­ szerből a másikba. A 20.1. ábrán 64 QAM-állapotelrendezésű DVB-T jel konstellációs dia­ gramja látható. Jól látszanak a folytonos és szórt pilotjelek (a valós tengely két legkülsö pontja), tov,íbbá a TPS-vivők (a valós tengelyen lévéí két belsö pont) ,mapotai. A szórt pilotjelek csatornabecslésre és -kiegyenlítésre szol­ g,llllak, ennélfogva ellenőrzési pontok is a konstell,lción, segítségükkel cl

-­

20.1. A bithiba belsö és külsl l mérni: • a • a • a

: . __

Viterbi-de~,-:. . Reed-Solo:~~:.·' Reed-Solor~~':

_.

Az összeköt,e:e,;: ,,­ Viterbi-de ~lÍé," . dekódoló ki;;:e:-.".

'.

20.1. ábra

64 OAM-modlllációjli UVHT jcl konstellácios ábmja

Q--+

Q

DSP Zaj­ gen.

Kép­ ernyő

20.2. ábra

20.3. abra

LJVBT máol'cl'ők hlokku{íz!o/u

.-

.

301

. .

vevő visszaforgéltia a vivők jllapotelrendezését a megfelelő helyzetbe. fl. TPS­ vivök ezzel szemhenielzésc1tviteli feladatokat látnak el az adö és a vevCí kii­ zött. fl. zaj kivételével a 20.1. jbr,ín nem láthatók jeltorzul;íst okozó z,lVarok. A DVB-T mérővevő segítségével azonosítható mindenféle rádiócsatorncÍn fellépő zavar. fl. közönsl'ges vevőkészülékek és a méróvevök közötti lényegi különbség abban jll, hogy az utóbbiak aIldlóg áramkörei lényegesen pred­ zeblwk, és az IQ-, valamint csatorna becslési adataikat egy DSP dolgozza ml. A jelprocesszor jllítja elö a konstellációs ábrc1t és a sz,irmaztatott mérési értékeket is. Mindezek mellett a mérővevők az MPEG-2 adatfolyamok szint­ jéig demoduljlj;ík a DVB-T jeleket.

~l)nstell;íciöaI1c11ízis.

l':'; :lck

k(iszonhe((len kapCSlllatnsan, cl '.• ~. Ehben a fejezethen ':s,'re, rjviLlgítunk a ~~,'zéséhez szükséges

-~'::oc":t'l

~zt'mben

él DVB-T

.,í klll1stelL1ciöi,ínak

l/'.t'tlenülegyik remi­

l'l konstell,kiós dia­ . ,':l'k (a valós tengely , -,' o;l'lwn l('vő két bels(í ., - -" -kiegyenlítésre szol­ ,-- . : d 1 n, segítst'gükkel él

20.1. A bithibaarány mérése Akárcsak él múholdas (DVB-S) rendszerekben, él DVB-T technikában is - a belsö és külsö hib,ljavító kódolás miatt - három pontol1 lehet bithibaar,lnyt mérni: • a Viterbi-dekódoló elött, • c1 Reed-Solomon-deködolö elölt és • a Reed-Solol11on-deködolö Ut,1I1. Az összeköttetést legink. vivő (20.19. jbral ­ spektrum alsó réSZe származó jelössze:::-. hasonló jelenségne :~

>; ,

IIIIS/,\DIK FEJEZ!'T: CI IWIH MÉRfsn:nl~IKcI

313

A vivő kiszűrésével elnyomott vivőjű amplitúdómodulált jelet kapunk (20.15. ábra). A fentiekhez hasonlóan az IQ-modulátorok viselkedése is 11l0­ dellezhető két vektorábra szuperpozíciójávaL ugyanis mind a fázis-, mind a kvadratúrajel keverője elnyomott vivőjű beállításban üzemel. Ha ugyanaz a jel érkezik mind az 1-, mind a Q-ágon, de egymáshoz képest 9000s fáziskülönbséggel. akkor a 20.17. ábrán illusztrált, ..egyoldalsávos" vektorelrendezés alakul ki. Jóllátható, hogy két oldalsávi összetevö erösíti, míg másik kettő kioltja egymást, így az egyik oldalsáv eltünik, SSB-spektru­ mot eredményezve. Ez alapján az OFDM-modulátor úgy is tekinthető, mintha több ezer ilyen jellegű egyoldalsávos modulátorbói épülne föl. Ideális esetben nincs áthallás a megfelelő alsó és felső oldalsávok között. Az IFFT-fokozat ideálisnak vehető, hiszen működése kizárólag matema­ tikai műveleteken alapul. Az IQ-keverő ezzel szemben vagy digitális felépítésű (tehát ideális), vagy analóg kivitelű lehet. A jelenlegi (és jövőbeni) DVB-T modulátorok közvetlen keveréssel müködnek, így ezekben analóg kvadratúramodulátor található. Ha amplitúdóaszimmetria lép föl, az annak a következménye, hogya megfelelő oldalsávok nem oltják ki egymást tökéletesen, így cl spektrum megfelelő részén zavaró jelösszetevö jelenik meg. Az IQ-fázishiba esetében hasonló a helyzet. A leírtakból következik, hogy mindegyik vivöt zajszerü interferáló jel fogja zavarni, a sávközépi vivő kivételével. Így az is belátható, hogyavivőszivárgás hatása miért csak sávközépen jelentkezik és miért csak ott tolja el a konstellációt. Az elmondottak igen szemléletesen kimutathatók a DVB-T jelben (20.18. és 20.19. ábra), amennyiben a modulátor rendelkezik olyan teszt üzemmód­ dal, amelyben kikapcsolható például a spektrum alsó fele. Ilyen célra a DVB-T tesztadók alkalmasak. A sávközépen ekkor jóllátható az átszivárgott vivö (20.19. ábra). Az IQ-modulátoron amplitúdóaszimmetriát beállítva a spektrum alsó részén megjelennek a felsö és alsó oldalsáv közötti áthallásból származó jelösszetevők is (20.20. ábra). Kvadratúra-fázishibát előidézve hasonló jelenségnek lehetünk tanúi (20.21. ábra).

Q

I

Q

:'!

,~

""'.; ...,.. ' «~

..........

J 20.18. ábra

•

DVB-T jel spektmma

l llC iTALIS ~liíSLJRSZUR,\S

--r-----+--~-----jf---#--!-+

-­

-+ +- _ i

H­ i

20.19. ábra

A O. és 3500. vivő közötti tartomány kikapcsolva

IHISZAIlIK Il:!E!I:T ,I [1'.".­

A zaj szerű áth2 "'_ összefüggésekkel :cc--' Amplitúdóaszic:>< .. nem oltjc'ík ki egye.::,: -~ között. A hasznos' cc . .::­ mértékben az átha:> ~ A fázishiba a . _. alapján meghatcírcl=~':· ezzel együtt a zai\'e:­ ábrán az amplitLc,- ':0: DVB-T jel jel/zaj-L::: :.­ alapján ábrázol\'a hogy az amplitúdc.:~=­ legyen. A DVB-T mode,2::: ­ noha a teljesjeb~'c:.': _­ zépre szimmetriL:::",. ­ lációja is torzuL amely a szórt pilc c':' .0

._

S/N

= (a 1

-

a.:

20.20. ábra

1O%-os amplirúdóaszimmetria hlltása (a O és 3500. vivő közöui rartomány kikapcsoll'll)

20.22. ábra

_::1~ !~~ I i-~~ ,,-4 r 1_--"- ~. ~!--t----t

~:-jl-l--'>--+-i~i

-+--j

--fi_-+-__

x = 90 - ph"

-L;

S/N

= (2a :a

, .~-­

20.21. ábra

10 'os (áz/shiba hatása (a O. és 3500. vivő közöui tartomány kikapcsollIa)

i S S:é.. 20.23. ábra

315

A zajszerü ,íthallc'íst a vcktor,íbrák alapján felírt, egyszcrtí trigonometriai összefüggésekkel lehet leírni. Amplitúdóaszimmetria eset én (20.22. ábra) az ellentétesen ható vektorok nem oltjc1k ki egymást teljesen, így zajszerü áthallás jön létre az olLials,1vok köztitt. A hasznos jel amplitúdója ekkor olyan mértékben csökken, amilyeIl mértékben az ,íthallás nli. A fázishiba a jelvektorok által kifeszített paralelogramma (20.23. ,íhra) alapján meghatározható zajvektort eredményez. A hasznos jel amplitúdóia ezzel együtt a zajvektor hosszának megfelelö mértékben lecsökken. A 20.24. ábr,ín az amplitúdóaszimmetria, illetve fázishiba függvényében látható a DVB-T jel jel/zaj-viszonyának (S/N) alakulása, a matematikai összefüggések alapján ábrclzolva. Az adóberendezések gyártói által tc1iesítcndö elvAr,ís, hogy az amplitúdóaszimmetria 0,5%-nál, a fázishiba pedig 0,5°[1,11 kisebb legyen. A DVB-T modulc1tor hibái tehát csak a sc1vközépi vivön mutathatók ki, noha a teljes jelspektrumra hatással vanIlak. Mindezek mellett - a s,1vkö­ zépre szimmetrikusan - legatíbb két-két alsó és felső oldalscívi vivó konstel­ lcÍ.ciója is torzul, a vev ö csatornakorrekciós iokozatcÍ.nak köszönhetöen, amely a szórt pi lot jelek alapjcÍ.n végzi a csatorna becslést. Közvetlen cÍ.lvileli

---J.

A2 = al~1 - AI) ~_I Zaj N=a1- a2; al A2 = al(1-AI) al

- - .!,.- - - - -

Je!

S = al + a2; S/N = (al ~,

+ a2)/(a1

- a2) = (al + al(1 - AI)/(a1 - al(1 - AI)

= (2 -

:csa

-"' -:0)

I S!N[dB] = 201g([2 - AI(%)!1 OO]/[AI (%)!100J) I 20.22. ábra

Az iÍtllllllris mim! létrejiiz'ő zuj lezr(íso amplinídószimmezria

Zaj N

~ - - - - -

~:

= 2 a cos (90 -

phi!2)

_ - - A-~Jel 2 a sin (90 - phi/2)

S/N = (2a)/(2a) (sin[90 - phi!2]![90 - phi/2]) = tan (90 - phi/2)

IS/N[dB] = 20lg(tan[90 - phi/2]) I 20.23. ábra

70

•

Az áthallás miatt létrejövő zaj leírása fázishiba esetén

cSf'If'n

AI)/,

HUSZADIK FElEZET: 1\ n\

316

A MER-érték az cc.·. a jeljzaj-viszonyhc::: __ . ja a vételt, az S;'\'- ':< ~ '. A digitális lenes::: mozdítják" ideális :- ~ .. _ eltolódás mértéke '._ tartományokba, t'zz,:. ~ ­ való elmozdulás 11"S:-· Jn

ismertek, így

317

IIUSZADIK FEJEZET: A nVIlT MÉRf:STECII'.IKA

D'uriÍLls MtíSORSZÖRiÍS

A MER-érték az átvitel során fellépő összes hibát egyszerre jellemzi, és ­ a jel/zaj-viszony hoz hasonlóan - dB-ben szoLís megadni. Ha csak zaj zavar ja a vételt, az S/N- és a MER-érték megegyezik. A digitális rendszerekben föllépő zavarok a konstelláció s pontokat "ki­ mozdítják" ideális helyükről, amely az egyes döntési mezők közepe. Ifa az eltolódás mértéke túl nagy, az egyes szimbólumok átlépnek a szomszédos tartományokba, ezzel bithibákat előidézve. A döntési mezők középpontjából való elmozdulás nagysága ugyanakkor általánosan jellemzi bármely zavarás mértékét, és így a modulációshiba-arány meghatározásának is alapja. A MER mérésénél feltételezzük, hogy valamilyen külső zavar, átviteli hiba miatt mozdultak el az egyes konstellációs pontok az ideális helyükről a saját dön­ tési mezőiken belül. A zavarás mértékét a döntési tartományok középpont­ jaiból a ténylegesen vett konstellációs pontokba mutató hibavektor írja le (20.26. ábra). Az idő függvényében, adott mérési idCín belül az egyes döntési Illl'zőkben fölvéve a hibavektorok hosszát, meghatározható a négyzetes középértékük vagy a csúcsértékük. A MER alábbi, pontos definíciója az ETR 290-es DVB Mérési Útmutatóban találhatö:

cl

~:'~J 1.

-:-.~:'.

adatokkal modulált, :g" rajta igen könnyen 2=J:~bJn 8k-adásmóclban, .: ",:,::>en az esetben csak a ',c::e het következtetni a ~2 ..

~ :2:~ -k. ülön

mennyiségge I :.:-..2;Iak egy paramétert, ',.::",: :ria le, és ez a modu­

. MER C;l/C;

=

max

(I

hibavektorl) . 100 0 /. 70,

URMS

~ ~ ~ (I hibavektor IF

-AA

--: FH

MER RMS

=

.

100%;

UI!MS

AA[%)

10 FH [fok)

:.':i rw7lf'tria

Q

Eredő

vektor Hibavektor

(AA)

/

Ideális középpont

Ideális vektor

iOO­ ~5módban)

adasmódban) torzítások

20.26. ábra

•

Hibavektorok a TTlOduláció::.hillll-Ill'lÍTl)' (1'vlHH) mcghatrírozásálwz

.1l8

IlIIS/.'\I)II\ i :,"1 '

A négyzetes középérték (RMS) kiszámításának vonatkoztatási alapja (LJRMS) a QAM-jel bat,ísos értéke. A MER-( ,lltaljbaI1 logdlilmikus alakban szokJS fe\írni:

Viterbi-dek,·c: alatt ml'iC~c:' Kiell1elel1l', _._ technik,1>,c.:- .. _

i'vIER n: ~ 20· 19

l

MER[%]

J [ciBj.

klirüln'c:~··­

hdngsci;'.. ir,íll'Y:·.• ­

lOO

klilu,~

!\ l11odllljcióshiba-arjny tehjt egy ,lItalcínos leíró mennyisl'g, amely az

,itviteli útlln [e!lépő valamennyi lehetséges Elméletileg igaz a következö összefüggés:

hibahaU~st

It"\lí ,-- _: ~

tart,llmJzza. mirldl'I, ..

MERIciB] :s; S/N [dB].

vagy

\·j\·lh._-~

reCId

lellt'~_

.. _

gydk()mll1.1~,

A UVB-T rendszerekben kiemelkedöen fontos a vivök függvl'nyében .íbrázolt mudlll,icióshiba-arány (20.27. ábra), !llert ennek segítségével ,ítfogó kL'pct kaphatunk ,l r,ídióc5atorna viszonyairól, és könnyen azonosíthatjuk cl zavart vivókel. A UVB-T mérések során igen sokszor l'gyetll'n, ,ítlagos MER-értékkel találkozhatunk, amelynek azonban kevés gyakorlati jelentősége vaI1. Fizikai tartalol1lmal cl irekvencia függvényében áhr.lzolt MER görbe rendelkezik. E tl'makörlwn idöről idöre világszerte igen szél5Ciséges mérési hih,íkkal, szakmai tévedésekkel találkozhatunk. Példc1ul a UVB-T adéísok jövjhagy.1Sc1­ nak egyik feltétele, hogy a MER-L'rték ne legyen rosszabh)5 lil3-llél. Eléífordult már olyan is, hogy az L1Liötöl 25 km-re mérve igen komoly sl'rüll'seket tartalmazott a DVB-T jel, SZéíll10S vivön ugyanis erös iI1lerferen· cia lépctt flil. Az ,Hvételi jegyzöklinyv szerint ennek ellenére mindent rend­ ben tal.íltak: csak egyctlen, átlagos l11odul,kiöslliba-arányt tüntettek fel, él bithibaar,ínyt egy.íltalcín nem vizsgcílt.ík, helyette viszont oldalakat töltöttek Illeg teli esen fölüslegcscn a csatorna dlllplitúdö- ('5 csoportf1.1l.lsi 111l'lwtét ,1br,1zol(Í görbékkel. A DVB-T aclc1sok minősítése szpmpontiából il vivök függ­ vényében vizsgált MER-érték és a rcÍdiöcsatornát közvetlenüliellefllzéí,

cO

•

A O\'S-T _0_:· Il1L'rőveúík

,'.:.' bec. i('lhasznc1L,~,: • v,11asz2t is T~,._-: vizsgála tára nösen az cg\·'., elclllzésekeI'-_ kritikus jelle'.

szintet,

d

Zavc1rielense~

Zaj Fcízisdzsi t te: Zavaró ic! Visszaver; l',·_.

IQ-am fl li tl!l2 c:: o [Q- f,ízi s II iba

Mcgmaral:l í ... vivőszivargas

20.27. ábra

A

vivők

20.1.

(üggvPllyében ábrázolt rnodulációsltiba-arány

......--------------....-----------

- ..

.~"~

:-:"

319

IILJSZt\llIK FEJEZET: A DVB·T YIÉRÉsn.cII'\IKA

Viterbi-dekódoló előtti bithibaarány a mérvadó. Ez a két jellemző percek alatt megmérhető, ráadásul rrlÍnden lényeges iniormációról tájékoztat. Kiemelemiö tehát, hogy - ellentétben az egyvivös rendszerekkel - a DVB-,], technikáb,m nemcsak egyféle átlaglJs MER-értékkel jellemezhetök az átvitel körülményei. A tévedések és helytelen nézetek eloszlatása végett külön hangsúlyt kell iektetni arra, hogya fellt említett, DVB-T méréstechnikai irányelvek mindenki számára világosak és egyértelmlíek legyenek. Ez különösen érvényes az adóberendezések gyártóival közvetlen kapcsolatban lévő müszaki szakemberekre. Összefoglalva tehát elmondható, hogya zaj és fázisdzsitter egyformán hat minden vivőre, míg a (külső) zavaró és visszavert jelek csak egyes vivőket vagy vivőcsoportokat érintenek, és hatAsuk zajszerü vagy koherens interfe­ recia jellegG is lehet. A modulátor kvadratúrahihcÍ.i a vivőkre zajszerű hatiÍ5t gyakorolnak, és kizárólag a sávközépi vivó vizsgálatával mulathatók ki. f\ nVB-T csatornán fellépő zavarok könnven felismerhetők a DVB-T

1l1l'rövevCík .lllal megjelenített konstell,'íciö segítségével. Emellett a vételi jd­

szintet, cl különféle bithibaarányokat, valdmint acsatornakorrekciós adatlJk

felhaszncÍlcÍsával a csatorna amplitúdó- és fcízisIllcnetét, illetve impulzus­

vc1laszát is mérik ezek a müszerek. Az impulzusválasz a löbhulas terjedés

vizsgálatára irányuló terepmérések során kiemelkedó jelentöségű, külö­

nösen az egyfrekvenciás hálózatokban. A fentiekben ismertetett kvadratúra­ elemzéseken kívül a DVB-T mérővevők segítségével dZ átvitel számos más, kritikus jellemzője is vizsgcÍlhatö.

.,' :1a tkoztatási alJ pja alakban

:-,::~ :c'~dritmikus

:~~el1l1yiség,

amely az :,:rtalmazza.

'.:~:

. ,. :. "gvényében ábrcÍzoJt :ségével átfogó képet ..:::c'I1osíthatjuk a zavart . -:-:: .'ll