Technické základy DVB-T — Pozemní vysílání DVB-T, DVB-T2 — Technika — Vše o ČT — Česká televize

Cílem několika následujících řádků je stručně popsat systém digitální pozemní televize po technické stránce a osvětlit čtenáři některé termíny a pojmy, se kterými se může v souvislosti s DVB-T setkat (viz také Slovníček pojmů).

Pokud by měla být odpověď na otázku „Co je to DVB-T?“ formulována do jedné věty, pak by tato odpověď zněla, že se jedná o principielně zcela odlišný způsob přenosu televizního vysílání od vysílatele k divákovi než dosud, přičemž jednotlivé složky vysílání, tj. obraz, zvuk a doprovodné služby (teletext apod.), jsou přenášeny v digitální podobě.

Názorně si systém digitální pozemní televize můžeme popsat na zjednodušeném blokovém schématu televizního řetězce „od kamery až po obrazovku“, kde jsou DVB-T bloky vyznačeny fialovou barvou – viz obr. 1

Nyní si můžeme ve stručnosti popsat, co je úkolem jednotlivých bloků.

1. Kompresní technologie DVB

V systému digitální pozemní televize (DVB-T) je televizní obraz a jeho zvukový doprovod zdigitalizován a spolu s přidruženými datovými službami (Teletext, VPS, WSS) je přenášen společným datovým kanálem v podobě tzv. digitálního multiplexu. Tento multiplex může obsahovat několik televizních programů (v DVB-T typicky 4-6 programů) a k tomu ještě např. sadu rozhlasových programů a množství rozličných doplňkových služeb (EPG, MHP apod.). Kompresní technologie zajišťuje dvě základní operace - zdrojové kódování a multiplexování.

1.1. Zdrojové kódování

Vzhledem k tomu, že digitalizovaný obraz je velmi náročný na kapacitu přenosového kanálu - hrubá přenosová rychlost digitálního obrazu ve studiovém formátu SDI (Serial Digital Interface) je 270 Mbit/s, je nutno jej komprimovat.

V systému DVB je digitalizovaný obrazový signál komprimován do formátu MPEG 2. Ten byl vybrán především pro svou flexibilitu (norma připouští různé snímkové kmitočty i různý počet prokládaných či neprokládaných řádků), skalabilitu (lze volit různé kvalitativní úrovně výsledného obrazu), nesymetričnost (komplikovaný je pouze kodér na straně vysílatele, dekodér na straně diváka je naopak jednoduchý a levný) a otevřenost.

Základním principem komprese obrazu dle MPEG 2 je redukce irelevantních a redundantních informací v obrazovém signálu. Při redukci irelevance se využívá znalosti fyziologických vlastností lidského zraku, který je málokdy schopen rozeznat drobné detaily v obraze, zvláště při rychlém pohybu, a proto je možno je vynechat. Při redukci redundance se z výhodou využívá skutečnosti, že po sobě následující snímky obrazového signálu se většinou liší jen málo, a proto stačí přenášet jenom diference mezi nimi. Podrobný popis komprimačního algoritmu systému MPEG 2 je natolik rozsáhlý, že by vydal na samostatný článek. Je třeba zdůraznit, že se jedná o kompresi ztrátovou, což znamená, že takto komprimovaný obrazový signál již nelze znovu zcela rekonstruovat (v původní kvalitě). Nicméně je to velice účinná kompresní metoda, o čemž svědčí následující čísla: původní aktivní bitový tok obrazového signálu, který činí zhruba 166 Mbit/s (720x576 obrazových bodů x 25 snímků/s x 16 bitů na obr. bod), lze zredukovat na 8 - 4 Mbit/s (pro tzv. standardní kvalitu obrazu odpovídající signálu v normě PAL). To znamená, že lze dosáhnut kompresních poměrů 20:1 až 40:1. Díky tomu, že norma MPEG 2 přesně definuje pouze vlastnosti dekodérů a skladbu přenášeného bitového toku a naopak technické řešení kodérů ponechává na výrobcích, účinnost kodérů může v závislosti na technologickém pokroku stále stoupat. To otvírá prostor pro dosažení vyššího kompresního poměru při zachování subjektivně stejné kvality obrazu. V poslední době byly vyvinuty i účinnější metody komprese obrazu, např. MPEG 4, ale s jejich nasazením v systému DVB-T se zatím nepočítá.

Také zvuk je v DVB-T přenášen v komprimované podobě. Pro kompresi zvuku byl v systému DVB původně uvažován pouze algoritmus MPEG 1, layer I nebo II pro dvoukanálový doprovod (zvukové módy single channel, dual channel, stereo a joint stereo) resp. MPEG 2, layer II pro vícekanálový doprovod (5.0 příp. 5.1). Nicméně záhy se situace vyvinula podobně jako u nosičů DVD, takže byl jako alternativa pro přenos vícekanálového zvukového doprovodu povolen i systém Dolby Digital, a v současné době probíhá u organizace DVB standardizace systému DTS, mírně upraveného pro použití v rámci DVB. V blízké budoucnosti by tak mohlo být digitální pozemní vysílání zdrojem kvalitního vícekanálového zvuku podobně jako nosiče DVD.

Zvukový komprimační algoritmus MPEG patří do rodiny tzv. perceptuálních komprimačních algoritmů, kam patří např. i AC-3 (Dolby) anebo ATRAC (Sony). Tyto algoritmy jsou založeny na rozdělení kmitočtového spektra zvukového signálu do subpásem a aplikaci psychoakustického modelu lidského sluchu v každém subpásmu. Psychoakustický model postihuje nejvýznamnější vlastnosti lidského sluchu, a sice tzv. maskovací efekt (zvuk vysoké intenzity zamaskuje slabší zvuky v daném subpásmu, takže je není potřeba přenášet) a nerovnoměrnost citlivosti lidského sluchu v celém akustickém spektru (Fletcher-Munsonovy křivky stejné hlasitosti). Díky tomu, že zvukový kompresní algoritmus MPEG 2 je konstruován jako rozšíření algoritmu MPEG 1, jsou datové toky MPEG 1 a MPEG 2 vzájemně kompatibilní, takže dekodér MPEG 2 dokáže plně dekódovat datový tok MPEG 1 a dekodér MPEG 1 dokáže dekódovat z toku MPEG 2 základní část (stereofonní zvuk) bez vícekanálového rozšíření.

Kompresní algoritmus MPEG připouští vzorkovací kmitočty 16, 22.05, 24, 32, 44.1 a 48 kHz, ovšem v DVB je doporučeno používat kmitočet 48 kHz příp. 44.1 nebo 32 kHz. Povolené bitové toky jsou 32 až 448 kbit/s pro layer I a 32 až 384 kbit/s pro layer II. Pokud je přenášen vícekanálový zvuk, kódovaný do formátu MPEG 2, a datový tok 384 kbit/s by byl pro požadovanou kvalitu nedostatečný, je možno využít tzv. extension bit-stream s rychlostí až 682 kbit/s.

Specifikace AC-3 pro DVB definuje zvukové módy "Mono" až "5.1". Povolené vzorkovací kmitočty datového toku AC-3 jsou 32, 44.1 a 48 kHz, bitové rychlosti datového toku se mohou pohybovat od 32 do 640 kbit/s.

Specifikace DTS pro DVB definuje zvukové módy "Mono" až "5.1" včetně Extended Surround kanálu (DTS ES). Povolené vzorkovací kmitočty datového toku DTS jsou 8 až 192 kHz, bitové rychlosti datového toku se mohou pohybovat od 128 do 3840 kbit/s.

Pro přenos vícekanálového zvukového doprovodu (5.1) jsou u všech tří systémů doporučeny rychlosti 384 kbit/s a vyšší.

1.2. Multipexování

Aby bylo možné zakódované obrazové a zvukové signály šířit společným datovým kanálem, je třeba je nějakým způsobem sloučit dohromady. Toto "sloučení" se nazývá multiplexování a za úkol ho má zařízení, zvané multiplexer.

Zdrojové datové toky (PES = Packetized Elementary Stream), generované videokodérem resp. audiokodérem jsou nejprve vedeny do tzv. primárního nebo-li programového multiplexeru, kde jsou sloučeny s datovými toky doplňkových datových služeb (např. teletextu, podtitulků, VPS, WSS apod.). V praxi je obvykle videokodér, audiokodér a primární multiplexer tvořen jediným zařízením, zvaným "DVB kodér".

Výstupní datový tok (PS = Program Stream) primárního multiplexeru resp. DVB kodéru je poté veden do sekundárního, tzv. transportního multiplexeru. Ten slučuje datové toky jednotlivých televizních programů s datovými toky doplňkových služeb, jako jsou např. EPG (elektronický programový průvodce), datový karusel, interaktivní aplikace apod., do jediného datového toku, kterému se říká transportní tok (TS = Transport Stream). Důležitým úkolem transportního multiplexeru je také vytvoření servisních dat, které identifikují jednotlivé komponenty výsledného transportního toku. Bez těchto servisních dat, uspořádaných do tabulek, kterých je celá řada, by byl transportní tok jenom nekonečnou řadou bitů, kterou by nebylo již nikdy možné dekódovat zpět.

Digitální multiplex, reprezentovaný transportním tokem, obsahuje v systému DVB-T obvykle 4 až 6 televizních programů podle toho, jaká kvalita reprodukce je požadována.

2. Modulace DVB-T

Vzhledem k tomu, že na DVB signál, šířený z pozemních vysílačů, čeká mnohem víc nástrah a překážek, než na signál šířený ze satelitu či v kabelovém rozvodu, využívá účinnější protichybové zabezpečení a poměrně robustní digitální modulaci. Většinu z těchto operací má na starosti DVB-T modulátor.

2.1 Protichybové zabezpečení

Protichybové zabezpečení v systému DVB-T je několikastupňové - viz obr. Vnější kódování pomocí Reed-Solomonova kódu a vnitřní kódování (FEC), využívající tzv. konvoluční kód, umožňuje opravit v dekodéru určité procento chyb vzniklých při přenosu transportního toku přenosovým kanálem. Vnější a vnitřní prokládání zabezpečuje přenos proti shlukům chyb.

Jednotlivé bloky protichybového zabezpečení transportního toku DVB

2.2 Modulace OFDM

Takto zabezpečený transportní tok je již možno namodulovat. Systém DVB-T používá modulační princip OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), který je založen na tom, že přenosový (televizní) kanál obsahuje velký počet rovnoměrně rozmístěných dílčích subnosných vln (kmitočtů) a odtud vlastně pochází i jeho název - ortogonální frekvenčně dělený multiplex. Norma připouští dva základní módy modulace OFDM: mód 2k (1705 subnosných), který je používán pouze ve Velké Británii, a mód 8k (6817 subnosných), používaný ve většině ostatních zemí (uvažuje se i o módu 4k, který by mohl být použit specielně pro aplikace, předpokládající mobilní příjem z rychle jedoucích dopravních prostředků). Ze celkového počtu 6817 subnosných je 6048 aktivních (určených pro přenos dat) a 769 referenčních (sloužících k tzv. vzorkování kanálu). Každá dílčí subnosná vlna je modulována některým ze tří typů tzv. vícestavových digitálních modulací (QPSK, 16-QAM nebo 64-QAM). Je-li použita modulace QPSK, pak jedna subnosná vlna přenáší 2 bity informace, modulace 16-QAM umožňuje přenášet 4 bity a modulace 64-QAM 6 bitů jednou subnosnou vlnou. Dá se tedy říci, že OFDM modulátor vlastně přerozdělí kontinuální tok bitů TS mezi oněch 6048 aktivních subnosných vln, čímž dojde ke změně principu přenosu dat ze sériového na paralelní a zároveň k prodloužení trvání každého bitu resp. symbolu.

Modulace OFDM má několik zásadních předností:

• umožňuje provoz tzv. jednofrekvenčních sítí (SFN), tj. sítí, kdy více vysílačů vysílá na jediném společném kmitočtu a vzájemně se svými výkony doplňují
• je téměř imunní vůči chybám, způsobeným vícecestným šířením a odrazy, které se v analogové televizi projevují jako "duchy"
• při vhodné volbě parametrů modulace a topologie sítě ho lze přijímat mobilními přijímači a to i v jedoucích vozidlech, přičemž pro bezchybný příjem postačí jednoduchá prutová anténa
• oproti analogovému provozu, kdy jeden vysílač přenáší jen jeden program, DVB-T vysílač může přenášet až 6 programů při stejném pokrytí signálem. Tím dochází k značným energetickým úsporám i snížení ekologického zatížení prostředí

Pro pochopení rozdílu mezi analogovým a digitálním přenosem televizních programů je možné využít i následující dva obrázky popisující situaci ve Velké Británii před a po zahájení digitálního vysílání.

• z prvního je zřejmé, že před zahájením digitálního vysílání bylo v pásmu 23. až 37. kanálu přenášeno 5 analogových televizních programů
• druhý obrázek ukazuje změnu po listopadu 1998, tj. po zahájení digitálního vysílání. Ve stejném kmitočtovém rozsahu se zde navíc objevilo 6 digitálních multiplexů, z nichž každý může obsahovat až 6 televizních programů.

Z prvního obrázku je zřejmé, že před zahájením digitálního vysílání bylo v pásmu 23. až 37. kanálu přenášeno 5 analogových televizních programů druhý obrázek ukazuje změnu po listopadu 1998, tj. po zahájení digitálního vysílání. Ve stejném kmitočtovém rozsahu se zde navíc objevilo 6 digitálních multiplexů, z nichž každý může obsahovat až 6 televizních programů

3. Příjem DVB-T Set Top Box

3.1 Požadavky na přijímací anténu a rozvod signálu

Kvůli příjmu digitální pozemní televize není třeba si pořizovat žádnou speciální anténu - vysílání DVB-T bude šířeno ve stejných kmitočtových pásmech, v jakých je šířena stávající analogová televize a to především ve IV. a V. tv pásmu. Tudíž plně vyhoví i stávající anténa, určená k příjmu na těchto kmitočtech. Ve větších městech a jejich nejbližším okolí by měla být taková intenzita vf signálu, která umožní bezproblémový příjem na pokojovou (indoor) anténu, na zbytku území bude zřejmě třeba použít venkovní (outdoor) anténu. Její umístění a přesnost nasměrování už by ale nemělo být, díky vlastnostem modulace OFDM, tak kritickým faktorem pro kvalitní příjem vysílání.

Co se týká rozvodů signálu, tak ani zde se nekladou žádné zvláštní nároky a ve většině případů by měly plně vyhovět stávající rozvody, používané pro analogový tv signál. Drobné problémy by ale mohly nastat s případnými anténními zesilovači event. filtry. Digitální signál je totiž citlivý na linearitu přenosové trasy - frekvenční a fázová charakteristika anténního rozvod a všech jeho pasivních a aktivních prvků by měla být co nejvyrovnanější v celém frekvenčním spektru.

3.2 DVB-T Set Top Box

DVB-T Set Top Box (STB) je samostatný přijímač digitálního pozemního vysílání, který je koncipován jako doplněk ke stávajícímu analogovému televiznímu přijímači. Jeho úkolem je tedy umožnit sledovat vysílání DVB-T na klasickém TV přijímači. K němu je připojen většinou pomocí kabelu SCART podobně jako např. DVD přehrávač - příklad typického zapojení DVB-T přijímače a ostatních domácích A/V komponent najdete na obr.

Set Top Boxy se vyrábějí se v mnoha různých provedeních s různou hardwarovou a softwarovou výbavou. Ladicí rozsah tuneru všech STB musí pokrýt alespoň pásmo UHF (21. - 69. kanál), ale některé z nich zvládají i pásmo VHF. Všechny přijímače jsou vybaveny konektorem typu IEC pro připojení pokojové nebo venkovní televizní antény. Většina z přijímačů má také tzv. smyčkovací výstup, díky kterému lze takříkajíc do série s digitálním přijímačem zapojit klasický televizní přijímač, případně videorekordér. Drtivá většina STB je vybavena dvěma konektory SCART, z nichž alespoň jeden dává na výstupu obrazový signál ve formátu RGB a většinou i S-video, kompozitní formát CVBS je samozřejmostí. Druhý SCART je obvykle určen pro propojení s videorekordérem nebo satelitním přijímačem, a proto mívá zvukově i obrazově (CVBS) osazen nejen výstup, ale i vstup, a ti lepší se mohou pochlubit i RGB vstupem. Vedle toho mívají DVB-T přijímače i klasický AV výstup (video/L/R) na třech konektorech typu Cinch. Poměrně obvyklý je i digitální zvukový výstup SPDIF podporující formát Dolby Digital (AC-3). Na majitele postarších televizorů bez nebo s omezeným počtem AV vstupů výrobci také nezapomínají, a tak je většina STB vybavena také interním modulátorem. Jeho výstupní signál je buďto přímo interně sloučen se vstupním signálem z antény, anebo lze téhož docílit propojením smyčkovacího výstupu (většinou označen RF Loop Out) se vstupem slučovače (označen RF IN), který je součástí interního modulátoru. Sloučený signál je pak k dispozici na samostatném konektoru IEC, většinou označeném jako TV Out. Pro datové připojení přijímače k počítači nebo k dalšímu STB, umožňující nahrát do něj buďto nové programové vybavení, anebo okopírovat naladěné programy, slouží sériové rozhraní RS232 vyvedené na devítipinovém konektoru typu D-Sub. Přijímače podporující MHP (Multimedia Home Platform) bývají navíc vybaveny integrovaným modemem pro realizaci tzv. zpětného datového kanálu (od diváka k vysílateli) pro interaktivní aplikace, vyžadující zpětný kanál.

Poměrně zásadní a na první pohled viditelnou odlišností hardwarového charakteru, která dělí STB na dvě skupiny, označované v prospektech zkratkami FTA resp. FTA+CAS, je absence, resp. přítomnost CI (Common Interface) rozhraní, případně integrovaného CA (Conditional Access) modulu.

V případě softwarové výbavy přijímačů jsou odlišnosti poněkud větší než u hardwarové výbavy, i když tyto odlišnosti jsou spíše v oblasti úrovně zpracování a přehlednosti menu (GUI), v komfortu obsluhy a v počtu doplňkových funkcí. K povinnému vybavení zde patří bezpochyby ovládací prvky pro základní nastavení vlastností přijímače (především AV parametrů), funkce automatického a manuálního ladění digitálních multiplexů, nástroje pro řazení a editaci nalezených multiplexů a jednotlivých, v nich obsažených rozhlasových a televizních programů, možnost vytváření vlastních seznamů předvoleb a funkce elektronického programového průvodce (EPG). Všechny přijímače jsou také vybaveny funkcí, která by měla usnadnit rodičům cenzuru kanálů a pořadů nevhodných pro děti. Výrobci tuto funkcionalitu řeší dvěma způsoby. Buďto je možno na některé předvolby aplikovat softwarový zámek (tzv. Parental Lock), anebo je zařadit do seznamu zamčených předvoleb, což má za následek, že přijímač umožní sledování takového kanálu pouze po zadání správného hesla. Druhé řešení je jakousi elektronickou obdobou tzv. ratingu, který se používá při distribuci filmů, kde by mělo být u každého filmového snímku definováno, od jakého věku je přístupný. V podobném duchu je tedy možno v menu přijímače nastavit stupeň přístupnosti vysílaných pořadů, který je definován věkovou hranicí. Ve výsledku to funguje tak, že je-li vysílán pořad s age ratingem vyšším, než je nastavená hranice, přijímač jeho sledování automaticky zablokuje a k odblokování je třeba zadat heslo. Samozřejmě předpokladem pro správnou funkci je, aby vysílatel vkládal do multiplexu potřebné údaje.

Mezi doplňkovou softwarovou výbavu lze zařadit funkci automatického vypnutí (Sleep Timer) anebo časovač (Timer) synchronizovaný podle času z multiplexu. Druhá z nich v zadaný čas zapne přijímač na přednastavené předvolbě a probudí tak svého majitele ze spánku anebo umožní záznam oblíbeného pořadu na připojeném videorekordéru, který musí být samozřejmě také odpovídajícím způsobem naprogramován. Zde je třeba uvést, že žádný z komerčně vyráběných přijímačů DVB-T nepodporuje VPS, tj. nedává na žádném ze svých výstupů signál, kterým lze aktivovat záznam videorekordéru. Ačkoliv je normou přesně definován způsob přenosu VPS signálu i teletextu v rámci digitálního multiplexu, výrobci přijímačů VPS zatím ignorují a zpracovávají pouze teletext. K řízení videorekordérů lze použít i kód PDC, který je možno přenášet právě v rámci teletextu (ČT zatím tuto službu neposkytuje).

V poslední době se začínají na trhu objevovat i tzv. PVR (Personal Video Recorder), což je Set Top Box (DVB-T nebo DVB-S) umožňující zaznamenat vybraný pořad na zabudovaný pevný disk. Některé modely jsou vybaveny i datovým rozhraním FireWire, takže je možno je připojit k PC a záznam si z PVR překopírovat na pevný disk počítače a příp. vypálit. Toto řešení je moderní alternativou k záznamu na VHS.

Funkce elektronického programového průvodce (EPG), která umožňuje divákovi prolistovat nabídku pořadů všech programů obsažených v multiplexu, je naprosto nezbytnou součástí výbavy každého digitálního přijímače. Každý z výrobců přistupuje k EPG jinak, někteří se omezují na pouhé zobrazení aktuálně vysílaných (Current) a následujících (Next) pořadů, jiní se snaží vytěžit dané možnosti na maximum a jejich elektroničtí průvodci provedou diváka programem na celý následující týden, eventuálně umožní přímo zanést vybraný pořad do programu Timeru.

3.3 iDTV

Zkratka iDTV označuje integrovaný digitální televizní přijímač, tedy televizor, schopný přijímat digitální a většinou i analogové televizní pozemní vysílání. Z pohledu příjmu DVB-T se svými vlastnostmi příliš neliší od set top boxů, jeho výhodou je samozřejmě vyšší komfort obsluhy pro uživatele - ovládání jedním dálkovým ovladačem je pohodlnější než dvěmi. Daní za vyšší obslužný komfort však mohou být menší užitné vlastnosti, např. menší variabilita zapojení nebo menší počet doplňkových funkcí.

IDTV budou v drtivé většině případů vybaveny obrazovkou formátu 16 : 9, protože v tomto obrazovém formátu bude vysílání DVB-T šířeno.

Jiří Toman, Ivo Procházka