Zákulisí DVB - teorie a technické informace
13.7.2009, Radek Jahoda, článek
Snad všechna média nás přesvědčují, že digitální vysílání je lepší než analogové. Ale co za tím stojí a proč to tak je, ví už málokdo. Podívejme se, jak systém DVB (DVB-S, DVB-S2, DVB-T a DVB-T2) funguje a jak je v principu rozdílný od analogového TV vysílání.
Kapitoly článku:
- Zákulisí DVB - teorie a technické informace
- Obsah
- BB rámec
- Kódování DVB-S a DVB-T
- Kódování DVB-S2 a DVB-T2
- Modulace DVB-S a DVB-S2
- Modulace DVB-T a DVB-T2
- Závěr
V prvé řadě Vás odkážu na náš starší článek o analogové technice Komerční formáty videa a TV, který Vám dá základní znalosti fungování televizního vysílání v analogové podobě.
Vraťme se k němu a připomeňme si, jak probíhá vysílání analogové televize. To probíhá v podstatě lineárně, co se vysílá, to se právě zobrazuje. Samotný obraz je rozdělen do řádků a ty se vysílají popořadě a stejně tak se kreslí na obrazovku. Na obrázku vidíme průběh jednoho řádku, všimněme si ale, že ke správné funkci televizního přijímače a synchronizaci zobrazení na obrazovku obsahuje signál nejen samotný obrazový signál, ale i synchronizační puls a zatemňovací interval, který je nutný pro návrat paprsku na začátek řádku. Ze 64 mikrosekund pro řádek tak pouze 52 mikrosekund nese samotnou informaci o obrazu. V celém obrazu je 625 řádek, z nichž pouze 576 se zobrazují na obrazovce (prokládaně).
Průběh analogového video signálu
Spočítáme-li tedy jeden snímek: vysílá se celkem 64 µs x 625 řádků, tedy je 40 ms na jeden snímek, tedy 25 snímků za sekundu. Samotný obrazový signál ale trvá jen 52 µs * 576 řádků, tedy přibližně 30 ms. To jsou pouze tři čtvrtiny užitečného signálu, jedna čtvrtina, nebo chcete-li 25 %, připadne nazmar. Časem se zavedlo v těchto místech například vysílání teletextu, ten ale využije jen několik řádků z vertikálního zatemňovacího intervalu, takže příliš využitelnost nezvedne. Navíc samotný obrazový signál je vysílán "nekomprimovaně" (v uvozovkách proto, že analogová komprimace v podstatě neexistuje), což je pro tento účel a tuto dobu zbytečné.
Druhá nevýhoda analogového vysílání je ve využití kmitočtového spektra přiděleného kanálu. Jeden kanál má šířku 8 MHz, jeho využití je ale malé, protože závisí i na průběhu signálu obrazu a bude se s ním měnit. Typické rozložení signálu v kanálu vidíte na obrázku, modře je znázorněno analogové vysílání a červeně digitální. Analogové se mění podle průběhu signálu (obrazu), digitální zůstává přibližně konstantní. Souřadnice Y grafu, tedy výška křivky určuje sílu signálu na dané frekvenci. U analogu se výška mění, u digitální zůstává konstantní. Analog má typicky dvě "vlny", první je obraz a druhá je zvuk. Toto u digitálního vysílání nenajdeme.
Typické spektrální rozložení signálů analogové a digitální televize
S rozložením signálu souvisí i jeho odolnost proti šumu. Zde jsou ale opět zásadní rozdíly mezi analogovým a digitálním vysíláním. Šum se v podstatě přičítá k vysílanému signálu a záleží na tom, jaký je poměr síly (výkonu) signálu vůči síle šumu. Tento poměr se zhoršuje buď zvyšováním síly šumu nebo snižováním síly signálu, což je ekvivalentní vzdálenosti od vysílače. S rostoucí vzdáleností od vysílače se teda bude šum uplatňovat stále více. U analogu se to bude projevovat čím dál větším zrněním a šuměním obrazu (jako první v šumu zanikne část signálu s nižší intenzitou) do té doby, dokud v šumu nezaniknou synchronizační pulsy. Pak se stane příjem nemožným, do té doby ale budeme přijímat alespoň horší signál.
Digitální vysílání má díky svému rovnoměrnému rozložení signálu výhodu v tom, že než se začne šum uplatňovat, musí být mnohem vyšší. Nebo naopak - stačí nižší síla signálu, abychom mohli přijímat. Uplatňuje se zde ale jiný efekt - jakmile šum ovlivní příjem tak, že začne docházet k chybám, v tom okamžiku je příjem v podstatě znemožněn a končí. Je to z hlediska uživatele ekvivalentní ztrátě synchronizačních pulsů u analogového vysílání.
Závislost kvality příjmu na vzdálenosti od vysílače
Definujme kvalitu příjmu jako poměr mezi vysílanou a přijímanou obrazovou informací. U analogového příjmu budou ideální podmínky příjmu co nejblíže vysílači, kde se šum nebude téměř uplatňovat, s rostoucí vzdáleností od vysílače bude klesat signál a tedy i poměr signálu k šumu v podstatě s kvadrátem vzdálenosti, než se stane příjem nemožným díky ztrátě synchronizačních pulsů. U digitálního vysílání budeme přijímat obraz stále v nezměněné kvalitě až do doby, kdy se dostaneme na hranici možnosti demodulace a pak náhle příjem skončí. Tento stav nastane u určitého poměru signálu k šumu. Pokud jsme s přijímačem za tímto bodem, bude výhodnější analogové vysílání, protože chytneme alespoň něco (i když značně zašuměno), do této doby je výhodnější digitální vysílání, protože kvalita obrazu bude stále stejná.
Pominuli jsme ještě jednu věc - vliv odrazů signálu a vliv jiných vysílačů. Analogový příjem je na toto velmi háklivý, odrazy se projevují v příjmu jako zdvojený obraz (známé duchy), rovněž jiný vysílač na stejné frekvenci (ať už stejné stanice nebo jiné) bude vidět v obraze. U digitálního příjmu se jiný vysílač projevuje stejně jako šum - může znemožnit příjem, ale nevznikne žádný duch. Navíc zvolená modulace s tímto počítá a vysílání na stejné frekvenci stejné stanice odjinud ničemu nevadí a je možné dokrývat některé oblasti dalším vysílačem na stejné frekvenci (o tom později).
Má to tedy vliv i na kmitočtové a místní plánování vysílání. U analogového vysílání bylo překrývání oblastí v podstatě vyloučeno a oblasti byly velké, čímž se snižovala náročnost na frekvenční plánování. U DVB je naopak výhodnější vysílat více vysílači s nižším výkonem a provádět dokrývání oblastí malými vysílači, protože je to levnější než velké a výkonné vysílače (s velkými anténami a silnými zesilovači).
Když jsem u toho srovnávání, musíme zmínit i to, že díky lepšímu využití pásma a kompresi videa lze na jednom kanálu vysílat více stanic najednou. Divák tak dostane větší nabídku programů. O tom ale dále v článku.
Vše uvedené platí jak pro pozemní (terestriální) vysílání, tak pro satelitní. Jelikož jsou způsoby vysílání v podstatě stejné, budeme se věnovat všem variantám vysílání DVB:
Jako první přišel na svět satelitní DVB-S, který je také nejjednodušší a má nejnižší přenosovou rychlost, což omezuje i vysílaný obsah. DVB-S2 je v mnoha směrech rozdílný a má mnohem vyšší přenosovou rychlost. Pozemní varianty přišly později a jsou vždy vůči svému satelitnímu protějšku pokročilejší, ale mají nevýhodu v tom, že používají nižší šířku pásma a horší podmínky přenosu, takže ve výsledku dosahují podobných přenosových rychlostí.
Vraťme se k němu a připomeňme si, jak probíhá vysílání analogové televize. To probíhá v podstatě lineárně, co se vysílá, to se právě zobrazuje. Samotný obraz je rozdělen do řádků a ty se vysílají popořadě a stejně tak se kreslí na obrazovku. Na obrázku vidíme průběh jednoho řádku, všimněme si ale, že ke správné funkci televizního přijímače a synchronizaci zobrazení na obrazovku obsahuje signál nejen samotný obrazový signál, ale i synchronizační puls a zatemňovací interval, který je nutný pro návrat paprsku na začátek řádku. Ze 64 mikrosekund pro řádek tak pouze 52 mikrosekund nese samotnou informaci o obrazu. V celém obrazu je 625 řádek, z nichž pouze 576 se zobrazují na obrazovce (prokládaně).
Průběh analogového video signálu
Spočítáme-li tedy jeden snímek: vysílá se celkem 64 µs x 625 řádků, tedy je 40 ms na jeden snímek, tedy 25 snímků za sekundu. Samotný obrazový signál ale trvá jen 52 µs * 576 řádků, tedy přibližně 30 ms. To jsou pouze tři čtvrtiny užitečného signálu, jedna čtvrtina, nebo chcete-li 25 %, připadne nazmar. Časem se zavedlo v těchto místech například vysílání teletextu, ten ale využije jen několik řádků z vertikálního zatemňovacího intervalu, takže příliš využitelnost nezvedne. Navíc samotný obrazový signál je vysílán "nekomprimovaně" (v uvozovkách proto, že analogová komprimace v podstatě neexistuje), což je pro tento účel a tuto dobu zbytečné.
Druhá nevýhoda analogového vysílání je ve využití kmitočtového spektra přiděleného kanálu. Jeden kanál má šířku 8 MHz, jeho využití je ale malé, protože závisí i na průběhu signálu obrazu a bude se s ním měnit. Typické rozložení signálu v kanálu vidíte na obrázku, modře je znázorněno analogové vysílání a červeně digitální. Analogové se mění podle průběhu signálu (obrazu), digitální zůstává přibližně konstantní. Souřadnice Y grafu, tedy výška křivky určuje sílu signálu na dané frekvenci. U analogu se výška mění, u digitální zůstává konstantní. Analog má typicky dvě "vlny", první je obraz a druhá je zvuk. Toto u digitálního vysílání nenajdeme.
Typické spektrální rozložení signálů analogové a digitální televize
S rozložením signálu souvisí i jeho odolnost proti šumu. Zde jsou ale opět zásadní rozdíly mezi analogovým a digitálním vysíláním. Šum se v podstatě přičítá k vysílanému signálu a záleží na tom, jaký je poměr síly (výkonu) signálu vůči síle šumu. Tento poměr se zhoršuje buď zvyšováním síly šumu nebo snižováním síly signálu, což je ekvivalentní vzdálenosti od vysílače. S rostoucí vzdáleností od vysílače se teda bude šum uplatňovat stále více. U analogu se to bude projevovat čím dál větším zrněním a šuměním obrazu (jako první v šumu zanikne část signálu s nižší intenzitou) do té doby, dokud v šumu nezaniknou synchronizační pulsy. Pak se stane příjem nemožným, do té doby ale budeme přijímat alespoň horší signál.
Digitální vysílání má díky svému rovnoměrnému rozložení signálu výhodu v tom, že než se začne šum uplatňovat, musí být mnohem vyšší. Nebo naopak - stačí nižší síla signálu, abychom mohli přijímat. Uplatňuje se zde ale jiný efekt - jakmile šum ovlivní příjem tak, že začne docházet k chybám, v tom okamžiku je příjem v podstatě znemožněn a končí. Je to z hlediska uživatele ekvivalentní ztrátě synchronizačních pulsů u analogového vysílání.
Závislost kvality příjmu na vzdálenosti od vysílače
Definujme kvalitu příjmu jako poměr mezi vysílanou a přijímanou obrazovou informací. U analogového příjmu budou ideální podmínky příjmu co nejblíže vysílači, kde se šum nebude téměř uplatňovat, s rostoucí vzdáleností od vysílače bude klesat signál a tedy i poměr signálu k šumu v podstatě s kvadrátem vzdálenosti, než se stane příjem nemožným díky ztrátě synchronizačních pulsů. U digitálního vysílání budeme přijímat obraz stále v nezměněné kvalitě až do doby, kdy se dostaneme na hranici možnosti demodulace a pak náhle příjem skončí. Tento stav nastane u určitého poměru signálu k šumu. Pokud jsme s přijímačem za tímto bodem, bude výhodnější analogové vysílání, protože chytneme alespoň něco (i když značně zašuměno), do této doby je výhodnější digitální vysílání, protože kvalita obrazu bude stále stejná.
Pominuli jsme ještě jednu věc - vliv odrazů signálu a vliv jiných vysílačů. Analogový příjem je na toto velmi háklivý, odrazy se projevují v příjmu jako zdvojený obraz (známé duchy), rovněž jiný vysílač na stejné frekvenci (ať už stejné stanice nebo jiné) bude vidět v obraze. U digitálního příjmu se jiný vysílač projevuje stejně jako šum - může znemožnit příjem, ale nevznikne žádný duch. Navíc zvolená modulace s tímto počítá a vysílání na stejné frekvenci stejné stanice odjinud ničemu nevadí a je možné dokrývat některé oblasti dalším vysílačem na stejné frekvenci (o tom později).
Má to tedy vliv i na kmitočtové a místní plánování vysílání. U analogového vysílání bylo překrývání oblastí v podstatě vyloučeno a oblasti byly velké, čímž se snižovala náročnost na frekvenční plánování. U DVB je naopak výhodnější vysílat více vysílači s nižším výkonem a provádět dokrývání oblastí malými vysílači, protože je to levnější než velké a výkonné vysílače (s velkými anténami a silnými zesilovači).
Když jsem u toho srovnávání, musíme zmínit i to, že díky lepšímu využití pásma a kompresi videa lze na jednom kanálu vysílat více stanic najednou. Divák tak dostane větší nabídku programů. O tom ale dále v článku.
Vše uvedené platí jak pro pozemní (terestriální) vysílání, tak pro satelitní. Jelikož jsou způsoby vysílání v podstatě stejné, budeme se věnovat všem variantám vysílání DVB:
- DVB-T - pozemní vysílání
- DVB-T2 - pozemní vysílání nové generace
- DVB-S - satelitní vysílání
- DVB-S2 - satelitní vysílání nové generace
Jako první přišel na svět satelitní DVB-S, který je také nejjednodušší a má nejnižší přenosovou rychlost, což omezuje i vysílaný obsah. DVB-S2 je v mnoha směrech rozdílný a má mnohem vyšší přenosovou rychlost. Pozemní varianty přišly později a jsou vždy vůči svému satelitnímu protějšku pokročilejší, ale mají nevýhodu v tom, že používají nižší šířku pásma a horší podmínky přenosu, takže ve výsledku dosahují podobných přenosových rychlostí.
