Naziemna telewizja cyfrowa – wybrane zagadnienia

Telewizja analogowa jest znana na świecie od ponad 50 lat. Można bez cienia wątpliwości stwierdzić, że ten system nadawania programów sprawdził się. Mimo to, w Polsce 31 lipca 2013 roku [4] zostanie wyłączony ostatni telewizyjny nadajnik analogowy. Nadawanie telewizji od tego momentu będzie się odbywało tylko w formie cyfrowej. Jakie czynniki zadecydowały o tak radykalnym zmianie sytemu?

Otóż na zmianę tę wpłynął szereg czynników. Najważniejszy z nich jest związany z tzw. dywidendą cyfrową, polegającym na tym, że cały kraj może być pokryty nawet 8 programami telewizyjnymi przy wykorzystaniu teoretycznie tylko jednego dotychczasowego kanału analogowego o szerokości 8 MHz. A więc oszczędności widma elektromagnetycznego, które jest dobrem ograniczonym, a tym samym, które należy eksploatować oszczędnie, nie da się przecenić. Innym czynnikiem jest rozwój nowych technologii, wymagający dostępnego pasma elektromagnetycznego np. dla transmisji danych w technologii LTE (Long Term Evolution). W artykule przedstawiono pewne charakterystyczne aspekty dotyczące naziemnej telewizji cyfrowej.

Nadawanie tradycyjne i cyfrowe 

W telewizji analogowej dla każdego programu konieczne jest zbudowanie własnej, odrębnej sieci dystrybucyjnej (rys. 1), tzn. sieci nadajników dostarczających abonentom określony program (w praktyce sprowadza się to do tego, że różni nadawcy wykorzystują tą samą antenę czy maszt w danej miejscowości).

Rys. 1. Transmisja naziemnej telewizji analogowej

Rys. 2. Transmisja naziemnej telewizji cyfrowej

Wiąże się to z faktem, że każdy z tych programów musi być transmitowany w dedykowanym tylko jemu kanale częstotliwościowym 8 MHz. Z reguły są wykorzystywane nadajniki dużej mocy i w tych kanałach występuje zjawisko zakłóceń interferencyjnych. Z tego powodu ogranicza się poziom zakłóceń wspólnokanałowych m.in. w ten sposób, że przy transmisji analogowej nadajniki sąsiednich ośrodków zawsze pracują na innych częstotliwościach kanałów. Wzrasta wtedy szerokość wykorzystywanego pasma częstotliwości, a tym samym taka transmisja wymaga dużego spektrum widma elektromagnetycznego.

Naziemna telewizja cyfrowa ma istotną zaletę, polegającą na tym, że różni nadawcy programów wykorzystują tę samą sieć dystrybucyjną i transmisję w tym samym kanale częstotliwościowy (rys. 2). Kanały cyfrowe to strumień przemieszanych pakietów niosących informacje z różnych programów. Systemy DVB-T (Digital Video Broadcasting – Terrestrial) wykorzystują wspólny strumień transportowy TS (Transport Stream) multipleksu. Multipleks jest kombinacją kilku programów telewizyjnych oraz usługdodatkowych, które mają postać pakietów – przesyłanych sekwencyjniei opatrzonych identyfikacją.

Ponadto, stacje sąsiednie naziemnej telewizji cyfrowej pracują w tym samym kanale telewizyjnym, przy wykorzystaniu sieci jednoczęstotliwościowej SFN (Single Frequency Network). Przykładowo, aktualnie w Warszawie – Raszynie pracują trzy multipleksy: Multipleks 1 w kanale 58 o częstotliwości 770 MHz, Multipleks 2 w kanale 48 o częstotliwości 690 MHz i Multipleks 3 w kanale 55 o częstotliwości 746 MHz. Jednak ze względu na pewne problemy z pokryciem sygnałem samego centrum miasta, w stolicy pracują z Pałacu Kultury i Nauki, pokrywające ten sam obszar, inne trzy multipleksy: Multipleks 1, Multipleks 2 i Multipleks 3 w tych samych kanałach. Mimo tego, nie należy obawiać się zakłóceń interferencyjnych (np. wspólnokanałowych), gdyż zastosowana modulacja OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) skutecznie je eliminuje.

Ponadto dzięki transmisji cyfrowej możliwa jest również konwergencja systemów umożliwiająca: 

• Przenoszenie tych samych rodzajów usług w różnych systemach sieciowych;
• Integrację urządzeń powszedniego użytku (odbiornik telewizyjny, komputer PC i telefon);
• Przetwarzanie i przesyłanie obrazów pochodzących z różnych źródeł, po zakodowaniu w formacie MPEG (Moving Picture Experts Group), na wzór innych informacji cyfrowych.

W wyniku czego powstają szerokopasmowe sieci o zasięgu globalnym (konwergencja obejmuje nawet metody działalności gospodarczej i komunikacji społecznej). 

Jakość przekazu telewizyjnego 

Trwa spór, która transmisja, analogowa czy cyfrowa, zapewnia lepszą jakość obrazu. Obie techniki przekazu mają swoich zagorzałych zwolenników, jak i przeciwników. 

Otóż teoretycznie najlepszą jakość obrazu można uzyskać przy transmisji analogowej. Wówczas można uzyskać obraz bez kompresji, z dużą redundancją, nadmiarem informacji. Mankament jednak tego rodzaju transmisji jest taki, że muszą być zachowane dobre warunki odbioru, a sam odbiornik powinien znajdować się w małej odległości od nadajnika (rys. 3). Jakość odbioru telewizji analogowej silnie zależy od natężenia pola zaindukowanego w antenie i doprowadzonego na wejście odbiornika. Wskutek tego, wraz ze wzrostem odległości od nadajnika jakość odbieranego obrazu systematycznie maleje, gdyż obraz staje się coraz bardziej zaszumiony (rys. 3).

Rys. 3. Charakterystyka jakości odbioru obrazu telewizyjnego dla transmisji: a) analogowej (linia przerywana); b) cyfrowej (linia ciągła)

Inaczej sytuacja wygląda w przypadku telewizji cyfrowej. Tutaj sygnał jest już po kompresji, która polega na pozbywaniu się redundancji, dzięki czemu możliwe jest transmitowanie tylko rzeczywistych danych niosących istotną informacje. Wówczas w znacznym obszarze jakość odbieranych obrazów jest dobra, lecz poza granicą tego obszaru odbiór jest zerowy. Ta linia podziału pomiędzy obydwoma obszarami jest bardzo ostra (rys. 3) i może się zmieniać, np. zależnie od panujących tam warunków atmosferycznych. A więc, naziemna telewizja cyfrowa dla większości odbiorców dostarcza transmisji o wyższym poziomie jakości odbieranych obrazów (rys. 3). Co prawda dla widza od lat oglądającego przekaz analogowy normalną rzeczą jest brak dostatecznego kontrastu czy mało nasycone obrazy. Przy telewizji cyfrowej niezwykle uciążliwe jest np. pulsowanie bloków, gdy koder podejmuje niewłaściwe decyzje lub widoczna jest blokowa struktura obrazu w przypadku strumienia cyfrowego o ustalonej zbyt małej przepływności bitowej.

System modulacji DVB-T OFDM

Pilotowe transmisje naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T rozpoczęły się pod koniec lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku, zaś pierwszy taki system komercyjny powstał w Wielkiej Brytanii. Rozwój tego rodzaju transmisji spowodował, że już w ciągu najbliższych lat cyfrowa telewizja naziemna będzie jedyną formą naziemnego przekazu telewizyjnego.

Programy telewizyjne w tego rodzaju transmisji są przekazywane za pomocą strumienia MPEG4, tzn. z zastosowaniem kompresji, a mimo to widz odbiera bardzo dobry obraz pozbawiony szumów, natomiast sygnał audio jest klasy CD.

DVB-T wykorzystuje system modulacji wieloczęstotliwościowej OFDM. Istnieją dwa tryby takiej modulacji: 2k wykorzystująca 1705 fal nośnych, lub 8k wykorzystująca ich aż 6817. Należy zaznaczyć, że każda z nich jest osobno modulowana QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) lub 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation), ewentualnie 64QAM. Każdy sygnał posiada dwie składowe: I (In Phase) lub Q (Quadrature Phase). Na rys. 4 przedstawiono przykładowy diagram stanów dla modulacji 16-QAM, w której każdy symbol jest reprezentowany przez stan modulacji o określonej amplitudzie i fazie. W tym przypadku widoczne jest 16 stanów, zaś jeden symbol reprezentuje 4 bity. 

	Rys. 4. Konstelacja sygnału 16-QAM i rozłożenie bitów
	Rys. 5. Zmierzona konstelacja sygnału 64-QAM

Należy zaznaczyć, że stosowanie modulacji wyższej wartościowości powoduje wzrost wymaganego stosunku sygnału do szumu S/N. Przykładowo, przy zastosowaniu modulacji 64QAM zamiast QPSK wymagany jest wzrost stosunku S/N o około 12 dB, dla zapewnienia takiej samej jakości transmisji.

Jeżeli przedstawimy wszystkie nośne na wykresie konstelacji otrzymamy nie jeden punkt, lecz wiele punktów tworzących „chmurę”, która reprezentuje każdy stan. Na rys. 5 pokazano zmierzony diagram konstelacji z takim szumem. Jest to konstelacja sygnału nadajnika DVB-T pracującego na częstotliwości 690 MHz (kanał 48) z modulacją 64QAM i trybem 8k oraz sprawnością kodową ¾.

Dla zapewnienia dobrej jakości obrazu w systemie DVB-T wykorzystuje się dwustopniową korekcję: Reed-Solomon i Viterbi. Korekta ta powoduje, że nawet strumień bitów odbierany z elementową stopą błędów BER (Bit Error Rate) 10-4 umożliwia bezbłędny odbiór.

W 8 MHz kanale jest wiele nośnych, umiejscowionych 4462 lub 1116 Hz od siebie, w zależności od zastosowanego trybu modulacji 2k lub 8k. Są wśród nich fale nośne zwane sygnalizacyjnymi parametrami transmisyjnymi TPS (Transmission Parameter Signalling) oraz sygnały pilotów ciągłych (Continual Pilot) – fale nośne niemodulowane i koincydencyjne z nimi piloty rozrzucone (Scattered Pilot), które nie niosą danych użytecznych, a tylko dostarczają odbiornikowi informacji o rodzaju transmisji, co przedstawia rys. 6. W zależności od rodzaju transmisji, zastosowanej modulacji (QPSK, 16-QAM lub 64-QAM) i trybu transmisji 2k lub 8k oraz sprawności kodowej a także przedziału ochronnego (Guard Interval), przepływność zawiera się 4,97…31,66 Mbit/s. Zastosowanie przedziału ochronnego oznacza, że istnieje mała szczelina czasowa pomiędzy poszczególnymi symbolami, a więc transmisja nie jest ciągła. Jednak dzięki eliminowaniu błędów wywołanych zjawiskiem wielodrogowości odbiór sygnału jest idealny w określonych warunkach propagacyjnych.

Rys. 6. Struktura ramki DVB-T.

Dla nadawania cyfrowego, gdzie nie występują fale nośne wizji i fonii, moc każdej z fal nośnych jest identyczna. Oznacza to, że amplituda widma częstotliwościowy sygnału DVB-T jest stała w całym kanale telewizyjnym. Dzięki zastosowanej korekcji błędów, przedziału ochronnego oraz faktu, że fale nośne są rozproszone w całym widmie częstotliwości, system modulacji OFDM jest bardzo odporny na szumy. Natomiast zastosowanie kompresji MPEG4 pozwala na bardzo dobre wykorzystanie widma. Dlatego też możliwy jest odbiór mobilny i to nie tylko obrazu o dobrej jakości, ale również i usług dodatkowych.