Wie funktioniert digitales Fernsehen?

Verband
Association
Teil 1 einer neuen vierteiligen Serie zum Digitalen Fernsehen
Wie funktioniert digitales
Fernsehen?
Das Swisscable Magazin lanciert eine neue technische Serie zum Digitalfernsehen.
In vier Folgen werden die Grundlagen digitaler Fernsehtechnik nach dem
DVB-Standard erklärt sowie Unterschiede und neue Möglichkeiten im Vergleich
zur bestehenden analogen Fernsehtechnik aufgezeigt. Im ersten Teil geht es
um Verbreitungswege, Standards und Übertragungsgrundlagen.
Der TV-Markt ist in Bewegung. Haupttreiber ist die laufende
tigt in unkomprimierter Form Transportkapazitäten, welche
Digitalisierung des Fernsehens. So hat sich die EU zum Ziel
etwa vier analogen TV-Kanälen oder 50 parallelen Breitband-
gesetzt, bis zum Jahr 2012 das analoge Fernsehen vollständig
anschlüssen entsprechen. Das Abspeichern eines zweistündigen
durch digitales Fernsehen zu ersetzen. Wie aber funktioniert
Films auf einem Datenträger in diesem Rohdatenformat würde
das digitale Fernsehen überhaupt?
rund 150 Gigabyte – das entspricht etwa 32 DVDs – an Speicherkapazität benötigen. Für hochauflösende Formate (HDTV)
Schrittweise Migration zum digitalen Fernsehen Schon
sind die Datenraten nochmals um etwa das Fünffache höher.
seit geraumer Zeit werden die Bild- und Tonsignale bei ihrer
Herstellung und Verarbeitung in den Studios digitalisiert. Nun
Verbreitungswege und Standards Während in der An-
befinden wir uns in der Endphase dieser Entwicklung: bei der
fangszeit des Fernsehens die terrestrische Ausstrahlung via
Digitalisierung der Verbreitungswege und der Endgeräte zu
Sendemasten als bekanntester Verbreitungsweg galt, so steht
Hause. Den Ausschlag dazu gaben moderne Videokom-
heute die Erstverbreitung über geostationäre Satelliten wie
primierungstechnologien und effiziente digitale Modulations-
Astra und Eutelsat und die Weiterverbreitung über Kabelnetze
verfahren. Diese ermöglichten es, dass digitales Fernsehen
im Vordergrund. IPTV, die Verbreitung über Verbindungen,
heute wirtschaftlich verbreitet werden kann. Zur Illustration:
die auf dem Internetprotokoll basieren, gewinnt ebenfalls an
Ein digitales Fernsehbild in Standard-Definition-Qualität benö-
Bedeutung.
Satellit
Verbreitung der TV-Signale
Uplink
DVB-S
DVB-S
Studio
Aufbereitung
Direktverbindung über
Aufbereitung
Kabelnetzkopfstation
Leitungen oder Richtfunk
DVB-S
Terrestrischer
Sender
(optional)
DVB-S
DVB-C
DVB-T
Aufbereitung
DVB-H
IP
DVB-IPI*)
*oder proprietäre (z.B Microsoft TV)
**z.B DSL oder Kabelinternet (DOCSIS)
14
Swisscable n° 1/2008
SatellitenDirektempfang
Kabelnetz (HFC)
Antenne
Breitbandanschluss **)
Mobiles
Empfangsgerät
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In Europa hat sich für digitales Fernsehen der DVB-Standard
Farbfernsehstandard durch. Das PAL-Farbfernsehen feierte
etabliert, in den USA ATSC und in Japan ISDB. Je nach ver-
seine Geburtsstunde 1967 anlässlich der Internationalen Funk-
wendetem Medium spezifiziert DVB in seinen Sub-Standards
ausstellung und wurde – abgesehen von punktuellen Verbes-
(DVB-C, DVB-S, etc.) die jeweils zur Anwendung kommen-
serungen und wenigen Ergänzungen – bis heute unverändert
den Ausprägungen. Im Wesentlichen unterscheiden sich diese
beibehalten.
bei den verwendeten Modulationsverfahren und Fehlerkorrekturen. Allen gemeinsam sind die Quellencodierung und
Lesen Sie im nächsten Magazin über die Funktionsweise des
die Transportmechanismen nach MPEG (Motion Picture Experts
analogen Fernsehens und über Neuerungen beim digitalen
Group). Im Gegensatz zum Broadcastbereich befindet sich
Fernsehen.
die Verfügbarkeit von standardkonformer Infrastruktur bei
IPTV erst in den Anfängen. Deshalb setzen die IPTV-Anbieter
meist proprietäre Systeme wie beispielsweise Microsoft TV ein.
Glossar
Prinzip der Bildübertragung
Analoge und digitale Signale Ein Analogsignal kann in seiner
Bildwiedergabe
Bildvorlage
Stärke (Amplitude) kontinuierlich jeden Wert zwischen einem
Minimum und einem Maximum annehmen.
OptischElektrischer Wandler
Übertragung
Elektrisch-Optischer
Wandler
Amplitude
Synchronisation
Zeit
Grundlagen der (Bewegt-)Bildübertragung Das grundle-
Im Gegensatz zum analogen Signal ist ein Digitalsignal ein dis-
gende Prinzip der Bildübertragung beim Fernsehen hat sich seit
kretes und quantifiziertes Signal. Das heisst, es nimmt nur
der Erfindung nicht geändert. Die Bildvorlage wird zeilenweise
(vor)bestimmte Werte an. Bei der digitalen Signalverarbeitung
abgetastet, in elektrische Signale umgewandelt, über einen
werden kontinuierliche Vorgänge, also eigentlich «analoge»
Kanal übertragen und schliesslich beim Empfänger wieder dar-
Signale, mittels Abtastung und Kodierung in digitale Signale
gestellt. Um die zu übertragende Informationsmenge so
gewandelt und als Binärzahlen dargestellt, so dass ihre Quantifi-
gering wie möglich zu halten, wird dabei die begrenzte Wahr-
zierung in Bits gemessen wird.
nehmungsfähigkeit des menschlichen Auges ausgenützt.
Gearbeitet wird etwa mit beschränkter Bildwiederholfrequenz,
Je höher die Anzahl der Quantifizierungsstufen und je höher die
weil bereits ab circa 20 Bildern pro Sekunde der Eindruck von
Abtastrate, desto genauer bildet das digitale Signal das ur-
flüssig bewegten Bildinhalten entsteht. Übertragen werden die
sprüngliche (Analog-) Signal ab und desto grösser werden die
Bilder zum Beispiel im so genannten Zwischenzeilenverfahren,
Anforderungen an Signalverarbeitung und Bandbreite bei
wobei das menschliche Auge die Halbbilder wieder zu einem
der Datenübertragung.
Gesamtbild zusammensetzt. Weil die Auflösung des menschlichen Auges beschränkt ist, können Farbinformation zudem
mit nochmals geringerer Auflösung übertragen werden als die
Helligkeitsinformation, ohne dass sichtbare Qualitätsverluste
auftreten.
Zu Beginn des Fernsehens wurden nur Helligkeitswerte über-
Abtastung und Quantifizierung:
Wert 4
Wert 3
Wert 2
Wert 1
Zeit
tragen. Gesendet wurde also in Schwarzweiss. Die Farben
kamen erst später hinzu. Damit Schwarzweiss-Fernseher weiterhin betrieben werden konnten, mussten rückwärtskompatible Systeme zur Farbübertragung entwickelt werden. Neben
Binäre Codierung:
Wert 4
Wert 3
Wert 2
11
10
01
Wert 1
00
NTSC in den USA und SECAM in Frankreich und einigen
osteuropäischen Ländern setzte sich in Westeuropa der PALSwisscable n° 1/2008
15
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... Glossar
DVB (Digital Video Broadcast) DVB bezeichnet in technischer
tet in der doppelten Frequenz (50 Hz) der Bildwiederholrate
Hinsicht die standardisierten Verfahren zur Übertragung von
(25 Hz) auf, ohne dass sich deshalb die übertragene Informa-
digitalen Inhalten. Je nach verwendetem Übertragungsmedium
tionsmenge ebenfalls verdoppelt. Dadurch wird der subjektive
kommen verschiedene Substandards zur Anwendung:
Flimmereindruck stark reduziert. Gleichzeitig verbessert sich
DVB-C:
Cable
die Bandbreitenausnutzung. Die Summe der Zeilenanzahl der
DVB-S:
Satellit
beiden Halbbilder muss dabei nur etwa 70% der Zeilenzahl
DVB-T:
Terrestrial (Antenne)
eines vergleichbaren progressiv abgetasteten Bildes (progressiv
DVB-H: Handheld Applications
scanning) erreichen, um denselben subjektiven Bildeindruck
DVB-IPI: DVB over IP
zu hinterlassen (Kell-Faktor).
IPTV IPTV bezeichnet die Übertragung von Multimediadiensten
PAL (Phase Alternating Line) Beim PAL-Verfahren wird zeilen-
(z.B. Fernsehen, Video, Audio, Texte, Bilder und Daten) via
weise die Phasenlage des Farbdifferenzsignals (R-Y) um 180
Internet Protokoll (IP). Die IP-Netze stellen dabei die benötigte
Grad umgeschaltet. Da sich der Bildinhalt zwischen zwei Zeilen
Qualität (Quality of Service, Quality of Experience), Sicherheit,
nicht wesentlich ändert, können auf der Übertragungsstrecke
entstandene Farbtonfehler durch die Verrechnung zweier
Interaktivität und Zuverlässigkeit bereit.
aufeinanderfolgenden Zeilen beim Empfänger kompensiert,
Broadcast Nach diesem Prinzip funktioniert die klassische Fern-
respektive in Farbsättigungsfehler umgewandelt werden.
sehausstrahlung: Ein Sender versorgt gleichzeitig nahezu be-
Ein Fehler der Farbsättigung ist für den Menschen wesentlich
liebig viele Empfänger mit demselben Signal. Ein Signalfluss vom
schwerer wahrzunehmen als ein Farbtonfehler. Die restlichen
einzelnen Empfänger zurück zum Sender ist nicht notwendig.
Parameter des PAL-Verfahren lauten wie folgt:
Jeder Empfänger entscheidet autonom, ob und welche der emp-
Zeilen:
625 (sichtbar 576)
fangenen Signale und Nachrichten er weiterverarbeiten will.
Vertikalfrequenz:
50 Hz
Kanalraster
Horizontalfrequenz:
15625 Hz
Videobandbreite:
5 MHz
Kanalbandbreite:
7 / 8 MHz
Band I
Band II
Band III
Band IV und V
Farbträger:
4.43 MHz
3 x 7 MHz
HF-Kanäle
(UKW)
27 x 7 MHz
HF-Kanäle
70 x 8 MHz
HF-Kanäle
Tonträger:
5.5 MHz
...
......
47
K2
68
K4
87.5 108 111
S2
....
300
S20
302
S21
862 MHz
K69
Kanalraster Der Kanalraster (Kanalbandbreite) bezeichnet den
Abstand zwischen benachbarten Kanälen in einem Frequenzband. Innerhalb eines Frequenzbandes sind die Kanäle gleich
breit. Beim analogen Fernsehen benötigt ein Programm jeweils
exakt einen Hochfrequenzkanal (HF-Kanal) zur Übertragung.
Beim digitalen Fernsehen finden pro HF-Kanal mehrere Programme Platz.
Zwischenzeilenverfahren Beim Zwischenzeilenverfahren (interlaced scanning) wird ein Vollbild in zwei Halbbilder aufgespaltet. Im ersten Durchgang werden die ungeraden, im zweiten
die geraden Zeilen abgetastet. Bei der Reproduktion auf dem
Empfangsgerät setzt das menschliche Auge die Zeilensprünge
wieder zu einem Gesamtbild zusammen. Der Bildschirm leuch-
Swisscable n° 1/2008
17
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Teil 2 der vierteiligen Serie zum digitalen Fernsehen
Wie funktioniert digitales
Fernsehen?
Der zweite Teil der technischen Serie zum Digitalfernsehen blickt kurz auf die
Funktionsweise des analogen Fernsehens zurück und zeigt die wesentlichen
Neuerungen der digitalen Übertragung auf.
Beim analogen Fernsehen wird das aufzunehmende Bild von
wird dabei amplitudenmoduliert, das Stereotonsignal wird fre-
der Kamera im Zwischenzeilenverfahren kontinuierlich abgeta-
quenzmoduliert. Im Empfänger wird der entsprechende
stet. Die Farbkomponenten Rot, Grün und Blau werden dabei
Empfangskanal über den Tuner selektiert und das empfange-
in entsprechende analoge Spannungen Urot, Ugrün und Ublau
ne Signal wieder demoduliert. Aus den so gewonnenen
umgewandelt. Daraus werden die beiden Farbdifferenzsignale
FBAS- und Tonsignalen werden anschliessend die verschiede-
R-Y und B-Y sowie ein Signal für die Helligkeitsinformation (Y)
nen Einzelkomponenten (z.B. RGB-Videosignale, Synchroni-
erzeugt. Die Farbdifferenzsignale werden nach dem PAL-
sationssignale, Ton links, rechts) rekonstruiert. Schliesslich wer-
Standard entsprechend mit 4.43 MHz phasenmoduliert und
den diese Signale zum zeilenweisen Bildaufbau auf dem
zusammen mit den nötigen Synchronisationssignalen zum
Bildschirm respektive zur Tonwiedergabe auf den Lautspre-
Helligkeitssignal (Y) addiert. Das so entstandene analoge Farb-
chern ausgegeben.
Bild-Austastsignalgemisch (FBAS) erlaubt die vollständige
Rekonstruktion der ursprünglichen Bildinformation beim TV-
Digital-TV: Umwandlung in digitale Signale Wie das
Empfänger.
analoge Fernsehen basiert auch das digitale Fernsehen auf der
Übertragung von aufeinanderfolgenden Einzelbildern.
Zur Übertragung des analogen Signals werden die Basisband-
Die hauptsächliche Neuerung liegt darin, dass die Bild- und
signale (FBAS und Audio) hochfrequenzmoduliert, addiert
Tonsignale vor ihrer Verarbeitung und Verbreitung über
und über einen 7 oder 8 MHz breiten Hochfrequenzkanal zum
den A/D-Wandler in digitale Signale umgewandelt werden.
Empfänger übertragen. Das Videosignalgemisch (FBAS)
Diese Umwandlung bildet die Basis für die anschliessenden
Funktionsweise des analogen Fernsehens
Mikrophon(e)
HFModulation
Kamera
FBAS
«Kanal»
■
■
■
14
Swisscable n° 2/2008
Terresterisc
Kabelnetz
andere
HF-DeModulation
FBAS
Ton
Signal Rekonstruktion
Darstellung
(Bildschirm,
Lautsprecher)
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Funktionsweise des digitalen Fernsehens
Microphon(e)
Bildwandler
A/DWandler
Datenreduktion
A/DWandler
Datenreduktion
Weitere Programme
Program
Multiplexer
Transportstream
(mehrere Programme)
Transport
Multiplexer
HF Modulation
«Kanal»
■
■
Service information
(Steuerinformation etc.)
Signalverarbeitungsalgorithmen, beispielsweise die Datenreduktion nach MPEG. Sie ist zudem Voraussetzung für eine wirt-
■
■
Terresterisch
Kabelnetz
Satellit
andere
Wichtige Unterschiede zwischen Analog- und
Digital-TV aus Sicht des Anwenders
schaftliche Verbreitung und Archivierung der Signale.
Neuerung (Digital-TV)
Bisher (Analog-TV)
Die flexible Transporttechnologie (Programm- und Transport-
Nahezu beliebiges Hinzufügen
Die Bandbreite für
multiplex) erlaubt zahlreiche Möglichkeiten zur Übertragung
von Zusatzinformationen ( z.B.
Zusatzinformation ist stark
verschiedener Bild- und Tonformate sowie von Zusatzinforma-
Elektronischer Programmführer)
beschränkt (Teletext)
weise mehrere Programme gleichzeitig übertragen werden,
Unterstützt unterschiedliche
Nur PAL 4:3; 16:9 nur durch
während dies beim analogen TV auf ein Programm pro Kanal
Videoformate (z.B. SDTV
Hinzufügen der «schwarzen
beschränkt ist. Aufgrund der digitalen Signalverbreitung kön-
4:3, SDTV 16:9, HDTV sowie
Balken» (Letterbox) am
nen zudem Qualitätsverluste auf den Verbreitungswegen nahe-
weitere zukünftige Formate)
oberen und unteren Bildrand
tionen. In einem Hochfrequenzkanal können somit beispiel-
(Reduktion der Auflösung)
zu eliminiert werden.
Lesen Sie im nächsten Magazin über die Umwandlung der
Mehrere Stereo-Tonkanäle:
Beschränkt auf zwei analoge
analogen in digitale Signale sowie über die Datenreduktion,
Dolby Digital
Tonkanäle: Dolby Surround
Datenübertragung für
Die Bandbreite für Daten ist
beliebige zukünftige
stark beschränkt und
Anwendungen
für datenintensive Anwen-
welche zur wirtschaftlichen Verbreitung von digitalem Fernsehen nötig ist.
Das Glossar zum Artikel finden Sie auf Seite 17.
dungen nicht geeignet
Gleichzeitige Übertragung
1 Programm bean-
mehrerer Programme pro HF-
sprucht jeweils einen
Kanal (erlaubt grösseres
ganzen HF-Kanal
Programmangebot)
Digitale Übertragung, Verluste
Auf dem Übertragungsweg
auf der Übertragungstrecke
«eingefangene» Störungen
können nahezu vollständig
können nur schwer oder gar
eliminiert werden
nicht mehr korrigiert werden
(Rauschen, Geisterbilder, etc.)
Swisscable n° 2/2008
15
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Glossar
FBAS Signal (Composite) Farb-Bild-Austastsignalgemisch. Die-
Unterteilung der einzelnen Bildpunkte. Der PAL-Standard defi-
ses analoge Videosignal erlaubt die vollständige Rekonstruktion
niert die vertikale Auflösung mit 576 sichtbaren Zeilen.
der ursprünglichen Bildinformation beim TV-Empfänger.
Die Anzahl der Bildpunkte pro Zeile (horizontale Auflösung) ist
nicht definiert durch eine diskrete Zahl, sondern durch die
Zeilensynchronimpuls
U(t)
Farbsynchronsignal (Phasen)
Sichtbarer
Bereich = 52 µs
Bandbreite der Kamera und der Signalverarbeitung. Im Zuge
der Digitalisierung wurde für ein digitalisiertes Bild mit
einer mit PAL vergleichbaren Auflösung eine resultierende dis-
«mittlerer Pegel» = Helligkeit
krete horizontale Auflösung von 720 Pixel definiert. Man
4.43MHz Überlagerung
spricht hierbei von SDTV (Standard Definition TV). Die digitale
■
Amplitude = Farbsättigung
TV-Technologie erlaubt grundsätzlich verschiedene Formate.
■
Phasenlage = Farbton
Relevant für den Broadcastbereich sind dabei folgende:
t (µs)
Zeilen vertikal
1 Zeile = 64 µs
SDTV
PAL (Phase Alternating Line) Beim PAL-Verfahren wird zeilenweise die Phasenlage des Farbdifferenzsignals (R-Y) um 180
HDTV
4:3
576
Pixel horizontal
720
16:9
576
960
16:9
1080
1920
16:9
720*)
1280*)
*) nur für progressive Abtastverfahren
Grad umgeschaltet. Da sich der Bildinhalt zwischen zwei Zeilen
nicht wesentlich ändert, können auf der Übertragungsstrecke
entstandene Farbtonfehler durch die Verrechnung zweier
Dolby Surround Dolby Surround ist ein analoges Mehrkanal-
aufeinanderfolgender Zeilen beim Empfänger kompensiert,
tonverfahren. Mit Hilfe einer speziellen Matrixkodierung
respektive inFarbsättigungsfehler umgewandelt werden. Ein
werden vier Tonkanäle auf zwei Kanäle verteilt und können
Fehler der Farbsättigung ist für den Menschen wesentlich
über die herkömmlichen Stereokanäle beim analogen TV
schwerer wahrzunehmen als ein Farbtonfehler. Die restlichen
verbreitet werden. Ein entsprechender Decoder (z.B. HiFi-An-
Parameter des PAL-Verfahrens lauten wie folgt:
lage) gewinnt die vier Tonkanäle (Left, Right, Center, Surround)
Zeilen:
625 (sichtbar 576)
wieder aus dem 2-Kanal-Signal zurück. Empfängerseitige
Vertikalfrequenz:
50 Hz
Weiterentwicklungen wie beispielsweise Dolby Prologic II ha-
Horizontalfrequenz: 15625 Hz
ben zwar inzwischen den Raumklangeindruck laufend ver-
Videobandbreite:
5 MHz
bessert, dennoch bleiben Raumklangeindrücke eher auf «Ein-
Kanalbandbreite:
7 / 8 MHz
zel-Effekte» beschränkt.
Farbträger:
4.43 MHz
Tonträger:
5.5 MHz
Dolby Digital (DD) Als digitale Weiterentwicklung bietet
Dolby Digital (AC-3) die Möglichkeit, bis zu sechs unabhängige
Amplitudenmodulation (AM) Übertragungsmethode, bei der
digitale Tonkanäle zu übertragen. Beispielsweise handelt es
die Nutzsignalinformationen auf einer hochfrequenten Träger-
sich beim Format DD 2.0 um ein Stereosignal und bei DD 5.1
welle durch Variieren der Amplitude aufmoduliert werden. Die
um ein Signal mit fünf Kanälen plus einem Subwoofer-Signal
Amplitude der Trägerfrequenz ändert sich also in Abhängigkeit
(Tiefst-Frequenzen-Effekte). Je nach Format werden zur Über-
des Pegel und der Frequenz des Modulationssignals.
tragung Bitraten von 64 bis 448 Kbit/s benötigt. Typisch sind
384 Kbit/s.
Frequenzmodulation (FM) Modulation einer hochfrequenten
Trägerwelle durch Veränderung ihrer Frequenz im Rhythmus
der niederfrequenten Nutzsignalfrequenz. Die Frequenzmodulation ermöglicht gegenüber der Amplitudenmodulation einen
höheren Dynamikumfang und ist weniger störanfällig.
Auflösung und Pixelraster Die Auflösung eines Bildes wird
definiert durch die Anzahl der vertikalen und horizontalen
Swisscable n° 2/2008
17
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Teil 3 der vierteiligen Serie zum digitalen Fernsehen
Wie funktioniert digitales
Fernsehen?
Der dritte Teil der technischen Serie zum Digitalfernsehen befasst sich mit der
Umwandlung der analogen in digitale Signale und erläutert die Hintergründe und
Funktionsweise der Datenreduktion.
Funktionsweise des digitalen Fernsehens
Mikrophon(e)
Bildwandler
A/DWandler
Datenreduktion
A/DWandler
Datenreduktion
Weitere Programme
ProgrammMultiplexer
Transportstrom
(mehrere Programme)
TransportMultiplexer
HF Modulation
«Kanal»
■
■
Daten
Service Information
(Steuerinformation etc.)
■
■
Terresterisch
Kabelnetz
Satellit
andere
Abtastung und Quantisierung Zur Verbreitung von digitalen
Rohdatenformat mit grossen Datenmengen Für alle drei
TV-Signalen müssen in einem ersten Schritt die analogen
Grundfarbsignale (RGB) fallen somit insgesamt mindestens
Signale, welche zeilenweise für jede Grundfarbe (Rot, Grün,
3x8=24 Bit pro Bildpunkt an. Für eine mit herkömmlichem PAL
Blau: RGB) vom Bildwandler erzeugt werden, in digitale Signale
vergleichbare Auflösung (SDTV) würde somit alle 40ms eine
umgewandelt werden. Dazu wird das analoge Signal perio-
Datenmenge von rund 1.25 MByte anstehen, für HDTV sogar
disch abgetastet (Diskretisierung) und in einen definierten bi-
bis zum Fünffachen mehr. Dieses Rohdatenformat wird auch
nären Wert umgewandelt (Quantisierung). In der Videotechnik
als 4:4:4 RGB Format bezeichnet und mit Ausnahme von
sind dabei Wortbreiten von 8–10 Bit üblich. Als Ergebnis
Spezialanwendungen aufgrund seiner hohen Datenraten nicht
entsteht eine unendliche Folge von Codewörtern, welche das
weiter verwendet.
ursprüngliche analoge Signal repräsentieren.
Analoges
Videosignal
U (t)
Typische Samplingfrequezen bei der digitalen
Videotechnik:
- 13.5 MHz (SDTV 4:3 und 16:9 anamorph)
- 18MHz (EDTV echt 16:9)
- 74.25 MHz (HDTV)
Die Fernsehtechnik macht sich zunutze, dass das menschliche
Auge Farbänderungen von benachbarten Pixel weniger stark
wahrnimmt als Helligkeitsänderungen, und dass sein Auflösungsvermögen in vertikaler Richtung stärker ausgeprägt ist
als in der Horizontalen. Dies erlaubt, die Farbinformation mit
geringerer Auflösung zu verarbeiten als die Helligkeitsinforma-
t Abtastperiode
(T=1/Samplingfrequenz)
Digitales
Videosignal
Datenreduktion ohne Qualitätseinbusse möglich Im Studio... 10101101 01010101 01101000 11010010 10110001 ...
8 Bit Codewort
Abtastung und Quantisierung
14
tion (Chromasubsampling).
Swisscable n° 3/2008
bereich ist heute das 4:2:2 YCbCr Format üblich. Dabei wird
für jeden Abtastpunkt ein 8-Bit Helligkeitswert (Y) und für
jeden zweiten Abtastpunkt je zwei 8-Bit Farbdifferenzwerte
(Cb, Cr) verwendet (Horizontal Chromasubsampling). Im Broad-
Verband
Association
Paketgrösse variable
Video
(MPEG)
Encoder
..101101100..
ES
Paketbildung
PES
1101
Audio
(MPEG)
Encoder
..101101100..
ES
Paketbildung
PES
101110
Daten
..101101100..
Paketbildung
Program Specific Service Information (PSI)
PES
Programm-Multiplexer
1010110101010101
1010110101010101
1101
101110 101
101111
PS
ES: Elementary Stream
PES: Packetized
Elementary Stream
PS: Program Stream
101
castbereich hat sich das 4:2:0 YCbCr Format durchgesetzt. Dabei
Videopakete, ergänzt mit zusätzlichen Paketen für Daten und
werden wie beim 4:2:2 Format immer noch für jeden Abtast-
Signalisierung (Service Information, Elektronischer Programm-
punkt ein 8-Bit Helligkeitswert (Y), jedoch nur noch zeilen-
führer, Teletext, etc.) im Programm-Multiplexer zusammen-
weise alternierend ein Farbdifferenzwert Cb oder Cr übertragen.
gefasst. Es entsteht der so genannte Programmstrom (PS), der
(Horizontal & Vertikal Chromasubsampling). Die resultierende
nun alle notwendigen Informationen eines Programms enthält.
Datenmenge wird damit gegenüber dem Rohdatenformat
halbiert, ohne dass merkliche Qualitätseinbussen festgestellt
Transportstrom bis zum Empfänger Je nach verwendetem
werden können.
Verbreitungsweg, typischerweise bei DVB, werden mehrere
solcher Programmströme zu einem Transportstrom zusammen-
Weitere Datenreduktion nötig Die nach der Digitalisierung
gefasst. Zudem werden die vergleichsweise grossen, variablen
vorliegenden Datenraten sind immer noch zu hoch, um sie
Pakete des Programmstroms in viele kleine Pakete mit einer
wirtschaftlich übertragen zu können. Aus diesem Grund muss
konstanten Grösse von 188 Bytes unterteilt. Jedes Paket
die Datenrate weiter reduziert werden. Dazu werden haupt-
besteht aus einem Kopf (Header) und einem Nutzdatenteil
sächlich die von MPEG spezifizierten Verfahren zur Videocodie-
(Payload). Der Header enthält unter anderem Informationen
rung eingesetzt. Im Unterschied zum analogen Fernsehen
über den Inhalt und die Zugehörigkeit des Pakets, damit beim
werden dabei nur noch sporadisch vollständige Bilder (I-Frames)
Empfänger die jeweiligen Elementarströme wiederhergestellt
übertragen; ansonsten werden nur die sich ändernden Bildan-
werden können.
teile (P- und B-Frames) übertragen. Bildanteile, welche im
rungen, welche das menschliche Auge nur schwer erkennen
kann, ab einem gewissen Grad nicht mehr übertragen.
PS 1 (z.B. SF1)
PS 2 (z.B. SF2)
PS 3 (z.B. SF info)
Die Effizienz der Komprimieralgorithmen befindet sich in ständiger Entwicklung. Beim heutigen Stand der Technik werden
PS n (z.B. HD Suisse)
für SDTV Datenraten im Bereich von 4–7 MBit/s (MPEG-2)
Service Information (SI)
und für HDTV solche von 8–16 MBit/s (MPEG-4/AVC) erreicht.
188 Bytes
Der Kompressionsgrad hängt wesentlich vom Bildinhalt ab.
●●●
Stark bewegte Bilder lassen sich weniger stark komprimieren.
Transportstrom (TS)
mal übertragen. Generell werden schnelle örtliche Bildände-
TransportMultiplexer
gleichen Bild mehrfach identisch vorkommen, werden nur ein-
Video Video SI
Daten Video Audio Video Video Video Video
Datenströme werden zum Programmstrom zusammengefasst Die einzelnen Video- und Audiodatenströme (Elemen-
Die Anzahl der Programme pro Transportstrom ist abhängig
tary Stream ES), welche nach der Kodierung am Ausgang
von den Datenraten der einzelnen Programme und den Eigen-
des MPEG-Encoders bereitstehen, müssen zur weiteren Ver-
schaften des anschliessend verwendeten Verbreitungsweges.
breitung zusammengefasst werden (siehe Abbildung oben).
Dabei werden sie zunächst in Pakete unterteilt. Jedes Paket
Lesen Sie im nächsten Magazin wie die digitalen Signale modu-
wird mit zusätzlichen Informationen über seinen Inhalt und
liert und schliesslich bis zu den Anschlussdosen in den Wohn-
seine Grösse versehen. Anschliessend werden die Audio- und
zimmern der Kunden weiterverbreitet werden. (Glossar Seite 17)
Swisscable n° 3/2008
15
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Glossar
Association
Von RGB zu YCbCr Während das RGB-Farbmodell eine be-
liche Auge höhere Frequenzen schlechter wahrnimmt als tie-
stimmte Farbe durch die additiven Grundfarben Rot, Grün und
fere, werden diese bei der anschliessenden Quantifizierung
Blau ausdrückt, wird bei «Helligkeits-Farbigkeits»-Modellen
tiefer gewichtet und somit die Datenmenge reduziert. Durch
wie z.B. YCbCr der RGB-Farbwert in die Grundhelligkeit Y und
eine anschliessende Codeoptimierung (Run Length Encoding
zwei Farbkomponenten Cb und Cr aufgeteilt. Dabei ist Cb
und Huffmancodierung) lassen sich weitere redundante Infor-
ein Mass für die Abweichung von Grau in Richtung Blau bzw.
mationseinheiten einsparen.
Gelb (Komplementärfarbe von Blau) und Cr ist die entspreBild
chende Masszahl für die Abweichung in Richtung Rot bzw.
Türkis. Bestimmung von YCbCr aus RGB:
Y = 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B
Streifen
Cr = 0.6*R – 0.28*G – 0.32*B
Cb = 0.21*R – 0.52*G + 0.31*B
Dieses Modell bildet somit die Grundlage dafür, die Farbkomponenten Cb /Cr mit einer geringeren Auflösung übertragen
zu können als die Helligkeitswerte Y (Chromasubsampling).
Makroblock
(4 Blöcke)
Block
(8x8 Pixel)
Abtastformate und Datenraten Die folgende Tabelle liefert
eine Übersicht der wichtigsten Abtastformate und deren Roh-
Das grundlegende Verfahren der MPEG-Kodierung besteht
datenraten.
darin, möglichst viele Bildteile nur durch die Differenz des
Format
Bild
(aktiv)
RGB
4:4:4
10 Bit
YCbCr
4:2:2
8 Bit
720x576
fr = 25i
fsy = 13.5
311
166
960x576
fr = 25i
fsy = 18
415
221
166
1280x720
fr = 25p
fsy = 74.5
1382
737
553
1920x1080
fr = 25i
fsy = 74.5
1555
YCbCr
4:2:0
8 Bit
124
Bildinhaltes zum vorherig kodierten Bild zu beschreiben. Bei dieser so genannten Bewegungskompensation wird die Verschiebung von Bildteilen ermittelt, wie sie bei Kameraschwenks
oder sich bewegenden Objekten entsteht. Die Bewegung
von diesen Bildteilen wird in Form von einfachen Verschiebungsvektoren ausgedrückt. So kann beispielsweise ein langsamer
Kameraschwenk fast ohne die Kodierung und Übertragung
von direkten Bildinformationen auskommen. Will man z.B. den
fett markierten Makroblock des Bildes 2 codieren, wird im
Bild 1 innerhalb eines bestimmten Suchbereichs ein möglichst
ähnlicher Block gesucht und nur die Differenz beider Blöcke
829
Nettodatenraten in MBit/s
622
fr = Bildwechselfrequenz in MHz,
i = interlaced, p = progressive
fsy = Abtastfrequenz (Luminanz Y)
(= geringerer Informationsgehalt) sowie der Verschiebungsvektor codiert und übertragen.
Bild 1
Bild 2
1 Pixel
RGB 4:4:4
B
B
B
B
B
R
G
R
G
R
G
R
G
R
G
R
R
R
R
R
R
R
Cb
YCbCr 4:2:2
Y
Y
G
B
Zeile 1
B
Zeile 2
G
Cb
Cb
Cr Cb
Cr Cb
Cr Cb
Y
Y
Y
Y
Cr
Cr
Cr
Y
Y
Y
Y
Vektor
Makroblock
Transport Stream TS Beim digitalen Fernsehen bezeichnet ein
Transport Stream einen Datenstrom, welcher alle notwendigen
YCbCr 4:2:0
Cr
Cr
Cb
Cr
Cb
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Cb
Informationen (Audio, Video, Data, Signalisierung) zur Übertragung und Darstellung beim Empfänger beinhaltet. Man
unterscheidet zwischen SPTS (Single Program Transport Stream)
und MPTS (Multiple Program Transport Stream). Ein SPTS
MPEG-Videokodierung Zur Bearbeitung werden die Bilder in
beinhaltet Informationen von genau einem Programm (z.B. zum
einzelne Blöcke unterteilt. Diese Blöcke werden mit einer mathe-
Abspeichern auf DVD oder zur IP-basierten Weiterverbreitung).
matischen Operation, der Diskreten Cosinus Transformation
Der MPTS hingegen beinhaltet die Informationen mehrerer
(DCT), bearbeitet. Dabei werden die Helligkeits- beziehungs-
Programme und kommt typischerweise bei der DVB-basierten
weise Farbwerte in Frequenzen umgewandelt. Da das mensch-
Verbreitung zur Anwendung.
Swisscable n° 3/2008
17
Verband
Association
Letzter Teil der vierteiligen Serie zum digitalen Fernsehen
Wie funktioniert digitales
Fernsehen?
Der letzte Teil der technischen Serie zum digitalen Fernsehen zeigt, wie die digitalen Signale verschlüsselt, moduliert und schliesslich bis zu den Anschlussdosen in
den Wohnzimmern der Kunden weiterverbreitet werden.
Sender:
Audio/Video
unverschüsselt
Empfänger:
CSA nach DVB Standard
Transportstream (Kanal)
CSA nach DVB Standard
Descrambler
Scrambler
ECM/EMM
+
Audio/Video
unverschüsselt
Codeword
(wiederhergestellt)
Codeword
(generiert)
CA Herstellerabhängige
Verschlüsselung der
Codewords, Übertragung
mittels DVB-standardisierten
Meldungen (EMM/ECM)
SMART
CARD
Wie in Ausgabe Nr. 3/2008 gezeigt, besteht der Transport-
einem sich ständig ändernden Codeword das chiffrierte Aus-
strom aus vielen kleinen Paketen mit einer konstanten Grösse
gangssignal. Zum Descrambling im Empfänger muss das
von 188 Bytes. Bei Bedarf können diese Pakete verschlüsselt
jeweils aktuelle Codeword bekannt sein. Die dazu notwendige
werden. Dadurch lassen sich alle oder einzelne Programme
Information wird dem Transportstrom in standardisierten
eines Transportstroms nur berechtigten Empfängern zugänglich
Meldungen (CA Service Information) hinzugefügt (MUX).
machen. Man spricht in diesem Fall von bedingtem Zugriff
Zusammen mit den auf den Smartcards gespeicherten Schlüs-
(engl. Conditional Access CA).
seln kann der Empfänger die notwendigen Codewords
wiederherstellen. Die genauen Mechanismen und Verfahren
Das Scrambling (engl. Verwürfelung) erfolgt mit Hilfe eines
sind abhängig vom jeweiligen Hersteller, beispielsweise Nagra-
standardisierten Algorithmus (DVB Common Scrambling
vision, Conax und ViaAccess. Aus Sicherheitsgründen kann
Algorithm). Dieser berechnet aus dem Eingangssignal und
und soll hier kein Standard existieren.
Swisscable n° 4/2008
17
Verband
Association
Funktionsweise des digitalen Fernsehens
Mikrophon(e)
Bildwandler
A/DWandler
Datenreduktion
A/DWandler
Datenreduktion
Weitere Programme
Transportstrom
(mehrere Programme)
TransportMultiplexer
ProgrammMultiplexer
HF Modulation
«Kanal»
■
■
Daten
■
Service Information
(Steuerinformation etc.)
■
Terresterisch
Kabelnetz
Satellit
andere
Digitale Modulation Wie das FBAS-Signal und die beiden Ton-
erlaubt dem Empfänger, während der Übertragung entstan-
signale beim analogen Fernsehen müssen auch beim digita-
dene Fehler bis zu einem bestimmten Grad zu eliminieren.
len Fernsehen die Basisbandsignale – in diesem Fall die digi-
Neben einer konstanten Anzahl von 6 Bytes (Reed-Solomon-
talen Transportdatenströme – auf einen Kanal gebracht werden,
Code) wird zusätzlich eine durch die Qualität der Übertra-
damit diese über das entsprechende Verbreitungsmedium
gungsstrecke bedingte Anzahl Bytes hinzugefügt (FEC: For-
(Satellitenstrecke, Kabelnetz, etc.) transportiert werden kön-
ward Error Correction). FEC 2/3 bedeutet beispielsweise, dass
nen. Dazu kommen die für digitale Signale optimierten
auf 2 Nutz-Bytes 1 Byte für die Fehlerkorrektur hinzukommt.
Modulationsverfahren QPSK oder QAM zum Einsatz. Da auf
Bei der Verbreitung über Kabelnetze entfällt die FEC aufgrund
der Übertragungsstrecke Störungen auftreten können, werden
der weitaus geringeren Störanfälligkeit.
den einzelnen, 188 Bytes grossen Datenpaketen vor der Modu-
Die folgende Tabelle zeigt einen Auszug der gebräuchlichsten,
lation zusätzliche Bytes zur Fehlerkorrektur hinzugefügt. Dies
bei DVB spezifizierten Konfigurationen:
Medium
Standard
Verfahren
Modulation
FEC
Kanalbreite
[MHz]
nutzbare Datenrate pro Kanal
(MBits/s)
Satellit
DVB-S
Single Carrier
DVB-S2
DVB-C
Kabel
Single Carrier
DVB-C2*
Terrestrisch
DVB-T
* in Vorbereitung
18
Swisscable n° 4/2008
COFDM
QPSK
2/3
33
33.8
QPSK
7/8
33
44.4
QPSK
3/4
33
46
8-PSK
2/3
33
58.8
QAM-64
-
8
38.45
QAM-256
-
8
51.28
QAM-1024
-
8
65.8
QAM16
5/6
8
18.43
QAM64
7/8
8
31.67
Verband
Association
Glossar
Im Wesentlichen unterscheiden sich die Verfahren in Bezug
Transport Stream TS Beim digitalen
auf die verwendeten Modulationsgrade und Fehlerkorrek-
Fernsehen bezeichnet ein Transport
turen. Aufgrund der verschiedenen Verfahren stehen deshalb
Stream einen Datenstrom, welcher alle
zur Übertragung von digitalen TV-Programmen für jedes
notwendigen Informationen (Audio,
Medium unterschiedliche Transportkapazitäten (Nettodaten-
Video, Data, Signalisierung) zur Über-
raten) pro Kanal bereit.
tragung und Darstellung beim Empfänger beinhaltet. Man unterscheidet
Weiterverbreitung Aufgrund der hohen Verkabelungsdichte
zwischen SPTS (Single Program Trans-
spielt die Weiterverbreitung über Kabelnetze in der Schweiz
port Stream) und MPTS (Multiple Pro-
die wichtigste Rolle. Mehr als 2,8 Mio. Haushalte beziehen ihr
gram Transport Stream). Ein SPTS
Fernsehsignal via Kabelnetz. Die Kabelnetzbetreiber empfan-
beinhaltet Informationen von genau
gen die digitalen TV- und Radioprogramme der Programmver-
einem Programm (z.B. zum Abspeichern
anstalter via Satellit, Glasfaserleitungen oder über Richtfunk-
auf DVD oder zur IP-basierten Wei-
verbindungen. In der Kopfstation (Headend) werden die
terverbreitung). Der MPTS hingegen
Signale den Kundenbedürfnissen entsprechend aufbereitet
beinhaltet die Informationen mehrerer
und nach DVB-C-Standard über HFC-Netze zu den Anschluss-
Programme und kommt typischer-
dosen in den Wohnungen übertragen.
weise bei der DVB-basierten Verbreitung zur Anwendung.
Verschiedene
Veranstalter
Kopstation
Zelle (Quartier)
Entschlüsselung
Re-MUX
Direktempfang u/o
Backbone
Verschlüsselung
QAM Array
Empfang
Glasfaser
o/e
Koax
Settop-Box
Einzelprogramm
Programmmultiplex
Zusatzdienste
Programmmultiplex
(HF moduliert)
Die Aufbereitung in der Kopfstation besteht im einfachsten
Fall aus einer einfachen Transmodulation. Dabei werden die
Simulcrypt/Multicrypt Der DVB-Stan-
via Satellit empfangenen, QPSK-modulierten Transportströme
dard erlaubt das gleichzeitige Verwenden
demoduliert, die Signalisierungsinformationen angepasst
verschiedener Conditional-Access-Sys-
und QAM-moduliert auf entsprechenden Kanälen – typischer-
teme (CA). Man unterscheidet zwischen
weise im Band IV und V – auf das HFC-Netzwerk ausgege-
Multicrypt und Simulcrypt.
ben. Aufwändigere Kopfstationen öffnen ebenfalls die
Transportströme, setzten die darin enthaltenen Programme
Beim Multicrypt-Verfahren werden die
neu zusammen, passen bei Bedarf die Datenrate an (Re-
verschlüsselten Nutzdaten sowie die
multiplexing) und fügen Daten für Zusatzdienste hinzu,
CA-Meldungen (CA Service Information)
beispielsweise ein einheitlicher, alle Programme umfassender
der verschiedenen Programmpakete
elektronischer Programmführer.
(Transportströme) unabhängig voneinan-
Swisscable n° 4/2008
19
Verband
Association
der mit dem jeweils verwendeten CA-
übertragen werden. QAM-16 erlaubt 16
ausgestattet, welcher die Grundlage für
System übertragen. Multicrypt-Verfahren
verschiedene Zustände (4 Bit), QAM-64
Datendienste und interaktives Fernsehen
erlauben das Empfangen von Programm-
sinngemäss deren 64 (6 Bit) etc.
bildet. Je nach Netzausbau und fortge-
paketen verschiedener Veranstalter ohne
schrittener Abschaltung der analogen
eine übergreifende vertragliche Verein-
TV-Verbreitung verfügen die HFC-Netze
barung (gemeinsamer Schlüssel).
über 70 bis 100 HF-Kanäle, welche
Q
Beim Simulcrypt-Verfahren werden nur
die verschiedenen CA-Meldungen (CA
1011
1001
0010
0011
1010
1000
0000
0001
Service Information) mehrfach über-
zur Übertragung von digitalen Fernsehprogrammen genutzt werden können.
Pro Kanal können mit heutigen ModulaI
tragen. Das Nutzsignal, welches mit dem
1101
1100
0100
0110
word verwürfelt wird, wird nur einmal
1111
1110
0101
0111
übertragen. Der Empfänger filtert die für
QAM-16
tions- und Videokomprimierungstechnologien bis zu 12 SDTV- oder bis zu 5
für alle Systeme identischen Code-
HDTV-Programme übertragen werden.
Der in Entwicklung stehende DVB-C2Standard verspricht eine Kapazitätszu-
sein System passende CA-Meldung
nahme von bis zu 80 Prozent.
zur Rekonstruktion des Codewords he-
Q
raus. Simulcrypt erlaubt den gleichzei-
Kanalraster Mit Kanalraster (Kanal-
tigen Betrieb von verschiedenen CA-
bandbreite) wird der Abstand zwischen
Systemen oder Versionen, ohne dass das
benachbarten Kanälen in einem Fre-
identische Nutzsignal mehrfach übertra-
I
gen werden muss.
quenzband bezeichnet. Innerhalb eines
Frequenzbandes sind die Kanäle gleich
breit.
QPSK QPSK steht für Vierphasen-Modu-
QAM-64
lation (engl. Quaternary Phase Shift
Keying). Die QPSK ist ein digitales Modulationsverfahren, bei welchem pro Sendetakt zwei Bits übertragen werden.
Je höher der Modulationsgrad, desto
Die Information wird dabei in der Phasen-
schwieriger wird es für den Empfänger,
lage des Trägersignals übertragen. Die
die einzelnen Zustände voneinander
Amplitude ist ohne Bedeutung. Daher
zu unterscheiden und den binären
sind QPSK-Signale sehr robust gegenüber
Ursprungswert richtig zu rekonstruieren.
Störungen.
Deshalb sind höherwertige Verfahren ver-
Band I
Band II
Band III
Band IV und V
3 x 7 MHz
HF-Kanäle
(UKW)
27 x 7 MHz
HF-Kanäle
70 x 8 MHz
HF-Kanäle
...
......
47
K2
68 87.5 108 111
K4
S2
....
300
302
S20
S21
862 MHz
K69
gleichsweise empfindlicher gegen Stö10
Q
rungen und können nur auf entsprechend
00
guten (Kabel-)Verbindungen eingesetzt
Beim analogen Fernsehen benötigt ein
werden.
Programm jeweils exakt einen Hochfrequenzkanal (HF-Kanal) zur Übertra-
45°
I
HFC-Netze Hybrid Fibre Coax (HFC) be-
gung. Beim digitalen Fernsehen finden
zeichnet eine Technologie zur leitungs-
pro HF-Kanal mehrere Programme Platz.
gebundenen Übertragung von analogen
11
01
und digitalen Signalen grosser Bandbreite. Dabei werden zur Verteilung der
Signale bis in die Quartiere Glasfaserleitungen verwendet (FTTC, Fibre to the
QAM QAM steht für Quadraturamplitu-
Curb). An den Endpunkten der Glas-
denmodulation (engl. Quadrature Am-
fasern werden die optischen Signale in
plitude Modulation). Die QAM kom-
elektrische gewandelt, die dann über
biniert die Amplitudenmodulation mit
Koaxialkabel in die einzelnen Haushalte
der Phasenmodulation. Das heisst, die
geführt werden. Meist werden von
Information wird in der Phasenlage (wie
einem Koaxialkabel mehrere Haushalte
bei QPSK) und zusätzlich in der Ampli-
versorgt. HFC-Netze werden gewöhn-
tude übertragen. Somit können pro Sen-
lich für Kabelfernsehen verwendet und
desymbol mehr verschiedene Zustände
sind in der Regel mit einem Rückkanal
20
Swisscable n° 4/2008