DATV - amatorska telewizja cyfrowa

Amatorska telewizja była początkowo dziedziną, którą zajmowało się nieliczne grono zapaleńców. Dopiero rozpowszechnienie się w gospodarstwach domowych sprzętu wizyjnego: wideomagnetofonów, przenośnych kamer i odbiorników satelitarnych przyczyniło się do zwiększenia jej popularności. Na razie jest to prawie wyłącznie telewizja analogowa, ale rozwój techniki profesjonalnej nie pozostał i tutaj bez wpływu na krótkofalarstwo.

Grupy krótkofalowców w wielu krajach eksperymentują od połowy lat 90. XX wieku z telewizją cyfrową - DATV. Wśród wypróbowywanych rozwiązań znajduje się także system stosowany w cyfrowej telewizji satelitarnej (a ostatnio także i naziemnej) - system DVB.
Zastąpienie transmisji analogowej przez cyfrową przyniesie (podobnie jak w radiofonii i telewizji programowej) poprawę jakości odbioru, zwiększenie zasięgów stacji przy tej samej mocy promieniowania albo obniżenie mocy promieniowania koniecznej do uzyskania dotychczasowego zasięgu i efektywniejsze wykorzystanie widma częstotliwości, ponieważ sygnał cyfrowy dzięki kompresji zajmuje tylko część pasma niezbędnego do transmisji analogowej. W programowej telewizji satelitarnej pozwala to na transmisję pakietu programów przez każdy z transponderów satelity (przeważnie 5-6 i kilka programów radiowych lub kanałów danych np. internetowych), natomiast w pasmach amatorskich pozwoli na łatwiejsze pogodzenie potrzeb użytkowników różnych rodzajów emisji. Analogowy kanał TV zajmuje znaczną część pasma 70cm, w której na dodatek leżą częstotliwości wyjściowe przekaźników fonicznych i cyfrowych Packet Radio), podzakres satelitarny oraz pasmo ISM "zaludnione" przez słuchawki bezprzewodowe i wszelkiego rodzaju urządzenia do zdalnego sterowania. W niektórych krajach (j. np. Węgry, kraje skandynawskie) pasmo 70cm rozciąga się tylko w granicach 432-438MHz, co w ogóle uniemożliwia analogowe transmisje ATV. Zawężenie pasma telewizyjnego do 2MHz, na co pozwala technika cyfrowa, zmniejszyłoby w znacznym stopniu wzajemne zakłócenia i umożliwiło pracę ATV w wymienionych powyżej krajach.
Większość prób z telewizją cyfrową odbywa się jednak w paśmie 23cm ze względu na możliwość bezpośredniego wykorzystania odbiorników (dekoderów) satelitarnych. Jest to sytuacja podobna jak w przypadku analogowej ATV FM. Zasadniczo jednak konstrukcja konwertera z pasma 70cm lub z pasm mikrofalowych na zakres 23cm nie jest barierą nie do przebycia dla bardziej doświadczonych UKF-owców.
Dodatkową zaletą systemu cyfrowego jest utrzymanie stałej dobrej jakości obrazu przy jego retransmisji przez łącza sprzęgające ze sobą stacje przekaźnikowe. W systemie analogowym każdy z odcinków łączy i każda ze stacji przekaźnikowych na trasie powodowały pewne pogorszenie jakości obrazu.
Rozpowszechnienie cyfrowych odbiorników satelitarnych spowodowało, że przeważnie stosowany jest system DVB-S, chociaż przeprowadzane są także próby z wykorzystaniem systemu używanego w TV naziemnej - DVB-T. Znajdzie to, ze względów praktycznych, szersze zastosowanie dopiero w miarę przechodzenia TV programowej na system cyfrowy.
Na przykładzie najbardziej rozpowszechnionego standardu DVB przyjrzyjmy się teraz zasadom cyfrowej transmisji sygnału telewizyjnego. Schemat blokowy toru nadawczego przedstawia rysunek 1.
Jak wynika ze schematu, sygnał telewizyjny poddawany jest najpierw konwersji na postać cyfrową, a następnie kompresji. W systemie DVB jest to kompresja oparta o algorytm MPEG-2 przeprowadzana oddzielnie dla sygnałów wizji i fonii. Dzięki kompresji sygnału fonicznego możliwa jest transmisja dźwięku wielokanałowego, np. stereofonicznego, dookólnego lub w kilku językach, a w warunkach amatorskich kanały te mogą być wykorzystane jako łącza sprzęgające ze sobą przekaźniki foniczne albo węzły AX.25 czy TCP/IP.
Kolejnym etapem obróbki sygnału jest kodowanie danych zgodne z normą DVB - do najważniejszych kroków należy na nim dodanie informacji pozwalającej na korekcję przekłamań i zmiana kolejności bitów (przeplot) tak, aby z jednej strony zmniejszyć wpływ zakłóceń a z drugiej osiągnąć możliwie równomierny rozkład energii w kanale transmisyjnym. Następnym członem toru nadawczego jest modulator. W rozgłaszaniu programów TV stosowane są: czterostanowa modulacja fazy QPSK, kwadraturowa modulacja fazowo-amplitudowa QAM i modulacja wielotonowa COFDM. W eksperymentach amatorskich stosowano także modulację GMSK. Tematem tym zajmiemy się dokładniej w dalszej części artykułu.
W systemie DVB transmitowany sygnał cyfrowy zawiera oprócz informacji wizyjnej i fonicznej także dane dodatkowe informujące o nadawcy, tytule, rodzaju programu itp. W warunkach amatorskich możliwe jest podanie w ten sposób np. znaku stacji.
Kompresja MPEG-2
Jednym z najważniejszych problemów, z którymi styka się transmisja cyfrowa i to niezależnie od tego, czy dotyczy to transmisji dźwięku, czy obrazu, jest fakt, że po zamianie na postać cyfrową sygnał przekazywany zajmowałby pasmo wielokrotnie szersze od sygnału oryginalnego.
Konieczne jest więc jego skomprymowanie polegające częściowo na usunięciu informacji nieodbieranej przez człowieka. Sprawy kompresji sygnałów akustycznych były już omawiane na łamach Świata Radio, dlatego też teraz poświęćmy więcej uwagi kompresji sygnałów wizyjnych. Algorytm kompresji MPEG-2 pozwala na zmniejszenie strumienia danych ze 166MB/s dla obrazów w systemie PAL do ok. 4MB/s. Dla uzyskania jakości VHS wystarcza nawet strumień ok. 1,5MB/s.
W trakcie kompresji wykorzystywane są różne metody redukcji.
Redukcja przestrzenna polega na zastąpieniu pewnej liczby sąsiadujących ze sobą punktów o identycznej jasności i kolorze przez wypadkowy kod zawierający informację o wymienionych parametrach i rozkładzie punktów. W najprostszym przypadku redukcja danych polega na zapisie parametrów i liczby kolejnych identycznych punktów. Stopień kompresji jest oczywiście uzależniony od treści obrazu. W algorytmie MPEG-2 obraz jest dzielony na bloki (kwadraty) o wymiarach 8 x 8 punktów, których treść jest poddawana dyskretnej transformacji kosinusoidalnej (DCT) stanowiącej dwuwymiarową odmianę dyskretnej transformaty Fouriera (DFT). Ujmując sprawę najprościej, dyskretna transformata kosinusoidalna służy do przeprowadzenia analizy widmowej bloku i do usunięcia z otrzymanego widma składowych mających najmniejszy wpływ na jakość obrazu. Analiza jest przeprowadzana oddzielnie dla sygnału luminancji (jasności) i dla sygnałów chrominancji (koloru), a wyniki są zapamiętywane wspólnie dla grupy czterech bloków tzw. makrobloku. Podział obrazu na bloki i makrobloki przedstawia rys. 2. Dalszą redukcję ilości danych można uzyskać przez usunięcie części informacji dotyczących składowych chrominancji - oddzielnie dla każdego makrobloku. Wykorzystuje się tutaj fakt, że oko ludzkie charakteryzuje się mniejszą rodzielczością w dziedzinie kolorów aniżeli w dziedzinie jaskrawości. Stosowane są różne stosunki redukcji od 1 do 1/4 wpływające oczywiście na ostateczną jakość obrazu po stronie odbiorczej. Ponieważ opisany tutaj sposób redukcji przestrzennej dotyczy wyłącznie danego obrazu bez uwzględnienia informacji zawartych w obrazach sąsiednich, jest on nazywany redukcją wewnętrzną (ang. intra frame), a obrazy jej poddane nazywane są w algorytmie MPEG-2 ramkami typu I. Metoda redukcji przestrzennej jest stosowana nie tylko w odniesieniu do obrazów telewizyjnych, ale również dla obrazów nieruchomych.
Natomiast dalsze sposoby redukcji danych dotyczą wyłącznie obrazów ruchomych.
Redukcja czasowa i statystyczna polega na uwzględnianiu zmian treści kolejnych obrazów w miarę upływu czasu. Zmiany te są stosunkowo powolne w porównaniu z odstępem czasu pomiędzy następującymi po sobie obrazami, co pozwala na transmisję sekwencji składającej się z pojedynczego pełnego obrazu i pewnej liczby obrazów zawierających wyłącznie różnice w stosunku do obrazu podstawowego. Obrazy podstawowe (I) muszą być oczywiście nadawane z pewną regularnością - w odstępach 0,5s - gdyż w przeciwnym przypadku szybkie zmiany scenerii stawałyby się rozmyte, a poza tym czas oczekiwania na uzyskanie pełnego obrazu po włączeniu odbiornika lub po wystąpieniu zakłóceń byłby zbyt długi.
W algorytmie MPEG-2 występują dwa rodzaje ramek różnicowych: ramki P (ang. prediction), których zawartość jest przewidywana w oparciu o poprzedzające je ramki I lub P i ramki B, na których zawartość wpływają zarówno ramki poprzedzające, jak i następne (ang. bidirectional interpolation). Są to więc właściwie ramki (obrazy) interpolowane. Zasady tworzenia ramek P i B przedstawiają rys. 3 i 4, a kolejność transmisji ramek - rys. 5. Grupa ramek składa się z 12 sztuk: jednej ramki I, trzech ramek P i ośmiu ramek B. Jak wspomnieliśmy poprzednio, użycie ramek różnicowych przyczynia się w istotny sposób do zmniejszenia ilości przekazywanej informacji. Korzyści ilustruje następujące porównanie: każda z ramek I zawiera ok. 9 x 105 bitów, ramki P - ok. 3 x 105, natomiast ramki B - 1 x 105 bitów.
Odtwarzanie obrazów po stronie odbiorczej rozpoczyna się od zdekodowania pierwszej odebranej ramki I i następującej po niej ramki P. W oparciu o nie dekodowane są znajdujące się pomiędzy nimi ramki B, potem dekodowana jest kolejna ramka P i poprzedzający ją ciąg ramek B itd. Ze względu na to, że zarówno generacja, jak i dekodowanie ramek B wymaga znajomości treści zarówno ramek poprzedzających, jak i następnych ciąg ramek musi być zapisywany w buforze i nadawany względnie odtwarzany z pewnym opóźnieniem - w praktyce dochodzi ono do kilku dziesiątych sekundy. W trakcie odbioru transmisji telewizyjnych nie ma ono istotnego znaczenia ale jest już zauważalne w trakcie dwustronnych QSO i wymaga pewnego przyzwyczajenia się.
Pedukcja psychooptyczna obejmuje zarówno zjawiska omówione w pierwszym, jak i w drugim punkcie. Dotyczy to zarówno różnicy rozdzielczości oka dla kolorów w porównaniu ze zmianami jasności i ograniczonej rozdzielczości przestrzennej oka pozwalającej na pominięcie drobnych szczegółów obrazu, jak i ograniczonej szybkości śledzenia ruchu.
Kodowanie DVB
W koderze DVB strumień danych jest uzupełniany o dane pozwalające na korekcję przekłamań powstających na trasie jego rozchodzenia się. W systemach DVB-S (transmisji satelitarnej) i DVB-T (transmisji naziemnej) stosowane są podwójne mechanizmy zabezpieczające: kodowanie za pomocą kodu Reeda-Salomona (stosowanego również w nagraniach dźwiękowych płyt CD) i kodowanie splotowe. W systemie DVB-C (rozgłaszania w sieciach kablowych) stosowany jest tylko sposób pierwszy - kodowanie Reeda-Salomona. Strumień danych jest dzielony na bloki o długości 188 bajtów, do których dodawanych jest 16 bajtów nadmiarowych, co pozwala na korekcję do 8 przekłamanych bajtów, dlatego też stosowany kod Reeda-Salomona nosi oznaczenie 188,204,8.
Stopień zabezpieczenia za pomocą kodu splotowego opisuje współczynnik FEC przyjmujący wartości 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 i 7/8. Ułamek oznacza zawartość danych użytecznych w całkowitym strumieniu danych. Najwyższy stopień zabezpieczenia daje oczywiście współczynnik 1/2, ponieważ nadawanych jest wówczas najwięcej danych korekcyjnych. Wartość współczynnika jest wybierana przez nadawcę i automatycznie rozpoznawana przez odbiornik. Przy założonej szerokości kanału jego wartość zależy od przyjętej przepustowości (ang. symbol rate) - zwiększenie przepustowości netto pozostawia mniej miejsca na dane korekcyjne.
Rodzaje modulacji
W zależności od sposobu transmisji stosowana jest jedna z trzech odmian systemu DVB: dla transmisji satelitarnych jest to DVB-S (norma ETS 300 421), kablowych - DVB-C (norma ETS 300 744) i dla transmisji przez nadajniki naziemne - DVB-T (norma ETS 300 429). Jeśli pominiemy omówioną już powyżej różnicę w mechanizmach zabezpieczających dla DVB-C główną różnicą pomiędzy nimi jest rodzaj modulacji sygnału w.cz. W eksperymentach amatorskich stosowany był głównie system DVB-S ze względu na rozpowszechnienie odbiorników satelitarnych i w nielicznych przypadkach - system DVB-T.
W systemie DVB-S stosowana jest czterostanowa modulacja fazy QPSK, ponieważ zapewnia ona najniższą stopę błędów przy odbiorze słabych sygnałów a jak wiadomo nadajniki znajdujące się na pokładach satelitów mają stosunkowo niewielką moc. Dzięki zastosowaniu u odbiorców anten o silnie kierunkowej charakterystyce w praktyce odbierany jest tylko sygnał docierający bezpośrednio z satelity i można pominąć tutaj wpływ ewentualnych odbić na jakość odbioru. Przepływność (ang. symbol rate) leży w granicach 20-30Ms/s (megasymboli na sekundę), a współczynnik FEC - pomiędzy 1/2 i 7/8. W łącznościach amatorskich stosowane są znacznie niższe przepływności: przeważnie rzędu 4-5Ms/s, a czasami nawet tylko 2,5Ms/s. W odróżnieniu od kanału satelitarnego o szerokości 33-36MHz w transmisjach amatorskich zajmuje on nawet tylko 2-3MHz.
Stosunkowo niezmienne warunki odbioru i wysokie stosunki sygnału do szumu, z jakimi spotykamy się w sieciach kablowych, pozwalają na zastosowanie w systemie DVB-C modulacji o większej liczbie stanów i dzięki temu na efektywniejsze wykorzystanie dostępnych pasm częstotliwości. Stosowane są 16-, 32-, 64-, 128- i 256-stanowe modulacje amplitudowo-fazowe QAM. Przepływność wynosi ok. 7 Ms/s dla każdego z programów przy kanałach o szerokości 7-8MHz.
W transmisji naziemnej największą trudność do pokonania stanowią odbicia fal od przeszkód naturalnych i zabudowań. W ich wyniku na falę odbieraną bezpośrednio nakładają się fale docierające do anteny odbiorczej z opóźnieniem. W przypadku gdy czas opóźnienia przekracza długość trwania symbolu (stanu nośnej odpowiadającemu transmitowanemu bitowi lub grupie bitów - dla modulacji QPSK są to grupy dwubitowe), powoduje to zafałszowanie następnych symboli mogące nawet uniemożliwić prawidłowe zdekodowanie sygnału. Jedną z metod zapobieżenia temu niekorzystnemu zjawisku jest przedłużenie czasu trwania symbolu tak, aby fale odbite docierały do anteny jeszcze w czasie jego trwania. Zachowanie wymaganej przepustowości kanału wymaga więc nadawania odpowiedniej liczby symboli równolegle. W systemie DVB-T stosowane są (w zależności od wymaganej jakości) 2048 lub 8192 podnośne modulowane QPSK, 16-QAM lub 64-QAM i rozmieszczone wewnątrz kanału tak, aby ich wstęgi boczne się wzajemnie nie zakłócały, czyli ortogonalnie. W praktyce wykorzystywanych jest jedynie 1705 lub 6817 podnośnych. Przepływność leży w zakresie 5-7Ms/s na program (nadawane są pakiety 3-4 programów), a współczynniki FEC są identyczne jak dla DVB-S. Ten rodzaj transmisji nosi nazwę COFDM (ang. coded orthogonal frequency division multiplex). Jest on także odporny na wpływ efektu Dopplera, co pozwala na odbiór sygnału także przez stacje ruchome.
Zasadniczo należałoby oczekiwać, że w łacznościach amatorskich konieczne będzie stosowanie systemu DVB-T, jednak w przypadku wyżej położonych stacji przekaźnikowych i stosowanych anten kierunkowych wpływ odbić jest na tyle niewielki, że pozwala na korzystanie z systemu DVB-S.
W niektórych eksperymentach amatorskich stosowano też modulację GMSK - czyli kluczowanie częstotliwości nośnej za pomocą impulsów o kształcie dzwonowym (krzywej Gaussa) i z minimalnym pozwalającym na detekcję odstępem częstotliwości. Modulacja GMSK pozwala na uproszczenie konstrukcji nadajnika i zastosowanie w nim stopni mocy pracujących w klasie C, podczas gdy modulacje fazy i wielotonowa wymagają liniowego toru nadawczego. Wadą modulacji GMSK jest to, że wymaga zastosowania specjalnie skonstruowanych odbiorników w miejsce standardowych dekoderów telewizji cyfrowej. Jednym z możliwych sposobów rozwiązania tego dylematu w sposób korzystny dla operatorów stacji indywidualnych jest zastosowanie modulacji GMSK w kanale wejściowym stacji przekaźnikowych i QPSK (DVB-S) w kanale wyjściowym. Układy specjalne jak odbiornik GMSK i bardziej rozbudowany nadajnik znajdowałyby się wówczas w stacji przekaźnikowej, natomiast stacje indywidualne mogłyby korzystać ze sprzętu ogólnie dostępnego lub o prostszej konstrukcji.
Nadajnik
W trakcie dotychczasowych próbnych łączności TV stosowano nadajniki własnej konstrukcji na pasma 70, 23 i 13cm, których człony cyfrowe były oparte na programowanych matrycach logicznych i mikroprocesorach (rys. 6 i 7). Gotowe rozwiązania opracowane przez DJ8DW (profesora radiotechniki na Akademii Górniczej w Wuppertal) i DG8FAC są rozprowadzane w Niemczech m.in. przez firmę SR-Systems ([6]) oraz przez stowarzyszenie d/s ATV AGAF ([2]).
Odbiorniki
Do odbioru transmisji DVB-S używane są zwykłe cyfrowe odbiorniki satelitarne albo płytki telewizyjne do komputerów PC wyposażone w dekoder cyfrowy. Parametry odbioru: częstotliwość, przepływność, współczynnik FEC i identyfikacja programu muszą być wprowadzone ręcznie przez użytkownika, a nie odczytane automatycznie w trakcie przeszukiwania pasma. Dekodery niepozwalające na swobodne wprowadzanie podanych parametrów mogą okazać się nieprzydatne do celów krótkofalarskich. Wygodnie jest gdy odbiornik pozwala na wprowadzenie częstotliwości odbioru nieuwzględniającej częstotliwości heterodyny w głowicy satelitarnej, ale w zasadzie po ustawieniu częstotliwości heterodyny w konfiguracji przeliczenia są trywialne - wystarczy po prostu do pożądanej częstotliwości odbioru w paśmie 23cm dodać wybraną częstotliwość heterodyny i wprowadzić do dekodera otrzymaną sumę.
Ze względu na to, że w łącznościach amatorskich stosowane są przepływności niższe niż w TV programowej, nie wszystkie dekodery dają obraz o dostatecznej jakości. Testy krótkofalowców niemieckich przeszły pozytywnie m.in. następujące modele: Netwafe 6010, Zehnder DX62, DSR2000FTA, Telestar DIGIO, DR1000, Digenius TV-BOX II, Pollin DR-1000 i DR-100, Radix Epsilon 1 FTA, Humax CI-5100 i dekodery wewnętrzne do komputerów PC: Technisat SkyStar 2 oraz Hauppauge WinTV Nexus.
Doświadczenia praktyczne
Doświadczalne stacje przekaźnikowe telewizji cyfrowej pracują już w wielu krajach, m.in. w Niemczech, Holandii, Francji, Słowenii i Austrii. Przykładem rozwiązania mieszanego przekaźnika analogowo-cyfrowego jest zlokalizowana na podwiedeńskiej górze Bisamberg stacja OE1XRU. Jest ona wyposażona w wejścia analogowe FM 1280, 2420 i 10420MHz, wejście cyfrowe 1280MHz i wyjście mieszane analogowo-cyfrowe na częstotliwości 1250MHz. Przełączenia trybu pracy nadajnika z analogowego na cyfrowy i odwrotnie oraz włączenia odbiornika cyfrowego dokonuje się za pomocą niezależnych kodów DTMF nadawanych w paśmie 2m. Możliwe jest więc niezależne włączenie odbioru i transmisji cyfrowej i dowolne kombinacje trybów analogowo-cyfrowych, czystych analogowych i czystych cyfrowych. Nadajnik cyfrowy konstrukcji OE3NDA pracuje w systemie DVB-S z kompresją MPEG-2, przepływnością 5Ms/s i współczynnikiem FEC 3/4.
Ostatnia ilustracja (rys. 8) przedstawia porównanie jakości odbioru obrazu analogowego i cyfrowego - odbiorniki znajdowały się w odległości 50km od stacji nadawczej w Kolonii.

Krzysztof Dąbrowski OE1KDA      

Pełny tekst artykułu na stronach magazynu