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
|