Makaleler / Elektronik / İletişim Teknolojisi / Sayısal Karasal Tv Yayını

DVB-T
Yazar: Prof. Dr. Avni Morgül
Gönderen: Elektronik   Tarih: 13-09-2007 16:54
Yorumlar: (0)   Oylar:
GiRiŞ

3 Şubat 2006 tarihinde Sayısal Karasal deneme yayınları Ankarada 31. kanal ve İstanbulda 23.kanalda resmen başladı. Bu yazıda Sayısal TV, özellikle de karasal sayısal TV yayını ile ilgili genel teknik bilgileri bulacaksınız.Konu çok kapsamlı olduğundan burada sadece genel teknik biligiler her teknik elemanın anlayacağı şekilde verilmeye çalışılacaktır. Daha geniş bilgi için yazının sonundaki eklere ve kaynaklara başvurulabilir.

Bilgisayar teknolojilerinin gelişmesi, çok büyük ölçekli sayısal tümdevrelerin (VLSI) ucuzlaması sayesinde görüntünün sayısallaştırılması ve sayısal olarak izlenmesi kolaylaşmış ve her alanda olduğu gibi TV alanında da sayısal teknolojilere geçiş başlamıştır. Son 10-15 yıl içinde bu konuda çok yoğun araştırmalar yapılmış ve standartlar geliştirilmiştir.

Sayısal televizyonun geç kalmasının iki nedeni vardır. Bunlardan ilki teknik zorluklardan kaynaklanmakta idi ki bu tamamen aşılmıştır. İkinci zorluk ise meşhur tavuk/yumurta hikayesidir.Yayıncılar sayısal TV yayınına başlamak için, sayısal TV alıcısına sahip yeterli bir seyirci kitlesinin oluşmasını beklemekte, seyirciler ise sayısal TV alıcısı almak için yeterli sayıda yayının başlamasını ve cihazların ucuzlamasını beklemekte idiler. Buna paralel olarak TV alıcı imalatçıları da yeterince müşteri olmadığından sayısal TV alıcısı yapmakta fazla hevesli olmadılar ve bu yüzden sayısal alıcı fiyatları ucuzlayamadı.Sonunda gene iş teknik zorunlulukların sıkıştırması ile çözülmeye başlamıştır. Bu gün pek çok bölgede TV yayınlarına tahsis edilecek kanal kalmamıştır. Buna karşılık her gün yeni yayıncılar ortaya çıkmakta ve kanal talebi hızlı bir şekilde artmaktadır. Sayısal TV yayını buna iyi bir çözüm getirmektedir. Standart kalite yayında bugünkü teknoloji ile bir analog TV kanalına yerel yayınlarda dört, uydu yayınlarında altı veya daha fazla sayısal kanal sığdırılabilmektedir. Bu açıdan sayısal teknolojiye geçmek yayıncılar için çok avantajlı olmaktadır. Buna karşılık izleyici, iki ila on misli daha fazla para ödeyerek satın alacağı sayısal TV veya sayısal set üstü cihazından (Set-Top-Box) CD kalitesinde bir ses dinleyecek fakat şimdiki ile aynı kalitede (bazen daha kötü) bir görüntü elde edecektir. Yani işin faturası izleyiciye çıkmıştır.

Yüksek çözünürlü TV (HDTV) yayını kullanıcıya daha kaliteli bir resim seyretme imkanı vermektedir. Fakat bunun için de kullanıcı, normal TV alıcısını değiştirip çok daha pahalı bir HDTV alıcısı satın almak zorundadır. Bir analog TV kanalına bir sayısal HDTV yayını sığmaktadır.Ayrıca sayısal televizyon yayını çok daha kolay ve güvenilir bir şekilde şifrelenebilir ve istenen filmi gösterme (Video-on-Demand), Paralı TV (Pay-TV) imkanları kolayca sağlanabilir.

SAYISAL GÖRÜNTÜNÜN ÜRETİLMESİ VE İLETİLMESİ

Bu makaleyi burdan okuyabilirsiniz.DIJITAL TELEVIZYON YAYINLARININ (DVB)

COFDM’in UYGULANIŞI

Avrupa ülkeleri sayısal TV yer yayınları (DVB-T) için VSB sistemine göre daha karmaık olan fakat özellikle yansımalı olarak yayılan sinyallerde daha hatasız çalışan Kodlu Dikgen Frekans Uzayı Çoğullamalı (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex, COFDM) kipleme sistemini kabul etmişerdir. Bu tür yayınlar ilk olarak 1999 yılında İngiltere’de başlamıştır.OFDM kiplemesi sayısal kelimelerin her birine ayrı bir taşıyıcının tahsis edilmesi esasına dayanır. Bu kiplemenin avantajları böylece özetlenebilir:

  • Örtüşmeye izin verdiğinden frekans spektrumunu daha etkin olarak kullanır.
  • Frekans bölgesini dar bantlı ve düzgün pekçok alt kanallara böldüğünden frekansa bağlı bayılmaya (frequency selective fading) tek taşıyıcılı sistemlere oranla çok daha fazla dayanıklıdır.
  • Çerçeveler arasına fazladan bitler konularak semboller arası (ISI) ve çerçeveler arası (IFI) karışma önlenebilir.
  • Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) teknikleri sayesinde kipleme ve kip çözme işlemleri kolaylıkla uygulanabilir.
  • Kanal frekans düzeltmesi (Equalization) adaptif teknikler kullanılmasına gerek kalmadan kolaylıkla yapılabilir.
  • Örnekleme zamanı kaymalarına karşı daha az duyarlıdır.
  • Yan kanal karışmaları ve parazitik gürültülerden daha az etkilenir.

    Bunlara kaşılık OFDM kiplemesinin kötü yanları da vardır. Bunlar:

  • OFDM işaretinin genlik değişimi gürültü sinyali gibi ani yükselmeler ve düğmeler gösterir. Yani işaretin tepe değeri ile ortalama değeri arasında 6/1 hatta bazen 8/1 gibi büyük oranda farklar vardır. Bu da kullanılacak RF güç kuvvetlendiricilerinin büyük dinamik seviyeye sahip olmalarını ve düşük verimli olmalarını gerekli kılar.
  • Taşıyıcı frekans kaymalarına çok duyarlıdır.

    Sayısal karasal TV yayınlarında kullanılan OFDM kodlamasında 2048 (2k) ve 8192 (8k) taşıyıcı olmak üzere iki farklı yayın modu kullanılır.“2k” Modunda taşıyıcı sayısı az olmakla beraber çerçeve hızı daha fazladır. Sonuç olarak her iki moddaki veri hızı yaklaşık olarak aynıdır. “2k” Modunda taşıyıcılar arasında yaklaşık 4kHz aralık vardır ve sembol uzunluğu 250us dır. Buna karşılık “8k” modunda taşıyıcılar arasında yaklaşık 1kHz aralık vardır ve sembol uzunluğu 1ms dir. “8k” Modu frekans kaymalarına karşı çok duyarlıdır. Buna karşılık “2k” modu frekans kaymalarına dayanıklı olmakla beraber uzun gecikmelerden daha çok etkilenir. Bu yüzden 8k modu sabit sistemler için, 2k modu ise doppler etkisine dayanıklı olduğundan hareketli sistemler için daha uygundur.Bu taşıyıcıların hepsi veri iletiminde kullanılmaz. Bunlardan bir kısmı sinyal gücünü ve iletim ortamının özelliklerini belirlemek için (TPS:Transmission Parameter Signalling) ve kanaldaki yansımaların yok edilmesi için kullanılır. Bir kısmı hiç kullanılmaz. Bir kısmı da pilot olarak kullanılır.

    Gönderilecek sinyalin önemine göre taşıyıcılar 4QAM(QPSK), 16QAM veya 64QAM olarak kiplenir. MPEG kodlama parametreleri, yayın başlıkları gibi önemli parametreler QPSKolarak kiplenir. Buna karşılık bozulması halinde hayati bir kayıp olmayan görüntü bilgileri ise gürültüye karşı daha dayanıksız olan fakat daha çok veri taşıma kapasitesi bulunan 64QAM yöntemiyle kiplenir.

    MPEG Transprt dizisi OFDM kipleyiciye verilmeden önce bit dizileri üzerinde “Enerji Dağıtıcı” blok yardımı ile değişiklikler yapılarak elde edilecek sinyalin her frekanstaki enerjilerinin mümkün olduğu kadar eşit yapılmasına çalışılır. Daha sonra dış ve iç hata kodlayıcı ve harmanlayıcı devreler yardımı ile sayısal işaretler iletim hatalarına karşı korunur. Uydu yayınlarında olduğu gibi dış kodlayıcıda Reed-Solomon kodlaması iç kodlayıcıda ise Evrişimli kodlama (Convolutional coding) kullanılır. Evrişimli kodlamada R=1/2 ile 7/8 arası kod oranlarınlarından herhangi biri seçilebilir. En sonunda veri bitleri çerçeveler halinde OFDM kipleyiciye uygulanır.Kipleyici çıkışında çerçeveler arasına çerçeve uzunluğunun ¼ ila 1/32’si kadar koruma (guard) aralıkları bırakılır ve bu aralıklar çerçevenin son kısmındaki sinyalin aynısı ile doldurulur. Böylece alıcıda bu sinyalin kendisi ile evrişimi (otocorrelation) kullanılarak sembol eşzamanlaması kolayca yapılır.

    Karasal OFDM TV sinyali 6-7-8Mhz band geniliklerinde yayınlanabilir. Kullanılacak band genişliğine göre sembol süreleri, taşıyıcı frekans aralıkları ve IFFT örnekleme frekansları ayarlanır.

    SAYISAL TV İŞARETLERİNİN ÇOĞULLANMASI

    Sayısal TV işaretlerinin yayınlanması için sayısal ses ve görüntüye ait verilerin önce paketler haline getirilmesi, sonra bu paketlerin harmanlanarak birleştirilmesi (zaman çoğullaması) ve tek bir bit-dizisi haline getirilmesi gerekir. Bu dizi kullanılacak yayın standardına uygun bir bekilde kiplenerek yayına verilir. MPEG görüntü ve ses kodlayıcısından ayrı ayrı gelen paketler ardarda eklenerek transport katmanı oluşturulur. Ses ve görüntü paketlerinin sayıları ve uzunlukları eşit değildir. Hangi paketin hangi bilgiyi taşıdığı baındaki “Paket Başlığı” kısmına bakılarak anlatılır.

    Çoğu zaman sayısal TV yayın şirketleri birden fazla TV yayınını aynı “yayın paketi” içinde gönderirler. Bu durumda sadece bir takım ses ve görüntü işaretleri değil, birden fazla stüdyodan gelen işaretlerin birleştirilmesi gerekir.

    TEK FREKANSLI YAYIN SİSTEMİ(Single Frequency Network)

    Sayısal karasal yayının diğer bir avantajı da belli bir bölgede kullanılabilecek verici sayısını arttırmaktır. Analog TV yayınlarında bir verici belli bir kanalda, örnek olarak UHF 60.kanalda, yayın yapıyorsa bu vericinin kapsama alanı içinde aynı kanalda ve komtu 59. ve 61. kanallarda ve bu kanaldan 39MHz ötedeki 66-67. kanallarda başka bir verici yayın yapamaz. Aksi takdirde bu vericiler birbirinin işaretini karıştırıp bozar. Bu yüzden özellikle İstanbul, Ankara gibi büyük şehirlerde aynı yayınlar başka bölgelerde farklı kanallardan yayın yaparlar. Bu da bir bölgede yayın yapabilecek program sayısını büyük ölçüde sınırlar.Sayısal karasal yayın sisteminde aynı bölgedeki vericiler aynı frekanstan eşzamanlı yayın yapabilirler. Bu sisteme “tek frekanslı yayın sistemi (single frequency network)” adı verilir. Bu sistemde değişik vericilerden gelen sinyaller alıcı tarafından tıpkı yansımış işaretler gibi algılanır.Yansımış sinyaller yansıma süresi belli bir değerden az olduğu zaman OFDM kiplemede bir sorun yaratmaz ve temiz bir görüntü elde edilebilir.

    Yansımaların ve aynı frekanstaki diğer vericilerden gelen sinyallerin bozucu etki yapmaması için en uzun gecikme süresinin OFDM paketleri arasındaki koruma aralığı (guard) süresinden kısa olması gereklidir. Bu da aynı frekanstaki vericiler arasındaki en uzak mesafeyi sınırlar. Elektro-manyetik dalgalar ışık hızında yayıldığına göre bu mesafe kolayca hesaplanabilir. Tabloda çeşitli yayın modları için bu mesafeler verilmiştir.Görüldüğü gibi 8k modunda 2k moduna göre daha geniş bir kapsama alanı elde edilmektadir. Ayrıca kanal band genişliği azaldıkça da mesafe artmaktadır. Bu tür yayının en zor tarafı vericiler arasında eşzamanlılığı sağlamaktır. Bunun için Küresel Yerbulum (GPS) Uydularından yararlanılır.Bu uydulardan bir saniye aralıklı eşzamanlama sinyalleri yayınlanır. Profesyonel GPS alıcıları bu sinyalleri kullanarak 10MHz’lik bir referans frekansı üretir. Vericiler de bu referans frekansı kullanarak birbirine kenetli, fazı ve frekansı aynı olan, taşıyıcı frekansları üretirler. Ayrıca 1 saniyelik referanslar kullanılarak mega paketlerin aynı anda yayınlanması sağlanır.

    İLETİM PROTOKOLLERİ

    Sayısal TV yayın işaretleri hiyerarşik bir yapı içinde ele alınırsa, bu işaretler dört farklı katman halinde düşünülebilir. Bu bölümde sayısal verilerin yayına hazırlandıı “Transport” ve işaretlerin verici taraftan alıcı tarafa gönderildiği “iletim” katmanlarında yapılan işlemler incelenecektir.

    Transport paketlerinde ses ve görüntü bilgileri dışında diğer yardımcı bigileri (Program bilgileri, alt yazılar v.s.) de iletmek gerekir. Ayrıca bu sayısal bilgileri iletim sırasında meydana gelebilecek bozulmalardan korumak için “Hata Bulma ve Düzeltme Kodlaması” gerekir. Hata düzeltmesi, her paket için belli sayıda bit eklenerek sağlanır. Eklenen bit sayısı ne kadar çok olursa o orandaki bozulmuş veri bitleri düzeltilebilir. Bazen ani bozulmalar veya karışmalar yüzünden aynı paketin içindeki çok sayıda bit bozulabilir (hata patlaması: error burst).Böyle bir durumda hata bitlerini kullanarak düzeltme yapma imkanı ortadan kalkar. Bu durumu önlemek için ard arda gelen paketlerin bitleri belli kurallara göre harmanlanarak yeni bir büyük paket oluşturulur. Bu harmanlanmış paketlerde bir hata patlaması olursa bu sadece bir paketteki bitleri bozmaz. Ard arda gelen paketlerin her birinden az sayıda bit bozulmuş olur ve bunlar da düzeltilebilir.

    MPEG kodlayıcıdan gelen Temel Dizi (Elementary Stream, ES) önce paketler haline dönüştürülür.Bu paketlere Paketlenmiş Temel Dizi (Packetized Elementary Stream, PES) adı verilir. Her MPEG paketi bir Paket Başlığı (Packet Header) ile veri bitlerinden oluşan paket ile bitiş kodundan meydana gelir.

    Elemanter dizi paketlerinin (PES) uzunluu değişken olabilir. Bu paketler 184 byte’lık sabit uzunluklu transport paketlerine dönüştürülürken bir ayarlama yapılması gerekir. Eğer PES paketinin uzunluğu 184 byte veya daha küçükse bir PES paketi bir transport paketine dönüştürülür. Eğer 184 byte’dan büyükse 184 byte’lık kısımlara ayrılarak birden fazla transport paketi halinde iletim ortamına verilir. Burada ISO/IEC 13818-1 standardının getirdiği bazı sınırlamalar vardır; Her transport paketi sadece bir PES paketinin verilerini taşıyabilir ve her PES paketi daima transport paketinin “yük” kısmının başında başlamak ve sonunda bitmek zorundadır. Şekil-2.3’de örnek bir paketleme görülmektedir. 184 byte'den daha kısa kalan paketler "ayarlama bitleri" ile doldurulur. Bu ayarlama bitleriaynı zamanda eşzamanlama saat bilgisini de taşırlar. Her MPEG-2 transport paketi başlık (header) ve yük (payload) olmak üzere iki ana kısımdan meydana gelir. 4-byte’lık Transport Paket Başlığı (Transport Packet Header) kısmında paket eşzamanlaması (packet sync.), taşınan bilginin cinsi veya Paket Tanıtma Bilgisi (Packet Identification Data, PID), paketin karışması veya kaybolmasını önleyen bilgiler ve şifreleme bilgileri bulunur.Değişken uzunluktaki Video Ayarlama Başlığında (Video Adaptation Header) zaman ayarlaması, medya eşzamanlaması ve diğer başlangıç ve işaret bilgileri (flag) bulunur. Bundan sonra, paketi 188 byte’a tamamlamak üzere hiçbir bilgi taşımayan uzunluk ayarlama bitleri ve arkadan sıkıştırılmış görüntü veya ses bilgisini taşıyan bitler gelir.Her PID numarası ilgili paketin taşıdığı bilginin cinsini kaçıncı paket olduğunu gösterir. 8-bitlik PID numarasının ilk dört biti bilginin cinsini belirler. PID=0000 paketin Program Eşleme Tablosu (PMT), PID = 0001 görüntü, PID = 0100 ses ve PID =1010 data bilgisi olduğunu gösterir. En başta gönderilen Program İlişki Tablosu (PAT) ise 0 numaralı paketin ne taşıdığını, her programın program numarasını ve bu programın eşleme tablosunun (PMT) hangi pakette olduğunu gösterir. Program Eşleme Tablosunda (PMT) ise bir programı oluşturan paketlerin PID numaralarının ne olduğu bilgisi yer almaktadır.

    Yeni sistemler eklendikçe PID numaralarının ilk dört bitlik kısmı değiştirilecek, böylece yeni sistemlerin eskilerle uyumluluğu sağlanacaktır. Mevcut kodçözücüler bu yeni numaraları işleme sokmayarak karışıklığı önlemiş olacaktır. Yeni kodçözücüler ise yeni ve eski numaraları işleme sokacaktır. Örnek olarak ilerde 3-boyutlu TV yayını başlarsa görüntüyü üç boyutlu hale getirmek için eklenen paketlerin başına yukarda belirtilen dört numaradan farklı bir numara konulacak, böylece standart çözücüler bu paketleri atlayarak görüntünün sadece 2-boyutlu kısmı ile ilgili yerlerini alabileceklerdir.

    Ses sinyalleri görüntüden daha önceliklidir. Çünkü görüntüdeki kısa süreksizlikler insanı fazla rahatsız etmez. Buna karılık sesteki en küçük kesilme veya bozulma çok rahatsız edici bir etki yapar.Bir transport paketi sedece bir cins (ses, görüntü veya data) bilgiyi taşır ve bunlar ard arda dizilerek Program Paket Dizisi elde edilir.

    Transport paketinin başlık kısmı açınımı şekil-2.5’de görülmektedir. 188 byte’lık her transport paketi 1-byte (8-bit)’lik bir eşzamanlama sinyali (47hex) ile başlar. 2. Byte dört kısma ayrılmıştır.Birinci kısımda hata kodlaması bilgisi, yük’ün kaçıncı bit’de başladığı ve paketin öncelik derecesi, ikinci kısımda ise paket tanıtma bilgisinin (PID) ilk kısmı bulunur. Paket tanıtma bilgisinin ikinci kısmı 3. byte’ dadır. 4. Byte şifreleme ile ilgili bilgileri, ayarlama bölgesinin uzunluğunu ve verilerin sürekliliğini kontrol etmek için gerekli olan bilgileri saklar.
    Ard arda gelen ses ve görüntü paketleri değişik programlara ait olabilirler. Hangi paketin hangi programa ait olduğunu belirtmek üzere ses ve görüntü paketlerine ek olarak dört değişik tablo iletilir. Program özel bilgileri (Program Specific Information, PSI) adı verilen bu tablolar program paketlerinin (PES) başında yer alır. Bu tablolar önemlerine göre her biri1024 byte’lık bir veya en çok 256 kısımdan meydana gelirler.Özel bölümlerde her kısımdaki byte sayısı 4096’ya kadar çıkabilir. Tabloların tekrarlanma hızı standartta belirtilmemekle beraber kanaldaki değişikliklerde çabuk adaptasyon için saniyede 10…50 defadan az olmamalıdır.

    MPEG-2 Tabloları Şunlardır:
    a) Program İlişki Tablosu (Program Association Table veya Program Allocation Table PAT) : PID=0 numaralı paket olarak gönderilmesi zorunlu olan bu paket arkadan gelen paketlerin hangi bilgiyi taşıdığı ve hangi numaralı paketin hangi programa ait olduğunu gösteren bilgileri taşır. Dizideki diğer bütün bilgiler şifrelenmiş olsa da program ilişki tablosu mutlaka açık yani şifresiz olarak gönderilmelidir.
    b) Program Eleme Tablosu (Program Map Table, PMT): Dizideki her program için bir tane PMT tablosu bulunur. Bir programı oluşturan ses ve görüntü paketlerinin hangi PID numaraları ile iletildiğini gösterir. Paket numaraları şifresiz olmalıdır. Buna karşılık bu pakette başka özel bilgiler de gönderilebilir ve bunlar şifrelenebilir. Bunlara örnek olarak kısıtlı kullanım şifresini çözmek için gerekli iki bilgiden biri olan Lisans Kontrol Bilgileri (Entitlement Control Messages: ECM) ve Lisans Denetim Bilgileri (Entitlement Management Messages: EMM) gösterilebilir.
    c) Kısıtlı Kullanım Tablosu (Conditional Access Table, CAT): Eer iletilen dizide bir tane bile şifreli veya kısıtlı kullanımlı program varsa bu tablo da gönderilmelidir. PID=1 numaralı paket olarak gönderilir ve kısıtlı kullanım sistemlerine ait Lisans Denetim Bilgileri (Entitlement Management Messages: EMM) bilgisini taşıyan paketlerin numaraları bu tabloda yer alır.
    d) Özel Tablolar: Bu tablolarda yayınlarla ilgili özel bilgiler ve bunların hangi numaralı paketlerde bulunduğu bilgileri yer alır. Uzunluğu 4096 byte kadar olabilir.

    Bu tablolara ek olarak DVB Servis Bilgileri (DVB Sevice Information, DVB-SI) tabloları da iletilebilir. Bu ek tablolar sayesinde hızlı bir şekilde kanal değiştirme ve yayınlarla ilgili bilgi alma imkanları elde edilir.Alıcı tarafta alınan çoğullanmış transport dizinin (Transport Stream) ayrıştırılması için ters işlemler yapılır. Yeni bir kanal seçilip eşzamanlama sağlandıktan sonra MPEG transport dizisi gelmeye başlar.

    Çoğullama çözme işlemi için şu işleri yapmak gerekir:
    1) İşleme başlamak için PID=0 numaralı paketin gelmesi beklenir. Bu paket geldiğinde çözümlenerek istenen programın Program Yerleşim Paketinin (PMT) PID numarası çıkartılır ve bu paketin gelmesi beklenir. Bu paket alındığında artık çözülecek paketler belli olmuştur.Seçenekler kullanıcıya sunulur.


    2) Kullanıcı hangi programı izleyeceğini belirleyince ilgili paketin PID numarası yardımı ile PMT tablosu elde edilir. PMT tablosunda Program Saat Referans (Program Clock Reference, PCR) bilgisinin bulunduğu paketin PID numarası bulunarak PCR çıkartılır ve sistem saati (STS) eşzamanlanır.
    3) Eğer birden fazla ses veya görüntü seçeneği varsa bu izleyiciye iletilir.
    4) İzleyici seçimini yaptıktan sonra ilgili paketlerin numaraları belirlenir ve paketler geldikçe ayıklanarak hafızaya atılır ve bunlar uygun biçimde sıralanarak görüntü, ses ve data ile ilgili bağımsız bit dizileri elde edilmiş olur. Bu diziler ilgili kod çözücü bloklara iletilir MPEG-2 kod çözülerek ses ve görüntü elde edilir. Kanal değiştiğinde dizilerin ayrılması ve kod çözme işlemi yaklaşık bir saniye kadar zaman alır.