Makaleler / Elektronik / İletişim Teknolojisi / Dijital Televizyon Yayınlari


Yazar: Prof. Dr. Avni Morgül
Gönderen: Elektro   Tarih: 22-06-2003 17:33
Yorumlar: (1)   Oylar:

DIJITAL TELEVIZYON YAYINLARININ (DVB) BUGÜNKÜ DURUMU

Özet

Dijital sistemlerin çok hizli bir sekilde gelismesi ister istemez televizyon sisitemlerini de etkilemis ve dijital televizyona dogru hizli bir geçis baslamistir. Dijital televizyon sistemlerinin çalisma prensiplerini anlatmadan önce dijital sistemlere kisa bir giris yaparak, bu teknolojinin sagladigi yeni imkanlardan bahsedilecek ve sistemin bugünkü ve yakin gelecekteki durumu incelenecektir.

Giris

“Dijital” terimi Avrupa dillerindeki “digital” teriminin okunusu olup Türkçe karsiligi “Sayisal”dir. Elektronik sistemler “analog” ve “sayisal” olmak üzere ikiye ayrilir. Analog sistemlerde elektrik sinyalleri sürekli olarak degisir ve belli sinirlar içinde her degeri alabilirler. Sayisal sistemlerde ise elektriksel sinyaller oldugu gibi iletilmez. Bu sinyellerin yerine bunlara karsi düsen rakamlar iletilir. Elektronik sistemlerde genel olarak giris ve çikis sinyalleri “analog” yapidadir. Bunlarin sayisal olarak islenebilmesi ve iletilebilmesi için “Analog/Sayisal Dönüstürücü” (Analog-to-Digital Converter, ADC) ve “Sayisal/Analog Dönüstürücü” (Digital-to-Analog Converter, DAC) kullanilir. Baslangiçta elektronik devrelerin hemen hemen tamami “analog” olarak gerçeklestiriliyordu. Fakat zaman içinde “sayisal” devreler çogalmaya ve analog devrelerin yerini almaya basladi. Bu gün bütün elektronik sistemler sayisallasmaya baslamistir. Çünkü sayisal elektronik devreler:

a. Daha güvenilirdir.

b. Devreler ve sistemler aynen tekrarlanabilir (Her benzer sistem tipatip aynen çalisir).

c. Sinyal kalitesi degismez. Bu kalite istenildigi kadar iyi yapilabilir.

d. Çok genis çapta tümlestirilebilir.

e. Gürültü ve dis etkilerden çok az etkilenir.

f. Daha ucuzdur (Pek çok uygulamada).

g. Kopyalama ve iletim sirasinda bozulmaz. (Ilk kopya ile yüzüncü kopyanin kalitesi aynidir)

h. TV ve bilgisayar sistemleri “Multimedia” adi altinde birleserek tek bir sisteme dönüsmektedir.

i. Dijital sinyal isleme teknikleri hizla gelismektedir.

j. Genis çapli tümlesik devreler (VLSI:Very Large Scale Integrated Circuits) halinde bütün sistemin tek bir kirmik (chip) olark imalata uyundur.

Sayisal elektronik sistemler 1950 yillarinda ilk tüplü bilgisayarin icadi ile uygulanmaya basladi. Bune karsilik ilk elektronik kol saatleri ve küçük, ucuz hesap makinelerinin piyasaya çikmasi ancak 1970’li yillarda mümkün oldu. Bu tarihten sonra sayisal elektronik devreler ve sistemler yavas yavas bütün alanlarda analog devrelerin yerini almaya basladi. Artik sayisal devrelerin kullanilmadigi elektronik sistem yok denilecek kadar azalmistir.

Bugün herkesin kullandigi dijital ses-görüntü sistemleri içinde CD(Compact Disc), DAT(Digital Audio Tape), VCD(Video CD), DVD(Digital Video Disc) sayilabilir. Dijital TV kameralari, Fotograf makinalari, Digital radyo ve televizyon yayinlari ise çok yakinda tamamen dijital hale dönüsecek gibi görünmektedir.

Dijital Radyo ve Tv Yayinlarinin Bu Günkü Durumu

Radyo ve TV yayinlari “karasal”, “uydu” ve “kablo” olmak üzere üç kanaldan yapilmaktadir. Dijital yayinlar da ayni ortamlari kullanmakla birlikte bunlara ek olarak “internet” kanali ile de yayinlanabilmektedir.

Dijital yayinlar ilk olarak 1994 yilinda uydu yayini olarak basladi. Bugün uydu yayinlarinin büyük çogunlugu dijital olarak yapilmaktadir. Analog uydu yayinlari halen devam etmekle beraber bir-iki yil içinde tamamen dijital yayina dönüsecektir.

Kablo yayinlari da halen hem analog hem de dijital olarak yapilmaktadir.

Karasal yayinlarda analaog yayinlar devam etmakle beraber çesitli ülkelerde analog yayinla birlikte dijital yayinlar da baslamis bulunmaktadir. Ingiltere, Finlandiya, , Isveç, Ispanya, A.B.D. 2000 yilinda dijital yayinlara baslamis olan ülkelerdendir. Belçika, Danimarka, Almanya, Irlanda, Norveç, Avustralya, Rusya 2001 yili içinde, Hirvatistan, Çek Cumhuriyeti, Fransa, Yunanistan, Macaristan, Litvanya, Ukrayna, Kanada gelecek yil yayinlara baslayacaktir. Diger ülkeler de bir-iki yil içinde dijital yayinlara baslayacaktir. Analog yayinlar zaman içinda azaltilarak en geç 2010 yilinda tamamen kaldirilacaktir.

Analog Sinyallerin Sayisallastirilmasi

Analog isaretlerin Sayisal’a dönüstürülmesi, örnekleme, basamaklama ve kodlama olmak üzere üç asamada yapilir.

Analog sinyaller zaman ve genlik olarak sürekli sinyallerdir. Bunlari sayisallastirabilmek için önce belli araliklarda örnekler alinmasi gerekir. Örnekleme sikligi sayisallastirilmak istenen sinyalde bulunan en yüksek frekans bileseninin en az iki kati olmalidir. Aksi halde spektrum örtüsmesi (aliasing) yüzünden bozulmalar meydana gelir ve orijinal sinyal tekrar elde edilemez.

Alinan örneklerin genlikleri herhangi bir degerde olabilir. Buna karsilik isaretin sayisala çevrilebilmesi için kullanilacak seviye sayisinin sinirli olmasi gerekir. Bu sayi, her bir örnek için kullanilacak kod uzunlugu ya da bit sayisi tarafindan belirlenir. Örnek olarak 8-bit’lik bir kodlama yapilacaksa 256 seviye, 3-bit’lik bir kodlama yapilacaksa sadece 8 seviye kullanilabilir. Seviye veya basamak sayisinin artmasi alici tarafta sayisal/analog dönüstürücü çikisinda elde edilecek sinyalin kalitesini belirler. Daha iyi kalite için daha çok bit ve daha çok basamak kullanmak gerekir. Örnek olarak 0-1V arasi degisen bir sinyali 3-bitlik bir kodlama ile sayisallastirmak istiyorsak basamak sayisi 8, aralik sayisi ise 8 -1=7 dir. 1 volt 7 araliga bölünürse iki basamak arasi 0,143V olur. Basamak sayisi belli olduktan sonra her basamaga karsi düsen bir kod olusturulur. Bu, genelde, basamak numarasinin ikili sayi sistemindeki karsiligidir.

Kodlama islemini gerçeklestirmek için alinan örnegin genligine bakilir. Bu genlige en yakin basamak hangisi ise o basamagin kodu gönderilir. 3. örnekteki sinyal genligi 0.82 volt olsun. Bu degere en yakin basamak 0,857V seviyesine karsi düsen 6. basamak oldugundan onun kodu olan 110 kodu çikisa iletilir. Alicida ters islem yapilir. Önce, seri olarak gelen bit dizileri ikili sayiya dönüstürülür. Bu sayi bir sayisal/analog dönüstürücü yardimi ile gerilime çevrilir. Elde edilen basamakli gerilim süzülerek analog isaret tekrar elde edilir. Video isaretinin sayisal olarak islenmesi için önce resim çerçevesi herbiri 16x16 benek (piksel) büyüklügünde olan ve “Makroblok” adi verilen parçalara bölünür. Her makroblok önce kendi içinde kodlanir. Bu kodlama islemine her noktanin aydinlik ve renk bilgileri sayisallastirilarak baslanir. Standart televizyon görüntülerinin sayisallastirilmasinda 13.5 MHz örnekleme hizi ve örnek basina 8 bit (256 gri seviyesi) kullanilir. Bir satirda 720 örnek alinir. Degisik standartlarda degisik örnekleme biçimleri kullanilmaktadir.

Bunlar

1. 4:4:4 (4 Y, 4Cr , 4Cb; renk ve aydinlik ayni sekilde örneklenir)

2. 4:2:2 (4 Y, 2Cr , 2Cb; sadece yatay dogrultuda seyrekleme yapilir)

3. 4:2:0 (4 Y, 1Cr , 1Cb; her iki dogrultuda seyrekleme yapilir)

burada

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B aydinlik isareti

Cb = 0,564 (B-Y) mavi renk fark isareti

Cr = 0,713 (R-Y) kirmizi renk fark isareti

Standart PAL kalitesinde bir görüntü için 13MHz civarinda örnekleme hizlari ve renkli resim için örnek basina 24 bit’lik kodlama gerekir. Bu durumda PCM olarak kodlanan bir görüntünün iletilmesi için gerekli veri hizi 13x24=312Mb/s olacaktir. Görüldügü gibi standart bir resim için bile veri hizi saniyede 300MB (300 milyon bit) ‘in üzerine çikmaktadir. Yüksek Ayiricili Televizyon sistemlerinde (HDTV) ise veri hizi 1GB/s’den fazla olacaktir. Bu kadar yüksek bir veri hizinda TV isaretlerinin iletilmesi ve saklanmasi pratik olarak uygulanabilir degildir. Bu durumda yapilacak tek is sayisallastirilmis isaretin özel tekniklerle sikistirilarak veri hizinin makul seviyelere çekilmesidir. Standart TV için 3-8MB/s , HDTV için 18- 20MB/s gibi makul hizlara inebilmek için 100:1, 50:1 gibi oranlarda bir sikistirmaya gerek vardir.

Görüntü sikistirma yöntemleri üç ana esasa dayanir:

1. Görüntüdeki uzaysal iliskilerden yararlanilarak gereksiz bilgilerin atilmasi,

2. Görüntüdeki zamansal iliskilerden yararlanilarak gereksiz tekrarlarin atilmasi,

3. Insan gözünün ayird edemeyecegi detaylarin atilmasi.

Sabit resimlerde uzaysal benzerlikler, hareketli resimlerde ise hem uzaysal (Resim içi) hemde zaman içindeki (Resimler arasi) benzerlikler kullanilarak büyük sikistirmalar yapilabilir. Sabit resimlerde 10:1 ile 50:1, hareketli görüntülerde ise 50:1 ila 200:1 oranlarinda bir sikistirma yapilabilmektedir. Ancak, bu kadar yüksek sikistirmalar için görüntü kalitesinde az da olsa bir kayip sözkonusudur.

Sikistirmada insan gözünün fizyolojik özellikleri de kullanilir. Gözün renk isareti için ayiriciligi aydinlik isaretine oranla daha azdir. Yani net siyah/beyaz bir görüntünün üzerine bulanaik bir renk konulursa toplam resim renkli ve net olarak görünür. Buna dayanarak aydinlik isareti (luminance) 720×480 benek (piksel) renk isareti ise sadece 360×240 benek olarak taranir. Ayrica renk bilgisi daha az bit sayisi ile tanimlanabilir. Sonuç olarak renk için gerekli toplam bit sayisi aydinlik isareti için gerekli olandan çok daha az yapilabilir. Insan gözü görüntüdeki ince detaylara veya yüksek uzamsal frekansli enerjilerdeki seviye degisikliklerine daha az duyarlidir. Buna bagli olarak resimdeki ince ayrintilar daha az sayida bitle kodlanabilir.

Bütün bu özellikler kullanilarak yapilan kodlamalarla 100:1 gibi çok yüksek sikistirma oranlarinda bile orijinal görüntüye çok yakin görüntüler elde edilebilmektedir. Sayisal görüntü sikistirmada kullanilan degisik standardlar kullanilmaktadir.

Bunlar:

a. JPEG: Hareketsiz resimleri sikistirmak için kullanilir.

b. CCIR-601 FORMATI ( D1 FORMATI ) 1982’de kabul edilen ilk standarttir. Sadece çok düsük ayiriciligingerektigi videofon, telekonferans, izleme sistemleri gibi yerlerde kullanilir.

c. MPEG1: Düsük ayiriciligi olan uygulamalarda (VCD, multimedia gibi) kullanilmaktadir. Enyüksek veri hizi 1.8 MB/s ile sinirlidir.

d. MPEG-2: Yüksek kaliteli görüntü verebilen bir standarttir. Veri hizi 2-20MB/s arasi degisebilir. TV yayinlarinda bu sikistirma standardi kullanilmaktadir.

MPEG-2 standardinin 5 degisik profili ve her profilin ana (main level) ve düsük (low level) olmak üzere iki seviyesi bulunmaktadir. Normal Tv yayinlarinda “Ana Profil/Ana Seviye”, HDTV yayinlarinda ise “Yüksek Profil/Ana Seviye” kullanilir. Elde edilen kodlanmis sayisal isaretin kablo veya uzaydan iletilmesi için bir sayisal kipleme (modülasyon) islemine tabi tutulmasi gerekir. Bu is için her tür sayisal kipleme kullanilabilirse de sayisal TV yayini için asagidaki kiplemeler standart olarak kabul edilmistir.

DVB-T: Karasal yayinlar için COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex: Kodlu Dikgen Frekans Bölümlemeli Çogullama)

DVB-S: Uydu yayinlari için QPSK (Quadrature Phase Shift Keying: Dikgen Faz Ötelemeli Anahtarlama)

DVB-C: Kablo yayinlari için QAM (Quadrature Amplitude Modulation: Dikgen Genlik Kiplemesi)

A.B.D.de yerel yayinlar için COFDM yerine Tek yan bandi kismen bastirilmis bir genlik kiplemesinin (Bugün analog yayinlar için kullanilan kipleme) sayisala uyarlanmis sekli olan 8- seviyeli VSB (Vestigial Side Band: Kuyruklu Yan Band) kiplemesi tercih edilmistir. Amerikan standardinda VSB kiplemesi trellis kodlamasi ve Reed-Solomon titpi hata kodlamasi ile birlikte kullanilmaktadir.

Bütün standardlarda görüntü sikistirma yöntemi olarak MPEG-2 kullanilmaktadir. Avrupadaki sayisal TV yayinlarinda DVB standardinin (ISO/IEC 1318, ITU-R601) üç degisik kipleme biçimi kullanilmaktadir. Böylece dünyada tek bir TV yayin standardina geçmek için ele geçen altin bir firsat daha heba edilmistir.

Sayisal TV isaretlerinin yayinlanmasi için sayisal ses ve görüntüye ait verilerin önce paketler haline getirilmesi, sonra bu paketlerin harmanlanarak birlestirilmesi (zaman çogullamasi) ve tek bir bit-dizisi haline getirilmesi gerekir. Bu dizi kullanilacak yayin standardina uygun bir sekilde kiplenerek yayina verilir. MPEG görüntü ve ses kodlayicisindan ayri ayri gelen paketler ardarda eklenerek transport katmani olusturulur. Ses ve görüntü paketlerinin sayilari ve uzunluklari esit degildir. Hangi paketin hangi bilgiyi tasidigi basindaki “Paket Basligi” kismina bakilarak anlasilir. Transport dizisi Çogu zaman sayisal TV yayin sirketleri birden fazla TV yayinini ayni “yayin paketi” içinde gönderirler. Bu durumda sadece bir takim ses ve görüntü isaretleri degil, birden fazla stüdyodan gelen isaretlerin birlestirilmesi gerekir. Transport paketlerinde ses ve görüntü bilgileri disinda diger yardimci bigileri (Program bilgileri, alt yazilar v.s.) de iletmek gerekir. Ayrica bu sayisal bilgileri iletim sirasinda meydana gelebilecek bozulmalardan korumak için “Hata Bulma va Düzeltme Kodlamasi” gerekir. Hata düzeltmesi, her paket için belli sayida bit eklenerek saglanir. Eklenen bit sayisi ne kadar çok olursa o orandaki bozulmus veri bitleri düzeltilebilir.

Dijital TV Alicilari

Dünyada kullanilmakta olan milyonlarca TV alicisini kisa bir süre içinde degisrtirmek mümkün olmadigindan ilk asamada bu cihazlari degistirmek yerine mevcut analog alicilarla dijital yayinlari almak için “Set Üstü Cihaz (Set-Top-Box)” adi verilen üniteler gelistirilmistir. Bu üniteler dijital yayin isaretlerini alarak analog hale getirir ve normal TV alicisina verir. Set Üstü Cihazda antenden gelen kiplenmis isaret önce “Tuner/Kipçözücü” blokundan geçirilerek MPEG-2 veri dizisi elde edilir. Istenirse bu noktada sifre çözme devresi kullanilarak sifreli yayinlarin izlenmesi saglanir. Elde edilen dizi MPEG kodçözücüye uygulanarak sayisal ses ve görüntü isareti elde edilir. Elde edilen sayisal ses bir sayisal-analog önüstürücü (Audio DAC) yardimi ile analog iki veya bes kanalli sese dönüstürülür.

Sayisal görüntü isaretinin üzerine menü yazilari (OSD) ve diger istenen ek görüntüler eklenerek istenirse bir video kodlayicidan geçirilir ve PAL veya NTSC standardinda bilesik video isareti elde edilir. Çikan isaret sayisal-analog dönüstürücüden (Video DAC) geçirilerek analog görüntü isareti elde edilir. Istenirse analog ses ve görüntü isaretleri yeniden kiplenerek VHF veya UHF bandinda standart TV sinyali haline getirilerek TV alicisinin anten girisine uygulanabilir. Ama daha kaliteli bir görüntü elde etmek için anten girisi yerine varsa televizyonun A/V veya SCART girisini kullanmak gerekir.

Set-üstü-cihazin içinde bu fonksiyonlari kontrol eden, sinyalleri birbirinden ayiran ve MPEG kodçözme islemini kontrol altinda tutan çok güçlü bir mikroislemciye gerek vardir. Bu islemci ayni zamanda cihazin dis dünya ile olan iletisimini saglar.

“Tuner” yüksek frekansli isaretleri süzer ve frekansini düsürür. Bu devrenin çikisinda alçak frekansli kiplenmis sayisal isaretler vardir. Genelde dikgen (Quadrature) kipleme kullanildigi için I ve Q olmak üzere iki çikisi vardir. Bu iki çikis daha sonra gelen Kipçözücü (Demodulator) devresine verilir. Bu blokun tamami “Digital Tuner” adi altinda tek bir kutu olarak satilmaktadir.

Set-Üstü-Cihazin en önemli kismi ayirici ve MPEG kodçözücü kismidir. Kipçözücüden gelen çogullanmis paketlerin ayiklanarak her paketin hangi programa ve programin hangi kismina (ses veya görüntü) ait oldugu tesbit edilerek ayiklanmasi gerekir. Bu ayiklama isi sinyal gelir gelmez aninda yapilmalidir. Bunun için çok hizli ve güçlü bir mikroislemci ve bir tampon bellek DRAM (Dynamic Random Access Memory) veya SDRAM (Synchronous DRAM) gereklidir. Gerçek zamanli bir isletim sistemi altinda çalisan en az 32-bit’lik mikroislemcinin en önemli isi bu paketleri taniyip ayiklamaktir.

Belli bir programa ait görüntü ve ses paketleri ayiklanarak görüntü paketleri Video Kodçözücüsüne (Video Decoder), ses paketleri ise Ses Kodçözücüsüne (Audio Decoder) iletilir. MPEG-2 (veya ses için AC-3) çözücü devresi gelen MPEG bitlerini kullanark sayisal görüntü isaretini ve sayisal ses isaretini olusturur. Bu isaretler bir sayisal/analog dönüstürücü (DAC) ile analog isaretlere dönüstürülür.

Sonraki çözümlerde ayirici, sifre çözücü ve 32-bit mikroislemci tümlestirilerek tek bir tümdevre halinde imal edilmeye baslanmistir. Ayni anda MPEG-2 resim ve ses çözücü, OSD, Grafik , PAL/NTSC Kodlayici ve Video DAC devresi tümlestirilerek tektas tümdevre haline getirilmistir. Son olarak her iki tümdevre birlestirilerek bütün devre tek bir tümdevreye indirgenmistir. Böylece DRAM bellek devreleri disindaki bütün devreler tümlestirilmistir. Resim içinde resim gösterme (PIP), 2 ve 3 boyutlu canlandirma ve benzer multimedya fonsiyonlarinin tümlestirilmesi için mikroislemcinin de güçlendirilmesi ve 64-bit’lik islemcilere geçilmesi gerekmistir.

Sayisal/Analog çeviricilerin çikislari kuvvetlendirilerek resim tübüne (veya baska tip bir gösterme elemanina), ses çikisi da hoparlöre verilir.

Yazilim

Dijital alicilarin en zor kismi yazilim kismidir. Istasyon bulma, kanal programlama, ses ve görüntü bilesenlerinin taninarak ayiklanmasi ve buna benzer daha pek çok islem yazilim tarafindan gerçeklestirilmektedir. Yazilim üç kisimdan olusmaktadir:

1. Alici imalatçisi tarafindan yazilmasi gereken “Uygulama Yazilimi”.

2. Kisman alici imalatçisi kismen de Tümdevre imalatçisi tarafindan yazilan “Uygulama Yazilim Arayüzü”.

3. Tümdevre imalatçisi tarafindan verilen veya yazilim evlerinden satin alinan “Gerçek Zamanli Isletim Sistemi”

4. Tümdevre imalatçisi tarafindan yazilan “Sürücü” yazilimlari.

Sonuç

Bugün dijital televizyon yayin sistemleri ve dijital televizyon alicilari (Set Üstü Cihazi halinde) artik olgunluk çagina ulasmistir. Bu is için gerekli tümdevreler, tüner devreleri ve diger elemanlar çesitli firmalar tarafindan üretilmekte ve kolayca bulunabilmektedir. Tüner + Tek tümdevre + hafiza ve birkaç yardimci devre ile bir alici yapilabilmektedir Gerekli yazilimlar imalatçi sirketler tarafindan yazilabilecegi gibi hazir olarak da satin alinabilmaktadir. Devrelerin kalitesini ve islevlerini arttirmak ve maliyati düsürmek için hala yapilabilecek pek çok iyilestirmeler vardir. Nitekim dijital alici fiyatlari hizla düsmektedir. Iki yil önce 500 A.B.D. Dolari civarinda olan uydu alicilari bugün 100 A.B.D. Dolari’nin altina düsmüstür. “Daha ucuz ve daha iyi”yi yapma çabalari devam etmektedir. Uydu yayinlarinda dijital yayin sayisi analog yayinlarin çok üstüne çikmistir. Bir-iki yil içinde analog uydu yayinlari tamamen sona erecek gibi görünmektedir. Pek çok ülkede karasal yayinlar baslamistir geri kalanlarda da bir-iki yil içinde baslayacaktir. En geç 2010 yilina kadar analog yayinlarin tamamen sona ermesi planlanmaktadir.

Prof. Dr. Avni Morgül

Bogaziçi Üniversitesi Elektrik/Elektronik Mühendisligi Bölümü Ögretim Üyesi