digitalfjernsyn

De siste tiårene har vi sett en overgang fra analog til digital signalrepresentasjon for stadig flere systemer for lyd og bilder. Vinylplaten ble erstattet av CD, og den analoge mobiltelefonen NMT av GSM. Bilder fra digitalkameraet lagres i datamaskinen, hvor de også kan viderebehandles. Fordeler med digital teknikk er større fleksibilitet når det gjelder valg av kvalitet og flere metoder for overføring, behandling og lagring. Dessuten er digitalt utstyr blitt mer kompakt og koster mindre i masseproduksjon.

Systemer for overføring av lyd og bilde har inntil nylig vært dominert av analogteknikk. Én grunn til det er at overgang til digitalteknikk ville medføre at et enormt antall mottakere måtte skiftes ut, og at det i en overgangsfase ville være nødvendig med samtidig drift av analoge og digitale systemer. Dessuten har direkte kvantisering av høykvalitet-lyd og levende bilder gitt store datahastigheter. Musikk fra en CD er representert med en datastrøm på over 1 Mbit/s, som er betydelig mer enn hva en radiokanal kan håndtere.

Et digitalt fjernsynssignal uten kompresjon vil være på over 250 Mbit/s, som også er langt mer enn hva de tradisjonelle kringkastingsnettene kan håndtere. Derfor var overgang til digitalfjernsyn betinget av effektive kompresjonsmetoder som gjorde det mulig å overføre videosignaler ved vesentlig lavere datarater. Slike metoder er nå utviklet av den internasjonale standardiseringsinstitusjonen ISO, gjennom to arbeidsgrupper MPEG (Motion Pictures Expert Group) og JPEG (Joint Pictures Expert Group).

Funksjonene i tilknytning til fjernsynsstudio er vist på figuren. Billedsignalet fra kamera, som vil være en bitstrøm på over 250 Mbit/s, blir komprimert til en MPEG 2-bitstrøm med datahastighet i området 2–10 Mbit/s, avhengig av programtype og krav til billedkvalitet. En overføring av alpinsport krever høyere datahastighet enn et debattprogram i studio. Kompresjonsmetodene er under stadig utvikling, og nødvendig datahastighet for en gitt billedkvalitet synker med ca. 15 % hvert år.

Én eller flere lydkanaler komprimeres til hastigheter i området 64–192 kilobit per sekund for hver stereokanal. Også her kan det være aktuelt å differensiere mellom forskjellige programtyper, musikk, kommentarer.

Andre programkomponenter kan være tekst og data. Dessuten er det nødvendig å overføre tilleggsinformasjon som skal brukes til å styre mottakerne og til forskjellige funksjoner som aksesskontroll ved betalingsfjernsyn.

All informasjon, levende bilder, lyd, tekst eller data, plasseres i standard datapakker som hver er på 188 bytes, og programmultiplekseren leverer en MPEG 2-transportstrøm, SPTS (Single Program Transport Stream). Hver pakke er adressert. I tillegg vil datastrømmen inneholde informasjon som er nødvendig for at mottakerne kan gjenfinne de forskjellige signaldelene.

Alle datapakkene kodes først med en feilkorrigerende kode, Reed-Solomon-kode, som øker pakkestørrelsen til 204 bytes. Denne koden kan rette opp inntil 16 bitfeil ved overføringen. Pakkene sendes på dette formatet til dekoderen i mottakerne, uansett hvilken overføringsmetode og overføringsvei som benyttes.

Den totale datahastigheten for hvert TV-program vil være i området 2–10 megabit per sekund. Dette er mindre enn hva de viktigste overføringsmedia kan håndtere, og dermed kan flere TV-programmer kombineres til en felles datastrøm før signalene kringkastes. Dette skjer i en transportmultiplekser, hvor også informasjon om innholdet i den totale datastrømmen legges til som en slags innholdsfortegnelse. Denne betegnes elektronisk programguide, EPG (Electronic Program Guide).

Overføringsveiene for signalene til mottakerne er stort sett de samme som for de analoge fjernsynsprogrammene, men det er plass til flere programmer, og det er mulig å legge til nye tjenester. Ofte vil en satellittoverføring brukes for å distribuere programmene over et stort område. Satellittsendinger kan også mottas direkte ved hjelp av såkalte parabolmottakere, og fra 15. oktober 2002 ble alle TV-sendingene over Telenors TV-satellitt lagt om fra analogt til digitalt format. Dermed kunne hver transponder (satellittkanal), som kunne overføre ett TV-program på analog form, overføre en bitstrøm på cirka 40 megabit per sekund med plass til flere TV-programmer.

Signalet fra satellitter kan også mottas av kabelhoder og jordbundne sendere for videreformidling til seerne i egne systemer. I første omgang blir programmene videresendt på analog form slik at seerne kan bruke sine eksisterende analoge mottakere, men det er utarbeidet standarder for digital overføring både i kabel og for kringkasting fra jordbundne sendere. Slike systemer er under utbygging.

Satellittoverføringer er effektbegrenset. Det vil si at signal-støyforholdet i mottakeren er mer begrensende enn tilgang på frekvensbåndbredde. Derfor bruker man her en robust modulasjonsmetode med bare 2 bit per symbol, QPSK (Quaternary Phase Code Shift Keying). Dessuten benytter man ytterligere feilkorrigerende koding med relativt mange paritetsbit. Dermed spares effekt på bekostning av båndbreddeforbruk.

Ved kabeloverføring er støy ikke noen begrensende faktor, mens båndbredden er sterkt begrenset fordi man ønsker å benytte de samme kanalbreddene for datastrømmen med flere TV-kanaler som ble brukt for en enkel analog TV-kanal, typisk 8 megahertz. Da benytter man signaler med mange tilstander for hvert symbol, for eksempel 64, og hvert symbol kan dermed overføre 6 bit. Koden som ble innført for satellittoverføringen, sløyfes for å unngå unødvendig økning av kravet til båndbredde, mens Reed-Solomonkoden beholdes.

Ved jordbundet kringkasting er reflekser fra terrengformasjoner og bebyggelse et problem. Det kan man best motvirke ved å benytte symboler (signaler) av så lang varighet at de direkte og de reflekterte signalene som kommer til mottakeren, «tilhører» samme signaldel (symbol). Når forsinkelsen er en liten brøkdel av symbollengden, er det mulig å motvirke forstyrrelsene. En datastrøm på typisk 36 megabit per sekund, som inneholder flere TV-programmer, kan fordeles på et stort antall, 6000, bærebølger, og hver bærebølge kan ha 64 tilstander, som svarer til en overføring av 6 bit per symbol. Dermed vil symbolraten bli redusert med en faktor på 6000 x 6 = 36 000. Symbollengden blir da 1 millisekund, noe som tilsvarer en forsinkelse på 300 kilometer.

Utstyret hos seeren består av en mottaker og en dekoder, i første omgang levert som en såkalt Set Top Box, en enhet som kobles mellom antenne eller kabel og scartpluggen eller antenneinngangen på TV-apparatet. Senere vil disse funksjonene bli integrert i TV-apparatet.

Mottakeren hos seeren må være tilpasset overføringskanalen, satellitt, kabel eller eterkringkasting. Det vil derfor være forskjellige typer mottakere på markedet. Først må den demodulere det mottatte signalet og «lese» datastrømmen. Deretter må den benytte den feilkorrigerende koden for å rette overføringsfeil. Dette gir en strøm av standard MPEG datapakker. Adresseinformasjonen på hver pakke må leses og mottakeren må «trekke ut» de datapakkene som inngår i det TV-programmet som mottakeren er innstilt på.

Mens selve mottakeren er tilpasset overføringskanalen, er formatet for de overførte datapakkene fast. Dermed vil dekoderen, som gjør datapakker om til bilde, lyd og data, være den samme for alle typer mottakere. Dette reduserer kostnadene for utstyret.

Det digitale kringkastingssystemet kan også kombineres med returkanaler, og det er utviklet standarder for slike kanaler via forskjellige systemer som ISDN, GSM og satellitt. Siden hver utsendt pakke er individuelt adressert og kan være kryptert, blir det på denne måten mulig å bruke kringkastingssystemet med returkanal for eksempel til toveis kommunikasjon eller til Internett-aksess.

I et digitalt TV-system blir bildet delt opp i individuelle elementer, piksler. Luminans, fargetone og metning i hvert element blir kodet i digital form og overføres sammen med informasjon om posisjonen til billedelementet. Dersom de digitale symbolene tolkes feilfritt i mottakeren, kan det utsendte bildet gjenskapes uten noen degradering.

Overføring av et slikt signal ville kreve fire ganger båndbredden til de analoge systemene. Dette er ikke mulig for kringkasting i eteren, men problemet overvinnes ved å benytte signalkompresjon eller kildekoding. Med overføring av 50 bilder per sekund er forandringen fra bilde til bilde vanligvis svært liten, og i de analoge systemene, som er uten hukommelse, overføres derfor mye overflødig informasjon. I et digitalt system blir i hovedsak bare forandringen fra bilde til bilde overført. Med avanserte kodingsmetoder og digital teknikk har det lyktes å redusere bitraten med en faktor på 50 med bibehold av dagens billedkvalitet, og kompresjonsgraden for akseptabel billedkvalitet økes stadig. Billedkodingen kombinert med effektive digitale modulasjonsmetoder medfører at nødvendig båndbredde i overføringskanalen er redusert til 10–20 prosent av hva som kreves for de analoge systemene.

DVB-organisasjonen har utviklet et system for digital TV-kringkasting med tekniske løsninger for de tre hoveddistribusjonssystemene, satellitt, jordbundet kringkasting og kabel.

For satellitt ble det i 1995 standardisert et system for overføring via satellitt, DVB-S. Dette baserte seg på bruk av firfaseskiftnøkling, QPSK, og koding med RS-kode fulgt av foldingskode. Dette gjorde det mulig med kvasi-feilfri overføring med datahastigheter på 30 til 40 megabit per sekund per transponder. En transponder er en kanal i satellitten som er beregnet på overføring av ett analogt TV-program, og en kringkastingssatellitt kan ha over 30 transpondere. Datarate per TV-kanal reduseres stadig som en følge av fremskritt for kompresjonsteknologien, og i 2004 lå den typiske verdien for datarate per TV-program i området 2–5 megabit per sekund. Dette viser at digital overføring muliggjør en betydelig reduksjon av overføringskostnadene per TV-program.

I 2004 ble 2. generasjons overføringssystem, DVB-S2 utviklet. Det kan benytte forskjellige modulasjonsmetoder, både faseskiftnøkling og APSK, hvor både amplitude og fase varieres. Modulasjonsmetode og koderaten kan tilpasse overføringshastigheten til forholdene i det aktuelle systemet, og dette øker overføringshastigheten med typisk 30 prosent.

Et digitalt system ble også utviklet for kabeldistribusjon, DVB-C. Modulasjonsmetoden som benyttes, er Quadrature Amplitude Modulation (QAM), hvor både amplitude- og fasetilstanden kan skiftes. Opp til 256 QAM kan benyttes, det betyr at hvert symbol kan overføre opp til 8 bit, da 2⁸ = 258. Datahastigheten i et 8 MHz frekvensluke i en kabel kan typisk være 30 megabit per sekund.

For jordbunden distribusjon av digitale fjernsynssignaler er det utviklet et system, DVB-T. Den 26. februar 2004 vedtok Stortinget å gå over til et slikt system for jordbundet kringkasting. Ved DVB-T fordeles informasjonen som skal overføres på et stort antall tettliggende bærebølger. For hver bærebølge nyttes QAM modulasjon. Det aktuelle systemet for Norge er basert på det såkalte 8k-systemet med 6817 bærebølger som hver kan moduleres med opp til 64 QAM. Det gir en overføringshastighet på 25 til 30 megabit per sekund og et tilsvarende antall TV-program per sender.

Et slikt signal er robust når det gjelder forstyrrelse på grunn av tilfeldige refleksjoner fra bygninger og fjellsider. De forskjellige signalene kan kombineres konstruktivt slik at de bidrar til å forbedre den totale signalkvaliteten i stedet for å forstyrre. Dermed kan også flere sendere operere på samme frekvens. Signalene fra andre senderne, som er forsinket i forhold til hovedsignalet, kan oppfattes som en reflekser. For å sikre signalkvaliteten nyttes også feilkorrigerende koding, RS-koding og foldingskoding som for satellitt. Modulasjonsmetoden betegnes Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM). Systemet gir en effektiv utnyttelse av det tilgjengelige frekvensspektrum. De samme prinsipper nyttes ved digital lydkringkasting.

• TV