Co je a proč existuje DVB-H ?

V současné době je pojem digitální terestriální vysílání, neboli pozemní digitální vysílání, skloňováno snad ve všech médií, ať audiovizuálních nebo tištěných. Totální přechod na něj klepe na dveře.

Klasické digitální vysílání pro běžné televize, které dekódují set-top boxy je označováno jako DVB-T (Digital Video Broadcating - Terrestrial). Mimo to však existuje další, dost podobný standard DVB-H (Digital Video Broadcasting for Handhelds), který je určen pro příjem digitálního vysílání z pozemních vysílačů na kapesních přístrojích, jako jsou například mobilní telefony, kapesní počítače a multimediální přehrávače, které se často pohybují. I když základní princip přenosu komprimovaného digitalizovaného obrazu a vícekanálového zvuku na frekvencích v pásmu UHF je u DVB-T i DVB-H podobný, "velká" přenosová rychlost 3 - 6 Mbit/s potřebná pro přenos obrazu ve velkém rozlišení, není u malých displejů potřeba. Pro rozlišení 352 × 288 bodů například dostačuje rychlost menší než 400 kb/s, co právě umožňuje standard DVB-H. Další rozdíl je v odlišném příjmu signálu, kde klasický příjem DVB-T se vyznačuje dost velkou spotřebou el. energie, kterou nelze akceptovat u bateriově napájených přístrojů. Proto příjem u DVB-H probíhá trošku odlišným způsobem.

Co se týče vysílacích frekvencí jsou pro DVB-H v evropských zemích určena pásma 470?890 MHz a 1 452?1 477 MHz. Pro případ testování však v několika oblastech bylo vyčleněno i pásmo mezi 1 670 MHz a 1 675 MHz. Pro komprimaci videa se využívá kodek MPEG-4 (H.264/AVC), což je mimochodem kodek používaný pro kódování HDTV v multiplexu klasické digitální televize (DVB-T). Obraz je vysílán v rozlišení 352 x 288 bodů, přičemž je dost kontrastní pro bezproblémové čtení všech titulků, včetně rolovací zpravodajské lišty na zpravodajských kanálech. Zvuk je vysílán ve stereu a využívá kódování AAC. Technologie kromě obyčejného vysílání podporuje také vysílání spousty nejrůznějších dodatečných zpráv a interaktivních služeb, které si pak na mobilu bude možné současně s programem nechat zobrazit či přehrát. Součástí DVB-H služeb je například elektronický programový průvodce označovaný jako ESG/EPG obsahující informace o vysílaných programech. Velmi zajímavou funkcí je i možnost nechat si zaslat v rozmezí jedné až patnácti minut před startem programu SMS s upozorněním. Podobnou SMS lze rozeslat i například známým.

Princip přenosu a příjmu DVB-H

Princip přenosu DVB-H, ať již jako součást multiplexu DVB-T nebo samostatně, je ve vysílání zapouzdřených IP paketů generovaných enkodérem H.264 v úplně novém MPEG-2 transportního toku, případně jejich vkládání do již existujícího MPEG-2 transportního toku. Samotné vložení IP paketu do MPEG-2 transportního toku zajišťuje MPE (MultiProtocol Encapsulation). Aby se zaručil spolehlivý přenos v mobilním prostředí, jsou IP data chráněna pomocí Reed-Solomonova kódu. Zabezpečení MPE FEC (MPE Forward Error Correction) spočívá v ukládání dávek dat po bytech do matice, jejíž velikost je variabilní. Maximální velikost jedné dávky je 191 kB.

Až 80% úspora energie, důležitá pro kapesní přijímače, je zajištěna pomocí tzv. Time Slicingu (TS). Princip je založen na přijímání dat velkou rychlostí v krátkých časových úsecích po tzv. dávkách (burstech), které trvají desítky milisekund a "mrtvého času mezi nimi" se využívá pro sleep mód přijímače a tím úsporu energie baterie. Délka intervalu mezi dávkami závisí na obsahu vysílaných služeb, někdy klidně může být i několik sekund.

Modulace vysílaného signálu v případě DVB-H musí být přizpůsobena možnosti přijímat kvalitně signál i za pohybu. Využívá se modulace COFDM. Její princip spočívá v rozdělení vstupního datového toku na dílčí paralelní toky, které se přenášejí každý na vlastní nosné frekvenci. Dílčí nosné se pak modulují pomocí 64-QAM. U DVB-T v pásmu šířky 8 MHz je počet těchto nosných 1705 (2k mód) nebo 6817 (8k mód). Jednotlivé módy mají svá pro a proti. Menší počet nosných znamená rychlejší tok a kratší ochranný interval. Z toho vyplývá větší náchylnost na zpoždění v důsledku odrazu nebo příjmu signálu ze vzdálenějších vysílačů. Zároveň však u módu 2k existuje vyšší odolnost vůči důsledkům Dopplerova jevu díky většímu odstupu jednotlivých nosných. To zaručuje lepší vlastnosti při sledování televize ve velmi rychle jedoucích dopravních prostředcích. V systému DVB-H lze nově využít též módu 4k, který je kompromisem obou výše popsaných módů.

Takto vysílaný DVB-H televizní signál je již pak přijímán DVB-H přijímačem, který ho zpětně demoduluje např. UHF pásma do základního, odpouzdří, oddekóduje, oddělí obraz a zvuk a upraví na signál vhodný pro zobrazení obrazu na displeji a reprodukci stereofonního zvuku reproduktorech.

Vlastnosti DVB-H

• Přenos: COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
• Šířka pásma: 5, 6, 7, 8 MHz
• Velikost FFT: 8k, 4k, 2k
• Modulace: QPSK, 16QAM, 64QAM
• Ochrana chyb: konvoluční kódování + RS FEC + MPE-FEC
• Časové prokládání: až 1000 ms v závislosti MPE-FEC, typ. 200 až 500 ms
• Time slicing (Dávkování času)
• Prakticky dosažitelný datový tok: 3.32 až 13.8 Mbit/s při 8 MHz kanále a QPSK modulaci

Řešení přijímače DVB-H

Typický přijímač se skládá z násladujících částí:

• vstupní filtr (SAW)
• přizpůsobovací články (Matching Network)
• analogový demodulátor / tuner (RFIC)
• DVB procesor, multimediální aplikační procesor nebo mobilní procesor

Za vstupem pro anténu se velmi blízko nachází SAW filtr, který převádí jednovodičový vstup na diferenční dvouvodičový výstup. Za ním následuje soustava LC členů pro přizpůsobení výstupu SAW filtru a vstupu radiofrekvenčního RF bloku - tuneru. Ten je již dnes kompletně realizován jako integrovaný obvod a provádí kvadraturní demodulaci vysílaného analogového signálu například v UHF pásmu do základního frekvenčního pásma. Vzniklé kvadraturní složky I a Q jsou již digitalizovány a zpracovány DVB Baseband procesorem. Ten provádí složení a rozbalení IP paketu a jeho dekódování. Aplikační procesor pak provádí dekódování videa MPEG-4 (H.264/AVC) a zvukové složky (AAC) vysílaných televizních kanálů a převádí je na signály vhodné pro zobrazení na displeji nebo vyřízení reproduktory.

Integrované obvody Freescale vhodné pro DVB-H

Pro co největší zjednodušení implementace příjmu televizního vysílání DVB-H do zařízení, nabízí Freescale několik integrovaných obvodů, realizující celé bloky dle výše uvedeného blokového schéma na obrázku 5. Jde o:

• MC44CD02, MC44CD03 - analogové obvody realizující vstupní přijímací, demodulační a zesilovací část
• i.MX31, i.MX27 - digitální procesory pro audiovizuální zpracování - multimediální procesory pro dekódování a zpracování videa, obrazu, zvuku
• MXC300-30 - jednojádrová platforma pro realizaci multimediálních mobilních telefonů 3. generace 3G

Integrované RF tunery MC44CD02 a MC44CD03

RF tunery pro DVB-H jsou již dnes kompletně realizovány jako integrovaný obvod a skládají se z:

• nízkošumového zesilovače (LNA) s automatickým řízením zisku (AGC)
• soustavou kvadraturních směšovačů
• zesilovače PMA (Post Mixer Amplifier)
• integrovaného 3.5 GHz napěťově řízeným oscilátorm (VCO) řízeného smyčkou fázového závěsu (PLL).

LNA s AGC budí kvadraturní směšovače, které převádí přijímaný modulovaný RF signál (např. UHF) na I a Q kvadraturní složky v základním pásmu. Výstup směšovače je přímo napojen na PMA zesilovače. Integrované kondenzátory vytvářejí základní nízkofrekvenční pól výstupů směšovače a PMA. Signál z lokálního oscilátoru (LO) je poskytován plně integrovaným VCO běžící na dvojnásobné frekvenci a budící kvadraturní generátory. Napájecí napětí pro VCO je vytvářeno interním nízkošumovým regulátorem (super-filter).

Sekce zpracovávající signál o základní frekvenci (Baseband section) je tvořena dvěma trasami (I a Q), kde každá obsahuje PMA zesilovač s digitálně řízeným zesílením, kanálový LPF filtr 4.řádu typu inverzní Chebyshev s AGC, komplementární Butterworthův filtr 2.řádu typu dolní propust pro odfiltrování GSM rušení a výstupní buffer. Filtr se však často dají vyřadit pro snížení spotřeby obvodu. Základní řídící signál pro baseband sekci je vytvářen 36 MHz nebo 26 MHz krystalem a nastavení a zesílení je řízeno I2C sběrnicí.

Multimediální a mobilní procesory i.MX31/i.MX27 a MCX300-30

Pro možnost integrace všech moderních multimediálních aplikací jako je mobilní telefon, rádio, mp3 a mp4 přehrávač, či přenosná herní konzola do jednoho malého zařízení typu smartphone, vyžaduje všechny digitální prostředky integrovat na jeden chip do jednoho procesoru. Tak lze nejen minimalizovat velikost celého zařízení, ale i spotřebu el. energie a tepelné vyzařování, resp. chlazení přístroje. Takovéto komplexní procesory, obvykle vystavěné na jádrech ARM, se označují jako multimediální aplikační procesory (multimedia applications processors) nebo mobilní procesory (cellurar procesors).

V nabídce firmy Freescale lze nalézt hned několik řad procesorů označené jako i.MXxx nebo MCXxx. Mezi nejnovější typy patří i.MX31, i.MX27 a MCX300-30, které obsahují i podporu pro dekódování a zpracování digitální televize DVB-T i DVB-H (MPEG4/H.263, H.264). Zatímco řada i.MXxx jsou "pouze" procesory pro multimediální aplikace, mobilní procesor MXC300-30 v sobě spojuje baseband procesory pro různé komunikační standardy a aplikační procesor. Jde tedy jak o spojení jádra se signálovým StarCore procesorem pro rychlé zpracování komunikačních datových toků, tak jádra s procesorem ARM pro realizaci multimediálních schopností (dekódování videa, zvuku, fotografií, provedení HMI rozhraní apod.).

Takové procesory poskytují vše potřebné proto, aby mohli sami o sobě realizovat jádro multimediálního přístroje se všemi současnými i budoucími požadavky uživatelů, jako jsou neustálá on-line komunikace, přehrávání uložené hudby a videa, prohlížení fotek, hraní her a nakonec i příjem real-time vysílání s využitím všech služeb, které může digitální televize nabídnout.

Závěr

Již delší dobu v Praze probíhá z vysílače Strahov různé zkušební vysílání různých firem s přidělenými krátkodobými licencemi. Nějakou dobu bylo možno přijímat vysílaný testovací balíček s volně šířitelnými programy jako Czech Tourism, zpravodajské kanály ČT24 a Euronews, hudební Óčko a T-Music, dále Prima TV a TOP TV v noci alternovaná Playboy TV, nebo několik placených, jako například kanál Filmbox, National Geographic nebo Jetix.

Větší rozmach DVB-H zatím stále brzdí nedostatek multimediálních přístrojů, jejichž hlavním zástupcem jsou a určitě budou mobilních telefony 3. generace označených 3G. Z již dostupných modelů lze například jmenovat modely Nokia 7710. Rozšiřující se nabídka integrovaných obvodů u velkých výrobců, jakým bezesporu je i Freescale, pro tento druh přenosu obrazu a zvuku však naznačuje světlou budoucnost.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy Freescale - www.freescale.com
• Domovská stránka české pobočky firmy Freescale - www.freescale.com/webapp/sps/site/homepage.jsp
• Stránky věnované technologiím okolo DVB - www.dvb.org
• Jan Bulava: "DVB-H: Vstupní datový tok kodéru MPEG-2", Referát do predmetu 37MK