DIJITAL TELEVIZYON
YAYINLARININ (DVB) BUGÜNKÜ DURUMU
Özet
Dijital sistemlerin çok hızlı
bir şekilde gelişmesi ister istemez televizyon sistemlerini de etkilemiş ve
dijital televizyona doğru hızlı bir geçiş başlamıştır. Dijital televizyon
sistemlerinin çalışma prensiplerini anlatmadan önce dijital sistemlere kısa bir
giriş yaparak, bu teknolojinin sağladığı yeni imkanlardan
bahsedilecek ve sistemin bugünkü ve yakin gelecekteki durumu incelenecektir.
Giris
“Dijital” terimi Avrupa
dillerindeki “dijital” teriminin okunuşu olup Türkçe karşılığı “Sayısal”dir. Elektronik sistemler “analog”
ve “sayisal” olmak üzere ikiye ayrilir.
Analog sistemlerde elektrik sinyalleri sürekli olarak
degisir ve belli sinirlar
içinde her degeri alabilirler. Sayısal 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 Dönüştürücü” (Analog-to-Dijital Converter, ADC) ve “Sayısal/Analog Dönüstürücü” (Digital-to-Analog
Converter, DAC) kullanılır. Başlangıçta elektronik
devrelerin hemen hemen tamami
“analog” olarak gerçekleştiriliyordu. Fakat zaman
içinde “sayısal” devreler çoğalmaya ve analog
devrelerin yerini almaya başladı. Bu gün bütün elektronik sistemler sayısallaşmaya
başlamıştır. Çünkü sayısal 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
Prof. Dr. Avni Morgül
Bogaziçi Üniversitesi Elektrik/Elektronik Mühendisligi Bölümü Ögretim Üyesi