Od videokonferencí k Ultra HD: vývoj evropského digitálního televizního vysílání a standardů – kanálové kódování

Vlivy na digitalizaci televizního vysílání v Evropě je nutno hledat na konci minulého století v nástupu nových technologií na jedné straně a změně geopolitického uspořádání v závislosti na úrovni hospodářské prosperity na straně druhé. Tehdy byly přenosové distribuční prostředky pro televizní vysílání obsazeny převážně veřejnoprávními vysílateli a s nástupem licencování soukromých mediálních společností vyvstala potřeba nového prostoru pro jejich cestu k divákovi. I s ohledem na volný pohyb osob a kapitálu v EU a bezhraniční tok informací byly podporovány družicové a návazné kabelové distribuční sítě jako technologicky a investičně nejjednodušší. K tomu přispělo i zakonzervování kmitočtových plánů a standardů terestrického vysílání podle ERC Stockholm 61 (viz foto níže), které byly zásadně revidovány až po 45 letech na konferenci WRC Geneva 2006, tedy až po zahájení DTT v některých zemích. Ovšem s výjimkou původních televizních kanálů 70-81 uvolněných pro GSM již dříve. Nižší kanály potom doznaly změn v podobě tzv. Digitálních dividend I. a II. v důsledku priority budování informační společnosti.

Výsledkem je současné nerovnoměrné rozložení různých distribučních platforem v jednotlivých zemích evropského regionu, ale všechny mají jednoho společného jmenovatele – DVB.

ČTĚTE TAKÉ: Od videokonferencí k Ultra HD: Vývoj evropského digitálního televizního vysílání a standardů

Televizní standardy v pásmech I, II a III podle „Documents of the European VHF/UHF Broadcasting Conference“ (SpecialRegionalConference, CER, Stockholm, 1961).

Standardy DVB jako pilíř vysílání digitální televize v Evropě

Kromě postupného zlepšování kompresních algoritmů a dalších evolučních technik, by rozvoj digitální televize nebyl myslitelný bez kvalitních vysílacích standardů akceptovaných všemi zainteresovanými hráči na trhu – televizními společnostmi, operátory vysílacích sítí, výrobci zařízení a regulačními orgány. Vypracování takových standardů zajistilo konsorcium DVB (Digital Video Broadcasting), které vzniklo v roce 1993 ze skupiny ELG (European Launching Group) zabývající se od roku 1991 zavedením digitální televize v Evropě, když politici uznali, že je lepší nechat výběr standardu na dohodě zainteresovaných zástupců průmyslu a odborníků.

Projekt Digital Video Broadcasting (DVB) je průmyslové konsorcium provozovatelů vysílání, výrobců, provozovatelů sítí, vývojářů softwaru, regulačních orgánů, vlastníků obsahu a dalších, kteří se zavázali navrhovat globální standardy pro poskytování digitální televizní a datové služby.

DVB podporuje tržně orientovaná řešení, která odpovídají potřebám a ekonomickým okolnostem účastníků a spotřebitelů televizního průmyslu. Normy DVB pokrývají všechny aspekty digitální televize od přenosu přes rozhraní, podmíněný přístup a interaktivitu pro digitální video, audio a data.

Většina technických specifikací (TS) byla vytvořena Společným technickým výborem JTC Broadcasting, EBU (European Broadcasting Union), Comité Européen de Normalization ELECtrotechnique (CENELEC) a Evropským institutem pro telekomunikační standardy ETSI. A těmito standardizačními orgány byla i publikována.

Celá rodina standardů DVB pokrývá mnoho kategorií a více než 100 specifikačních dokumentů. Když DVB dokončí novou specifikaci, je publikována jako Blue Book, poté je dokument obvykle publikován jako formální standard ETSI.

Logo satelitního systému DVB-S (zdroj: DVB.org).

Standardy 1. generace

Již od roku 1990 bylo jasné, že družice a kabel poskytnou první služby digitální televize. Méně technických problémů a jednodušší regulační prostředí znamenalo, že by se mohly vyvíjet rychleji než pozemní systémy.

Koncepce geostacionárních satelitů byla poprvé popsána již v roce 1928 Hermanem Potočníkem a popularizována známým visionářem a spisovatelem sci-fi A. C. Clarkem v roce 1945 (více Wireless World, říjen 1945).

Systém DVB-S pro digitální družicové vysílání byl vyvinut v roce 1993 a publikován jako standard ETSI ETS 300 421 v prosinci 1994. Jedná se o poměrně přímočarý systém využívající modulace QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Dalšími parametry jsou: kanálové kódování: vnější blokový kód Reed-Solomon (188/204) pro opravu symbolů a vnitřní konvoluční kód s poměry 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 7/8 pro opravu bitů. Tyto nástroje pro kódování kanálů a ochranu proti chybám byly později použity i pro jiné systémy šíření.

Systém DVB-C pro digitální kabelové sítě byl publikován také v roce 1994 jako standard ETSI ETS 300 429. Je zaměřen na využití nejúčinnější spektrální modulace až 64 QAM pro evropské kabelové prostředí a může v případě potřeby převést kompletní satelitní kanál multiplexu na kabelový kanál. Doplněná specifikace DVB-CS popsala verzi, která může být použita pro instalaci společné satelitní televizní antény.

Systém DVB-T pro digitální pozemní televizní vysílání byl složitější, protože byl určen do odlišného šumového a vícecestného prostředí s omezenou šířkou pásma. Byl publikován v březnu 1997 jako ETS 300 774 a má několik způsobů příjmu, kdy je přijímač povinen přizpůsobit jeho dekódování podle signalizace. Klíčovým prvkem je použití modulace COFDM (Coded Orthogonal Frequincy Division Multiplex) s velkým počtem až tisíců nosných signálů. Existují dva módy FFT: 2k nosné plus QAM, 8k nosné plus QAM. Mód 8k může umožnit vícenásobnou ochranu, ale režim 2k jako robustnější, může nabídnout výhody tam, kde je přijímač v pohybu (Dopplerův efekt). Zavádí ochranný interval (GI), který může nabývat hodnot 1/4, 1/8, 1/16 a 1/32. Pro opravu symbolů je opět v kanálovém kódování zaveden vnější blokový kód Reed Solomon a vnitřní konvoluční kód s poměry 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, a 7/8 pro opravu bitů.

Srovnání účinnosti satelitních systémů DVB-S2 a DVB-S2x (zdroj: dvb.org).

Standardy 2. generace

Vzrůstající požadavky na vyšší kvalitu videa, zejména rozlišení, a s tím související vyšší rychlost bitového toku si vyžádaly úpravy v existujících parametrech modulací (typu, kódovém poměru, ochranném intervalu a dalších). Výsledkem jsou standardy druhé generace s vyšší spektrální účinností.

Satelitní systém DVB-S2 (EN 302 307 z března 2005) umožňuje o 30 % vyšší datovou propustnost vzhledem k použité modulacím 8PSK, 16PSK a 32PSK (Phase Shift Keying) a konvolučnímu LDPC+BCH (Low Density Parity Check a Bose-Chaudhuri-Hocquengham) kódu s FEC poměry 1/4, 1/3, 2/5,1/2, 3/5, 2/3, ¾, 4/5, 5/9, 8/9, 9/10. Adaptivní kódování a modulace (ACM) dovoluje měnit přenosové parametry podle jednotlivých snímků v závislosti na konkrétních podmínkách přenosové cesty pro každého jednotlivého uživatele. Zaměřuje se především na unicasting interaktivních služeb a na profesionální aplikace typu point-to-point.

Satelitní systém DVB-S2x (EN 302 307-2 z října 2014) – jako rozšíření původního DVB-S2 poskytuje techniky a funkce, jako další nižší faktory roll-off (zešikmení) 5 % a 10 % (k 20 %, 25% a 35%). Podporuje výrazně vyšší spektrální účinnost pro poměry nosná/šum (C/N) typické pro profesionální aplikace, jako jsou příspěvkové linky nebo IP-trunking. Podporuje také velmi nízké C/N až do -10 dB pro mobilní aplikace, například námořní, letecké, vlakové, atd.

Kabelový systém DVB-C2 z roku 2010 (publikován v říjnu 2015 jako ETSI EN 302 769) může pracovat s více transportními toky a rozšířit kapacitu až o 60 %. Tento standard druhé generace je určen pro kabelovou distribuci s vysokou spektrální účinností a rozšíření se dá očekávat až s programy v rozlišení Ultra HD (8K). Vychází ze standardu DVB-T2, s nímž má některé stejné vlastnosti a parametry, např. stejnou modulaci COFDM a stejné protichybové zabezpečení. Vzhledem k přenosovým cestám, které nejsou rušeny vnějším prostředím, používá modulační schéma 16 až 4096 QAM a ochranné intervaly 1/64 a 1/128. Mód FFT s 3048 nosnými. Se 4096 QAM se dosahuje spektrální účinnosti až 10 b/s/Hz.

Pozemní systém DVB-T2 z roku 2009 (poslední verze z června 2015 jako ETSI EN 302 755 v1.4.1) je dnes nejvyspělejší digitální zemský televizní systém (DTT) na světě, který nabízí větší robustnost, flexibilitu a minimálně o 50% vyšší účinnost než kterýkoli jiný DTT systém s výjimkou amerického ATSC 3.0. Podporuje SD, HD, UHD, mobilní televizi nebo jakoukoli jejich kombinaci.

Všechny čtyři standardy druhé generace používají místo konvolučního kódování protichybové zabezpečení LDPC (Low Density Parity Check) v kombinaci s kódem BCH (Bose Chaudhuri Hocquenghem), který nahradil Reed-Solomonovo vnější kódování. Většina dosavadních standardů DVB je založena na vstupním transportním toku ASI (MPEG 2), kromě DVB-C2, který umožňuje zpracovat i obecné datové toky protokolem GSE (Generic Stream Encapsulation) podle ETSI 102 606-1,2,3.

Kromě výše uvedených specifikací považuje skupina DVB za klíčové i další standardy. Mezi nimi má významné místo DVB-MPEG DASH (Dynamic Adaptive Streamingover HTTP), která definuje dodání živého nebo VoD televizního obsahu (video na vyžádání) přes internetovou síť adaptivním streamem z června 2014, jako ETSI TS 103 285. Poslední verze zahrnula i parametry pro HDTV a UHD, včetně HDR, HFR, WCG a audia nové generace NGA. Použití nachází v ETSI standardech TS 102 796 v1.4.1 a následujících, které standardizují HbbTV. V současné době považuje skupina DVB devět standardů ze stovky existujících za klíčové. Kromě zmíněných to jsou DVB-MPEG/UHD, DVB-CI-Plus, DVB-IPTV a DVB-CSS.

Ve výčtu nelze zapomenout ani na standardy, které postupem doby zastaraly, jako DVB-CPCM, nebo na DVB-H – systém pro příjem na mobilních přijímačích, který snižuje spotřebu a šetří baterie. Ten se ale prakticky, stejně jako jeho satelitní verze DVB-HS, neuchytil.

Demo DVB-I na IBC (zdroj: dvb.org ).

Standard DVB-I

DVB-MPEG DASH ve variantě LL-DASH (Low Latency) s minimálním zpožděním je nyní v konečné fázi před publikováním (jako dokument A 168 z 10. 10. 2019) a bude podstatnou součástí připravovaného standardu DVB-I, kterým skupina reaguje na vzrůstající poptávku po šíření videa přes širokopásmové sítě. LL-DASH spolu s mABR (multicast Adaptive Bit Rate) snižuje zpoždění živých OTT kanálů z obvyklých 40 sekund na pouhé 3 až 4 sekundy.

Na IBC v září v Amsterdamu byla předvedena demo verze použití DVB-I. Hlavním chybějícím, nebo zatím nedokončeným, kusem z pohledu standardů DVB je vrstva služeb, která by vytvořila základy programové nabídky EPG jak na přenosných terminálech (tablety, chytré telefony), tak na televizních přijímačích. Ve srovnání s tradičním přijímačem problém šíření přes internet spočívá v tom, že nemůžete jednoduše provádět vyhledávání programů, protože by to vyústilo v tisíce služeb. Proto DVB zkoumá technologii založenou na geolokaci, jazyku a žánru a seznam služeb (Service List) si prozatím nechala připravit společností SES. Do celého systému se pak dostává přes tzv. server Seznamu služeb.

Předváděné demo bylo založeno na třech klientských aplikacích DVB-I – dvou běžících na systému Android a jedné na HbbTV. Jeho součástí byl LL-DASH a pro tzv. multikástové šíření rozvíjející se specifikace DVB-mABR. Ta má za úkol, zejména pro lineární vysílání, snížit množství provozu v síti. Základní principiální schéma prezentace je uvedeno na výše uvedeném obrázku „Demo DVB-I na IBC“ a podrobnosti o fungování je možno získat ze stránek projektu DVB.org (dokument PDF ke stažení je zde).

V současné době projekt DVB vypsal výběrové řízení pro vývoj a validaci referenční aplikace pro DVB-I. Připravovanou specifikaci, která má zajistit, aby lineární televizní služby přes internet byly uživatelsky přívětivé a robustní jako tradiční televizní vysílání. První veřejné představení by měl vítěz tendru přinést v březnu na kongresu DVB ve Valencii.

Loga standardů (zdroj: DVB.org).

Směr budoucího vývoje

Přirozeně, DVB-I bude existovat vedle stávajících vysílacích standardů DVB-T2, DVB-S2 a DVB-C2 (pozemních, satelitních a kabelových), s využitím DVB-I dostupným buď samostatně nebo jako hybridní vysílání. Je zde jeden klíčový rozdíl. DVB-I je navržen tak, aby poskytoval služby zařízením bez tunerů DVB, zatímco služby HbbTV jsou dodávány pro set-top boxy a chytré televizory s tunery DVB.

DVB-I umožňuje provozovatelům vysílání a poskytovatelům služeb, podobně jako její americký protějšek ATSC 3.0, zavádět pokročilé funkce v hybridních a širokopásmových televizních službách, jako jsou integrované seznamy pořadů (programová nabídka EPG), interaktivní průvodce obsahem, pořady na vyžádání (VoD), rozlišení UHD, a to cíleně. Stručně řečeno, DVB-I si klade za cíl přinést všechny funkce videa přes IP, bez jeho nevýhod.

Blížící se příchod DVB-I může být reakcí Evropské rozhlasové unie EBU na realokaci pásma 700 MHz (694 MHz až 790 MHz) z digitálního terestrického na celulární, které musí být dokončeno do poloviny roku 2020, v mimořádných případech nejpozději do roku 2022. EBU se původně stavěla na obranu spektra DTT před mobilní invazí, ale v poslední době se zaměřuje na ovlivňování rozvoje 5G sítí ve prospěch vysílání prostřednictvím řady projektů. Ukazuje se, že 5G dokáže víc, než si dnes umíme představit. Kdyby navíc byla tato nová technologie atraktivní pro spotřebitele, mohlo by být hlavní výhodou 5G pro veřejnost zvýšení potenciální kvality obrazu až po Ultra HD (8K) a zavedení nové generace zvuku (NGA).

Technické normy 5G jsou již dnes připravovány tak, aby uživatel mohl používat nové sítě nejen pro služby internetového videa na vyžádání, za něž platí, ale i v režimu „5G-Broadcast“. Ten má umožňovat bezplatný příjem – televizi zadarmo – bez zvláštních SIM karet na jakémkoli zařízení v rámci jedné technologicky neutrální platformy 5G. Důležité je, že integrace připravovaného DVB-I s technologiemi 5G je možnou, a možná i správnou a perspektivní cestou do dalšího desetiletí.