Digitaalitelevisio, DVB:n standardit

20.11.1998

Miika Pullinen
Tietotekniikka
Teknillinen Korkeakoulu
Miika.Pullinen@hut.fi

Tiivistelmä

Digitaalitelevisio tuleminen Suomeen muuttaa monella tavalla televisiota. Ensinnäkin televisionkatselijoilla on käytössään useampia ja tekniseltä laadultaan parempia kanavia. Uuden tekniikan avulla voidaan myös lisätä interaktiivisuutta televisioon.

Lähetyspuolella digitaalitelevisio puolestaan merkitsee paljon uusia standardeja. Lähetystekniikkaa joudutaan uusimaan täysin digitaaliseksi. Tämä tullaan tekemään DVB:n standardejen mukaan.


1 Johdanto

Suomi on kovaa vauhtia aloittamassa digitaalisia televisiolähetyksiä. Useat ovatkin varmaan jo kuulleet, että digitaalinen televisio on tulossa. Mitä tämä merkitsee tavalliselle television katselijalle ja toisaalta ohjelmien lähettäjälle? Tässä esseessä on pyritty lyhyesti kuvaamaan digitaalisen television tuomia muutoksia ja erityisesti on katsottu DVB:n (Digital Video Broadcasting) tärkeimpiä standardeja, koska lähetystekniikka tulee Suomessa perustumaan pitkälle näiden standardien varaan.

2 Yleistä digitaalitelevisiosta

2.1 Muutoksia nykyiseen tekniikkaan

Lähetystekniikka tulee muuttumaan digitaaliseksi. Tämän johdosta laatu televisiokuvassa paranee. Digitaalista lähetystekniikkaa käyttämällä pystytään myös kaistanleveys käyttämään paremmin hyväksi. Tämän johdosta yhden nykyisen televisiokanavan paikalla voidaan lähettää neljä uutta digitaalista kanavaa tai vaihtoehtoisesti voitaisiin lähettää yksi HDTV-tasoinen kanava. Digitaalisuus tuo mukanaan myös sen, että enää ei tarvitse lähettää pelkkää kuvaa ja ääntä, lähetyksen mukana voidaan lähettää myös erilaista dataa.

Digitaalisuus tuo mukanaan myös uudet laitehankinnat koteihin. Itse televisiota ei kuitenkaan tarvitse heti mennä vaihtamaan, vaan riittää, että television päälle hankitaan Set-Top Box, joka muuttaa digitaalisen lähetyksen analogiselle televisiolle sopivaksi. Joskus tulevaisuudessa saatamme myös saada integroituja vastaanottimia, joissa Set-Top Box on television sisällä, ja näin tarvitsemme vain yhden laitteen digitaalisen televisiosignaalin vastaanottamiseksi.

Digitaalisessa televisiossa tulee olemaan myös paluukanava, jonka avulla voimme olla kaksisuuntaisessa yhteydessä palveluntarjoajiin. Paluukanavana toimii normaali puhelinverkko, ja ainakin näin digitaalisen television alkuaikoina käytetään analogista modeemia yhteyden muodostamiseen. Tulevaisuudessa voimme sitten käyttää myös ISDN:ää, xDSL:ää tai kaapelimodeemeja suuremman paluukanavan toteuttamiseen.

Paluukanava mahdollistaa myös erilaiset Internet-palvelut, joita voidaan siis tulevaisuudessa käyttää omalla televisiolla. Internet-palveluista tullaan toteuttamaan suosittuja tiedonhakupalveluita, mahdollisesti sähköisen kaupankäynnin sovelluksia ja sähköpostipalveluita näin muutamia luetellakseni.

2.2 Mitä katsoja saa?

Selvimmin katsoja huomaa uuden tekniikan tulon siinä, että hänellä on paljon ohjelmakanavia käytössään. Myös kuvan ja äänen laatu paranee huomattavasti. Digitaalitekniikalla voidaan poistaa kuvasta erilaisia häiriöitä esimerkiksi. Digitaalitekniikka tuo myös aivan uudenlaisia ohjelmatyyppejä televisioon. Ohjelmat voivat olla interaktiivisia. Esimerkiksi missikilpailujen aikana kaukosäätimen nappulalla voisi saada eteensä sen hetkisen äänestyksen tilanteen ja samalla voisi itse äänestää vain painamalla kaukosäätimen nappuloita.

Internetin osalta voidaan sanoa, että digitaalisen television avulla kaikilla on mahdollisuus saada Internet-liittymä halvalla. Set-Top Boxien hinnat pyritään nimittäin saamaan huomattavasti halvemmaksi kuin kotitietokoneiden hinnat.

2.3 Käyttöönotto

Suomessa on digitaalisia koelähetyksiä kokeiltu jo vuoden ajan pääkaupunkiseudulla. Muualla Euroopassakin aloitellaan koelähetyksiä. Ensi vuoden alussa olisi tarkoitus aloittaa jo kaupalliset lähetykset ja silloin pitäisi myös laitteiden saapua kauppoihin. Tavoitteena on, että jo vuonna 2000 lähetykset olisivat jo täydessä vauhdissa.

3 DVB-standardit

DVB (Digital Video Broadcasting) -projektiin on osallisena yli 220 organisaatiota yli 30 maassa maailmanlaajuisesti. Jäseniin kuuluu televisioyhtiöitä, laitevalmistajia, verkko-operaattoreita sekä erilaisia säädännöllisiä elimiä, joiden päämääränä on maailmanlaajuisen standardikokoelman suunnittelu digitaalisten televisiolähetysten jakelua varten. Nykyisin useat televisioyhtiöt ympäri maailmaa lähettävät DVB-standardin mukaisia ohjelmia. [8]

Aion käydä läpi seuraavissa kappaleissa merkittävimmät DVB:n standardit. Näitä standardeja joudutaan noudattamaan myös Suomessa aloitettavissa digitaalisissa televisiolähetyksissä.

3.1 DVB-T, Digital Terrestrial Transmission Systems, ETS 300 744

DVB-T -systeemin spesifikaatiot hyväksyttiin alkuvuodesta 1997 ja palveluita on suunniteltu vuodelle 1998. [5]

DVB-T perustuu koodimodulointiin (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing, COFDM). Siinä voi olla joko 1705 ('2k') tai 6817 ('8k') taajuustasoa. '2k' -tapa soveltuu parhaiten pienitehoisiin yhden lähettimen ja taajuuskaistan verkkoihin. '8k' -tapaa voidaan käyttää kuten '2k':ta yhden lähettimen verkoissa, mutta myös suuren alueen ja usean lähettimen yhden taajuuskaistan verkoissa. '8k'-systeemit ovat yhteensopivia '2k' -systeemien kanssa. [5]

Modulaatiosysteemi yhdistää OFDM:n (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ja QPSK:n (Quadrature Phase Shift Keying) tai QAMin (Quadrature Amplitude Modulation) toisiinsa. Koska OFDM käyttää monia taajuustasoja, signaalin informaatiosisältö hajaantuu. OFDM:ää on käytetty menestyksellisesti myös DABissa (Digital Audio Broadcasting), koska se menestyy hyvin monikanavaisessa ympäristössä. [5]

Jotta monikanavaisessa järjestelmässä kanavat eivät sekoittaisi toisiaan, on OFDM:ssä käytetty suoja-alueita. Eri aikalohkojen välissä olevan suoja-alueen koko on valittavissa. Suoja-alue on osa signaalia, joka joudutaan hylkäämään, jotta kaiku ei sekoittaisi varsinaista signaalia.Tämä luonnollisesti vähentää OFDM-systeemin siirtokapasiteettia. Taajuustasojen lisääminen vähentää siirtokapasiteetin häviötä, mutta silloin vastaanotinlaitteiden monimutkaisuus kasvaa ja vaihekohinan sietokyky pienenee. [5]

OFDM:n eri kanavien immuniteetin vuoksi on teoriassa mahdollista operoida yhden taajuuden verkoissa, jotka ovat osittain päällekkäin. Päällekkäin menevillä alueilla heikompaa signaalia käsitellään ikäänkuin kaikua. Jos lähettimet ovat kaukana toisistaan, lähetyksien välinen viive on suuri, ja joudutaan käyttämään suurta suoja-aluetta. [5]

DVB-T:n tekninen kehitystyö tehtiin DTTV-SA (Digital Terrestrial Television - Systems Aspects) -työryhmässä. Eurooppalaiset projektit, SPECTRE, STERNE, HD-DIVINE, HDTVT, dTTb ja useat muut organisaatiot, osallistuivat työhön kehittämällä laitteiston. [5]

DVB-T:lle on olemassa kolme erilaista toimintaympäristöä: toimiminen uusilla tai vanhojen taajuuksien viereisillä taajuuksilla, yksitaajuisissa pienalueverkoissa ja laajojen alueiden yksitaajuisissa verkoissa. Yksi DVB-T:n kehittäjien suurimmista ongelmista oli varmistaa se, että systeemi toimisi kaikilla lähetystavoilla. Tämä onkin onnistunut, ja DVB-T on kasvava maailmanlaajuinen ratkaisu. [5]

Maanpäällisen lähetyksen lisäksi DVB on standardoinut myös muitakin lähetystapoja: kaapeleissa toimiva DVB-C ja satelliiteissa toimiva DVB-S. Näitä ei tässä esseessä kuitenkaan käsitellä, koska Suomessa käytetään pääosin maanpäällistä lähetystekniikkaa.

3.2 DVB-I, Specifications for Interactive Television

Interaktiivisen TV:n on huomattu soveltuvan erittäin hyvin täysin digitaalisiin siirtosysteemeihin. Monilla DVB-jäsenillä on ollut laajoja suunnitelmia interaktiivisen television esilletuomiseksi ja vuonna 1997 Euroopassa tehtiin useita suuria kokeiluja asiaan liittyen. [3]

DVB on tehnyt läheistä yhteistyötä DAVICin (Digital Audio Video Council) kanssa, jotta saataisiin kehitettyä yhtenäiset spesifikaatiot, jotka vastaisivat DVB:n jäsenien kaupallisia vaatimuksia. [3]

DVB-I -systeemiin kuuluvat:

DVB-NIP, Network Independent Protocols
DVB-NIP mahdollistaa yhteyden valvomisen ja protokollien tunneloimisen MPEG-2 -paketeilla. DVB otti käyttöön MPEG-2 DSM-CC (Digital Storage Media Command and Control) -spesifikaation varmistaakseen DVB-I:n yhteensopivuuden kansainvälisesti hyväksyttyjen standardien kanssa ja riittävän joustavuuden tulevaisuuden vaatimuksia silmälläpitäen. [3]
DVB-IP, Return Channel for PSTN and ISDN
DVB-IP -spesifikaatio mahdollistaa DVB-systeemien toimimisen jo olemassaolevissa PSTN (Public-Switched Telephone Network) - ja ISDN (Integrated Services Digital Network) -verkoissa. DVB-IP -käyttäjät voivat valita paluukanavan, joka heille sopii parhaiten. [3]
DVB-IC, Return Channel for CATV-systems
DVB-IC on kehittynyt spesifikaatio, joka mahdollistaa CATV- ja kaapelisysteemien hyödyntämisen interaktiivisissa palveluissa. DVB-IC -spesifikaatio on DAVIC 1.x kaapelimodeemisovellus. Paluukanavan maksimisiirtonopeus on 3.088 Mbittiä/s. [3]
DVB-ID, Return Channel for DECT
DVB-ID on suunniteltu johdottomia lähetyssysteemejä varten. Parannellussa DECT:issä (Digitally Enhanced Cordless Telephony) paluukanavaspesifikaatio sisältää datapalveluprofiilit Point-to-Point protokollalle (PPP). [3]
DVB-IM, Return Channel for LMDS
LMDS (Local Multipoint Distribution Systems) -paluukanavaspesifikaatio perustuu DVB-RCC -spesifikaatioon. [3]

3.3 DVB-Data, Transmission of data in DVB bitstreams, TS/EN 301 192

DVB-Data -spesifikaatio määrittelee kaikki ne tavat, joilla dataa voidaan siirtää eri tilanteissa. MPEG-2 DSM-CC on kaiken datasiirron ydin. Valmis spesifikaatio perustuu neljään profiiliin. Jokainen profiili vastaa sovellusaluetta. Neljä sovellusaluetta ovat: [2]

  1. Data Piping, yksinkertainen asynkroninen datansiirto DVB-yhteensopivissa lähetysverkoissa [2].
  2. Data Streaming, joko asynkroninen tai synkroninen tiedonsiirtotapa streameille DVB-yhteensopivissa lähetysverkoissa [2].
  3. Multiprotocol Encapsulation, tiedonsiirtotapa, mikäli tarvitaan mahdollisuutta siirtää datapaketteja, joissa on enkapsuloituna monta protokollaa [2].
  4. Data Carousels, spesifikaatio tiedonsiirtotavalle, joka vaatii datamoduleiden (esim. .dll, .doc, .xls) jaksollista lähettämistä [2].

Näiden profiilien lisäksi on lisätty Object Carousel -spesifikaatio objektien siirtoa varten. DVB-Data Broadcasting sisältää myös rekisteröintimekanismin, jotta se toimisi paremmin yhteen jo olemassaolevien DVB-lähetystapojen kanssa. [2]

3.4 DVB-CA, The DVB Conditional Access Package, EN 50221, TS 101 197

DVB-vastaanottimen (IRD) Conditional Access -systeemissä on kaksi osaa: avaimien dekoodaus- ja varsinainen dekoodausosa. Avaimien dekoodaaja purkaa avaimet, joita käytetään varsinaisessa dekoodausosassa. Varsinainen dekoodaaja muuttaa kuva- ja äänisignaalit takaisin ymmärrettävään muotoon. [1]

Johtuen salausjärjestelmien yleensä suojatusta luonteesta, DVB-CA -standardi herätti kehitysvaiheessaan paljon keskustelua muuten avoimessa DVB-standardikokoelmassa. Jos CA-standardi olisi liian avoin, kerran hakkeroitu koodijärjestelmä aiheuttaisi suuria tulonmenetyksiä televisioyhtiöille. Lopulta päädyttiin tekemään rajoituskokoelma standardiin. [1]

DVB-CA -paketti sisältää seuraavat osat:

SimulCrypt, The DVB Common Scrambling Algorithm, TS 101 197 (Part 1 and 2)

SimulCryptiä käytettäessä voidaan lähetykseen sisällyttää monta erilaista CA-signaalia, jotta lähetystä voitaisiin ottaa vastaan monilla erilaisilla CA-varustetuilla vastaanottimilla. [7]

Common Scrambling Algorithm kehitettiin minimoimaan hakkerointiyritykset pitkällä aikavälillä. Spesifikaatiota valvoo ETSI, joka jakaa lisenssejä ja tietoa sen teknisistä yksityiskohdista vain sopiville organisaatioille lisenssisopimuksen allekirjoittamista vastaan. [7] Käytettäessä Common Scrambling Algorithmiä MPEG-datansiirto ja -valintamekanismien kanssa voidaan DVB-lähetykseen sisällyttää monta eri viestiä, jotka on muodostettu erilaisilla CA-systeemeillä ja joilla kaikilla voidaan ohjata samaa sekoitettua lähetystä. Tämä mahdollistaa sekä saman ohjelman lähettämisen monille erilaisille CA-systeemeille, että ohjelman siirtämisen yhdestä CA-systeemistä toiseen. [7]

MultiCrypt, Common Interface for Conditional Access, EN50221 (CENELEC)

Common Interface on rajapinta standardi-PCMCIA-modulin ja DVB-vastaanottimen välillä. Yleisin syy DVB-CI:n käyttöön tällä hetkellä on mahdollisuus vuorotella eri CA smart card readereitä DVB-vastaanottimissa. Tällöin samalla vastaanottimella voidaan ottaa vastaan erilaisiin CA-tekniikoihin perustuvia lähetyksiä. [6]

Televisioyhtiöt voivat käyttää moduleita, joissa on ratkaisuja eri laitetoimittajilta, samassa systeemissä. Tämä lisää heidän mahdollisuuksiaan piratismia vastaan. Common Interface toimii MPEG Transport Stream -tasolla ja vaikka se on suunniteltu erityisesti CA:ta varten, sitä voidaan käyttää myös muissa sovelluksissa. [6]

Suomessa tullaan enimmäksi käyttämään tätä tekniikkaa, koska MultiCrypt mahdollistaa monenlaisten erilaisten palveluiden luomisen. Esimerkiksi Set-Top Boxilla voitaisiin ottaa vastaan normaaleja salattuja lähetyksiä yhdellä älykortilla ja toisella älykortilla puolestaan voitaisiin käyttää esimerkiksi Visan määrittelemää SET-protokollaa turvallisten verkko-ostoksien tekemiseen.

3.5 DVB Subtitling, Digital broadcasting systems for television, sound and data services; subtitling systems, prETS 300 743

DVB on kehittänyt tarpeeksi vahvan tekstityssysteemin vastaamaan erilaisten markkinoiden tarpeita. Koska systeemi käyttää bittikarttoja, sillä voidaan helposti muodostaa tekstiä erilaisilla fonteilla ja väreillä. Yksi systeemin merkittävimmistä eduista on se, että sillä voidaan esittää erikoismerkkejä, kuten kiinan-, japanin- jne. kirjoitusmerkkejä. [4]

Systeemi käyttää Colour Look-Up -taulukkoja (CLUTs) graafisten elementtien värien määrittämisessä. Graafisten elementtien siirtäminen perustuu MPEG-2 -systeemiin. [4]

4 Lähdeluettelo

[1] DVB, DVB Conditional Access, 13.7.1998
< http://www.dvb.org/dvb_standards/dvb_dvbca.htm>
[2] DVB, DVB Data Broadcasting, 13.7.1998
< http://www.dvb.org/dvb_standards/dvb_dvbd.htm>
[3] DVB, DVB Interactivity, 13.7.1998
< http://www.dvb.org/dvb_standards/dvb_dvbi.htm>
[4] DVB, DVB Subtitling, 13.7.1998
< http://www.dvb.org/dvb_standards/dvb_dvbsub.htm>
[5] DVB, DVB-T Terrestrial, 13.7.1998
< http://www.dvb.org/dvb_standards/dvb_dvbt.htm>
[6] DVB, MultiCrypt, 13.7.1998
< http://www.dvb.org/dvb_standards/dvb_dvbci.htm>
[7] DVB, SimulCrypt, 13.7.1998
< http://www.dvb.org/dvb_standards/dvb_dvbcsa.htm>
[8] DVB, The DVB Project, 13.7.1998
< http://www.dvb.org/dvb_whatis.htm>

5 Lisätietoja

DVB, Digital Video Broadcasting
DVB:n pääsivu.
Distribution system
Canal Digital'in lähetystekniikka, kaavakuva.
Evaluation of a DVB-T compliant digital terrestrial system
BBC:n raportti DVB-T:stä.
PowerTV Product Information
Power TV:n Set-Top Boxin ominaisuuksia.