Ο θόρυβος στην ψηφιακή τηλεόραση

[Δημητρης]

Ο θόρυβος στην ψηφιακή τηλεόραση σε σχέση με το θόρυβο της αναλογικής, έχει τεράστια διαφορά, αφού η βασικότερη πηγή “ψηφιακού θορύβου”, είναι η πιθανότητα εμφάνισης σφάλματος στα μεταδιδόμενα bits. Ως γνωστόν, το ψηφιακό σήμα μεταδίδεται με συνδυασμούς των bits 0 και 1, που αντιπροσωπεύουν στην πραγματικότητα δύο διαφορετικές τάσεις. Οι συνδυασμοί αυτών των δύο τάσεων, δημιουργούν το bitstream της πληροφορίας. Ο θόρυβος σε αυτήν την πληροφορία έχει ως αποτέλεσμα ένα 0 να εκληφθεί σαν 1 (ή αντίστροφα) και αυτό δημιουργεί το σφάλμα (error). Είναι λογικό ότι όσο ισχυρότερο είναι το σήμα, τόσο λιγότερα σφάλματα εμφανίζει, αφού λόγω ισχύος επηρεάζεται λιγότερο από εξωγενείς παράγοντες. Παρόλα αυτά, τα σφάλματα του ψηφιακού τηλεοπτικού σήματος είναι πολλά και γι αυτό το λόγο έχουν προταθεί και εφαρμόζονται μέθοδοι διόρθωσης λαθών.

FEC

To FEC (Forward Error Correction) είναι μια διαδικασία, με την οποία, σε ένα ψηφιακό προς μετάδοση σήμα, προστίθεται μια πρόσθετη πληροφορία, γνωστή σαν check bits. Ο δέκτης αναλύει την πληροφορία των check bits για να εντοπίσει και να διορθώσει τα σφάλματα. Μια ομάδα από bits ονομάζεται στην ψηφιακή γλώσσα «word» (λέξη). Όλα τα συστήματα διόρθωσης λαθών, προσθέτουν συγκεκριμένα «γράμματα» υπό μορφή bits, σε αυτήν την ψηφιακή «λέξη», δίνοντάς της έτσι συγκεκριμένη δομή. Αν η δομή αυτή δεν ανιχνευθεί κατά τη λήψη, σημαίνει ότι υπάρχουν σφάλματα, τα οποία διορθώνονται μέσω αλγορίθμων διόρθωσης, ώστε να επαναφέρουν τη «λέξη» στη σωστή δομή της.

Η πληροφορία ελέγχου, στη συνέχεια απομακρύνεται και τα δεδομένα που παραμένουν, μετατρέπονται στην ωφέλιμη πληροφορία ήχου, εικόνας ή δεδομένων.Ο σκοπός του FEC είναι να μειώσει τα σφάλματα μετάδοσης από θόρυβο και να ελαχιστοποιήσει έτσι την απαιτούμενη ισχύ που χρειάζονται τα συστήματα επικοινωνίας. Αυτό το πετυχαίνει, όπως είπαμε, προσθέτοντας μια προσεκτικά σχεδιασμένη πληροφορία, στα δεδομένα (data) που εκπέμπονται από το κανάλι. Η διαδικασία πρόσθεσης αυτής της πλεονάζουσας πληροφορίας είναι γνωστή σαν channel coding και αποτελείται από δύο βασικές κωδικοποιήσεις, την Convolutional και την Block.

H Convolutional κωδικοποίηση, εφαρμόζεται σε σειριακά δεδομένα, σε ένα ή μερικά bits κάθε φορά, ενώ η Block εφαρμόζεται σε μερικές εκατοντάδες bytes, που διαμορφώνουν ένα λογικό μήνυμα (block).H Convolutional κωδικοποίηση με αποκωδικοποίηση Viterbi, είναι μια τεχνική FEC, που εφαρμόζεται σε κανάλια, όπου το σήμα τους επηρεάζεται κυρίως από ένα τύπο θορύβου, ο οποίος ονομάζεται Gaussian Noise (AWGN). Αυτός ο τύπος θορύβου έχει χρονική κατανομή τάσης, που περιγράφεται από τη μαθηματική στατιστική κατανομή Gauss.Τα τελευταία χρόνια, για βελτίωση της απόδοσης του συστήματος, ακολουθείται μια πιο πολύπλοκη τεχνική, που συμπεριλαμβάνει και κωδικοποίηση Reed-Solomon. Τα πλεονεκτήματα των αλγορίθμων Reed-Solomon, είναι ότι χρησιμοποιούν τα ελάχιστα δυνατά check bits, αποκωδικοποιούνται ευκολότερα και επιτρέπουν πρόσθετους τύπους διορθώσεων (erasure), που τα άλλα συστήματα δυσκολεύονται ή αδυνατούν.Τυπικά, η πληροφορία προς μετάδοση, κωδικοποιείται πρώτα με τον αλγόριθμο Reed-Solomon και εν συνεχεία με Convolutional κωδικοποίηση.

Στην αποκωδικοποίηση, χρησιμοποιείται πρώτα ο αλγόριθμος Viterbi και εν συνεχεία o Reed-Solomon. Αυτή είναι η τεχνική που χρησιμοποιείται από τα περισσότερα, αν όχι όλα τα δορυφορικά (DBS) συστήματα και σε αρκετά από τα VSAT συστήματα.Πρόσφατα, μια καινούρια τεχνική, γνωστή και ως turbo coding, που θεωρητικά προσφέρει καλύτερα αποτελέσματα από τις Viterbi και Reed-Solomon, έχει αρχίσει να εφαρμόζεται σε ορισμένα συστήματα.

 

FEC Rate

Θεωρητικά, όσο μεγαλύτερος αριθμός Check Bits προστίθεται στο σύστημα, τόσο καλύτερα αποτελέσματα έχει. Στην πράξη όμως, αν προσθέσουμε πολλά check bits, αφενός υπάρχει αυξημένη πιθανότητα να γίνουν τα ίδια πηγή σφάλματος, αφετέρου καταναλώνουμε πολύτιμο bandwidth, το οποίο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ωφέλιμη πληροφορία. Το FEC Rate είναι ένας λόγος, που δείχνει τον αριθμό των bits ωφέλιμης πληροφορίας, προς το συνολικό αριθμό bits (πληροφορία και πρόσθετα check bits). Για παράδειγμα, FEC rate 1/2 σημαίνει ότι για κάθε bit πληροφορίας, προστίθεται και ένα check bit. Οι αντίστοιχοι λόγοι 2/3, 3/4, 7/8, δείχνουν ότι μειώνεται ο αριθμός των check bits στο συνολικό bitrate. Σαν γενικό κανόνα, μπορούμε να πούμε ότι αν υπάρχει πλεόνασμα bandwith, προστίθενται περισσότερα check bits (FEC rate 1/2, 2/3), ενώ αν έχουμε πλεόνασμα ισχύος, προστίθενται λιγότερα check bits (FEC rate 3/4, 7/8). Στην πραγματικότητα βέβαια, η επιλογή FEC rate είναι πάντα συνάρτηση bandwidth και ισχύος και αν αναρωτιέται κάποιος γιατί και ισχύος, αναφέρουμε ότι όσο μεγαλύτερη ισχύ έχει το σήμα, τόσο λιγότερο θα επηρεάζεται από τυχαίους θορύβους, επομένως θα θέλει και λιγότερες διορθώσεις λαθών.

 

BER

Το BER (Bit Error Rate) ως έννοια, είναι ο λόγος των σφαλμάτων, προς το συνολικό αριθμό των bit, αλλά εκφράζει επίσης και το μέτρο της επάρκειας ενός FEC συστήματος. Είναι πραγματικά σημαντικό το πόσο αλλάζει το BER, πριν και μετά το FEC. Αν για παράδειγμα, μετρήσουμε το BER πριν το FEC και βρούμε μια τυπική τιμή γύρω στο 10-2, που σημαίνει 1 σφάλμα ανά 100 bits, η μέτρηση αυτή μειώνεται δραματικά μετά το FEC σε 10-4, που σημαίνει 1 σφάλμα ανά 10.000 bits.Το BER μπορεί ακόμα να ορισθεί και με τον όρο της πιθανότητας σφάλματος POE (Propability of error), που δίνεται από τη συνάρτηση στα αριστερά, όπου erf είναι η συνάρτηση θορύβου, Eb είναι η ενέργεια ενός bit και No είναι η φασματική πυκνότητα (spectral density) της ισχύος του θορύβου, που αντιπροσωπεύει με απλούστερα λόγια, την ισχύ του θορύβου σε bandwidth 1Hz.

 

Bitrate (BR) και Symbol Rate (SR)

Σε οποιοδήποτε βίντεο σήμα, το bitrate (BR) δείχνει τον αριθμό των bits ανά δευτερόλεπτο. Όσο μεγαλύτερο είναι το bitrate, τόσο περισσότερη πληροφορία υπάρχει στο σήμα, επομένως η μέτρηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δείξει και το βαθμό συμπίεσής του. Όσο μεγαλύτερο είναι το bitrate, τόσο λιγότερο έχει συμπιεστεί το σήμα και, φυσικά, τόσο καλύτερη ποιότητα έχει. Αναφέροντας ορισμένα τυπικά παραδείγματα, λέμε πως το σήμα DV με συμπίεση DCT, έχει bitrate 25Mbps (Megabits/sec), το HDV (High Definition πρότυπo υψηλής ανάλυσης 1080i ή 720p) έχει συμπίεση MPEG-2 και μέγιστο bitrate 25Mbps, ενώ ένα καλό DVD σήμα με συμπίεση MPEG-2 έχει bitrate 6-8Mbps (μπορεί να είναι και μικρότερο, με μεταβλητό V(ariable)BR). Τα πράγματα είναι σαφή, όσον αφορά τα σήματα και την ποιότητά τους στις συσκευές εγγραφής αναπαραγωγής (κάμερες, DVD κλπ), στα δορυφορικά σήματα, όμως υπεισέρχεται και ένας ακόμα παράγοντας, που είναι η μετάδοση.

Το αρχικό bitrate του MPEG-2 σήματος θα αλλάξει, από τη στιγμή που θα προστεθούν check bits για το FEC και όλη η πληροφορία θα πρέπει να διαμορφωθεί και να μεταδοθεί με τέτοιο τρόπο, ώστε να «χωρέσει» σε ένα περιορισμένο bandwidth.Η φέρουσα ενός ψηφιακού τηλεοπτικού σήματος αποτελείται από παλμούς, που απαρτίζουν ένα συνεχές σήμα. Κάθε παλμός είναι και ένα Symbol. Κάθε Symbol παριστάνει τον αριθμό των μεταδιδόμενων bits. Ανάλογα με τη διαμόρφωση και τα bits, κάθε Symbol μπορεί να είναι 1 ή 2 ή 3 κλπ.

Αυτός ο αριθμός των bits/symbol, δημιουργεί μια νέα παράμετρο, που ονομάζεται συντελεστής διαμόρφωσης (modulation factor), συμβολίζεται με m και έχει τιμές για BPSK=1, για QPSK=2, για 8PSK=3 κλπ. Αυτό που τελικά μεταδίδει ο παροχέας, είναι τα Symbols και έτσι δημιουργείται ο ρυθμός μετάδοσης των Symbols, που είναι το Symbol Rate (SR) και μετριέται σε symbols/sec. H σχέση Symbol Rate και Bitrate (BR) δίνεται από τη μαθηματική σχέση:SR = ΒR / (m x CRv x CRrs)όπου m είναι ο συντελεστής διαμόρφωσης (για QPSK=2), CRv είναι τοViterbi forward error correction (FEC), δηλαδή 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 και CRrs είναι το Reed Solomοn forward error correction (FEC), με τιμή 188/204.Επομένως, για να επιτευχθεί η καλύτερη τελική ποιότητα του σήματος, θα πρέπει όλοι αυτοί οι παράγοντες να ληφθούν υπόψη και να βρεθεί η χρυσή τομή. Βέβαια, μετά τις αποδιαμορφώσεις, αλγόριθμους FEC κλπ, αυτό που θα απομείνει είναι το MPEG-2 σήμα, με το αρχικό bitrate που έχει επιλέξει ο παροχέας και αυτό τελικά θα καθορίσει την ποιότητα του σήματος που θα δει ο θεατής. Προσωπικά, όταν καλούμαι να τεστάρω την ποιότητα ενός δορυφορικού μπουκέτου, ασχολούμαι μόνο με την τελική ανάλυση και bitrate (BR) του σήματος που φθάνει στην τηλεόρασή μου, χωρίς να ασχολούμαι με το πώς έγινε η διαμόρφωση τα FEC κλπ.

 

Μεγαλύτερο Bandwidth... Καλύτερο σήμα.

Ερχόμαστε λοιπόν στο σημείο, στο οποίο έχουμε αναφερθεί πολλές φορές, όπου οι τεχνολογικές ανάγκες συγκρούονται με τις οικονομικές. Όπως είναι προφανές μεγαλύτερη επιλογή Bandwidth ή ισχυρότερο σήμα, θα έχει σαν αποτέλεσμα καλύτερη ποιότητα στο θεατή. Η επιλογή αυτή είναι στην κρίση των poviders και πιο συγκεκριμένα ...στο πορτοφόλι τους, αφού αν πλήρωναν για παράδειγμα, μεγαλύτερο bandwidth, θα μπορούσαν να μεταδώσουν και υψηλότερο αρχικό bitrate, επομένως και καλύτερη ποιότητα σήματος.

digitaltvinfo.gr