Televisão Digital. Parte VI. Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/2008 1

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1 Televisão Digital Parte VI Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/2008 1

2 Televisão (Digital): Perspectiva Histórica 1884 Televisão mecânica (disco de Nipkow), Paul Nipkow 1908 Televisão electrónica (tubo de raios catódicos), A. A. Campbell-Swinton 1926 Primeira transmissão de televisão, John Logie Baird 1936 Primeiro serviço público de televisão em Inglaterra (405 linhas/imagem, 25 imagens/s, entrelaçado) 1954 Introdução da televisão a cores nos EUA (sistema NTSC) 1991 Difusão regular de televisão de alta definição (HDTV) analógica no Japão Televisão Digital (DTV) 1993 Formação da Grand Aliance (GA) nos EUA para HDTV digital 1993 Início do projecto europeu Digital Video Broadcasting (DVB) 1994 Fundação do Digital Broadcasting Development Office no Japão, hoje Advanced Radio Industries and Businesses (ARIB) Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/2008 2

3 Objectivos da Televisão Digital Transmissão de imagens de alta qualidade (HDTV) através das futuras redes de difusão terrestres Difusão com boa qualidade de programas através de canais de banda estreita e/ou aumentar o número de programas nos canais actuais Recepção em terminais de bolso equipados com pequenas antenas de recepção (recepção portátil) Recepção móvel de programas de televisão com boa qualidade Possibilidade de transmissão simples através de várias redes de telecomunicações e integração com o mundo dos PCs Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/2008 3

4 Digital Video Broadcasting (DVB) Permite que um maior número de programas de televisão seja difundido no mesmo canal de transmissão ou num contentor de dados Permite a difusão de programas de rádio e transmissão de dados Permite efectuar uma escolha flexível da qualidade das imagens e do áudio, incluindo HDTV, desde que o débito binário total não exceda a capacidade do contentor de dados Possui métodos de codificação seguros que dificultam ou mesmo impossibilitam o acesso não autorizado aos serviços pagos É uma técnica de transmissão de dados digital e como tal permite uma transmissão mais estável e simples bem como a integração com o mundo dos computadores pessoais Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/2008 4

5 Compressão de Informação Os contentores de dados disponíveis possuem capacidades que variam consoante o meio de transmissão, e.g. Cabo e satélite Terrestre ~40 Mbits/s ~20 Mbits/s A transmissão de informação de áudio e vídeo digital sem compressão requer débitos binários elevados, e.g. Vídeo CCIR Hz) Áudio com qualidade CD 216 ou 162 Mbits/s 1,4 Mbits/s Estes débitos inviabilizam a transmissão através dos meios disponíveis pois iriam requerer um elevado número de recursos, e.g., frequências de transmissão A solução a que viabiliza a transmissão digital é a compressão Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/2008 5

6 DVB & MPEG-2 O DBV define um conjunto de orientações para a utilização da norma MPEG-2 num sistema DVB ETR 154: Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation guidelines for the use of MPEG-2 Systems, Video and Audio in satellite, cable and terrestrial broadcasting applications ETSI - European Telecommunications Standards Institute Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/2008 6

7 DVB & MPEG-2 Áudio Os IRDs * devem suportar o MPEG-2 Layer I e Layer II É recomendada a utilização do Layer II Tipos de codificação Mono Estéreo Estéreo separado Estéreo conjunto Extracção de um par estéreo a partir de áudio MPEG-2 multicanal Frequências de amostragem 32, 44.1 e 48 khz * IRD - Integrated Receiver Decoder Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/2008 7

8 DVB & MPEG-2 Vídeo MPEG-2 Main Profile at Main Level Frame rate: 25 Hz Aspect ratio das imagens: 4:3, 16:9 ou 2.21:1 (em opção) Vectores de pan para permitir que monitores 4:3 apresentem imagens 16:9 em ecrã completo Suporte em ecrã completo de imagens com 720 x 576 pixéis (resolução nominal 704 x 576) Conversão de imagens de menores dimensões para ecrã completo Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/2008 8

9 Organização da Informação Os codificadores de áudio e vídeo produzem à sua saída fluxos elementares Elementary Streams (ES) Cada fluxo elementar é constituído por imagens ou tramas de áudio codificadas, as unidades de acesso Access Units (AUs) As unidades de acesso descodificadas dão origem às unidades de apresentação Presentation Units (PUs) É necessário definir regras para combinar de um modo organizado os vários fluxos elementares (incluindo fluxos de dados) de modo a permitir a sua descodificação, a sincronização entre áudio e vídeo e a selecção por parte do utilizador das componentes de interesse - Nível de Sistema Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/2008 9

10 Nível de Sistema Empacotamento e combinação de múltiplos fluxos elementares num único fluxo binário - Multiplexagem Adição de informação temporal aos fluxos elementares para controlo da apresentação - Sincronização Definição de um descodificador teórico de referência para controlo da codificação - System Target Decoder (STD) Inicialização e gestão dos buffers necessários para a descodificação dos fluxos elementares de acordo com o STD Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

11 MPEG-1 Sistema: Multiplexagem Define uma estrutura de pacotes para combinar a informação de áudio, vídeo e dados num único fluxo binário Cada fluxo elementar é dividido em pacotes Packets aos quais é acrescentado um cabeçalho de modo a formarem um Packetized Elementary Stream (PES) Contexto A norma MPEG-1 visa aplicações que envolvem dispositivos de armazenamento digitais Tipicamente a taxa de erros neste tipo de dispositivos é baixa ou negligenciável Como tal, é preferível utilizar pacotes grandes de comprimento variável de modo a minimizar a informação complementar Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

12 Multiplexagem de Áudio, Vídeo e Dados MPEG-1 Systems Video Video Encoder Video ES Packetizer Video PES Audio Audio Encoder Audio ES Packetizer Audio PES MUX MPEG-1 Systems Stream Private Data Packetizer Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

13 MPEG-1 Sistema: Sincronização Informação temporal para sincronização entre áudio e vídeo Decoding Time Stamp (DTS) marca temporal que indica o instante de descodificação da primeira AU presente no pacote Presentation Time Stamp (PTS) - marca temporal que indica o instante de apresentação da PU correspondente System Clock Reference (SCR) marcas temporais enviadas regularmente para sincronizar o relógio do descodificador System Time Clock (STC) relógio de sistema do descodificador com uma frequência de 90 khz Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

14 Sincronização entre Áudio e Vídeo Video Data Video Buffer Decoder Control via PTS, DTS AUs Video Decoder PUs MPEG-1 Systems Stream DEMUX SCR Systems Time Clock Generator STC Audio Data Audio Buffer Decoder Control via PTS AUs Audio Decoder PUs Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

15 Estrutura dos Pacotes PES Start Code Stream ID Packet Length Stuffing Bytes (opcional) STD Buffer Size PTS (opcional) DTS (opcional) Packet Data PES Type PES Number Nota 1: Cada pacote PES pode ter um comprimento máximo de 64 Kbytes Nota 2: A norma MPEG-1 especifica que o intervalo máximo entre PTSs/DTSs consecutivas deve ser inferior a 700 ms Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

16 Estrutura de um Stream MPEG-1 Sistema Num stream MPEG-1 os pacotes PES são agrupados em Packs Pack 1 Pack 2, etc Pack Header System Header Packet Packet End Code Pack Start Code System Clock Reference MUX Rate System Information Number and type of ESs PIDs of PESs PES Audio PES Video Private Data Cada stream MPEG-1 pode conter vários ESs: Vídeo (0-16) Áudio (0-32) Private Data (0-2) Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

17 MPEG-2 Sistema A norma MPEG-2 é mais genérica do que a norma MPEG-1, pois visa suportar um vasto conjunto de aplicações audiovisuais Em alguns cenários de aplicação a taxa de erros de transmissão pode ser elevada, e.g., difusão de televisão via terrestre Para estes cenários é necessário aumentar a resiliência aos erros Nos cenários em que a taxa de erros é baixa ou negligenciável não é necessário ter uma resiliência aos erros tão elevada A norma MPEG-2 Sistema especifica dois tipos de multiplexagem, cada um optimizado para um conjunto diferente de aplicações: Program Streams (PS) e Transport Streams (TS) Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

18 Program Stream (PS) Baseado na multiplexagem MPEG-1 Cada PS pode conter apenas um programa Desenvolvido para aplicações de armazenamento e recuperação de programas de dispositivos de armazenamento digitais, e.g., DVD Destinado a ambientes sem erros (BER inferior a ) Um PS é constituído por sequências de pacotes longos (vários KB) e de comprimento variável Erros no cabeçalho dos pacotes podem originar a perda completa de pacote e, devido à sua dimensão, originar a perda de imagens completas O comprimento variável dos pacotes dificulta a re-sincronização Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

19 Transport Stream (TS) Esquema de multiplexagem para múltiplos programas independentes Um TS é constituído por uma sequência de pacotes de dimensão fixa (188 bytes) Transport Packets A utilização de pacotes pequenos e de dimensão fixa reduz a susceptibilidade dos TSs aos erros (relativamente aos PS) Cada pacote de um TS pode receber protecção de erros adicional através da utilização de códigos correctores de erros A maior resiliência aos erros exibida pelos TSs torna-os mais adequados para ambientes propensos a erros, e.g., difusão de TV Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

20 MPEG-1 e MPEG-2 Sistema MPEG-1 MPEG-2 Video Video Encoder Program Audio Audio Encoder MUX Transport Auxiliary Data MUX Channel Error Protection Channel Modulation Service Information A Service Information B Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

21 Transport Packets 188 bytes Header Adaptation Field (opcional) Payload x x 8 bits bits bits Sync Byte 0x47 Packet Identifier (PID) transport_error_indicator payload_unit_start_indicator transport_priority continuity_counter payload_field_flag adaptation_field_flag transport_scrambling_control Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

22 Sincronização: Referências Temporais Program Streams Contêm apenas um programa que pode ser constituído por vários ESs System Clock (SC) - relógio para sincronização entre os vários ESs As marcas temporais (PTSs e DTSs) das AUs de todos os ESs presentes no PS são baseadas no SC Amostras regulares do SC System Clock References (SCRs) estão presentes no PS (pelo menos a cada 0,7 s) para permitir a sincronização do relógio do descodificador Transport Streams Um TS pode conter múltiplos programas independentes Cada programa possui o seu próprio relógio Program Clock (PC) Amostras de cada PC Program Clock references (PCRs) estão presentes no TS pelo menos a cada 0,1 s Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

23 Program Specific Information (PSI) Informação adicional (tabelas) que indica a relação entre os vários programas presentes no TS e os PIDs dos respectivos ESs Cada tabela é constituída por secções (max. 256) com uma dimensão máxima de 1024 bytes por secção (4096 no caso das tabelas privadas) A frequência de repetição das tabelas de informação não está especificada na norma, Deve ser suficientemente alta (10-50 vezes por segundo) para se poder aceder rapidamente a um programa em caso de mudança de canal A norma MPEG-2 especifica quatro tipos de tabelas: Program Association Table (PAT) Program Map Table (PMT) Network Information Table (NIT) Conditional Access Table (CAT) Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

24 Program Association Table (PAT) Tabela obrigatória em cada TS Enviada através dos pacotes com PID = 0 Indica, para todos os programas presentes no TS, a relação entre o número de programa ( ) e o PID dos pacotes que transportam o mapa desse programa (Program Map Table) A PAT é sempre enviada sem protecção, mesmo que todos os programas do TS estejam protegidos Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

25 Program Map Table (PMT) Fornece informação detalhada sobre o programa respectivo Identificação dos pacotes (PIDs) que transportam os ESs de áudio e vídeo associados ao programa PID dos pacotes que transportam as referências temporais associadas ao relógio do programa (PCRs) Pode ser enriquecida com um conjunto de descritores (normalizados e/ou especificados pelo utilizador), e.g. Parâmetros de codificação de vídeo Parâmetros de codificação de áudio Identificação da linguagem Informação sobre acesso condicional Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

26 Network Information Table (NIT) Tabela opcional de conteúdo privado, i.e., o seu conteúdo é definido pelo utilizador e não está normalizado pelo MPEG Tem como objectivo fornecer informação sobre a rede física, e.g. Frequências dos canais Detalhes sobre o satélite Características de modulação Fornecedor do serviço Redes alternativas disponíveis Quando presente a NIT encontra-se no programa zero da PAT Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

27 Conditional Access Table (CAT) Obrigatória sempre que pelo menos um ES num determinado TS estiver protegido Fornece informação sobre o sistema de protecção (scrambling) usado Indica os PIDs dos pacotes que transportam a informação de gestão do acesso condicional e de autorização O seu formato não é especificado pela norma MPEG-2 pois depende do mecanismo de protecção usado Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

28 DVB Service Information Tables Tabelas básicas Network Information Table (NIT) Service Description Table (SDT) lista os nomes e parâmetros dos serviços disponíveis no TS Event Information Table (EIT) informação sobre eventos que estão ou vão ocorrer no TS ou noutros TSs Time and Date Table (TDT) - usada para actualizar o relógio interno da set-top box Tabelas opcionais Bouquet Association Table (BAT) usada para agrupar serviços e que a set-top box pode usar para apresentar os vários serviços ao utilizador, e.g., através de um Electronic Program Guide (EPG) Running Status Table (RST) usada esporadicamente sempre que ocorra uma alteração do estado de um dado evento Stuffing Tables (ST) usadas para substituir tabelas que se tornaram inválidas Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

29 Navegação num Transport Stream MPEG-2 1. Após a sintonização do canal de rádio e sincronização com o TS i. Filtrar os pacotes com PID = 0 e adquirir as várias secções da PAT ii. Construir a PAT a partir dos dados obtidos iii. Apresentar as escolhas possíveis ao utilizador 2. Após o utilizador ter efectuado a sua escolha i. Filtrar os pacotes com o PID correspondente à PMT do programa escolhido ii. Construir a PMT a partir das secções relevantes (ESs) iii. Filtrar os pacotes com o PID indicado na PMT que contêm os PCRs iv. Sincronização do relógio do descodificador v. Apresentar ao utilizador as escolhas possíveis se existir mais do que um vídeo ES ou áudio ES disponíveis 3. Após o utilizador ter efectuado a sua escolha i. Filtrar os pacotes com o PID correspondente à escolha 4. Inicializar a descodificação de áudio e vídeo Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

30 Serviços Adicionais Teletexto Enviado através de pacotes PES que por sua vez são transportados através de pacotes TS A PMT de um determinado serviço contém o PID dos pacotes de teletexto associados ao serviço Um serviço pode conter vários fluxos de dados de teletexto O modo como um descodificador de teletexto deve ser implementado não é especificado pela norma DVB Legendagem Representação de objectos gráficos num ecrã de TV pixel-data Cada objecto possui um identificador (ID) único O ecrã é dividido em regiões onde se podem colocar os objectos Suporta várias disposições de objectos simultaneamente (apenas pode estar uma activa em cada instante), e.g., legendagem em várias idiomas Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

31 Acesso Condicional Regula o acesso dos utilizadores a um determinado serviço mediante a verificação de determinados requisitos, e.g. Identificação Autenticação Autorização Registo Pagamento No contexto da televisão paga (pay-tv), o sistema de acesso condicional assegura que apenas utilizadores autorizados (i.e., com um contracto válido) possam assistir a um determinado conjunto de programas A cifragem é um dos método usados para evitar que utilizadores não autorizados possam aceder a um dado serviço As set-top boxes incorporam o hardware, o software e as interfaces necessárias para seleccionar, receber e descifrar os programas Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

32 DVB & Acesso Condicional A informação de acesso condicional é transmitida através da tabela de acesso condicional (CAT) e de pacotes de dados privados indicados pela tabela de mapa do programa (PMT) O DVB define um algoritmo comum de cifragem Common Scrambling Algorithm (CSA) O sistema de acesso condicional não é definido pela norma DVB por razões comerciais (gestão da base de dados de subscritores) e de segurança (quanto mais aberto for o sistema mais facilmente é quebrado) O DVB prevê dois mecanismos distintos (simulcrypt e multicrypt) para evitar que um utilizador que pretenda aceder a redes com diferentes sistemas de acesso condicional tenha que possuir um número idêntico de set-top boxes Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

33 Simulcrypt Requer um acordo entre as diferentes redes de difusão que usam diferentes sistemas de acesso condicional mas o mesmo algoritmo de cifragem, e.g., DVB CSA Permite o acesso a um dado programa ou serviço através de qualquer dos sistemas de acesso condicional que façam parte do acordo O Transport Stream tem que transportar os pacotes de acesso condicional de cada um dos sistemas de acesso condicional que podem ser usados para aceder ao programa ou serviço em causa Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

34 Multicrypt As funções necessárias ao acesso condicional e à descifragem estão contidas num módulo separável (PCMCIA) A integração com deste módulo com o TS é efectuada através de uma interface comum DVB-CI Cada set-top box pode conter mais do que um slot DVB-CI, de modo a permitir a ligação de vários módulos de acesso condicional distintos Cada módulo contém geralmente uma interface para smart card e um mecanismo de descifragem Este sistema tem a vantagem de não exigir acordos entre os diferentes operadores de rede, mas é mais caro de implementar Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

35 Cifragem na Norma DVB Cifragem ao nível do TS É indicado no cabeçalho do pacote (transport_scrambling_flags ) o tipo de cifragem e a palavra de controlo usada A cifragem é efectuada depois de se ter multiplexado o payload do pacote de transporte (TP) Como um TP só pode conter dados de um PES é possível cifrar apenas parte de um PES Cifragem ao nível do PES A cifragem é efectuada ao nível da fonte, antes da multiplexagem, e é indicada no cabeçalho do pacote PES (PES_scrambling_control) O cabeçalho do PES nunca é cifrado A cifragem é efectuada em blocos de 184 bytes Nota: os dois métodos não podem ser usados em simultâneo Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

36 Mecanismo de Acesso Condicional A informação para descifragem é enviada através de mensagens específicas Conditional Access Messages (CAM): Entitlement Control Messages (ECM) Entitlement Management Messages (EMM) As mensagens CAM são geradas a partir dos seguintes dados Palavra de controlo (control_word) usada para inicializar a sequência de descifragem Chave de serviço (service_key) usada para cifrar a palavra de controlo para um grupo de um ou mais utilizadores Chave de utilizador (user_key) usada para cifrar a palavra de serviço; contida por exemplo num smart card Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

37 Mecanismo de Acesso Condicional (cont.) Cifragem: ECM = f(control_word, service_key) EMM = f(service_key, user_key) Descifragem: control_word = f(ecm, service_key) service_key = f(emm, user_key) control_word cifragem ECM ECM descifragem (control_word) control_word EMM service_key user_key service_key EMM descifragem (service_key) EMM user_key smart card (user_key) Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

38 Codificação de Canal Parte comum para cabo, satélite e terrestre satélite e terrestre apenas pacotes transporte Dispersão de Energia (seq. pseudo-aleatória) Codificação Exterior RS(204, 188, 8) Interleaving Codificação Interior (convolucional) 204 bytes 47 HEX 187 bytes 47 HEX R (187 bytes) RS(204,188,8) 47 HEX R (187 bytes) input data (m) coded data (n) code rate: R = m/n Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

39 Modulações Satélite (DVB-S): QPSK (2 bits/símbolo) Cabo (DVB-C): 64-QAM (6 bits/símbolo) Terrestre (DVB-T): 2K/8K OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex Consiste na modulação com símbolos de duração Ts de um número elevado de portadoras (N = 2048 ou 8192) separadas por intervalos de frequência 1/Ts As redes baseadas em 8K OFDM apesar de extremamente complexas são especialmente adequadas para recepção móvel e para redes de frequência única (Single Frequency Networks SFNs) Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

40 Recepção de Sinais de TV Digital codificação MPEG PES multiplexagem + cifragem FEC, DAC modulação QAM ou QPSK conversão de frequência, amplificação codificação MPEG codificação/descodificação de fonte codificação/descodificação de canal cabo ou satélite descodificação MPEG descifragem + desmultiplexagem DAC, FEC desmodulação QAM ou QPSK amplificação, conversão de frequência selecção Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

41 Televisão Digital em Portugal Aspectos Tecnológicos e de Mercado Modelos de Implantação Iniciativas e Políticas Comunitárias Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

42 Aspectos Tecnológicos e de Mercado Serviço Universal Apesar de caro o DVB-T pode reduzir os custos de distribuição entre 50% e 70% face ao serviço analógico Tem grande impacto o facto de as set-top boxes não estarem normalizadas Recepção universal (fixa, portátil e móvel) Desactivação do serviço analógico Poucos países definiram uma data É importante dotar o sistema digital de conteúdos apelativos que favoreçam a migração dos utilizadores Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

43 Modelos de Implantação Centralizado Uma plataforma digital única Concorrencial Múltiplas plataformas e operadores Misto Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

44 Iniciativas e Políticas Comunitárias Minimizar a regulamentação Incentivar o aparecimento de novos operadores numa perspectiva multi-plataforma como melhor forma de defender os interesses dos consumidores em aspectos como o preço, a diversidade e o pluralismo Promover a recepção livre para fomentar a rápida penetração Não é viável a imposição para todos os países de uma data de fecho do serviço analógico É fundamental a cooperação entre estados membros, nomeadamente na planificação e gestão do espectro Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

45 Sumário VI. Televisão Digital Perspectiva histórica A génese da televisão digital O caso Americano, Europeu e Japonês Os objectivos O problema da compressão Os possíveis meios de transmissão Actividades de normalização A norma europeia Digital Video Broadcasting (DVB) Técnicas de codificação de áudio e vídeo Multiplexagem Serviços adicionais Acesso condicional Codificação de canal e modulação digital Recepção de televisão digital A televisão digital em Portugal Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

46 Bibliografia H. Benoit, Digital Television: MPEG-1, MPEG-2, and principles of the DVB System, Arnold, London, Ulrich Reimers, Digital Video Broadcasting (DVB): The International Standard for Digital Television, Springer-Verlag, Berlin, Ronald de Bruin, Jan Smits, Digital Video Broadcasting: Technology, Standards, and Regulations, Artech House, Norwood MA, Paulo Jorge Lourenço Nunes ISCTE 2007/

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