Digitales Fernsehen: Technik, Standards und Vorteile

Vorteile des digitalen Fernsehens

1) Erhöhte Störfestigkeit: Im Falle eines analogen Signal-Rausch-Verhältnisses verschlechtert sich das Signal durch Störungen unaufhaltsam. Bei einem digitalen Signal hingegen kann das Signal, solange das Rauschen das Niveau einer Fehlinterpretation der Daten nicht überschreitet, ohne Qualitätsverlust extrahiert werden.

2) Ausweitung der Produktionskapazität und Manipulation: Die steigende Zahl verfügbarer Algorithmen kann Effekte erzeugen, die kreative Möglichkeiten erweitern und die Qualität der Signalverarbeitung verbessern.

3) Bandbreitenkontrolle: Durch die Digitalisierung können Signale komprimiert werden, wodurch mehrere Signale in der gleichen Bandbreite Platz finden, die zuvor von nur einem analogen Signal belegt wurde. In der analogen Welt verbleiben lediglich zwei Extreme: die Erfassung und die Präsentation.

Überblick der digitalen terrestrischen TV-Übertragung

• Bandbreiten-Administration: Durch Kompression können redundante Informationen aus dem Datenframe eliminiert werden, was weniger Bandbreite beansprucht.
• Erhöhte Störfestigkeit bei der Übertragung: Mithilfe von Algorithmen und Fehlerkorrekturverfahren können Fehlinterpretationen der Daten innerhalb eines bestimmten Bereichs korrigiert werden.
• Videoübertragung nach Komponenten: Da die Verbindung keine Umweltschäden am Signal verursacht, werden beim digitalen Video die Komponenten (Helligkeits- und Farbunterschiede) getrennt digitalisiert. Die Durchleitung an den Empfänger erfolgt so, dass Beeinträchtigungen vermieden werden.
• Höhere horizontale Auflösung: 350 Linien für ein TV-Signal, zum Beispiel 720 * 480 in NTSC oder 720 * 576 in PAL.
• Progressive Scan (Vollbildverfahren): Für eine korrekte Reproduktion sollten 24 oder mehr Bilder pro Sekunde vorliegen. Zur Unterdrückung von Flimmern sind jedoch 48 oder mehr Halbbilder erforderlich. Bei der Zeilensprungübertragung (Interlaced) hat man 25 oder 30 Frames pro Sekunde bei einer Frequenz von 50 oder 60 Feldern pro Sekunde, die das Auge summiert. Mit der digitalen Übertragung ist das Interlaced-Scanning nicht mehr zwingend erforderlich.
• Erhöhung der vertikalen Farbauflösung: Beim PAL-Composite-Video-Signal verringert das abwechselnde Zeilenmerkmal die vertikale Farbauflösung. Im digitalen Bereich können Komponenten ohne die Nachteile von Composite-Video verarbeitet werden.
• Unterschiedliche Seitenverhältnisse (16:9): Ein höherer Anteil der horizontalen Sicht ist angenehmer für das Auge. Ein umfassenderes Bild bietet eine Verbesserung von 30 % gegenüber dem aktuellen 4:3-Bildschirm.
• Digital Audio (CD-Qualität): 4–6 Mbit/s können mit Bitraten zwischen 128 und 256 kbps übertragen werden.
• Mehrere Audiokanäle: Die verfügbare Bitrate erlaubt durch Bearbeitungstechniken mehrere Audiokanäle wie Dolby AC-3, sodass Zuschauer Surround-Sound wie im Kino genießen können.
• Datenübertragung und andere Dienstleistungen: Der Übertragungskanal wird zu einem Breitband-Datendienst. Dank der Komprimierung von Video und Audio entsteht Kapazität für vielfältige Anwendungen.
• Möglichkeit von HDTV: Die große Kapazität der Bitrate bietet die Möglichkeit, High-Definition-Signale über die Luft zu übertragen. Je nach Format sind zwischen 14 und 18 Mbit/s erforderlich.
• Quantisierungsrauschen: Wenn ein 8-Bit-Bereich für das Videosignal genutzt wird, ist dieses in 256 Stufen unterteilt. Quantisierungsfehler sind in Bildflächen mit sanften Farbverläufen als Stufenbildung bemerkbar.
• Mängel der Kompression: Es wird berechnet, wie die nächsten Bilder aussehen, und es werden nur die Differenzinformationen gesendet.

Komponenten der Übertragung (TX)

Analog-Digital-Umsetzung

Diese ist nur erforderlich, wenn das Ausgangssignal des Programms in analoger Form vorliegt.

Kompression

Hierbei wird MPEG-2 verwendet, mit folgenden Funktionen:

• 8-Bit-Wortgröße
• Videoauflösungen bis zu 720 * 576 (PAL) und 720 * 480 (NTSC)
• Abtastung von 4:2:0-Komponenten-Video
• Unterstützung von Interlaced- oder Progressive-Scanning
• Bitraten von bis zu 15 Mbit/s
• Verwendung der DCT-Technik (Diskrete Cosinus-Transformation), um Elemente vom Zeitbereich in den Frequenzbereich zu konvertieren und Redundanzen zu entfernen
• VLC-Techniken zur Reduzierung der Bitrate
• Bewegungskompensation zur Reduzierung zeitlicher Redundanz
• Group of Pictures (GOP)
• Für Audio: MPEG-1 Layer 2 und Dolby AC-3

Multiplexer und Modulation

Multiplexer: Jeder Kanal wird von einem Encoder komprimiert, der einen Program-Stream liefert. Die Summe der Kanäle im Multiplexer ergibt einen Transport-Stream.
Modulator: Der vom Multiplexer bereitgestellte Datenstrom wird auf die Trägerfrequenz des Kanals moduliert.
Sender: Hier wird das Signal verstärkt, um einen angemessenen Pegel für eine ausreichende Abdeckung zu erreichen.
Antenne: Filter im Antennensystem dämpfen unerwünschte Signale außerhalb der Bandbreite gemäß den Normen.

Empfangskomponenten im Heimbereich

Antenne: Diese kann fest installiert (z. B. Yagi) oder tragbar sein.
Receiver/Decoder: Er stimmt den Kanal ab, dekomprimiert das ankommende HF-Signal und führt die Digital-Analog-Konvertierung für Video und Audio durch. Es gibt zwei Arten von Rezeptoren: integrierte Empfänger im Bildschirm oder Set-Top-Boxen (STB), die das Signal für herkömmliche Geräte über Y, Pb, Pr oder Stereo-Audio ausgeben.
Display: Set-Top-Boxen ermöglichen die Nutzung moderner Plasma-Bildschirme.

Globale Standards

• ATSC: Advanced TV Systems Committee (USA)
• DVB-T: Digital Video Broadcasting-Terrestrial (Europa); DVB-S für Satellit, DVB-C für Kabel.
• ISDB-T: Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial (Japan)

Der ATSC-Standard

Merkmale des Systems: Ein 6-MHz-Kanal bietet zwei Modulations-Teilsysteme:

• 8-VSB: Für die terrestrische Verbreitung über die Luft mit einer Netto-Datenrate von 19,3 Mbit/s.
• 16-VSB: Für Kabelübertragungen mit einer Bitrate von 38,6 Mbit/s.

Kombinationen von Videoprogrammen

• 1 Kanal High Definition (HD) mit 18 Mbit/s
• 1 HD-Kanal (14 Mbit/s) plus 1 Standard Definition (SD) Kanal (4 Mbit/s)
• 3 SD-Kanäle mit je 6 Mbit/s
• 4 SD-Kanäle mit je 4,5 Mbit/s
• 6 SD-Kanäle mit je 3 Mbit/s

Die Videokompression basiert auf MPEG-2 Main Profile (I, P, B-Frames; 4:2:0-Abtastung; 8-Bit-Genauigkeit). SD nutzt MP@ML (Main Profile at Main Level), HD nutzt MP@HL (Main Profile at High Level). Audio nutzt den AC-3-Standard (Dolby) mit bis zu 5.1 Kanälen (inklusive LFE-Kanal).

Verfügbare Audiodienste

Kompletter Haupt-Audioservice (CM), Musik und Effekte (ME), Dienste für Sehbehinderte (VI) oder Hörbehinderte (HI), Dialoge (D), Kommentare (C), Notfallnachrichten (E) und Voice-Over (VO). AC-3 arbeitet mit 16- bis 24-Bit-Wörtern bei 48 kHz Sampling und Bitraten von 32 bis 640 kbps.

Empfängereigenschaften und Datenstruktur

Downmix: Ermöglicht es, eine Multi-Channel-Übertragung je nach Empfänger als 5.1, Stereo oder Mono auszugeben.
Loudness-Uniformität: Vermeidet unerwünschte Lautstärkeschwankungen.
Dynamic Range Control: Dialogpegel bleiben stabil, laute Geräusche werden gedämpft und leise verstärkt.

Datenpaketstruktur

Der Transport-Stream besteht aus Paketen von 188 Bytes (187 Bytes Daten, 1 Byte Synchronisation). Ein Datenfeld besteht aus 313 Segmenten. Jedes Segment dauert 77,3 ms und enthält 832 Symbole. Der Prozess umfasst Randomisierung, Reed-Solomon-Codierung (FEC), Faltungs-Interleaving und Trellis-Codierung (Rate 2/3), bevor die 8 Ebenen pro Symbol zugeordnet werden.

Der DVB-Standard

Ausgelegt für 8-MHz-Bandbreite unter Verwendung von COFDM (Coded Orthogonal Frequency Multiplexing). Es gibt zwei Modi:

• 2k: 1705 Träger für Einzelsender oder kleine SFN-Netzwerke.
• 8k: 6817 Träger für große Netzwerke.

Die Träger können mit QPSK oder QAM moduliert werden. Die Bild- und Toncodierung folgt ISO/IEC MPEG-2. Es können Programme in Studioqualität (625 Linien) in 4:3, 16:9 oder 20:9 mit ca. 9 Mbit/s übertragen werden. Audio nutzt MPEG Layer II (MUSICAM) oder Dolby AC-3.

Fehlerschutz und Hierarchische Übertragung

Äußere Codierung: Reed-Solomon RS (204, 188). Innere Codierung: Raten von 1/2 bis 7/8. Bei der hierarchischen Übertragung können verschiedene Modulationsstufen (QPSK, 16-QAM, 64-QAM) kombiniert werden. Referenzsignale umfassen vereinzelte Piloten, kontinuierliche Piloten und TPS (Transmission Parameter Signaling).

Der ISDB-T-Standard

Verwendet OFDM-Modulation in 6-MHz- oder 8-MHz-Kanälen sowie MPEG-2-Multiplexing.
Parameter: Modi 2k, 4k, 8k; Modulationen: QPSK, DPSK, 16-QAM, 64-QAM.
Segmente: Bis zu 13 Segmente ermöglichen flexibles Management für HDTV, SDTV und mobilen Empfang.

Technische Aspekte der Übertragung

1. Sensitivität und C/N: Die Empfindlichkeit definiert den Leistungsbereich am Eingang. Es gibt zwei Schwellen: Qualität (Probleme ca. 2 dB über dem Abbruch) und Schnitt (totaler Empfangsausfall).
2. Mobiler Empfang: 8-VSB ist für mobilen Empfang ungeeignet, während COFDM (im 2k-Modus) dies ermöglicht, wenngleich die Bitrate sinkt.
3. Immunität gegen Impulsrauschen: Kurze Störsignale durch Elektromotoren werden durch digitale Verfahren besser abgefangen.
4. Nachbarkanalstörungen: Digitale Signale können analoge Bilder durch ein Punktmuster stören oder selbst durch analoge Signale als Rauschen (BER-Verschlechterung) beeinträchtigt werden.
5. Sendeleistung: Diese wird durch das Versorgungsgebiet bestimmt.
6. Bitrate vs. Robustheit: Je höher die Bitrate, desto besser die Qualität, aber desto geringer die Robustheit gegenüber Störungen.

Wirtschaftliche Aspekte

• Simulcast: Gleichzeitige Übertragung von analogen und digitalen Diensten während der Übergangsphase.
• Economy of Scale: Kostensenkung durch Massenproduktion.
• Single Frequency Network (SFN): Effiziente Frequenznutzung durch Gleichwellennetze.
• Kosten für Empfänger: Set-Top-Boxen sind die günstigste Lösung für Altsysteme, während integrierte HDTV-Empfänger deutlich teurer sind.
• Geschäftsmodelle: Neue Chancen durch Mehrkanalfernsehen, HD-Dienste, Breitband-Datenübertragung und mobilen Empfang.