Sayısal Video ve Audio Yayıncılığı
Prof. Dr. Mehmet Şafak Hacettepe Üniversitesi
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü [email protected]
Kapsam
• Analog ve Sayısal Yayıncılık
• MPEG standartları/ Advanced Audio Coding
• Yüksek Tanımlı TV
• Sayısal Radyo: DAB, DRM, DRM Plus, HD Radio
• DVB-T/T2, DVB-H, DVB-S/S2, DVB-SH, DVB-C/C2
• Internet TV, IPTV, P2P ile video akışı
• Gezgin kullanıcılar için TV yayıncılığı (DVB-H ve WiMax)
• Sonuçlar
Analog vs Digital TV
yamaç etkisi
Görüntü bozulmasının C/N ile değişimi Sayısal TV (QPSK-3/4); Analog FM/TV
Kaynak: EBU Technical Review - Autumn 1998 10
MPEG Standartları
MPEG-4
• Audio, video ve veri ile ilgili kısımlardan oluşur.
• 1998 yayınlandı
• MPEG-4 içeriğinin kullanım alanları
– yayıncılık (MPEG-2 içeriği ile birlikte),
– etkileşimli uygulamalar (IP/UDP/RTP, web için AV veri), – saklama (hard disk, CD-ROM, DVD).
• Bir tek veri akışı ile zaman, uzam ve kalitede ölçeklenebilirlik.
Advanced Audio Coding (AAC)
• Sayısal audio için sıkıştırma standardı.
• MPEG-2 ve MPEG-4 standartlarının bir parçası.
• MP3 (MPEG-2) ve Dolby Digital (AC-3)’a göre daha iyi başarım
• Geniş bir veri hızı aralığında MP3’ten daha kaliteli ses
– 96 kbit/s (stereo)’de ses kalitesi CD’ninkine yaklaşır.
MPEG-4
Bit rate trends for SDTV video
Yüksek Tanımlı TV (HDTV)
HDTV
• SDTV’den daha kaliteli görüntü
– Piksel sayısı daha fazla
• HDTV yayınları DVB-T/T2 ve MPEG-2/4 ile gerçekleştirilebilir.
• Bir analog TV kanalından 2 HDTV kanalı yayın yapabilir.
• HDTV audio: AAC yada Dolby Digital (AC-3).
HDTV
• HDTV sistemleri üç parametre ile tanımlanır:
– Çerçeve boyutu:
• Dikey x yatay piksel sayısı: 1280 x 720 yada 1920 x 1080.
• En-boy oranı: 16/9 = 1280/720 = 1920/1080
– Tarama sistemi:
• Progressive scanning (p)
• Interlaced scanning (i).
– Çerçeve hızı:
• Saniyedeki çerçeve sayısı: 25, 50,.. çerçeve/s .
HDTV
Resolution of various formats
HDTV
• HD Ready:
– Çözünürlük en az 1280 x 720 – Ayrı bir TV üstü cihaz gerekir
• HD Ready 1080p (Full HD):
– Çözünürlük 1920 x 1080
– Ayrı bir TV üstü cihaz gerekir
• HDTV, HD Ready ile aynı teknik özelliklere sahip
– Ayrı bir TV üstü cihaz gerekmez
Sayısal Radyo Sistemleri
• Eureka-147 DAB sistemi başarısız oldu
– Temel neden: yüksek veri hızı gereksinimi ve kalite düşüklüğü
• Digital Radio Mondiale (DRM) <30 MHz’te çalışır.
– DRM Plus <120 MHz bandında çalışacak.
– OFDM, QAM ve FEC kullanılmakta.
– 10 kHz’lik kanalda kanal koşullarına göre 8-35 kbit/s hızlarını destekler.
– Audio sıkıştırma: MPEG-4 HE-AAC (AAC+)
• HD Radyo, DRM’e benzer özelliklere sahip.
– 2002’de ABD’de DAB standardı olarak kabul edildi (FCC).
– Standart açık değil.
DVB Standartları
DVB-T2
• Standart ETSI’ye Haziran 2008’de sunuldu.
• İlk aşamada sabit/taşınabilir terminallere hizmet.
• Gelişmelere uyumlu
• Varolan DVB-T altyapısı kullanılabilir
• İyileştirilmiş SFN başarımı
• Bantgenişliğini daha esnek kullanım
• DVB-T’ye göre veri hızında ~ % 45 artış
• Farklı hizmetleri farklı düzeyde koruma özelliği
DVB-T2 vs DVB-T
DVB-T ve DVB-T2 özelliklerinin karşılaştırılması
Kaynak: DVB-T2 Fact Sheet
DVB-T vs DVB-T2 - Sistem Kapasitesi
DVB-T ve DVB-T2’nin kapasitelerinin karşılaştırılması (AWGN kanal)
(49% increase)
DVB-S2 vs DVB-S
• DVB-S2’nin önemli özellikleri:
– Farklı modülasyonları kullanabilme – Güçlü hata düzeltme kodları
– Uyarlanabilir modülasyon ve kodlama – Ölçeklenebilir bantgenişliği
– DVB-S ile birlikte çalışabilme
– DVB-DSNG ve profesyönel uygulamalar – DVB-S’e göre daha yüksek başarım
DVB-S2 vs DVB-S
2
DVB-S ve DVB-S2’nin TV yayınları için karşılaştırması
DVB-SH
• Geniş kapsama alanı olan bir uydu/karasal sistem
• S-bant (2.2 GHz)
• Video, audio ve veri hizmetleri
• Elde taşınabilir terminallere hizmet
• TDM ve OFDM karışımı iki farklı mimari
• Standart 2008’de yayınlandı.
• İlk DVB-SH uydusu 2009’da fırlatılacak
DVB-SH
Kaynak: DVB-SH standardı
DVB-C
• DVB-C standardı Aralık 1994’te yayınlandı.
• CABLETV ve SMATV sistemleri için geçerli
• DVB-C2’nin DVB-C’ye göre en az %30 kapasite artışına sahip olması öngörülüyor.
• DVB-C2, DVB-C ile uyumlu olmak zorunda değil.
• DVB-C2’nin özelliklerinin 2009 başlarında kesinleşmesi bekleniyor.
DVB-C
DVB-C ile DVB-C2’nin olası özellikleri (CfT’ye göre)
Internet Tabanlı TV Yayıncılığı
IP-tabanlı TV
• Internet üzerinden video akışı günümüzde
– Açık Internet üzerinden (QoS garantisi yok)
– IPTV (son uzantı, QoS ve erişim denetlenmekte) – P2P yöntemi ile
sağlanmaktadır.
• Daha yetenekli sıkıştırma algoritmaları ile bir TV kanalı için gerekli veri hızı düşürüldüğünde açık Internet’in kullanılması yaygınlaşabilir.
Ekonomik Etkenler
• Farklı hizmetler bir tek bağ (link) üzerinden
tümleştirilerek sunulduğundan, IP tabanlı servis sağlayıcılar için çekicidir:
– Gelir artışı
• Video hizmetleri alanında yeni fırsatlar
• Geniş bantlı hizmet fırsatları
– İşletme maliyetinde azalma
• Her farklı hizmet için ayrı bir altyapı ihtiyacını ortadan kaldırmak
• Hizmet sunumunda iyileşme
Ekonomik Etkenler
• IP-tabanlı TV yayıncılığının sunabildiği hizmetler:
– Standart tanımlı TV (SDTV) hizmetleri , – Öde-izle (pay-per-view) hizmetleri,
– Yüksek tanımlı TV (HDTV), – VoD,
– Sayısal video kayıtlama (DVR) hizmetleri
• Kişisel video kayıtlama (PVR)
• Ağda video kayıtlama (NVR)
– Etkileşimli hizmetler.
Teknik Etkenler
• Klasik TV yayıncılığında, tüm TV kanalları birlikte ve gerçek zamanlı olarak izleyiciye ulaştırılır.
• Son uzantı tüm kanalların işgal ettiği toplam bant-genişliğine sahiptir.
• IPTV hizmetlerinde ise son uzantının (DSL)
sınırlı bant genişliği nedeniyle herhangi bir anda alıcıya sadece tek bir TV kanalı ulaştırılabilir.
Teknik Etkenler
Son uzantı hattı uzunluğu (kft) Aşağı
yönde veri hızı
(Mb/s) Yankee Group, Broadband
Access Technologies, 2004.
Telco Take on Cable with Video Delivery
Çeşitli DSL teknolojilerinin bir çift bakır kablo üzerinde sundukları
Peer-to-Peer Protokolu (P2P) ile
Video İletimi
P2P ile Video İletimi
• P2P protokolu Internette çoğa-gönderim ve dosya paylaşımını desteklemek üzere
geliştirilmiştir.
• P2P denkler arası IP iletişimini olanaklı kılar.
– IPTV ise klasik istemci-sunucu modeli ile çalışır.
• Tipik bir P2P kullanıcısı kişisel bilgisayarından
istediği bir video içeriğini hizmet sunucuya yükler yada belirli bir kullanıcı gurubuna dağıtır.
P2P ile Video İletimi
• P2P teknolojisinin en iyi örneklerinden birisi Skype’dir.
• P2P ile, konutlardaki ADSL abonelerinin veri hızlarındaki asimetri nedeniyle, gecikmeye duyarlı olan yüksek kaliteli canlı video içeriklerinin yüklenmesi kolay olmayabilir.
• Ancak, gecikmenin çok kritik olmadığı VoD gibi uygulamalar için yeterli sayılabilir.
• P2P ile IPTV kalitesinde canlı TV yayınlar son uzantıda fiber kablo kullanılması durumunda gerçekleştirilebilir.
IPTV
IPTV Mimarisi
Son uzantı (last mile) (DSL)
Temel IPTV mimarisi Kaynak: www.dvb.org
IPTV
• İçerik genişbantlı Internet altyapısı üzerinden IP
kullanılarak gerçek zamanlı olarak izleyiciye ulaştırılır.
• IPTV hizmetlerinde hizmet sağlayıcının sahip olduğu yada denetlediği son uzantıyı kullanılır.
• Son uzantının denetimi, hizmet sağlayıcı tarafından
– QoS’in garanti altına alınması, – faturalandırma,
– elektronik program rehberi, – etkileşimli hizmetler,
– erişimin denetlenmesi, vb.
IPTV
• Video içeriklerinin iletimi için IPTV sistemleri belli bir QoS sağlamak zorundadırlar.
• IPTV’de QoS konusunda göz önünde
bulundurulması gereken bazı parametreler:
– gecikme,
– gecikme değişimi, – paket kaybı,
– verideki hata miktarı, ve
– sağlanan net bant genişliği (veri hızı)
IPTV’nin Özellikleri
Etkileşim
• IPTV kullanıcı odaklı bir systemdir
– Geleneksel TV yayıncılığı hizmet sağlayıcı odaklıdır
• Etkileşim için iki yönlü asimetrik iletişim gerekir
• Multimedia Home Platform (MHP) etkileşimli DVB için bir açık ara yazılım (middleware) standardıdır.
• Etkileşimli TV uygulamaları audio ve video hizmetleri ile birlikte aynı kanal üzerinden gerçekleştirilebilir.
Etkileşim
Tipik bir IPTV arayüzü Kaynak:A. Al-Hezmi et al., Int.
Gezgin Kullanıcılar için IPTV
Gezgin Kullanıcılar için IPTV
• Fiber, eşeksenli yada fiber-burgulu kablo topolojisine
sahip olan kablo TV sistemlerinde son uzantının tasarım, kurulum ve bakım masrafları oldukça yüksektir.
• IPTV için kullanılan son uzantının (DSL) kapasitesi ise sınırlıdır.
• Bu nedenle, son uzantı telsiz ortamda gerçekleştirilebilir.
• Bu durumda erişim ağları (access networks) da çekirdek ağlar (core networks) gibi IP tabanlı olmalıdır.
Gezgin Kullanıcılar için IPTV
• Olası sorunlardan bazıları:
– Canlı video iletiminde gecikmelerin belli bir düzeyin altına çekilebilmesi;
– Etkin veri hızının bir minimum değerin üstünde tutulabilmesi;
– Paket kayıplarının en aza indirilmesi;
– Cep telefonu ile alınan bir görüntünün daha yüksek çözünürlüğe sahip olan bir ekranda görüntülemesi;
– Alınan bir görüntünün sahip olduğu en-boy oranından (aspect ratio) farklı bir aygıtta gösterilmesi.
WiMAX Üzerinden IPTV
• WiMAX gezgin kullanıcılara IPTV hizmetlerini sunmak için bir erişim ağı olarak kullanılabilir:
– Görüş dışı menzillerde (<30 km) yüksek veri hızları (<50 Mb/s).
– Lisanslı ve lisanssız frekans bantlarında çalışabilir.
– Bant genişliği ölçeklenebilir ve yönetilebilir.
– Değişebilen çerçeve boyutlarını destekler.
– İçerik güvenli iletim için şifrelenmiştir.
– Telli erişim sistemlerine göre çok daha düşük kurulum ve bakım masrafları.
DVB-H
• DVB-H ile IP kullanılarak ilk aşamada sabit ve taşınabilir (portable) kullanıcılara aşağıdaki hizmetler sunulabilir:
– canlı TV,
– canlı ve isteğe bağlı video, and – Internet erişimi.
• DVB-H standardı (ETSI EN 302 304) Kasım 2004’te yayınlandı.
• DVB-T sinyalleri ile aynı çoklayıcıyı kullanabilir.
• DVB-T2’nin bir sonraki sürümüne dahil edilebilir.
DVB-H
• Düşük güç tüketimi
• Hücresel ortamda yüksek başarım ve dayanıklılık
– Gezgin kanalda C/N
– Gezgin kanalda Doppler kayması – Vuru gürültüsü (impulse noise)
• Gezgin terminal için ağ tasarım kolaylığı
– Tek antenli gezgin terminalin orta- büyük kapsama alanlı SFN’de çalışması
• Gezgin terminal ekranının boyu; düşük veri hızı ihtiyacı
DVB-H Üzerinden IP Teke Gönderim
MPE: multi-protocol encapsulation
TPS: transmission parameter signaling
Kaynak: DVB-H standard
DVB-H
• DVB-H aşağıdaki frekans bantlarında çalışmak üzere tasarlanmıştır:
– VHF-III (170-230 MHz, tümü yada kısmen) – UHF-IV/V (470-862 MHz, tümü yada kısmen) – L (1.452-1.492 GHz)
Sonuçlar
Sonuçlar
• Sayısallaşma süreci hızla devam etmektedir.
• DVB-T2, DVB-S2, DVB-C2, DVB-SH ve DVB-H hizmet ve teknolojileri yakınsamaktadır.
• Video/audio/veri, telli/telsiz, uydu/karasal/kablo hizmetleri yakınsamaktadır.
• Etkileşimli hizmetlere talep artmaktadır.
• Çoklu-ortam hizmetleri yaygınlaşmakta, çeşitlenmektedir.
Sonuçlar
• Üçlü hizmet ve telli/telsiz sistemlerin yakınsaması kullanıcı merkezli olan IPTV’nin yaygınlaşmasını çabuklaştırabilir.
• Internet omurgasının ve DSL ortamında son uzantının bantgenişliğinin artırılması gerekir.
• Internet ortamında verimlilik, güvenlik, akıllı ağ yönetimi, TCP/IP ötesi protokoller, yeni ağ
mimarileri, yönlendirme ve adresleme gibi konularda gelişmelere ihtiyaç vardır.
Sonuçlar
• Telsiz kanallarda IP kullanımından kaynaklanan sorunların çözülmesi gerekmektedir.
• HDTV, IPTV, DVB-T2, DVB-S2, DVB-H, DVB-SH ve MPEG-4’e geçiş çalışmalar paralel
yürütülmelidir.
• Bu bağlamda teknolojinin doğru seçimi ve zamanlaması çok önemlidir.
• Frekans planlaması ihtiyacı acildir.
Sayısal TV’ye Geçişin Zamanlaması
MPEG-2 MPEG-4
