Tweet
DİJİTAL TELEVİZYON YAYINLARININ (DVB) BUGÜNKÜ DURUMU
Özet
Dijital sistemlerin çok hızlı bir şekilde gelişmesi ister istemez televizyon sisitemlerini de etkilemişve dijital televizyona doğru hızlı bir geçiş başlamıştır. Dijital televizyon sistemlerinin çalışma prensiplerini anlatmadan önce dijital sistemlere kısa bir giriş yaparak, bu teknolojinin sağladığı
yeni imkanlardan bahsedilecek ve sistemin bugünkü ve yakın gelecekteki durumu incelenecektir.
Giriş
“Dijital” terimi Avrupa dillerindeki “digital” teriminin okunuşu olup Türkçe karşılığı
“Sayısal”dır. Elektronik sistemler “analog” ve “sayısal” olmak üzere ikiye ayrılır. Analogsistemlerde elektrik sinyalleri sürekli olarak değişir ve belli sınırlar içinde her değeri alabilirler.Sayısal sistemlerde ise elektriksel sinyaller olduğu gibi iletilmez. Bu sinyellerin yerine bunlara karşıdüşen rakamlar iletilir. Elektronik sistemlerde genel olarak giriş ve çıkış sinyalleri “analog” yapıdadır. Bunların sayısal olarak işlenebilmesi ve iletilebilmesi için “Analog/Sayısal Dönüştürücü” (Analog-to-Digital Converter, ADC) ve “Sayısal/Analog Dönüştürücü” (Digital-to-Analog Converter, DAC) kullanılır. Başlangıçta elektronik devrelerin hemen hemen tamamı “analog” olarak gerçekleştiriliyordu. Fakat zaman içinde “sayısal” devreler çoğalmaya ve analog devrelerin yerini almaya başladı. Bugün bütün elektronik sistemler sayısallaşmaya başlamıştır. Çünkü sayısal elektronik devreler:
a. Daha güvenilirdir.
b. Devreler ve sistemler aynen tekrarlanabilir (Her benzer sistem tıpatıp aynen çalışır).
c. Sinyal kalitesi değişmez. Bu kalite istenildiği kadar iyi yapılabilir.
d. Çok geniş çapta tümleştirilebilir.
e. Gürültü ve dış etkilerden çok az etkilenir.
f. Daha ucuzdur (Pek çok uygulamada).
g. Kopyalama ve iletim sırasında bozulmaz. (İlk kopya ile yüzüncü kopyanın kalitesi
aynıdır)
h. TV ve bilgisayar sistemleri “Multimedia” adı altınde birleşerek tek bir sisteme
dönüşmektedir.
i. Dijital sinyal işleme teknikleri hızla gelişmektedir.
j. Geniş çaplı tümleşik devreler (VLSI:Very Large Scale Integrated Circuits) halinde bütün
sistemin tek bir kırmık (chip) olark imalata uyundur.
Sayısal elektronik sistemler 1950 yıllarında ilk tüplü bilgisayarın icadı ile uygulanmaya başladı. Buna karşılık ilk elektronik kol saatleri ve küçük, ucuz hesap makinelerinin piyasaya çıkması ancak 1970’li yıllarda mümkün oldu. Bu tarihten sonra sayısal elektronik devreler ve sistemler yavaş yavaş bütün alanlarda analog devrelerin yerini almaya başladı. Artık sayısal devrelerin kullanılmadığı elektronik sistem yok denilecek kadar azalmıştır.
Bugün herkesin kullandığı dijital ses-görüntü sistemleri içinde CD(Compact Disc), DAT(Digital Audio Tape), VCD(Video CD), DVD(Digital Video Disc) sayılabilir. Dijital TV kameraları, Fotoğraf makinaları, Digital radyo ve televizyon yayınları ise çok yakında tamamen dijital haledönüşecek gibi görünmektedir.
Dijital Radyo ve Tv Yayınlarının Bu Günkü Durumu
Radyo ve TV yayınları “karasal”, “uydu” ve “kablo” olmak üzere üç kanaldan yapılmaktadır. Dijital yayınlar da aynı ortamları kullanmakla birlikte bunlara ek olarak “internet” kanalı ile deyayınlanabilmektedir. Dijital yayınlar ilk olarak 1994 yılında uydu yayını olarak başladı. Bugün uydu yayınlarının büyük çoğunluğu dijital olarak yapılmaktadır. Analog uydu yayınları halen devam etmekle beraber bir-iki yıl içinde tamamen dijital yayına dönüşecektir. Kablo yayınları da halen hem analog hem de dijital olarak yapılmaktadır. Karasal yayınlarda analaog yayınlar devam etmakle beraber çeşitli ülkelerde analog yayınla birlikte dijital yayınlar da başlamış bulunmaktadır. İngiltere, Finlandiya, , İsveç, İspanya, A.B.D. 2000 yılında dijital yayınlara başlamış olan ülkelerdendir. Belçika, Danimarka, Almanya, İrlanda,
Norveç, Avustralya, Rusya 2001 yılı içinde, Hırvatistan, Çek Cumhuriyeti, Fransa, Yunanistan, Macaristan, Litvanya, Ukrayna, Kanada gelecek yıl yayınlara başlayacaktır. Diğer ülkeler de bir-iki yıl içinde dijital yayınlara başlayacaktır. Analog yayınlar zaman içinda azaltılarak en geç 2010 yılında tamamen kaldırılacaktır
Analog Sinyallerin Sayısallaştırılması
Analog işaretlerin Sayısal’a dönüştürülmesi, örnekleme, basamaklama ve kodlama olmak üzere üç aşamada yapılır.
Analog sinyaller zaman ve genlik olarak sürekli sinyallerdir. Bunları sayısallaştırabilmek için önce belli aralıklarda örnekler alınması gerekir. Örnekleme sıklığı sayısallaştırılmak istenen sinyalde bulunan en yüksek frekans bileşeninin en az iki katı olmalıdır. Aksi halde spektrum örtüşmesi (aliasing) yüzünden bozulmalar meydana gelir ve orijinal sinyal tekrar elde edilemez.
Alınan örneklerin genlikleri herhangi bir değerde olabilir. Buna karşılık işaretin sayısala çevrilebilmesi için kullanılacak seviye sayısının sınırlı olması gerekir. Bu sayı, her bir örnek için kullanılacak kod uzunluğu ya da bit sayısı tarafından belirlenir. Örnek olarak 8-bit’lik bir kodlama yapılacaksa 256 seviye, 3-bit’lik bir kodlama yapılacaksa sadece 8 seviye kullanılabilir. Seviye veya basamak sayısının artması alıcı tarafta sayısal/analog dönüştürücü çıkışında elde edilecek sinyalin kalitesini belirler. Daha iyi kalite için daha çok bit ve daha çok basamak kullanmak gerekir.Örnek olarak 0-1V arası değişen bir sinyali 3-bitlik bir kodlama ile sayısallaştırmak istiyorsak basamak sayısı 8, aralık sayısı ise 8 -1=7 dir. 1 volt 7 aralığa bölünürse iki basamak arası 0,143V olur. Basamak sayısı belli olduktan sonra her basamağa karşı düşen bir kod oluşturulur. Bu, genelde, basamak numarasının ikili sayı sistemindeki karşılığıdır.
Kodlama işlemini gerçekleştirmek için alınan örneğin genliğine bakılır. Bu genliğe en yakın basamak hangisi ise o basamağın kodu gönderilir. 3. örnekteki sinyal genliği 0.82 volt olsun. Budeğere en yakın basamak 0,857V seviyesine karşı düşen 6. basamak olduğundan onun kodu olan 110 kodu çıkışa iletilir. Alıcıda ters işlem yapılır. Önce, seri olarak gelen bit dizileri ikili sayıya dönüştürülür. Bu sayı bir sayısal/analog dönüştürücü yardımı ile gerilime çevrilir. Elde edilen basamaklı gerilim süzülerek analog işaret tekrar elde edilir. Video işaretinin sayısal olarak işlenmesi için önce resim çerçevesi herbiri 16x16 benek (piksel) büyüklüğünde olan ve “Makroblok” adı verilen parçalara bölünür. Her makroblok önce kendi içinde kodlanır. Bu kodlama işlemine her noktanın aydınlık ve renk bilgileri sayısallaştırılarak başlanır. Standart televizyon görüntülerinin sayısallaştırılmasında 13.5 MHz örnekleme hızı ve örnek başına 8 bit (256 gri seviyesi) kullanılır. Bir satırda 720 örnek alınır. Değişik standartlarda değişik örnekleme biçimleri kullanılmaktadır. Bunlar ;
1. 4:4:4 (4 Y, 4Cr , 4Cb; renk ve aydınlık ayni şekilde örneklenir)
2. 4:2:2 (4 Y, 2Cr , 2Cb; sadece yatay doğrultuda seyrekleme yapılır)
3. 4:2:0 (4 Y, 1Cr , 1Cb; her iki doğrultuda seyrekleme yapılır)
burada
Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B aydınlık işareti
Cb = 0,564 (B-Y) mavi renk fark işareti
Cr = 0,713 (R-Y) kırmızı renk fark işareti
Standart PAL kalitesinde bir görüntü için 13MHz civarında örnekleme hızları ve renkli resim için örnek başına 24 bit’lik kodlama gerekir. Bu durumda PCM olarak kodlanan bir görüntünün iletilmesi için gerekli veri hızı 13x24=312Mb/s olacaktır.
Görüldüğü gibi standart bir resim için bile veri hızı saniyede 300MB (300 milyon bit) ‘in üzerine çıkmaktadır. Yüksek Ayırıcılı Televizyon sistemlerinde (HDTV) ise veri hızı 1GB/s’den fazla olacaktır. Bu kadar yüksek bir veri hızında TV işaretlerinin iletilmesi ve saklanması pratik olarak uygulanabilir değildir. Bu durumda yapılacak tek iş sayısallaştırılmış işaretin özel tekniklerle sıkıştırılarak veri hızının makul seviyelere çekilmesidir. Standart TV için 3-8MB/s , HDTV için 18-
20MB/s gibi makul hızlara inebilmek için 100:1, 50:1 gibi oranlarda bir sıkıştırmaya gerek vardır.
Görüntü sıkıştırma yöntemleri üç ana esasa dayanır:
1. Görüntüdeki uzaysal ilişkilerden yararlanılarak gereksiz bilgilerin atılması,
2. Görüntüdeki zamansal ilişkilerden yararlanılarak gereksiz tekrarların atılması,
3. İnsan gözünün ayırd edemeyeceği detayların atılması.
Sabit resimlerde uzaysal benzerlikler, hareketli resimlerde ise hem uzaysal (Resim içi) hemdezaman içindeki (Resimler arası) benzerlikler kullanılarak büyük sıkıştırmalar yapılabilir. Sabit resimlerde 10:1 ile 50:1, hareketli görüntülerde ise 50:1 ila 200:1 oranlarında bir sıkıştırma yapılabilmektedir. Ancak, bu kadar yüksek sıkıştırmalar için görüntü kalitesinde az da olsa birkayıp sözkonusudur.
Sıkıştırmada insan gözünün fizyolojik özellikleri de kullanılır. Gözün renk işareti için ayırıcılığıaydınlık işaretine oranla daha azdır. Yani net siyah/beyaz bir görüntünün üzerine bulanaık bir renk konulursa toplam resim renkli ve net olarak görünür. Buna dayanarak aydınlık işareti (luminance) 720×480 benek (piksel) renk işareti ise sadece 360×240 benek olarak taranır. Ayrıca renk bilgisi daha az bit sayısı ile tanımlanabilir. Sonuç olarak renk için gerekli toplam bit sayısı aydınlık işareti
için gerekli olandan çok daha az yapılabilir. İnsan gözü görüntüdeki ince detaylara veya yüksek uzamsal frekanslı enerjilerdeki seviyedeğişikliklerine daha az duyarlıdır. Buna bağlı olarak resimdeki ince ayrıntılar daha az sayıda bitle
kodlanabilir.
Bütün bu özellikler kullanılarak yapılan kodlamalarla 100:1 gibi çok yüksek sıkıştırma oranlarında bile orijinal görüntüye çok yakın görüntüler elde edilebilmektedir.
Sayısal görüntü sıkıştırmada kullanılan değişik standardlar kullanılmaktadır.
Bunlar:
a. JPEG: Hareketsiz resimleri sıkıştırmak için kullanılır.
b. CCIR-601 FORMATI ( D1 FORMATI ) 1982’de kabul edilen ilk standarttır. Sadece çok düşükayırıcılığıngerektiği videofon, telekonferans, izleme sistemleri gibi yerlerde kullanılır.
c. MPEG1: Düşük ayırıcılığı olan uygulamalarda (VCD, multimedia gibi) kullanılmaktadır. Enyüksek veri hızı 1.8 MB/s ile sınırlıdır.
d. MPEG-2: Yüksek kaliteli görüntü verebilen bir standarttır. Veri hızı 2-20MB/s arası değişebilir.
TV yayınlarında bu sıkıştırma standardı kullanılmaktadır.
MPEG-2 standardının 5 değişik profili ve her profilin ana (main level) ve düşük (low level) olmak üzere iki seviyesi bulunmaktadır. Normal Tv yayınlarında “Ana Profil/Ana Seviye”, HDTV yayınlarında ise “Yüksek Profil/Ana Seviye” kullanılır.
Elde edilen kodlanmış sayısal işaretin kablo veya uzaydan iletilmesi için bir sayısal kipleme (modülasyon) işlemine tabi tutulması gerekir. Bu iş için her tür sayısal kipleme kullanılabilirse de sayısal TVyayını için aşağıdaki kiplemeler standart olarak kabul edilmiştir.
DVB-T: Karasal yayınlar için COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex:Kodlu Dikgen Frekans Bölümlemeli Çoğullama)
DVB-S: Uydu yayınları için QPSK (Quadrature Phase Shift Keying: Dikgen Faz ÖtelemeliAnahtarlama)
DVB-C: Kablo yayınları için QAM (Quadrature Amplitude Modulation: Dikgen Genlik Kiplemesi)
A.B.D.de yerel yayınlar için COFDM yerine Tek yan bandı kısmen bastırılmış bir genlik kiplemesinin (Bugün analog yayınlar için kullanılan kipleme) sayısala uyarlanmış şekli olan 8-seviyeli VSB (Vestigial Side Band: Kuyruklu Yan Band) kiplemesi tercih edilmiştir. Amerikanstandardında VSB kiplemesi trellis kodlaması ve Reed-Solomon titpi hata kodlaması ile birlikte kullanılmaktadır.
Bütün standardlarda görüntü sıkıştırma yöntemi olarak MPEG-2 kullanılmaktadır. Avrupadaki sayısal TV yayınlarında DVB standardının (ISO/IEC 1318, ITU-R601) üç değişik kipleme biçimi kullanılmaktadır.
Böylece dünyada tek bir TV yayın standardına geçmek için ele geçen altın bir fırsat daha heba edilmiştir.
Sayısal TV işaretlerinin yayınlanması için sayısal ses ve görüntüye ait verilerin önce paketler haline getirilmesi, sonra bu paketlerin harmanlanarak birleştirilmesi (zaman çoğullaması) ve tek bir bit-dizisi haline getirilmesi gerekir. Bu dizi kullanılacak yayın standardına uygun bir şekilde kiplenerek yayına verilir.
MPEG görüntü ve ses kodlayıcısından ayrı ayrı gelen paketler ardarda eklenerek transport katmanı oluşturulur. Ses ve görüntü paketlerinin sayıları ve uzunlukları eşit değildir. Hangi paketin hangi bilgiyi taşıdığı başındaki “Paket Başlığı” kısmına bakılarak anlaşılır.
Çoğu zaman sayısal TV yayın şirketleri birden fazla TV yayınını ayni “yayın paketi” içinde gönderirler. Bu durumda sadece bir takım ses ve görüntü işaretleri değil, birden fazla stüdyodan gelen işaretlerin birleştirilmesi gerekir.
Transport paketlerinde ses ve görüntü bilgileri dışında diğer yardımcı bigileri (Program bilgileri, alt yazılar v.s.) de iletmek gerekir. Ayrıca bu sayısal bilgileri iletim sırasında meydana gelebilecek bozulmalardan korumak için “Hata Bulma va Düzeltme Kodlaması” gerekir. Hata düzeltmesi, herpaket için belli sayıda bit eklenerek sağlanır. Eklenen bit sayısı ne kadar çok olursa o orandaki
bozulmuş veri bitleri düzeltilebilir.
Dijital TV Alıcıları
Dünyada kullanılmakta olan milyonlarca TV alıcısını kısa bir süre içinde değişrtirmek mümkün olmadığından ilk aşamada bu cihazları değiştirmek yerine mevcut analog alıcılarla dijital yayınlarıalmak için “Set Üstü Cihaz (Set-Top-Box)” adı verilen üniteler geliştirilmiştir. Bu üniteler dijital yayın işaretlerini alarak analog hale getirir ve normal TV alıcısına verir.
Set Üstü Cihazda antenden gelen kiplenmiş işaret önce “Tuner/Kipçözücü” blokundan geçirilerek MPEG-2 veri dizisi elde edilir. İstenirse bu noktada şifre çözme devresi kullanılarak şifreli yayınların izlenmesi sağlanır. Elde edilen dizi MPEG kodçözücüye uygulanarak sayısal ses ve görüntü işareti elde edilir. Elde edilen sayısal ses bir sayısal-analog önüştürücü (Audio DAC) yardımı ile analog iki veya beş kanallı sese dönüştürülür.
Sayısal görüntü işaretinin üzerine menü yazıları (OSD) ve diğer istenen ek görüntüler eklenerek istenirse bir video kodlayıcıdan geçirilir ve PAL veya NTSC standardında bileşik video işareti eldeedilir. Çıkan işaret sayısal-analog dönüştürücüden (Video DAC) geçirilerek analog görüntü işareti
elde edilir. İstenirse analog ses ve görüntü işaretleri yeniden kiplenerek VHF veya UHF bandında standart TV sinyali haline getirilerek TV alıcısının anten girişine uygulanabilir. Ama daha kaliteli bir görüntü elde etmek için anten girişi yerine varsa televizyonun A/V veya SCART girişini kullanmak gerekir.
Set-üstü-cihazın içinde bu fonksiyonları kontrol eden, sinyalleri birbirinden ayıran ve MPEG kodçözme işlemini kontrol altında tutan çok güçlü bir mikroişlemciye gerek vardır. Bu işlemci aynızamanda cihazın dış dünya ile olan iletişimini sağlar.
“Tuner” yüksek frekanslı işaretleri süzer ve frekansını düşürür. Bu devrenin çıkışında alçak frekanslı kiplenmiş sayısal işaretler vardır. Genelde dikgen (Quadrature) kipleme kullanıldığı için Ive Q olmak üzere iki çıkışı vardır. Bu iki çıkış daha sonra gelen Kipçözücü (Demodulator) devresine verilir. Bu blokun tamamı “Digital Tuner” adı altında tek bir kutu olarak satılmaktadır.
Set-Üstü-Cihazın en önemli kısmı ayırıcı ve MPEG kodçözücü kısmıdır. Kipçözücüden gelen çoğullanmış paketlerin ayıklanarak her paketin hangi programa ve programın hangi kısmına (ses veya görüntü) ait olduğu tesbit edilerek ayıklanması gerekir. Bu ayıklama işi sinyal gelir gelmez anında yapılmalıdır. Bunun için çok hızlı ve güçlü bir mikroişlemci ve bir tampon bellek DRAM (Dynamic Random Access Memory) veya SDRAM (Synchronous DRAM) gereklidir. Gerçek zamanlı bir işletim sistemi altında çalışan en az 32-bit’lik mikroişlemcinin en önemli işi bu paketleri tanıyıp ayıklamaktır.
Belli bir programa ait görüntü ve ses paketleri ayıklanarak görüntü paketleri Video
Kodçözücüsüne (Video Decoder), ses paketleri ise Ses Kodçözücüsüne (Audio Decoder) iletilir. MPEG-2 (veya ses için AC-3) çözücü devresi gelen MPEG bitlerini kullanark sayısal görüntü işaretini ve sayısal ses işaretini oluşturur. Bu işaretler bir sayısal/analog dönüştürücü (DAC) ileanalog işaretlere dönüştürülür.
Sonraki çözümlerde ayırıcı, şifre çözücü ve 32-bit mikroişlemci tümleştirilerek tek bir tümdevrehalinde imal edilmeye başlanmıştır. Ayni anda MPEG-2 resim ve ses çözücü, OSD, Grafik , PAL/NTSC Kodlayıcı ve Video DAC devresi tümleştirilerek tektaş tümdevre haline getirilmiştir.
Son olarak her iki tümdevre birleştirilerek bütün devre tek bir tümdevreye indirgenmiştir. Böylece DRAM bellek devreleri dışındaki bütün devreler tümleştirilmiştir.
Resim içinde resim gösterme (PIP), 2 ve 3 boyutlu canlandırma ve benzer multimedyafonsiyonlarının tümleştirilmesi için mikroişlemcinin de güçlendirilmesi ve 64-bit’lik işlemcileregeçilmesi gerekmiştir.
Sayısal/Analog çeviricilerin çıkışları kuvvetlendirilerek resim tübüne (veya başka tip bir gösterme elemanına), ses çıkışı da hoparlöre verilir.
Yazılım
Dijital alıcıların en zor kısmı yazılım kısmıdır. İstasyon bulma, kanal programlama, ses ve görüntü bileşenlerinin tanınarak ayıklanması ve buna benzer daha pek çok işlem yazılım tarafından gerçekleştirilmektedir.
Yazılım üç kısımdan oluşmaktadır:
1. Alıcı imalatçısı tarafından yazılması gereken “Uygulama Yazılımı”.
2. Kısman alıcı imalatçısı kısmen de Tümdevre imalatçısı tarafından yazılan “Uygulama Yazılım Arayüzü”.
3. Tümdevre imalatçısı tarafından verilen veya yazılım evlerinden satın alınan “Gerçek Zamanlıİşletim Sistemi”
4. Tümdevre imalatçısı tarafından yazılan “Sürücü” yazılımları.
Sonuç
Bugün dijital televizyon yayın sistemleri ve dijital televizyon alıcıları (Set Üstü Cihazı halinde) artık olgunluk çağına ulaşmıştır. Bu iş için gerekli tümdevreler, tüner devreleri ve diğer elemanlar çeşitli firmalar tarafından üretilmekte ve kolayca bulunabilmektedir. Tüner + Tek tümdevre + hafızave birkaç yardımcı devre ile bir alıcı yapılabilmektedir Gerekli yazılımlar imalatçı şirketlertarafından yazılabileceği gibi hazır olarak da satın alınabilmaktadir. Devrelerin kalitesini ve işlevlerini arttırmak ve maliyati düşürmek için hala yapılabilecek pek çok iyileştirmeler vardır.
Nitekim dijital alıcı fiyatları hızla düşmektedir. İki yıl önce 500 A.B.D. Doları civarında olan uydu alıcıları bugün 100 A.B.D. Doları’nın altına düşmüştür. “Daha ucuz ve daha iyi”yi yapma çabalarıdevam etmektedir.
Uydu yayınlarında dijital yayın sayısı analog yayınların çok üstüne çıkmıştır. Bir-iki yıl içinde analog uydu yayınları tamamen sona erecek gibi görünmektedir. Pek çok ülkede karasal yayınlar başlamıştır geri kalanlarda da bir-iki yıl içinde başlayacaktır. En geç 2010 yılına kadar analog yayınların tamamen sona ermesi planlanmaktadır.
Kaynak: Prof.Dr. Avni MORGÜL (Boğaziçi Üniv. Electrical and Electronic Engineering)
Düzenleyen ve Html aktaran: Engineer
Özet
Dijital sistemlerin çok hızlı bir şekilde gelişmesi ister istemez televizyon sisitemlerini de etkilemişve dijital televizyona doğru hızlı bir geçiş başlamıştır. Dijital televizyon sistemlerinin çalışma prensiplerini anlatmadan önce dijital sistemlere kısa bir giriş yaparak, bu teknolojinin sağladığı
yeni imkanlardan bahsedilecek ve sistemin bugünkü ve yakın gelecekteki durumu incelenecektir.
Giriş
“Dijital” terimi Avrupa dillerindeki “digital” teriminin okunuşu olup Türkçe karşılığı
“Sayısal”dır. Elektronik sistemler “analog” ve “sayısal” olmak üzere ikiye ayrılır. Analogsistemlerde elektrik sinyalleri sürekli olarak değişir ve belli sınırlar içinde her değeri alabilirler.Sayısal sistemlerde ise elektriksel sinyaller olduğu gibi iletilmez. Bu sinyellerin yerine bunlara karşıdüşen rakamlar iletilir. Elektronik sistemlerde genel olarak giriş ve çıkış sinyalleri “analog” yapıdadır. Bunların sayısal olarak işlenebilmesi ve iletilebilmesi için “Analog/Sayısal Dönüştürücü” (Analog-to-Digital Converter, ADC) ve “Sayısal/Analog Dönüştürücü” (Digital-to-Analog Converter, DAC) kullanılır. Başlangıçta elektronik devrelerin hemen hemen tamamı “analog” olarak gerçekleştiriliyordu. Fakat zaman içinde “sayısal” devreler çoğalmaya ve analog devrelerin yerini almaya başladı. Bugün bütün elektronik sistemler sayısallaşmaya başlamıştır. Çünkü sayısal elektronik devreler:
a. Daha güvenilirdir.
b. Devreler ve sistemler aynen tekrarlanabilir (Her benzer sistem tıpatıp aynen çalışır).
c. Sinyal kalitesi değişmez. Bu kalite istenildiği kadar iyi yapılabilir.
d. Çok geniş çapta tümleştirilebilir.
e. Gürültü ve dış etkilerden çok az etkilenir.
f. Daha ucuzdur (Pek çok uygulamada).
g. Kopyalama ve iletim sırasında bozulmaz. (İlk kopya ile yüzüncü kopyanın kalitesi
aynıdır)
h. TV ve bilgisayar sistemleri “Multimedia” adı altınde birleşerek tek bir sisteme
dönüşmektedir.
i. Dijital sinyal işleme teknikleri hızla gelişmektedir.
j. Geniş çaplı tümleşik devreler (VLSI:Very Large Scale Integrated Circuits) halinde bütün
sistemin tek bir kırmık (chip) olark imalata uyundur.
Sayısal elektronik sistemler 1950 yıllarında ilk tüplü bilgisayarın icadı ile uygulanmaya başladı. Buna karşılık ilk elektronik kol saatleri ve küçük, ucuz hesap makinelerinin piyasaya çıkması ancak 1970’li yıllarda mümkün oldu. Bu tarihten sonra sayısal elektronik devreler ve sistemler yavaş yavaş bütün alanlarda analog devrelerin yerini almaya başladı. Artık sayısal devrelerin kullanılmadığı elektronik sistem yok denilecek kadar azalmıştır.
Bugün herkesin kullandığı dijital ses-görüntü sistemleri içinde CD(Compact Disc), DAT(Digital Audio Tape), VCD(Video CD), DVD(Digital Video Disc) sayılabilir. Dijital TV kameraları, Fotoğraf makinaları, Digital radyo ve televizyon yayınları ise çok yakında tamamen dijital haledönüşecek gibi görünmektedir.
Dijital Radyo ve Tv Yayınlarının Bu Günkü Durumu
Radyo ve TV yayınları “karasal”, “uydu” ve “kablo” olmak üzere üç kanaldan yapılmaktadır. Dijital yayınlar da aynı ortamları kullanmakla birlikte bunlara ek olarak “internet” kanalı ile deyayınlanabilmektedir. Dijital yayınlar ilk olarak 1994 yılında uydu yayını olarak başladı. Bugün uydu yayınlarının büyük çoğunluğu dijital olarak yapılmaktadır. Analog uydu yayınları halen devam etmekle beraber bir-iki yıl içinde tamamen dijital yayına dönüşecektir. Kablo yayınları da halen hem analog hem de dijital olarak yapılmaktadır. Karasal yayınlarda analaog yayınlar devam etmakle beraber çeşitli ülkelerde analog yayınla birlikte dijital yayınlar da başlamış bulunmaktadır. İngiltere, Finlandiya, , İsveç, İspanya, A.B.D. 2000 yılında dijital yayınlara başlamış olan ülkelerdendir. Belçika, Danimarka, Almanya, İrlanda,
Norveç, Avustralya, Rusya 2001 yılı içinde, Hırvatistan, Çek Cumhuriyeti, Fransa, Yunanistan, Macaristan, Litvanya, Ukrayna, Kanada gelecek yıl yayınlara başlayacaktır. Diğer ülkeler de bir-iki yıl içinde dijital yayınlara başlayacaktır. Analog yayınlar zaman içinda azaltılarak en geç 2010 yılında tamamen kaldırılacaktır
Analog Sinyallerin Sayısallaştırılması
Analog işaretlerin Sayısal’a dönüştürülmesi, örnekleme, basamaklama ve kodlama olmak üzere üç aşamada yapılır.
Analog sinyaller zaman ve genlik olarak sürekli sinyallerdir. Bunları sayısallaştırabilmek için önce belli aralıklarda örnekler alınması gerekir. Örnekleme sıklığı sayısallaştırılmak istenen sinyalde bulunan en yüksek frekans bileşeninin en az iki katı olmalıdır. Aksi halde spektrum örtüşmesi (aliasing) yüzünden bozulmalar meydana gelir ve orijinal sinyal tekrar elde edilemez.
Alınan örneklerin genlikleri herhangi bir değerde olabilir. Buna karşılık işaretin sayısala çevrilebilmesi için kullanılacak seviye sayısının sınırlı olması gerekir. Bu sayı, her bir örnek için kullanılacak kod uzunluğu ya da bit sayısı tarafından belirlenir. Örnek olarak 8-bit’lik bir kodlama yapılacaksa 256 seviye, 3-bit’lik bir kodlama yapılacaksa sadece 8 seviye kullanılabilir. Seviye veya basamak sayısının artması alıcı tarafta sayısal/analog dönüştürücü çıkışında elde edilecek sinyalin kalitesini belirler. Daha iyi kalite için daha çok bit ve daha çok basamak kullanmak gerekir.Örnek olarak 0-1V arası değişen bir sinyali 3-bitlik bir kodlama ile sayısallaştırmak istiyorsak basamak sayısı 8, aralık sayısı ise 8 -1=7 dir. 1 volt 7 aralığa bölünürse iki basamak arası 0,143V olur. Basamak sayısı belli olduktan sonra her basamağa karşı düşen bir kod oluşturulur. Bu, genelde, basamak numarasının ikili sayı sistemindeki karşılığıdır.
Kodlama işlemini gerçekleştirmek için alınan örneğin genliğine bakılır. Bu genliğe en yakın basamak hangisi ise o basamağın kodu gönderilir. 3. örnekteki sinyal genliği 0.82 volt olsun. Budeğere en yakın basamak 0,857V seviyesine karşı düşen 6. basamak olduğundan onun kodu olan 110 kodu çıkışa iletilir. Alıcıda ters işlem yapılır. Önce, seri olarak gelen bit dizileri ikili sayıya dönüştürülür. Bu sayı bir sayısal/analog dönüştürücü yardımı ile gerilime çevrilir. Elde edilen basamaklı gerilim süzülerek analog işaret tekrar elde edilir. Video işaretinin sayısal olarak işlenmesi için önce resim çerçevesi herbiri 16x16 benek (piksel) büyüklüğünde olan ve “Makroblok” adı verilen parçalara bölünür. Her makroblok önce kendi içinde kodlanır. Bu kodlama işlemine her noktanın aydınlık ve renk bilgileri sayısallaştırılarak başlanır. Standart televizyon görüntülerinin sayısallaştırılmasında 13.5 MHz örnekleme hızı ve örnek başına 8 bit (256 gri seviyesi) kullanılır. Bir satırda 720 örnek alınır. Değişik standartlarda değişik örnekleme biçimleri kullanılmaktadır. Bunlar ;
1. 4:4:4 (4 Y, 4Cr , 4Cb; renk ve aydınlık ayni şekilde örneklenir)
2. 4:2:2 (4 Y, 2Cr , 2Cb; sadece yatay doğrultuda seyrekleme yapılır)
3. 4:2:0 (4 Y, 1Cr , 1Cb; her iki doğrultuda seyrekleme yapılır)
burada
Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B aydınlık işareti
Cb = 0,564 (B-Y) mavi renk fark işareti
Cr = 0,713 (R-Y) kırmızı renk fark işareti
Standart PAL kalitesinde bir görüntü için 13MHz civarında örnekleme hızları ve renkli resim için örnek başına 24 bit’lik kodlama gerekir. Bu durumda PCM olarak kodlanan bir görüntünün iletilmesi için gerekli veri hızı 13x24=312Mb/s olacaktır.
Görüldüğü gibi standart bir resim için bile veri hızı saniyede 300MB (300 milyon bit) ‘in üzerine çıkmaktadır. Yüksek Ayırıcılı Televizyon sistemlerinde (HDTV) ise veri hızı 1GB/s’den fazla olacaktır. Bu kadar yüksek bir veri hızında TV işaretlerinin iletilmesi ve saklanması pratik olarak uygulanabilir değildir. Bu durumda yapılacak tek iş sayısallaştırılmış işaretin özel tekniklerle sıkıştırılarak veri hızının makul seviyelere çekilmesidir. Standart TV için 3-8MB/s , HDTV için 18-
20MB/s gibi makul hızlara inebilmek için 100:1, 50:1 gibi oranlarda bir sıkıştırmaya gerek vardır.
Görüntü sıkıştırma yöntemleri üç ana esasa dayanır:
1. Görüntüdeki uzaysal ilişkilerden yararlanılarak gereksiz bilgilerin atılması,
2. Görüntüdeki zamansal ilişkilerden yararlanılarak gereksiz tekrarların atılması,
3. İnsan gözünün ayırd edemeyeceği detayların atılması.
Sabit resimlerde uzaysal benzerlikler, hareketli resimlerde ise hem uzaysal (Resim içi) hemdezaman içindeki (Resimler arası) benzerlikler kullanılarak büyük sıkıştırmalar yapılabilir. Sabit resimlerde 10:1 ile 50:1, hareketli görüntülerde ise 50:1 ila 200:1 oranlarında bir sıkıştırma yapılabilmektedir. Ancak, bu kadar yüksek sıkıştırmalar için görüntü kalitesinde az da olsa birkayıp sözkonusudur.
Sıkıştırmada insan gözünün fizyolojik özellikleri de kullanılır. Gözün renk işareti için ayırıcılığıaydınlık işaretine oranla daha azdır. Yani net siyah/beyaz bir görüntünün üzerine bulanaık bir renk konulursa toplam resim renkli ve net olarak görünür. Buna dayanarak aydınlık işareti (luminance) 720×480 benek (piksel) renk işareti ise sadece 360×240 benek olarak taranır. Ayrıca renk bilgisi daha az bit sayısı ile tanımlanabilir. Sonuç olarak renk için gerekli toplam bit sayısı aydınlık işareti
için gerekli olandan çok daha az yapılabilir. İnsan gözü görüntüdeki ince detaylara veya yüksek uzamsal frekanslı enerjilerdeki seviyedeğişikliklerine daha az duyarlıdır. Buna bağlı olarak resimdeki ince ayrıntılar daha az sayıda bitle
kodlanabilir.
Bütün bu özellikler kullanılarak yapılan kodlamalarla 100:1 gibi çok yüksek sıkıştırma oranlarında bile orijinal görüntüye çok yakın görüntüler elde edilebilmektedir.
Sayısal görüntü sıkıştırmada kullanılan değişik standardlar kullanılmaktadır.
Bunlar:
a. JPEG: Hareketsiz resimleri sıkıştırmak için kullanılır.
b. CCIR-601 FORMATI ( D1 FORMATI ) 1982’de kabul edilen ilk standarttır. Sadece çok düşükayırıcılığıngerektiği videofon, telekonferans, izleme sistemleri gibi yerlerde kullanılır.
c. MPEG1: Düşük ayırıcılığı olan uygulamalarda (VCD, multimedia gibi) kullanılmaktadır. Enyüksek veri hızı 1.8 MB/s ile sınırlıdır.
d. MPEG-2: Yüksek kaliteli görüntü verebilen bir standarttır. Veri hızı 2-20MB/s arası değişebilir.
TV yayınlarında bu sıkıştırma standardı kullanılmaktadır.
MPEG-2 standardının 5 değişik profili ve her profilin ana (main level) ve düşük (low level) olmak üzere iki seviyesi bulunmaktadır. Normal Tv yayınlarında “Ana Profil/Ana Seviye”, HDTV yayınlarında ise “Yüksek Profil/Ana Seviye” kullanılır.
Elde edilen kodlanmış sayısal işaretin kablo veya uzaydan iletilmesi için bir sayısal kipleme (modülasyon) işlemine tabi tutulması gerekir. Bu iş için her tür sayısal kipleme kullanılabilirse de sayısal TVyayını için aşağıdaki kiplemeler standart olarak kabul edilmiştir.
DVB-T: Karasal yayınlar için COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex:Kodlu Dikgen Frekans Bölümlemeli Çoğullama)
DVB-S: Uydu yayınları için QPSK (Quadrature Phase Shift Keying: Dikgen Faz ÖtelemeliAnahtarlama)
DVB-C: Kablo yayınları için QAM (Quadrature Amplitude Modulation: Dikgen Genlik Kiplemesi)
A.B.D.de yerel yayınlar için COFDM yerine Tek yan bandı kısmen bastırılmış bir genlik kiplemesinin (Bugün analog yayınlar için kullanılan kipleme) sayısala uyarlanmış şekli olan 8-seviyeli VSB (Vestigial Side Band: Kuyruklu Yan Band) kiplemesi tercih edilmiştir. Amerikanstandardında VSB kiplemesi trellis kodlaması ve Reed-Solomon titpi hata kodlaması ile birlikte kullanılmaktadır.
Bütün standardlarda görüntü sıkıştırma yöntemi olarak MPEG-2 kullanılmaktadır. Avrupadaki sayısal TV yayınlarında DVB standardının (ISO/IEC 1318, ITU-R601) üç değişik kipleme biçimi kullanılmaktadır.
Böylece dünyada tek bir TV yayın standardına geçmek için ele geçen altın bir fırsat daha heba edilmiştir.
Sayısal TV işaretlerinin yayınlanması için sayısal ses ve görüntüye ait verilerin önce paketler haline getirilmesi, sonra bu paketlerin harmanlanarak birleştirilmesi (zaman çoğullaması) ve tek bir bit-dizisi haline getirilmesi gerekir. Bu dizi kullanılacak yayın standardına uygun bir şekilde kiplenerek yayına verilir.
MPEG görüntü ve ses kodlayıcısından ayrı ayrı gelen paketler ardarda eklenerek transport katmanı oluşturulur. Ses ve görüntü paketlerinin sayıları ve uzunlukları eşit değildir. Hangi paketin hangi bilgiyi taşıdığı başındaki “Paket Başlığı” kısmına bakılarak anlaşılır.
Çoğu zaman sayısal TV yayın şirketleri birden fazla TV yayınını ayni “yayın paketi” içinde gönderirler. Bu durumda sadece bir takım ses ve görüntü işaretleri değil, birden fazla stüdyodan gelen işaretlerin birleştirilmesi gerekir.
Transport paketlerinde ses ve görüntü bilgileri dışında diğer yardımcı bigileri (Program bilgileri, alt yazılar v.s.) de iletmek gerekir. Ayrıca bu sayısal bilgileri iletim sırasında meydana gelebilecek bozulmalardan korumak için “Hata Bulma va Düzeltme Kodlaması” gerekir. Hata düzeltmesi, herpaket için belli sayıda bit eklenerek sağlanır. Eklenen bit sayısı ne kadar çok olursa o orandaki
bozulmuş veri bitleri düzeltilebilir.
Dijital TV Alıcıları
Dünyada kullanılmakta olan milyonlarca TV alıcısını kısa bir süre içinde değişrtirmek mümkün olmadığından ilk aşamada bu cihazları değiştirmek yerine mevcut analog alıcılarla dijital yayınlarıalmak için “Set Üstü Cihaz (Set-Top-Box)” adı verilen üniteler geliştirilmiştir. Bu üniteler dijital yayın işaretlerini alarak analog hale getirir ve normal TV alıcısına verir.
Set Üstü Cihazda antenden gelen kiplenmiş işaret önce “Tuner/Kipçözücü” blokundan geçirilerek MPEG-2 veri dizisi elde edilir. İstenirse bu noktada şifre çözme devresi kullanılarak şifreli yayınların izlenmesi sağlanır. Elde edilen dizi MPEG kodçözücüye uygulanarak sayısal ses ve görüntü işareti elde edilir. Elde edilen sayısal ses bir sayısal-analog önüştürücü (Audio DAC) yardımı ile analog iki veya beş kanallı sese dönüştürülür.
Sayısal görüntü işaretinin üzerine menü yazıları (OSD) ve diğer istenen ek görüntüler eklenerek istenirse bir video kodlayıcıdan geçirilir ve PAL veya NTSC standardında bileşik video işareti eldeedilir. Çıkan işaret sayısal-analog dönüştürücüden (Video DAC) geçirilerek analog görüntü işareti
elde edilir. İstenirse analog ses ve görüntü işaretleri yeniden kiplenerek VHF veya UHF bandında standart TV sinyali haline getirilerek TV alıcısının anten girişine uygulanabilir. Ama daha kaliteli bir görüntü elde etmek için anten girişi yerine varsa televizyonun A/V veya SCART girişini kullanmak gerekir.
Set-üstü-cihazın içinde bu fonksiyonları kontrol eden, sinyalleri birbirinden ayıran ve MPEG kodçözme işlemini kontrol altında tutan çok güçlü bir mikroişlemciye gerek vardır. Bu işlemci aynızamanda cihazın dış dünya ile olan iletişimini sağlar.
“Tuner” yüksek frekanslı işaretleri süzer ve frekansını düşürür. Bu devrenin çıkışında alçak frekanslı kiplenmiş sayısal işaretler vardır. Genelde dikgen (Quadrature) kipleme kullanıldığı için Ive Q olmak üzere iki çıkışı vardır. Bu iki çıkış daha sonra gelen Kipçözücü (Demodulator) devresine verilir. Bu blokun tamamı “Digital Tuner” adı altında tek bir kutu olarak satılmaktadır.
Set-Üstü-Cihazın en önemli kısmı ayırıcı ve MPEG kodçözücü kısmıdır. Kipçözücüden gelen çoğullanmış paketlerin ayıklanarak her paketin hangi programa ve programın hangi kısmına (ses veya görüntü) ait olduğu tesbit edilerek ayıklanması gerekir. Bu ayıklama işi sinyal gelir gelmez anında yapılmalıdır. Bunun için çok hızlı ve güçlü bir mikroişlemci ve bir tampon bellek DRAM (Dynamic Random Access Memory) veya SDRAM (Synchronous DRAM) gereklidir. Gerçek zamanlı bir işletim sistemi altında çalışan en az 32-bit’lik mikroişlemcinin en önemli işi bu paketleri tanıyıp ayıklamaktır.
Belli bir programa ait görüntü ve ses paketleri ayıklanarak görüntü paketleri Video
Kodçözücüsüne (Video Decoder), ses paketleri ise Ses Kodçözücüsüne (Audio Decoder) iletilir. MPEG-2 (veya ses için AC-3) çözücü devresi gelen MPEG bitlerini kullanark sayısal görüntü işaretini ve sayısal ses işaretini oluşturur. Bu işaretler bir sayısal/analog dönüştürücü (DAC) ileanalog işaretlere dönüştürülür.
Sonraki çözümlerde ayırıcı, şifre çözücü ve 32-bit mikroişlemci tümleştirilerek tek bir tümdevrehalinde imal edilmeye başlanmıştır. Ayni anda MPEG-2 resim ve ses çözücü, OSD, Grafik , PAL/NTSC Kodlayıcı ve Video DAC devresi tümleştirilerek tektaş tümdevre haline getirilmiştir.
Son olarak her iki tümdevre birleştirilerek bütün devre tek bir tümdevreye indirgenmiştir. Böylece DRAM bellek devreleri dışındaki bütün devreler tümleştirilmiştir.
Resim içinde resim gösterme (PIP), 2 ve 3 boyutlu canlandırma ve benzer multimedyafonsiyonlarının tümleştirilmesi için mikroişlemcinin de güçlendirilmesi ve 64-bit’lik işlemcileregeçilmesi gerekmiştir.
Sayısal/Analog çeviricilerin çıkışları kuvvetlendirilerek resim tübüne (veya başka tip bir gösterme elemanına), ses çıkışı da hoparlöre verilir.
Yazılım
Dijital alıcıların en zor kısmı yazılım kısmıdır. İstasyon bulma, kanal programlama, ses ve görüntü bileşenlerinin tanınarak ayıklanması ve buna benzer daha pek çok işlem yazılım tarafından gerçekleştirilmektedir.
Yazılım üç kısımdan oluşmaktadır:
1. Alıcı imalatçısı tarafından yazılması gereken “Uygulama Yazılımı”.
2. Kısman alıcı imalatçısı kısmen de Tümdevre imalatçısı tarafından yazılan “Uygulama Yazılım Arayüzü”.
3. Tümdevre imalatçısı tarafından verilen veya yazılım evlerinden satın alınan “Gerçek Zamanlıİşletim Sistemi”
4. Tümdevre imalatçısı tarafından yazılan “Sürücü” yazılımları.
Sonuç
Bugün dijital televizyon yayın sistemleri ve dijital televizyon alıcıları (Set Üstü Cihazı halinde) artık olgunluk çağına ulaşmıştır. Bu iş için gerekli tümdevreler, tüner devreleri ve diğer elemanlar çeşitli firmalar tarafından üretilmekte ve kolayca bulunabilmektedir. Tüner + Tek tümdevre + hafızave birkaç yardımcı devre ile bir alıcı yapılabilmektedir Gerekli yazılımlar imalatçı şirketlertarafından yazılabileceği gibi hazır olarak da satın alınabilmaktadir. Devrelerin kalitesini ve işlevlerini arttırmak ve maliyati düşürmek için hala yapılabilecek pek çok iyileştirmeler vardır.
Nitekim dijital alıcı fiyatları hızla düşmektedir. İki yıl önce 500 A.B.D. Doları civarında olan uydu alıcıları bugün 100 A.B.D. Doları’nın altına düşmüştür. “Daha ucuz ve daha iyi”yi yapma çabalarıdevam etmektedir.
Uydu yayınlarında dijital yayın sayısı analog yayınların çok üstüne çıkmıştır. Bir-iki yıl içinde analog uydu yayınları tamamen sona erecek gibi görünmektedir. Pek çok ülkede karasal yayınlar başlamıştır geri kalanlarda da bir-iki yıl içinde başlayacaktır. En geç 2010 yılına kadar analog yayınların tamamen sona ermesi planlanmaktadır.
Kaynak: Prof.Dr. Avni MORGÜL (Boğaziçi Üniv. Electrical and Electronic Engineering)
Düzenleyen ve Html aktaran: Engineer
konu başka yerlere kaymadan yazıma son veriyorum.
Yorum