Il futuro a portata di telecomando
Più canali : un maggior numero di canali disponibili, grazie a tecniche di codifica di sorgente del segnale che permettono la riduzione (compressione dati) fino a 1/5 della banda di frequenze utilizzate per la trasmissione di un canale.
Più qualità : una migliore qualità immagine/audio, infatti il segnale digitale, grazie a tecniche di codifica di canale, è meno soggetto alle interferenze e può veicolare contenuti video in 16:9 e audio con caratteristiche simili ai DVD.
Interattività : possibilità di programmi interattivi, con possibilità ad esempio di esprimere giudizi o rispondere a quiz direttamente col telecomando.
Il segnale televisivo digitale sta progressivamente soppiantando il tradizionale segnale video analogico: nel campo della trasmissione televisiva, l'adozione della tecnologia digitale ha consentito prestazioni altrimenti impensabili, oltre che un criptaggio del segnale assolutamente impenetrabile, mentre nell'ambito della diffusione terrestre, conclusa la battaglia delle frequenze, si sta inaugurando definitivamente l'era della TV digitale. Inoltre il formato digitale si distingue come standard internazionale, aprendo in tal modo il mercato mondiale a tutti i costruttori del settore, con un notevole beneficio per l'economia e l'evoluzione tecnologica globali. Prima di analizzare più da vicino il digitale terrestre è bene introdurre il significato di alcuni termini ormai largamente diffusi nel panorama delle comunicazioni digitali:
Tv Digitale Terrestre e’ una modalità di trasmissione del segnale televisivo, cioè immagini ed audio mediante uno standard scelto come riferimento da un gruppo di lavoro ed adottato dalle varie nazioni: il Dvb in Europa ed in Italia,l’Atsc negli Stati Uniti. A sua volta il Dvb utilizza dei sotto standard e delle codifiche tecniche riconosciute da enti certificatori che per semplicità omettiamo, ma che stabiliscono che quel segnale e’ relativo ad una trasmissione Dvb-T.
In definitiva possiamo così riassumere i vantaggi ottenuti con il digitale terrestre: Qualità, Multicanalità, Interattività, Minore potenza d’emissione degli impianti di trasmissione.
Per trasmettere un qualsiasi segnale a distanza si adotta una particolare tecnica che prende il nome di modulazione.Questi sono i motivi che inducono ad effettuare sempre l'operazione della modulazione prima della trasmissione di un segnale.
La banda utile della voce umana non supera i 5KHz, per cui, senza un'opportuna modulazione, anche la frequenza delle onde elettromagnetiche irradiata via etere sarebbe la stessa, con una serie di inaccettabili conseguenze:
Nel digitale vengono introdotti in particolare nuovi parametri per la trasmissione:
Per la trasmissione della tv digitale i segnali Video/Audio devono inanzitutto essere compressi
in quanto, se trasmessi integralmente, occuperebbero una banda RF
superiore a quella di un segnale analogico. L'elevato bit-rate del
segnale televisivo numerico (200 Mbit/s) può essere
sensibilmente ridotto individuando ed eliminando dalla sequenza di immagini le
informazioni non strettamente necessarie ad una sua ricostruzione senza
però deteriorare eccesivamente la qualità del segnale.
Per questo scopo, lo standard internazionale scelto per il digitale terrestre
è l’MPEG-2 (Motion Picture Expert Group versione 2) che è in grado di comprimere un
programma TV da 200Mbit/s in soli 5/6 Mbit/sec pur mantenendo ottime
caratteristiche qualitative.
Nella teoria dell'informazione (la
disciplina scientifica che affronta queste problematiche), l'insieme
delle operazioni a cui il segnale viene sottoposto al fine di scartarne
il contenuto informativo superfluo (o più propriamente
ridondante) e di
estrarre e codificare solo l'informazione essenziale, viene definito
codifica di sorgente e segue immediatamente la fase di
digitalizzazione. Gli algoritmi di compressione sviluppati con questo
intento possono raggiungere sorprendenti fattori di compressione, pena
solo la complessità circuitale e il ritardo di elaborazione.
Una generica sequenza televisiva presenta un elevato contenuto di
ridondanza,riassunta in contributi di differente natura.
Prendendo in considerazione la singola immagine, si individua una:
Una sequenza di immagini è caratterizzata inoltre da una elevata probabilità che quadri adiacenti siano molto simili: questa ripetitività di elementi informativi nell'ambito di una sequenza di immagini prende il nome di:
ed è intrinseca ai filmati televisivi, che per loro natura spesso riproducono personaggi e fondali immobili o in lento movimento e parti circoscritte dell'immagine che cambiano più rapidamente (ad esempio il volto di un attore, la posizione di un giocatore, ecc.). Anche in questo caso un gruppo di esperti (Moving Picture Expert Group) fu incaricato di elaborare degli algoritmi ottimali di codifica delle immagini in movimento e audio associato, i quali hanno visto la luce prima con la standardizzazione dell'MPEG-1 (1993), rivolto alla memorizzazione su media digitali (CD-ROM), e dell'MPEG-2 (prima release 1995), che estende l'impiego del precursore MPEG1 alla TV via cavo, via satellite e terrestre (DVB - Digital Video Broadcasting).
Nell’ambito della ridondanza temporale analizziamo più da vicino l’algoritmo
mpeg-2 video che si basa sul principio della predizione con compensazione del movimento.
Ai fini dell'applicazione dell'algoritmo il segnale in ingresso è organizzato
come illustrato in Fig. 3:
esso è visto come una sequenza progressiva o interlacciata, di quadri ciascuno delle quali è scomposto in strisce di macroblocchi (slice) di lunghezza variabile; i macroblocchi sono strutture di 16x16 pels, a loro volta decomponibili in blocchi elementari 8 x 8 pels, 4 di luminanza e 2 per ciascuna componente di crominanza in riferimento al formato 4:2:0. La predizione del movimento, applicata a gruppi di quadri successivi detti GOP (Group Of Pictures), permette di dedurre dalla prima immagine, detta quadro di tipo Intra le immagini che seguono con l'ausilio di una minima informazione supplementare, la quale descrive il movimento relativo delle varie parti dell'immagine e le eventuali differenze di contenuto tra i quadri. In riferimento all'esempio di (Fig4):
La 4a, 7a e 10a immagine del
gruppo sono immagini di tipo P
(Predictive - Predetto)
e vengono codificate a partire dall'immagine P o I precedente: di
ciascun macroblocco viene individuata la posizione di partenza
più
probabile nell'ambito di una finestra di ricerca opportunamente
dimensionata (Fig5):
Il movimento così stimato è descritto con un vettore spostamento, le cui componenti lungo le direzioni orizzontale e verticale vengono codificate e trasmesse assieme all'eventuale differenza tra l'immagine stimata con la compensazione del movimento e l'immagine reale. Le altre immagini nell'ambito del GOP sono dette di tipo B (Bidirezionale): la loro codifica è analoga a quella delle immagini P, con la differenza che il quadro di riferimento nel quale si va ad individuare la posizione di partenza di ciascun macroblocco per la compensazione del movimento è costruito per interpolazione lineare dalle immagini di tipo I o P precedente e successiva e che la finestra di ricerca del vettore spostamento è più ridotta.
Il degrado di qualità associato alla compressione è da addebitarsi principalmente alla fase di .Per le applicazioni a bit-rate costante, qual è la diffusione video digitale, ai fini di compensare le oscillazioni di bit-rate si impiega una memoria tampone (buffer), al cui grado di riempimento è adattato il passo di quantizzazione in uso (Fig6):
Maggiore è la quantità di dati memorizzati, più grossolana la quantizzazione adottata per l'immagine corrente; viceversa, minore il riempimento del buffer, minore è l'errore di quantizzazione sui macroblocchi in elaborazione. La dimensione del buffer è vincolata dalla specifica e dipende dal profilo di qualità adottato: nel caso di qualità PAL, il ritardo di co-decodifica è dell'ordine del secondo, paragonabile alla durata del GOP (40 ms*12 = 480 ms). In definitava per codificare/comprimere si utilizzano le seguenti tecniche:
Qualsiasi segnale inviato su di un generico canale di comunicazione subisce degradazioni derivanti da rumori e attenuazioni; tale degradazione può portare,da parte del ricevente, ad un errore di interpretazione del segnale stesso e quindi dell'informazione in esso contenuta. L'incidenza di questi problemi e la relativa probabilità di errore nella trasmissione rappresentano alcuni dei parametri fondamentali nella caratterizzazione di un sistema di comunicazione e nella conseguente scelta di tecniche affidabili e veloci per la trasmissione stessa. Nelle trasmissioni numeriche,per ovviare a questo problema, si aumenta il numero di bit in cui viene rappresentato il dato; tale ridondanza nell'informazione servirà per tentare di recuperare eventuali errori nella decodifica. Tale operazione viene definita codifica di canale:si tratta dell'operazione duale alla codifica di sorgente, in quanto quest’ultima mira ad eliminare il contenuto superfluo del segnale per isolare l'informazione necessaria e sufficiente a caratterizzarlo compiutamente, mentre la codifica di canale introduce nuovamente della ridondanza, non casuale ma calcolata deterministicamente a partire dai simboli di sorgente, al fine di irrobustire il segnale trasmesso. Risulta evidente che tale aggiunta comporta una perdita di efficienza della comunicazione in quanto vi è un maggior consumo di potenza per l'invio di un numero maggiore di bit o ,viceversa, a parità di potenza disponibile in una minor energia per bit e quindi un minor rapporto segnale/ rumore con una conseguente maggiore probabilità di errore. Questo vantaggio però viene ampiemente compensato dalla possibilità di correggere gli errori. La codifica di canale si basa essenzialmente su l'applicazione di due tipologie di codici:
Questa tecnica basata sulla teoria dei codici convoluzionali introduce ridondanza non casuale ma calcolata deterministicamente a partire dai simboli di sorgente. Analizziamo ad esempio un semplice codice a 2 bit:
| Codice a 2 bit | Ridondanza |
| 00 | 0 |
| 01 | 1 |
| 10 | 1 |
| 11 | 0 |
Nel caso in cui disturbi di vario genere modificano l’istruzione (000) in (001) grazie alla tecnica di codifica l’errore sarebbe facilmente individuabile.
I codici a correzione di errori consentono, una volta individuata la presenza di un errore in un blocco di bit, anche di correggerlo. Questa funzione diventa essenziale nella ricezione del digitale terrestre in quanto un sistema di ricezione domestico non ha la capacità di ritrasmettere alla sorgente il possibile errore per un eventuale correzione ma ha la necessità di correggerlo direttamente via decoder. Per permettere tale operazione dobbiamo però introdurre una ridondanza di 3 bit che potrà permettere non solo l'individuazione di un errore ma anche la sua correzione in quanto verra ricostruita solo l'informazione che più somiglia all'originale:
| Codice a 2 bit | Ridondanza | Eventuale errore:(00100) |
| 00 | 000 | Diversità di 1 bit (ok) |
| 01 | 101 | Diversità di 2 bit (no) |
| 10 | 010 | Diversità di 3 bit (no) |
| 11 | 111 | Diversità di 4 bit (no) |
La tabella mostra come l'informazione (00) grazie alla ridondanza a 3 bit (000) possa essere corretta da un eventuale errore Es. (00100)in quanto è l'informazione che più si avvicina all'originale non creando disguidi in fase di ricezione. E' evidente che in presenza di molti errori la trasmissione sarà parecchio rallentata.
Finora si è sempre accenato a segnali di informazione di tipo analogico, trasmissibili mediante tecniche di modulazione analogiche con traslazione di banda, cioè il campo delle frequenze più elevate allo scopo di renderlo idoneo per la trasmissione a distanza. Quando, invece, è necessario trasmettere segnali di informazione numerica, ossia in forma digitale, si ricorre a sistemi che impiegano tecniche diverse. In altri termini, poiché i segnali di tipo digitale sono definiti, dal punto di vista spettrale, a «banda larga» occorrono sistemi capaci di impiegare tecniche di modulazione in grado di trasformare lo spettro a banda larga in un altro a banda stretta, affinché si possa meglio adattare al mezzo trasmissivo. L'unico modo per ottenere la compressione dello spettro a banda larga è quello della conversione del segnale digitale in uno equivalente analogico, pertanto la modulazione deve essere eseguita su portante analogica, ossia sinusoidale a frequenza fissa. Analogamente a quanto accade nelle tecniche precedentemente trattate, anche in questo caso la modulazione numerica si basa sul principio della manipolazione dei tre parametri (ampiezza,frequenza,fase)che caratterizzano il segnale della portante. Essa quindi si distingue in:
La tecnica principale utilizzata nella trasmissione digitale terrestre è la modulazione OFDM, che utilizza 1705 portanti nel modo 2k e 6817 nel modo 8k. Le portanti a loro volta sono modulate QPSK, definita mista, in quanto costituita da una modulazione di ampiezza in quadratura unita a una modulazione di fase PSK.
Per comprendere questa tecnica acceneremo quindi prima alla modulazione PSK che è alla base di questa trasmissione: Nella modulazione PSK (Phase Shift Key), cioè a spostamento di fase, la portante sinusoidale mantiene la propria frequenza costante e varia la fase in modo discontinuo. Il segnale della portante viene variato in fase in modo dipendente dalla sequenza dei bit costituenti il segnale da trasmettere. In altri termini, si associa ad ogni stato logico un determinato salto di fase della portante, in questo modo si verifica un prefissato salto di fase in corrispondenza di un determinato stato logico (O o 1) oppure una particolare sequenza di bit che, come si analizzerà in seguito, dipenderà dal codice di trasmissione adottato. Il numero massimo di salti di fase è 8. La tecnica di modulazione PSK si può distinguere in:
Si parla di modulazione 2PSK o BPSK (Binary Phase Shift Key), nel caso in cui ad ogni stato logico si associno due salti di fase della portante. In questo caso la portante varia la propria fase in corrispondenza del bit O o del bit 1. Si parla, invece, di modulazione MPSK quando i salti di fase del segnale della portante sono più di due. In questo caso i salti di fase possono essere 4 oppure 8 ed associati ad un particolare gruppo o sequenza di bit da trasmettere. La modulazione MPSK, che adotta 4 o 8 salti di fase, viene indicata rispettivamente con la sigla 4PSK e 8PSK. Tali tecniche trovano impiego nel campo della trasmissione dati e in quello dei ponti radio numerici. Tramite la modulazione PSK i dati da trasmettere, di tipo digitale, vengono trasformati in segnali analogici, cioè in segnali sinusoidali discontinui in fase. Tale conversione digitaleanalogica serve per rendere adatto il segnale e poterlo trasmettere in un mezzo di tipo analogico come può essere una linea telefonica o un ponte radio. Per rendere chiaro il principio su cui si basa la tecnica PSK si fa riferimento al ciclo trigonometrico o piano delle fasi (fig.1). Per riuscire a determinare i salti di fase della portante sia in numero sia in valore (gradi), si suddivide il piano delle fasi in modo diverso, che dipende dal numero delle fasi da associare al segnale dati, ma sempre in un numero di settori uguali. I settori pari al numero dei salti di fase della portante definiscono la modulazione PSK come segue:
La modulazione che andremo ad analizzare associa a sequenze particolari di bit 16 salti di fase indicata con la sigla QAM-PSK o QPSK, la quale adotta una tecnica di modulazione mista, ossia di ampiezza in quadratura (Quadrature Amplitudine Modulation) e di fase PSK. In essa vengono impiegate due portanti sfasate di 90°. La modulazione QPSK viene impiegata in campi nei quali è richiesta una velocità di trasmissione elevata, ossia nei sistemi a 140 Mbit/s via ponte radio e 9600 bit/s via cavo. Il codice di trasmissione utilizzato è il quadribit, cioè i dati digitali seriali da trasmettere sono suddivisi in gruppi da quattro bit (N =4). Tale codice implica una velocità di modulazione ridotta di 1/4 rispetto alla velocità di trasmissione con cui fornisce i dati la sorgente, ossia: Vmod=Vtr(bits)/4 [baud] Ad esempio alla velocità di trasmissione di 9600 bit/s corrisponde una velocità di modulazione di 9600/4=2400 baud Lo spettro emesso dal segnale, nonostante l'elevata velocità di trasmissione, è abbastanza contenuto, presentando una larghezza di banda molto più stretta rispetto al caso della tecnica 2PSK (fig.2).
Intuitivamente, secondo il procedimento adottato per le tecniche analizzate, si dovrebbe suddividere il piano delle fasi in 16 settori, perché 16 sono le possibili combinazioni dei quadribit (2N = 24), ma questo non è possibile, perché comporterebbe l'adozione di salti di fase della portata esattamente di 22,5° ai quali associare una determinata configurazione dei quadribit; ciò significa mettere il demodulatore in condizioni del tutto svantaggiose, perché occorrerebbe un circuito complesso in grado di riconoscere con precisione i salti di fase di 22,5°, senza commettere alcun errore (condizione impossibile). Si rimedia a questo problema effettuando una modulazione combinata di ampiezza e di fase di tipo PSK-QAM (Phase Shift Key-Quadrature Amplitude Modulation). Il codice di trasmissione rimane sempre il quadribit; più precisamente i tre dei quattro bit (Q2' Q3' Q4)' costituenti il codice, rispettano ancora le condizioni del CCITT relative alla tecnica 8PSK e quindi determinano la modulazione di fase, mentre il primo bit (Qi) dovrà essere fornito da un processo di una modulazione di ampiezza e determina l'ampiezza della portante. Così facendo i tre bit a modulazione 8PSK richiedono 23 = 8 combinazioni, quindi otto salti di fase; ogni salto di fase può essere determinato da due ampiezze diverse associate allo stato logico O o 1, ottenute dalla modulazione di ampiezza, pertanto risultano 8•2 = 16 stati di modulazione mista.
cioè l' Aumento del numero di canali disponibili
Un secondo vantaggio del digitale terrestre riguarda la risoluzione del problema del sovraffollamento delle bande di frequenza terrestri.
Il digitale terrestre permette di moltiplicare, a parità di frequenze radio disponibili, il numero dei programmi televisivi trasmessi. Su ogni canale televisivo viene trasmesso un flusso di dati che trasporta nello stesso momento con la tecnica del multiplex un certo numero di programmi televisivi diversi. Non esiste un numero fisso di programmi televisivi che si possono trasmettere perché questo è funzione della larghezza di banda occupata da ciascun programma, tenendo presente che la larghezza di banda massima a disposizione per singolo canale è circa 24 Mbit/sec. In un canale si possono così trasmettere quattro programmi da 6 Mbit/sec l'uno, oppure dodici programmi da 2 Mbit/sec ciascuno, ovviamente con una minore qualità delle immagini. È ovviamente possibile trasmettere anche un solo programma da 24 Mbit/sec ad alta qualità, per esempio con una definizione maggiore. Attualmente l'ipotesi è solamente teorica, perché la trasmissione, per essere realmente fruibile, avrebbe bisogno anche di un ricevitore in grado di fornire in uscita un segnale ad alta definizione, e anche il display (televisore o monitor) dovrebbe essere ad alta definizione. In conclusione la modulazione digitale adottata permette di far stare anche 6 canali digitali nella stessa banda utilizzata in questo momento da un solo canale analogico:
La tecnica TDM (Time Division Multiplexing) consiste nel suddividere il dominio dei tempi in finestre (slot) in ognuna delle quali si collocano separatamente i campioni di ogni segnale da trasmettere. A ciascun sottocanale è associato un breve intervallo di tempo durante il quale il canale principale è a sua disposizione. A rotazione, quindi, ogni sottocanale può trasmettere e ricevere i propri segnali contemporaneamente. Ogni trasmettitore ha a disposizione la linea solo in determinati intervalli di tempo, durante i quali invia N porzioni (campioni) del proprio messaggio, che si prelevano secondo un criterio prestabilito dal teorema di Shannon:
È così possibile la trasmissione contemporanea di più messaggi attraverso una sola via di comunicazione. Ad esempio due trasmettitori possono inviare i propri messaggi spezzettati in N porzioni ognuna delle quali si colloca rispettivamente in N intervalli temporali. Il meccanismo di assegnazione degli intervalli di tempo avviene tramite dispositivi chiamati multiplexer a divisione di tempo. Essi si comportano come dei commutatori a rotazione; ogni posizione corrisponde ad un canale e pertanto si prelevano periodicamente a rotazione le porzioni dei vari segnali analogici da trasmettere e le si restituiscono in uscita.
La struttura di un impianto singolo in grado di ricevere i segnali TV digitali terrestri non differisce da quella di un normale impianto d'antenna realizzato per la ricezione di segnali analogici. E' sufficiente collegare al proprio televisore tradizionale un'apparecchiatura di adattamento detta decoder, o set top box. Al decoder va collegata la presa d'antenna e il televisore mediante la presa SCART (la presa analoga a quella usata per collegare il videoregistratore e il decoder satellitare). Nella maggioranza dei casi non occorre cambiare la propria antenna di ricezione terrestre (l'antenna tradizionale).Le attuali antenne (nelle bande III, IV e V) e la rete di distribuzione dalle antenne all'interno degli edifici con gli opportuni dispositivi intermedi (derivatori, partitori, amplificatori, miscelatori/demiscelatori, attenuatori, filtri, ecc.) sono adatte anche alla ricezione digitale. In qualche caso, tuttavia, potrebbe essere richiesto il montaggio di un'antenna supplementare, ad esempio quando non si dispone già di un'antenna nella banda su cui è irradiato il segnale digitale.(Ved fig. seguente)
In effetti un canale DTT occupa gli stessi canali utilizzati per la TV analogica per cui la sua ricezione porrà gli stessi problemi tecnici che si incontrano per i canali analogici anche se dobbiamo tener ben presente che il digitale terrestre è un sistema ON-OFF:in presenza di disturbi la televisione analogica effettuava una distorsione molto progressiva del segnale permettendo quindi una certa intelligibilità del programma anche in presenza di effetto neve;il segnale digitale invece o viene visualizzato in maniera perfetta o non viene assolutamente visto dall'utente considerando però che un decoder ad alte prestazioni allarga questo range di tolleranza.
In ogi caso se il canale DTT sostituisce uno analogico, in linea di principio non c'è necessità di apportare alcuna modifica all'impianto esistente, naturalmente nell'ipotesi che i livelli alla presa d'utente risultino a norma. Però, nella fase transitoria di passaggio al digitale, è molto probabile che per i segnali DTT vengano impiegati nuovi canali, ancora liberi, che andranno perciò ad aggiungersi a quelli già utilizzati per le trasmissioni analogiche. Potranno verificarsi due eventualità: o questi canali provengono da siti trasmittenti verso i quali è già orientata un'antenna ricevente in grado di raccogliere anche i nuovi segnali, oppure è necessario installarne una nuova. Nel primo caso, se i componenti dell'impianto risultano compatibili con le esigenze di schermatura e di ampiezza di banda richieste dai segnali DTT non sarà necessario alcun intervento, salvo la sostituzione di eventuali componenti non adatti alle nuove esigenze. Il secondo caso è più complesso e articolato perché, oltre all'installazione di un'antenna e di miscelatori adeguati, può essere richiesta l'aggiunta di filtri per sopprimere interferenze e disturbi introdotti dalle altre antenne dell'impianto.
Dopo essere captato il segnale viene opportunamente trattato nel ricevitore digitale (decoder). Tale dispositivo ha la funzione di estrarre dal segnale RF applicato al loro ingresso le informazioni audio-video relative ad uno dei programmi del multiplex selezionato e naturalmente i relativi dati della programmazione in corso.
E qui termina questo breve riassunto sul funzionamento di tale tecnologia.
