La TV Digitale: dalla A alla Z

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1 La TV Digitale: dalla A alla Z Computer, cellulari, compact disc: ormai tutto funziona in digitale, solo la radio e la televisione sono ancora analogici. La novità per la TV è rappresentata per l utilizzo di un sistema di trasmissione numerico, ossia di una modalità che tra le tante caratteristiche positive permette di moltiplicare il numero di canali disponibili. Ogni singola frequenza, nella quale oggi avvengono le trasmissioni analogiche attraverso un solo canale, con il digitale offrirà spazio sufficiente per altri 4/6 nuovi canali. Tutto ciò grazie ad una codifica/decodifica numerica delle informazioni, che vengono compresse, cioè trattate secondo un procedimento informatico denominato MPEG-2 (Movie Picture Expert Group), che permette di ridurre il flusso di dati al secondo. Ciò significa che con gli stessi televisori e le stesse antenne esistenti, più un adattatore digitale, il famoso Set Top Box, sarà possibile ricevere 80/100 canali al posto dei 10/15 attuali, oppure acquistando un Tv predisposto per il digitale chiamato IDTV. La trasmissione digitale offre una migliore qualità delle immagini e dei suoni e permette di utilizzare schermi televisivi di grande formato (dagli schermi 16:9 a quelli piatti a grandi dimensioni). In termini tecnici la trasmissione analogica occupa una banda(fig. 1) di 8 MHz nell'intorno della portante (tecnologia PAL); nella trasmissione numerica la modulazione avviene invece tramite tecniche complesse, che permettono un più energico utilizzo delle frequenze. Il segnale prodotto in studio crea un flusso di 270 Mbit/sec, che viene compresso (con modalità MPEG2) fino a valori compresi tra 2 e 6 Mbit/sec, a seconda della qualità di immagine che si vuole ottenere, cosicché nella banda di 8 MHz ove risiede un solo canale televisivo analogico possono coesistere sino a quattro-cinque programmi digitali con una qualità simile a quella del PAL ( in questo caso si parla di un multiplex di 4). Si noti inoltre che un segnale con tecnica digitale dovrebbe essere per definizione buona: il segnale o lo si riceve oppure non lo si riceve, non vi sono vie di mezzo come nel caso della trasmissione analogica. L'applicazione del digitale alle trasmissioni televisive crea l'opportunità di trasmettere informazioni non solo dall'emittente (canale televisivo) al ricevente (spettatore), ma anche dallo spettatore all'emittente (canale di ritorno). Questa più facile comunicazione TV-Utente viene denominata con l acronimo interattività, che permetterà di compiere operazioni semplici attraverso il telecomando. Il canale di ritorno non sarà via etere ma attraverso un collegamento telefonico. La Tv Analogica L immagine inquadrata dalla telecamera viene messa a fuoco sulla superficie fotosensibile del tubo da ripresa o del ccd e quindi analizzata secondo linee orizzontali. Con tecnica identica si ricostruirà l immagine nel televisore: l analisi di ciascuna riga consiste nel misurare la luminosità, punto dopo 1

2 punto, muovendosi da sinistra verso destra. Il segnale elettrico che si ottiene in questo modo prende il nome di luminanza (indicata con Y), che oscilla tra due livelli corrispondenti al nero (luminosità nulla) ed al bianco (luminosità massima). Se la ripresa è a colori vi saranno aggiunte anche le informazioni colore (colori fondamentali RGB opportunamente codificati), che sono: la differenza colore R-Y e B-Y detti segnali di crominanza (comunemente indicati con C). Alla fine di ogni riga durante i ritorni vengono aggiunti al segnale di luminanza gli impulsi di sincronismo di riga. Il segnale di luminanza e di crominanza sommato agli impulsi di sincronismo, forma il segnale video composito(fig. 2). Da sottolineare che in molti testi Y viene giustamente chiamata Luma e non luminanza, che invece rappresenta una quantità pesata della luce e misurata in candele/m 2. Nello standard televisivo CCIR a 625 linee, ogni quadro viene analizzato con 625 linee, in due tempi, durante i quali sono analizzate 312,5 righe, alternativamente quelle dispari (1, 3, ecc.) e quelle pari (2, 4, ecc.). Tale metodo di analisi, detto a quadri interlacciati, permette di contenere lo sfarfallio dell immagine ricostruita al ricevitore, così il numero di quadri completi analizzati ogni secondo è di 25, mentre la frequenza di scansione verticale per effetto dell interlacciamento risulta di 50Hz. Nel sistema PAL i segnali differenza di colore, opportunamente ridotti in ampiezza (pesati), vanno a modulare in ampiezza due segnali sinusoidali in quadratura di fase della frequenza di 4, MHz (sottoportante di crominanza). Per permetterne un agevole ricostruzione al ricevitore si trasmette un treno (burst) alla frequenza della sottoportante. Riassumendo: il segnale video è composito, ovvero è costruito sommando una componente luminanza (Y,) + una componente chroma (C), ottenuta combinando i segnali B-Y e R-Y (chiamati differenze di colore) e informazioni di sincronismo. Dall analogico al Digitale La figura 3 è la rappresentazione continua di un suono: è un grafico come quelli che si vedono in un oscilloscopio. Un segnale continuo è detto segnale analogico, cioè analogo, simile al segnale reale. Il primo passo per trasformare un segnale analogico in digitale è campionarlo, ossia leggerne i valori ad intervalli costanti e trasformarli (fig. 3,3a) in una rappresentazione numerica. La frequenza a cui si leggono i valori è detta frequenza di campionamento, mentre l'operazione di trasformare i valori letti in numeri è detta quantizzazione. Se poi trasformo i valori misurati in bit cioè utilizzo solo gli 0 e 1 per scrivere i valori, posso mettere l'informazione in un computer e farla viaggiare via telefono fino ad un altro computer che la faccia tornare ad essere l'informazione originale. Ecco il segreto del digitale: rappresentare una qualsiasi grandezza soltanto con due possibilità 0 e 1. Un esempio semplice: l interruttore. L unità che misura la quantità di informazione fornita dalla scelta fra due sole alternative è il Bit: un gruppo di 8 Bit rappresenta il Byte ovvero 1Bit=8 Byte. Nella realtà corrente digitalizzare un 2

3 filmato video porterebbe ad avere un tale volume di dati che il canale di trasmissione sarebbe più largo di quello analogico, per questo si utilizzano precisi studi sulla percezione visiva e sulla dinamica dei filmati, per ridurre il flusso dei Bit o dei Byte impiegando la tecnica della compressione. Comprimiamo il Video L immagine viene suddivisa in una griglia di celle. Ogni cella corrisponde a un puntino denominato pixel dell immagine: tanto più è fitta chiaramente la griglia, tanto migliore è la risoluzione dell immagine. Ogni pixel dell immagine viene codificato usando gruppi di 0 e 1: se l immagine è in bianco e nero (senza grigi), basterà usare un 1 per i pixel neri e uno 0 per i pixel bianchi. Se l immagine ha più di due colori, si faranno corrispondere a gruppi diversi di 0 e 1 sfumature diverse di colore (o di grigio). Così, ad esempio, se si fa corrispondere a ogni pixel un byte (cioè 8 bit), potremmo differenziare 256 colori. La nostra immagine viene in questo modo fatta corrispondere a una matrice più o meno larga e ad ogni pixel dell immagine viene codificato dal gruppo di 0 e 1 associato al suo colore. Diverso discorso per i filmati: ogni filmato non è altro che una successione di fotogrammi (frame). Per evitare che l elevato flusso dati porti ad occupare più spazio del segnale analogico, il segnale viene compresso senza deteriorarne la qualità: è questo il compito dello standard internazionale MPEG-2, che porta il flusso di dati da 270 Mbit/s a circa 5/10 Mbit/s. Vediamo come. 1. In primis si è cercato di studiare attentamente la percezione visiva dell uomo e si è notato che l occhio umano è più sensibile alla Luminanza che alla Crominanza, pertanto si risparmiano bit per il colore. 2. Spesso nelle immagini vi sono zone (pixel) con luminanza e colore uguali: questi punti vengono aggregati trasmettendo meno dati. 3. Per un certo numero di volte vengono trasmesse solo le differenze tra un immagine e l altra chiamate GOP (Group of Pictures) prima di rinviare l immagine completa. I GOP a loro volta sono costituiti da diverse immagini o quadri che si possono così suddividere: I-frame: che altro non è che l immagine completa (chiaramente è l immagine che richiede più risorse). P-frame: è la differenza tra l immagine I-frame e la successiva. B-frame: è la differenza tra la I-frame la P-frame e la successiva (va da se che l invio di troppe B-frame comprometterebbe la qualità del video). Un GOP inizia sempre con un I-frame per permettere poi al codificatore di iniziare a codificare. Studi condotti dalle più grandi case costruttrici evidenziano che la sequenza di dati con la più alta 3

4 efficienza ha una lunghezza di 12 quadri o frames ed è composta (fig. 4) dalla seguente struttura: IBBPBBPBBPBB. Tra i diversi metodi di compressione l MPEG-2 è l'unico in grado di adattarsi ai vari ambienti di post-produzione, è uno dei quattro sottosistemi dell'mpeg (Motion Pictures Expert Group) e può configurarsi in diversi profili e livelli. Altri derivati dell Mpeg-2 sono : Mepg 1 -per le immagini in movimento ed audio. Mpeg 4 -per il sistema audiovisivo a basso Mbit/s. Mpeg 7 -specifico per le informazioni multimediali in fase di studio. Un flusso di dati MPEG-2 standard può essere letto da qualsiasi decoder MPEG-2 compatibile, indipendentemente dal tipo di codifica, che è invece definita del produttore. I profili adottati nelloa trasmissione DVB-T relativamente al MPEG-2 sono: MPEG Main Profile-Main Level ed il Profile-Main Level. Il secondo è utilizzato per le lavorazioni video in campo professionale e broadcast, i due profili si differenziano per la codifica: il trasporta 4 informazioni di Luminanza e 2 informazioni di Crominanza, nel caso della il segnale è codificato con 4 informazioni di Luminanza e 4 di crominanza. Da notare che molti studi considerano i due profili equivalenti se il Bit-rate si mantiene intorno ai 10 Mbit/s,oltre questo livello di flusso il offre una qualità superiore. IL Transport Stream Abbiamo citato più volte che il segnale DVB-T è composto da più programmi ovvero video, audio, dati. Il raggruppamento di vari programmi e dati viene effettuato tramite il mux o multiplexer: il Mux, più brevemente multiplatore, deve il suo impiego alla necessità che più segnali (audio, video, dati) diversi fra loro, sfruttino in maniera adeguata il canale di trasmissione (ed il suo spazio), evitando nel contempo interferenze tra di loro, separandoli opportunamente in qualche modo, rispetto alla frequenza ed al tempo. Il segnale Tv (Audio Video Dati) viene compresso mediante l Mpeg-2, che codificando i vari componenti costruisce l ES ovvero l elementary stream. Esso viene pacchettizzato in pacchetti dati di lunghezza variabile, identificati tramite i PID (Pachet ID) e prendono il nome di PES (Packetized Elementary Stream); a loro volta i PES vengono uniti per formare il PS (Program Stram). Più PS formano infine il famoso Transport Stream TS (fig. 5). I TS a loro volta si differenziano in: MPTS e SPTS. Il primo tipo sono un insieme di SPTS multiplate; il secondo invece, utilizza la stessa base dei tempi. Il Pacchetto di trasporto (fig. 6) è costituito da 188 Byte, con una intestazione di 4 byte ed una parte utile di 184 byte. Il Sistema di Ricezione e Trasmissione. Parliamo ora dell impiantistica sia dal punto di vista dell utente che del broadcaster ovvero dell operatore di rete come verrà definita l emittente di domani. L utente, che è colui che solleciterà 4

5 il mercato del digitale, in pratica dovrà fare poco o niente: sia l antenna che i vari accessori componenti l impianto ricevente sarà lo stesso, senza subire sostanziali modifiche. Certo gli impianti più vecchi soprattutto quelli che utilizzano amplificatori datati, dovranno per forza di cose essere ottimizzati, sostituendo i materiali vetusti che causano attenuazioni elevate o distorsioni, che deteriorano il segnale digitale. Ricordiamo inoltre che, grazie all'interattività, il ricevitore digitale permetterà all utente di accedere a un teletext di nuova generazione, molto più ampio e rapido e di usufruire di una nuova serie di servizi informativi e di pubblica utilità, come ad esempio notizie sul traffico e la viabilità locale, gli orari di treni ed aerei, l'elenco dei numeri telefonici, la consultazione dell'estratto conto del proprio conto corrente postale e/o bancario, fino alle operazioni bancarie e in futuro non si parlerà più di canale, ma di BOUQUET, ovvero un contenitore di programmi e servizi come accade attualmente per le ricezioni satellitari. Se nell impianto sono presenti materiali che provocano interferenze non sarà possibile vedere un bel niente. La situazione si complica un po per i Broadcasters, che dovranno, volere volare, effettuare un cambio generazionale delle apparecchiature attualmente in uso. Anche per loro i vantaggi del digitale non mancano: apparecchiature più compatte con poca manutenzione, bassi consumi elettrici e nel contempo maggiore qualità in trasmissione. Il segnale generato è molto più robusto (interferenze e rumore) del segnale analogico (fig. 6), ma anche più complesso tecnicamente. Per trasmettere in digitale l informazione modula con il sistema COFDM. Per aumentare la protezione da errori di trasmissione la modulazione OFDM viene codificata con il FEC (Forward Error Correction) e prende il nome di COFDM. La modulazione utilizzata nelle trasmissioni digitali DVB-T è di quanto più avanzato tecnologicamente si possa trovare attualmente. Agli albori di questa tecnica si riscontrarono numerose anomalie dovute ai cammini multipli tipici di una natura molto dispersiva del segnale di diffusione terrestre. Per risolvere questi problemi fu messa a punto una tecnica di modulazione denominata OFDM (Orthogonal FDM), che distribuisce il flusso dati anziché su una portante (fig. 7) su più portanti: per la precisione 1705 in modalità 2K e 6817 in modalità 8K, equispaziate e parzialmente sovrapposte in frequenza. Chiaramente distribuendo il flusso dati su più portanti quest ultimo rallenta la sua velocità. Per rendere il sistema ancora più robusto e sicuro si sono introdotte delle codifiche di correzione degli errori. Tale modulazione prende il nome di COFDM (Coded OFDM). A seconda poi, che si voglia privilegiare la robustezza del segnale o il numero di canali trasmessi (differenti Byte-Rate), le numerose portanti vengono modulate in QAM (16 o 64 ) o QPSK. La QPSK è una modulazione che si basa su due portanti con la stessa frequenza, ma sfasate di 90 fra di loro. Queste due portanti si chiamano I e Q, che stanno rispettivamente per In phase ed Quadrature. Spostando le portanti di 180 otteniamo 4 fasi a cui destineremo un gruppo di bit che portano il nome di Simbolo. 5

6 La QAM sta per Quadrature Amplitude Modulation e si ottiene modulando il segnale sia in ampiezza che in fase. Essa deriva dalla QPSK, ma a differenza di quest ultima disponiamo di 16 possibili valori per ogni quadrante. Le componenti I e Q hanno sempre una relazione di quadratura, ma con molte più variazioni di fase rispetto alla QPSK (fig. 8). L aumento del numero di simboli per quadrante, ovvero dei punti della costellazione, porta di conseguenza ad un aumento del flusso dati trasmesso e ad una diminuzione della banda occupata, a scapito però, di un segnale più vulnerabile al rumore. Conclusioni. Il DVB-T è ormai partito anche se la copertura nazionale è a macchia di leopardo, per maggiori informazioni conviene riferirsi al sito dedicato da ogni Broadcaster. Per l utente i vantaggi non sono pochi: Ad iniziare da una maggiore qualità e quantità dei programmi, con cui in futuro si potrà addirittura interfacciare tramite il protocollo MHP del proprio decoder; i stessi programmi potranno essere ricevuti senza interferenze ne doppie immagini e per la contentezza dei verdi le potenze di emissione saranno ridotte drasticamente (10 db) di un valore pari a 10 volte, questo si traduce in un minore inquinamento elettromagnetico. Canali tematici per bambini, Home banking, Home shopping, video on demand, Canali civici (informazioni di sportello/richiesta certificati/richiesta documenti) è qui che l utente teoricamente avrà il suo buon rendere: i servizi che la pubblica amministrazione porrà in essere, per una maggiore vicinanza nei confronti di noi cittadini, potremo vedere la nostra cartella ICI,la tassa dei Rifiuti, le (Sig!) contravvenzioni,richiedere certificati, certo questo si può farlo anche oggi con Internet ma mettetevi nei panni di mia Madre 75 anni ben portati per un certificato avvia il PC, verifica il sistema Operativo,avvia il collegamento di Explorer (con il Firewall) e vai sul sito del Comune: troppo e troppe cose per una donna di 75 anni. Il telecomando semplifica la Vita.. 6