SAYISAL TV YAYINLARI

 

1.1 SAYISAL SİSTEMLER

1.1.1 SAYISAL SİSTEM NEDİR?

“Dijital” terimi Avrupa dillerindeki “digital” teriminin okunuşu olup Türkçe karşılığı “Sayısal”dır. Elektronik sistemler “analog” ve “sayısal” olmak üzere ikiye ayrılır. Analog sistemlerde elektrik sinyalleri sürekli olarak değişir ve belli sınırlar içinde her değeri alabilirler. Sayısal sistemlerde ise elektriksel sinyaller olduğu gibi iletilmez. Bu sinyellerin yerine bunlara karşı düşen 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. [1]

1.1.2 TV SİSTEMLERİ VE MULTiMEDYA

Yazi  (veri), Ses ve Görüntünün ayni anda ve ayni ortamda islenmesi ve iletilmesine Multimdya adı verilmektedir.

Tele-iletişim 19. yüzyılda telgraf’la veri iletisimi olarak baslamış, 19. yüzyılın sonunda telefon’la sesli iletisim, 1930’dan sonra da görüntülü yayinların basladığı görülmüştür. Buna karşılık iki yönlü görüntülü iletisim  (telekonferans) ancak 20. yüzyilin sonunda gerçekleşebilmiştir.

Multimedia 1980’den sonra bilgisayarlarda veri, ses ve görüntü’nün birlikte islenmesi ile basladi.

Bugün TV ve bilgisayar sistemleri “Multimedia” adı altınde birleşerek tek bir sisteme dönüşmektedir. Bu birleşme iki yönlü olarak ilerlemektedir. Bir yandan bilgisayarlarda TV seyretmek için TV kartları, TV adaptörleri ve ilgili yazılımlar geliştirilirken öte yandan normal TV alıcıları ile Internet’e girmek için özel set-üstü cihazları imal edilmektedir.

TV sistemlerinin ve alıcılarının sayısala dönüşümü tamamlandığında bu adaptörlerin hiçbirine gerek kalmayacak, TV ve Bilgisayar sistemleri iç içe tek bir sistem halinde gerçekleştirilecektir. Yani masanızdaki veya oturma odanızdaki göstergede ister TV seyredecek isterseniz kablosuz klavye ve fare’nizle  yazı yazıp şekil çizebilecek veya İnternet’e girebileceksiniz. [1]

1.1.3 SAYISAL ELEKTRONİK CİHAZLARIN GELİŞİMİ

Sayısal elektronik sistemler 1950 yıllarında ilk tüplü bilgisayarın icadı ile uygulanmaya başladı. Bune 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), DVD  (Digital Versatile Disc), DAT (Digital Audio Tape), VCD  (Video CD) sayılabilir. Dijital TV kameraları, Fotoğraf makinaları, Digital radyo ve televizyon yayınları ise çok yakında tamamen dijital hale dönüşecek gibi görünmektedir.[1-4]

1.2 SAYISAL TV YAYININ YAPIM AŞAMALARI

Bu bölümde sayısal tv yayınının yapım aşamalırı anlatılacaktır.Bu aşamalar şunlardır:

Sayısal Görüntü İşleme

Sayısal Ses İşleme

Sayısal Modülasyon Teknikleri

1.2.1 SAYISAL GÖRÜNTÜ İŞLEME

1.2.1.1 Analog İşaretlerin Sayısallaştırılması

Analog işaretlerin sayısala dönüştürülmesi, örnekleme, basamaklama ve kodlama olmak üzere üç aşamada yapılır.

Şekil 1.1 Analog/Sayısal Dönüştürücünün iç yapısı

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.

Şekil 1.2 Analog işaretin sayısala dönüştürülmesi
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.

Tablo 1.1 Analog işaretin sayısala dönüştürülmesi

odlama 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. Bu değere 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. [1-3]

1.2.1.2 Görüntünün Sayısallaştırılması

Video işaretinin sayısal olarak işlenmesi için önce resim çerçevesi herbiri 16×16 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, 4C_r , 4C_b; renk ve aydınlık ayni şekilde örneklenir)
2. 4:2:2 (4 Y, 2C_r , 2C_b; sadece yatay doğrultuda seyrekleme yapılır)
3. 4:2:0 (4 Y, 1C_r , 1C_b; her iki doğrultuda seyrekleme yapılır)

burada

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B aydınlık işareti

C_b = 0,564  (B-Y) mavi renk fark işareti

C_r = 0,713  (R-Y) kırmızı renk fark işareti

Şekil 1.3 Aydınlık ve  renk işareti örnekleme çeşitleri

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 13×24=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 sıkıştırmaXE “sıkıştırma”ya gerek vardır. [1,2]

1.2.1.2.1 CCIR-601 Formatı  (D1 Formatı)

1982’de kabul edilen CCIR-601 standardında Y,Cb ve Cr sinyalleri 4,2,2 formatında örneklenir. Yani her 4 Y örneği için 2 Cr ve 2 Cb örneği alınır. Bu durumda örnekleme hızı Y için 13.5 MHz CR ve Cb sinyalleri için 6.75 MHz olur. Sonuç olarak bir satırda 720 Y örneğine karşılık 360 renk örneği alınır. Her satırda Cb ve Cr sinyalleri aynı anda bulunur ve düşey ayrıcalık renk ve aydınlık işaretleri için aynıdır.

Renk ve aydınlık sinyalleri 8 bit ile gönderilirse bit veri hızı:

V=13.5×8+2×6.75×8=216Mb/s

Eğer 10 bit basamaklama kullanılırsa bu hız 270Mb/s çıkar. Eğer düşey ve yatay karartma süreleri göz önüne alınırsa bu hız 8 bit için 166Mb/s düşer. Karartma sırasında görüntü bilgisi yerine ses ve eş zamanlama bilgileri gönderilir.

CCIR-601 standardını kullanan elektriksel bağlantı standardı CCIR-656 olarak verilmiştir. D1 sayısal video kaydedicilerde kullanıldığı içinde bu standarda D1 formatı adı da verilir. [10]

1.2.1.2.2      4;2;0 Örnekleme Formatı

Bu standarda renk işaretindeki yatay ve düşey ayrıcalık aynı ve aydınlık işaretinin yarısı kadardır.

Aydınlık  720×576 (625satır) veya 720×480 (525 satır sistemi)

Renk        360×288 (625 satır) veya 360×240 (525 satır sistemi)

SECAM sisteminde her satırda ayrı renk işareti bulunduğundan birer satır atlayarak örnekleme yapılırsa renk işaretinden biri hiç alınmamış olur. Bunu önlemek için birer satır atlamak yerine iki satırdaki toplam renk işaretinin ortalaması alınır.[10]

1.2.1.2.3      SIF Formatı  (Source Independent format)

Bilgisayarda yaygın olarak kullanılan SIF standardı, CCIR-601 standardında yatay ve düşey örnek sayısı ve sinyaldeki çerçeve sayısı yarıya düşürülerek elde edilmiştir.

Aydınlık  360×288 (625 satır sistemi) veya 360×240 (525 satır sistemi)

Renk      180×144 (625 satır sistemi) veya 180×120 (525 satır sistemi)

Düşey tarama   25Hz (625 satır sistemi) veya 29.97Hz (525 satır sistemi)

Görüntünün en az bozulması için yatay ve düşey doğrultuda süzme yapılmalıdır. Bunun için gönderilecek olan örnekler yatay ve düşey doğrultuda o noktanın etrafındaki örneklerin ortalaması alınarak elde edilir. Çerçeve sayısını yarıya düşürmek için de tek ve çift sayılı çerçevelerin ortalaması alınır veya daha basit sistemlerde sadece tek veya sadece çift sayılı çerçeveler gönderilir.[10]

1.2.1.2.4      CIF Formatı  (Common Intermediate Format)

CIF formatı Amerika ve Avrupa SIF formatlarının birleştirilmesi ile elde edilmiş uluslar arası bir standarttır. Videokonferans ve bilgisayar görüntülerinde kullanılır. Örnek sayısı 625 satırlık Avrupa sisteminde saniyedeki çerçeve sayısı ise 525 satırlık Amerikan sisteminden alınmış böylece 360×288 ve 29.97Hz’lik ortak CIF standardı elde edilmiştir.[10]

1.2.1.2.5      QCIF Formatı (Quarter CIF)

CIF formatındaki örnek sayısı her iki doğrultuda iki defa daha azaltılarak CIF formatının dörtte biri kadar bilgi taşıyan QCIF formatı elde edilmiştir. Bu formatta 180×144 örnek kullanılmakta çerçeve hızı ise 15 veya 7.5Hz olabilmektedir. H261 sıkıştırma logaritması ile birlikte ISDN video telefon sistemlerinde kullanılır. [10]

1.2.1.3       SAYISAL GÖRÜNTÜ SIKIŞTIRMADA KULLANILAN TEKNİKLER

4;2;2 örnekleme formatında standart kalitede bir resim işaretinin iletilmesi için bile 200Mb/s civarında  bir  veri  hızı  gerekmektedir.   En  uygun  sayısal modülasyon sistemi (6 bit/sembol,64-QAM) kullanılsa bile böyle bir veri ancak 40MHz’lik bir frekans bant genişliği isteyecektir. Bu ise 5MHz’lik analog TV kanallarından 8 tanesini tek bir sayısal kanala vermek demektir ki, zaten kanal sayısı bakımından sıkıntılı olan TV yayın sistemleri için kabul edilemez bir durumdur.

O halde sayısal TV’nin gerçekleşebilmesi için tek yol sayısal görüntünün sıkıştırılması, yani veri hızının 50-100 kat azaltılmasıdır.[9-10]

Görüntü sıkıştırma iki yerde yapılabilir:

• İşaretin özelliklerini kullanarak, işaret kaynağında  (kaynak kodlaması)
• Bit dizilerini ayarlayarak, iletim sırasında  (kanal kodlaması)

Kaynak kodlamasında görüntü sıkıştırma yöntemleri üç ana esasa dayanır:

• Görüntüdeki uzaysal ilişkilerden yararlanarak gereksiz bilgilerin atılması.
• Görüntüdeki zamansal ilişkilerden yararlanılarak gereksiz tekrarların atılması.
• İnsan gözünün ayırt edemeyeceği detayların atılması.

Sabit resimlerde uzaysal benzerlikler, hareketli resimlerde ise hem uzaysal hem de zaman içindeki benzerlikler kullanılarak büyük sıkıştırmalar yapılabilir. Sabit resimlerde 10:1 ile 50:1, hareketli görüntülerde ise 50:1 ila 200:1 oranlarında sıkıştırma yapılabilir. Ancak bu kadar yüksek sıkıştırmalar için görüntü kalitesinde az da olsa bir kayıp söz konusudur. Kayıpsız sıkıştırma yöntemleri olmakla beraber bu yöntemle elde edilen sıkıştırma yöntemleri çok düşüktür  (3:1 gibi). Bu tip yöntemler tıp cihazlarında ve özel yöntemlerde kullanılır.

ayıplı yöntemler, insan gözünün renk işareti için ayrıcalığının az olması gibi fizyolojik özellikleri kullanır. Örnek olarak PAL yayın kalitesinde bir video işaretinde aydınlık işareti 720×480 benek  (piksel) ayrıcalığa sahipken renk işareti ayrıcalığı sadece 360×240 benektir. Ayrıca renk bilgisi daha az bit sayısı ile tanımlanabilir. Sonuç olarak renk için gerekli toplam bit sayısı aydınlık işareti için gerekli olandan çok daha azdır.

İnsan gözü görüntüdeki ince detaylara veya yüksek uzumsal frekanslı enerjilerdeki seviye değişikliklerine daha az duyarlıdır. Buna bağlı olarak resimdeki ince detaylar daha az bitle kodlanabilir.

Bütün bu özellikleri kullanarak yapılan kodlamalarda 100:1 gibi çok yüksek sıkıştırma oranlarında bile orijinal görüntüye çok yakın görüntüler elde edilebilmektedir.

Bu bölümde sayısal görüntü işlemede kullanılan başlıca yöntemleri kısa açıklamaları verilecektir. Burada sadece televizyon sistemlerinde uygulaması olan ve standartlaşmış yöntemler anlatılacaktır.

1.2.1.3.1 Ayrık Kosinüs Dönüşümü  (DCT)

Her renk bileşeni, 8×8 bloklar halinde ayrık kosinüs dönüşümü ile dönüştürülür, bu sayede resmin enerjisi az sayıda  (dönüşüm uzayındaki) pikselde yoğunlaştırılır. Dönüştürülen blokların nicemlenmesi sonrasında da sıfırdan farklı az sayıda değer ile bloğu ifade etmek mümkün olur. Dönüşüm uzayındaki yüksek frekans pikselleri, resmin görsel kalitesinde görece az rol oynarlar, dolayısıyla yüksek frekans pikselleri daha az sayıda değere nicemlenir.

Nicemleme, sıkıştırma miktarının ayarlanabilmesini de sağlar. Daha çok nicemleme ile aslından uzak ama daha çok sıkıştırılmış görüntüler elde edilebilir. Nicemlemenin bu yan etkisi görüntüden görüntüye değişen bir nicemleme miktarına kadar büyük miktarda görsel bozulmalara neden olmaz.

Nicemleme sonrasında görüntü blokları nicemleme öncesine göre daha az çeşit sayı (sembol) ile ifade edilir hale gelir. Sık rastlanan semboller daha az, seyrek semboller daha çok bitle kodlanarak bilginin daha yoğun ifade edilmesi sağlanabilir. Nicemlenmiş görüntü blokları, standart ya da görüntüye özgü kod tabloları kullanılarak kodlanır ve dosyada depolanırlar.

Nicemlenmiş blokların aritmetik kodlama ile kodlanması da mümkündür, ancak aritmetik kodlamanın üstündeki patentler nedeniyle bu yöntem popüler değildir.

1.2.1.3.2      Hareket Kestirimi

Görüntü kodlamasında en önemli sıkıştırma çerçeveler arası benzerlikten yararlanarak sağlanır. Fakat hareketli görüntülerde görüntüler de bazı bölgeler yer değiştirdiğinden iki çerçeve üst üste konulduğunda  (görüntüler benzerde olsa) eski çerçevedeki beneklerin yerleri kayık olacağından, belirli noktadaki benekler arasında büyük farklılıklar meydana gelir. Bu da iletilecek olan fark işareti bilgisinin oldukça fazla olacağı anlamına gelir.

Buna karşılık eğer her bloğun hareket miktarı ve doğrultusu bilinirse, bir hareket düzeltmesi yapılarak iki çerçeve arasındaki fark oldukça azaltılabilir.

Şekil 1.4 Hareket kestirimi

Hareket kestirmede en önemli işlem her bloğa ait hareket vektörlerinin bulunmasıdır. Bunun için belli bir blok bir sonraki veya bir önceki resim çerçevesi içinde gezdirilecek o bloğa en çok benzeyen bir yer bulunur. Bu yerin merkezi ile bloğun ilk yerinin merkezi birleştirilerek elde edilen vektör hareket vektörüdür. Her bloğun hareket vektörü belirlendikten sonra referans olarak alınan resim çerçevesinin bütün blokları hareket ettirilerek yeni bir resim elde edilir. Tabi olarak kestirilmiş resim gerçek resimle tamamen aynı değildir.

Gerek hareket vektöründe olabilecek hatalardan, gerekse hareket ettirilen blokların arka plandaki görüntüyü örtmesinden dolayı gerçek resim çerçevesi ile kestirilmiş resim çerçevesi arasında farklar meydana gelir. Gerçek görüntünün elde edilmesi için bu farklar ve hareket vektörleri karşı tarafa iletilmektedir. Eğer karşı tarafın elinde referans resim varsa, bunlardan yararlanarak yeni çerçeve kolayca ve doğru olarak oluşturulabilir.

1.2.1.3.3      Değişken Uzunluklu Kodlama  (Variable Length Coding VLC)

Kodlama sonunda elde edilen bit dizilerinin istatistiksel dağılımı biliniyorsa iletim sırasında bir miktar daha sıkıştırma yapmak mümkündür. Özelliklede bit dizilerinde 1 veya 0’larla meydana gelmiş uzun diziler elde edilecek sıkıştırma miktarı kayda değer ölçüdedir. Bu tür kodlama kayıpsız bir kodlamadır.

Kayıpsız kodlamaya iyi bir örnek Değişken uzunluklu kodlamadır. Bu kodlamaya Entropi kodlaması adı da verilir. Kodlamanın ana ilkesi, n-bit uzunluktaki veri dizilerinin,      2 ⁿ değişik kombinasyonundan belli kombinasyonların bulunma olasılığının daha fazla olmasına dayanır. Olasılığı fazla olan diziler daha kısa  (bit sayısı az) kodlarla, olasılığı az olan diziler ise daha uzun kodlarla yeniden kodlanır. Böylece daha sık gelen diziler daha az bit kullanılarak iletileceğinden toplam bit sayısı azalmış olur.
1.2.1.4 Hata Bulma ve Düzeltme Yöntemleri

MPEG2 standartlarına göre kodlanmış sayısal işaret çeşitli yollarla  (kablo,uydu veya havadan) iletilebilir. Bu ortamlardan hiç biri mükemmel değildir. İletim sırasında gerek gürültü ve karışmalar gerekse ortamdaki yansımalar yüzünden sinyaller bozulur ve bazı bitler yanlış olarak algılanabilir. Fakat MPEG2 kod çözme devresinin doğru çalışabilmesi için hatalı bit oranın çok düşük 10^-10……10^-12 mertebesinde olması gerekir. Bu yaklaşık olarak 30Mb/s hızda, bir saatlik bir sürede en çok 10 hatalı bit demektir. Bu kadar düşük hata sayısına pratikte ulaşmak mümkün değildir. Bu durumda yapılabilecek tek şey iletim sırasında iletim sırasında bozulan hatalı bitler yakalayarak bunları düzeltmektir.

Hatanın bulunup düzeltilebilmesi için iletilen bilgi bitlerinin arasına bilgi taşımayan ek bitler eklenmesi ve toplam bit sayısının veya bit hızının artırılması şarttır. Bu işleme önceden hata düzeltme adı verilir.

Şekil 1.5 Hata bulma

Sayısal TV yayınında kullanılan tipik bir önceden hata düzeltme şekil-1.4 görüldüğü gibi birden fazla hata kodlaması ve ayrıca bitleri harmanlama ve enerji dağıtma işlemi gerektirir.

1.2.1.4.1 Enerji Dağıtıcı (Energy Dispersal, Randomizer)

“Enerji dağıtıcı” ve “harmanlayıcı” blokları aslında önceden hata düzeltme işleminin parçaları değildir. Ancak hata düzeltme işleminin etkili olarak yapılabilmesi için bu işlemleri de yapmak gerekir. Hata kodlamasından önce bir DVB transport paketi 188 byte’lık bir diziden oluşur. Bu dizinin ilk sekiz biti eş zamanlama byte’ı olup (01000111=47hex) dizisinden oluşur. Geri kalan 187 byte MPEG kodlama işleminden elde edilen veri bitleridir.bu bitler sadece 0’lardan veya sadece 1’lerden oluşan uzun diziler halinde gelebilir. Bu durumda sinyaldeki enerjinin çoğu alçak frekanslar bölgesinde yoğunlaşır ve frekans bandı etkin olarak kullanılmamış olur. Ayrıca sinyalde bir doğru akım bileşeni oluşur. Bu tür bileşenler iletimde  çıkarabileceği gibi bunlara uygulanan hata bulma ve düzeltme işlemleri de yeterince etkili olmaz. Bunları önlemek için hata düzeltme devresinin girişine gelen bit dizilerinin mümkün olduğu kadar rasgele olması ve eşit sayıda 0 ve 1’lerden oluşması istenir. Bunu yapan devreye Enerji dağıtıcı adı verilir.

1.2.1.4.2 Reed-Solomon Kodlaması  (Dış Kodlama)

Reed-Solomon kodlaması 188 byte’lık her pakete veri bitlerinden sonra 16 byte’lık hata bulma ve düzeltme sinyali ekler. Böylece hr paket 204 byte uzunluğa erişir. Oldukça karmaşık matematik temellere dayanan Reed-Solomon kodlaması son derece etkili bir yöntemdir ve 204 byte’lık her paketten çok sekiz byte’a kadar olan hatalı bitlerin hepsini bulur ve düzeltir. Eğer bir pakette 8 byte’dan fazla hata oluşursa bu paket hatalı olarak algılanır fakat düzeltilemediğinden geçersiz bir paket olarak kabul edilir.

1.2.1.4.3 Harmanlayıcı  (Interleaver)

İletim sırasında dış etkiler ve karıştırmalar sonucunda sinyal bozularak hatalar oluşur. Bozucu sinyaller genellikle ani patlamalar şeklinde şeklin de geldiğinden hatalar patlama şeklinde oluşur (Burst Errors). Yani bazı paketlerin çoğu bitleri bozulurken diğer paketlere hiç bir bozulma  olmaz. Bu durumda çoğu bitleri bozulan paketleri Reed-Solomon hata kodlaması ile düzeltmek mümkün olmaz. Buna karşılık diğer paketlerde hatalı bitler olmadığından hata kodları boşuna gönderilmiş olur. Bu şekilde art arda gelen patlama şeklinde hataları düzeltmek için, hatalı paketteki bitler hatasız paketteki bitler harmanlanarak yerleri değiştirilir. Böylece hatanın paketler arasında homojen bir şekilde dağılması sağlanabilir. Bu işleme Harmanlama  (Interleaving) adı verilir.

1.2.1.4.4 Evrişimli Kodlama (Convolutional Coding) 

Bulucusundan ötürü “Viterbi” algoritması olarak da adlandırılan bu kodlamada giriş bitleri  iki veya daha çok bit gruplarından oluşan sembollere ayrılır. Hem sembol çıkışta daha yüksek sayıda bit’ten oluşan bir çıkış sembolü ile temsil edilir. Böylece çıkışa bilgi taşımayan fakat hat bulmada yardımcı olan “gereksiz bitler”  (redundancy) eklenir. Bu yöntem bilgi taşımayan bit sayısı bir hayli fazla olduğundan hata bulma ve düzeltme kabiliyeti oldukça iyidir. DVB standardında  (giriş bit sayısı)/ (gönderilen bit sayısı) oranı, R_c =1/2 olarak seçilmiştir. Yani her giriş bitine karşılık iki çıkış biti üretir. Bu da çıkış veri hızını iki kat veya %100 artırmak demektir. İletim kanallarını daha etkin kullanmak için değişik oranlara da izin verilmiştir. Özellikle uydu yayınlarında  R_c=2/3,3/4,5/6 ve 7/8 oranları da kullanılmaktadır. Oran büyüdükçe gerekli frekans bant genişliği azalır fakat buna mukabil sistemin hata düzeltme kabiliyeti azalır.

1.2.1.4       Sayısal Görüntü Sıkıştırma Standardları 

Televizyon video işaretinin sıkıştırılarak iletilmesi için standartlar geliştirilmiştir. Bu bölümde en çok kullanılan standartlar anlatılacaktır.

1.2.1.5.1 JPEG Standardı  

JPEG, PCM olarak sayısallaştırılmış hareketsiz resimlerin sıkıştırılması için kullanılan bir standarttır. Bu sıkıştırma yöntemine “interframe” yani resim içi sıkıştırma da denilir. Yöntemi uygulamak için önce resim “makro­blok” adı verilen küçük bölümlere ayrılır. Her makroblok 8×8 beneklik dört  bloktan meydana gelir.

Şekil 1.6  Jpeg standardı

Bundan sonra her bloka iki boyutlu Ayrık Kosinüs Dönüşümü  (Discrete Cosine Transfornı, DCT) uygulanarak 64 katsayı elde edilir. Bu katsayılar görüntü blokunun uzamsal frekans bileşenlerini gösterir ve gene iki boyutlu olarak 8×8 bir matrisle gösterilir. Sol üst köşedeki sayı bloğu sıfır frekanslı   (DC) bileşenini yani ortalama gri seviyesini gösterir. Soldan sağa gidildikçe artan yatay frekanslı bileşenler, üstten alta doğru gidildikçe de artan düşey frekanslı bileşenlere karşı düşen değerler elde edilir. Örnek olarak eğer bütün blok aynı değerde bir gri seviyesinde ise sadece DC bileşen vardır ve sol üst köşe dışındaki bütün değerler sıfırdır.

Bu matris zikzak biçimde taranarak iki boyutlu matristen tek boyutlu 64 katsayı elde edilir. Zigzag tarama ile katsayılar sıfırdan  (DC) başlayarak en yüksek uzamsal sıklığa doğru sıralanmış olur. Bundan sonra değişken ağır­lıklı kuantalama işlemine geçilir. Yüksek sıklıktaki bileşenler fazla önemli olmadığından  (göz ince detaylardaki gri seviyeleri algılayamadığından) daha az basamaklı, alçak frekanslı bileşenler  (geniş yüzeyler) ise daha önemli olduğundan daha fazla basamaklı  (daha küçük adımlı) olarak kuantalanır.

Son adım, değişken uzunluklu Huffman kodlamasıdır. Değerler gene önem sırasına göre değişen uzunluktaki bit dizileri ile gösterilir. Böylece toplam bit sayısı en aza indirilir. DC bileşeni farksal olarak kodlanır. Yani DC bileşenin değeri değil, bir önceki blokla işlenmekte olan blokun DC bileşenlerinin farkı kodlanır.

1.2.1.5.2 MPEG-1 Standardı 

Uluslararası Standartlar Organizasyonu (ISO) tarafından resim ve ilgili ses sinyallerinin sayısal kayıt ortamlarına (CD-ROM, DAT, Disk v.s.) CIF formatında kaydedilmesi için geliştirilmiş olup en yüksek veri hızı  1.86MB/s’dir. Elde edilen resim kalitesi VHS formatında kaydedilmiş analog videodan daha iyidir. JPEG’ den farklı olarak bu standartta kullanılacak olan algoritmalar standarda dahil edilmemiştir. Yani değişken uzunluktaki kodlamada Huffman kodlaması yerine Entropy kodlaması, DCT yerine başka bir transformasyon kullanılabilir. Ayrıca resimle ilgili parametreler (örnek olarak resim boyutu) ayrı olarak gönderildiği için değişik standarlardaki resim işaretleri için kullanılabilir.

MPEG-l sadece geçmesiz taramalı video işaretlerini kabul eder. Bu işaret önce aydınlık ve renk fark işaretlerinden (Y, Cr, Cb) meydana gelen standart MPEG giriş işaretine (SIF) çevrilir. Aydınlık ve renk fark işaretleri 8­bit/benek olarak sayısala çevrilir (Renk işaretinden, aydınlık işaretine göre yatay ve düşey doğrultuda 2 defa daha az örnek alınır).

MPEG-I ‘de kullanılabilecek en yüksek sınır değerler aşağıda verilmiştir.

Bunların altındaki herhangi bir değer kullanılabilir.

• Bir satırdaki benek (pixel)sayısı    720
• Satır sayısı 576
• Saniyedeki  resim sayısı    30
• Bir resimdeki  Makroblok sayısı    396
• Saniyedeki makroblok sayısı       9900
• Veri hızı     1. 86Mb/s
• Tampon bellek     376 832 bit

MPEG kodlamasında üç değişik cins çerçeve kullanılır ve bunlar sırasıyla I(intrapictures), P(predicted) ve B(bidirectional) olarak adlandırılır.

I-tipi çerçeveler başlangıç resimleri olup bunlarda sadece JPEG de uygulanan çerçeve içi sıkıştırma uygulanır. Yani çok az sıkıştırılırlar. Bir görüntünün oluşturulabilmesi için mutlaka I-tipi çerçeveden başlamak gerekir. P-tipi çerçeveler daha önceki resimlerden yararlanarak kestirim yön­temiyle bulunan resimler olup bunlar daha sonraki çerçeveler için referans olarak kullanılırlar. B-tipi çerçeveler ise I ve P tipi çerçeveler kullanılarak, önceki ve sonraki çerçevelerin enterpolasyonu ile elde edilen resimlerden oluşur.

Şekil 1.7  MPEG-1

Değişik cinsten bir takım çerçevelerden oluşan guruba “Resimler Gurubu”  denir. Bir guruptaki çerçeve sayısı uygulamaya göre değişebilir. Şekil­5.18’de 9 çerçeveden oluşan bir gurup görülmektedir.  Bu  guruptaki   çerçevelerin   iletim   sırası  0,4,1,2,3,8,5,6,7  veyaO, 1,4,2,3,8,5,6,7 şeklinde olabilir.

MPEG yöntemi, sıkıştırma çerçeveler arası benzerlikten ortaya çıkan zaman içindeki fazlalık bilgiden büyük ölçüde yararlanır. Burada belli bir andaki görüntü çerçevesinin daha önceki ve daha sonraki çerçeve bilgileri kullanılarak bulunabileceği veya kestirilebileceği varsayımdan hareket edilir. Ayrıca hareket bilgisinden yararlanılarak hatalar büyük ölçüde azaltılır. Böylece çok yüksek sıkıştırma oranları elde edilir.

1.2.1.5.3 MPEG-2 Standardı

1,2 veya 1,8 MB/s’lik MPEG-I standardı yayın kalitesinde görüntü iletmek için yeterli değildir. Bu yüzden bu standardı geliştirilerek veri hızı 2­20MB/s arası değişebilen MPEG-2 ve daha düşük (normal telefon hatlarını kullanabilecek) veri hızlarında çalışabilen MPEG-4 standartları geliştiril­miştir. MPEG-2 standardı MPEG-l ile uyumlu olacak şekilde tasarlanmıştır. Ana özelliklerini şöylece özetleyebiliriz;

• Geçmeli tarama (intedaced), yüksek ayırıcılı video işaretlerini kabul eder ve renk farkı işaretlerinin değişik şekilde örneklenmesine izin verir.
• Ölçekli olarak ayarlanabilir bir bitdizisi verir.
• Daha gelişmiş kuantalama ve kodlama algoritmaları kullanır.

Uygulamadaki güçlükleri ortadan kaldırmak için bu algoritma “alçak seviye (low level)” ,”ana seviye (main le ve!)” ve “yüksek seviye (high level)” olmak Üzere Üç seviye ve beş değişik profil olarak gerçeklenir. Bunlar “basit profil (simple profile)”, “ana profil (main profile)”, “işaret gürültü oranı ölçek1enebilir profil (SNR scalable profile)”, “uzamsal olarak ölçeklenebilir profil (spatially scalable profile)” ve “yüksek kaliteli profil (high profile)” olarak adlandırılır. Standart sayısal TV yayınlarında bu ana seviye-ana profil, HDTV’de ise yüksek seviye- yüksek profil kullanılmaktadır.

MPEG-2’de makroblokların kodlanmasında renk farkı işaretinin örneklenmesi de farklılık gösterir. Üç değişik örnekleme biçimi desteklenmektedir. Bunlar;

1)  4:2:0 (4 Y, 1 Cr, lCb; MPEG-l deki gibi)

2) 4:2:2 (4 Y, 2Cr, 2Cb; sadece yatay doğrultuda az örnekleme)

3) 4:4:4 (4 Y, 4Cr, 4Cb; renk ve aydınlık aynı şekilde örnekleniyor)

Seviye	Satırdaki örnek	Çerçevedeki satır	Saniyedeki çerçeve	En yüksek veri hızı
Alçak	352	288	30	4Mb/s
Ana	720	576	30	15Mb/s
Yüksek	1440	1152	60	80Mb/s
Yüksek	1920	1152	60	100Mb/s

Tablo 1.2 MPEG-2 veri hızları

MPEG-2 hem geçmeli hem de geçmesiz taramalı resimleri işleyebilir. Geçmeli taramanın işlenmesinde çerçeveler arası veya alanlar arası ilintiler kullanılabilir. Hareket miktarı fazla olmayan resimlerde resmin çerçeveler halinde işlenmesi daha uygundur. Bu tür resimlere “Çerçeve Resmi” (Frame Picture) adı verilir. Hareketli görüntülerde ise her alanın ayrı ayrı ele alınması daha iyi sonuç verir. Bu tür resimlere de “Alan Resmi” (Field Picture) adı verilir. Bir gurupta değişik cinsten resimler olabilir. Belli bir anda eğer alan resmi gönderilmişse bir sonraki resim de alan resmi olmalıdır. Böylece bir çift alan resmi birleştirilerek bir çerçeve oluşturulur.

Profil	Algoritmalar	Örnekleme
Yüksek profil	SNR ve uzamsal ölçeklemeli 3 katman	4:2:2
Uzamasal ölçekleme	SNR ve uzamasal ölçeklemeli 2 katman	4:0:0
SNR ölçekleme	SNR ölçeklemeli 2 katman	4:2:0
Ana profil	Ölçeklemesiz, geçmeli tarama, B-tipi çerçeve öngörü modu	4:2:0
Basit profil	B-tipi çerçeve öngörü modu dışında ana ana profille aynı	4:2:0

Tablo 1.3 MPEG-2 örnekleme algoritmaları

Blokların ayrık kosinüs dönüşümleri alınırken bir resimdeki farklı makrobloklar için farklı resim tipleri seçilebilir. Örnek olarak hareketli bloklar için “alan”, hareketsiz fakat ince detaylı bir blok için “çerçeve” tipi bir dönüşüm için daha uygundur.

Kestirim sırasında da benzer şekilde hareket edilir. “Alan” tipi resimlerde sadece “alan” tipi kestirim kullanılır. Yani bir alan önceki veya sonraki alanlar kullanılarak kestirilir. Buna karşılık “çerçeve” tipi resimlerde makroblokların kestiriminde hem çerçeve hem de “alan” tipi tipi kestirim kullanılabilir.

Ölçekli olarak ayarlanabilir veya kısaca ölçeklenebilir(salable) veri dizisi MPEG-2’nin önemli özelliklerinden biridir. Bu; veri dizisinin sadece belli bir kısmını kullanarak daha düşük kaliteli bir resim elde edilebilmesi demektir. Yani yüksek kaliteli bir resmi iletmekte kullanılan hızlı bir bit dizisi daha basit bir kod çözücü tarafından bazı bitleri atlanarak çözülürse daha az kaliteli veya daha düşük ayrıcalı bir  resim elde etmek için gerekli en az sayıdaki bit dizisine temel katman (base layer) adı verilir. bundan sonraki katmanlara iyileştirme katmanları (enhancement layers) adı verilir. MPEG-2 standardı iki veya üç katmanlı işaretleri kapsar. Bu katmanlardan yararlanarak üç değişik alanda ölçekleme yapmak mümkündür.

Uzamsal (spatial) ölçekleme: Video işareti değişik ayrıcalıkta çözülebilir.

Temel katman en düşük ayrıcalıklı resmi verir ve gelen bit dizisinin az bir kısmını çözerek elde edilebilir. Diğer katmanlar daha yüksek frekanslı bileşenleri vererek resmin ayrıcalığını  arttırır yani ince detayların görünmesini sağlar. Bu iş için piramit tipi bir yaklaşım kullanılmıştır. Önce resim kaba olarak bölümlenir ve her bölüm bir piksel olarak kodlanır (temel katman) sonra esas resim ile kaba resmin farkı alınarak bu fark iyileştirme katmanı olarak kodlanır.

İşaret/Gürültü Oranı (SNR) ölçeklemesi: DCT katsayılarının değişik sayıda basamaklanması (kuantalanması) ile elde edilir. Temel katmanda kaba olarak basamaklanmış katsayılar kullanılır. Sonuç olarak düşük bir işareti gürültü oranı elde edilir. İnce basamaklanmış katsayılarla aradaki farklar ayrıca iyileştirme katmanları ile iletilir.

Zamansal (ternparal) ölçekleme: Çerçeve hızlarının farklı farklı alınması ile zamanda bir sıkıştırma yapmak mümkündür. Gene temel katmanda en düşük çerçeve hızı söz konusudur. Aradaki atlanan çerçeveler diğer katmanlarda iletilir. Alıcıda sadece I ve P-tipi çerçeveler işlenerek B-tipi çerçeveler tamamen atlanabilir. B-tipi çerçeveler daha sonraki çerçevelerin kestiriminde kullanılmadığından bunların atlanması resmin yavaşlaması dışında bir problem doğurmaz.

Bu ölçeklemelerin aynı anda uygulanması durumunda melez ölçekleme tipleri elde edilir. Ölçeklemenin sağladığı en önemli avantajlardan biri iletim sırasında oluşabilecek hatalardan sistemin korunmasıdır. Bunun için temel katmanın daha fazla sayıda hata düzeltme bitleri eklenerek kodlanır. Böylece bu katmanın garantili bir şekilde iletilmesi sağlanır. Diğer katmanlarda oluşabilecek hatalar resimde sadece geçici bir kalite bozulmasına sebep olur ki bu da genelde rahatsız edici değildir.

Şekil 1.8 DCT katsayılarının değişik tarama yöntemleri
Bu özelliklerin dışında MPEG-2 başka farklılıklar da vardır. Bunların en önemlileri;

DCT katsayıları alan tipi resimlerde zikzak tarama yerine değişik biçimde taranır. Bu tarama geçmeli taramaya daha uygundur (Şekil-1.8)

• “Intra” tipi makro bloklarda DC bileşeni kuantalama katsayısı 8,4,2 ve I değerlerini alabilir. Yani bu katsayı gerekli durumlarda II bitlik en yüksek ayrıcalıkla gönderilir.
• Halbuki MPEG-1 de bu katsayı S-bit sabit uzunluktadır. AC katsayılar da MPEG-I ‘de    (-256 .. .255) arası kodlanmasına rağmen MPEG-2’de (-2048 … 2047) arası kodlanır.
• Adaptif  kuantalama katsayıları MPEG-I’ de sadece 1 ila 31 arası tam sayılar olmasına karşılık MPEG-2’de 0.5 ila 56 arası gerçel sayılar olabilir.

Bugün çeşitli tüm-devre imalatçıları tarafından gerçekleştirilmiş tek devre veya set halinde MPEG-l ve MPEG-2 görüntü sıkıştırma ve açma tüm­ devreleri piyasaya çıkmıştır.

1.2.1.5.4 MPEG-4 Standardı

MPEG-4 standardı ISO (Uluslararası Standardlar Organizasyonu) tarafından, daha çok, düşük bit hızlarında görüntü iletimi için öngörülmüş yeni bir sıkıştırma standardıdır. 1993’de başlayan bu standart çalışması daha sonra değiştirilerek, kolay erişilebilir, yüksek sıkıştırmalı ve uyarlanabilir kullanıcı tarafından değiştirilebilen (interactive)ses/görüntü sıkıştırma standardı” haline getirilmiş ve 1999 yılında standart kabul edilmiştir.

MPEG-4 standardında diğerlerinde olmayan aşağıdaki özellikler eklenmiştir.

• Veri bit-dizilerinin içindeki bilgiye (muhtevaya) bağlı olarak düzenlenebilmesi
• Multimedya sistemleri için çeşitli kullanım aletleri
• Bilgiye bağlı ölçekleme
• Aynı anda gönderilen çeşitli veriler için uygun kodlama
• Tabii, yapay veya karışık veriler için uygun kodlama
• Daha iyi kodlama verimi
• Çok düşük veri hızlarında hareketlerin kodlanması
• Gürültü ve hatalara karşı dayanıklılık

MPEG-4 standardı yapısal olarak dört elemandan oluşur; “sintaks”, “aletler”, “algoritmalar” ve “profiller”. Burada “sintaks” (syntax) çeşitli aletler, algoritmalar ve profiller’in tanımlanması, kullanılması ve yüklenmesini tanımlayan bir dildir. “Alet” (tool) Özel bir kullanım metodudur. “Algoritma” birden fazla aletin ard arda kullanılması ile bir işlemin gerçekleştirilmesidir. “Profil” ise bir veya birden fazla algoritmanın peş peşe uygulanması ile belli bir uygulamanım gerçekleştirilmesidir.

Çıkış veri hızı 5Kb/s ile 10Mb/s  arası olabilen MPEG-4 standardı daha çok multimedya, telekonferans, görüntü arşivleme, tele alışveriş ve uzaktan izleme gibi özel uygulamalar için düşünülmüştür. Geçmeli ve geçmesiz taramalı görüntüleri destekler. Standardın teknolojiyi sınırlamaması için kullanılacak algoritmalar ve aletlere bir sınırlama getirilmemiş sadece protokoller belirlenmiştir.

PEG-4 standardında diğer sistemlere göre daha iyi bir sıkıştırma sağlanması bu standartta görüntünün bütün halinde değil, kısım kısım işlenmesi sayesinde olmaktadır. MPEG-4′ de görüntü ve ses sentetik veya tabii bölümlerden meydana gelmiş olabilir. Her bölüm resmin geri kalan kısmından ayrılabildiği için sadece istenen kısmı alınabilir veya her kısım ayrı ayrı işlenebilir, büyütülüp küçültülebilir, çevrilebilir, yani üç boyutlu uzayda bütün işlemler bağımsız olarak yapılabilir. Özellikle aslında hareketsiz olan fakat kameranın çevrilmesinden ötürü hareketli gibi görünen arka plan ile ön plandaki hareketli cisim veya kişiler ayrı ayrı işlenirse arka plan çok az  sayıda bilgi iletimi (sadece hareket vektörü) ile alıcıya gönderilebilir.

MPEG-2 ve diğer görüntü sistemlerinden en önemli farklarından biri de MPEG-4’de görüntünün hiyerarşik olarak katmanlara ayrılması ve bu katmanlarda yer alan Görüntü Cisim Düzlemlerinin (Video Object Plane, VOP) kare olmak zorunda olmamasıdır. “Sprite” adı verilen bu görüntü parçaları herhangi bir biçimde olabilir ve görüntü parçasının konturlarına uygun biçimde ana resimden kesilerek ayrılabilir.

MPEG-4’de kodlama hiyerarşik katmanlar halinde yapılır. En alt katman “Çok Düşük Bit Hızlı Görüntü (Veri Low Bitrate Video, VLBV) katmanı olup bu katman 5-64 kbit/s veri hızlarını destekleyen aletler kullanır. Bu katmanda birkaç piksel’den başlayarak CIF standardı olan 352×288 piksel’e kadar ayıreılığı olan ve çerçeve hızı O (hareketsiz resim) ile 15 Hz arası görüntüler iletilebilir.

VLBV katmanındaki görüntü kaba olmakla beraber kodlama verimi çok yüksektir ve hatalara karşı çok iyi korunmuştur. Görüntü dikdörtgen olmak zorundadır. Gerçek zamanlı uygulamalar (Görüntülü telefon, telekonferans g.b.) için uygundur. Daha yüksek ayırıeılık (yayın kalitesi) istendiğinde bu katmana ek olarak detay bilgileri Yüksek Hızlı Görüntü (High Bitrate Video,HBV) katmanı ile iletilir. Burada görüntünün kenarları istenilen biçimde olabilir, değişik algoritma ve aletler kullanılabilir ve bit hızı 4Mb/s’ye kadar çıkabilir.

1.2.1.5.5 MPEG-7 Standardı

Görsel-iştsel (Audio-visual) bilgi akışının son yıllardaki aşırı artışı bu konudaki çalışmaların da sürekli yenilenmesini gerektirmektedir. Bu ihtiyaçtan doğan yeni bir standart çalışması MPEG-7 olarak adlandırılmıştır. MPEG-7’yi MPEG-4’den ayıran en önemli özellik MPEG-7’nin bir görüntü veya sesin anlamına veya biçimine göre işlem yapabilme kabiliyetidir.

Şekil 1.9 MPEG-7 katları
Böylece büyük bir ses veya görüntü arşivi içinden belirlenmiş bir ses veya görüntü bulunabilir. Örnek olarak bir filmin içinde sadece kuşların bulunduğu kareler ayrılabilir, yada uzun bir konuşma veya yazı metni içinde geçen belli bir kelime bulunabilir. Televizyon yayınında belli bir kod veya görüntü geldiği zaman video kayıt cihazı otomatik olarak kayda başlayabilir.

Aslında MPEG-7 bir görüntü işleme veya sıkıştırma algoritması değildir. Multimedya içeriklerini Tanımlama Arayüzü” (Multimedia Content Deseription Interfaee) olarak düşünülen bu standart sayısal ses veya görüntü iletimi veya saklanması sırasında kullanılacak bir protokoller dizisi veya programlama dilidir. Bu sayede bilginin tekrar kolayca geri çıkartılması sağlanacaktır. MPEG-7 multimedya bilgilerini tanımlamak için kullanılacak “Tanımlayıcı” (Descriptor), “Tanımlama Biçimleri” (Descriptian Schemes) ve bunlar arasındaki ilişkileri belirleyen “Tanımlama Dili” (Deseription Definition Language, DDL) ile ilgili standartları belirler.

1.2.1        SAYISAL SES İLETİMİ

Sayısal görüntü iletimine paralel olarak ses sinyallerinin de sayısal olarak iletilmesi gerekmektedir. Aslında sesin sayısal olarak iletimi görüntü iletiminden çok daha önce başlamıştır. Bugün kullanılmakta olan telefon sistemlerinin büyük bir kısmı sayısaldır. Anolog TV yayınında sayısal ses iletimi (N/CAM) Avrupa da yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca kompakt disk (CD) ve sayısal kayıt bantları (DAT) da bu teknikleri kullanmaktadır. İlk sayısal ses iletişiminde doğrudan sayısallaştırma tekniği olan “Darba Kod Modülasyonu” (Pulse Code Modulation, PCM) kullanılmakta idi. Ancak PCM kodlama yapıldığında elde edilen sayısal veri hızları radyo ve TV kanallarından iletilemeyecek kadar yüksektir. Bu yüzden çeşitli sıkıştırma yöntemleri kullanılarak veri hızlarının düşürülmesi gerekir.[1,10]

1.2.2.1 PCM

Darbe Kod Modülasyonunda tıpkı görüntünün sayısallaştırılmasında olduğu gibi, analog ses sinyali önce belli bir sıklıkta örneklenir. Örnekler basamaklara bölünür ve her basamağa bir kod tayin edilerek bu kod karşıya gönderilir. Çeşitli ses işaretleri için örnekleme sıklığı, her örneği kodlamada kullanılan bit sayısı ve toplam bit veri hızı Tablo-1.4 ‘de verilmiştir.

	Frekans bölgesi(Hz)	Örnekleme sıklığı (KHz)	Örnek başına bit sayısı	PCM veri hızı (kb/s)
Telefon konuşması	300-3400	8	8	64
Kaliteli konuşma	50-7000	16	8	128
Orta kalite müzik	10-11000	24	16	384
Kaliteli müzik	10-22000	48	16	768

Tablo 1.4 PCM’de kullanılan örnekleme ve veri  hızları

Kompakt müzik disklerinde (Compact Disc:CD) kullanılan sayısal kod­lama standardında örnekleme hızı 44,1 kHz ve bir örnek 16 bit uzunlukta olduğuna göre stereo bir müzik için gerekli veri hızı 2×44,lxI6=141Okb/s =1,4IMb/s eder. Ancak, kayıt ve okuma işlemlerinin yapılabilmesi için gerekli hat kodlaması, bu esnada meydana gelebilecek hataların düzeltilebilmesi için gerekli hata kodlaması ve eş zamanlama bitleri de eklenince her örnek için 16 bit yerine 49 bit göndermek gerekmekte ve CD’lerde kullanılan toplam veri hızı 4,32Mb/s’ye yükselmektedir. Sayısal ses bantlarında (Digital Audio Tape.DAT) örnekleme hızı aynı olmakla beraber ek bitler daha az olduğundan toplam veri hızı 3,08Mb/s olmaktadır.

CD kalitesinde sayısal müzik yayını yapılabilmesi için bu kadar yüksek veri hızlarını mevcut frekans bant genişlikleri içinde iletmek mümkün değildir. Bu verilerin büyük oranda sıkıştırılmaları gerekir. Son yıllarda geliştirilen sayısal sıkıştırma yöntemleri ile örnek başına sadece 0,5 bit ile ses, 1 veya 2 bit göndererek müzik kodlanabilmektedir. Her nekadar sayısallaştırılmış sinyaller başlangıçta analog sinyallerden daha fazla bant genişliğine sahip ise de, sıkıştırma ve kullanılan çok seviyeli sayısal modülasyon teknikleri ile, analog sinyallere göre daha az bant genişliği olan daha kaliteli ses ve görüntü yayını yapmak mümkün olmaktadır.

1.2.1.2   Sayısal Ses Kodlamasında Kullanılan Yöntemler

Konuşma ve müzik işaretlerinin her ikisi de ses olmakla beraber özellikleri birbirinden farklılık gösterir. Örnek olarak konuşman1l1 frekans bandı (300Hz-3000Hz) müziğinkinden (20Hz-20.000Hz) çok daha azdır. Konuşmada anlaşılabilirlik önemlidir. Buna karşılık müzikte bozulmalara tahammül edilemez ve çok daha yüksek bir kalite istenir. Konuşma sinyalleri çok iyi modellenebildiği halde bütün müzik seslerini modelleyebilecek bir yöntem yoktur. Bu yüzden eğer sadece konuşma iletilecekse kaynak kodlaması yapılarak çok yüksek sıkıştırma oranları elde edilebilir. Ama hem müzik hem konuşma sesleri kodlanacaksa kaynak özellikleri değil, kulağın işitme özellikleri göz önüne alınmalıdır.

İlk sayısal kodlama sistemlerinde kullanılan ani bastırma/genişletme yönteminde 14-bit’ lik doğrusal PCM 1l-bit’lik doğrusal olmayan PCM’e çevrilerek küçük bir sıkıştırma sağlanabilmekte idi. Buna benzer olarak geliştirilen ve halen analog TV yayını ile birlikte kullanılan  NICAM, sisteminde başlangıçta 32kHz/14 bit’le sayısallaştırılan ses 1ms’lik bloklara ayrılıp adaptif olarak l0-bit’lik sayısal işarete sıkıştırılır. Böylece stereo bir ses işareti için çıkışta 728 kb/s’lik bir veri hızı elde edilir. Fakat bu tekniklerin hiçbiri sesteki gereksiz bileşenleri atmadığından yeterince büyük bir sıkıştırma sağlayamazlar.

1.2.2.2.1 ISO/MPEG-1 Ses Kodlaması

MPEG- 1 (ISO/IEC IS 11 172 standardı) ses kodlamasında CD kalitesinde bir çıkış hedef alınmıştır. Ancak daha yüksek bir ses dinamiği olduğundan CD’ den daha kaliteli bir ses elde edilebilmektedir. 32, 44,1 ve 48kHz örnekleme hızları kullanılabilir. MPEG- 1 üç seviyede gerçekleştirilir. Çıkış veri hızı ise mono için 32kb/s, stereo için I, II. ve III. seviye kodlamalarda sırasıyla 448,384 ve 320kb/s dır. I. ve II. seviyede alt bant süzgeç bankaları III. seviyede ise süzgeç bankaları ve dönüşüm yöntemlerini birlikte kullanan melez yöntem kullanılır. Her bileşen maskeleme etkileri ve kulağın özellikleri göz önüne alınarak değişik sayıda bit’lerle kodlanır. Buna ek olarak stereo yayınlarda iki kanalı ayrı ayrı kodlamak yerine, birlikte, aradaki gereksiz tekrarlamalar atılarak kodlanır. Buna stereo yoğunluk kodlaması (Intensity Stereo Coding) adı verilir. MPEG-l standardı kodlayıcı devrede hangi akustik modellerin kullanılacağını ve devrenin nasıl gerçekleneceğini belirlemez. Böylece yeni yöntemlerin geliştirilebilmesine imkan tanır. Standart sadece kod çözücü kısmını ye bit dizisinin ne şekilde olması gerektiğini belirler. Bununla beraber I. seviye için 512 noktalı, II. ve III. seviye için 1024 noktalı Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) tavsiye edilmiştir. Basit yöntemlerde her frekans bileşeni için, frekansı, genliği ve tonalitesi göz önüne alınarak gürültü ve maskeleme eşikleri belirlenir. Sonra bunlar toplanarak top yekün maskeleme eşiği bulunur. Daha karmaşık olan 2. modelde ise iç kulaktaki koglea tabasının özellikleri de göz önüne alınır. Ön ­yankılar da işin içine katılarak maskeleme eşikleri daha ayrıntılı olarak hesaplanır.

Standart bir MPEG- 1 kod çözücü her üç seviyeyi de çözebilmelidir.

1. ve II. Seviye 

MPEG- I. ve II. seviye kodlayıcılar birbirine benzer. II. seviye biraz daha iyi sıkıştırma yapar, çünkü burada daha ince basamaklama kullanılır ve ölçekleme katsayıları arasındaki benzerlikler de göz önüne alınır. Bu kademelerde eşit aralıklı 32 alt bant süzgeci kullanılır. Her süzgeç 512 katsayılı çok fazlı (polyphase) yapıdadır. Ayrık Kosinüs Dönüşümü (DCT) kullanılarak hesaplanabildiğinden bu süzgeçlerin gerçekleştirilmesi çok kolaydır. Bu yöntemin kötü yanı süzgeçlerin eşit aralıklı olması, bu yüzden insan kulağındaki kritik bantları uygun şekilde kapsamamasıdır. Her alt band 24000/32=750Hz genişliğinde olacağından alçak frekans bölgesinde birkaç kritik bandı kapsayacaktır. 750Hz genişliğindeki alt bantlar kritik örnekleme frekansı olan l500Hz’ de örneklenir. Sonuçta bir örnek seyrekleme (decimation) işlemi yapılmış olur.

Uyarlamalı basamaklama işleminde basamak sayısı deneme-yanı lma yöntemi ile bulunur. Her adımda bit sayısı bir arttırılarak (bit sayısını bir arttırmak basamak sayısını iki katına çıkarır) elde edilen işaret/gürültü oranı işaret/maskeleme oranı ile karşılaştırılır. aradaki fark yeterince küçük olunca bit arttırma işlemine son verilir ve basamak sayısı belirlenmiş olur. I. Seviyede her alt bant için 12 seyreklenmiş örnekten oluşan blok’lar alınır. Her bloktaki örnekler, en büyük örneğin değeri 1 olacak şekilde, bir katsayı ile çarpılarak ölçeklenir. 48kHz’lik giriş örnekleme hızında 12 örnek 8ms’lik ses parçasına karşı düşer. toplam 32 blok bulunduğuna göre elde edilecek toplam örnek sayısı 32×12=384 olur.

Şekil  1.10  PCM kodlama

27. Seviye kodlamada üç tane bloktan olaşan 36 örneklik süper blok’ar kullanılır. 24ms’lik ses parçasına karşı düşen bir süper blok da toplam 32×36 = 1152 seyreklenmiş ve ölçeklenmiş örnek bulunacaktır. Ölçekleme katsayıları da kendi aralarında sıkıştırılarak karşı tarafa gönderilir. II. seviyede bu ek sıkıştırma %50 civarındadır. Blok ölçeklendirme sayesinde 120dB gibi çok büyük bir dinamik elde edilir. Alçak frekans bölgelerinde 3,5,7,9,15,31, … 65535 gibi pek çok basamak seçimi mümkünken orta ve yüksek frekans bölgesine gidildikçe kullanılabilecek basamak seçenekleri azalır.   Örnek olarak 24 ila 27. alt  bantlarda sadece üç seçenek vardır: 3,5 ve 65535 basamak. 28 ila 32. alt bantlar ise hiç gönderilmez. Bit sayısını azaltmak için ard arda gelen üç alt bant örneklerinden 3,5, 9 basamakla basamaklanmış olanlar birlikte kodlanarak %40 ek sıkıştırma sağlanır.

III. Seviye

III. seviyede; anahtarlanabilir melez süzgeç bankası, ileri seviyede ön ­yankı giderme, üniform olmayan basamaklama, entropi kodlaması, bit depolama tampon bellek gibi birçok yenilikler eklenmiştir. Bu sayede I. ve II. seviyeye göre daha fazla sıkıştırma elde edilir. Ayrıca bu seviyede değişken bit hızı kullanıldığından kod çözücünün de değişken bit hızını destekleyecek şekilde olması gerekir. Daha iyi frekans ayırımı elde etmek için her alt bantta 6 veya 18 noktalı değiştirilmiş ayrık kosinüs dönüşümü (MDCT) uygulanır. Böylece her alt bant için 12 veya 36 örnek elde edilir. Bu sayede her birinin bant genişliği (24000/576=4l,67Hz) olan 576 frekans bileşeni elde edilir. Daha iyi frekans ayırımı sağladığından normalde l8-noktalı dönüşüm uygulanır. Ancak ön­ yankı olma ihtimali olan yerlerde daha iyi zaman ayırımı sağladığından 6­noktalı dönüşüm ve kısa süreli bloklar tercih edilir .

Çerçeve ve Çoğullama

MPEG olarak kodlanmış olan ses sinyalleri sayısal paketler halinde iletilir. Bu paketler bir çerçeve haline getirilir. Şekil 6.6’da örnek bir çerçeve görülmektedir. Her çerçevenin başlık kısmında l2 bitlik eş zamanlama işareti, 20-bitlik sistem bilgisi ve hata kodlaması için ayrılmış 16 bitlik bir yer bulunur. İkinci kısımda bit ataması, ölçekleme faktörleri gibi ek bilgiler bulunur. Ana bölüm, 1. seviye kodlamada 8ms’lik sese karşı düşen 384 örneklik, II. seviye kodlamada 24ms’lik sese karşı düşen 1152 örneklik sayısal veriden meydana gelir. Gerekli diğer bağlı verilerin bulunduğu Son kısmın uzunluğu  belirlenmemiştir.

Çerçevelerin boyu değişkendir ve her çerçeve bağımsızdır. Yani sadece kendi içindeki bilgiler kullanılarak çözülebilir. Bu sebepten seslerin eklenmesi veya anahtarlanması gerektiğinde herhangi bir çerçevenin başından başlanmalıdır. Buna karşılık bu çerçevedeki bilgileri iletmek için kullanılan paketler sabit ( 1 88 byte = 1504 bit) uzunluktadır.

MPEG- 1 kodlama standardında ses, görüntü ve diğer sayısal işaretler eşit uzunluktaki paketler halinde çoğullanarak birlikte gönderilebilir. Paketler istenildiği gibi sıralanabilir. Her paketin içinde ne tür veri bulunduğu paketin başındaki 4 byte’lık başlık bölümünde belirtilir. Başlığın ilk sekiz bit’i eş zamanlama için ayrılmıştır. Ondan sonra gelen 13 bit tanıtım bilgisi olup paketin ne taşıdığını belirler. 184 byte’lik yükün tamamı ses veya görüntü bilgisi olmak zorunda değildir. Gereken uzunlukta bir ayarlama başlığı konulup buraya özel eş zamanlama verileri veya başka bilgiler de konulabilir, veya boş bırakılabilir.

1.2.1.2.2 Çok Kanallı MPEG Kodlama 

Gerçek ortam hissini veren, çok kanallı çevresel (surround) stereo sesler özellikle multimedia, görsel-işitsel  sistemlerde ve kaliteli müzik sistemlerinde sıkça kullanılmaya başlamıştır. Çok kanallı  sistemler ayrıca değişik dillerde yayın yapan TV sistemlerinde de kullanılmaktadır. Uluslararası Telekomünikasyon Birliği ( ITU ) beş kanallı bir sistemi 3/2 stereo sistem olarak tavsiye etmektedir. Bu sistemde normal stereo’daki sağ , sol  seslere ek olarak bir orta  ve sağ-arka  ve sol-arka  olmak Üzere Üç ses daha eklenmektedir. Böylece geniş bir dinleme bölgesinde tam bir derinlik etkisi elde edilmektedir.

Beş hoparlörlü bu sisteme ek olarak sadece 15-120Hz arası alçak frekansları iyileştiren (Law requency Enlıancenıent, LFE) ek bir kanal daha opsiyonel olarak ilave edilebilir. İnsan kulağı bu kadar alçak frekanslarda yön kestiremediğinden “subwoofer” denilen bu altıncı hoparlör herhangi bir yere konulabilir. Bu tüm sistemler 5.1 kanallı olarak adlandırılır.

Bu tür sistemlerde tabii ki kanallar bağımsız olarak kodlanmaz. Kanallar arasındaki benzerliklerden yararlanılarak çok büyük oranda sıkıştırma yapılır. Bir kanaldaki bilgiye ek olarak sadece sesin hangi yönden geldiğini kestirmeye yetecek kadar bilgi gönderilir. Kanallar arası maskeleme etkileri de göz önüne alınır.

1.2.1.2.2.1   MPEG-2 Çok Kanallı Ses Kodlaması  

MPEG-I ‘den sonra geliştirilen MPEG-2 (ISO/IEC IS13818 standardı) ses kodlaması başlangıçta çok kanallı (3/2) olarak planlanmıştır. Ancak eski sistemlerle uyumlu olan ve uyumsuz olan iki çeşidi vardır. Uyumlu sistemde yapılmış bir MPEG-2 kodlayıcısının ürettiği işaret MPEG- 1 çözücüsü tarafından normal stereo (2/0) olarak alınır. Aynı şekilde MPEG- 1 kodlayıcısının ürettiği işaret MPEG-2 çözücüsü tarafından normal iki kanallı olarak alınır. Uyumlu olmayan sistemde kodlanan ses MPEG-l kod çözücüsü tarafından alınmaz. Buna karşılık daha yüksek kalite ses elde etmek mümkündür.

Daha yüksek ses kalitesi elde etmek için geçiş aşamasından sonra, uyumlu olmayan İleri MPEG-2 Ses Kodlama (MPEG-2 Advanced Audio Coding, MPEG-2 AAC) sistemi geliştirilmiştir. Uyumluluk söz konusu olmadığından, bu sistemde yüksek ayırımlı süzgeç bankaları, kestirim ve gürültüsüz kodlama teknikleri kullanılır (Şekil 6.10). 1997’ de standartlaşan bu yöntemde farklı ihtiyaçları karşılamak Üzere üç değişik profil kullanılır:

• Ana Profil en yüksek kaliteyi sağlar. Süzgeç bankaları %50 binişimli 1024 (toplam blok uzunluğu 2048 örnek) ile 128 satır (toplam blok uzunluğu 254 örnek) arası değiştirilebilen MDCT dönüşümü kullanır. Böylece 23.43 Hz frekans ve 2.6ms zaman ayrıcalığı elde edilir. Uzun bloklar kullanıldığında pencereleme fonksiyonları işarete bağlı olarak dinamik bir şekilde değiştirilir.
• Basit Profil’de gürültü şekillendirmesi ve zaman uzayı kestirim yöntemi kullanılmaz
• Örnekleme Hızı ölçeklenebilir Profil en az karmaşık olan yöntem olup melez süzgeç bankaları kullanır.

MPEG-2 AAC en çok 48 kanal’a kadar olan yayınları destekler. En çok kullanılan yayın şekilleri mono, 2-kanal stereo ve 5.1 kanal (5 Kanal+Bas kanalı) çevresel stereo yayınlardır. 320 veya 384 kb/s hızlarda 5 kanal çok yüksek kalite (CD kalitesi) ses iletimi yapabildiğinden profesyonel kayıt ve stüdyo sistemleri ile yayıncılıkta kullanılmaya çok uygundur.

Bu yöntemin tek mahzuru MPEG-I ile uyumlu olmamasıdır. Buna çare olarak “simucast” denilen aynı anda yayın yöntemleri kullanılabilir. Bu yöntemde bir MPEG-2 yayını yapılırken aynı giriş işareti ayrıca bir MPEG-l kodlayıcısı ile de kodlanarak her iki kodlanmış sinyal birlikte iletilir.

1.2.1.2.2.2   MPEG-4 Çok Kanallı Ses Kodlaması 

MPEG-4 daha çok multimedia uygulamaları için geliştirilmiş ve çok fazla sıkıştırma sağlayan bir standarttır. Bu kodlamada çeşitli aletler kullanılabilir. Her bir alet belli işlemleri yapar. Hangi aletlerin kullanılacağı kodlayıcı tarafından belirlenir ve kullanılan aletlerin ne olduğu karşı tarafa bildirilir. Şu anda kullanılan aletlerle MPEG-4 sisteminde 2 ila 64 kb/s hızlarda mono sesler iletilebilmektedir. Sistemde üç ana kodlama yöntemi kullanılır:

1. a) 2-10kb/s düşük hızlarda parametrik kodlama yöntemi,
2. b) 6-16kb/s orta hızlarda sentez yoluyla analiz yöntemi,
3. c) 64kb/s’ye kadar olan hızlarda alt-bant/dönüşüm yöntemleri.

1998 sonunda standartlaşması planlanan MPEG-4, ses tınısının değiştirilebilmesi, sesin işlenebilmesi (edit), arşivlenmesi, “database” programları tarafından kullanılabilmesi, görüntü ile eş zamanlanabilmesi, Ölçeklenebilmesi (istendiğinde daha az bit kullanılarak daha düşük kaliteli sesle yetinilmesi) gibi yeni olanaklar sunmaktadır.

1.2.1.2.3 Dolby AC-3 Ses Kodlaması

Dolby AC-3 sayısal ses kodlaması da MPEG kodlamasında kullanılan sıkıştırma  prensipleri  kullanır. Ancak uygulama şeklinde ve gönderilen veri formatında farklılıklar vardır.

Dolby AC-3 sisteminde frekans bileşenleri üstel olarak (floating po int) gösterilir. Böylece sayının üssÜ ve mantis’i ayrı ayrı ve istenen doğrulukta kodlanabilir. Kullanılan alt bant sayısı 50 veya daha fazla olabilir. Bit atama yönteminin uygulanışında da AC-3 ileri ve geri yönde adaptif atama yöntemi kullanarak daha etkili bir sıkıştırma yapar.

AC çıkış formatları tamamen farklıdır. MPEG’ in değişken çerçeve uzunluğuna karşı AC-3 altı ses kanalından oluşan 1536 PCM örneğe karşı düşen 32ms ( 48kHz örnekleme) sabit uzunlukta çerçeveler kullanır. Her çerçevenin başında bir çerçeve eş zamanlama bilgisi bulunur. Sonra hata kodlamasının ilk kısmı (Cyclic Redundancy Code, CRC) ve eş zamanlama (Sync Information, SI) ve bitlerin dağılımı bilgisi (Bit Stream Information, BSI) gönderilir. Bunların arkasında 6 tane ses bilgisi bloğu vardır. Her blok, kanal başına 256 PCM örneğe karşı düşen bileşenleri ve gerekli yan bilgileri taşır.

Bir çerçevedeki bloklar arasında bilgiler ortak olarak kullanılabilir ve blokların uzunluğu farklı olabilir. Bir çerçevedeki toplam bit sayısı değişmemek kaydıyla, fazla bilgi taşıyan bloklara gerektiği kadar bit atanabilir. Ek bilgiler bölümünde sistem bilgilerini iletilir.

1.2.2        SAYISAL KİPLEME (MODÜLASYON)

Sayısal kiplemede temel olarak analog kipleme tekniğinden bildiğimiz, genlik faz veya frekans kipIerne teknikleri kullanılır. Kiplemeyi sayısal yapan özellik; kipleyen sinyalin sayısal olması, yani sadece önceden belirlenmiş sınırlı sayıda değerler alabilmesidir. Örnek olarak eğer ikili (binary) bir sayısal kipleme söz konusu ise giriş sinyali sadece 011 veya -1/+ 1 gibi iki farklı değer alabilir. KipIeme sonunda da sadece iki farklı taşıyıcı sinyali çıkar; genliği 0/5V olan, frekansı lkHz/2kHz olan veya fazı 0°/90° olabilen sinüs işareti gibi. İletişim sistemlerinde özellikle de sayısal TV sistemlerinde frekans bant genişliğinin mümkün olduğunca az yapılabilmesi için ikili sistemler yerine M-farklı değer alabilen çoklu sayısal kipIerne teknikleri tercih edilir. Örnek olarak 4-lü faz kaydırmalı kiplemede dört değişik giriş işareti (00,01,11,10) kullanılır ve bu giriş kelimelerinin (word) her birine ayrı bir faz açısı karşı düşer (0°, 90°, 180°, 270° gibi). Benzer şekilde 4-seviyeli genlik kiplemesinde 0-1-2-3 volt genlik seviyeleri kullanılabilir.

Frekans bant genişliğini daha da azaltmak için aynı frekansta birbirine dik iki taşıyıcı (sinWat, COswat) kullanılırsa bu tür kiplemeye de Dikgen KipIeme (Quadrature Modulation) adı verilir.

Sayısal giriş sinyalleri Tablo 5-1′ de görüldüğü gibi “O” ve “1” seviyesine karşı düşen kare dalgalar biçimindedir. Böyle bir kare dalganın frekans bant genişliği teorik olarak sonsuzdur ve iletilebilmesi için sonsuz bant genişliğine gerek vardır . Bu ise pratik olarak imkansızdır. Dolayısı ile sayısal sinyalleri son lu bant genişliği olan iletim kanallarından geçirebilmemiz için bunların frekans sınırlayıcı süzgeçlerden geçirilmesi gerekir. Bu süzgeçlerin bant genişliğinin uygun seçilmesi çok önemlidir. Bant genişliği çok tutulursa sınırlı bant genişliği olan iletim sisteminden geçirebileceğimiz veri miktarı azalır, buna karşılık süzgecin bant genişliği azalırsa “O” ve “1 “lere karşı düşen darbeler zaman uzayında yayılarak birbirinin üzerine binerler. Buna semboller arası karışma (Inersymbo/ Interferece) adı verilir.

Sayısal TV sistemlerinde yayın ortamına ve bölgelere  göre değişen çeşitli kiplemeler kullanılmaktadır. İletim ortamının nispeten  gürültüsüz  olduğu kablo ve uydu yayınlarında QAM ve QPSK gibi daha basit kiplemeler kullanılmasına karşılık gürültü, karışma ve yansımaların çok etkili olduğu yerel yayınlarda daha karmaşık olan COFDM ve 8-seviyeli VSB kipleme teknikleri kullanılmaktadır. Sayısal TV yayınında kullanılan kipleme çeşitleri şöylece sıralanabilir:

• QAM (Quadrature Amplitude Modulation: Dikgen Genlik Kiplemesi) Kablo yayınları (DVD-C) için kullanılmaktadır.
• QPSK (Quadrature Phase Shift Keying: Dikgen Faz Ötelemeli Anahtarlama) Uydu yayınları (DVD-S) için kullanılmaktadır.
• COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Modulation: Kodlu Dik Frekans Bölümlemeli Kipleme) Avrupa daki yer yayınları (DVD­T) için kullanılmaktadır. [1]

1.2.3.1 QAM (Quadrature Amplitude Modulation-Dikgen Genlik Kiplemesi)

Sayısal kablo TV yayınlarında 16 veya 64 seviyeli QAM kiplemesi kullanılmaktadır. Bu kiplemede iki giriş sinyali vardır. Bu sinyaller birbirine dik yani aralarında 90° faz farkı bulunan iki taşıyıcıyı kipler. Eğer taşıyıcılardan birisi Coswat şeklinde ise diğeri sinwat şeklinde olacağından çıkış işareti:

S(t)=acosWot+bsinWot     şeklinde ifade edilebilir. Bu­rada a, b katsayıları sayısal giriş kelimesini oluşturur.

Şekil 1.11 Dikken genlik kiplemesi

Bunu gerçekleştirmek için iki çarpma devresi ve bir faz kaydırıcıdan oluşan şekil 1.11 deki devre kullanılabilir. Karışmaları önlemek için giriş sinyalleri bir alçak geçiren süzgeçten (tercihen Nyquist süzgeci) geçirilmelidir. 16 QAM kodlamada 16 değişik kelime söz konusu olduğuna göre her kelime 4-bit uzunlukta ve a, b katsayıları da ikişer bit uzunlukta olmalıdır

Şekil 1.12 16-QAM işaretinin zamanla değişimi

Alıcı tarafta sinyalin en az hata ile çözülebilmesi için elde edilecek 16 değişik vektörün birbirine eşit uzaklıkta olması gerekir. Bu uzaklığa 2 birim dersek, a, b katsayılarının -3;-1;+1 ve +3 olarak seçilmesi gerekir. a ve b’ nin her biri dört ayrı değer alabildiğine göre 4×4=16 değişik vektör tanımlanabilir.

şekil 1-13.

Şekil 1.13 QAM kiplemede çıkış vektörü

Benzer şekilde 64-QAM kodlamada a, b katsayılarının her biri 8 farklı değer alabilir (3-bit) ve vektörlerin yerleşimi şekil 1.13’deki gibi olur.

1.2.3.2 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying-Dikgen Faz Kaydırma Anahtarlaması)

Faz bilgisinin gelen sayısal bilgiye göre değiştirilmesi esasına dayanır. Faz değişikliği bir değerden diğer değere ani olarak değiştirildiğinden bu tür kiplemelere genellikle “Faz Kaydırma Anahtarlaması (Phase Shift Keying, PSK)” adı verilir. PSK bir sinyal:

S(t)=Acos(Wc+2kn/M)

şeklinde gösterilebilir. Burada M sayısı faz’ın kaç değişik değer alabileceğini gösterir ve sayısal faz kiplemesi de “M-PSK” şeklinde ifade edilir. En basit faz kaydırmalı kipleme M=2 için elde edilen ikili PSK kipleme olup “Binary PSK” olarak adlandırılır. En çok kullanılan ise M=4 için elde edilen Dikgen Faz Kaydırmalı Anahtarlama (QPSK) kiplemesidir. Bu kiplemede faz değişimleri 90 derecelik atlamalarla olur (şekil-1.4).

Şekil 1.14 PSK kiplemede çıkış vektörü ve QPSK kiplenmiş işaretin değişimi

QPSK kiplemede kod çözme sırasında oluşacak hataları ve frekans band genişliğini en aza indirmek için “GRAY” kodlaması kullanılır. GRAY kodlamasında her seferinde en çok bir bit değişimine izin verilir. Yani 00’dan 11’e atlanmaz. Örnek olarak 2-bitlik GRAY kodlaması 00,01,11,10 şeklinde 4 kelimeden oluşur.

1.2.3.3 COFDM (Kodlu Dikgen Frekans Uzayı Çoğullaması Kiplemesi)

Frekans bandını etkin bir şekilde kullanan Dikgen Frekans Uzayı Çoğullamalı (Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM) kiplemesi aslında 1970’li yıllarda bulunmuştu. Ancak o yılların teknolojisi ile uygulanması zor olduğundan 25 yıl kadar kullanım alanı bulamadı. Son yıllarda sayısal sinyal işleme tekniklerinin ve çok geniş çaplı tüm-devrelerin (VLSI) gelişmesi ile Sayısal Radyo-TV yayınları ile Telsiz Yerel Veri iletişimi (Wireleses LAN) sistemlerinde başarı ile kullanılmaya başlanmıştır.

Dikgen Frekans Uzayı Çoğullamalı (OFDM) sitemin temeli gelen veri dizisini çok sayıda paralel küçük dizilere ayırarak her bir küçük diziyi ayrı taşıyıcılarla, paralel bir şekilde, iletmek esasına dayanır. Bu taşıyıcıların frekansları ve fazları uygun seçilerek bunların birbirine dikgen (orthogonal) olması sağlanır. Bu durumda yan yana gelen taşıyıcıların tayflarının örtüşmesi (spectral overlapping) işarete bir zarar vermez . Bu da taşıyıcıların birbirine daha yakın seçilebilmesini sağlar ki sonuçta frekans bandı daha etkin bir şekilde kullanılmış olur. Yani aynı frekans bandına daha fazla taşıyıcı yerleştirilebilir. Bilinen ve sayısal iletişimde yaygın olarak kullanılan Frekans Çoğullamalı Sistemler (FDM) ile OFDM arasındaki en önemli fark budur. şekil–1.15’da bu iki sistemin karşılaştırılması verilmiştir.

Açıkça görüldüğü gibi FDM kiplemede frekans bant genişliği, WFDM=2R=2(N/Ts), taşıyıcı sayısından bağımsızdır. Buna karşılık OFDM’de taşıyıcı sayısı arttıkça bant genişliği azalarak çok sayıda (N>100) taşıyıcı için FDM’ın yarısına düşer.

WOFDM = R = N/Ts (N >100 için)

Şekil 1.15 OFDM ve FDM kiplemelerinin frekans spekturumu

Genel anlamda bir OFDM sinyali N tane dikgen alt taşıyıcının paralel olarak iletildiği bir sinyaller kümesi olarak düşünülebilir. Bu sinyalin matematiksel ifadesi:

şeklinde yazılabilir. Burada;

• Cn,k ; k’inci taşıyıcı tarafından n’inci zaman aralığında her Ts süresince gönderilen sembol
• N; alt taşıyıcıların sayısı
• fk ise k’inci alt taşıyıcının frekansını göstermektedir.

n’inci zaman aralığında iletilen sinyale n’inci OFDM çerçevesi dersek ve bunu Fn(t) ile gösterirsek ilk bağıntıyı daha basit olarak

şeklinde gösterebiliriz. Burada Fn(t), N tane Cn,k sembolün toplamından oluşan kümeye karşı

düşmektedir ve her sembol fk frekanslı ayrı bir alt taşıyıcı gk ile gönderilmektedir. Alıcı tarafta kod çözme işlemi bu taşıcıların dikgen (orthogonal) olma özelliğinden yararlanılarak kolayca yapılabilmektedir. Alınan sinyal gk taşıyıcısı ile çözüldüğünde sadece o taşıyıcının taşıdığı bilgi elde edilir.

Şekil 1.16 OFDM kiplemenin yapılışı(a) Tanıma dayalı teorik gerçekleme,(b) Ters fourier dönüşümü yöntemi

Bu tanıma göre OFDM’in uygulanması için binlerce taşıyıcının üretilmesi ve her taşıyıcı için bir genlik kipleyicisi (çarpma devresi) gerekir (şekil 1.16) ki bu da pratik olarak uygulanabilir bir çözüm değildir. Bunun yerine Fourier dönüşüm teknikleri kullanmak pratik bir çözüm getirmektedir.

Bu formülden görüleceği gibi OFDM sinyalini ele etmek için Cn,k sembollerinin ters Fourier dönüşümünü (IDFT veya IFFT) almak yeterli olmaktadır. Taşıyıcı sayısı ters Fourier dönüştürücünün (IFFT) nokta sayısı ile belirlenir.

Sayısal sinyal işleme teknikleri kullanarak ve mikro işlemciler veya özel sinyal işleyici, VLSI Tüm devrelerle bu iş kolayca yapılabilmektedir. İdeal halde taşıyıcılar bir birine dik olduğu için frekans örtüşmesi yüzünden semboller arası karışma olmaz. Fakat eğer iletim kanalı ideal değilse (ki durum çoğu zaman böyledir) alıcıya gelen sinyal bir miktar bozulur ve semboller arası bir karışma meydana gelir.

OFDM sinyalinde semboller çerçevelere karşı düştüğünden bu da çerçeveler arası bir karışma demektir. Bu karışmanın süresi kanaldaki değişik gecikmeler (yansımalar) arasındaki fark kadardır.

Bunu önlemek için çerçeveler arasına bu süre kadar bir boşluk konur veya bu aralık bilgi taşımayan bit’lerle doldurulur. Bu bitler özel olarak dönüşümlü (syclic) biçimde kodlanarak ve alıcıda bu bitler sinyal bitleri ile evriştirilerek (convolution) bir çerçeve içindeki bitler arasındaki karışma da engellenebilir. Bütün bu işlemlerin gerçeklendiği bir COFDM kipleyicisinin blok şeması şekil 1.18’da verilmiştir.

Şekil 1.17 OFDM sinyalinin ters fourier dönüşümü ile elde edilmesi, (a)Frekans uzayı bileşenlerinin oluşturulması, (b) Zaman uzayındaki sinyal

Şekil 1.18 COFDM kipleyici

COFDM’in UYGULANIŞI

Avrupa ülkeleri sayısal TV yer yayınları (DVB-T) için VSB sistemine göre daha karmaşık olan fakat özellikle yansımalı olarak yayılan sinyallerde daha hatasız çalışan Kodlu Dikgen Frekans Uzayı Çoğullamalı (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex, COFDM) kiplerne sistemini kabul etmişlerdir. Bu tür yayınlar ilk olarak 1999 yılında İngiltere’ de başlamıştır.

OFDM kiplemesi sayısal kelimelerin her birine ayrı bir taşıyıcının tahsis edilmesi esasına dayanır. Sayısal yer TV yayınlarında kullanılan OFDM kodlamasında binlerce taşıyıcı kullanılır.

Şekil 1.19 COFDM kiplemesinin blok şeması

MPEG Transprt dizisi OFDM kipleyiciye verilmeden önce bit dizileri üzerinde ‘Enerji dağıtıcı’ blok yardımı ile değişiklikler yapılarak elde edilecek  sinyalin her frekanstaki enerjilerinin   mümkün olduğu kadar eşit   yapılması çalışılır.
1.3 SAYISAL TELEVİZYON YAYINCILIĞI (DVB)

Sayısal televizyon, yayıncılıkta yeni bir  metoddur. Sayısal teknoloji kullanılarak gerçekleştirilen  bu yeni yayın  metodu  başta karasal (terrestrial)  yayıncılık olmak üzere  uydu(satellite) , Kablolu TV, LMDS, MMDS ve MVDS yayıncılığında kullanılmaktadır.

Sayısal yayıncılığın avantajlarından bazıları şunlardır;

• Sayısal televizyon yayınında 4-6 programın, sayısal radyo yayınında 5-8 programın bir verici ile yapılabilmesi,
• Analogdan daha üstün görüntü kalitesi,
• Radyo yayıncılığında; Mono AM, Mono FM, Stereo FM ve CD kalitesinde yayın seçenekleri,
• Analog yayında kapsanan aynı alanın, sayısal yayında daha düşük güçlü verici ile kapsanabilmesi ve dolayısıyla enerji tasarrufu sağlanması,
• Programla birlikte veya programdan bağımsız veri iletiminin sağlanması,
• İnteraktif (etkileşimli ) TV yayıncılığına  imkan tanınması,
• Ülke çapında tek frekans ağı-SFN (Single Frequency Network) kurularak, frekans spektrumunun etkin bir şekilde kullanılması,
• Sabit, portatif veya mobil alıcılarla kesintisiz ve kaliteli (enterferansız) yayın alınabilmesi,
• Radyo alıcı ekranında; istasyon adı, program adı, içeriği, süresi, gelecek program, deprem, yangın, sel felaketi gibi acil güvenlik bilgileri, trafik anonsları, hava ve yol durumu, turizm bilgileri, borsa  ve döviz bilgileri vs. görünebilecek olması gibi.

Sayısal vericilerle,  analog vericilerin  kapsadığı  alana,  20 dB daha düşük  verici çıkış gücü ile ulaşılmaktadır. Burada dikkate alınacak diğer bir husus da   birden fazla yayının tek bir TV vericisi ile  yayınlanması imkanı, dolayısıyla bu alanda ekonomik kazancın sağlanmasıdır.

Aynı durum, sayısal uydu yayıncılığı için de geçerlidir. Analog yayın için kullanılan band genişliği ile bir uydudan  6-9 arası sayısal yayın gönderilmesi mümkündür.
Gerek daha fazla sayıda yayın imkanı, gerek  ardışık verici istasyonları ile aynı programların tek frekanstan yayınlanması ve kullanılan vericilerin birbirlerini bozucu  değilde yapıcı etkide bulunmasını sağlayan SFN oluşturmakla verimli bir frekans kullanımının sağlanması, gerekse  vericilerin ortak kullanımı ve güçlerinin düşürülmesi ile sağlanan ekonomik kazanç,  sayısal televizyonu analog  sistemlere oranla avantajlı konuma getirmiştir.

Sayısal Televizyon ile ilgili ilk resmi çalışmalar 1993’de Bonn’da gerçekleşen  DVB (Digitial Video Broadcasting) projesi adı altında 20 ülkenin katılımı ile başlatılmış, şu anda katılımcı sayısı 200’e ulaşmıştır.

Dünyadaki Karasal Sayısal TV Yayıncılığında (DVB-T) ise Temmuz 1997’de İngiltere’nin Chester kentinde yapılan toplantıda, DVB-T yayınının hangi bandlardan yapılabileceği ve standartı belirlenmiştir. Avrupa ülkelerinin çoğu, analog yayın iletimine yaptıkları büyük miktarlardaki yatırımlardan dolayı, sayısal TV yayınlarına ancak 2010 yılında tam anlamıyla geçebileceklerini, geçiş süresince de analog ve sayısal yayınların eş zamanlı yapılacağını ifade etmişlerdir.

DVB projesinde;

• Sayısal uydu yayıncılığı için (DVB-S)     ETS 300 421
• Sayısal Kablo Yayıncılığı için (DVB-C)    ETS 300 429
• Karasal  Sayısal Televizyon Yayıncılığı için (DVB-T)     ETS 300 744
• Çok kanallı çok noktaya dağıtım sistemi için (MMDS)   ETS 300 749
• Çok kanallı video dağıtım sistemi için (MVDS)   ETS 300 748
• Tek noktadan çok noktaya dağıtım servisi için (LMDS) EN  301 199

standartları belirlenmiştir.

Başta ABD olmak üzere Kanada ve Avrupa ülkelerinde sayısal sistemlerle ilgili regülasyon ve lisans işlemlerinin düzenlenmesi amacıyla büyük çaba sarfedilmiş ve çalışmalar devam etmektedir.[5]

1.3.1 SAYISAL YAYIN ÇEŞİTLERİ

Yayın çeşitlerini iletilen sinyalin tabi tutulduğu modülasyon işlemi belirler. Bu bölümde üç tip modülasyon tekniği ile oluşmuş ve standart olarak kullanılan üç sayısal yayın çeşidine yer verilecektir.

•  DVB-S: Uydu yayınları için QPSK (Quadrature Phase Shift Keying: Dikgen Faz Ötelemeli Anahtarlama)
• DVB-C: Kablo yayınları için QAM (Quadrature Amplitude Modulation: Dikgen Genlik Kiplemesi)

DVB- T: Yerel yayınlar için COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Modulation: Kodlu Dikgen Frekans Bölümlemeli KipIerne)[7]

1.3.1.1 DVB-S UYDU YAYINI

DVB-S sistemi uydu transponder band genişliğinin tüm dizisinin üstünden gelebilmesi için dizayn edilmiştir. DVB-S tek taşıyıcılı bir sistemdir. Diğer bir deyişle bir çeşit birleşimdir. Merkezde bu birleşim en önemli yeri paylod yani, kullanabilir miktara oranı bulunmaktadır. Bu çekirdeği saran katman serisi hatalara karşı duyarlı sinyalin hassasiyetini azaltmak ve paylod’ı yayın için uygun bir şekle getirmekle görevlidir. Video, audio ve diğer datalar, MPEG   Transport Stream paketlerine yerleştirilir. Paket edilmiş datalar payloadı oluşturur. İşlem aşamalarının bir kısmı aşağıdadır:

1)    Bütün senkronizasyon baytları çevirerek datayı düzenli bir yapıya sokmak.

2)    İçeriği gelişi güzel sıralamak.

3)    Paket bilgilerinin üstüne, bir Reed-Solomon, “önceden hata düzeltici” ilave etmek. Bu harici kod (outher code) olarak adlandırılan sinyal üzerinde yalnızca %8 civarında artırma yapan çok etkili bir sistemdir. İleride bütün dağıtıcı sistemler için ortak bir harici kod kullanılacaktır.

4)    Paket içeriğinde katlama metodu uygulanarak paket topluluğu oluşturulur.

5)    Hata düzeltici sistem ve katlama metodu uygulandıktan sonra ikinci bir hata düzeltme sistemi eklenir. Bu ikinci hata düzeltme sistemi servis sağlayıcıların ihtiyaçlarına uygunluk için işletme giderleri miktarında ayarlanabilir.

6)    Son olarak sinyal, QPSK, uydu yayın taşıyıcısını ayarlamak için kullanılır.

Aslında bu sistem, fiziksel yayın arasında özellikle kanal nitelikleri ve çoğalma için tasarlanmıştır. Bu sistem, kanalın hata özelliklerine uyarlanabilmesi için düzenlenir. Bu hatalar rasgele sıralanır ve “ön hata düzeltme katları” nın iki tanesi ilave edilir. İkinci seviye yada iç kod (iner code) koşullara (güç, çanak boyutu, mevcut bit oran) göre ayarlanabilir.

Buna göre servis sağlayıcılar iki değişken vardır: Sağanın toplam boyutu ve dış katmandaki hata düzeltme sisteminin “kabuk” kalınlığı. Elimizde her iki durumda alıcı, kullanacağı doğru kombinasyonu hızlı denemelerle ve gelen sinyaldeki hata ile bulacaktır. Payload boyutunun ve iç kodun uygun kombinasyonu servis operatörünün ortamına uygun seçilebilir.

39Mb/s servis operatörlerinin isteği MPEG-2 video ve audio tüm kombinasyonlarını taşımak için kullanılabilir.

Uydu haberleşmesinin kanal özellikleri:

• Düşük oranlı sinyal/gürültü oranı.
• Kullanılabilir geniş bant genişliği frekansı.
• Uydularda yükseltici tüpü, maksimum güç verimi için çok doğrusal olmayan moda çalıştırılır.

Seçilmiş uydu modülasyon sistemi, 2bit/sembol QPSK modülayonudur. Bu modülasyon sistemi, DVB-S standardı ETS 30042 de tanımlıdır.

Bazı karakteristikler:

• ·Harici FEC: Reed-Solomon hata düzeltmesi.
• ·Dahili FEC:katlanır kodlama
• ·kolay bükülür sembol oranı

DVB-S standardı özel uydu transponderin karakteristikleri için haberleşme parametrelerinin uygun setini seçmesini izin veren, şifreleme parametreleri sayısına sahiptir. DVB-s alıcısı ele alabilmiş olması gerektiği karşılama parametreleri:

• Taşıma frekansı (Ghz)
• Polarizyasyon (dikey, yatay)
• Katlanır hata düzeltmesi kodu (1/2, 2/3, 3/4, 5/6 veya 7/8)
• Sembol oranı

Değişken sembol oranı, transponder yoluyla modemi, tam olarak uygun band genişliğine ayarlamak için yayımcıya izin verir. Seçilmiş sembol oranı, 1.28 tarafından bölünen transponderin -3dB band genişliği gibi olmalıdır. ETS 300 421, herhangi bir yolla sembol oranı kısıtlamaz.

Beş ayrı FEC kodu, MPEG-2 nakil veri akışına eklenilen Greksiz bilgi miktarının değişmesine izin verirler. Bu yolla modem, farkl sinyal/gürültü oranı için ayarlanabilir. Örneğin: birçok insan, alanlarında şiddetli yağmur tarafındansebep olunan karşılama problemlerinden şikayet etmeye başladığında, genellikle 5/6 kodunu kullanan yayımcı, önemli futbol karşılaşmalarında daha sağlam olan 2/3 kodunu kullanmıştır.3/4’ün anlamı, örneğin; 4 bit MPEG’de 3 bit bilgi taşır. Kalan %25’lik kısım ise hata düzeltme içindir. Kullanabilir farklı hata düzeltme kodları, karşılama alanındaki hava koşullarına, göre modem iletimi benimsemesine izin verirler. Yayımcı her yıl, görüntü kaybının dakikalarını ne kadar beklediğini, hata düzeltme ile seçebilir.

DVB-S sistemi, tek taşıyıcılı tek transponder için, zaman bölmeli çoğaltıcıyı (TDM) en iyi şekilde kullanır, ancak çok taşıyıcılı frekans bölmeli çoğaltıcı (FDM) için kullanıldığında uygulamalar yazılması gerekir. SPPC, taşıyıcı üzerinde gönderilen tek bir program (video ve ilgili ses akışıyla) vardır anlamına gelir. Bu, farklı taşıyıcı FDM frekanslarını kullanarak, bir tek transponderi paylaşmak için çeşitli DVB-S uplink yerine izin verir. Buna zıt olan ise, normal programlar için kullanılan MCPC’dir (her taşıyıcıda çok kanal). Neredeyse bütün metodlar DVB-S standardına uyumludurlar.

1.3.1.2 DVB-C KABLOLU YAYIN

Kablo network sistemi, uydu sistemindeki aynı çekirdeğe sahiptir, fakat ayar sistemi, QPSK’nın yerine QAM üzerine kurulmuştur ve iç kod “ön hata düzeltme”’ye ihtiyaç yoktur. Sistem 64-QAM de merkezlendirilmiş fakat 16-QAM ve 32-QAM gibi daha alçak seviyelerde ve 128-QAM ve 256-QAM gibi daha yüksek seviyelerdeki sistemlerde kullanılabilir. Her durumda sistemin bilgi kapasitesi sistemin güçüne göre değiştirilir. Kapasite kelimesini kullanacak  olursak 8MHz’lik kanal 64-QAM kullanırsa 38.5 Mbit/s kapasiteli payload barındırabilir.

1.3.1.3 DVB-T KARASAL YAYIN

Çatı anteni, balkan anteni, masa-üstü oda anteni gibi TV’nin başlangıcından beri tanıdığımız, alış1lagelen antenlerle alınan yayın karasal TV yayım’dır. Bulunduğunuz yöreye yakın, hakim bir tepeden veya yayın kulesinden, karasal bir TV vericisi ile, VHF veya UHF bandında yapılır. Alternatifleri uydudan yapılan ve çanak antenle alınan Uydu- TV Yayını ve kabloyla hanelere dağıtılan Kablo-TV yayınıdır. Ancak alıştığımız bu yayın, Analog Karasal yayındır. Antene bağladığımız tüm televizyon cihazları ile izlenebilir.

Sayısal karasal yayın (DVB- T) ise, yine v·erici ile bir yüksek noktadan yapılır, ancak sayısal (digital) bir kodlama (modülasyon) tekniği ile hazırlanmıştır. Yine çatı anteni. oda anteni gibi antenlerle alınır ancak doğrudan mevcut teknoloji ile Üretilmiş televizyon cihazlarımıza bağlanamaz. uydu alıcısı benzeri bir cihaz tarafından analoğa dönüştürüldükten sonra televizyonlarımızın girişine bağlanır. Sayısal karasal yayın, alıştığımız analog yayından farklı şekilde hazırlanmış, ancak benzer şekilde nakledilen bir VHF/UHF bandı TV yayınıdır.

Sayısal teknolojinin en önemli avantajı, daha fazla TV kanalının yayınlanmasına imkan sağlamasıdır. Bu sayede izleyici daha fazla yayına kavuşur, yayıncı kuruluş daha düşük maliyetle yayınını yapabilir. Bir analog TV yayını yerine uydu ve kabloda 8-12, sayısal karasalda yaklaşık 4 TV yayını dağıtılabilir.

Bu sayede izleyici. nasıl bir çanak antenle yüzlerce yayın alabiliyorsa, sayısal karasal TV sayesinde de yüzün Üzerinde TV yayını alabilecektir. Ancak tek bir uydudan tüm Türkiye’ye yayın yapılabiliyor iken, bir TV vericisinden ancak bulunulan yöreye yayın yapılabildiğinden, teknolojik olarak mümkün olan bu kanal sayısına muhtemelen çok az ilde ulaşılabilecektir.

Sayısal karasal televizyon yayını (DVB- T) özellikle büyük illerimizde yaşanan frekans sıkıntısına bir çözüm getirecektir. SFN (Single Frequency Netvvork – Tek Frekans Ağı) özelliği sayesinde aynı yayın bir frekans Üzerinden, farklı vericilerden yayınlanabilecektir (enterferansa neden olmadan, birbirini tamamlar). Bu sayede bir analog TV yayını yerine büyük şehirlerde 4 değil, 8-12 TV kanalının yayınlanabileceği öngörülmektedir.

Yayın kulelerinin ve vericilerin sayısının azaltılması görüntü kirliğine neden olan yayın kuleleri kalkacak, böylelikle hem havadaki sinyal kirliliği hem de görüntü kirliliği azaltılacaktır. Yeni vericilerde daha düşük çıkış gücü yeterli olacaktır, dolayısıyla elektromanyetik kirlilik azalacaktır. Bu gerçek kamu sağlığı açısından çok olumludur ve karasal TV yayınını izlemeyenlere de bir avantaj getirecektir.

Sayısal yayınların görüntü kalitesi analogdan daha iyidir. Bu gerek karasal, gerek uydu, gerekse kablo-TV için geçerlidir. Sayısal karasalda SFN özelliği sayesinde çevreden yansıyarak gelen sinyaller analogta olduğu Üzere gölgelenmeye neden olmayacağı gibi. yayının kalitesini arttırır. Ayrıca MHP (Multimedia Home Platform), internet ve mail servisleri, bilgi servisleri, bankacılık hizmetleri, oyun kanalları vb. yayının içine konulabilecektir. Hareketli (mobil) televizyon alıcıları Sayısal Karasal TV (DVB- T). uydunun ve kablonun aksine. hareket eden televizyon cihazlarından da izlenebilir (Örneğin cep televizyonları, otobüste TV izleme … )

Daha düşük verici gücü gereksinimi ve daha az sayıda vericinin Üstelik paylaşılarak kullanılması sayesinde yayıncı kuruluşların enerji tüketimlerinde önemli bir tasarruf söz konusu olacaktır. Her televizyon için ek cihaz gereksinimi olacak DVB- T yayınları analog televizyonlar ile izlenebilecek. Bu cihaz sayesinde normal karasal antenler ile DVB- T yayınları izlenebilecek. Önümüzdeki yıllarda piyasaya sürülecek TV’lerin içinde sayısal alıcı cihazları yer almaya başlanacağı öngörüyor. Böylece, sayısal TV alıcısı olmadan da sayısal yayınlar izlenebilecek. Sayısal karasal yayın, uydu-TV veya. kablo-TV’nin yerine geçmeyecek, tamamlayıcı konumunda olacaktır. Her üç teknoloji de birlikte yaşamaya devam edecektir.

Sayısal karasal yayının gelmesiyle bitecek olan tek şey analog karasal yayındır. Avrupa’da 2008 yılında, Türkiye’de 2014 yılında tüm analog karasal vericilerin kapatılması planlanmıştır.Analogdan sayısal yayına geçiş, tüm dağıtım teknolojilerinde gelişme doğrultusunda gerçekleşen bir süreçtir. Türksat uydusunda analogdan sayısala geçiş gerçekleşmiş, tüm yerli kanallar sayısal (dijital) yayına geçmiştir. Kablo­TV’de bu süreç 2006 içinde başlayacaktır. Karasal TV’de de 2006 yılında başlamıştır.

Dünya televizyon yayınlarını izleyebilmek için belli başlı beş farklı iletim biçimi vardır. Bunlar: Kablo TV, uydu vericileri, MMDS (Multichannel Multi-point Distribution System). telefon hatları Üzerinden TV aktarımı (IPTV) ve karasal vericilerdir. Üyesi olmaya hazırlandığımız Avrupa Birliği Ülkelerinde kablo TV ve Uydu Üzerinden yapılan yayınlar, karasal yayıncılığa göre çok daha fazla gelişmiş olduğu halde, Ülkemizde karasal yayıncılık gelişmiş ve yaygınlaşmıştır. Avrupalı yayıncı kuruluşların yaklaşık yüzde 30’u kablo TV, yüzde 24’Ü uydu, yüzde 46’sı ise karasal yayıncılık ile izleyicilerine ulaşırken, Ülkemizde yayıncı kuruluşların yaklaşık yüzde 10’u kablo TV, yüzde 30’i uydu, yüzde 60’si ise karasal yayıncılık ile izleyicile­rine ulaşmaktadır. [8]

Sayısal karasal yayıncılığın avantajları

1- Karasal vericilerden yapılan sayısal TV yayını yeni bir modülasyon yöntemi COFDM-Coded Ortogonally Fre-quency Division Multiplexing (Kodlanmış Ortogonal Frekans Bölmeli Çoğullama) kullanılarak görüntü ve ses dataların çok kaliteli ve çok etkin biçimde sıkıştırarak taşıma olanağı sunuyor.

Sayısal karasal yayın frekans spektrumunu çok etkin bir şekilde kullanma olanağı tanımaktadır. Şöyle ki: COFDM modülasyonu kullanarak 4-6 ayrı kanalın yayınını bir paket halinde sıkıştırıp tek bir frekanstan iletmek olanaklıdır. Bunun Üzerine bir de SFN (Single Frequency Netvvork) olanağını koyarsak; ki bu şu demek:

İstanbul gibi bir şehirde aynı yayını şehrin tamamına izletebilmek için bir kaç vericiden verici sayısı kadar frekans kullanılması gerekirken, DVB-T’de aynı frekans Üzerinden farklı vericilerden yayın yapmak da olanaklı. Özetlersek, şu anda İstanbul’da yayın yapan 51 kanalın tamamını 13 frekans Üzerinden iletmek olanaklıdır.

Ancak ‘sayısal karasal’ yayın yeni gelişmekte olan HDTV teknolojisi için çok uygun değildir. Çünkü HDTV yayınlar sıkıştırılsa bile ‘sayısal karasal’ yayın teknolojisinde bir kanalı tamamen doldurmaktadır.

2- DVB-T ile yayıncı kuruluşların kendi vericilerini kurma zorunluluğu ortadan kalkmaktadır. Bir yerel televizyon, DVB- T yayını yapan bir yayıncı kuruluşun yayın paketinden bir yer satın alarak ciddi bir yatırım maliyetinden kurtulabilir ya da bir kaç girişimci bir araya gelerek 4-6 kanalın yayınlarını tek bir verici Üzerinden yayınlama olanağına kavuşabilir.

3- DVB-T’de belirli bir alana yayın iletebilmek için gerekli verici gücü analog yayıncılıktakine oranla onda bir seviyesindedir. Aynı kanaldan 4-6 yayın yapabilme olanağı da hesaplanırsa enerji maliyetlerinden  50‘de 1’e kadar kazanç sağlanacaktır. Çarpıcı bir örnek: TRT’nin yayınlarını iletebilmek için kullandığı yıllık elektrik enerjisinin maliyeti yaklaşık 50 milyon dolar kadardır. DVB-T ile bu maliyetleri 1 milyon dolar seviyesine çekmek olanaklıdır. Buna karşın ülke çapında elektrik ta­sarrufu konusu doğru değildir. Çünkü her ne kadar vericilerde elektrik tasarrufu yapılıyorsa da hanelerde her TV cihazı için bir set-top-box (uydu alıcısı gibi bir kutu) gerektiğinden ve bunların toplamda harcayacağı güç büyük boyutlarda olacağından, genel olarak ciddi bir tasarruf sağlanamayabilir.

4- Analog yayıncılıkta bir vericiden gelen sinyaller yansıyarak alıcıya ulaştığında ikiz görüntülerin. gölgelerin oluşmasına neden olabilir. Oysa DVB-T’de yansıyarak gelen sinyaller yayının kuvvetlenmesine neden olurlar. Bu nedenle DVB-T mobil uygulamalar için de çok uygun bir sistemdir,

5- Analog yayıncılık da yayının içine sadece teleteks konulabilir, DVB-T’de ise MHP (MultimediaHome Platform), internet ve mail servisleri, bilgi servisleri, bankacılık hizmetleri, oyun kanallar vb, yayının içine kodlanabilir, Ayrıca DVB-T’de alıcı sadece sabit cihazlar değil PDA, masaüstü bilgisayar, diz üstü bilgisayar ve cep telefonları olabilir. Bu avantajlara karşıt olarak, DVB- T’ye geçişin yatırım maliyetleri öne sürülebilir.

Kaba bir hesapla tüm ulusal kanallarımızı taşıyabilecek bir DVB- T ağının maliyetinin yaklaşık 500 milyon dolar olacağı düşünülmektedir. DVB- T yayınlarını normal televizyon ve monitörlerden izlemek olanaklı. Ancak bunun için sayısal uydu alıcısına benzer bir cihaz olan sayısal yayın alıcı (Set Top Box) satın almak gerekiyor. Bir Set Top Box’ın maliyeti ise 100   dolar civarındadır ve hanedeki her TV için bir adet gereklidir.

Şekil-1.20 DVB-T Sinyallerin Yansıması

DVB- T’de yansıyarak gelen sinyaller yayının kuvvetlenmesine neden olurlar. Bu nedenle DVB-T mobil uygulamalar için de çok uygun bir sistemdir.[6]

KAYNAK