TUTTO SULLA RICEZIONE SATELLITARE

In realtà, se si tiene conto che le righe visibili sono 576 per quadro e che la loro durata attiva è di circa 52 µs (i sincronismi sono spesi durante i ritorni di riga), per ogni riga si avranno:

13.5 MHz x 52 µs = 720 campioni per il segnale Y

6.75 MHz x 52 µs = 360 campioni per i segnali differenza colore Cb e Cr.

Il Bit-rate netto complessivo sarà allora di circa 166 Mbit/s:

Questo segnale digitale richiede una banda minima di 125 MHz, in tutti i casi eccessiva per una sua trasmissione entro i canali disponibili per la TV via etere, cavo o satellite.

L'elevato Bit-rate del segnale numerico televisivo viene sensibilmente ridotto applicando la tecnica di compressione MPEG-2; si tratta di un algoritmo, sviluppato con particolare riferimento alle immagini in movimento, che estrae dal segnale solo le informazioni essenziali alla sua ricostruzione senza degradazione apprezzabile della qualità ed elimina le informazioni superflue, rappresentate dalla ridondanza spaziale e da quella temporale.
L'insieme delle operazioni a cui il segnale a questo livello è sottoposto viene definito "codifica di sorgente".
Nell'ambito di una singola immagine, la ridondanza spaziale è caratteristica delle zone a tinta uniforme o a trame ripetute: si coglie intuitivamente infatti come un'immagine a tinta uniforme si possa caratterizzare mediante la sola informazione del colore di fondo (ad esempio un livello nella scala di grigi) piuttosto che attraverso l'esplorazione puntuale di tutti i pixel. L'immagine di partenza su cui opera l'algoritmo MPEG-2 è costituita da 720x576 pixel per il segnale di luminanza e, per i segnali differenza colore, da 360x576 pixel nel formato 4:2:2 o da 360x288 pixel nel formato 4:2:0.
Essa è scomposta in 6480 blocchi di 8x8 pixel, su ciascuno dei quali si applica la Trasformata Coseno Discreta DCT; i 64 coefficienti così ottenuti, che rappresentano l'ampiezza relativa delle varie armoniche spaziali in ciascun blocco, vengono opportunamente pesati in funzione della sensibilità visiva dell'occhio umano, che varia in funzione della frequenza.
Dopo l'applicazione della matrice psicovisiva i coefficienti vengono quantizzati e la maggioranza dei termini meno significativi viene approssimata a zero. Il blocco 8x8 ricostruito in ricezione presenterà, rispetto all'originale, delle differenze impercettibili dall'occhio umano: la quantizzazione comporta una perdita irreversibile di informazione, che non si traduce però in un degradamento apprezzabile della qualità.
La matrice dei coefficienti è poi letta a zig-zag utilizzando un codice a conteggio di zeri (RLC = Run Length Coding) e successivamente un efficace codice a lunghezza variabile (VLC = Variable Length Coding) il quale, dal momento che associa le paro­le binarie più lunghe ai valori quantizzati più probabili, fornisce un numero di bit globalmente inferiore rispetto ad un codice a lunghezza costante.
L'algoritmo di eliminazione della ridondanza spaziale fin qui descritto è noto col nome di JPEG ed è comunemente adottato nella compressione delle immagini fisse.
Una sequenza di immagini televisive, che per sua natura spesso presenta oggetti in lento movimento su fondali immobili o in graduale evoluzione, ha anche un notevole contenuto di ridondanza temporale, legata alla notevole somiglianzà tra i quadri.
La sua riduzione si fonda sul principio della "predizione con compensazione del movimento". Questa tecnica, applicata ai gruppi di 12 quadri (GOP = Groups OfPictures) in cui è suddivisa la sequenza, permette di dedurre dalla prima immagine, detta quadro di tipo Intra e codificata secondo l'algoritmo JPEG, le 11 immagini che seguono con la minima informazione supplementare, la quale deve descrivere il movimento relativo delle varie parti dell'immagine e le eventuali differenze di contenuto tra i quadri.

La  4a, 7a, e 11a  immagine del gruppo sono dette immagini di tipo Predetto e vengono codificate a partire dall'immagine P o I precedente; per ciascuno dei macroblocchi di 16x16 pixel in cui sono scomposte viene individuata la posizione di partenza più probabile nell'ambito di una finestra di ricerca opportunamente dimensionata . Il movimento così stimato è descritto con un vettore spostamento, le cui componenti lungo le direzioni orizzontale e verticale vengono codificate e trasmesse assieme alle eventuali differenze tra l'immagine stimata con la compensazione del movimento e l'immagine reale.
Le altre immagini sono dette Bidirezionali: la loro codifica è analoga a quella delle immagini P, con la differenza che il quadro di riferimento nel quale si ricerca la posizione di partenza di ciascun macroblocco per la compensazione del movimento è costruito per interpolaziene lineare dalle immagini di tipo P o I precedente e successiva e che la finestra di ricerca del vettore spostamento è più ridotta.
In termini di prestazioni, l'algoritmo MPEG-2 video consente di ottenere un Bit-rate variabile in funzione delle specifiche di qualità sul segnale e della banda disponibile: ad esempio, i 4 Mbit/s che caratterizzano una qualità PAL sono ottenuti grazie alla compressione JPEG, che abbatte il Bit-rate di un fattore 10, e alla predizione con compensazione del movimento, dove il Bit-rate disponibile è ripartito tra informazione relativa al moto e risoluzione delle immagini.
Il principio dell'eliminazione della ridondanza temporale interessa naturalmente anche il segnale audio. L'algoritmo di compressione MPEG-2 audio è applicato su segnali stereo digitali ottenuti per campionamento (a 16-48 kHz) e codifica (a 16 bit) da un segnale analogico con banda audio di 7-20 kHz. Nell'ipotesi di campionamento a 48 kHz, il Bit-rate del segnale stereo numerico risulterebbe:

La codifica prevede la decomposizione dello spettro del segnale in 32 sottobande: i campioni relativi a ciascuna banda vengono quantizzati con un passo di quantizzazione variabile in funzione della sensibilità dell'orecchio alle frequenze acustiche. Dal momento che tale sensibilità varia durante l'ascolto (in altri termini, l'orecchio si sintonizza sui toni a cui è sottoposto), i livelli di quantizzazione vanno continuamente aggiornati attraverso un'opportuna elaborazione del segnale. In questo modo il Bit-rate totale si può ridurre fino a 64 kbit/s.

Un programma digitale è caratterizzato da uno o più flussi elementari di dati audio, video e di informazioni private (relative ad esempio alla gestione dell'accesso condizionato).
Nello standard DVB, dopo la codifica di sorgente ciascun flusso binario elementare (ES = Elementary Stream) è scomposto in pacchetti a cui viene aggiunta un'intestazione, che contiene l'identificatore del flusso elementare ed eventuali informazioni ausiliarie per la decodifica e la presentazione: le strutture di dati così costituite prendono il nome di pacchetti elementari (PES = Packetized Elementary Stream).
Ciascun PES viene suddiviso in pacchetti di trasporto (TP = Transport Racket) da 188 bytes, nella cui intestazione sono riportati il numero di identificazione del programma a cui appartiene il pacchetto (PIO = Racket IDentifier) e, almeno una volta ogni 10 s, il riferimento temporale al clock di programma (PCR = Program Clock Reference) per la sincronizzazione al ricevitore.A questo punto ha luogo la multiplazione del programma in cui i PES audio, video e dati vengono opportunamente interlacciati in un unico flusso numerico (il cui Bit-rate è di circa 7.6 Mb/s per la qualità PAL).
I pacchetti relativi a più programmi sono multiplati tra loro e costituiscono la trama di trasporto, all'interno della quale vengono inserite anche le informazioni di servizio, che permettono al ricevitore di configurarsi automaticamente e di presentare all'utente la guida alla scelta dei programmi.

II flusso numerico in uscita dal multiplex di trasporto è sottoposto alla "codifica di canale" cioè ad una serie di elaborazioni che proteggono il segnale dagli errori introdotti nel canale di trasmissione satellitare: si tratta dell'operazione duale alla codifica di sorgente, in quanto ora viene aggiunta della ridondanza (non casuale, bensì deterministicamente calcolata a partire dai dati) all'informazione essenziale, allo scopo di correggere gli errori all'interno del flusso numerico al momento della sua ricezione.
La prima operazione è la dispersione di energia o scrambling: consiste nel sommare ai bit di 8 pacchetti di trasporto, con l'esclusione del primo byte di sincronismo, una sequenza pseudocasuale generata in modo noto. In questo modo l'occupazione dello spettro disponibile è resa più uniforme e il recupero del sincronismo al ricevitore risulta più semplice, poiché si è ridotta la probabilità di ricevere lunghe sequenze di bit a livello costante (O o 1 ), che compromettono la condizione di aggancio del PLL.
L'operazione successiva è la codifica Reed-Solomon, che consiste nell'introduzione, in coda ad ogni pacchetto di trasporto, di 16 byte di ridondanza, inseriti in modo sistematico per permettere in ricezione di verificare la correttezza dei dati e di correggere gli errori più probabili attraverso una serie di operazioni analoghe a controlli di parità.
La protezione dagli errori di tipo "burst", cioè di quegli errori (meno frequenti) che interessano molti bytes adiacenti, si realizza sottoponendo il flusso numerico ad interfogliamento (o interleaving): con questa operazione viene riorganizzato l'ordine dei bytes nell'ambito di gruppi da 12 pacchetti.
In ricezione viene ripristinato l'ordinamento originale della sequenza: gli errori di tipo burst si distribuiscono su più pacchetti e possono così essere corretti attraverso la decodifica Reed-Solomon. La codifica di canale termina con l'applicazione di un codice convoluzionale il quale, ogni k bit di informazione, trasmette n bit opportunamente calcolati a partire dagli ultimi 7 bit di informazione elaborati.
L'efficienza di codifica, pari al rapporto k/n tra i bit di informazione e i bit trasmessi, dipende dal livello di protezione fissato dal gestore (FEC = Forward Errar Correctiorì) e può assumere i valori 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 e 7/8 (Fig. 1.23).
Ad esempio, partendo da un Bit-rate netto (valutato in corrispondenza del multiplex di trasporto) di 35.6 Mb/s, nel caso tipico in cui il FEC venga fissato in 3/4, il Bit-rate dopo la codifica di canale risulta pari a 35.6 • 4/3 x 204/188 = 51.5 Mb/s, che possono essere allocati in un canale satellitare da 33 MHz per mezzo della modulazione.