Le "MPEG-2/DVB"

Version 1.11 Mis à jour: 01/07/2000

Introduction

Ce document est © 1998-2002 par Christophe Cartier. Ce document ne peut être utilisé que pour un usage personnel. Ce document ne peut être ni copié ni reproduit sous quelques formes que ce soit sans l'accord écrit de l'auteur.

Remerciements

Pour aller plus loin

Qu'est ce que le MPEG ?

MPEG signifie Moving Picture Experts Group. Ce groupe d'experts a défini plusieurs standards permettant de transmettre de la vidéo et du son sous forme numérique dans un format compressé en utilisant moins de bande passante qu'en diffusion analogique.

La première version du standard était le MPEG-1, utilisé pour compresser les films sur les CD vidéo. Ce standard utilise un faible débit qui a pour effet une image de qualité VHS. Le train de données supporte un seul signal vidéo et n'est donc pas utilisé pour les transmissions par satellite. Le MPEG-1 utilise 25 ou 30 images par seconde et c'est pourquoi il ne convient pas pour de la vidéo entrelacée.

Les diffuseurs voulaient pouvoir diffuser en numérique mais comme le MPEG-1 ne convenait pas pour le satellite et que le MPEG-2 était encore en développement, une version "batarde" du MPEG a été créée: le MPEG-1.5. Ce format n'est pas un standard officiel mais est toujours utilisé (par exemple le bouquet Orbit sur Intelsat 705). Le MPEG-1.5 utilise une grande largeur de bande et l'encodage vidéo du MPEG-1 en permettant le multiplexage de trains de données, ce qui permet de transmettre plusieurs programmes en même temps sur un seul canal satellitaire.

Le MPEG-2 est devenu le standard de-facto dans le monde de la télévision numérique. Il corrige plusieurs problèmes inhérents au MPEG-1, comme la résolution, le traitement de la vidéo entrelacée. Il permet d'avoir une image bien meilleure (de la qaulité studio jusquà la qualité HDTV) et autorise le multiplexage de chaînes à différents débits en un seul train de données. Ce standard a été officiellement adopté par l'ISO [ISO 13818-1].

Les producteurs de programmes (comme NBC, HBO etc) préferent utiliser le MPEG-2 pour distribuer leurs programmes car ils peuvent transmettre plusieurs canaux dans le même espace qui permet de diffuser un canal en analogique.

Qu'est ce que le DVB ?

DVB signifie Digital Video Broadcast et est un standard basé sur le MPEG-2. DVB définit comment transmettre des signaux MPEG-2 en utilisant le satellite, le cable et la diffusion terrestre, comment transmettre les informations systèmes, les guides de programmes en utilisant le système de codage utilisés pour protéger le signal.

A l'exception des Etats-Unis d'Amérique, du Mexique, du Canada et de la Corée du Sud, le DVB a été adopté par tous les pays dans le monde pour la télévision et la radio numérique. Ce document ne traitera que du DVB-S, la version satellite du DVB, DVB-C étant la version pour le cable et le DVB-T celle pour les émetteurs terrestres.

Qu'est ce qu'un symbole ?

Comme n'importe quelle forme de transmission numérique, le terminal doit connaître la vitesse à laquelle l'émetteur envoie les informations. Dans le monde informatique on appèle cela le débit binaire. Par exemple, les PCs peuvent transmettre par leurs ports série jusqu'à 115200 bits par seconde. Débit binaire (bit-rate) et rapidité de modulation (baud-rate) sont deux choses différentes. Le débit binaire indique combien de bits par seconde sont transmis sur le support (ligne téléphonique, cable série ou transpondeur satellite), la rapidité de modulation représente le débit auquel les données sont envoyées sur le support.

Par exemple, supposons que vous inventiez un modem transmettant à 50 bps en utilisant 2 tonalités, l'une représentant la valeur 1, l'autre la valeur 0. Maintenant, imaginez que vous souhaitiez doubler le taux de transfert sur le support. En utilisant 4 tonalités au lieu de 2, vous pourriez représenter deux bits au même moment en utilisant une seule tonalité. La rapidité de modulation est toujours de 50 bauds (les tonalités changent toujours 50 fois par seconde), cependant le débit binaire est maintenant de 100 bps. Chacune des 4 tonalité est appelée un "symbole".

Qu'est ce que la modulation QPSK ?

Pour transmettre des signaux MPEG-2 sur un transpondeur satellite, on utilise le QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) pour moduler les informations numériques sur la fréquence porteuse.

Plutôt que d'utiliser l'amplitude ou la fréquence de la porteuse pour transporter l'information, QPSK module la phase de la porteuse. En fonction des données à moduler, la porteurse est forcée dans une des quatres phases possibles, aussi appelée symbole. Le grand avantage de cette méthode est que chaque symbole code deux bits de données, donc double la quantité potentielle de données qui serait transmise avec une modulation d'amplitude ou de fréquence.

Les dessins ci-dessous illustrent une implémentation typique de QPSK:

Fig. 1	Fig. 2

La figure 1 montre chaque paire possible de bits de données représentée par un angle de phase différent, la figure 2 montre un exemple de signal QPSK.

A cause de l'utilisation du QPSK, le débit des données sont exprimés en débit symbole (symbol rate) plutot qu'en débit binaire (bit rate). Dans le cas de la modulation QPSK, le débit binaire est deux fois le débit symbole. Par exemple un SR de 20MS/s (20 mega-symboles par seconde) équivaut à un débit binaire de 40Mb/s (40 mega-bits par seconde).

Qu'est ce que le FEC ?

Les transpondeurs satellite sont des canaux de communications plutôt bruyant et sont à ce titre sujet à un grand nombre d'erreurs quand un signal y est envoyé. Comme les transmissions satellite sont de type "broadcast", le récepteur ne peut pas envoyer un message à l'émetteur pour dire "Je n'ai pas reçu le dernier message, pouvez-vous le retransmettre.". C'est pour cela qu'on utilise le FEC (Forward Error Correction). L'émetteur envoie des informations pour la correction d'erreurs avec le signal pour permettre au récepteur de reconstituer le flot de bits si des erreurs se produisent.

Le FEC utilisé avec la modulation QPSK se compose de deux formes de correction d'erreurs. La première, appelée le code Viterbi est noté par une fraction, par exemple 2/3. Cette fraction définit la quantité de débit symbole utilisé pour les données réelles, le reste étant utilisé pour la correction d'erreurs. Dans ce cas, 2/3 des symboles sont utilisés pour transmettre les données et 1/3 pour transmettre les informations pour la correction d'erreur.

Après avoir extrait le code de correction d'erreurs Viterbi et l'avoir utilisé, une seconde forme de correction d'erreurs, appelée le code Reed-Solomon, est utilisée. Sur 204 octets transmis, 188 contiennent des données et les 16 octets restant sont utilisés comme bits de parité pour aider à corriger les éventuelles erreurs restantes. De plus, le principe du FEC utilise aussi l'entrelacement des flux de données pour éviter qu'un bruit intempestif ne vienne interrompre le flux de données de la même façon que les CDs l'utilise pour éviter que des rayures ne produisent des coupures de son.

Considérons le message suivant:

Après entrelacement, le message pourrait ressembler à:

Si une erreur devait se produire et effaçait la partie "mgi" du message, le message désentrelacé serait :

Seuls des caractères isolés (représentés par les asterix) manquent au message au lieu d'un mot entier manquant si le message n'avait pas été entrelacé.

Dernière étape, les symboles QPSK sont encodés de façon à assurer que de grandes séquences d'un même symbole ne cause pas un manque de changement de la phase de la porteuse. Comme le démodulateur QPSK obtient son signal d'horloge directement du signal, il doit y avoir un grand nombre de changements de phase pour pouvoir reconstituer ce signal d'horloge, ce en quoi sert le codage.
Note: Cette forme de codage n'a rien à voir avec le cryptage du signal.

Pourquoi utiliser différents SR/FEC ?

Les personnes qui achètent du temps de transmission sur un satellite payent d'abord pour une certaine bande passante . Si un diffuseur voulait transmettre 3 chaînes vidéo sur un transpondeur, il utiliserait moins de bande passante que pour en transmettre 6. Cependant la bande passante d'un transpondeur est fixe, donc le débit symbole (SR) a une valeur maximale (entre 28 et 29 MS/s). En reduisant la quantité d'informations envoyées pour le FEC, on peut augmenter le nombre de chaînes. Cependant cela signifie que les erreurs seront plus difficiles à corriger et que les stations de réception doivent pouvoir recevoir une certaine puissance du signale (i.e. utiliser une antenne d'une certaine taille) pour recevoir des programmes de qualité via le transpondeur.

Comment interpréter les listes de SR/FEC/PID ?

Si vous avez vu quelque chose du style :

12,177 V SR 23000 FEC 2/3
V 0FF0 A 0100 ATN
V 0FF1 A 0101 RTN
V 0FF3 A 0103 HealthSouth
V 0FF4 A 0104 RE/MAX TV

Cela signifie que la transmission est centrée sur 12.177 Ghz, en polarisation Verticale avec un débit symbol (SR) de 23,000 MS/s et un FEC de 2/3. C'est un bouquet de plusieurs services qui contient quatre chaînes vidéo, les PIDs vidéo et audio pour chaque canal sont listés et sont au format hexadécimal.

Qu'est ce que le MCPC ?

MCPC signifie Multiple Channel Per Carrier. Avec une largeur de bande moyenne de transpondeurs satellite de 27 MHz, le débit symbole maximum utilisable est de 26 MS/s. Evidemment avec une telle largeur de bande, plusieurs canaux vidéo et audio peuvent être transmis sur le transpondeur en même temps.

La diffusion MCPC utilise la technique du multiplexage temporel (Time Division Multiplex) pour transmettre les différents programmes en même temps. Comme on peut le deviner, cette technique envoie les données pour une chaîne à un moment donné puis celles pour une autre chaîne à un autre moment.

Beaucoup de constructeurs d'encodeurs numériques sont en train d'expérimenter le multiplexage statistique. Avec cette technique, les chaînes nécessitant plus de débit à un moment donné pour éviter la pixelisation de l'image (tels les événements sportifs), obtiendront une plus grande bande passante en diminuant le débit des autres services n'ayant pas de tels besoins.

Le multiplexage statistique devrait améliorer la qualité des images, particulièrement quand il y a des changements rapides, et a l'avantage de ne pas requérir de changement dans l'équipement de réception.

Qu'est ce que le SCPC ?

SCPC signifie Single Channel Per Carrier. Dans ce type de transmission, seule une partie du transpondeur est utilisé. L'opérateur du satellite peut vendre l'espace restant à d'autres diffuseurs. Le SCPC est typiquement utilisé pour les feeds plutôt que pour la diffusion directe. Le SCPC a l'avantage sur le MCPC que les différents signaux émis sur le même transpondeur peuvent être transmis au satellite depuis différents lieux (camions SNG par exemple), mais a le désavantage de ne pas être aussi efficace que le MCPC à cause des "bandes de garde" qui gardent le signal SCPC sur le même transpondeur séparé les uns des autres.

Reuters utilise des transmissions en SCPC MPEG-2 sur un même transpondeur du satellite Intelsat K. GlobeCast utilise le même type de transpondeur sur le même satellite mais en MCPC et transmet 3 canaux vidéo et plusieurs canaux audios dans le même espace.

Que sont les PIDs ?

Le MPEG-2 transmet ses données en paquets de 188 octets. Au début de chacun d'entre eux se trouve un identificateur de paquet (PID, Packet IDentifier) qui permet au récepteur de savoir quoi faire de ce paquet. Parce que le flux de données MPEG-2 peut être en mode MCPC, le récepteur doit décider quels paquets font partie du canal (vidéo, audio ou données) "regardé" et doit donc passer les bons paquets au décodeur vidéo pour traitement. Les paquets ne faisant pas partie du canal "regardé" sont simplement ignoré.

Il y a quatre types de PIDs utilisés par les récepteurs. Le VPID est le PID du flux vidéo, le APID est celui du flux audio. De temps en temps le PID PCR (Program Clock Reference) est utilisé pour synchroniser les paquets vidéo et audio, cependant la plus part du temps cette information est incluse dans le flux vidéo. Le quatrième PID est utilisé pour les données comme le guide des programmes ou comme les informations sur les autres fréquences qui composent le bouquet complet, etc. Ce type de données est appelé le System Information et utilise des valeurs de PID entre 0000 et 0014 (notation hexadécimale).

Les informations complémentaires (DVB-SI)

Les paquets SI contiennent les informations qui permettent au terminal de connaître le format de transmission, les différentes langues diffusées, le guide des programmes et les autres transpondeurs qui ont un lien avec le transpondeur actuel.

Le train transport.

Comme mentionné plus haut, les transmissions MPEG-2 sont soit en SCPC, soit en MCPC. Cependant à un certain niveau, les deux techniques utilisent la même méthode pour créer le train transport comprenant la vidéo, l'audio et les informations de synchronisations. Dans cette partie je me concentrerai sur le MCPC car une fois cela compris, le SCPC devient évident. La combinaison de vidéo compressée et d'audio est appelée PES (Packet Elementary Stream) et est créé comme suit:

Le champs Time n'est pas l'heure à laquelle l'encodage a été effectué mais une information permettant à la vidéo et à l'audio de rester synchronisé. Cette partie du PES est appelé le PCR (Program Clock Reference) et peut être envoyé soit dans le flux vidéo, soit dans un flux séparé (c'est la raison pour laquelle certains terminaux MPEG-2 comme le Mediamaster ont un champs séparé pour le PCR).

Plusieurs trains élémentaires PES sont ensuite multiplexés avec le train S.I. et crée ainsi le train transport, aussi appelé multiplex, prêt à être émis sur le satellite:

Le train S.I. sert à informer le terminal de toutes les informations utiles sur les trains de données, lui permettant d'écrire les informations correctes dans son guide des programmes. La première partie du S.I. est appelé la PAT (Program Association Table). Il est transmis dans le PID 0000 et il contient la liste des PMTs (Program Map Tables) qui font partie du flux de données. Par exemple :

PAT (PID 0000) = 0100, 0200, 0300, 0400
PMT 1 (PID 0100) = vidéo PID 0101, Audio PID 0102, Audio PID 0103,PCR 01FF
PMT 2 (PID 0200) = vidéo PID 0201, Audio PID 0202, PCR 02FF
PMT 3 (PID 0300) = vidéo PID 0301, Audio PID 0302, PCR 03FF
PMT 4 (PID 0400) = vidéo PID 0401, Audio PID 0302, PCR 0401

Avec ces informations le terminal sait que le train transport sur la fréquence courante contient 4 programmes. Le premier canal contient deux services audio (peut être pour plusieurs langues) et les 3 premiers canaux contiennent l'information de synchronisation séparée - le quatrième a son PCR inclus dans son flux vidéo.

Grâce aux tables DVB-SI, des informations complémentaires peuvent être transmises. La SDT (Service Description Table) contient les noms associés à chaque service d'un multiplex. La NIT (Network Information Table) dans le PID 0010 contient la liste des transpondeurs associés qui forment le bouquet ainsi que les valeurs SR et FEC, qui peuvent être différentes.

Par exemple, le bouquet espagnol CanalSatelite Digital diffusé sur ASTRA utilise un SR de 27.500 avec un FEC de 3/4 sur ASTRA 1F et ASTRA 1G (fréquence < 12500) et un SR de 22.000 avec un FEC de 5/6 sur ASTRA 1G (fréquence > 12500).

Maintenant le terminal connait toutes les fréquences associées à un bouquet. Il y a quelques autres PIDs qui permettent au terminal de fonctionner. La BAT (Bouquet Association Table), qui est optionnel, permet au terminal de connaître les programmes de mêmes types (films, infos, sports,...) qui forment le bouquet. La EIT (Event Information Table) transmis dans le PID 0012 contient une liste des programmes qui quand elle est interprétée par le logiciel du terminal crée le guide des programmes. La EIT permet de transmettre jusqu'à deux semaines de programmes.

Et enfin, si vous vous demandiez comment votre terminal MPEG-2/DVB connait l'heure, c'est la TDT (Time and Date Table) qui fournit la date et l'heure en temps universel au terminal. La carte à puce ou une mémoire non-volatile dans le terminal contient le décalage horaire par rapport au temps universel, ce qui permet d'afficher l'heure locale à l'écran.

Les signaux SCPC sont transmis pratiquement de la même manière que ceux MCPC, mais évidemment ils ne contiennent qu'un seul PES. Parce que les canaux SCPC sont généralement utilisés pour des feeds, ils incluent peu de flux SI (pas de NIT, BAT ni EIT).