Distribution et contribution par satellite de signaux vidéo haute définition

04/09/2017
Auteurs : Cristiano Benzi
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-11:19793
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Distribution et contribution par satellite de signaux vidéo haute définition

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artie II ENJEUX TECHNIQUES DE LA HAUTE DÉFINITION Distribution et contribution a par satellite de signaux vidéo m haute définition Par Cristiano BENZI Eutelsat RTOTMM- Satellite, TVHD, H.264, MPEG-4 AVC, Distribution. Contribution Le satellite est utilisé depuis plusieurs années pour a distribution et la contri bution des signaux de télévision. Réservé dans un premier temps au transport de programmes analogiques, le satellite a connu ensuite une migration massive vers la technologie numérique depuis la standardisation de a norme DVB-S en 1997. Deux innovations technologiques majeures vont bientôt être introduites : la nouvelle norme DVB-S2 et l'algorithme de compression MPEG-4 AVC/H.264. Quelle sera l'influence exercée conjointement par les deux normes sur la diffusion satellitaire des signaux de télévision haute définition dans un futur proche ? C'est ce que nous tenterons de mettre en évidence dans cet article. Canal de transport par satellite pour la distribution et la contribution Largement utilisé pour les applications de distribution, le canal de transport par satellite l'est également pour de très nombreuses applications de contribution, et particu- lièrement lorsqu'il est nécessaire de délivrer au studio central du diffuseur le signal vidéo émis à partir d'un lieu extérieur. La figure 1 à la page suivante montre la chaîne de contribution et distribution par satellite du signal vidéo en haute définition. Le signal de contribution (c'est-à-dire celui qui « contribue » à la constitution d'un programme), en provenance soit de productions « légères » basées surc une/deux caméras, soit de productions nécessitant un camion de régie, est souvent acheminé par satellite au moyen de stations mobiles d'émission par satellite. Le signal de contribution est normalement inséré dans un programme constitué en régie avec les signaux pro-ZD ZD duits en studio, pour former le programme final qui sera distribué aux foyers des utilisateurs. Actuellement, des projets de contribution et de distri- bution de TVHD sont réalisés dans le monde entier en s'appuyant sur les normes MPEG-2 et DVB-S. SSENTI SYNOPSIS · La nouvelle norme de compression vidéo MPEG4AVC(H.264) permettrad'économiser50 % du débit pourchaquesignalvidéo. . La nouvelle norme de modulation DVB-S2permettra de mieux exploiter la capacitédu répéteur satellite ; un gain de capacité de 30 % du répéteurest escompté par rapportau DVB-S. . L'utilisation conjointe de DVBS2et MPEG4AVCpermettra de transporterjusqu'à six canauxTVHDau lieude deuxen DVBSet MPEG2. . Le démarragede services HD nécessite le remplacementdes décodeurs chez les utilisateurs, offrant ainsi la possibilité de prévoir une évolution des équipements grand public afin qu'ils soient capablesde supporter à la fois les normes MPEG4AVC et DVBS2. . The new MPEG4AVC(H.264)normativewill allow saving 50% of bitrate for eachencodedVideoChannel. . The new DVB-S2 modulation normative will allow to better exploit the capacityof the satellitetransponder: 30% increasein capacityis expected. . The use of DVBS2and MPEG4AVCtogether will allow carrying up to 6 HDTVChannelsper satellitetransponder,insteadof the 2 allowed by the use of DVBSand MPEG2. . Starting HD services requiresreplacing users'STBs. Thisrepre- sents a good opportunity for introducingconsumer equipment supporting MPEG4AVCand DVBS2at the sametime. REE HORSSÉRIF Nl Septembre2005 . Partie Il) ENJEUX TECHNIQUES DE LA HAUTE DÉFINITION 84 4M Productionlegère mono caméra StationMobiled'Ui) iink Satel ne Z. ci mi ce ma: D8 Rég ! e de Production Mob ! ! e sa e " 0 " FIDT C 42 -1211 42_ 1 e :o S,tel de de D teibLÊ on : Production externe rnulti cernéra e,> ' de Contr ).dion 'Ir 1Il 1... SstelldedeConfribl.Ition .... ., EP s-.,- TerminaiHD Mt!M R t a 4 t, O*el , - 11, g w r 1i Compression 4 : 2.0 et VIA o EcransHD ProductionenStuo Figtire 1. Chaine de coiitt-ibtitioti et difftisioiz HD I) ar satellite. 1.1. Distribution avec les normes MPEG-2 et DVB-S Le canal de transport par satellite permet de transmettre environ 38 Mbps sur le répéteur satellite (DVB-S, 27,5 Mbps, FEC 3/4 sur un répéteur de 36 MHz). En utilisant le standard MPEG-2 pour la distribu- tion de TVHD, le répéteur satellite peut transmettre jus- qu'à 2 canaux TVHD, sachant que, d'après les études de l'UER, pour distribuer un signal vidéo correct en TVHD, il faut 18 Mbps pour chaque canal TVHD [1 1.2. Contribution en MPEG-2 et DVB-S En règle générale, les applications de contribution nécessitent un débit binaire plus important, en particulier du fait que les schémas de compression doivent conser- ver la totalité de l'information couleur du signal TVHD 4:2:2 d'origine Le débit binaire choisi pour la contribution est étroi- tement lié à l'application ou au contenu du signal TVHD. Un signal contenant de nombreux mouvements et détails exigera une bande passante plus importante pour maintenir une qualité optimale, alors que des débits binaires inférieurs peuvent être utilisés s'il n'est pas prévu de faire subir un profond traitement au signal de contribution en studio, ou si le signal vidéo contient des images presque statiques. Par exemple, lorsque Eutelsat a réalisé la contribution du concert de Jean-Michel Jarre à Pékin en octobre 2004, en collaboration avec Alfacam et France Télévisions, les images ont été récupérées via une liaison numérique par satellite sur Eutelsat W5 situé à 70° Est à l'aide d'une compression MPEG-2 4:2:0 à 24 Mbps. Ces images ont été utilisées par France Télévisions pour la production d'une émission diffusée le soir même sur France 2. Dans ce cas, la contribution en 4:2:0 du signal en haute défini- tion s'est avérée suffisante pour la rediffusion finale vers l'utilisateur (en 4:2:0) en définition standard. En règle générale, pour les programmes sportifs, la contribution de TVHD en MPEG-2 est réalisée à des débits binaires compris entre 40 et 60 Mbps. Des débits binaires plus élevés nécessitent l'utilisation de répéteurs complets avec des débits de symboles et des codes correcteurs d'erreurs (FEC) plus élevés, ce qui implique de plus grandes antennes paraboliques, habituellement réservées aux applications de contributions professionnelles. 1.3. Utilisation de MPEG-4 AVC pour une meilleure efficacité de la compression dans la contribution et la distribution Il est probable que les futurs services de diffusion de TVHD en Europe (distribution) seront lancés en faisant appel à la compression MPEG-4 AVC (également appelée H.264, nom de la norme de l'UIT) qui nécessitera 9/10 Mbps environ par service TVHD. La contribution s'effectuera 1L'échaiitillonnaluedel'espacecouleurcorrespondàlamanièredontlesinformationsdeluminanceetchrominancedelaséquencePALd'originesontéchan- tillonnéeset codées.4:2:0 signifiequepourchaqueensemblede4 échantillonsdeluminance,seulement2 échantillonsdechrominancesont conservéset codés: la raisonenestquel'oeil humainestbienmoinssensibleauxvariationsdecouleursqu'auxvariationsdeluminance.Lachrominancedel'imageest ainsisous-échantillonnée.carellereprésenteuneinformationredondante.4:2:2 signifiequepourchaqueensemblede4 échantillonsdeluminance,2 échan- tillonsdusignal«rouge»et2 échantillonsdusignal «bleu» sontconservésetcodés.4:2:2 permetdemaintenirunemeilleurequalitéque4:2:0, etestuti-e c lisépourlesliaisonsdecontributionversle studio,alorsque4:2:0 estutilisépourla distributionauxfoyers. REE HORS SÉRIES Septembre2005 Distribution et contribution par satellite de signaux vidéo haute définition probablement comme aujourd'hui, en utilisant des schémas de compression qui maintiennent l'espace couleur 4 :2:2 du signal TVHD. Ce schéma de compression « Profil Studio » pourrait nécessiter 18 Mbps ou plus pour trans- porter un signal TVHD de contribution compressé en MPEG-4 AVC. Dans les deux cas, le canal de distribution par satelli- te sera parfaitement en mesure d'héberger des signaux de contribution ou de distribution. Outre l'avantage tiré de l'utilisation d'un schéma de compression assurant un codage de qualité supérieure (MPEG-4 AVC), le canal de distribution par satellite bénéficiera rapidement du déploiement de la nouvelle norme DVB-S2 qui permettra de transporter sur le répéteur satellite près de 30 % d'informations supplémentaires par rapport à la norme DVB-S actuelle. 2. DVB-S2 et TVHD La norme actuellement utilisée pour la modulation des flux de transport MPEG-2 sur le réseau satellite, appelée « DVB-S », est présentée dans le document ETSI EN 100 421 [2] publié à la fin de l'année 1997. De récentes avancées technologiques en matière de codes correcteurs et de méthodes de modulation ont amené, il y a quelques années, le département chargé du projet DVB à mettre en place un groupe d'études ad hoc ayant pour mission d'implémenter une nouvelle norme, qui permette d'exploiter les tous derniers résultats des recherches, sur le canal de transport par satellite. Les résultats de cette étude ont conduit à la définition de la nouvelle norme DVB EN 302 307 [3], appelée « DVB- S2 », qui doit devenir d'ici peu une norme de l'ETSI (Institut européen des normes de télécommunications). Par rapport à DVB-S, la norme DVB-S2 apporte toute une série d'améliorations, qui peuvent être brièvement résumées comme suit : . utilisation des constellations QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK . nouveaux codes correcteurs d'erreurs : BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) et LDPC (Low Density Parity Check) concaténés . trois facteurs d'affaiblissement possibles . prise en charge de schémas de modulation et coda- ge constants (CCM) et de modulation et codage adaptatifs (ACM) . flux entrants uniques ou multiples au niveau de la chaîne de modulateur/démodulateur, sans multi- plexage ; des flux de transport multiples peuvent utiliser des méthodes de modulation différentes et donc présenter une robustesse différente au bruit/brouillage . prise en charge du canal retour pour l'adaptation de la transmission à la situation de bruit du canal (mode ACM) /Mt 1LJJ.1 Cela représente entre 8 et 12 canaux TV en SD... Un répéteur Satellite C peut contenir environ 38 Mbps d'informations utiles lCIl./H ...mais seulement 2 canaux TV en HD Figure 2. Scénario MPEG-2 + DVB-S. prise en charge de modes rétrocompatibles pour assurer la rétrocompatibilité avec les récepteurs DVB-S utilisant desconstellations 8PSK non-uniformes. Pour de plus amples informations sur la norme DVB-S2 le lecteur pourra se reporter, dans ce numéro, à l'article « Modulation et codage de canal pour les systèmes de diffusion de télévision numérique ». Le résultat le plus important des schémas de modulation DVB-S2 (applications de radiodiffusion) est de permettre une augmentation de 30 à 35 % du débit binaire dispo- nible via le répéteur satellite, tout en maintenant les conditions du bilan de liaison et du répéteur satellite. Actuellement, les satellites déployés, en particulier ceux de la flotte d'Eutelsat, sont ainsi parfaitement compa- tibles avec la norme DVB-S2 et sont prêts à l'héberger. Le seul impératif concernant la mise en application de DVB-S2 est l'utilisation de modulateurs et démodula- teurs satellite, et donc d'équipements au sol, qui soient compatibles avec la nouvelle norme. L'utilisation du standard DVB-S2 convient parfaitement au déploiement des services de TVHD via satellite, qui sont particulièrement exigeants en termes de débit binaire. En fait, la capacité disponible sur un répéteur de 36 MHz en DVB-S est de l'ordre de 36 Mbps, alors qu'il faut 16/18 Mbps pour la radiodiffusion d'images TVHD en MPEG-2. Ainsi, seulement deux programmes de TVHD peuvent être distribués via un répéteur satellite, comme le montre la figure 2. L'introduction de DVB-S2 permettrait d'accroître la capacité du répéteur satellite (50 Mbps environ au lieu de 38 Mbps) alors que l'utilisation de MPEG-4 AVC per- mettrait de réaliser des économies substantielles en débit binaire en transportant un programme TVHD avec 8 Mbps seulement au lieu de 16 ou 18 Mbps. La situation serait telle qu'illustrée à la figure 3 ci-après, où l'on voit qu'il est possible de transporter 5 ou 6 programmes TVHD sur un seul répéteur satellite. Si l'on envisageait la radiodiffusion MPEG-4 AVC en DVB-S, quatre programmes TVHD pourraient être transmis sur le répéteur satellite type. REE HORSSÉRIENT Septembre2005 m Partie 11) ENJEUX TECHNIQUES DE LA HAUTE DÉFINITION //7rl \ rnoo. . ; ! ... Co. m \ Diffusion TVHD en DVB-S + MPEG-2 Diffusion TVHD en DVB-S2 + MPEG4 AVC Figure 3. Scénario MPEG-4 AVC + DVB-S2. L'utilisation simultanée des standards MPEG-4 AVC et DVB-S2 permettrait ainsi d'optimiser l'exploitation du répéteur satellite et les diffuseurs pourraient développer des services satellitaires pour la TVHD tout en conser- vant le même modèle économique que celui qu'ils utili- saient au moment du lancement de la télévision numé- rique par satellite en définition standard. 2.1. Déploiement prévu de DVB-S2 Des jeux de puces DVB-S2 sont actuellement fabriqués en grandes séries pour être livrés à partir du début de l'année 2005. De nombreux fabricants d'équipements de modulateurs et démodulateurs satellite envisagent d'intro- duire des produits conformes à la norme DVB-S2 au cours du le'ou 2èn'etrimestre 2005 ; ils avaient déjà présenté des produits en avant-première lors de la récente exposition IBC qui s'est tenue en septembre 2004 à Amsterdam. Néanmoins, l'introduction d'un nouveau mode de transmission et d'une nouvelle norme pose le problème du renouvellement du parc de décodeurs. Comment se fera la migration du marché vers la radiodiffusion DVB-S2 ? Différents scénarios sont envi- sageables. Grâce aux fonctionnalités « rétrocompatibles » du DVB-S2, il est possible de moduler une porteuse DVB-S2 de façon à permettre la réception d'informations (à un débit binaire inférieur) sur des récepteurs DVB-S. Alberto Morello, président du Comité DVB-S2, souligne que le déploiement de décodeurs DVB-S2 est tout à fait envisageable pour la migration vers les nou- veaux services TVHD via satellite, mais que, en raison des problèmes que soulève le renouvellement du parc, il est très improbable que, pour les services actuellement diffusés, le DVB-S2 puisse remplacer le DVB-S à court terme. « Etant donné le nombre important de récepteurs DVB-S déjà installés, il est très difficile pour de nombreux diffuseurs bien établis, d'envisager un changement abrupt de technologie en faveur du DVB-S2, surtout lors- qu'il n'existe pas de subvention pour les récepteurs et les services publics gratuits [...]. Dans le cadre du Projet DVB, le remplacement du DVB-S par le DVB-S2 n'est pas prévu dans le court terme pour les applications de télédiffusion convention- nelles. Des millions de décodeurs DVB-S fonctionnent déjà de manière fiable et contribuent au succès des entre- prises opérant dans le numérique par satellite dans le monde entier. De nouvelles applications sont envisagées pour les environnements satellitaires, comme la distribution de TVHD et de services IP aux consommateurs. Deux exemples mettent en lumière la révolution qui s'annonce. En associant le DVB-S2 aux nouveaux schémas de codage vidéo et audio (par exemple MPEG-4 AVC), il est possible de diffuser quelque 20-25 programmes en TVSD ou 5-6 en TVHD dans un répéteur conventionnel de 36 MHz. S'agissant des applications TV professionnelles, l'outil de modulation et de codage adaptatif (ACM) pourrait offrir des avantages substantiels pour les connexions point-à-point, par exemple dans le cas des petites sta- tions de contribution transportables. Pour ces nouvelles applications, le DVB-S2 permettra de faire ce qui ne sera jamais possible avec le DVB-S »'. Le DVB-S2 pourrait ainsi être présenté comme une nouvelle fonctionnalité des décodeurs intégrant la haute définition et les schémas de compression MPEG-4 AVC, puisque de toute façon il faudra remplacer les décodeurs pour pouvoir implémenter le standard MPEG-4 AVC. Ces nouveaux décodeurs devront rester rétrocompatibles à la fois avec le schéma de modulation (c'est-à-dire être capable de démoduler aussi des porteuses DVB-S) et avec le schéma de compression (c'est-à-dire être capable de décoder les standards MPEG-2 SD/HD et MPEG-4 SD). 3. Rôle du satellite dans le lancement de la TVHD en Europe Le satellite est tout à fait en mesure de répondre aux besoins en débit binaire des services de distribution et de contribution de la TVHD. De plus, comme tout autre média réseau, il est parfaitement transparent pour le système de codage servant au transport (MPEG-2 ou MPEG-4) et pour le schéma de modulation éventuellement utilisé (DVB-S ou DVB-S2). Le satellite bénéficiera bientôt également de la norme DVB-S2 récemment introduite, ce qui permettra une meilleure exploitation du répéteur satellite pour la distribution des signaux TVSD et TVHD. Nous pensons que le satellite sera probablement leader du développement de la TVHD en Europe pour plusieurs raisons : AlbertoMorello- VittoriaMignone"DVB-S2, -eai,fo- lift-off " Revue techniquedel'UER,octobre2004 REE HORSSÉRIE WI Septembre2005 Distribution et contribution par satellite de signaux vidéo haute définition Les caractéristiques du marché européen laissent à penser que les télédiffuseurs numériques existants seront probablement les premiers à se tourner vers la TVHD. La majorité de l'offre de TV numérique en Europe se trouvant sur le satellite, ces diffuseurs n'auront qu'à ajouter une offre TVHD à la position orbitale qu'ils utilisent déjà. La migration vers la TVHD nécessite le remplace- ment des décodeurs. Depuis quelques années, les diffuseurs par satellite ont élargi leur offre et la plu- part d'entre eux ont déjà récupéré l'investissement qu'ils ont fait dans les décodeurs. Ils se trouvent dans une position plus favorable pour faire face à un renouvellement complet du parc de décodeurs. La migration vers la TVHD nécessite le remplacement des décodeurs. Les diffuseurs par satellite en profiteront pour remplacer les décodeurs TVSD par des modèles TVHD fonctionnant également en DVB-S2, afin d'optimiser l'efficacité du répéteur satellite (avec un gain de 30 % de bande passante sur le répéteur). Références [1] EBU Technica Information 1.34, " The potential Impact of fIat panel displays on broadcast delivery of television, et L35, Further Considerations on the Impact of Flat Panel Home Displays on the Broadcasting Chain " -first edition, disponibles su r httpJ/wwwebu.ch/en/technical ! publications/ott/index.php [2] ETSI EN 100 421, "Digital Video Broadcasting (DVB) Framing structure, channel coding and modulation for 11112 GHz satellite services ". [3] ETSI EN 302 307, "Digital Video Broadcasting (DVB) Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications (DVB-S2) ". Ed ETt Cristiano Benzi, diplômé de l'École polytechnique de Turin (Italie) en 1989, a travaillé comme ingénieur des télécommuni- cations au Centre de recherche de la RAI, Radiotelevsione Italiana,où Ila contribué aux travaux de standardisation de la norme DVB-T.Il a rejoint Eutelsat en 1998, comme chef du pro- jet DVB et multimédia. II est animateur du Groupe «Réseaude Contnbution »au sein du Comité technique du HD Forum. REE HORSSÉRIE WI Septembre2005