مروری گذرا بر تاریخچه تلویزیون دیجیتال و مزایای آن
1- سخن آغازین
«تلویزیون دیجیتال» عبارتی ست که در چند سال اخیر در مجامع کارشناسی جهانی و سمینارهای تخصصی در حوزه های مخابرات و پخش تلویزیونی در سطحی گسترده مطرح شده است، اما این عبارت واقعا چیست و اشاره به کدام فن آوری دارد؟ این تلویزیون چه تفاوت مهمی با تلویزیون موجود فعلی (آنالوگ) دارد؟ چه نیازی برای حرکت به سمت آن احساس می شود؟ آیا واقعاً برای ما یک مفهوم بدیع و ناشناخته است؟ راستی، آیا تا کنون تصاویر دریافتی از گیرنده های ماهواره ای دیجیتال را بر صفحه ی تلویزیون های خانگی دیده اید؟ میزان شفافیت، وضوح، خالی از نویز و برفک بودن این تصاویر چه قدر رضایت بخش است؟ به راستی رمز رسیدن به این درجه از کیفیت تصویری چیست؟ این ها سؤالاتی هستند که امیدواریم در صفحات بعدی به آن ها پاسخ مناسبی داده شود.
شصت سال پس از تولد و معرفی تلویزیون آنالوگ (در ابتدا سیاه و سفید) و سی سال پس از تولد و ظهور رنگ در تصاویر تلویزیونی، «تلویزیون» در آستانه ی یک مهاجرت و حرکت بنیادی قرار گرفت : گذار و انتقال از تلویزیون آنالوگ به تلویزیون دیجیتال.
اما چرا دیجیتال را انتخاب کرده ایم؟ شاید این سیر تکاملی و جایگزین شدن تلویزیون دیجیتال به جای آنالوگ، یادآور تکراری باشد که در برخی از رویدادهای تاریخ رخ می دهد! هنگامی که یونانیان باستان به رهبری اسکندر بر مصر مسلط شدند، به تدریج زبان و الفبای یونانی جایگزین زبان مصر باستان گشت و از سویی زبان هیروگیلف ناپدید شد. تنها پس از کشفیات و حفاری های باستان شناسی دو هزار سال بعد (در سال 1799) این خط باستانی مجدداً آشکار شد. یک پاسخ احتمالی برای علت ناپدید شدن آن شاید این باشد : در حالی که در خط و نگارش مصر باستان از هفتصد نشانه ی نمادین متفاوت برای بیان مفاهیم استفاده می شد، نگارش یونانی بر مبنای الف با شکل گرفته بود. به عبارتی، استفاده از تعدادی نماد محدود و معین که وظیفه ی بیان تمام مفاهیم زبانی را بر عهده دارند.
سیستم آنالوگ درواقع نوعی هیروگلیف الکترونیکی است! برای مثال، یک شکل موج جریان الکتریکی متناظر با یک موج صوتی ست و با تغییر فشار صوتی، شکل موج نیز کاملا دگرگون خواهد شد. در مقابل، سیستم دیجیتال از امتیاز استفاده از کدهای سمبولیک دقیق (نظیر حروف الفبا) برای نمایش هر کدام از شکل موج های متغیر تصویر و صدای آنالوگ (نظیر شکل های هیروگلیف) بهره می برد. طبیعتاً هنگامی که ارسال اطلاعات از فرستنده یا کدکننده، با تعداد سمبل های محدود و معین انجام شود، در صورت بروز خطا در سیگنال، گیرنده یا کدگشا باز هم می تواند به کار خود ادامه دهد، به ویژه چنانچه از ابتدا کدهای ویژه ای به همراه سیگنال اصلی ارسل گردند، گیرنده می تواند خطا را کشف و حتی تصحیح کند. برای مثال، در یک گیرنده ی تلویزیون آنالوگ، چنانچه به دلیل جرقه های موتور یک اتومبیل یک جریان پالسی مزاحم در سیگنال دریافتی از آنتن تداخل کند، چون گیرنده ی آنالوگ قادر به شناخت و جداسازی این قبیل سیگنال های ناخواسته از سیگنال دریافتی نیست، پالس های تداخلی به صورت نقاط پراکنده ی سیاه و سفید بر صفحه ی لامپ تصویر ظاهر می شوند. در حالی که در پردازش دیجیتال، امکان شناخت سیگنال های ناخواسته و حذف خطای مزاحم وجود دارد و به همین دلیل تصاویر دریافتی شفاف تر و خالی از نویز هستند.
در شرایطی که جهان وارد قرن بیست و یکم شده، تلویزیون دیجیتال یکی از اجزاء مهم بزرگ راه های اطلاعاتی برشمرده می شود. زیرا این فن آوری، قابلیت ارسال مقادیر فراوانی از اطلاعات را به بیشترین تعداد کاربر با هزینه ی کم داراست. تلویزیون دیجیتال، با تبدیل تصاویر و صدا به مقادیر و کدهای دودویی (0و1) چنین قابلیتی را یافته است.
اینک برنامه های تلویزیونی (شامل تصاویر و صدا) که در حالت اولیه ی خود به قالب آنالوگ هستند، دیجیتال شده و پس از ترکیب با اطلاعات و داده های دیگر از طریق شبکه های مخابراتی به ایستگاه های فرستنده ی پخش امواج ارسال می شوند. این برنامه ها هم چنین قابلیت ذخیره شدن ابتدایی بر دیسک سخت کامپیوتر و سپس ارسال را برای بیننده های خاص (دارای حق اشتراک) دارند. امکان فراهم آوری مجموعه ی چند رسانه ای (صدا، تصویر، داده) به عنوان منبع برنامه ی تولید شده، با قابلیت ذخیره سازی حتی در رایانه های خانگی، سبب انقلابی در مقایسه با زنجیره ی مراحل تولید و پخش تلویزیون آنالوگ شده است.
مرور بر مفاهیم پایه : بررسی ساختار یک سیستم مخابرات دیجیتال
از آنجا که تلویزیون دیجیتال، نوعی از سیستم مخابرات دیجیتال است، طبیعتاً از الگوی کلی چنین سیستمی، تبعیت می کند. بنابراین ضروری ست قبل از ادامه ی بحث، در ابتدا تعاریف اولیه را به طور خلاصه مرور کنیم.
؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟جای شکل
تصویر 1-1 اجزاء اصلی یک سیستم ارتباطی دیجیتال را شامل طبقات فرستنده، گیرنده و هم چنین کانال ارتباطی معرفی می کند.
طبق تصویر، ابتدا منبع اولیه ی اطلاعات که در حالت طبیعی پیوسته است توسط تراگردان ورودی به سیگنال الکتریکی آنالوگ تبدیل می شود، مانند سیگنال ویدیوئی دوربین تلویزیونی یا سیگنال صدای تولید شده توسط میکروفن.
لازم است تا این سیگنال الکتریکی آنالوگ توسط یک مدار A/D از حالت آنالوگ به دیجیتال تبدیل شود، یعنی رشته ای از ارقام دودویی صفر و یک. هم چنین ممکن است که منبع اطلاعات، نظیر داده های مربوط به یک فایل درون حافظه ی رایانه، از ابتدا ذاتا دیجیتال باشد. در هر صورت، به دنبال شکلی از ارائه ی سیگنال دودویی هستیم تا سیگنال با حداکثر بازدهی، بدون زواید و با حداقل تعداد بیت در دسترس قرار گیرد. این همان تعبیر کدگذاری منبع اطلاعات است که طی این فرآیند افزونگی های ذاتی و آماری در سیگنال اولیه حذف می شود. به تعبیر دیگر، این عمل فشرده سازی داده ها نامیده می شود و پردازشی ویژه برای استفاده ی بهینه از پهنای باند فرکانسی کانال ارتباطی ست. طبیعی ست که هر چه حجم داده های تولیدی کم تر باشد، ارسال آن ها با سرعت انتقال کم تر و با اشغال پهنای باند کم تر امکان پذیر است.
سپس سیگنال کد شده در طبقه ی کد گذار یا کد کننده ی منبع وارد طبقه ی کدگذار کانال ارتباطی می شود. این کدکننده برخلاف قبل، به شیوه ای کاملا کنترل شده، داده های جدیدی را به داده های اطلاعات اصلی می افزاید تا به کمک آن ها گیرنده بتواند خطاها و آثار مخرب ناشی از نویز و تداخل های محیطی در سیگنال دریافتی را آشکار و تصحیح کند. بنابراین، کدکننده ی کانال برخلاف کدکننده ی منبع وظیفه ی افزایش افزونگی ها را جهت کنترل و کاهش خطا بر عهده دارد. معمولا به دو روش می توان کنترل خطا را انجام داد : نخست با ارسال دوباره ی پیغام اولیه یا روش ARQ که در این حالت باید حتما یک خط ارتباطی برگشت میان فرستنده و گیرنده موجود باشد تا گیرنده بتواند از فرستنده ارسال دوباره را درخواست کند. در این حالت گیرنده فقط قدرت تشخیص و آشکارسازی خطا را دارد و در عوض فاقد توانایی تصحیح خطاست.
در حالت دوم که هیچ گونه مسیر برگشتی وجود ندارد، تنها امکان کنترل خطا به روش «تصحیح خطای پیش سو» (Forward Error Correction) یا به اختصار FEC است که خود شامل شیوه های گوناگونی ست. در یک روش ساده، اگر تعداد بیت پیغام برابر عدد k باشد، به آن ها تعدادr بیت به عنوان بیتهای وارسی افزوده شده و در کل یک کد – واژه با n بیت ساخته و مجموعه ای n بیتی به مدولاتور ارسال می شود. مدولاتوری دیجیتال در واقع بخش واسطه برای انتقال جریان داده ها به محیط انتشار است. از آنجا که تقریباً تمام محیط های ارتباطی در عمل قابلیت انتقال سیگنال های الکتریکی را فقط به صورت شکل موج های پیوسته دارند، در طبقه ی مدولاتور سیگنال گسسته ی زمانی عملا دوباره به سیگنال پیوسته یا آنالوگ تبدیل می شود تا شرایط مناسب انتشار یابد. درواقع اولین هدف مدولاتور نگاشت یک واحد اطلاعات دودویی به یک شکل موج الکتریکی پیوسته است.
کانال مخابراتی یک محیط یا رسانه ی فیزیکی برای انتقال سیگنال بین فرستنده و گیرنده است. این محیط می تواند محیط بسته (نظیر کابل الکتریکی یا فیبر نوری) یا محیط انتقال باز (نظیر جو و فضای آزاد) باشد. ویژگی معمول کانال ارتباطی این است که سیگنال در ضمن انتقال از طریق آن، تحت تأثیر عوامل فیزیکی از قبیل نویز و تداخل قرار می گیرد و مقداری دچار آسیب می شود.
در سمت دیگر کانال، طبقات گیرنده قرار گرفته که ابتدا توسط یک دِمدولاتور دیجیتالی سیگنال دریافتی از حالت پیوسته به گسسته تبدیل شده و شکل موج آسیب دیده ی سیگنال باز به دنباله ای از داده های دودویی (البته همراه با خطا) تبدیل می شود. سپس همان گونه که اشاره شده، در کدگشای کانال به وسیله ی اطلاعات دریافت شده از فرستنده، همان افزونگی ها، داده ها مجددا بازسازی و ترمیم، و خطاها آشکار گشته و تا حد ممکن تصحیح می شوند. خواهیم دید که میزان متوسط احتمال خطا در بیت که در خروجی کدگشا قابل اندازه گیری ست، پارامتری مهم برای سنجش و معرف میزانی از کیفیت کار مجموعه ی مدولاتور و کدگشا، و به طور کلی گیرنده، است.