home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Chip 2000 October / chip-cd_2000_10.zip / 10 / hardware / dvb / FAQ Markus Kuhn / dvb.txt
Text File  |  2000-07-26  |  48KB  |  1,060 lines

  1. The New European Digital Video Broadcast (DVB) Standard
  2. -------------------------------------------------------
  3.  
  4. Markus Kuhn -- 1996-07-08
  5.  
  6.  
  7. This text gives a brief introduction into the technology behind the
  8. new DVB/MPEG-2 TV broadcasting system. The latest version of this
  9. text can always be found at <URL:ftp://ftp.informatik.uni-erlangen.de/
  10. pub/multimedia/tv-crypt/dvb.txt>. Use a monospaced font to display it.
  11.  
  12. Special thanks to Hanno Basse <hb@tvhm.de> for his many very valuable
  13. comments and contributions to this text, as well as to Didier Aernoudt
  14. <didier.aernoudt@ping.be> for supplying additional information. Errors
  15. in this text are of course my fault. Any comments, additions, and
  16. corrections to this brief overview are very welcome!
  17.  
  18. [The market situation description of this text is at the moment at some
  19. places not very up to date and describes the situation in early 1996,
  20. but the described standards and technical details are still unchanged.
  21. Markus -- 1996-11-16]
  22.  
  23.  
  24. Contents
  25. --------
  26.  
  27.   1      Introduction
  28.  
  29.   2      Building blocks
  30.  
  31.   2.1    MPEG-2 source encoding
  32.  
  33.   2.1.1  Handling 16:9 images on 4:3 screens
  34.  
  35.   2.2    Modem standards
  36.  
  37.   2.2.1  Satellite transmission (DVB-S)
  38.   2.2.2  Cable transmission (DVB-C)
  39.   2.2.3  Community antenna installations (DVB-CS)
  40.   2.2.4  Terrestrial transmission (DVB-T)
  41.   2.2.5  Compatibility
  42.  
  43.   2.3    System information and Electronic program guide (DVB-SI)
  44.  
  45.   2.4    Teletext
  46.  
  47.   2.5    Subtitling
  48.  
  49.   2.6    Conditional access control (pay-TV encryption)
  50.  
  51.   2.6.1  Common Interface (DVB-CI)
  52.   2.6.2  SimulCrypt
  53.  
  54.   3      Market overview and system introduction schedule
  55.  
  56.   4      Hints for DVB receiver buyers
  57.  
  58.   5      Literature and sources for more information
  59.  
  60.  
  61. 1  Introduction
  62.  
  63. The next generation of TV signal broadcast standards is based on
  64. digital data compression and digital data transmission. This provides
  65. both higher image quality and better bandwidth utilization than
  66. classic analog color TV broadcasting standards such as PAL, NTSC, and
  67. SECAM.
  68.  
  69. In January 1995, the Digital Video Broadcasting (DVB) project
  70. organized by the European Broadcasting Union (EBU) has published a set
  71. of formal standards which define the new Digital Video Broadcast
  72. system. These DVB standards are the technical basis for implementing
  73. digital TV transmission in Europe, Asia, Australia, and many other
  74. regions of the world starting in 1996. DVB seems to be the best
  75. candidate for a single global digital TV broadcasting standard. Only
  76. the U.S. plan their own terrestrial HDTV standard which is also based
  77. on MPEG-2 but they use a modem, an audio encoder, and an electronic
  78. program guide incompatible with DVB standards.
  79.  
  80. Current DVB standards describe digital TV transmission over satellite
  81. and cable; modulation standards for terrestrial broadcast are under
  82. preparation. DVB standards cover the system design and the modem
  83. standards for high bandwidth video data transmission as well as
  84. several auxiliary functions like teletext, electronic program guides,
  85. and conditional access. The compression technique used by the DVB
  86. system is the ISO MPEG-2 algorithm.
  87.  
  88. The following brief description of the new DVB standards originated as
  89. my notes from a talk about the topic given by C. Schaaf from German
  90. Telekom, FTZ Darmstadt, at the INTERSAT '95 exhibition in Frankfurt am
  91. Main on 1995-02-03. Later I extended it with information taken from
  92. DVB Project Office press releases and the DVB standards. I am not an
  93. expert on the subject, only an interested observer who wants to make
  94. some information about the future of digital TV available to the
  95. interested network community.
  96.  
  97.  
  98. 2  Building blocks
  99.  
  100. The block diagram of a DVB receiver (aka "set-top box") looks roughly
  101. like this:
  102.  
  103.  
  104.   cable or
  105.   antenna
  106.  
  107.      |
  108.      V
  109.  
  110.  receiver -> demodulation -> error correction -> optional access control
  111.                                                   and decryption module
  112.  
  113.                                                            |
  114.                                                            V
  115.  
  116.                                                    MPEG demultiplexer
  117.  
  118.                                                            |
  119.             +----------------------+-----------------------+
  120.             |                      |                       |
  121.             V                      V                       V
  122.  
  123.      MPEG video decoder    MPEG audio decoder      data transmission
  124.                                                        interface
  125.             |                      |
  126.             |                      |                       |
  127.             +---->-----+------<----+--<-- EPG/teletext <---+
  128.                        |                                   |
  129.                        V                                   V
  130.  
  131.            RGB/S-Video/PAL/PAL+ encoder             Personal Computer
  132.                                                         or Modem
  133.                        |
  134.                        V
  135.  
  136.                   TV set/VCR/
  137.                   Hifi system
  138.  
  139.  
  140. The first generation of DVB consumer receivers is expected to be a set
  141. top box, i.e. a small box which contains only a receiver (satellite
  142. and/or cable) and the above MPEG decoder. These receivers will have
  143. the usual RF and SCART interfaces to the antenna, cable, and TV/VCR.
  144. In addition, the receivers are expected to have also data transmission
  145. interfaces for personal computers and other multimedia systems
  146. (EIA-232-E) as well as one or several ISO 7816 chip card slots and
  147. PCMCIA type 2 connectors for the pay-TV access control module.
  148. Additional interfaces might include digital audio. Later, DVB
  149. receivers will become integral parts of TV sets and video cassette
  150. recorders.
  151.  
  152.  
  153. The DVB Project Office has so far published the following standards as
  154. European Telecommunication Standards Institute (ETSI) standards:
  155.  
  156.   DVB-S     Digital broadcasting systems for television, sound and data
  157.             services; Framing structure, channel coding and modulation
  158.             for 11/12 GHz satellite services, ETS 300 421, December 1994.
  159.  
  160.             The modem standard for satellite broadcasts with various
  161.             data rates, band width requirements, and error correction
  162.             capabilities.
  163.  
  164.   DVB-C     Digital broadcasting systems for television, sound and data
  165.             services; Framing structure, channel coding and modulation
  166.             for cable systems, ETS 300 429, December 1994.
  167.  
  168.             The modem standard for cable broadcasts with various
  169.             data rates, levels of noise immunity, and band width
  170.             requirements.
  171.  
  172.   DVB-CS    Digital broadcasting systems for television, sound and data
  173.             services; Satellite Master Antenna Television (SMATV)
  174.             distribution systems, ETS 300 473, May 1995.
  175.  
  176.             Description of the alternative ways in which a community
  177.             sat antenna installation head-end could operate.
  178.  
  179.   DVB-SI    Digital broadcasting systems for television, sound and data
  180.             services; Specification for Service Information (SI)
  181.             in Digital Video Broadcasting (DVB) systems, ETS 300 468,
  182.             October 1995.
  183.  
  184.             Electronic program guide and automatic tuning and VCR control
  185.             information broadcasted in DVB data streams.
  186.  
  187.   DVB-TXT   Digital broadcasting systems for television, sound and data
  188.             services; Specification for conveying ITU-R System B
  189.             Teletext in Digital Video Broadcasting (DVB) bitstreams,
  190.             ETS 300 472, May 1995.
  191.  
  192.             MPEG-2 encapsulation for the European analog teletext data.
  193.  
  194.   DVB-CI    Common Interface Specification for Conditional Access and
  195.             other Digital Video Broadcasting Decoder Applications,
  196.             European Standard prEN 50221, Draft D, 1996-04-23.
  197.  
  198.             PCMCIA slot that will allow to add proprietary access
  199.             control and other extensions. Not yet ready.
  200.  
  201.   DVB-??    A Common scrambling algorithm, pay-TV access control;
  202.             will probably never be available publicly.
  203.  
  204. The DVB-S standard has now also been included in ITU-R
  205. recommendations. Further DVB standards for terrestrial digital
  206. broadcast (DVB-T), subtitling, MMDS, and interactive TV are under
  207. preparation.
  208.  
  209. In addition, two ETSI Technical Reports (ETR) have been published that
  210. are not formal standards but form important guidelines for system
  211. implementors:
  212.  
  213.   ETR 154  Digital broadcasting systems for television; Implementation
  214.            guidelines for the use of MPEG-2 systems; Video and audio
  215.            in satellite and cable broadcasting applications,
  216.            ETSI Technical Report, draft ETR 154, 1994-11.
  217.  
  218.            The MPEG-2 standard ISO/IEC 13818 specifies a very large
  219.            number of system parameters and optional features. This
  220.            text specifies many MPEG-2 minimum parameter ranges and
  221.            options which every DVB receiver is supposed to support.
  222.  
  223.   ETR 211  Digital broadcasting systems for television; Implementation
  224.            guidelines for the use of MPEG-2 systems; Guidelines on
  225.            implementation and usage of service information,
  226.            ETSI Technical Report, final draft ETR 211, 1996-02-12.
  227.  
  228.            This text provides many important details for implementing
  229.            the DVB-SI standard.
  230.  
  231.  
  232. 2.1 MPEG-2 source encoding
  233.  
  234. The DVB project has not defined its own image encoding algorithm, but
  235. has only selected a profile (subset) of the international standard
  236. ISO/IEC 13818 (commonly referred to as MPEG-2) in the ETR 154
  237. document.
  238.  
  239. MPEG-2 is an audio/video compression algorithm optimized for
  240. broadcast quality transmissions up to HDTV quality based on the
  241. discrete cosine transform and motion estimation.
  242.  
  243. The DVB project selected the MPEG-2 Main Profile at Main Level
  244. (MP@ML) with a maximum data rate of 15 Mbit/s.
  245.  
  246. Main Level means that up to 720x567 pixels at 25 Hz (the TV standard
  247. frequencies used in Europe) or up to 720x480 pixels at 30 Hz (the TV
  248. standard used in North America) are supported with either 4:3, 16:9,
  249. or 2.21:1 aspect ratio.
  250.  
  251. Main Profile means that MPEG bidirectional B frames are supported but
  252. that no SNR or resolution scalability is used.
  253.  
  254. In ETR 154, the following parameters have been selected as minimum
  255. requirements that should be supported by all DVB receivers:
  256.  
  257. Video:
  258.  
  259.   - Frame rate of 25 Hz in film mode and field rate of 50 Hz in
  260.     video camera mode.
  261.  
  262.   - Aspect ratio of both 4:3 and 16:9 (2.21:1 is optional).
  263.  
  264.   - Receivers should support pan vectors that allow to display the
  265.     most relevant portion of a 16:9 image on a 4:3 display with
  266.     correct aspect ratio. Support for letterboxing (i.e., resampling
  267.     the image to a smaller number of lines such that the full 16:9
  268.     image is visible on a 4:3 screen with black bars at the bottom and
  269.     top) is optional.
  270.  
  271.   - Luminance image resolutions: 720x576, 544x567, 480x576, 352x576,
  272.     352x288.
  273.  
  274. Audio:
  275.  
  276.   - MPEG-1 single channel, MPEG-1 dual channel, MPEG-1 joint stereo,
  277.     MPEG-1 stereo, MPEG-2 compatible multichannel audio.
  278.  
  279.   - Sampling frequency: 32 kHz, 44.1 kHz, 48 kHz. The following three
  280.     are optional: 16 kHz, 22.05 kHz, 24 kHz.
  281.  
  282.   - Encoded audio has no emphasis, 50/15 or ITU-T J.178 de-emphasis
  283.     are optional for the receiver.
  284.  
  285.   - bitrates for layer I audio are in the range 32 to 448 kbit/s,
  286.     for layer II in the range 23 to 384 kbit/s. Using layer II
  287.     is recommended.
  288.  
  289. "MPEG-2 compatible multichannel audio" means: The MPEG-2 standard
  290. allows to encode a 5+1 surround sound signal (i.e., speakers in four
  291. corners and a center speaker plus a low frequency subwoofer) in a way,
  292. that allows simpler receivers with only a normal MPEG-1 stereo decoder
  293. to decode a correctly mixed normal stereo signal, while surround sound
  294. decoders can decode a full 5+1 signal from the same bitstream. For
  295. more details about the surround sound capabilities of MPEG-2 and DVB,
  296. check <URL:http://www.keymodules.philips.com/MD/mpeg/index.htm>. There
  297. exists even a compatible extension to MPEG-2 that allows to encode 7+1
  298. signals as they are used in good cinemas, which can be decoded as
  299. either 7+1, 5+1, dolby surround, or stereo signals in the DVB
  300. receiver.
  301.  
  302. [By the way: Originally, the U.S. digital TV standard "Grand Alliance"
  303. planned to use the proprietary Dolby AC-3 encoding instead of standard
  304. MPEG audio in their U.S. broadcasting system, which is not DVB
  305. compatible but also based on MPEG-2. The results of their listening
  306. tests showed that AC-3 provided superior quality to MPEG audio coding.
  307. However, recently they discovered that the MPEG audio demo system used
  308. in the "Grand Alliance" tests contained an implementation bug and new
  309. listening tests showed now that MPEG audio and AC-3 produce fully
  310. comparable signal quality. Let's hope that the U.S. abandons AC-3
  311. quickly and therefore will not introduce their own incompatible audio
  312. encoding system. This would make MPEG *the* single world-wide audio
  313. and video encoding standard.]
  314.  
  315. The MPEG-2 standard also specifies higher levels (for high definition
  316. TV) and higher profiles (which allow for instance to broadcast
  317. different image quality layers with different error correction
  318. overhead such that the image quality can degrade smoothly under bad
  319. receiving conditions). As only an MPEG subset is used today, the DVB
  320. system can easily be upgraded to these advanced functions later in an
  321. upwards compatible way when the market is ready for HDTV. DVB systems
  322. are required to skip data structures which they not not understand in
  323. order to allow easy future backwards compatible extensions of the DVB
  324. standards.
  325.  
  326. The bit rate utilized for a video program can be selected freely
  327. depending on the quality requirements. Typical bit rates are:
  328.  
  329.     2 Mbit/s: approx. VHS quality, suitable for simple signals
  330.               like comics
  331.  
  332.   4-6 Mbit/s: approx. PAL quality (e.g., for talk shows)
  333.  
  334.   8-9 Mbit/s: better than D2MAC and PAL+, comparable to studio
  335.               production quality (e.g., for cinema films and sport
  336.               events)
  337.  
  338.   >15 Mbit/s: Various levels of HDTV quality
  339.  
  340. For the MPEG-2 audio encoding options, the DVB project has selected
  341. the MPEG-1 layer II algorithm from ISO/IEC 13818-2 which is based on
  342. the MUSICAM sub-band coding system. A typical audio bit rate is 192
  343. kbit/s for a high quality stereo signal. MPEG allows arbitrary many
  344. audio channels (for various languages or surround sound) to accompany
  345. the video image.
  346.  
  347. The MPEG-2 standard also defines a multiplexing system (ISO/IEC
  348. 13818-1), which allows to combine many video, audio, and data streams
  349. into one single data stream. In DVB, this multiplexing technique is
  350. used to allow to put many different programs into for example one 38
  351. Mbit/s data stream, which the DVB data transmission standards allow to
  352. transfer per satellite transponder or per 8 MHz cable TV channel. This
  353. 38 Mbit/s bandwidth can be used to transmit simultaneously for example
  354. either:
  355.  
  356.   Video:      each program    2 - 9 Mbit/s   ->  18 - 4 video services
  357.   Audio:      each program      192 kbit/s   ->     190 radio stations
  358.   Data:       each channel       64 kbit/s   ->     590  data services
  359.               each channel      2.4 kbit/s   ->   15800  data services
  360.  
  361. MPEG-2 multiplexing uses a packet length of 188 bytes, each packet
  362. consists of a 1 byte header and 187 bytes data content.
  363.  
  364. SES expects that typically between six and eight programs will be
  365. placed on one Astra transponder, which leaves between 4.75 and 6.34
  366. Mbit/s per TV program. I would not expect much better image quality
  367. than what you get with analog PAL from these bitrates. With four
  368. programs per transponder (9.5 Mbit/s), MPEG-2 image quality should be
  369. excellent.
  370.  
  371.  
  372. 2.1.1  Handling 16:9 images on 4:3 screens
  373.  
  374. The first cinema films were filmed in 4:3 aspect ration (the "academy
  375. format"). Early TV standards adopted this format in order to stay
  376. compatible with cinema. However, movie producers went on to the wider
  377. 16:9 format in order to to allow more impressive scenes (and perhaps
  378. also to simply make cinema different from TV ;-). More recently, films
  379. are often produced in the even wider 2.21:1 cinemascope format.
  380.  
  381. If a 16:9 or cinemascope image has to be displayed on a 4:3 screen,
  382. there are two commonly used techniques to adapt the aspect ration of
  383. the image: pan&scan and letterboxing.
  384.  
  385. Pan&scan means, that the broadcaster or movie producer has decided for
  386. every part of the film, which 4:3=12:9 window of the full 16:9 image
  387. is most interesting for the viewer. The remaining 25% image area will
  388. be cut away on 4:3 screens:
  389.  
  390.              +-----XXXXXXXXXXXXXXXXX--+
  391.              |     X               X  |
  392.              |     X               X  |        X = visible 4:3 screen
  393.              |     X               X  |        - = full movie image
  394.              |     X               X  |
  395.              |     X               X  |
  396.              |     X               X  |
  397.              +-----XXXXXXXXXXXXXXXXX--+
  398.  
  399.                    Pan & Scan Method
  400.  
  401. The second alternative is known as letterboxing. The size of the image
  402. is reduced by 25% such that the full 16:9 image fits exactly onto the
  403. 4:3 screen with black bars on the top and bottom border of the image.
  404.  
  405.                    XXXXXXXXXXXXXXXXX
  406.                    X               X
  407.                    X---------------X           X = visible 4:3 screen
  408.                    X               X           - = full movie image
  409.                    X               X
  410.                    X---------------X
  411.                    X               X
  412.                    XXXXXXXXXXXXXXXXX
  413.  
  414.                    Letterbox Method
  415.  
  416. Special 3/4 vertical filtering hardware is necessary which removes
  417. every fourth line of the 16:9 image in a smooth way, in order to
  418. provide high quality 16:9->4:3 letterboxing.
  419.  
  420. There are also compromise solutions possible:
  421.  
  422.                    XXXXXXXXXXXXXXXXX
  423.                 +--X---------------X+
  424.                 |  X               X|           X = visible 4:3 screen
  425.                 |  X               X|           - = full movie image
  426.                 |  X               X|
  427.                 |  X               X|
  428.                 +--X---------------X+
  429.                    XXXXXXXXXXXXXXXXX
  430.  
  431.        Combination of Pan&Scan and Letterboxing
  432.  
  433. The average viewer seems to prefer pan&scan and considers letterboxing
  434. as a waste of valuable screen area. The cinema freak however knows
  435. that pan & scan throws away 25% of the movie and that the 4:3 format
  436. is not what the director and camera operator had in mind when they
  437. produced the movie. Therefore, the expert viewer usually prefers
  438. letterboxing.
  439.  
  440. It has so far been impossible for broadcasters to make both normal
  441. viewers and cinema freaks happy at the same time. This changes with
  442. digital TV! The movie is broadcasted digitally in whatever format of
  443. the original film had. Pan&scan vectors are provided in the MPEG-2
  444. data stream. They the tell the MPEG-2 video decoder which would be a
  445. suitable place for the 4:3 pan/scan window on the wide movie image.
  446.  
  447. Whether pan&scan or letterboxing or some compromise format is used to
  448. display the movie on a 4:3 screen is now decided in the DVB receiver
  449. and not any more at the broadcaster. This allows every viewer
  450. individually to switch between pan&scan, letterboxing, or some
  451. compromise format.
  452.  
  453. Pan&scan or letterboxing is most important on 4:3 screens which are
  454. very different from 16:9 and 2.21:1 cinema formats. If a 2.21:1
  455. cinemascope movie is broadcasted, even if you have a 16:9 screen, also
  456. some (much less serious) form of pan&scan or letterboxing has to be
  457. applied in order to display the 2.21:1 format on your 16:9 screen.
  458.  
  459.  
  460. 2.2  Modem standards
  461.  
  462. As there have been no suitable international standards for digital
  463. satellite, cable, and terrestrial modem transmission available, the
  464. DVB project had to define new standards here.
  465.  
  466. The various transmission mediums have very different characteristics,
  467. therefore it is not possible to use only one single modulation
  468. standard for all of them.
  469.  
  470.  
  471. 2.2.1 Satellite transmission (DVB-S)
  472.  
  473. Channel properties of satellite transmission are:
  474.  
  475.   - relative low signal/noise ratio
  476.   - large frequency bandwidth available
  477.   - amplifier tubes in the satellites are operated in
  478.     a very non-linear mode for maximum power efficiency
  479.  
  480. The selected satellite modulation system is a 2 bit/symbol QPSK
  481. (quaternary phase shift keying) modulation.
  482.  
  483. This modulation system is defined in the DVB-S standard ETS 300421.
  484. Some characteristics are (this is only for interested modem experts):
  485.  
  486.   - scrambling applied for spectral formation
  487.   - outer FEC: Reed Solomon Forward Error Correction RS(204, 188, T=8)
  488.   - convolutional interleaving (Forney)
  489.   - inner FEC: convolutional Code
  490.   - 35% half-Nyquist filtering
  491.   - flexible symbol rate
  492.  
  493. The DVB-S standard has a number of encoding parameters that allow to
  494. choose an appropriate set of transmission parameters for the
  495. characteristics of a specific satellite transponder. The reception
  496. parameters that the DVB-S receiver must be able to handle are
  497.  
  498.   - carrier frequency (GHz)
  499.   - polarization (horizontal, vertical)
  500.   - convolutional error correction code (1/2, 2/3, 3/4, 5/6, or 7/8)
  501.   - symbol rate (Mbaud)
  502.  
  503. The variable symbol rate allows the broadcaster to adjust the modem
  504. exactly to the bandwidth available by the transponder. The selected
  505. symbol rate will typically be the -3 dB bandwidth of the transponder
  506. divided by 1.28. ETS 300 421 does not restrict the symbol rate in any
  507. way.
  508.  
  509. The five different forward error correction (FEC) codes allow to vary
  510. the amount of redundant information that is added to the MPEG-2
  511. transport data stream. This way, the modem can be adapted for
  512. different signal/noise ratios. For example, it might be possible that
  513. a broadcaster who usually uses the 5/6 code goes back to the more
  514. robust 2/3 code during an important football match when many people
  515. might start to complain about reception problems caused by heavy rain
  516. in their area. 3/4 means for example that 3 out of 4 bits carry MPEG
  517. data, the remaining 25% of the bits are inserted for error correction.
  518. The available different error correction codes allow to adopt the
  519. modem transmission to the hydrometrological conditions in the
  520. reception area. The broadcaster can select with the error correction
  521. code how many expected minutes of image loss per year caused by heavy
  522. rain are acceptable for the average viewer in the reception area.
  523.  
  524. The DVB-S system is optimized for single carrier per transponder Time
  525. Devision Multiplex (TDM), however it is able to be used for
  526. multi-carrier Frequency Division Multiplex (FDM) type applications.
  527. There will be applications for satellite news gathering (SNG) where a
  528. 8 MHz channel is used in Single Channel Per Carrier (SCPC) technology.
  529. SCPC means, there is only one program (with one video and its related
  530. audio streams) transmitted on that carrier. This allows several DVB-S
  531. uplink sites to share one single transponder by using different
  532. carrier frequencies (FDM). The contrary to this is MCPC (Multiple
  533. channels per carrier), which is used for normal broadcasts. All these
  534. methods are compatible to (or at least can be performed compatible to)
  535. the DVB-S standard.
  536.  
  537.  
  538. 2.2.2  Cable transmission (DVB-C)
  539.  
  540. Typical cable channel properties are:
  541.  
  542.   - good signal/noise ratio
  543.   - small usable frequency spectrum
  544.   - echos and non-linear distortion
  545.  
  546. The selected cable modulation system is a 64-QAM (quadrature amplitude
  547. modulation system with 64 symbols), which has the following
  548. characteristics:
  549.  
  550.   - high spectral efficiency
  551.   - low required bandwidth (8 MHz)
  552.   - requires adaptive pre-emphasis
  553.  
  554. This modulation system DVB-C is defined in ETS 300429 and some of the
  555. technical details are:
  556.  
  557.   - scrambling applied for spectral formation
  558.   - outer FEC: Reed Solomon FEC RS(204, 188, T=8)
  559.   - convolutional interleaving
  560.   - 15% half-Nyquist filtering
  561.   - optional 16-QAM and 32-QAM, extensible to 128-QAM or 256 QAM.
  562.   - flexible symbol rate
  563.  
  564. RS forward error correction and interleaving are identical to DVB-S
  565. which reduces the implementation effort in systems that convert DVB-S
  566. into DVB-C.
  567.  
  568. The reception parameters that the DVB-S receiver must be able to
  569. handle are
  570.  
  571.   - carrier frequency (GHz)
  572.   - symbol rate (Mbaud)
  573.   - QAM type (64, 32, or 16 bit/symbol)
  574.  
  575.  
  576. 2.2.3  Community antenna installations (DVB-CS)
  577.  
  578. Several options are available for systems where one single satellite
  579. dish supplies a large number of receivers:
  580.  
  581. System A: The head-end demodulates DVB-S signal and remodulates it
  582. into DVB-C, so that normal DVB-C cable receivers can be connected to
  583. the distribution network. This system is called SMATV-DTM (digital
  584. transmodulation). Because of the high price for the additional modems,
  585. this method is more interesting for very large cable TV installations.
  586. Whether the head-end implements outer error correction or simply
  587. passes data through without decoding and reencoding Reed-Solomon and
  588. convolutional interleaving is optional (this does not cause
  589. compatibility differences anyway).
  590.  
  591. System B: The cheapest solution for short cables: head-end converts
  592. received signal only down to intermediate frequency above 950 MHz
  593. without touching the QPSK modulation (SMATV-IF). A slightly more
  594. expensive solution for longer cables and more receivers (SMATV-S): the
  595. head-end converts the received signal down to the intermediate
  596. frequency and then again down to a part of the VHF/UHF band like the
  597. extended S-band (230-470 MHz) without touching the QPSK modulation.
  598.  
  599.  
  600. 2.2.4  Terrestrial transmission (DVB-T)
  601.  
  602. The DVB-T standard is not yet finished. The technical proposal
  603. currently under discussion is:
  604.  
  605.   - OFDM (Orthogonal Frequency Devision Multiplex)
  606.   - 8192 carrier frequencies, each modulated using a QAM with
  607.     between 4 and 64 Symbols
  608.   - 8 MHz bandwidth
  609.   - outer FEC: Reed Solomon FEC RS(204, 188, T=8)
  610.   - outer convolutional interleaving
  611.   - inner FEC: Convolutional Code (1/2, ..., 7/8)
  612.   - inner interleaving
  613.   
  614. With 8192 separate carrier frequencies, the typical elimination of
  615. some frequencies due to multi-way path reflections in terrestrial
  616. transmission becomes tolerable.
  617.  
  618. On terrestrial DVB there has been a very lengthy discussion, since it
  619. is most challenging from the engineer's point of view. Now they have
  620. decided to have 8192 carriers with downward compatibility to 2K
  621. carriers. The 8K carriers make the system feasible for single
  622. frequency networks (SFN), but the 2K may be used, when SFN are not
  623. required. One of the main hurdles for terrestrial DVB is the cost of
  624. such a system. It is very expensive, because it is designed for mobile
  625. reception. Meanwhile it becomes clear, that mobile reception is not
  626. too necessary for video services. In addition there is already a
  627. standard for terrestrial digital transmissions - DAB. With DAB
  628. (Digital Audio Broadcasting) you can broadcast audio, data and even
  629. MPEG-1 video. This was recently shown at the Institute for
  630. broadcasting technology in Munich. Thus, the very complicated DVB-T
  631. standard remains with a question mark.
  632.  
  633. 2.2.5  Compatibility
  634.  
  635. All three transmission systems are designed for maximal compatibility,
  636. which means that they can use common circuit blocks (e.g., the Reed
  637. Solomon decoder and interleaver) if a single receiver supports several
  638. transmission mediums. Compatibility also means that transmodulation is
  639. made easy when the bitrates are selected carefully.
  640.  
  641. As a practical example, let's have a look at the parameters used in
  642. the Astra 1E satellite and the cable systems fed by it:
  643.  
  644. Many DVB-S satellite transponders (e.g., Astra 1E/1F/1G, DFS, Eutelsat
  645. Hotbird) have a bandwidth of 33 MHz, which allows with QPSK a symbol
  646. rate of 33 MHz / 1.2 = 27.5 Mbaud. With 2 bit/symbol, this results in
  647. 55 Mbit/s and after the convolutional 3/4 FEC decoder has removed 25%
  648. of the bits for inner error correction, 41.25 Mbit/s remain. This bit
  649. stream is sent to the second error correction algorithm
  650. (Reed-Solomon), which transforms 204 bytes into 188 corrected bytes
  651. and the final error corrected data rate is therefore 38.015 Mbit/s for
  652. the multiplexed MPEG-2 data stream.
  653.  
  654. In a typical DVB-C cable system, there are 8 MHz channels, and after
  655. the 15% roll-off specified by DVB-C, a theoretical maximum symbol rate
  656. of 6.96 Mbaud is possible. For compatibility with the above DVB-S
  657. example, let's use 6.875 Mbaud with a 64-QAM, which results again in
  658. 41.25 Mbit/s including Reed Solomon redundancy. As before, after the
  659. RS-decoder, the final bit rate remaining is 38.015 Mbit/s.
  660.  
  661. As both satellite and cable modem parameters can be selected to use
  662. the same final bit rate, satellite signals can easily be converted
  663. into a cable signal by pure transmodulation. A satellite->cable
  664. converter does not have to touch any Reed-Solomon codes or any MPEG-2
  665. multiplex information. This allows cheap large community antenna
  666. installations (see DVB-CS).
  667.  
  668. There are also Astra transponders with 26 MHz bandwidth and Eutelsat
  669. plans for the W24 satellites 72 MHz bandwidth transponders. For these
  670. satellites, other DVB-S symbol rates than 27.5 Mbaud will have to be
  671. applied in order to utilize the full bandwidth of the respective
  672. transponder.
  673.  
  674. The required worst case bit error probability for all modulation and
  675. forward error correction (FEC) systems is 1e-11, i.e. there must not
  676. be more than one wrong bit in the 38 Mbit/s MPEG data stream every 45
  677. minutes, in other words not more than one wrong bit in a 8 Mbit/s TV
  678. program every 3.5 hours.
  679.  
  680.  
  681. 2.3  System information and electronic program guide (DVB-SI)
  682.  
  683. DVB defines a Service Information standard (ETS 300468), which uses an
  684. MPEG data channel in order to transmit technical parameters of the
  685. transmission as well as electronic program guide (EPG) information for
  686. the user.
  687.  
  688. Technical parameters transmitted include the broadcast parameters
  689. (frequency, polarization, FEC, symbol rate, QAM type, MPEG multiplex
  690. identifier, etc.) and identification of the services available in the
  691. multiplexed channels. This allows the receiver software to configure
  692. itself completely automatically, even if broadcast parameters change
  693. (e.g., because of a satellite transponder rearrangement). The
  694. satellite receiver must only be configured once to find the first
  695. transponder. After a few minutes, the receiver will know the
  696. parameters of all channels on all other transponders.
  697.  
  698. The Electronic Program Guide information transmitted includes:
  699.  
  700.   a) Distribution network id (e.g. "SES Astra" or "German Telekom")
  701.   b) Channel id (e.g. "Sky Movies Gold" or "ZDF")
  702.   c) Program (e.g. "James Bond: Goldfinger")
  703.   d) Program type (e.g. "film", "news", "sports event", ...)
  704.   e) Service Provider (e.g. "British Sky Broadcasting")
  705.   f) Bouquet (e.g. "Sky Multichannels")
  706.   g) Broadcast time (e.g. 20:15 - 22:30)
  707.   h) Description text (e.g. "Classical secret service adventure,
  708.      actors: ..., director: ..., etc.")
  709.  
  710. All this information is not only transmitted for the current program,
  711. but also for the following program, for alternate channels and for the
  712. program of the next 2 weeks. All electronic program guide times are
  713. transmitted in Universal Time (UTC) and it is the job of the software
  714. in the receiver to translate it into the user's local time. This way,
  715. the electronic program guide times displayed all over the continent
  716. will all show the respective local time.
  717.  
  718. The Electronic Program Guide also contains the information necessary
  719. to start/stop a VCR precisely with a film independent on any
  720. unscheduled delays or commercial breaks in the program, and it
  721. contains parental guidance information that allows parents to restrict
  722. their children's access to on-screen sex and violence. DVB-SI
  723. therefore also performs the functions of the VPS (Video Programming
  724. System) that was available for these purposes on analog channels in
  725. Germany and other countries since the early 1980s.
  726.  
  727. 2.4  Teletext
  728.  
  729.  
  730. The DVB-TXT standard (ETS 300 472) defines, how EBU-Teletext, which is
  731. known for analog video services, can be transmitted within a
  732. DVB-bitstream. This has been set up, because many of the now existing
  733. analog programs will want to simulcast analog and digital signals in
  734. order to make a migration from one system to the other easier. The
  735. digital receiver is supposed to insert the teletext data into the
  736. vertical blanking interval. A connected TV-set with built-in
  737. EBU-teletext decoder can then handle this like the usual teletext.
  738. DVB-TXT is not the specification of a new next generation teletext
  739. service.
  740.  
  741. 2.5  Subtitling
  742.  
  743. They say it's a standard for subtitling but it is very powerful and
  744. can display many things, not just subtitles. It can be used as a very
  745. high level teletext platform.
  746.  
  747. 2.6  Conditional access control (pay-TV encryption)
  748.  
  749. Like the earlier pay-TV system EuroCrypt and VideoCrypt, DVB access
  750. control will be separated in two parts: decryption and descrambling.
  751. Descrambling operates directly on the MPEG transport data stream or on
  752. individual channels located inside this stream. The DVB project has
  753. standardized a Common Scrambling algorithm. It is a combination of a
  754. 64-bit block cipher followed by a stream cipher algorithm. The
  755. technical details of the Common Scrambling algorithm are secret and
  756. only made available under a Non-Disclosure-Agreement for access
  757. control hardware manufacturers.
  758.  
  759. The decryption is the section of the access control system that
  760. receives reception entitlement messages from the MPEG transport
  761. stream, decrypts and processes them, manages the subscription
  762. activation status of this receiver and finally forwards to the
  763. descrambling part the control word necessary to descramble the next
  764. few seconds of the program. Unfortunately, the DVB consortium has not
  765. been able to standardize a common encryption algorithm. One of the
  766. primary reason was the fear of pay-TV piracy (e.g., cloned smart cards
  767. with the copied decryption keys and algorithms).
  768.  
  769. Two alternative solutions have been discussed that would still allow
  770. to use one single receiver in order to receive channels from different
  771. pay-TV providers: The Common Interface and SimulCrypt.
  772.  
  773.  
  774. 2.6.1  Common Interface (DVB-CI)
  775.  
  776. The Common Interface is a slot for one or even several type 1 or type
  777. 2 PCMCIA cards (now called PC-Card). The receiver can send the full
  778. MPEG-2 transport data stream as it comes out of the demodulator and
  779. error correction units through the card plugged into the Common
  780. Interface, before it will be processed by the MPEG demultiplexer in
  781. the DVB receiver. If several CI cards are present, the MPEG transport
  782. data stream will be passed sequentially through all these cards.
  783.  
  784. A CI card can request control over decoder functions. It can talk to
  785. ISO 7816 smartcard slots which the receiver might also provide in
  786. order to keep parts of the decryption algorithm there, it can generate
  787. on-screen messages and receive remote control commands, and it can
  788. talk to a telephone modem which might be present in the receiver in
  789. order to handle online pay-per-view and near-video-on-demand
  790. functions.
  791.  
  792. A CI card will typically contain a hardware implementation of the
  793. Common Scrambling algorithm as well as a security processor with
  794. decryption software. Parts of the decryption software might also be
  795. implemented in an ISO 7816 smartcard that can be exchanged at much
  796. lower cost in case of successful piracy hacks against the decryption
  797. system (just as this has happened several times already with
  798. VideoCrypt and EuroCrypt).
  799.  
  800. After power-up, a Common Interface card acts like a PCMCIA memory
  801. card. Several memory locations act as data transmission registers that
  802. allow communication with the processor on the CI card. This way, a CI
  803. card can also be plugged into a normal laptop PCMCIA slot and some
  804. limited card functions could be accessed this way. When the
  805. descrambler in the CI card is activated, the most-significant-byte of
  806. both the address and data bus turn into 8-bit parallel input and
  807. output busses for the MPEG transport data stream. Other pins will then
  808. be used as separate byte clock and packet clock lines for both
  809. directions.
  810.  
  811. Although the Common Interface was primarily intended to allow plug-in
  812. decryption modules, it is not limited to that application. May be,
  813. this interface will in the future be used to connect other extension
  814. modules to the DVB receiver, like Internet browsers, interactive TV,
  815. PC video boards for harddisk recording, high speed PC satellite data
  816. acquisition systems, etc.
  817.  
  818.  
  819. 2.6.2  SimulCrypt
  820.  
  821. The problem of the non-existence of a common decryption standard can
  822. be solved by plugging CI cards for all required decryption standards
  823. into the receiver.
  824.  
  825. The existing standard for the Common Scrambling algorithm allows
  826. however also another approach: A broadcaster might provide the
  827. decryption data for its channel in the formats necessary for various
  828. decryption systems in the data stream. This way, various different
  829. encryption system would decrypt the entitlement messages with their
  830. proprietary methods, however finally they would all find the same
  831. control word which they send to the same Common Scrambling algorithm.
  832.  
  833. The SimulCrypt idea is not new: BSkyB has been using it for years on
  834. those channels like MTV on Astra that can be received both by
  835. VideoCrypt 1 and VideoCrypt 2 receivers simultaneously.
  836.  
  837. SimulCrypt is a nice way of avoiding the need to have several CI cards
  838. plugged into one receiver. It is therefore cheaper and more user
  839. friendly. However, SimulCrypt works only if the broadcaster from which
  840. you bought your decryption system cooperates with the pay-TV
  841. broadcaster from which you want to see a channel. For full broadcaster
  842. independence, you will still need the Common Interface in your
  843. decoder.
  844.  
  845.  
  846. 3  Market overview and system introduction schedule
  847.  
  848. German Telekom has installed in >150 German CATV networks hardware for
  849. three digital 8 MHz channels which will reach 80% of all German cable
  850. users (11.5 million households). Astra 1E, the first satellite of the
  851. European Astra series designed completely for DVB-S compatible digital
  852. broadcast has been launched in late 1995 and is currently already
  853. broadcasting several DVB channels. DVB-S consumer receiving equipment
  854. for Astra 1E and other DVB-S satellites will start to be available in
  855. 1996, when the Astra 1E test phase ends. The second DVB-S satellite
  856. Astra 1F has also been launched recently. Eutelsat on 13 degrees east
  857. is also broadcasting a number of DVB-S channels.
  858.  
  859. In the far future, the German Telekom CATV system might perhaps use
  860. all channels for digital transmission, which gives a total bit rate of
  861. >2 Gbit/s. This would allow to transmit for instance 237 highest image
  862. quality TV programs (8 Mbit/s each) or 950 medium quality TV signals
  863. (2 Mbit/s each) or a combination of various quality levels somewhere
  864. between.
  865.  
  866. Although DVB is a European system, it was used for the first time
  867. outside Europe (Australia and South Africa). Within Europe, we have in
  868. some countries very clear constellations and in others very unclear
  869. ones. In the UK there's ol' Rupert Murdoch and BSkyB and nobody else
  870. who might launch digital satellite services. Since Sky has a lot of
  871. analog transponder capacity, they don't seem to hurry towards DVB.
  872. But, there is a strong momentum towards DVB-T with 2K carriers (other
  873. broadcasters than Sky).
  874.  
  875. In France, the major player is of course Canal+. They plan to start a
  876. regular service spring 1996. The largest TV-market in Europe, Germany,
  877. lies down paralyzed by the silly fight of two very big companies:
  878. Kirch and Bertelsmann/MMBG. Both of them want to introduce their own
  879. decoders, which are, in spite of the existence of standards, NOT
  880. compatible. Thus, the market is splitted in two and a potential
  881. customer has to decide between two boxes. With one box you can watch
  882. the Kirch package, with the other box Bertelsmann's. If you want both
  883. packages - buy two boxes. The advantage of Kirch is his immense stock
  884. on movies and licenses. Bertelsmann is now the third largest media
  885. company in the world. Recently, they have joined forces with Rupert
  886. the Australian, mainly to overcome the problem with the lack of movie
  887. licenses. So there is a fight between two systems just like VHS versus
  888. Beta for home video. My personal estimation is, that services will not
  889. start before the end of this summer.
  890.  
  891. Another big fish is Nethold, planning services in Italy, the Benelux
  892. countries and Scandinavia.
  893.  
  894.  
  895. 4  Hints for DVB receiver buyers
  896.  
  897. So what reception equipment is available? Up to now, there's only
  898. expensive professional equipment available. Most of these devices have
  899. still some software bugs and other teething troubles. Some of them
  900. only work with a certain kind of encoder so in some cases you can
  901. tell, what encoder they have on the transmitter side. It's all still
  902. in a stadium of experimenting. Consumer equipment (set top boxes) will
  903. become available together with the launch of services. The closest
  904. estimation one can make: this year.
  905.  
  906. Here are a few things on which you might want to pay attention to when
  907. you decide to buy a DVB receiver. Keep in mind that especially the
  908. first generation will have a number of limitations like
  909.  
  910.   - not all modem parameters are supported (which might limit you to
  911.     reception from a specific satellite type or broadcaster)
  912.  
  913.   - the DVB-CI common interface is not yet supported (which might
  914.     limit you to a single pay-TV provider)
  915.  
  916.   - the subtitling standard is not yet supported
  917.  
  918. Especially the common interface (CI) is a very important feature in
  919. case you are interested in pay-TV. I highly recommend not to buy a DVB
  920. receiver that is not equipped with a CI slot (which will cause around
  921. around 80 DEM additional manufacturing costs). As there will be no
  922. common single DVB encryption standard, by buying a DVB receiver with
  923. only a built-in fixed decryption module, you will be bound to the
  924. offerings of one single pay-TV provider. With the CI slot, you will be
  925. able to easily exchange the complete encryption module yourself and
  926. your DVB receiver will not get obsolete very quickly. Unfortunately,
  927. the DVB-CI standard has not yet been finished, so it will take quite
  928. some time until the first DVB receivers with common interface become
  929. available. When the DVB-CI standard is ready, ask specifically for the
  930. common interface slot when you buy your receiver! Better DVB receivers
  931. might even provide several common interface slots such that you don't
  932. have to switch PCMCIA modules when you switch channels.
  933.  
  934. Good DVB receivers will display the current bit error rate of the
  935. signal, which will help you to position the dish very accurately in
  936. order to avoid image dropouts caused by bad weather. An optional audio
  937. signal indicating the signal strength is also very helpful when you
  938. are sitting on the roof aligning your dish onto the satellite.
  939.  
  940. Good DVB receivers should be able to display the MPEG-2 parameters
  941. (bitrate, resolution, etc.) of the current channel in some technical
  942. information submenu so that you can get an objective information about
  943. which image quality the broadcaster has decided to be good enough for
  944. you (especially important if you are technically interested and pay
  945. for the quality you get!). MPEG-2 theoretically allows to bring full
  946. studio quality to the home, but the actual image quality depends on
  947. the bitrate assigned to a channel which depends on the number of
  948. channels per transponder. When managers decide which image quality is
  949. sufficient to their viewers, the result might be something around 4
  950. Mbit/s which is not necessarily any better than current analog PAL,
  951. while a critical eye would prefer twice the data rate for a really
  952. good image quality.
  953.  
  954. Although a DVB receiver will be able to configure itself completely
  955. automatically, it should still offer you to easily rearrange the
  956. allocation of the channels on the channel selection menus and the
  957. remote control channel numbers.
  958.  
  959. In a good DVB receiver you can easily change the initial channel
  960. parameters (frequency, polarization, FEC, symbol rate, etc.), so that
  961. you can get the electronic program guide information not only from one
  962. fixed transponder on one satellite, but can use other future DVB
  963. satellite systems as they emerge. You should also be able to enter the
  964. reception parameters manually in order to be able to have a look at
  965. those channels which are not mentioned in any electronic program
  966. guide.
  967.  
  968. Good DVB receivers will not only provide pan&scan display of 16:9 and
  969. 2.21:1 movies on your old 4:3 TV set, but also allow you to switch to
  970. a letterboxing presentation or to select a combination of pan&scan and
  971. letterboxing.
  972.  
  973. As MPEG-2 can optionally encode not only stereo but also 5+1 surround
  974. sound, you might want to check whether the DVB receiver you plan to
  975. buy is supporting 5+1 surround sound decoding.
  976.  
  977. If you own a video cassette recorder with VPS support or a TV set with
  978. VPS parental guidance password lock, then you should check, whether
  979. the DVB receiver you are interested in can automatically reproduce the
  980. VPS signal from the Electronic Program Guide information, so that your
  981. VPS video recorder still works.
  982.  
  983. If you want to use a community antenna installation, make sure your
  984. DVB receiver supports the DVB-CS SMATV alternative that your community
  985. antenna is using (see the section on DVB-CS): For SMATV-DTM, you will
  986. need a DVB-C cable receiver, for SMATV-IF or SMATV-S you'll need a
  987. DVB-S receiver that has an IF or S-band receiver, respectively.
  988.  
  989. Good DVB receivers will allow over-the-air updates of their
  990. microcontroller software, which is important especially for first
  991. generation devices that usually have a few software bugs and
  992. compatibility problems.
  993.  
  994.  
  995. 5  Literature and sources for more information
  996.  
  997. The DVB-related standards and further information are available from:
  998.  
  999.      DVB Project Office
  1000.      European Broadcasting Union
  1001.      Case postale 67 - 17A Ancienne Route
  1002.      CH-1218 Grand Saconnex (Geneva)
  1003.      Switzerland
  1004.  
  1005.      phone:  +41 22 717 27 19
  1006.      fax:    +41 22 717 27 27
  1007.      e-mail: dvb@pax.eunet.ch
  1008.      Web:    <URL:http://www.ebu.ch/dvb_home.html>
  1009.  
  1010.  
  1011.      International Organization 
  1012.      for Standardization (ISO)
  1013.      Case Postale 56
  1014.      CH-1211 Geneve 20
  1015.      Switzerland
  1016.  
  1017.      phone:  +41 22 749 01 11
  1018.      fax:    +41 22 733 34 30
  1019.      e-mail: sales@isocs.iso.ch
  1020.      Web:    <URL:http://www.iso.ch/>
  1021.  
  1022.  
  1023.      European Telecommunication
  1024.      Standards Institute (ETSI)
  1025.      F-06921 Sophia Antipolis CEDEX
  1026.      France
  1027.  
  1028.      phone:  +33 92 94 42 00
  1029.      fax:    +33 93 65 47 16
  1030.      Web::   <URL:http://www.etsi.fr/>
  1031.  
  1032.  
  1033. Quite good information about the DVB market situation and new rumors
  1034. and developments can be found in the monthly German sat-TV magazine
  1035. "infosat" (ISSN 0933-6907).
  1036.  
  1037. A German book that covers in detail the modem and compression
  1038. technology behind the DVB and MPEG standards is
  1039.  
  1040.      Ulrich Reimers: Digitale Fernsehtechnik -- Datenkompression und
  1041.      ▄bertragung fⁿr DVB, Springer-Verlag, Berlin, 1995, 291 pages,
  1042.      ISBN 3-540-58993-7, DEM 98,-
  1043.  
  1044. Goetz Kluge <goetz.kluge@p54.mch2.siemens.net> mentioned that there is
  1045. now a 2nd revised edition: Ulrich Reimers: DVB, 1996, ISBN
  1046. 3-540-60945-8. An English translation might be available at the end of
  1047. this year.
  1048.  
  1049. An English book about DVB is
  1050.  
  1051.      HervΘ Benoit: Digital Television : MPEG-1, MPEG-2, and Principles of
  1052.      the DVB System, Arnold, London, 1997, ISBN 0-470-23810-4.
  1053.  
  1054. A very good source of information on DVB for people in North America is
  1055.  
  1056.      http://www.coolstf.com/mpeg/
  1057.  
  1058. Copyright (C) Markus Kuhn 1996.
  1059.  
  1060. [end]