Автор: Карякин В.
Теги: электротехника информационные технологии телекоммуникации телевидение цифровые устройства
ISBN: 978-5-91359-110-4
Год: 2013
Текст
УчебноеГпособие для«вузов
>2^е]изд*|переработанное W
и дополненное______
Карякин В. Л. в
ЦИФРОВОЕ
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
цифровая компрессия стандартов MPEG
— видеокодирование Н.264/AVC SVC стандарта Mf^EG^ 4
технологии построения систем и сетей
стандарта EVBJ2------ --- Г
^метод^пр_осктиррвания;\стрс.|1ств^|^^^М
^кснгрсу^ьнтуизмерш&даиртаСортдадани^^И
гетеиидиитеГи цифровое с .те пееиденйя^^^Ву
УДК 621.397.2.037.372
Карякин ВЛ.
Цифровое телевидение: учебное пособие для вузов, 2-е изд., переработанное и
дополненное / В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-ПРЕСС, 2013. - 448 с.
Учебное пособие посвящено рассмотрению общих принципов построения систем и
сетей цифрового телевидения, компрессии цифровых сигналов изображения и звука.
Рассматриваются технологии цифровой компрессии стандартов MPEG, в том числе
перспективы технологии вндеокоднрования H.264/AVC SVC стандарта MPEG-4 в
мультнсервисных сетях передачи данных.
Обсуждаются методы передачи цифрового телевизионного сигнала по спутниковым,
кабельным и эфирным каналам связи, а также в компьютерных сетях передачи данных.
Особое внимание уделяется технологиям построения систем и сетей стандарта DVB-T2 в
связи с переходом Российской Федерации к стандарту телерадиовещания второго
поколения. Рассматриваются технологии перехода от аналогового к цифровому
телевизионному вещанию в соответствии с Федеральной целевой программой.
Предлагаемые на конкретных примерах методы проектирования устройств, систем и
сетей цифрового телевидения позволяют сократить сроки экспериментальных работ при
переходе к цифровому телерадиовещанию и обеспечить высокое качество услуг. Дана
оценка влияния интерференции на качество приема в области перекрытия зон
обслуживания передатчиков. Разработана методика оценки эффективности компенсации
интерференционных искажений в системах и сетях цифрового телерадиовещания.
Уделяется внимание технологиям производства современных цифровых аудиовизуальных
программ.
Представлены результаты экспериментального исследования одночастотной сети
стандарта DVB-T2 с целью определения оптимальных параметров вещания, сравнительного
анализа различных типов оборудования и проверки работоспособности системы замещения
программ в транспортном потоке Т2-М1.
Приводятся эксплуатационные характеристики контрольно-измерительного
оборудования, предназначенного для мониторинга качества одночастотных сетей и систем
цифрового телевидения.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 210405 -«Радиосвязь,
радиовещание и телевидение» направления подготовки дипломированных
специалистов 210400 - Телекоммуникации.
Материал книги безусловно полезен специалистам, занимающимся проектированием и
эксплуатацией систем цифрового телевидения, магистрам, студентам высших и средних
специальных заведений, спе1щализируюшимся в области телевидения, также для широкою
круга читателей, интересующихся информационными технологиями обработки сигналов и
цифровом телевидении, основами построения систем и сетей цифрового телевидения.
Заказ книг издательства «СОЛОН-ПРЕСС» оформляется одним из трех способов:
1. Послать открытку или письмо по адресу: 123001, Москва, а/я 82.
2. Оформить заказ можно па сайте www.soton-press.ru в разделе «Книга — почтой».
3. Заказать по тел. (499) 254-44-10, (499) 795-73-26.
4. E-mail: kniga@coba.ru
Учебное издание
ISBN 978-5-91359-110-4 © Макет и обложка «СОЛОН-ПРЕСС», 2013
© Карякин В.Л., 2013
Корякин Владимир Леонидович -
доктор технических наук, профессор Поволжского государственного
университета телекоммуникаций и информатики, действительный член
академии Телекоммуникаций и информатики.
Занимается внедрением новых технологий в информационные системы, сети,
телекоммуникационные устройства и цифровое телевидение, разработкой
средств дистанционного образования.
САПР радиотехнических устройств.
Автор четырнадцати книг - учебника, восьми учебных пособий
для ВУЗов, пяти монографий и свыше двухсот пятидесяти научных
публикаций.
Оглавление
Оглавление
Введение..........................................................12
1 Общие принципы построения систем цифрового телевидения.........15
1.1 Преобразование сигналов изображения в цифровую форму.......16
1.1.1 Характеристики аналогового сигнала изображения .......17
1.1.2 Формирование цифровых сигналов изображения............18
1.2 Обработка цифровых сигналов изображения....................21
1.2.1 Методы сжатия изображений.............................22
1.2.2 Алгоритм сжатия неподвижных изображений...............22
1.2.3 Алгоритм сжатия движущихся изображений................26
1.3 Стандарт цифрового сжатия MPEG-1 .........................29
1.3.1 Алгоритм обработки видеоданных.......................30
1.3.2 Структура видеопоследовательности....................33
1.3.3 Алгоритм обработки аудиоданных.......................35
1.3.4 Формирование цифровых потоков видео и
аудиоданных ..........................................36
1.4 Стандарт цифрового сжатия MPEG-2..........................39
1.4.1 Общие сведения .......................................39
1.4.2 Алгоритм обработки видеоданных........................40
1.4.3 Уровни и профили стандарта MPEG-2.....................46
1.4.4 Алгоритм обработки аудиоданных........................49
1.4.5 Формирование потоков данных...........................51
1.4.6 Таблицы программно-зависимой информации ..............57
1.5 Модуляция в системах цифрового телевидения................61
1.5.1 Модуляционные диаграммы состояний.....................62
1.5.2 Принципы квадратурной модуляции.......................65
1.5.3 Квадратурная фазовая модуляция .......................66
1.5.4 Квадратурная амплитудная модуляция....................67
1.5.5 Однополосная амплитудная модуляция....................69
1.5.6 Многочастотная модуляция..............................70
2 Мультимедийные стандарты....................................72
2.1 Стандарт цифровой компрессии MPEG-4.......................72
2.1.1 Описание сиены .......................................75
2.1.2 Доставка потоков данных...............................76
2.1.3 Кодирование визуальных объектов.......................78
2.1.4 Профили и уровни стандарта MPEG-4.....................86
2.1.5 Перспективы применения стандарта MPEG-4...............90
2.2 Стандарт компрессии Н.264 / AVC / MPEG-4 Part 10.........90
2.2.1 Профили системы компрессии Н.264/А VC.................94
2.2.2 Уровни системы компрессии H.264/AVC...................96
2.2.3 Масштабируемое видеокодирование H.264/AVC SVC.........97
2.2.4 Многоракурсное видеокодирование H.264/AVC МУС........101
4
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Оглавление
2.2.5 Проект нового стандарта компрессии...................102
2.3 Стандарт описания мультимедийного контента MPEG-7.........103
2.3.1 Обшие сведения ......................................103
2.3.2 Части MPEG-7.........................................103
2.3.3 Главные функции MPEG-7...............................<04
2.3.4 Область применения MPEG-7............................106
2.4 Стандарт описания среды мультимедийного контента
MPEG-21.......................................................107
2.4.1 Обшие сведения.......................................107
2.4.2 Части MPEG-21........................................107
2.4.3 Устойчивая ассоциация идентификации и описания
цифровых объектов.....................................108
111ередача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи.....110
3.1 Общие сведения..............................................НО
3.2 Спутниковое телевизионное вешание .........................120
3.2.1 Передача цифровых сигналов по спутниковым
каналам...............................................121
3.2.2 Модуляция в стандарте DVB-S..........................123
3.2.3 Система передачи цифрового ТВ-сигнала................123
3.2.4 Система приема цифрового ТВ-сигнала..................126
3.3 Цифровое телевидение в кабельной сети......................129
3.3.1 Передача цифровых сигналов по сетям кабельного
телевидения...........................................131
3.3.2 Модуляция в стандарте DVB-C..........................132
3.4 Эфирное телевизионное вешание..............................132
3.4.1 Принцип организации канала передачи данных...........133
3.4.2 Ограничения в работе одночастотной сети
COFDM вешания.........................................137
3.4.3 Иерархическая модуляция, применяемая
в стандарте DVB-T/H...................................137
3.4.4 Выбор параметров миогочастотной модуляции
COFDM ................................................140
3.4.5 Передача цифровых сигналов по эфиру..................142
3.4.6 Модуляция в стандарте DVB-T..........................143
4 Технологии построения систем и сетей телерадиовещания стандарта
DVB-T2........................................................145
4.1 Введение................................................145
4.1.1 Коммерческие требования к DVB-T2.....................145
4.1.2 Сравнительная оценка DVB-Т и DVB-T2..................146
4.1.3 Режим MISO...........................................147
4.2 Базовые принципы построения систем и сетей стандарта DVB-T2.... 148
4.2.1 Схема модуля входной обработки для режима "А".........148
4.2.2 Адаптация данных и потоков в режиме "В"..............149
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
5
Оглавление
4.2.3 Перемежение бит, кодирование и модуляция..........150
4.2.4 Формирование кадров...............................152
4.2.5 Генерация OFDM....................................152
4.3 Заключение............................................154
5 Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта
DVB-T2.......................................................155
5.1 Введение................................................155
5.2 Режимы работы систем и сетей телерадиовещания
стандарта DVB-T2...........................................155
5.2.1 ВВ-кадры и помехоустойчивое кодирование...........155
5.2.2 Модуляция.........................................156
5.2.3 Распределенные пилот-сигналы......................158
5.2.4 Структура кадра DVB-T2 и дифференцированная
помехоустойчивость отдельных услуг..................160
5.2.5 Перемежение.......................................162
5.2.6 Поворот сигнального созвездия и циклические
Q задержки...............................................163
5.2.7 Сеть в режиме MISO................................163
5.2.8 Уменьшение отношения пиковой к средней мощности
передачи............................................165
5.2.9 Дополнительные функции............................165
5.3 Заключение.............................................167
6 Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи
данных.......................................................168
6.1 Введение................................................168
6.1.1 Структура сети IPTV...............................168
6.1.2 Опорная сеть IP...................................170
6.1.3 Качество обслуживания.............................172
6.1.4 Модели QoS........................................173
6.1.5 Обслуживание очередей пакетов.....................174
6.2 Методы передачи трафика в 1Р-сети.....................175
6.3 Инкапсуляция и декапсуляпия видеопотоков в сетях IPTV.178
6.4 Мониторинг 1PTV мультисервисной сети передачи данных..190
6.4.1 Контроль качества вещания.........................190
6.4.2 Специфика предоставления сервиса..................191
6.4.3 Разработка модели системы мониторинга.............191
6.4.4 Описание модели и ее техническая реализация.......193
6.4.5 Пример работы модели..............................194
6.4.6 Результаты моделирования..........................196
6.5 Автоматическая адаптация мультимедийных ресурсов
в компьютерных сетях передачи данных.......................197
6.5.1 Введение..........................................197
6
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Оглавление
6.5.2 Динамическая адаптация...............................198
6.5.3 Распределенная адаптация.............................198
6.5.4 Архитектура инструмента адаптации и управления
потоками данных............................................200
6.5.5 Динамическое принятие решений........................201
6.5.6 Архитектура узла адаптации...........................202
6.5.7 Заключение...........................................203
7 Технология перехода на цифровое телевизионное вещание.........204
7.1 Основные положения строительства сетей цифрового
телерадиовещания в РФ............................................204
7.1.1 Выбор стандарта компрессии...........................204
7.1.2 Выбор метода построения сетей телерадиовещания
в регионах РФ.........................................204
7.1.3 Методика определения зон обслуживания телевизионных
передатчиков в системных проектах НИИР................206
7.1.4 Требования к системам мониторинга, оповещения,
коллективного приема программ.........................208
7.1.5 Состав, структура системы оповещения.................211
7.2 Структура сети цифрового телевизионною вешания РФ..........211
7.2.1 Центр формирования федеральных мультиплексов.........213
7.2.2 Центр формирования региональных мультиплексов........214
7.2.3 Транспортные сети....................................216
7.2.4 Сеть наземных радиотелевизионных передающих
станций................................................216
7.2.5 Система условного доступа к телерадиопротраммам......221
7.2.6 Система управления и контроля........................222
7.2.7 Системы коллективного приема сигналов наземного
цифрового ТВ вещания: структура и аппаратурный состав.223
7.2.8 Системы кабельного телевидения.......................225
7.2.9 Система спутникового непосредственного ТВ вещания (СНТВ). 227
7.3 Заключение................................................229
8 Информационные технологии проектирования устройств,
систем и сетей цифрового телевидения.............................230
8.1 Общие сведения............................................230
8.2 Эффективность цифровой системы передачи информации.......234
8.3 Методы оптимизации эфирных сетей цифрового
телевизионного вешания.........................................236
8.4 Оценка нелинейных искажений тракта усиления монцтости
цифрового ТВ передатчика.......................................238
8.4.1 Модель источника сиюала стандартов DVB-Т и
DVB-H в среде VSS......................................238
8.4.2 Результаты схемотехнической оптимизации усилителей
мощности в среде MWO..................................240
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
7
Оглавление
8.4.3 Алгоритм исследования спектральных и энергетических
характеристик усилителей мощности в среде VSS.........241
8.4.4 Заключение.............................................247
8.5 Синтез широкополосных согласующих цепей
усилителей мощности телевизионных передатчиков..............248
8.5.1 Оценка оптимального сопротивления нагрузки
источника сигнала.....................................249
8.5.2 Оптимизация широкополосных согласующих цепей.........252
8.5.3 Заключение...........................................258
8.6 Методика оценки помехоустойчивости и скорости передачи
информации в наземных системах цифрового телевизионного
вешания......................................................259
8.6.1 Общие сведения.......................................259
8.6.2 Подготовка к исследованию............................260
8.6.3 Исследование спектральных л динамических характеристик.261
8.6.4 Оценка скорости передачи информации..................263
8.6.5 Оценка вероятности ошибок............................263
8.6.6 Заключение...........................................264
8.7 Методика оценки влияния интерференции на качество работы
одночастотной сети цифрового телевизионного вещания..........265
8.7.1 Общие сведения.......................................265
8.7.2 Модель одночастотпой сети наземного цифрового
телевизионного вещания...............................266
8.7.3 Оценка влияния интерференции на качество приема
в области перекрытия зон обслуживания
передатчиков...............................................268
8.7.5 Заключение............................................273
8.8 Оценка эффективности компенсации интерференционных искажений в
приемнике цифрового телевизионного вешания......................274
8.8.1 Общие сведения.........................................274
8.8.2 Модель демодулятора COFDM сигнала приемника
с компенсацией интерференционных искажений...........276
8.8.3 Оценка эффективности компенсации интерференционных
искажений............................................277
8.8.4 Интегральная оценка эффективности работы приемников с
различными алгоритмами обработки сигнала.............279
8.8.5 Заключение...........................................280
9 Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ.....281
9.1 Обшие сведения............................................281
9.1.1 Прошлое и будущее нелинейного монтажа................283
9.1.2 Аналоговые системы видеомонтажа первого и второго
поколений.............................................285
8
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Оглавление
9.1.3 Цифровые системы видеомонтажа третьего
и четвертого поколений ................................288
9.1.4 Персональные системы видеомонтажа пятого
поколения .............................................290
9.1.5 Перспективные системы видеомонтажа ...................294
9.2 Технологии цифрового нелинейного монтажа................295
9.2.1 Основные понятия цифрового нелинейного монтажа ......295
9.2.2 Оцифровка и сохранение материала.....................296
9.2.3 Обработка в реальном времени.........................299
9.2.4 Цифровые видеоэффекты в реальном времени ............300
9.2.5 Цифровые видеоэффекты с просчетом....................301
9.2.6 Цифровой нелинейный монтаж и вещание.................303
9.3 Цифровая система нелинейного видеомонгажа
Studio AV/DV Deluxe ...........................................304
9.3.1 Видео захват.........................................305
9.3.2 Редактирование ......................................310
9.3.3 Вывод фильма ........................................321
I <• Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта
DVB-T2.........................................................327
10.1 Введение...............................................327
10.2 Оценка оптимальных параметров вещания
в стандарте DVB-T2......................................328
10.2.1 Условия проведения эксперимента..................328
10.2.2 Сравнение зоны обслуживания сети DVB-Т при
существующих настройках с зоной обслуживания
сети DVB-T2 в различных режимах работы............330
10.2.3 Результаты работ по оценке оптимальных
параметров вещания в стандарте DVB-T2.............330
10.3 Сравнительный анализ различных типов оборудования.......331
10.3.1 Передающее оборудование стандарта DVB-T2........331
10.3.2 Абонентские устройства для приема сигналов
эфирного цифрового ТВ стандарта DVB-T2............333
10.3.3 Шлюзы DVB-T2....................................335
10.3.4 Измерительное оборудование......................335
10.4 Проверка работоспособности системы замещения программ в
транспортном потоке Т2-М1 стандарта DVB-T2..................336
10.4.1 Вставка региональных программ
в стандарте DVB-T2................................336
10.4.2 Совместимость оборудования различных производителей
при вставке региональных программ.................337
10.4.3 Вставка региональных программ при работе нескольких
радиотелевизионных передающих станций.............337
9
Оглавление
10.4.4 Проверка работы двух радиотелевизионных передающих
станций, транслирующих различный
состав программ....................................337
10.5 Методика экспериментального исследования
одночастотной сети стандарта DVB-T2..........................339
10.5.1 Методика подготовки измерительного
оборудования к исследованию............................339
10.5.2 Методика экспериментальной оценки границ зон
обслуживания...........................................341
10.6 Выводы ................................................347
11 Технология эксплуатации систем цифрового телевидения........348
11.1 Мониторинг качества в цифровом телевидении.............348
11.1.1 Система управления цифровым телевизионным
вещанием.................................................349
11.1.2 Многоуровневый мониторинг достоверности .........349
11.1.3 Многоуровневый мониторинг........................353
11.1.4 Физические и экономические факторы мониторинга
достоверности............................................355
11.2 Оборудование ООО "НПП Триада-ТВ".......................356
11.2.1 Передатчик Полярис ТВЦ-100 DVB-T2................357
11.2.2 Ретранслятор Polaris GF10........................358
11.2.3 Система мониторинга сети ТВ вещания..............358
11.3 Оборудование корпорации Дженерал Сателайт..............362
11.3.1 Производство цифровых ресиверов General Satellite.362
J1.3.2 Приставка «General Satellite ТЕ 8511»............362
11.4 Оборудование компании Enensys Technologies.............363
11.4.1 Шлюз NN6-T2 Gateway...............................363
11.4.2 Технология T2Edge для местных вставок............364
11.5 Оборудование компании Rohde&Schwarz.....................365
11.5.1 Генератор-рекордер DVR.G потока MPEG-2..........366
11.5.2 Телерадиовещательная тестовая система SFU.......367
11.5.3 Телерадиовещательный тестер SFE.................368
11.5.4 Тестовый передатчик SFE100..................... 370
11.5.5 Тестовый приемпик/демодулятор DVB-T EFA40/43....371
11.5.6 Мониторинговый приемник DVB-T ЕТХ...............372
11.5.7 ТВ анализатор FSH3-TV...........................373
11.5.8 ТВ анализатор ETL...............................375
11.5.9 Система мониторинга и анализа потока MPEG-2
DVM50/DVM100/ DVM100LZ DVM120/400.................377
11.5.10 Система измерения зон покрытия TSM-DVB.........378
10
Цифровое телевидение/' В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Оглавление
i i.5.11 Контроль параметров передатчика систем DVB
с использованием оборудования компании
' Rode & Schwarz.........................................38<
11.6 Оборудование фирмы Tektronix..............................381
11.6.1 Система тестирования AD953-11 ....................381
11.6.2 Портативный анализатор AD954 ......................38i
11.6.3 Монитор потоков МТМ400 ..........................38."
11.6.4 Рекордер и плеер МТХ100............................38'
11.7 Тестовая платформа National Instruments
для цифрового телевидения....................................38‘
11.7.1 Тестирование приемных устройств...................38<
11.7.2 Программное обеспечение для генерации
испытательных сигналов...................................381
11.7.3Тестирование передающих устройств..................38'
Литература........................................................39
Приложение I - Центр формирования федеральных
мультиплексов.....................................................40
Приложение 2 - Центр формирования региональных
мультиплексов....................................................40:
Приложение 3 - Параметры SFN сети стандарта DVB-T2................40
Приложение 4 - Контрольные вопросы................................40
Приложение 5 - Словарь иностранных терминов и сокращений.........43:
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Введение
Введение
Телевизионное вешание является одним из самых распространенных
средств информационного обслуживания населения и находит широкое
применение в различных сферах деятельности общества [1-3].
Известно, что сегодня происходит слияние средств вещания,
телекоммуникаций и компьютерных технологий в едином информационном
пространстве [6, 44, 51, 52, 55, 127]. В значительной степени этому
способствует переход от аналоговых к цифровым методам формирования и
передачи сигналов в технике вещания и телекоммуникаций.
Применение цифровых методов позволяет устранить многие недостатки
аналоговых систем вешания, в том числе искажения сигналов при их
формировании, обработке и передаче, накапливающиеся с увеличением числа
преобразований, переприемов и перезаписей. Разработанные эффективные
методы сжатия данных и цифровой модуляции [1] обеспечили возможность
многопрограммного телевизионного вешания, при котором по одному каналу
вместо традиционной передачи сигнала одной программы можно передавать
сигналы нескольких вещательных программ.
Учитывая нехватку эфирных каналов в крупных городах и ограниченную
способность спутниковых ретрансляторов, это свойство цифрового сигнала
оказывается весьма актуальным и уже сегодня позволяет, например, абоненту
спутникового вещания принимать десятки и сотни телевизионных и
радиовещательных программ.
Важным преимуществом цифрового телевидения является значительно
лучшее субъективное качество изображения по сравнению с аналоговым
телевидением. Па изображении практически отсутствуют свойственные
аналоговому телевидению шумы, импульсные помехи в виде ярких
«звездочек», муар на изображении, цветовые «факелы» на переходах яркости.
Благодаря раздельной передаче сигналов яркости и цветности исключаются
перекрестные искажения «яркость-цвегность», достигается высокая
разрешающая способность. Качество воспроизводимого изображения
практически не зависит от среды распространения сигнала и определяется
только совершенством аппаратуры.
Многие годы в телевидении, в отличие от кинематографа, не уделялось
должного внимания звуковому сопровождению. Новые цифровые стандарты
предлагают широкий спектр возможностей выбора вида звукового
сопровождения - от монофонического до многоканального панорамного.
Помимо спутникового, эфирного и кабельного цифрового телевидения в
настоящее время открывается возможность предоставления интерактивных,
мультимедийных и других услуг с использованием современных методов
передачи данных в глобальной сети Интернет.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М'. СОЛОН-Пресс
12
Введение
В настоящее время перспективы перехода на цифровое телевизионное
вешание не вызывают сомнений благодаря очевидным преимуществам
цифровых методов передачи информации перед аналоговыми методами. В
России разработана и уже осуществляется концепция поэтапного перехода к
цифровому телерадиовещанию.
Разработаны и внедряются системные проекты цифрового телевизионного
вещания сетей первого поколения на ряде территорий РФ в соответствии с
Федеральной целевой программой «Развитие телерадиовещания в Российской
Федерации на 2009-2015 годы», утвержденной Постановлением Правительства
Российской Федерации от 3 декабря 2009 года.
Правительством РФ и комиссией по развитию телерадиовещания
государственной компании «Российская телевизионная и радиовещательная
сеть» (ФГУП РТРС) принято решение от 7 июля 2011 года о переходе на
второе поколение цифрового наземного телерадиовещания, обеспечивающего
более высокую спектральную эффективность и качество вешания по
сравнению со стандартом первого поколения.
Для технических специалистов, работающих в области телевизионного
вещания и телекоммуникаций, переход к цифровому телевидению означает
необходимость осваивать совершенно новые понятия, принципы
формирования и обработки сигналов, иную технику.
Учебное пособие посвящено рассмотрению общих принципов построения
систем и сетей цифрового телевидения, компрессии цифровых сигналов
изображения и звука. Рассматриваются технологии цифровой компрессии
стандартов MPEG, в том числе перспективы технологии вндеокодирования
H.264/AVC SVCстандарта MPEG-4 [71-76] в мультисервисных сетях передачи
данных.
Обсуждаются методы передачи цифрового телевизионного сигнала по
спутниковым, кабельным и эфирным каналам связи, а также в компьютерных
сетях передачи данных. Особое внимание уделяется технологиям построения
систем и сетей стандарта DVB-T2 в связи с переходом Российской Федерации
к стандарту телерадиовещания второго поколения. Рассматриваются
технологии перехода от аналогового к цифровому телевизионному вещанию в
соответствии с Федеральной целевой программой.
Предлагаемые на конкретных примерах методы проектирования устройств,
систем и сетей цифрового телевидения позволяют сократить сроки
экспериментальных работ при переходе к цифровому телерадиовещанию и
обеспечить высокое качество услуг. Дана оценка влияния интерференции на
качество приема в области перекрытия зон обслуживания передатчиков.
Разработана методика оценки эффективности компенсации
интерференционных искажений в системах и сетях цифрового
телерадиовещания. Уделяется внимание технологиям производства
современных цифровых аудиовизуальных программ.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
13
Введение
Представлены результаты экспериментального исследования
одночастотной сети стандарта JJVB-T2 с целью определения оптимальных
параметров вещания, сравнительного анализа различных типов оборудования
и проверки работоспособности системы замещения программ в транспортном
потоке Т2-М1.
Подчеркивается важность обеспечения многоуровнего мониторинга
качества при эксплуатации сетей цифрового телерадиовещания. Даны
основные характеристики отечественного и зарубежного оборудования,
прошедшего испытания в составе одночастотной сети второго поколения.
Приводятся эксплуатационные характеристики контрольно-измерительного
оборудования, предназначенного для мониторинга качества одночастотных
сетей и систем цифрового телевидения.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 210405 -
«Радиосвязь, радиовещание и телевидение» направления подготовки
дипломированных специалистов 210400 - Телекоммуникации.
Книга написана В.Л. Карякиным за исключением разделов 2.2 и 6,
написанных совместно В.Л. Карякиным, Д.В. Карякиным и С.Г. Косенко.
Автор благодарит дирекцию РТРС, руководство филиалов РТРС,
предприятий и компаний, предоставивших информацию по методике
системного проектирования и экспериментального исследования
одночастотных сетей цифрового телевизионного вещания, по
эксплуатационным характеристикам передающего и контрольно-
измерительного оборудования отечественного и зарубежного производства.
Особую благодарность выражаю представителям дирекции РТРС Н.С.
Фуксину и А.В. Стрельцову, руководству Самарского филиала РТРС ДА.
Калиновскому и М.Р. Юсупову, представителю компании Rohde & Schwarz
С.В. Круглову за активное участие в обсуждении проблем цифрового
телевидения на научно-технических семинарах и мероприятиях по
переподготовке специалистов РТРС.
Автор благодарит также коллег по работе Л.А. Морозову, Д.В. Карякина и
В.Б. Толмачева за замечания и предложения, высказанные ими в процессе
подготовки рукописи книги.
Материал книги может быть полезен специалистам, занимающимся
проектированием и эксплуатацией систем цифрового телевидения, магистрам,
студентам высших и средних специальных заведений, специализирующимся в
области телевидения, также для широкого круга читателей, интересующихся
информационными технологиями обработки сигналов в цифровом
телевидении, основами построения систем и сетей цифрового телевидения.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
14
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
1 Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Обобщенная структурная схема системы цифрового телевидения (рис, 1.1)
включает в себя источник информации (ИИ), кодер источника (КИ), кодер
канала передачи данных (КК). модулятор (М), физический канал передачи
данных (ФК), демодулятор (Д). декодер канала передачи данных (ДК), декодер
информации (ДИ), получатель информации (ПИ). На физический канал
передачи данных воздействуют различные помехи (П).
Канал передачи данных
Рисунок 1.1 - Обобщенная структурная схема
системы цифрового телевидения
Работа системы цифрового телевидения включает в себя три
фундаментальных процесса: кодирование-декодирование источника
информации, кодирование-декодирование в канале передачи данных,
модуляция-демодуляция на входе и выходе физического канала.
На поддающей стороне все виды обработки информационных сообщений
служат цели преобразования их в сигналы, наиболее подходящие для передачи
по физическому каналу конкретного типа [1]. На приемной стороне
производятся обратные операции, направленные на восстановление
информации в исходном виде с минимально возможными ее искажениями.
При этом следует иметь в виду, что искажения информации могут быть
обусловлены как неидеалыюстыо процессов ее прямого и обратного
преобразования, так п результатом воздействия помех на передаваемую
информацию в физическом канале.
Процесс кодирования источника имеет своей главной целью сокращение
объема передаваемой информации, т.е. снижение требований к таким ресурсам
системы, как время передачи, полоса
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
15
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
пропускания, объем памяти при обработке или при хранении информации.
Если информация имеет аналоговую природу, то кодирование источника
предусматривает, во-первых, аналого-цифровое преобразование и, во-вторых,
собственно сжатие данных.
Кодирование в канале используется для исправления ошибок,
возникающих при приеме цифрового сигнала из-за действия различных помех
и искажений. В общем случае, кодирование канала может быть реализовано
либо с использованием дополнительных запросов искаженных блоков
информации, либо путем прямой коррекции ошибок при использовании
специальных кодов.
Кодирование канала приводит к увеличению объема передаваемых
данных, так как алгоритмы обнаружения и исправления ошибок требуют
добавления специальных служебных символов, а повторы перезапрошенных
блоков непосредственно увеличивают время передачи.
Модуляция используется для преобразования сигналов, представленных в
основной (исходной) полосе частот, в радиосигналы заданной полосы частот,
что обеспечивает возможность их передачи по конкретному физическому
каналу. Дополнительным свойством сложных видов модуляции является более
плотная упаковка данных в частотной области, когда на единицу полосы
приходится больше передаваемой информации.
Оптимальный выбор методов организации этих ipex фундаментальных
процессов и их параметров задает эффективность работы цифровой системы
передачи данных, т.е. степень использования пропускной способности канала,
определяемой известной теоремой Шеннона.
При поиске оптимального варианта построения цифровой системы
передачи данных чаще всего останавливаются на выборе одного из двух
критериев [1]:
- высокой спектральной эффективности, т.е. передачи с высокой
скоростью в узкой полосе;
- высокой энергетической эффективности, т.е. передачи с низким
отношением несушая/шум и с максимальным занятием всей доступной
полосы.
Выбор вида модуляции и степени избыточности корректирующих кодов
осуществляется с учетом реальных ограничений на допустимую полосу канала
и достижимое отношение несущая/шум, исходя из компромисса между
спектральной и энергетической эффективностью работы системы передачи
данных.
1.1 Преобразование сигналов изображения в цифровую форму
Прежде чем рассматривать методы преобразования видеосигнала в цифровую
форму, приведем основные сведения о телевизионном изображении.
16
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
1.1.1 Характеристики аналогового сигнала изображения
Телевизионным изображением называют отображение пространственных и
временных изменений яркости, цвета и других физических параметров исходного
изображения на плоскости экрана. В общем случае изображение можно
)|;тедставить в трехмерной системе координат, где функции пространственных
координат х.у описывают изменения параметров в плоскости экрана в
фиксированный момент времени, а временная ось t отображает процесс во
времени [2]. Точка изображения, характеризующаяся определенным набором
координат (х, у, 1), вместе с ее малой окрестностью называется элементом
изображения, или отсчетом.
Для преобразования изображения в одномерную функцию времени применяют
развертку - сканирование (обычно по горизонтали слева направо со смешением
по вертикали сверху вниз) электронным лучом плоскости изображения за время
одного лолукадра, меньшее периода мерцания, различимого глазом.
Развертка может быть прогрессивной, когда строки сканируются подряд, или
чересстрочной, когда сканируются сначала нечетные, затем четные строки, образуя
два полукадра, называемые полями.
Развертка обычно дискретизирует изображение только в вертикальном
направлении, а в горизонтальном сигнал остается аналоговым.
Получившийся видеосигнал описывает изменение какого-либо параметра,
например, яркости изображения в зависимости от времени. Для передачи по
вещательным каналам к нему добавляют сигналы цветности, синхронизации,
вводят звуковое сопровождение, телетекст и т.д. Чтобы телевизионный
приемник смог правильно воспринять эти сигналы и преобразовать их в
изображение и звук, все параметры сигналов должны быть унифицированы,
стандартизованы.
Стандартизацией занимается целый ряд международных организаций.
Наиболее общие стандарты, охватывающие широкие области применения,
разрабатывает Международная организация стандартизации: МОС (ISO).
В частности, МОС разработала и приняла стандарты цифрового сжатия
телевизионных сигналов семейства MPEG.
В России действуют общенациональные стандарты - ГОСТы, которые в
основных положениях соответствуют международным стандартам. Некоторые
новые области деятельности, по которым ГОСТы еще не разработаны, могут
регулироваться промежуточными документами. Например, в области
цифрового вешания действуют «Временные нормы па цифровую передачу ТВ
сигналов стандартного качества по спутниковым каналам» [2].
Стандартом ТВ сигнала называют совокупность определяющих его
основных характеристик, таких как способ разложения изображения, число
строк и кадров, формат кадра, длительность и форма синхронизирующих и
гасящих импульсов, полярность сигнала, разнос между несущими частотами
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
17
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
изображения и звукового сопровождения, метод представления и кодирования
цветовой информации (компонентный или композитный) и др.
Для черно-белого телевидения существует 10 стандартов, которые принято
изображать’ латинскими буквами В, D, G, Н, 1, К. KI, L, М,
N [8].
По способу передачи сигналов цветности различают три системы цветного
телевидения: SECAM, PAL, NTSC. Каждая из трех систем может применяться
с любым из 10 стандартов черно-белого ТВ вещания, давая 30 возможных
комбинаций. На практике применяются девять разновидностей PAL, шесть -
SECAM и один стандарт из группы NTSC.
По стандарту разложения для ТВ сигнала стандартной четкости (ТСЧ)
наиболее распространены сочетания 525/59 (NTSC) и 625/50 (PAL и SECAM).
При международном обмене ТВ программами часто приходится
преобразовывать изображение из одного стандарта в другой. Преобразования
системы цветности без изменения стандарта (PAL < > SECAM) принято
называть траискодироват/ем.
Форматом изображения называется отношение его ширины к высоте.
Существует ряд стандартных форматов изображения, поддерживаемых
современными телевизионными приемниками. Практический интерес
представляют преобразования формата изображения, используемые при
просмотре широкоэкранного изображения 16:9 па обычный телевизионный
приемник с форматом экрана 4:3.
Информация о яркости и цвете объекта в телевидении передается
сочетанием трех основных цветов - красного (R), зеленого (<7). синего (В).
Первоначально цветовые видеосигналы формируются в виде
компонентных RGB-сигналов. При дальнейшей обработке для обеспечения
совместимости с черно-белым телевидением переходят к другому набору
компонентных сигналов - яркостному и двум цветоразностным, получаемым
из сигналов RGB путем матрицирования.
В системах NTSC и PAL цветоразностные сигналы передаются методом
квадратурной модуляции соответствующей поднесущей частоты, в системе
SECAM используется метод частотой модуляции двух подпесупщх 4250 и
4406,25 кГц.
Для передачи в эфир к видеосигналу добавляются сигналы синхронизации.
Синхросмесь содержит кадровые, арочные синхронизирующие и гасящие
импульсы, которые обеспечивают синхронную работу развертки
телевизионного приемника и передающей видеокамеры.
1.1.2 Формирование цифровых сигналов изображения
Процесс аналого-цифрового преобразования состоит из трех этапов:
дискретизации, квантования и кодирования квантованных отсчетов. В
применении к телевизионному изображению дискретизация производится в
18
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
два этапа: сначала благодаря развертке плоскость изображения
дискретизируется в вертикальном направлении, затем полученный
одномерный сигнал дискретизируется во времени, давая последовательность
отсчетов, соответствующих отдельным элементам изображения.
Поскольку элемент изображения имеет конечные размеры, значение
отсчета определяется путем взвешивающего усреднения уровня сигнала в
малой окрестности точки (х.у). Этот процесс эквивалентен предфильтрации.
При восстановлении изображения осуществляется интерполяция значения
отсчета, что эквивалентно постфилыпрации.
Дискретизация представляет собой, по сути, умножение аналогового
сигнала на дискретизирующую функцию, т.е. модуляцию, в результате
которой возникают многократно повторяющиеся боковые полосы частот.
Частота дискретизации должна не менее чем вдвое превышать высшую
частоту спектра видеосигнала. Если соотношение не выполняется, возникают
значительные искажения сигнала в процессе преобразований. Кроме того,
необходимо, чтобы частота дискретизации была целым кратным частоте строк.
В этом случае на периоде строки помешается целое число отсчетов сигнала.
С учетом перечисленных выше требований частота дискретизации сигнала
яркости выбрана 13,5 МГц. В этом случае частота дискретизации превышает в
2,35 раза значение высшей частоты сигнала яркости 5,75 МГц.
Кроме того, частота дискретизации 13,5 МГц равна 858 гармонике
строчной частоты стандарта 625/50.
Для цветоразностных сигналов частота дискретизации 6,75 МГц выбрана
примерно в 2 раза выше частоты поднесущей цветоразностных сигналов
изображения систем PAL и NTSC (для системы NTSC в 1.89 раз).
Следует отметить, что частота дискретизации сигнала яркости 13,5 МГц
примерно в 4 раза выше частоты поднесущей цветоразностных сигналов для
рассматриваемых систем.
В этой связи частоту 13,5 МГц в литературе принято называть
«четверкой», а частоту 6,75 МГц - «двойкой». Таким образом, полный
цифровой компонентный видеосигнал описывается формулой «4:2:2».
Компоненты цифрового видеосигнала У, Св, Св и связаны с исходными У,
R-Y, B-Y следующими соотношениями:
У =0,299 Я+ 0,587 О+ 0,114 В;
= 0,713 (Я-У);
Св~ 0,564 (B-Y).
Здесь У - сигнал яркости; Св. Св - цветоразностные сигналы изображения;
R, G, В - компоненты трех основных цветов - красного, зеленого, синего,
соответственно.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
19
Глава I. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Отсчеты размешаются в поле изображения, как показано на рис. 1.2.
Общее число отсчетов в цифровой строке в формате «4:2:2» составляет 1440, в
том числе 720 отсчетов яркости и по 360 - каждого из цветоразностных
сигналов. *
Форматирование цветоразностных сигналов позволяет в широких
пределах изменять основные параметры цифровых потоков и качество
передаваемой информации. Для некоторых применений приемлема меньшая
разрешающая способность по сигналу цветности, отсчеты цветности
прореживают и получают сигналы «4:2:0» (рис. 1.3). «4:1:1» (рис. 1.4).
В частности, наиболее распространенный «Основной уровень» стандарта
MPEG-2 использует сигнал «4:2:0». Скорость цифрового потока такого
сигнала на 25% ниже, чем исходного «4:2:2».
©.©.©.©.
©•©•©•©•
©.©•©•©.
©•©•©•©•
о . © . © . © .
©.©•©.©.
Рисунок 1.2 - Структура пространственного расположения отсчетов
сигнала яркости и цветоразностных сигналов в формате «4:2:2»
©•©•©*©•
©.©.©•©.
Рисунок 1.3 - Структура пространственного расположения отсчетов
сигнала яркости и цветоразностных сигналов в формате «4:2:0»
© • • • @ •
©•••©•
©•••©♦
©•••©•
© • • • © »
©...©.
Рисунок 1.4 - Структура пространственного расположения отсчетов
сигнала яркости и цветоразностных сигналов в формате «4:1:1»
20
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава I. Общие принципы посгроенив систем цифрового телевидения
Передаче монохромного сигнала соответствует формула «4:0:0»,
а редко применяемый сигнал в формате «4:4:4» изображен на рис. 1.5.
©©©©©©о©
©©©©©©©©
©G©© ©@©0
0©©©©©©©
©©0©О©©0
©©©©@©00
Рисунок 1.5 - Структура пространственного расположения отсчетов
сигнала яркости и цветоразностных сигналов в формате «4:4:4»
1.2 Обработка цифровых сигналов изображения
Важным направлением развитая цифрового телевидения является
разработка и внедрение цифровых методов и устройств обработки,
преобразования и передачи сигналов.
Однако использование цифровых методов передачи приводит к
увеличению полосы занимаемых частот и соответственно уменьшению
скорости передачи изображений Эта проблема может быть решена путем
разработки эффективных методов цифрового кодирования (сжатия)
телевизионных изображений (56).
Интенсивное развитие методов и устройств сжатия сигналов изображений
стимулируется в настоящее время р<1зиитисм цифровых сетей передачи данных
и компьютерных мультимедийных технологии (58).
Следует отметагь, что методы и устройства сжатия различных сообщений
(в том числе и телевидения) интенсивно взвивалось последние 20-30 лет, по
только на базе новых технологий получены выдающиеся результаты.
Возможности сокращенного описания изображений обуславливаются в
основном двумя фак юрами.
Первый связан с ограничениями зрительного восприятия получателя,
благодаря которым исходное изображение можно без ущерба для
субъективного качества аппроксимировать, более простым, экономно
описываемым изображением (первичное сжатие).
Второй опирается на избыточность цифрового представления
изображений. Последовательность дискретных величин, поступающих с
выхода устройства первичного сжатия изображений, как правило, содержит
остаточную избыточность, которую можно уменьшить методами
статистического (энтропийного) кодирования источников.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
21
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
1.2.1 Методы сжатия изображений
Первая группа методов сжатия основана на свойствах изображения и
динамики. его изменения от кадра к кадру. Его применение ведет к
неизбежным потерям информация и ухудшению качества изображения.
Эти методы могут быть реализованы как в виде внутрикадрового
кодирования, так и межкадрового кодирования: обычно используется
сочетание этих процедур.
Вторая группа методов обеспечивает сжатие благодаря использованию
статических свойств сигнала и не ведет к потере информации.
К первой группе методов следует отнести:
- кодирование с предсказанием:
- линейное кодирование с преобразованием (обычно с
использованием ортогональных рядов Фурье, Адамара, Хартли, Гильберта,
косинусного и др.) (56];
- межкадровое кодирование, основанное на том. что большинство
изображений незначительно изменяется от кадра к кадру;
- прореживание отсчетов (и кадров) с последующим их
восстановлением путем интерполяции и экстраполяции;
- кодирование с разбиением изображения на фрагменты;
- гибридное (комбинированное) внутрикадровое и межкадровое
кодирование, представляющее собой различные сочетания
перечисленных методов кодирования с преобразованием.
Ко второй группе методов сжатия следует отнести:
- использование статистических кодов, например, кода Хаффена и его
модификаций, арифметических кодов;
- векторного квантования [56].
В современных устройствах сжатия видеоизображений обычно также
используются различные комбинации из первой и второй групп.
В настоящее время имеется несколько стандартов (рекомендаций)
международных и европейских организаций и груш) экспертов по различным
видам услуг в области кодирования видеосигналов для передачи подвижных
и неподвижных изображений.
Основными требованиями, предъявляемыми к кодекам неподвижных
изображений являются: высокое сжатие без существенной потерн качества
изображения, удовлетворение требований международных стандартов и
рекомендаций, относительно невысокая сложность и стоимость.
1.2.2 Алгоритм сжатия неподвижных изображений
В настоящее время алгоритм сжатия неподвижных кадров
(видеоизображений) основывается на стандарте JPEG {Joint
Photographic Experts Group) [56]. Указанный стандарт обеспечивает очень
22
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
хорошее или отличное качество изображения для различных классов
неподвижных видеоизображений.
Основой стандарта является алгоритм адаптивного дискретного
косинусного преобразования (ADCT - Adaptive Discrete Cosine
Transform), состоящей из трех основных частей: базовой системы, ряда
расширителей возможностей и статистического кодирования.
Базовая система обеспечивает совместимость различных вариантов
кодирования. В ней используется метод дискретного косинусного
преобразования 8x8, равномерное квантование и код Хаффмана. Расширители
возможностей могут применяться порознь или в сочетаниях.
Структурная схема видеокодека включает в себя дискретный косинусный
преобразователь и статистический кодер Хаффмана.
На приемной стороне (в декодере) производятся обратные преобразования.
Алгоритм является достаточно сложным.
Кодирование изображения по алгоритму JPEG обычно начинается с
преобразования цветового пространства в сигнал яркости У и два
цветоразностных сигнала U, V. Такой подход позволяет повысить
эффективность сжатия. При этом степень сжатия компоненты яркости будет
меньше, чем цветоразностных компонент, так как люди в гораздо меньшей
степени замечают изменения в цвете.
После преобразования цветового пространства обычно, но необязательно,
производится прореживание (U, Г) данных цветности. При прореживании
отбрасываются цветоразностные компоненты строк или столбцов пикселов с
определенными номерами (например, каждой второй строки и каждого
второго столбца).
Следующий этап процедуры сжатия данных заключается в преобразовании
небольших блоков изображения при помощи двумерного дискретного
косинусного преобразования (DCT - Discrete Cosine Transform), которое дает
субъективно наилучший результат и описывается уравнением:
F(w, v) = (1/4)С(и)с(т)^^Дх>>>{ eos^^T
L J. 16
>
где v - горизонтальная координата графического блока,
и - вертикальная, X - вертикальная координата внутри блока,
а у - горизонтальная координата внутри блока, С(м),С(т)= 1Д/2 для
и,v = 0 и С(и\ С (у) = 1 в противном случае и, v & 0.
Два члена в квадратных скобках являются ядрами преобразования,
показанными ниже на рис. 1.6, а р(х,у) представляет собой пиксельные
Цифровое телевидение/ В-П. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
23
Глава I. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
данные блока реального рисунка. Начало координат в обоих случаях в верхнем
левом углу. Процесс кодирования сводится к разбиению изображения на блоки
8x8 пикселей и выполнению процедуры двухмерного DCT для каждого из
этих блоков. Полученные коэффициенты преобразования дискретизируются.
64 числа, характеризующие уровень сигнала, превращаются в 64
коэффициента преобразования (амплитуды пространственных частот),
которые хорошо поддаются процедуре сжатия. Дискретизатор округляет
коэффициенты, эта процедура вносит некоторые ошибки, но обратное
преобразование на принимающей стороне за счет усреднения частично
устраняет вносимые искажения. На практике дискретизатор реализует
несколько более сложный алгоритм.
Интуитивно метод DCT базируется на выявлении того, насколько
вышестоящий блок отличается от нижестоящего.
DCT обеспечивает сжатие на уровне от 0.5 до 1.0 биг/пиксель при хорошем
качестве изображения. Сжатие требует времени, а максимально приемлемым
временем задержки при пересылке изображения является 5 секунд. На рис. 1.7
приведена качественная оценка четкости и соответствия оригиналу
изображения в зависимости от величины сжатия (DCT). Заполненные
квадратики соответствуют цветному изображению, а незаполненные - черио-
белому.
-□ЛТПШШШШ0-’
iSS-OMWWOWJK»
;еЗ=Я?5йШ»
Рисунок J .6 - Графическое представление двухмерного DCT преобразования
Если использовать скорость обмена 64 кбит/с, то степени сжатия 0,01 бита
на пиксель будет соответствовать время передачи изображения 0,04 секунды, а
сжатию 10 - время передачи 40сек.
24
Цифровое телевидение/В.Л. Карякин. - М: СОЛО11-Пресс
Глава I. Обшне принципы построения систем цифрового телевидения
Рисунок 1.7- Качество DCT-нтображения для различных значений сжатия
информации
Отображение графического образа может выполняться последовательно
(примерно так, как мы читаем текст: слева-направо и сверху- вниз) или с
использованием прогрессивного кодирования (сначала передается вся
картинка с низким разрешением, затем последовательно четкость изображения
доводится до максимальной). Последний метод весьма удобен для систем
WWW, где просмотрев изображение низкого разрешения, можно отменить
передачу данных улучшающих четкость и тем самым сэкономить время.
Хорошо распознаваемое изображение получается при сжатии порядка 0,1 бита
на пиксель.
На следующем этапе сжатия производится статистическое кодирование
без потерь по методу Хаффмана. Алгоритм метода заключается в
следующем.
Сначала анализируется вся последовательность символов. Часто
повторяющимся сериям бит присваивается короткие элементы (маркеры). В
частности, последние нули в конце строки могут быть заменены одним
символом конца блока. Поскольку блоки имеют одинаковую длину, всегда
определено количество опушенных нулей.
При восстш кишении данных (декодировании) перечисленные операции
выполняются в обратном порядке. Возможная степень сжатия зависит как от
вида изображений, гак и от применяемых типов матриц квантования.
Гладкие полутоновые изображения без мелких деталей сжимаются
лучше, чем с мелкими деталями. Увеличение размера матрицы квантования
приводит к повышению коэффициента сжатия.
Следует отметить, что в настоящее время имеется несколько различных
пакетов программ по алгоритму JPEG. В некоторых программах требуется
дополнительное дисковое пространство в дополнение к основной памяти.
Некоторые предусматривают несколько фиксированных режимов сжатия.
Цифровое телевидение/ В Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
25
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
другие дают возможность выбирать их. Важным фактором является скорость
сжатия, которая может изменяться в широких пределах.
Некоторые алгоритмы создают самовосстанавливающиеся изображения.
Многие системы сжатия по стандарту JPEG требуют очень большого объема
памяти. Заметим, что пользователи алгоритма JPEG могут устанавливать
различную степень сжатия, идя на компромисс между качеством изображения и
размером файла (временем вычислений). Разные программы могут обладать
весьма различными функциональными и скоростными возможностями.
Для цветного изображения при использовании полного алгоритма в
зависимости от качества изображения обеспечиваются следующие затраты бит
на растровый элемент (пиксел):
- 0,25...0,5 бит/эрл - хорошее качество;
- 0,5...0,75 бит/эрл - очень хорошее качество;
- 0.75... 1,5 бит/эрл - отличное качество для большинства применений.
Заметим, что обычно при передаче телевизионного изображения
затрачивается 8 бит/эрл.
Следует отметить, что обычно стандарты определяют процедуры
сжатия (кодирования) и декодирования, а не сами схемные и
алгоритмические решения. Этим самым они дают возможность их
совершенствования. В настоящее время уже разработаны и ведется
дальнейшее совершенствование СБИС высокоэффективных сигнальных
процессоров для видеокодеков различного назначения.
1.2.3 Алгоритм сжатия движущихся изображений
Проблема сжатия и передачи движущегося изображения сложнее. При
пересылке движущегося изображения производится сравнение текущего
кадра с предшествующим. Если кадры идентичны, никакого
информационного обмена не происходит. Если кадры отличаются лишь
смещением какого-то объекта, выявляются границы этого объекта,
направление и величина вектора его перемещения. Так как использование
индивидуальных векторов перемещения для каждого пикселя слишком
расточительно, используется общий вектор для блока пикселей 16x16 по
яркости и для соответствующего блока 8x8 по цвету. Точность задания
вектора перемещения обычно лежит в пределах 1/2 пикселя. Только эта
информация и передается по каналу связи.
Выявление движущихся объектов осуществляется путем вычитания
изображения двух последовательных кадров. Если бы передавалась всегда
только разница кадров, происходило бы накопление ошибок. Кроме того, как
кодер, так и декодер содержат прямой и обратный DCT-преобразователь. Если
комбинация прямого и обратного DCT- преобразования не приводит к
получению исходного объекта, то такого рода эффекты могут заметно
26
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
усилиться. Для исключения этого время от времени производится передача
непосредственно видеосигнала.
Система передачи и мультиплексирования потока видео данных содержит
помимо обычной информации описания формы движущихся объектов
векторы перемещения, коэффициенты дискретизации.
Схема передачи графической информации (рис. 1.8) имеет
многоуровневую иерархическую структуру. Имеется четыре уровня (слоя):
- кадров;
- группы блоков GoB (Group of Blocks);
- макроблоков (Л/Д);
- блоков (В).
Передача каждого кадра изображения начинается с 20-битного кода PSC
(Picture Start Code), который позволяет выделить начало кадра изображения в
общем потоке. Далее следует временная метка
5-битовый код 77? (Temporal Reference) позволяющий поместить
соответствующую часть изображения в правильную точку экрана.
Рисунок 1.8-Алгоритм передачи движущихся изображений
Формат изображения (C1F или QC1F) определяет поле PTYPE,
содержащее б бит. В формате CIF группа блоков составляет 1/12 часть кадра,
а в формате QCIF- 1/3.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
27
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Резерв изображения (8-битное поле PSPARE) определяет однобитное
поле PEI (1 или 0). Если ЛЕ/=0, начинается цикл передачи в слое ipynnbi
блоков (GoB).
Стартовым в слое группы блоков является 1б-разрядный код - GBSC
(Group of Blocks Start Code).
Номер группы блоков содержится в 4-х битном коде GN (GoB number).
Код GN указывает, какой части изображения соответствует данная группа
блоков GoB.
На иомер преобразователя одного из 31 дискретизаторов, который
используется в данной группе блоков GoB, указывает 5-ти битный код
GQUANT.
Резерв изображения в слое группы блоков (8-битное поле GSPARE)
определяет однобитное поле GEI (1 или 0). Если GEI=0, начинается цикл
передачи в слое макроблоков (GoB).
Смысл GE1 в слое группы блоков идентичен РЕ1 в слое кадров и указывает
на наличие или отсутствие резерва изображения.
GEI и GSPARE позволяют сформировать структуру данных, идентичную
той, которая используется в слое кадра.
Рассмотрим формат передачи изображения в слое макроблоков.
Группа блоков делится на 33 макроблока (МВ), каждый из которых
соответствует 16 строкам по 16 пикселей. В каждом макроблокс четыре блока
8x8 составляющей яркости Y и два блока цветности 8x8 (Св и С«).
Положение макроблока в группе блоков определяется его адресом MBA
(MacroBlock Address).
Макроблоки не передаются, если в них изображение не изменилось.
Формат макроблока характеризуется кодом MTYPE. Данный код
определяет метод обработки движущегося изображения. В частности,
применение при обработке изображения метода подвижного вектора (MVD).
На номер преобразователя (дискретизатора), который используется в
данном макроблоке (МВ), указывает 5-ти битный код MQVANT.
Информация о номерах блоков, содержащих изменяющиеся
коэффициенты, в слое блоков содержится в кодах СВР (Coded Block Pattern).
В частности, в кодированном блочном изображении имеется информация о
том, какие из шести блоков преобразования (рис. 1.8) изменяются.
Передача информации завершается флагом EOB (End of Block) от
каждого из блоков в нижнем слое (рис. 1.8).
Природа алгоритма кодирования и передачи движущихся изображений
такова, что число бит передаваемых в единицу времени зависит от динамики
изображения. Чем выше скорость изменения изображения, тем больше поток
данных. Для выравнивания потока данных широко используется буферизация.
Буферизация, в свою очередь порождает дополнительные задержки, которые
не должны превышать нескольких сотен миллисекунд.
28
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава I. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Качество передачи изображения в каналах связи неразрывно связано с
ошибками, которые приводят к искажениям сигнала.
Для уменьшения искажений, в передаваемый информационный поток
включаются коды коррекции ошибок ВСН (Forward Error Correction Code),
которые позволяют исправить любые две ошибки или кластер, содержащий до
(> ошибок в блоке.
1.3 Стандарт цифрового сжатия MPEG-1
В 1988 г. сформирована международная группа экспертов по движущимся
изображениям - Motion Pictures Experts Group (MPEG) при Объединенном
схническом комитете по информационным технологиям.
Цель создания группы - выработка международного стандарта цифрового
сжатия движущихся изображений и звуковых сигналов до скорости порядка
1,5 Мбит/с для записи на CD-ROM с качеством бытового формата VHS.
Стандарт MPEG-1 принят в 1993 г. и получил в международной
классификации индекс 1SO/1EC11172.
MPEG-1 не определяет схему и конструкцию кодера и декодера, он лишь
описывает средства, используемые для обработки сигнала, определяет
синтаксис (правила построения последовательности символов) цифрового
потока. В качестве колера может быть аппаратное или программное
устройство любой сложности, дающее па выходе синтаксически правильный
цифровой ноток.
Таким образом, стандартом пе накладываются ограничения на технологию,
алгоритмы работы, сложность построения кодера и его будущие
усовершенствования. В отношении декодера существует одно жесткое
шраничение: он должен декодировать любой цифровой поток, совместимый
со стандартом MPEG-1.
Стандарт называется «Информационные технологии - Кодирование
движущихся изображений и сопровождающего звука для цифровой записи
со скоростями до 1,5 Мбнт/с» и состоит из
5 частей [2J:
11172-1 «Системы» описывает объединение одного или более потоков
видео и звука и синхронизирующих сигналов в единый сигнал, пригодный для
цифровой записи или передачи;
11172-2 «Видео» специфицирует кодированное представление сжатых
вндеопоследователыюстей как с 625-, гак и с 525-строчным разложением, до
скоростей порядка 1,5 Мбит/с;
11172-3 «Звук» определяет кодированное представление, которое может
быть использовано для сжатия последовательностей звукоданных - моно и
стерео;
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
29
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
11172-4 «Проверка соответствия» описывает процедуры тестирования
цифрового потока и декодера на соответствие требованиям, изложенным в
частях 1,2, 3 стандарта;
11172-S «Моделирование программного обеспечения» представляет собой
не стандарт, а технический отчет и дает примеры реализации программного
обеспечения для трех первых частей стандарта.
13.1 Алгоритм обработки видеоданных
При разработке стандарта были приняты следующие ограничения,
определившие его область применения:
- размер изображения по горизонтали <768 пике.;
- размер изображения по вертикали < 576 строк;
- число макроблоков < 396;
- частота кадров < 30 Гц;
- развертка прогрессивная;
- скорость цифрового потока < 1,856 Мбит/с.
Ограничивающим параметром стандарта MPEG-1 для
кодирования сигналов вещательного телевидения является >шсло макроблоков
в видеокадре. Для обработки сигнала изображения Телевидения стандартной
четкости (720 x 576 пике.) надо иметь (720:16) х (576:16) = 1620
макроблоков/кадр. Стандарт MPEG-1 предусматривает только 396, что
соответствует формату разложения не выше CIF (Common Interchange
Format) - единый формат обмена (формат изображения с разрешающей
способностью 352 х 288 отсчетов с частотой кадров 30 Гц, используемый в
видеоконференциях).
Второе ограничение - отсутствие чересстрочной развертки, принятой
сегодня во всех телевизионных системах стандартного качества.
В стандарте MPEG-1 используются современные методы цифрового
сжатия: предсказание, внутрикадровое и межкадровое кодирование,
дискретное косинусное преобразование (ДЕЛ), компенсация движения,
адаптивное квантование, энтропийное кодирование.
Определены три типа видеокадров:
1-видеокадры (от intra - внутри) кодируются без какой-либо связи с
другими видеокадрами (внутрикадровое кодирование);
P-видеокадры (от predicted - предсказанные) формируются методом
предсказания вперед по предыдущим видеокадрам. Первый Р-кадр
предсказывается по /-кадру, второй и последующие - по предыдущему Р-
кадру;
В-видеокадры формируются методом предсказания «вперед» или
предсказания «назад» (отсюда bidirectional, т.е. двунаправленный).
Достоинства В-кадров видны при рассмотрении задней границы
движущегося объекта. При его движении фон открывается все больше, и для
30
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
передачи этого участка фонового изображения выгоднее воспользоваться
данными более позднего кадра. Кодер рассчитывает как прямое, так и
обратное предсказание и посылает декодеру данные, имеющие наименьший
обьем.
При разработке стандарта была принята пониженная по сравнению с
исходным (рис. 1.2) компонентным сигналом «4:2:2» цветовая четкость,
цветоразностные сигналы С, и CR должны подвергаться на входе кодера
дополнительной субдискретизации по вертикали с коэффициентом 2, приводя
к структуре «4:2:0» (рис. 1.3).
Разрядность квантования входного сигнала должна быть 8 бит. При
поступлении на вход кодера MPEG-1 10-битового потока он игнорирует два
LSB (Least Significant Bit) - младших бита, огрубляя отсчеты.
Алгоритм работает следующим образом.
Видеокадр разбивается на макроблоки размером 16 х 16 отсчетов, каждый
пч которых содержит по 4 блока отсчетов яркости размером 8x8 пикселов и
но одному блоку отсчетов сигналов цветности С„ и CR
(с учетом понижающей дискретизации) (рис. 1.3).
При кодировании макроблока в составе 1-видеокадра вычисляются
коэффициенты ДКП, затем они квантуются с использованием таблицы
квантования, имеющейся в памяти кодера и декодера и применяемой «по
умолчанию». Кодер может изменить элементы таблицы, тогда он сообщает об
•том декодеру.
Если кодируется макроблок из состава Р- или В-видеокадров
(предсказанных кадров), ищется сопряженный блок из опорного видеокадра,
ci о значения поэлементно вычитаются из элементов кодируемого блока, и уже
для этих разностей вычисляются коэффициенты ДКП и производится их
квантование.
При поиске сопряженных блоков используются только отсчеты яркости.
I (слученные при этом векторы перемещения применяются и при
кодировании блоков отсчетов цветоразностных сигналов.
Важным звеном алгоритма кодирования остается обеспечение постоянства
выходной скорости цифрового потока. Отсчеты сигнала от источника
поступают с постоянной скоростью, однако на выходе квантователя скорость
поступления битов может варьироваться в широких пределах. Она зависит от
|нпа видеокадра (1-кадр требует значительно больше битов, чем Р- и В-
кадры), от его содержания («спокойный» кадр с однородными участками
требует меньше битов, чем кадр с выраженной мелкозернистой структурой).
Попытка кодировать все кадры одинаковым числом битов приведет к
изменению качества изображения от кадра к кадру, а это крайне неприятно для
телезрителя.
Единственным средством выравнивания скорости потока является
применение буферной памяти в кодере и декодере. Буфер может заполняться
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
31
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
со стороны квантователя неравными порциями,
а опустошаться в сторону канала равномерно, обеспечивая постоянную
скорость .цифрового потока. Однако быстрая смена сюжетов и связанное с
этим увеличение доли 1-кадров вскоре может привести к переполнению
буфера, а длинный сюжет без движения - к его опустошению. Увеличение
размера буфера вызывает возрастание задержки сигнала в кодере, что в
некоторых случаях мешает телезрителям (беседа двух телеведущих в разных
студиях).
Для сохранения приемлемого качества изображения при постоянной
скорости потока необходимо, во-первых, регулировать шкалу квантования и,
во-вторых, адаптивно распределять имеющийся ресурс битов между разными
типами кадров с учетом их сложности. Эти задачи решаются в кодере
специальным устройством - контроллером битов.
Адаптивное управление процессом квантования осуществляется
умножением всех элементов матрицы на масштабирующий множитель
величиной от 8 до 1/4. общий для всех отсчетов макроблока, который также
сообщается декодеру. Величина множителя больше 1 означает увеличение
доли битов, выделяемой данному макроблоку или кадру, меньше 1 -
соответствующее уменьшение.
Перераспределение ресурса между I-, Р- и В-кадрими производится
кодером на основе оценки соотношения бигов в предыдущих кадрах.
Некоторые кодеры осуществляют кодирование «в два прохода», оценивая на
первом проходе сложность видеокадра, выделяя ему на основе этой опенки
определенный ресурс битов и уже на втором проходе кодируя отсчеты с
учетом выделенного ресурса.
Кодер MPEG-1 работает следующим образом. В режиме Г-кадров
осуществляется только пространственное кодирование. Коэффициенты ДК11
квантуются с переменной длиной шага, зависящей от состояния буфера,
кодируются кодом Хаффмана и направляются в буфер, откуда считываются с
постоянной скоростью.
В режиме с предсказанием вперед днскрстио-косинусному
преобразованию подвергается не весь текущий кадр, а только разность между
ним и предыдущим, опорным кадром.
В режиме двунаправленного предсказания формируются одновременно
два опорных кадра - предыдущий и будущий, для чего используются две
независимые схемы формирования. Кодер сравнивает предсказанные кадры с
текущим кадром, кодирует разности и решает, какое из предсказаний требует
меньше битов. Кадр с минимальным числом битов посылается декодеру.
В декодере восстанавливается опорный кадр путем выполнения операций,
обратных кодированию - восстановления отсчетов, обратного ДКП и
восстановления движения по векторам перемещения, т.е. тех же операций,
которые осуществляются в кодере.
32
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава I. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
1.3.2 Структура видеопоследовательности
Видеопоследовательностью в стандарте MPEG-1 называется любая
последовательность видеокадров произвольной длины. В заголовке
Ш1деопоследоватсльности передается информация о скорости цифрового
потока, разрешающей способности изображения, формате цветности, формате
кадра, частоте кадров и т.п.
Видеопоследовательность подразделяется на группы видеокадров (ГВК),
содержащие один 1-кадр и, возможно, несколько Р- и В-кадров. Расстояние
между ближайшими Р-кадрами обычно обозначается через М, общее число
кадров в группе - N, группа записывается как (Л/, N).
Типичная длина ГВК от 6 до 20 видеокадров. Для вешания обычно
используется М = 3, N = 12. ГВК всегда начинается с 1-кадра, и все
предсказанные видеокадры внутри группы опираются, как правило, на кадры
внутри этой же труппы.
Последовательность передачи кадров ГВК должна отличаться от
последовательности кадров в самой ГВК, как показано на рис. 1.10, чтобы
декодер на приеме мог восстановить предсказанные кадры.
Рисунок 1.10-Последовательность передачи видеокадров
Начало ГВК является удобной точкой входа в видеопоследовательность
для ее записи, разрезания или «бесшовного» соединения с другой
последовательностью. Удобно начинать новую ГВК в момент смены сцены,
когда имеющаяся в кодере информация о предыдущих видеокадрах утрачивает
ценность и нужно формировать новый 1-кадр.
Следующей по решу сгруктурной единицей видеопоследовательности
является видеокадр. Заголовок видеокадра содержит информацию о его типе и
структуре, «глобальных» векторах перемещения.
Видеокадры делятся на слайсы. Так называется группа последовательных
макройлоков в видеокадре, объединяемых общей шкалой квантования. Слайс
представляет собой минимальную единицу видеопоследовательности в борьбе
с ошибками. Если декодер обнаруживает ошибку, он игнорирует данный слайс
и сдвигается к началу следующего. Чем больше слайсов в видеокадре, тем
эффективнее борьба с ошибками (но ниже степень сжатия).
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
33
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Наконец, макроблок и блок - низовые структуры иерархии, отвечающие за
кодирование и компенсацию движения.
Наглядное представление о потоке видеоданных можно получить из
рассмотрения рис. 1.11, где показана иерархия элементов потока и
последовательность их вложения в поток. Передаваемые в заголовках данные
имеют следующий смысл.
Стартовый
код
последова-
тельности
| Виллолосллдо—тьльность | Виллопоследомтлльносгь | Видеопоследовательность [
Временной
Вертикаль-
Макроблок
Макроблок
положение
Стартовый
код слайса
Параметры
потоке
Таблицы кван-
тования для
I- и р-кадрое
Параметры
видео
Шкала
квантования
Стартовый
код
видеокадра
Видеокадр
Макроблок
Адрес
Шкале
квантования
Вектор
перемещения
Характерис-
тика
кодирования
блока
Рисунок 1.11— Иерархия элементов потока видеоданных
Стартовый
код
ГВК
Параметры
ГВК
Параметры
буфере
Видеокадр
Видеокадр
Параметры
кодировании
7. Видеопоследовательность
Параметры видео - ширина, высота кадра в пикселах, формат кадра,
частота кадров. Параметры потока - скорость, размер буфера, фла1-
ограничения параметров.
2. Группа видеокадров
Временной код - временная метка по стандарту SMPTE (часы, минуты,
секунды). Параметры ГВК- структура ГВК, открытая или закрытая ГВК;
3. Видеокадр
34
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Тип -1-, Р- или В-видеокадр; параметры буфера - требуемое заполнение
<>у<|>ера перед началом декодирования. Параметры кодирования - точность
используемых векторов перемещения в пикселах.
4. Слайс
Вертикальное положение - номер строки, с которой начинается данный
i пайс. Шкала квантования - вид шкалы используемой в данном слайсе.
5. Макроблок
Адрес - число макроблоков, которое следует пропустить. Тип - наличие
вектора перемещения и его тип. Шкала квантования - вид шкалы
используемой в данном макроблоке. Шаблон кодируемого блока - битовая
кпрта, показывающая местоположение кодируемого блока.
1.3.3 Алгоритм обработки аудиоданных
Сжатие аудиоданных в стандарте MPEG-1 базируется на принципах
полосного кодирования.
В зависимости от используемого алгоритма определены три Уровня
(Layer) обработки, обозначаемых латинскими цифрами I, II, III и
I отличающихся сложностью декодера и особенно кодера и степенью сжатия.
Важнейшим свойством MPEG-1 является полная обратная совместимость
всех трех уровней.
Алгоритм Уровня I разработан для записи на кассеты формата DCC
(Digital Compact Cassette). Кодирование первого уровня применяется гам, где
не очень важна степень компрессии и решающими факторами являются
сложность и стоимость кодера и декодера. Кодер Уровня 1 обеспечивает
нмсококачествепный стереозвук при скорости цифрового потока 384 кбит/с.
Алгоритм Уровня 11 требует более сложного кодера и несколько более
сложного декодера, но обеспечивает лучшее сжатие. Высококачественный
стереозвук достигается уже при скорости 256 кбит/с. В основу алгоритма
положен популярный в Европе формат Musicam.
Алгоритм Уровня 111 включает все основные инсгрументы сжатия:
полосное кодирование, дополнительное ДКП, энтропийное кодирование.
Ценой усложнения кодера и декодера он обеспечивает высокую степень
компрессии - высококачественный стереозвук возможен на скорости 128
кбит/с.
MPEG-1 оказался первым международным стандартом цифрового сжатия
звуковых сигналов и это обусловило его широкое применение во многих
областях: вещании, звукозаписи, связи и мультимедийных приложениях.
Наиболее широко используется Уровень II. Он вошел составной частью в
европейские стандарты спутникового, кабельного и эфирного цифрового ТВ
вещания, в стандарты звукового вешания, записи на DVD.
Уровень III (его еще называют МР-3) нашел широкое применение в
цифровых сетях с интегральным обслуживанием (ISDN) и в сети Интернет.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
35
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Подавляющее большинство музыкальных файлов в сети записаны именно в
этом стандарте.
MPEG-) нормирует для всех трех уровней следующие номиналы,
скоростей цифрового потока: 32,48, 56, 64,96,112,192,256,384 и 448 кбит/с.
Частота дискретизации может составлять 32, 44,1 или 48 кГц, число уровней
квантования входного сигнала - от 16 до 24.
1.3.4 Формирование цифровых потоков видео и аудиоданных
Цифровой сигнал непосредственно с выхода кодера MPEG-1 называется
элементарным потокам (ЭЛ) и представляет собой бесконечную
последовательность видео- или аудиоданных в том порядке, как они появляются на
выходе в процессе кодирования. Он не содержит необходимой информации для
идентификации потока, для его синхронизации с другими потоками и не может
непосредственно использоваться для организации вещания или других служб.
Для дальнейшего использования элементарные потоки переформировывают в
пакетированные элементарные потоки (ПЭП), в которых данные разделены
на пакеты удобного размера с заголовками, содержащими необходимую
информацию о потоках и синхронизации.
В зависимости от приложений длина пакета ПЭП может составлять от единиц до
64 килобайт.
Обычно пакет содержит одну единицу воспроизведения данных
определенного тина. Единица воспроизведения видеопотока - один видеокадр,
аудиопотока - один звуковой кадр AES/EBU. Сигнал AES/EBU -
двухканальный цифровой звуковой сигнал с разрядностью квантования 20...24
бита на отсчет, применяемый в качестве источника для кодеров MPEG.
Заголовок (рис. 1.12) начинается со стартового кода длиной 3 байта и
однобайтового идентификатора потока, показывающего вид информации
(видео, аудио, вспомогательные данные) и параметры кодирования.
Следующие 2 байта - это указатель длины пакета, он показывает* число байтов в
пакете. Далее следуют 12 флагов, несущих сведения о свойствах цифрового
потока. Они сообщают информацию о скремблировании, о приоритете пакета,
условия авторского права, тип временной метки (присутствует ли только PTS
или PTS и PTS), наличие или отсутствие определенных полей (поля скорости
потока, режима DSM, информации о дополнительных копиях, полей расширения
и др ).
Метод обнаружения ошибок в передаваемом сообщении заключается в
сравнении остатков от деления блоков кодовой последовательности на
фиксированный делитель. Для сравнения деление производится па передающей и
на приемной стороне.
36
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. -М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
2 байта
33 бита ЗЭ бита 22 бита 1 бой!
2 байта
Переменная
длине
Рисунок 1.12- Структура пакетированного элементарного потока
Здесь
PTS - Presentation Time Stamp (временная метка воспроизведения);
DTS - Decoding TimeStamp (временная метка декодирования);
DSM - Digital Storage Media (средства цифровой записи);
CRC- Cyclic Redundancy Check (проверка циклическим избыточным кодом).
Опционные поля входят в состав заголовка, если соответствующие флаги
установлены на «1». Поле режима цифровой видеозаписи DSM содержит биты,
управляющие движением ленты (перемотка, стоп-кадр, замедленное
лоспроизведение) и другими видеоэффектами. Информация о дополнительных
копиях необходима для решения вопросов авторского права. Поле длины
in головка указывает размер -заголовка в байтах.
При двунаправленном кодировании порядок следования и порядок
передачи Р- и В-кадров не совпадают. Для синхронизации кадров
используются два вида временных меток.
Временная метка декодирования (DTS) указывает время, когда видеокадр
должен быть декодирован.
Временная метка воспроизведения (PTS) - момент времени, когда
видеокадр должен появиться на выходе декодера.
Если, например, принимается последовательность 1РВВ, декодер
декодирует 1-кадр и запоминает его, в следующий момент он декодирует Р-
кадр и выдает на выход 1-кадр, затем вычисляет и выдает кадр В| затем Вг и
только после этого Р,, (рис. 1.13).
Для формирования ТВ программы, полученные пакетированные
тементарные потоки (ПЭЛ) видео-, аудио- и вспомогательных данных
необходимо объединить в единый цифровой поток.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
37
Глава I. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Рисунок 1.13 - Восстановление порядка следования видеокадров
по меткам DIS'и PTS
В системной части стандарта MPEG-1 для этого предусмотрена одна
возможность - системный поток. Он представляет собой сборку ПЭП,
относящихся к одной программе и объединенных обшей тактовой
синхронизацией. Это может быть видеопрограмма с несколькими звуковыми
каналами или пакет звуковых программ.
Такой поток состоит из пакетов переменной длины, имеет изменяющуюся
во времени скорость, не содержит средств защиты от ошибок и
предназначен для использования в средах с малой вероятностью ошибки,
например, для записи на DVD и CD-ROM диски, где переменная скорость не
вызывает технических трудностей.
Привязка сборки ПЭП к определенному моменту времени осуществляется
периодическим помещением в заголовок ссылок на системные часы (SCR -
System Clock Reference) - 33-битового числа, отсчитывающего периоды
опорной частоты 90 кГц. Число периодов частоты 90 кГц подсчитывается
многоразрядным счетчиком и вводится в заголовок потока.
Основная задача, решаемая системными часами, обеспечение
синхронизации тактовых частот кодера и декодера. Она решается с помощью
схемы дискретной автоподстройки частоты в декодере (рис. 1.14).
Частота местного генератора 27 МГц делится с помощью многоразрядного
счетчика и периодически сравнивается с приходящими от кодера значениями
SCR. Выходной сигнал компаратора, пропорциональный разности двух чисел,
управляет через ФНЧ частотой генератора и корректирует ее в соответствии со
знаком разности частот.
На передающей стороне точность поддержания частоты должна быть не
хужеЗхЮ"5.
Привязка к временным меткам позволяет обеспечить одинаковую задержку
кодера и декодера для всех составляющих программы при их независимой
передаче с разбивкой на пакеты.
38
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
SO кГц
Рисунок 1.14 - Восстановление тактовой частоты
в приемнике MPEG-1 по меткам SCR
Таким образом, обеспечивается синхронизм элементарных потоков видео и
аудио, из которых формируется ТВ программа.
1.4 Стандарт цифрового сжатия MPEG-2
MPEG-2 принят как международный стандарт под номером ISO/IEC
13818 в 1996 г. и дополнен в 1997 г.
1.4.1 Общие сведения
Стандарт MPEG-2 называется «Информационные технологии -
Обобщенное кодирование движущихся изображений и сопровождающей
звуковой информации» и содержит 9 частей, описывающих различные
компоненты цифрового потока и средства поддержки [2,56}.
13818-1 «Системы» описывает объединение одного или нескольких ЭП
видео, звука и других данных в одно- или многопрограммный поток,
пригодный для записи или передачи.
13818-2 «Видео» специфицирует средства компрессии видеоданных и
процесс декодирования, необходимый для восстановления изображения.
13818-3 «Звук» представляет обратно совместимое расширение звукового
стандарта MPEG-1.
13818-4 «Соответствие» и 13818-5 «Моделирование программного
обеспечения» описывают процедуры испытаний на соответствие требованиям
частей 1,2,3 и дают примеры реализации программного обеспечения.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
39
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
13818-6 «DSM-СС» стандартизует набор протоколов по управлению
цифровыми потоками MPEG-I и MPEG-2.
13818-7 «ААС» специфицирует алгоритм кодирования многоканального
звука Л/4С, не совместимый с MPEG-1.
13818-9 «Интерфейс реального времени для декодеров» описывает
интерфейс реального времени для декодеров транспортного потока.
13818-10 «Соответствие для DSM-СС» рассматривает вопросы
соответствия в применении к протоколу DSM-CC.
13818-8 Часть 8 предназначалась для кодирования видео с разрешением 10
бит, но не вызвала практического интереса и была исключена.
Наиболее существенное отличие алгоритма обработки видео в MPEG-2 от
соответствующего алгоритма MPEG-1 - возможность обработки
чересстрочных изображений.
1.4.2 Алгоритм обработки видеоданных
Алгоритм обработки видеоданных в MPEG-2 состоит из следующих
шагов: пространственное сжатие и временное сжатие.
Пространственное езкатие
На рис. 1.14 показаны три основных этапа пространственного сжатия [56].
Рисунок 1.14-Этапы простраистаенногосжатия
Вначале изображение разбивается на макроблоки 16 х 16 отсчетов,
каждый из которых содержит по 4 блока отсчетов яркости Y размером 8x8
пикселов и блоков сигналов цвепюсти €в и Си размером также 8x8
пикселов. Количество блоков сигналов цветности определяется форматом
дискретизации (рис. 1.15).
Рисунок 1.15 - Форматы дискретизации
Сначала пикселы изображения преобразуются в блок 8x8 дискретным
косинусным преобразованием (Discrete Cosine Transform, DCT). Затем идет
процесс квантования. Далее квантованные коэффициенты преобразования
размещаются в одномерный вектор и кодируются по методу Хаффмана с
40
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава Г Общие принципы построения систем цифрового телевидения
переменной длиной слова (Variable Length Coding, VLC). Словам с
и.шбольшей вероятностью появления присваиваются более короткие кодовые
«• омбинации, а более редким символам - более длинные.
На вход дискретного косинусного преобразователя DCT поступают 8x8
мпссивы пикселов изображения с различными значениями интенсивности по
яркости и цвету. На выходе преобразователя уже другой массив чисел
размером 8x8. Пространственное преобразование преобразует блок
и к Сражения размером 8x8 элементов в блок коэффициентов того же размера,
мхорый может быть закодирован с использованием значительно меньшего
ьоипчества бит. чем оригинальный блок, который мы имели па первом этапе.
Первый коэффициент преобразования, имеющий индекс (0, 0) особенный.
< >и представляет среднее значение всех 64 входящих пикселов матрицы 8x8.
При движении коэффициента слева направо по горизонтали или вниз по
вертикали преобразования говорят о росте пространственной частоты. DCT
преобразование эффективно из-за того, что оно имеет тенденцию
..... энергию преобразования в коэффициентах преобразования,
расположенных в верхнем левом углу матрицы, где наименьшая
пространственная частота.
Квантование
Второй этап пространственного сжатия - квантование коэффициентов
преобразования, которое уменьшает число бит для представления DCT
ко >ффнциеитов. Квантование выполняется путем деления коэффициентов
преобразования па целое число с последующим округлением до ближайшего
целого числа.
Целый делитель каждого DCT коэффициента состоит из двух частей.
Первая часть уникальна для каждого коэффициента в DCT матрице 8x8.
Набор этих уникальных чисел также является матрицей и называется
матрицей квантования. Вторая часть делителя [ipuintiter_scale) - это целое
число, которое фиксировано для каждого следующего макроблока. В
частности, существуют две матрицы квантования с фиксированными
коэффициентами для 1-кадров и не 1-кадров. Эти две матрицы показаны в
табл. 1.1 и 1.2.
Коды переменной длины
Следующим этапом в пространственном сжатии является размеще-
ние квантованных DCT коэффициентов в одномерный вектор, который затем
будет являться частью таблиц кодов переменной /шины. Процесс этого
размещения называется зигзагообразным сканированием.
После этого производится статистическое кодирование без потерь по
методу Хаффмана. Алгоритм метода заключается в следующем.
Сначала анализируется вся последовательность символов. Часто
повторяющимся сериям бит присваивается короткие элементы (маркеры). В
частности, последние нули в конце строки могут быть заменены одним
Цифровое телевидение/ В.Л Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
41
Глава I. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
символом конца блока. Поскольку блоки имеют одинаковую длину, всегда
определено количество опушенных нулей.
Таблица 1.1- Матрица квантования для 1-кадров
0 1 2 3 4 5 6 7
0 8 16 19 22 26 27 29 34
1 16 16 22 24 27 29 34 37
2 19 22 26 27 29 34 34 38
3 22 22 26 27 29 34 37 40
4 22 26 27 29 32 35 40 48
5 26 27 29 32 35 40 48 58
6 26 27 29 34 38 46 56 69
7 27 29 35 38 46 56 69 83
Таблица 1.2 - Матрица квантования для не 1-кадров
0 1 2 3 4 5 6 7
0 16 16 16 16 16 16 16 16
1 16 16 16 16 16 16 16 16
2 16 16 16 16 16 16 16 16
3 16 16 16 16 16 16 16 16
4 16 16 16 16 16 16 16 16
5 16 16 16 16 16 16 16 16
6 16 16 16 16 16 16 16 16
7 16 16 16 16 16 16 16 16
Временное сжатие
В отличие от пространственного сжатия, которое обеспечивается техникой
преобразования изображений, временное сжатие достигается компенсацией
движения (рис. 1.16).
Для достижения максимального сжатия избыточность в изображении
должна быть удалена в трех направлениях: двух пространственных и одном
временном. С этой целью для удаления избыточности по времени изображение
передается в виде последовательности I-, Р- и В-кадров (рис. 1.17).
42
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Рисунок 1.16- Удаление избыточности по трем осям
Рисунок 1.17- Типовая группа изображений
На рис. 1.17 представлена типовая группа изображений GOP (Group of
Pictures) - это набор изображений, который включает' в себя:
- кадры, не требующие информации от других кадров приходящих раньше
или позже (определены как Intra пли 1-кадры)-,
- кадры с однонаправленным предсказанием но предыдущим кадрам (Р-
кадры);
- кадры с двунаправленным предсказанием по предыдущим и следующим
кадрам (В-кадры).
Группа изображений - серия изображений, содержащих один 1-кадр (рис.
1.17), где стрелками показаны направления предсказания в пределах одной
группы изображении.
С информационной точки зрения каждое изображение представляет собой
три прямоугольных матрицы отсчетов изображений: яркостную У и две
матрицы цветности С. Соотношение между количеством отсчетов яркости и
цветности определяется форматом дискретизации (рис. 1.2-1.5, 1.15):
- 4:2:0 - размеры матриц С, и Ся в два раза меньше, чем У, и в
горизонтальном, и в вертикальном направлении;
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
43
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
- 4:2:2 - все три матрицы имеют одинаковые размеры по вертикали, но в
горизонтальном направлении матрицы цветности имеют в два раза меньшее
количество элементов;
- 4:4:4 - все матрицы одинаковы.
Р- и В-кадры используются для достижения временного сжатия. Опыты
показывают, что Р-кадрам требуется только 40%, а В-кадрам 10% от
количества бит, требуемых для /-кадров.
Структуру, показанную на рис. 1.16, обычно называют гибридным
кодированием. В основном из-за того, что пространственное сжатие
достигается техникой преобразования, а временное сжатие - компенсацией
движения.
Так как В-кадры должны быть получены из I- и Р-кадров, то декодер
должен сначала получить те и другие кадры, прежде чем; будет декодирован
В-кадр. Поэтому порядок передачи нс может быть IBBP 1ВВР. Порядок
передачи кадров должен быть следующий IPBB1РВВ.
Это вносит ограничения для кодера, так как он должен хранить кадры,
которые должны стать В-кадрами. Это ведет к росту задержки - время от
момента начала кодирования кадра до момен та его воспроизведения.
Изображения (/-, Р- или В-кадры) делятся на слайсы (Slices), макроблоки
(Macroblocks) и блоки (Blocks), каждый из которых имеет свой заголовок.
Следует отметить, что в литературе слайсы иногда принято называть срезами.
Слайс
Как отмечалось ранее, видеокадры делятся на слайсы (срезы). Так
называется группа последовательных макроблоков в видеокадре (рис. 1.18),
объединяемых общей шкалой квантования.
Срез представляет собой минимальную сдиштцу видеопоследо-
вательности в борьбе с ошибками. Если декодер обнаруживает ошибку, он
игнорирует данный срез и сдвигается к началу следующего. Чем больше
срезов в видеокадре, тем эффективнее борьба с ошибками (но ниже степень
сжатия). Деление изображений па срезы (слайсы) является одной из новаций в
алгоритмах сжатия MPEG.
Макроблок
В стандарте MPEG-2 возможны два варианта внутренней организации
макроблока (рис. 1.19):
- кадровое кодирование, при котором каждый блок яркости образуется из
чередующихся строк двух полей (рис. 1.19а);
- полевое кодирование, при котором каждый блок яркости образуется из
строк только одного из двух полей (рис. 1.196).
44
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава I. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Рисунок 1.18 - Деление изображения на срезы и макроблоки
Рисунок 1.19- Внутренняя организация мак|юблока
Макроблок яркости - это область, имеющая размер 16x16 пикселей.
Цветовая часть макроблока зависит от выборки отсчетов яркости. Структура
макроблока с форматом 4:2:0 показана на рис. 1.15. Из этого рисунка видно,
что макроблок формата 4:2:0 состоит из шести блоков. Яркостная
составляющая представляет из себя квадрат из четырех блоков размером 8x8,
а каждая из цветовых составляющих состоит из одного блока 8x8 пикселов.
Векторы для компенсации движения определяются по яркостной
составляющей макроблока.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
45
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Блок
Блоки имеют размер 8x8 пикселей и являются наименьшим
синтаксическим элементом MPEG-2. Блоки являются основными элементами
для DCT кодирования.
Набор операций такого кодирования:
- дискретное косинусное преобразование;
- взвешенное квантование. определяемое элементами матрицы
квантования;
- энтропийное кодирование серии коэффициентов косинусного
преобразования, полученной в результате диагонального сканирования
матрицы коэффициентов.
1.4.3 Уровни и профили стандарта MPEG-2
Чрезвычайно широкий набор приложений стандарта MPEG-2 требует
соответствующего набора скоростей, разрешений и качества изображения.
Построить оборудование обработки видеосигналов, удовлетво-
ряющее одновременно всем требованиям стандарта, возможно, но
неэкономично, так как оно окажется весьма сложным и дорогим, и в то же
время будет обладать большой избыточностью по отношению к более
простым приложениям.
Все средства и инструменты обработки видеосигналов разделены на
несколько Профилей (Profile), различающихся использованием тех или иных
элементов синтаксиса. Как правило, каждый Профиль добавляет один или
несколько инструментов к имеющимся инструментам у нижележащего
Профиля.
В стандарте принято пять основных и один дополнительный,
профессиональный Профиль «4:2:2», введенный позднее.
Внутри каждого Профиля выделены Уровни (Level), определяющие
допустимые пределы изменения основных параметров цифрового потока.
Таких Уровней четыре.
В литературе принято обозначать сочетания профиля и уровня первыми
буквами, разделенными знаком @ (см. табл. 1.3). Например, сочетание
«Основной профиль - Основной уровень» записывается как MP@ML (Main
Profile@Main Level), Режим MP@ML стал наиболее распространенным и
широко употребительным. Он обеспечивает полную разрешающую
способность 720x 576 пике., которая признана наиболее подходящей для
цифрового вешания.
Скорость потока видеодашцах 15 Мбит/с обеспечивает качество
изображения, превышающее возможности аналоговых стандартов PAL,
SECAMuNTSC.
46
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Таблица 1.3 - Параметры цифрового потока для различных уровней
Основного профиля MPEG-2
Уровень Параметр Ограничение 1
Высокий MP@HL Число отсчетов на строку Число строк на кадр Частота кадров, Гц Скорость потока, Мбит/с 1920 1152 60 80
Высокий МР@Н1440 Число отсчетов на строку Число строк на кадр Частота кадров, Гц Скорость потока. Мбит/с 1440 1152 60 60
| Основной МР@М1 Число отсчетов на строку Число строк на кадр Частота кадров, Гц Скорость потока, Мбит/с 720 576 30 15
Низкий MP@LL Число отсчетов на строку Число строк на кадр Частота кадров, Гц Скорость потока, Мбит/с 352 288 30 4
Простой профиль (SP-Simple Profile), не поддерживающий
двунаправленное предсказание и В-кадры, предназначался первоначально для
массовых применений при обработке компьютерных изображений и в других
приложениях, не требующих высокого качества изображения, однако
стоимость микросхем, разработанных для Основного профиля, оказалась так
низка, что разработка специальных изделий для Простого профиля была
признана нецелесообразной. Он применяется лишь в простейших
программных MPEG-кодерах.
Масштабируемые профили пока широко не используются, хотя в
некоторых приложениях для них просматриваются возможные области
применения (например, в наземном цифровом вещании).
Масштабируемостью называют способность кодека (кодера и декодера)
формировать и обрабатывать упорядоченный набор из нескольких цифровых
потоков. Минимально необходимый набор потоков называется базовым слоем,
каждый из остальных - улучшающим слоем.
Базовый слой передает сигнал пониженного качества с более высоким
отношением сигнал/шум, или сигнал с пониженным пространственным
разрешением, который может приниматься декодером низкого профиля.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
47
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
В улучшающих слоях передается дополнительная информация, используя
которую, кодеры более высокого профиля восстанавливают улучшенное^
изображение.
Синтаксис MPEG-2 поддерживает два слоя масштабирования в каждом из-,
двух профилей: в профиле с масштабированием по отношению сигнал-шум1
и в профиле с пространственным масштабированием.
При использовании профиля с масштабированием по отношению
сигнал/шум (SNR - Signal-to-Noise Ratio) в базовом слое передаются грубо
квантованные коэффициенты ДКП. Они передаются с низкой скоростью, что
несколько повышает шумы квантования, но улучшает помехоустойчивость.
Профиль с пространственным масштабированием (Spatial Scalable
Profile) введен в стандарт для обеспечения доступа декодерам стандартной
четкости к программам телевидения высокой четкости (ТВЧ). Привязкой к
ТВЧ объясняется довольно большая скорость цифрового потока,
предусмотренная в этом Профиле.
В базовом слое такой системы передается после прореживания
информация, соответствующая стандартному разрешению, а в улучшающем
слое - дополнительные отсчеты, отфильтрованные в базовом слое.
Профиль «Высокий», предусматривающий все инструменты нижних
профилей, в настоящее время пока нс используется по нескольким причинам, в
том числе, по-видимому, из-за отсутствия интегральных микросхем с
достаточными ресурсами производительности.
Несколько особняком, вне иерархии, стоит профиль «Профессиональный
4:2:2». предназначенный для обеспечения совместимости с цифровым
студийным оборудованием видеопроиз-
водства. В этом формате работают, например, перевозимые комплекты
цифровых систем сбора новостей, передающие сигнал через спутники для
последующей записи и монтажа. Профиль «4:2:2» должен обеспечивать
качество изображения, сравнимое с цифровой видео-
записью формата DI, п возможность многократного MPEG кодиро-
вания-декодирования сигнала. 1)1 - формат цифровой видеозаписи
компонентного сигнала «4:2:2» с разрядностью 8 бит/отсчет.
Его основными свойствами являются:
- структура дискретизации «4:2:2» (в Основном профиле «4:2:0»);
- увеличенное число строк - 608, в отличие от 576;
- возможность работы с повышенными скоростями до 50 Мбит/с вместо 15
Мбит/с, обеспечиваемым Основным н|юфилем.
Последнее свойство связано с более короткими группами видеокадров,
используемыми при видеомонтаже. Высокий уровень этого профиля позволит
расширить область использования MPEG-2 при подготовке ТВЧ программ.
48
Цифровое Тепевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
1.4.4 Алгоритм обработки аудиоданных
В MPEG-2 в части кодирования звука так же, как и в MPEG-1
иг пользуется трехуровневая система. Различия между стандартами
кечипаются при переходе от двухканального звука, принятого за основу в
MPEG-I, к многоканальному звуку, поддерживаемому в MPEG-2.
MPEG-2 поддерживает различные режимы передачи многока-
(.лльного звука, в том числе семиканальный формат, применяемый в
кинотеатрах с широким экраном.
Одной из разновидностей многоканального звука является многоязычное
туковое сопровождение. Оно может осуществляться либо передачей
'Н'1сльиого цифрового потока для каждого языка, либо добавлением
нескольких (до семи) языковых каналов со скоростью 64 кбит/с к
многоканальному потоку 384 кбит/с.
Алгоритм работы кодера в формате MPEG-2 следующий.
В кодере MPEG-2 сначала с помощью матрицы формируются
комбинированный двухканальпый сигнал, совместимый со стереосигналом
MPEG-1, и набор вспомогательных сигналов, не совместимых с ним и
<. чужаших для восстановления многоканального сигнала в декодере MPEG-2.
В результате двухканальиый стереосигнал доступен декодеру
MPEG-1, а остальные аудиоканалы предназначены для работы с декодером
MPEG-2.
В дополнение к основному режиму с частотами дискретизации 32, 44,) и
48 кГц в MPEG-2 введен низкоскоростной режим, так называемый LSR (Low
Sampling Rate) с пониженными вдвое частотами дискретизации: 16,22,05 и 24
► Гн. Этот режим применяется для передачи сигналов пониженного качества на
очень низких скоростях, например, при вещании по сети Интернет.
Оказывается, что на скоростях порядка 64 кбит/с применение половинных
частот дискретизации повышает субъективное качество звучания речевого
сигнала. Дело в том, что связанное с этим отбрасывание высоких частот почти
нс влияет на качество речи, а высвобождающиеся ресурсы битов используются
кодером для более точной передачи нижней части звукового спектра.
Поскольку число частотных полос в любом случае сохраняется равным 32,
спектральное разрешение оказывается более высоким.
Например, при частоте дискретизации 24 кГц ширина каждой из полос
составляет 375 Гц вместо 750 Гц при 48 кГц.
Система улучшенного кодирования звука
Одной из лучших современных систем сжатия звука признана система
AAC (Advanced Audio Coding - усовершенствованная система кодирования
WW). стандарта MPEG-2. В отличие от других методов сжатия аудиоданных,
принятых в MPEG-2, система ие обладает свойством обратной совместимости
декодеры MPEG-1 не могут декодировать сигнал ААС. По своей
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
49
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
эффективности ААС вдвое превосходит Уровень II и в 1,4 раза Уровень III
стандарта MPEG-1.
Высококачественное воспроизведение звука достигается уже при скорости
цифрового потока 96 кбит/с. В стандарте поддерживается широкий набор
параметров и возможностей: частоты дискретизации от
8 до 96 кГц, моно- и стереосигналы, три профиля - Основной (Main),
Упрощенный (LC - Low complexity), Масштабируемый (SSR - Scalable
Sampling Rate). Одновременно может поддерживаться до 16 аудиопрограмм.
ААС использует все средства цифрового сжатия - полосное кодирование,
неравномерное квантование, кодирование кодом Хаффмана, итерационные
алгоритмы распределения битов, которые улучшает алгоритм Уровня 111
стандарта MPEG-1 во многих деталях. Кроме того, в алгоритме ААС
применены новые эффективные средства кодирования для улучшения качества
звучания на очень низких скоростях передачи данных.
Основные улучшения можно свести к следующим моментам:
1. Улучшено разрешение по частоте благодаря использованию 1024
частотных полос по сравнению с 576 в алгоритме Уровня 111. При этом
короткие блоки имеют длину всего 256 отсчетов, что обеспечивает
эффективную обработку быстрых изменений звукового сигнала.
Переключение производится по результатам анализа поведения входного
сигнала во времени.
2. В Основном профиле применена оптимальная схема предсказания
назад, обеспечивающая более высокую эффективность отработки изменений
основного тона.
3. Применен улучшенный код Хаффмана, что дополнительно сокращает
расход битов.
Новым элементом по сравнению с Уровнем 111 можно считан, функцию
управления шумами во временной области (TNS - Temporal Noise Shaping),
позволяющую формировать огибающую шума во временной области по
предсказанию в частотной области. Устройство осуществляет фильтрацию
сигнала с выхода ДКП набором из нескольких переключаемых фильтров и
квантование полученных групп отсчетов. Коэффициенты квантования
передаются в общем цифровом потоке декодеру, который перераспределяет
огибающую шума в реконструируемом сигнале с учетом спектрального
распределения энергии сигнала. Это полезно при быстрых изменениях уровня
звукового сигнала, когда кодер не успевает переключить блок фильтров на
обработку коротких блоков и возникают искажения.
Еще один новый механизм повышения эффективности кодирования звука
- адаптивное предсказание текущего кадра но предшествующему кадру,
широко используемое в кодировании изображения. Ойо чаще используется в
технике кодирования речи и более эффективно при низких скоростях потока.
50
Цифровое теиевидепне/ В. Л. Карякин. -М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
В кодере Простого профиля отсутствует предсказание, режим TNS
ыраничен 12 коэффициентами. Более сложный Масштабируемый профиль
использует для анализа 4-полосный квадратурно-зеркальный фильтр, за
которым следует модифицированное ДКП с высокой разрешающей
способностью по частоте. Модуль управления коэффициентом усиления на
выходе фильтра позволяет независимо регулировать сигналы в каждой полосе
дня предотвращения искажений.
1.4.5 Формирование потоков данных
Стандарт MJPEG-2 предлагает две конструкции многокомпонентного
цифрового потока. Программный поток (ПП) почти совпадает с системным
поюком MPEG-1 (несколько отличается формат) и используется для
распространения программного материала с переменной скоростью цифрового
потока в среде без ошибок (запись на магнитные и оптические носители,
передача по линиям на расстояние в единицы метров и т.д.).
Структура программного потока включает пачки (pack) пакетов,
содержащие один или несколько ПЭП - Пакетированных элементарных
потоков (JPES - Packetized Elementary Stream) и заголовок со ссылкой на
системные часы (SCR — System Clock Reference) (рис. 1.20).
В потоке может быть до 16 видео и до 32 звуковых потоков, но вес они
считаются компонентами одной программы, так как имеют общую временную
tor (единый генератор тактовой частоты).
Транспортный поток (ТП) представляет собой более высокий уровень
прышизации данных. В ТП пакетированные элементарные потоки,
принадлежащие разным программам, переносятся в различных транспортных
шкетах небольшой длины с защищенными от помех кодами для передачи в
каналах с ошибками, в частности, для вещания.
Пачка пакетов ПЭП
Видео>|АудиоЙУ
Заголовок
пачки Заголовок Заголовок
пахота видео пакета аудио
Рисунок 1.20-Структура программного потокаMPEG-2
Один транслоргный поток может переносить несколько программ,
состоящих из нескольких компонентов, не связанных между собой единой
ирсменной базой. Передача оказывается, по сути дела, асинхронной и потому
нс может управляться единым синхронизирующим сигналом.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
51
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Рассмотрим, как решены вопросы синхронизации в транспортном потоке
MPEG-2.
Принципы обеспечения синхронизации цифровых потоков
Известео, что для синхронизации всех компонентов цифрового потока
MPEG-1 общий отсчет времени задается ссылками на системные часы (SCR),
вводимыми в заголовок системного потока. По ним декодер подстраивает
свои внутренние часы и «привязывает» потоки видео и звука к абсолютным
отсчетам времени. Для выравнивания задержки во времени отдельных пакетов
в заголовок Пакетированного элементарного потока вводятся временные
метки воспроизведения (PTS) и временные метки декодирования (DTS),
которые указывают, в какие моменты этого абсолютного времени декодер
должен обработать и вывести на экран соответствующие изображения или
звуковые последовательности.
Эти же средства используются и в программном потоке MPEG-2, где все
компоненты потока также имеют общую временную базу.
Транспортный поток содержит программные компоненты с разной
предысторией, в том числе и с несколько различающимися таксовыми
частотами, поэтому невозможно или весьма трудоемко привести все сигналы к
единой временной базе. Для управления такими потоками вводится еще один
механизм синхронизации, называемый ссылкой на программные часы (PCR -
Program Clock Reference). PCR, как и другие временные метки, также
представляет собой 33-битовос число, отсчитываемое в периодах частоты 90
кГц, получаемой делением на 300 частоты тактового генератора 27 МГц. Оно
показывает ожидаемое время завершения считывания в декодере поля PCR из
транспортного потока, после чего декодер может приступить к сравнению
пришедшего и местного отсчетов и выработке корректирующего сигнала.
В отличие от ссылки на системные часы (System Clock Reference - SCR)
ссылки на программные часы (PCR) вводятся в поток на программном. а нс
системном уровне. В одном потоке могут передаваться несколько различных
PCR, по числу программ, и декодер при переключении на каждую новую
программу заново синхронизирует свой внутренний генератор частоты 27
МГц.
Стандарт предписывает повторение метки PCR не реже чем один раз в 0,7
с. В промежутках декодер вычисляет значения меток путем интерполяции.
Структура транспортного потока
Пакеты транспортного потока ТП имеют фиксированную блину 188
байт. На заголовок выделяются 4 байта и 184 байта - на полезные данные.
Эго могут быть видео- или аудиоданные, данные пользователя или пустые
байты (1111 1111), называемые стаффингам.
Каждый пакет переносит банные только одного вида. Размер пакета
выбран для совместимости с широко применяемым на сетях связи стандартом
52
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
асинхронной передачи данных ATM. Ячейка ATM имеет длину 53 байта, из
которой полезных - 47 байт (с учетом 1 байта на уровень адаптации).
Один пакет MPEG-2 длиной 188 байт упаковывается в 4 пакета ATM (47х
4= 188 байт). Структура -заголовка показана на рис. 1.21.
Рисунок 1.21 - Структура заголовка пакета
транспортного потока MPEG-2
Первый байт (байт синхронизации) содержит зарезервированное кодовое
число 0x47, легко опознаваемое демультиплексором. Далее идут три
однобитовых флага: указатель ошибки пакета, указатель начала структурной
единицы (ПЭП), указатель приоритета.
Далее следует 13-битовый идентификатор типа пакета PID (Packet
IDentifier), указывающий на принадлежность пакета тому или иному потоку
данных. PID служит основным признаком, по которому демультиплексор
сортирует приходящие пакеты на приемной стороне.
Передача информации пакетами фиксированной длины и система
идентификаторов имеют свои преимущества. Пропускная способность в этом
случае используется в максимальной степени и может динамически
перераспределяться между программами. Можно добавлять новые ПЭП или
удалять ненужные, не меняя в целом структуру потока. Для извлечения
необходимой информации декодеру не нужно знать легальную структуру
всего потока, достаточно указать только РЮ, который всегда находится в
заголовке на одном и том же месте.
Далее на рис. 1.21 в заголовке имеется еще один байт информации,
который содержит три необходимых указателя:
- указатель скремблирования, который свидетельствует о наличии или
отсутствии скремблирования транспортного потока;
указатель наличия полей адаптации;
- счетчик непрерывности.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
53
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Поле адаптации занимает часть области полезных данных и служит для
ввода управляющих и вспомогательных сигналов, передаваемых не в каждом
пакете. В частности, в полях адаптации передаются таблицы программно-
зависимой информации (PSI - Program Specific Information) и сигналы
синхронизации. Поле адаптации может также использоваться для передачи
данных пользователя, в этом случае оно разбивается на секции.
Значение указателя наличия полей адаптации 0x1 означает, что поле
адаптации отсутствует и в пакете передаются данные видео или звука; 0x2
присваивается пакету, в котором часть области полезных данных занимает
поле адаптации, остальное занято стаффингом (введение в цифровой поток
дополнительных «пустых» битов для выравнивания его скорости); указатель,
установленный на 0x3, свидетельствует об одновременном наличии и поля
адаптации, и полезных данных. Отмегим, что заголовок пакета и поле
адаптации не скремблируются.
Счетчик непрерывности пакетов увеличивает свое значение на единицу
при поступлении каждого следующего пакета с данным РП) и обнуляется
после каждого 15-го пакета. Он позволяет декодеру обнаруживать потерю
пакета и принимать меры по его замене.
Область полезных данных транспорт ного пакета значительно меньше, чем
обычная длина Пакетированного элементарного потока (ПЭП), поэтому
последний для укладки в пакеты транспортного потока (ТП) должен
разрезаться.
Стандарт определяет, что первый байт пакета ПЭП должен обязательно
совпадать с первым байтом облает полезных данных, а конец пакета ПЭП - с
концом одного из последующих транспортных пакетов. Незаполненные
начальные байты этого последнего пакета дополняются пустыми байтами.
Если в пакете присутствует поле адаптации, оно имеет структуру,
показанную на рис. 1.22.
Первый байт указывает длину поля, затем следуют три однобитовых
указателя - непрерывности, случайного доступа и приоритета элементарного
потока. Первый указатель свидетельствует о непрерывности счета времени во
временных метках и необходим на приеме для мониторинга ТП. Он
устанавливается в «1», если на передающей стороне изменена база отсчета
времени, например, гладко введена другая программа с иной ссылкой на
программные часы (РСК).
Если в данном поле адаптации передается PCR, об этом свидетельствует
однобитовый флаг PCR.
PCR - 33 битовое число, отсчитываемое в периодах частоты 90 кГц и
вводимое в транспортный поток на программном уровне, служит для
синхронизации декодера при приеме данной программы.
Метка PCR занимает 48 битов, в том числе 33 бита собственно PCR, 6
битов зарезервировано для будущих применений и 9 битов занимает поле
54
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
расширения PCR. В поле расширения ведется счет импульсов тактовой
частоты 27 МГц. Как только их число достигает 300, поле обнуляется, и
значение PCR увеличивается на единицу. Так обеспечивается совместимость с
MPEG-1, где отсчет времени ведется в периодах тактового генератора 90 кГц.
Рисунок 1.22 - Структурная схема адаптации
транспортного потока
Такой же формат имеет метка Исходной PCR (OPCR - Original PCR),
передаваемой вместе с программой, заимствованной из другого транспортного
потока. В отличие от PCR, значение OPCR не изменяется в процессе передачи.
Оно может использоваться, например, при записи и воспроизведении
программы.
Оставшуюся часть поля адаптации могут занимать либо служебные
данные, либо данные пользователя, либо расширения поля адаптации, на что
указывают соответствующие флаги. Формат данных пользователя включает
однобайтовый указатель длины поля и собственно поле данных, которые в
этом случае вводятся в так называемые секции транспортного потока.
Мультиплексирование потоков данных
Принятая в стандарте MPEG-2 схема построения ТП может быть описана
как двухступенчатая.
На первом этапе формируется программный поток (ЛИ) путем
мультиплексирования одного или нескольких Пакетированных элементарных
потоков (ПЭП) с общей временной базой п индивидуальными
идентификаторами типа пакета P1D (рис. 1.23а).
На вторам этапе формируется транспортный поток (рис. 1.236) путем
объединения программных и управляющих потоков в единый поток методом
асинхронного пакетного мультиплексирования.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
55
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Отметим, что транспортный поток может быть построен й
непосредственно из ПЭП или других ТП, если при этом сохраняются общие
правила синтаксиса MPEG. Такая иерархическая структура обеспечивает
большую гибкость в построении систем вещания. Можно, например, объявит^
один ПЭП принадлежащим более чем одной программе и организовать так
называемые виртуальные каналы, можно использовать несколько потоков
одного вида для масштабирования, возможна организация межрегионального
вешания с выбором отдельного языка для каждого региона и т.д.
Гибкость мультиплексирования ТП представляет одну интересную
возможность построения многопрограммной системы вешания, связанную с
вводом в ТП, формируемый мультиплексором из программ, кодированных
локальными кодерами, «постороннего» транспортного потока, поступившего
по линии связи и имеющего другую временную базу (режим
ремультиплексировапия). Современные мультиплексоры легко справляются с
такой задачей, позволяя при этом выбрать из компонентов пришедшего
транспортного потока желаемые, при необходимости изменить PID этих
компонент, режим скремблирования и другие параметры.
Еще одна возможность гибкого изменения параметров сжатого сигнала -
статистическое мультиплексирование, заключающееся в динамическом
перераспределении ресурса битов между кодерами в многопрограммном
цифровом потоке с учетом конкретных особенностей изображения в каждой
программе таким образом, чтобы качество всех программ оставалось,
возможно, более высоким. Более сложный контроллер может использовать
технологию «заглядывания вперед» для оценки сложности представленных
кадров и эта информация может служить ,адя подстройки управления
скоростью.
Система работает следующим образом. Управляющий контроллер
статистического мультиплексора получает от всех кодеров информацию о
сложности обрабатываемого в данный момент изображения, оценивает ее и
выделяет каждому кодеру ресурс битов, пропорциональный потребности. Дело
в том, что при суммировании скоростей нескольких каналов среднее значение
скорости растет пропорционально сумме средних значений составляющих, а
среднеквадратичное отклонение изменяется пропорционально квадратному
корню из числа каналов.
Если в пакете программ присутствуют, например, фильмовые, детские,
спортивные, развлекательные программы, в разные моменты времени в
зависимости от наличия движения, детальности изображения, цветовой
насыщенности они требуют разной скорости выходного потока для
сохранения примерно одинакового субъективного качества изображения и, что
еще важнее, пики скорости наступают в разные моменты времени, гак что
суммарная скорость может быть заметно снижена.
56
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
пвн,,“в 1
данные 2-----?
РМТ
Мульти-
плексор
видео Р101-—3
3.у,,_еи>М
>.у. 2_Е1Шн
Рисунок 1.23 - Объединение Пакетированных элементарных потоков
в программный поток (а) и программных потоков
в транспортный поток (б)
Исследования показали, что без ухудшения качества можно выиграть
примерно 30% пропускной способности капала. Это означает, что вместо 6
н|х>грамм в спутниковом стволе можно передать 8. вместо 8 - 10...11.
1.4.6 Таблицы программно-зависимой информации
Вся информация, необходимая декодеру для обработки принятого
цифрового потока и выделения нужных компонент программы, сосредоточена
и управляющей информации (ее еще называют метаданными), передаваемой в
составе транспортного потока. Опа организована в виде нескольких таблиц,
содержащих сведения о составе программ и идентификаторах их компонентов
и называемых таблицами программно-зависимой информации PSI (Program
Specific Information). Алгоритм дейсгвнй декодера при прочтении таблиц
поясняется рис. 1.24 [2].
Первая таблица, пакеты которой находит кодер в потоке - таблица
объединения программ PA T (Program Association Table).
Таблица РАТ имеет по умолчанию PJD - 0 и включает
информацию о программах, передаваемых в данном потоке, и
идентификаторы, относящиеся к этим программам. PJD (Packed
Identifier) - 13-битовый указатель в заголовке транспортного пакета
MPEG-2, указывающий на присутствие в пакете данных
определенного элементарного потока (ЭП).
Каждый такой PJD, в свою очередь, определяет для выбранной
программы Таблицу состава программы (PMT-Program Map Table), в
которой перечислены все компоненты, входящие в данную программу, с их
идентификаторами.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
57
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Теперь декодеру остается отобрать из общего потока пакеты с нужными
идентификаторами и декодировать их, восстановив изображение и звуковое
сопровождение.
Если программа платная, декодеру придется анализировать еще и
содержание Таблицы условного доступа (СЛТ Conditional Access Table) с
P1D=1, в которой указаны идентификаторы пакетов с сообщениями
системы условного доступа.
Иногда в набор таблиц программно-зависимой информации (PSI) включают
еще необязательную Таблицу сетевой информации (NIT - Network
Information Table), которая определяет все транспортные потоки, относящиеся
к данной сети.
Содержимое таблиц вводится в секции - области поля адаптации
определенной длины, снабжаемые указателями. Размер секции для передачи
служебной информации не должен превышать 1024 байта. Возможна передача
нескольких коротких секций в поле адаптации одного пакета транспортного
потока или одной длинной секции в нескольких пакетах.
На рис. 1.25 показана иерархия PS1 таблиц и взаимосвязи между ними.
EMM (Entitlement Management Message) - Сообщение разрешения
доступа разрешает данному дескремблеру открыть для просмотра выбранную
программу на оговоренный срок.
ECM (Entitlement Control Message) - Сообщение управления доступом
передает дескремблеру контрольное слово, сообщает информацию о критериях
доступа к каналам.
Рассмотрим теперь структуру таблиц подробнее. Общий формат таблицы
Л4 7 показан на рис. 1.26а.
CRC (Cyclic Redundancy Check) - проверка циклическим избыточным
кодом (метод обнаружения ошибок в передаваемом сообщении,
заключающийся в сравнении остатков от деления блоков кодовой
последовательности на фиксированный делитель).
Она содержит заголовок длиной 8 байт и поле данных (рис. 1.26а).
Структура заголовка более детально развернута на рис. 1.266.
Первым идет идентификатор таблицы (lablcjd). Это однобайтовое число
обязательно входит в состав любой таблицы и определяет ее тип. Отметим, что
PID является более общим указателем, чем table_id. Две таблицы могут иметь
одинковый P1D, но разные table_id.
Следующий 12-битный указатель - длина секции в байтах.
Идентификатор транспортного потока (transport_stream_id) размером в
16 бит указывает условный номер в данной сети транспортного потока, в
котором передается анализируемая таблица.
Указатель номер версии изменяется на единицу каждый раз, когда в таблицу
вносятся изменения. Если таблица разбита на несколько секций, однобайтовый
указатель номер секции сообщает номер передаваемой секции.
58
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Рисунок 1.24 - Алгоритм действий декодера
при прочтении таблиц PSI
Рисунок 1,25 - Структура таблиц программно-зависимой информации
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
59
Глава ). Общие принципы построения систем цифрового телевидения
| Заголовок | Данные PAT | CRC | а)
в байтов переменная длина 4 байта
Указатель
Резерв Резерв гвкущИй/следующий
tablejd / Длина секции transport. stroam_id Номер версии Номер секции Номер последней секции
822 12 18 2518 8
Рисунок 1.26 - Формат таблицы объединения программ РАТ:
а) общая структура; б) структура заголовка
Номер последней секции необходим для подтверждения того, что вся.
таблица принята декодером.
В поле данных таблицы объединения программ РАТ содержатся сведения;
о программах, передаваемых в транспортном потоке, с их номерами РЮ.
Номер программы занимает 2 байта, затем следует 3-битовый промежуток'
и 13-битовое значение РЮ.
Таблица состава программы РМТ создается отдельно для каждой
программы, передаваемой в потоке. Общая структура таблицы показана на
рис. 1.27а, детальная структура заголовка — на рис. 1.276.
Заголовок длиной 12 байтов содержит идентификатор таблицы tablc_id,
помер программы, сведения о версии таблицы, номере секции и номере
последней секции, а также РЮ того пакетированного элементарного
потока ПЭП, который переносит значения программных часов PCR
(Program Clock Reference).
В поле данных описывается одна из передаваемых программ со всеми ее
компонентами, а завершается секция контрольной суммой.
Описание программы содержит подробный перечень всех элементарных
потоков, составляющих прО1рамму, с их основными параметрами:
- Тип потока (streamed) указывает иа содержимое данного потока (0x01 -
MPEG-1 видео, 0x02 - MPEG-2 видео. 0x03 - MPEG-1 звук, 0x04 -MPEG-2
звук, 0x05 — нестандартные секции, и т.д.),
- elementaryjPID сообщает значение РЮ пакетированного потока,
несущего данный элементарный поток,
- ES_info_fengih указывает длину дескриптора элементарного потока.
По этим значениям декодер выделяет нужные элементарные потоки из
общей цифровой последовательности.
60
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
| Заголовок | Данные РМТ | CRC | а)
12 байтов , Переменная длина 4 байта
Указатель Резерв
Резерв текущий/следующий
секции
Номер
програм-
мы
Комер
версии
0x0000
PID-PCR
Длина
дескрип-
тора
8 2 2 12 16 2 5
Рисунок 1.27-Форматтаблицы состава программы РМТ:
а) общая структура; б) структура заголовка
Основными компонентами таблицы CAT являются table_idu дескриптор
системы условного доступа - указатель, сообщающий декодеру условное
обозначение используемой в потоке системы условного доступа и номер PID
но । <>ка управляющих сообщений о правах доступа. Дескриптор условного
io.. iyna может присутствовать и в РМТ таблице, в этом случае он указывает
на P1D потока сообщений, необходимого для дешифровки скремблированной
программы.
Частота повторения пакетов РАТ н ЛИГ таблиц должна быть не менее
10 Ги, периодичность сообщений условного доступа определяется конкретной
i не 1емой условного доступа.
Рассмотренные три таблицы составляют необходимый минимум, без
второго декодер MPEG-2 не сможет декодировать цифровой поток. Для
многопрограммного вещания нужны дополнительные данные, описывающие
организацию букетов программ, состав вещательной сети, содержание
программ и т.д.
1.5 Модуляция в системах цифрового телевидения
В технике цифрового телевидения методы модуляции играют весьма
шпчимую роль. Помимо своей основной функции преобразования
низкочастотного модулирующего сигнала в высокочастотный сигнал с
и «меняющейся частотой, фазой или ампли тудой (с изменяющимися
модулируемыми параметрами) процесс модуляции является составной частью
общего процесса согласования сигнала с характеристиками канала.
('«временные методы многопозиционной модуляции в полном соответствии с
соремой Шеннона могут рассматриваться и как способ кодирования данных
сообщения в символы канала [ I ].
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
61
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Специфика выбора тех или иных видов модуляции в системах цифровой
связи обусловлена частотным диапазоном, полосой рабочего канала,
характеристиками каналов связи, методом и скоростью передачи сообщений.
Есть ряд особенностей выбора вида модуляции, связанных с условиями
распространения радиоволн (многолучевое отражение, селективное затухание,
влияние осадков), а также с воздействием помех от индустриальных объектов
и других радиосредств.
Дальше будут рассмотрены основные виды и схемы модуляции,
находящие применение в системах цифрового телевидения. Особо отметим,
что для обозначения видов модуляции обычно используют аббревиатуры, для
которых существуют латинские и частично русские эквиваленты. Однако,
поскольку данный материал во многом базируется на международных
стандартах для систем цифровой связи, а некоторые схемы модуляции пока
еще не получили терминологически точных русских названий, во избежание
путаницы, будут использованы преимущественно латинские аббревиатуры с
русским переводом. Там, где это будет уместно, - русские термины и
сокращения.
1.5.1 Модуляционные диаграммы состояний
Удобным средством анализа характеристик модулированных сигналов
является отображение их с помощью полярных и квадратурных диаграмм в
виде сигнальных созвездий.
При модуляции несущего колебания изменению могут быть подвергнуты
такие его параметры как амплитуда, фаза и частота. При простых видах
модуляции модулирующее сообщение изменяет только один параметр. При
комбинированных видах модуляции (а также при плохой схемотехнической
реализации простых схем) одновременно могут изменяться ампли туда и фаза
несущей. В известных системах цифрового телевидения применяют:
- многоуровневую амплитудную модуляцию с частично подавленной
нижней боковой полосой - Vestigial Side Band (8-, 16-VSB),
- четырехпозициоиную квадратурную фазовую модуляцию - Quadrature
Phase Shift Keying (QPSK),
• квадратурную амплитудную модуляцию - Quadrature Amplitude
Modulation (I6-, 64-, 256-QAM).
Наиболее простой способ отображения амплитудно-фазовых соотношений
модулированного сигнала - это полярная диаграмма.
Полярные диаграммы
При построении полярной диаграммы несущая является опорным
элементом, относительно которого отсчитывается угол фазового сдвига и
изменение уровня модулированного ситала. Модуль радиус-вектора,
исходящего из центра окружности (начала координат), характеризует
относительный уровень элементарного сигнала, а угол наклона между радиус-
62
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
м-к юром и некоторым начальным радиусом - текущий фазовый сдвиг.
Мтсматически это можно выразить стандартной записью модулированного
гш пала:
s(t)= Acos(a>t + 0)
Отображение сигнала $(/) на полярной диаграмме соответствует его
фиксации во времени. Фиксируются амплитуда сигнала А и его начальный
фи юный сдвиг 0. При построении полярной диаграммы частотная
<•< । яв ляющая исключается.
Примеры полярных диаграмм, показывающих характерные изменения
«плчащих параметров для амплитудной, фазовой и амплитудно-фазовой
Модуляций, приведены на рис. 1.28.
При амплитудной модуляции переход между значащими позициями {
Л/1 и М2) осуществляется ио прямой линии (кратчайшему расстоянию)
между ними. При фазовой модуляции - по дуге окружности,
(ответственно, изменяются либо уровень, либо фазовый сдвиг
модулированного сигнала. При совместной амплитудно-фазовой модуляции
переход осуществляется по прямой линии, связывающей точки с
рл ишчными фазовыми углами.
Рисунок 1.28 - Полярные диаграммы для амплитудной (а),
фазовой (б), и амплитудно-фазовой (в) модуляции
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
63
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Квадратурные диаграммы
Современные модуляторы для цифровых систем передачи строятся, как
правило, по квадратурной схеме [1]. В таком модуляторе выходной сигнал
образуется суммированием двух различных модулированных сигналов,
несущие которых имеют между собой фазовый сдвиг 90°.
Входы двух модулирующих сигналов квадратурного модулятора
обозначаются, I и Q. Синфазный вход / относится к каналу, в котором
начальный фазовый сдвиг несущей принимается равным 0°. Вход Q - к
каналу, несущая в котором сдвинута па 90°.
Для адекватного отображения пространства сигналов на выходе
квадратурного модулятора полярные диаграммы преобразуют в
прямоугольную систему координат, в которой по горизонтальной оси I
откладывают уровень сигнала в синфазном канапе, а но вертикальной оси Q -
уровень сигнала в квадратурном канале. Все остальные построения
соответствуют полярной диаграмме с учетом того, что ось I символизирует
нулевой фазовый сдвиг, а ось Q - сдвиг на 90°. Проекции вектора сигнала на
оси I и Q рассматривают как его квадратурные компоненты. Рис. 1.29 поясняет
переход от полярной диаграммы к квадратурной.
Рисунок 1.29 - Квадратурная модуляционная диаграмма
Полярным и квадратурным диаграммам иногда придают свойства
диаграммы состояний, показывая стрелками допустимые пути перехода между
точками созвездия. Центр квадратурной диаграммы соответствует нулевому
уровню несущей. Поэтому, если переход из одной точки созвездия в другую
происходит через начало координат, то это адекватно сильному изменению
огибающей модулированной несущей с переходом ее через ноль.
64
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Обшие принципы построения систем цифрового телевидения
Большие изменения уровня несущей повышают требования к линейности
|ракта, иначе в спектре сигнала могут возникать дополнительные
армонические составляющие, приводящие к комбинационным искажениям и
расширению спектра передаваемого сигнала. Сильные вариации уровня
«ошикают при одновременной инверсии значений битов в каналах 1 и О. Если
инверсия битов возникает только в одном из квадратурных каналов, то
уровень несущей изменяется мало, во всяком случае, исключаются переходы
через ноль.
1.5.2 Принципы квадратурной модуляции
В большинстве систем цифрового телевидения модуляторы и
демодуляторы строят по квадратурным схемам. Квадратурный модулятор
шляется универсальным устройством, которое может быть использовано для
получения сигнала линейно-модулнрованной несущей с двумя боковыми
полосами, включая такие виды, как фазовая и амил игу дно-фазовая модуляции
|1|-
Структурная схема квадратурного модулятора показана на рис. 1.30.
Основу модулятора составляют два балансных модулятора и сумматор
пыеокочастотных (ВЧ) сигналов, на выходе которого образуется
ьвадратурномодулированный сигнал S(t). Несущие, поступающие на
опорные входы балансных модуляторов, имеют взаимный фазовый сдвиг 90°.
। е. находятся в квадратуре. Входные модулирующие сигналы X,(t) и
являются квантованными по уровню и дискретными во времени. Длительность
их тактового интервала определяется тактовой частотой.
Рисунок 1.30 - Структурная схема квадратурного модулятора
Входные сигналы с амплитудно-импульсной модуляцией мшут поступать
мм сигнальные входы балансных модуляторов непосредственно или через
низкочастотные формирующие фильтры, как показано на рис. 1.30.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
65
Глава I. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
В первом случае формируется нефильтрованный выходной ВЧ сигнал с
частотными составляющими, выходящими за пределы необходимой полосы.
При низкочастотной (НЧ) фильтрации модулирующих сигналов
модулированный сигнал также локализуется по спектру и согласуется с
выделенной полосой частот канала.
При точной настройке (балансировке) квадратурного модулятора и при
точном восстановлении несущих и тактовых частот в демодуляторе
информационные сигналы обоих каналов полностью независимы и никак не
влияют друг на друга.
Нарушение симметрии плеч балансных модуляторов, а также отклонение
фазового сдвига между несущими от 90° приводит к переходным помехам
между квадратурными каналами. Сигнальное созвездие при этом размывается,
т.е. в каждом такте точка созвездия имеет случайные координаты в зоне, центр
которой соответствует номинальным координатам точки. При временном
наложении последовательности "снимков" созвездия образуется квадратурная
диаграмма с размытыми пятнами точек в позициях координатной сетки. Такой
же внешний эффект вызывают помехи и шумы канала. Все это ведет к
ошибкам при демодуляции и декодировании сигнала.
1.S.3 Квадратурная фазовая модуляция
В цифровом гелевиден и и для передачи по спутниковым трактам и в
наземном вещании при тяжелых условиях приема используется 4-х
позиционная квадратурная фазовая модуляция - Quadrature Phase Shift Keying
(QPSK). Модуляция QPSK предоставляет необходимый компромисс между
скоростью передачи и помехоустойчивостью и применяется как
самостоятельно, так и в комбинациях с другими методами. Диаграммы
состояний модуляции QPSK показаны на
рис. 1.31.
8- п 16-позишюнная квадратурные фазовые модуляции, созвездия которых
показаны на рис. 1.32, проигрывают 4- позиционной по энергетической
эффективности, требуя значительно более высокой мощности передатчика для
достижения тех же характеристик.
Рисунок 1.31 - Диаграмма состояний QPSK
66
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава I. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Рисунок 1.32 - Сигнальные созвездия 8- и 16-позииионной
фазовой модуляции
Структурная схема модулятора QPSK показана на рис. 1.33.
Рисунок 1.33 - Структурная схема модулятора QPSK
Входной поток данных D разделяется на два параллельных потока А и В.
которые затем в преобразователе кода (ПК) перекодируются в относительный
код двух каналов (компонентов) /* и Q'. Цифровые потоки V и Q
подвергаются сглаживанию в формирующих фильтрах (ФФ). выходные
сигналы которых 1 и Q непосредственно управляют работой
четырехпозиционного модулятора, состоящего из двух балансных
модуляторов н сумматора.
Фазовый сдвиг несущих в каналах 1 и Q равен 90" . Правило кодирования
фазовых сдвигов показано в табл. 1.1.
1.5.4 Квадратурная амплитудная модуляция
При передаче сигналов телевидения по радиорелейным и кабельным
линиям, в некоторых системах цифрового телевизионного наземного вещания
широко используются квадратурная амплитудная модуляция - Quadrature
Amplitude Modulation (QAM). Наибольшее распространение получила 16-ти
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
67
Глава I. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
позиционная квадратурная амплитудная модуляция QAM (16- QAM).
Требования к точности характеристик формирующих и полосовых фильтров
модулятора тем выше, чем больше число позиций в модулированном сигнале.
Таблица 1.1. Кодирование фазовых сдвигов QPSK
А В QPSK
0 0 45°
0 1 135°
1 0 315°
1 1 225°
Сигнальное созвездие 16-QAM показано на рис. 1.34.
• • 3- ,0 - 4> •
• 1 1 - • I 1
1 -3 1 -1 I 1 1 г 3
• 0-1- - • •
• 0 -з • •
Рисунок 1.34 - Сигнальное созвездие 16-QAM
Созвездие (рис. 1.34) образуется ансамблем из 16 сигналов, различающихся
между собой по фазе и амплитуде. В кабельных системах распределения ТВ
сигналов наряду с 16-QAM регламентируется применение формат ов 64-QAM и
даже 256-QAM, созвездия которой образованы 256 позициями фазы и
амплитуды.
Рассмотрим принципы построения модулятора с квадратурной модуляцией
на Примере 16-QAM |1]. Структурная схема модулятора
16-QAM показана на рис. 1.35.
Входной поток данных вначале подвергается необходимой цифровой
обработке в процессоре данных: выделению тактовой частоты,
скремблированию, кодированию, последовательно-параллельному
преобразованию.
68
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава I. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Рисунок 1.35 - Структурная схема модулятора 16-QAM
В ходе цифровой обработки поток данных разделяется на
4 подпотока. Затем производится цифро-аналоговое преобразование двух
двоичных подпотоков в один четырехуровневып с одновременным
формированием их спектра в фильтре нижних частот (ФНЧ), где импульсам
придается сглаженная форма.
Четырехуровиевые сигналы в каналах / и Q управляют работой балансных
модуляторов, выходные сигналы которых складываются, образуя сигнал 16-
QAM с двумя полосами и подавленной несущей. На балансные модуляторы
несущая поступает со сдвигом 90°, т.с. в квадратуре. Выходной сигнал
модулятора проходит через полосовой фильтр, ограничивающий внеполосные
излучения, и может быть конвертирован в полосу любого вещательного
канала.
1.5.5 Однополосная амплитудная модуляция
Одним из методов модуляции в системах цифрового ТВ вещания является
многоуровневая амплитудная модуляция с частично подавленной нижней
боковой полосой - Vestigial Side Band (8-, 16-VSB). Модулирующий сигнал
представляет собой 8- или 16-уровневые импульсы, сглаженные
формирующим фильтром. Протяженность нижнего и верхнего срезов спектра
составляет 620 кГц при полной ширине спектра 6 МГц [Г].
Несущая частота в процессе модуляции подавляется, дополнительно
подавляется большая часть нижней боковой полосы. Вместо подавленной
несущей добавляется пилот-сигнал небольшого уровня.
Модуляция 8-VSB предназначена для применения в наземном цифровом
вещании, a 16-VSB - для кабельных распределительных сетей. Обе
разновидности модуляции VSB имеют одномерные созвездия с различным
числом точек.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
69
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
1.5.6 Многочастотная модуляция
В системах наземного цифрового телевизионного вещания существуют
наиболее тяжелые условия приема сигналов, особенно при приеме на
подвижных объектах. Для достижения необходимого качества приема в ряде
систем применяют очень сложные методы модуляции и канального
кодирования. К их числу относится многочастотный метод передачи,
получивший название ортогональное частопюе разделение мультиплекса -
Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM).
Мультиплексом называется цифровой поток, передаваемый по одному
физическому каналу сети вещания.
Суть метода OFDM в следующем. В полосе канала вещания (8 МГц для
России) размещается от 2 до 8 тысяч несущих. Каждая несущая модулируется
низкоскоростным потоком данных, являющимся частью общего цифрового
потока. В качестве первичного метода модуляции разделенных несущих
допускается использовать QPSK, 16-, 64-QAM [I].
Скорость передачи данных в каждом элементарном потоке равна обшей
системной скорости, поделенной на число несущих. Частотное распределение
несущих в полосе радиоканала производится по опрсдслешюму правилу их
ортогональности, допускающему перекрытие скатов смежных спектров, но
при условии, что на центральной частоте каждой из несущих спектральные
составляющие всех остальных модулированных несущих переходят через
ноль. В результате за счет большого числа несущих формируется групповой
спектр мощности, очень близкий к прямоугольному при любом коэффициенте
скругления спектра узкополосных модулирующих сигналов, что дает
максимальную эффективность использования полосы радиоканала. Пример
расстановки несущих в спекгре OFDM показал на рис. 1.36.
Рисунок 1.36 - Групповой спектр несущих частот OFDM
70
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 1. Общие принципы построения систем цифрового телевидения
Поскольку при OFDM передаваемая информация разбита на большое
число низкоскоростных подканалов, то длительность тактового интервала для
каждой несущей намного больше типичной задержки отраженных сигналов
при многолучевом распространении. Это преобразует подверженный
селективному федингу широкополосный канал системы с одной несущей в
большое число независимо федингуюших узкополосных каналов с частотным
разделением.
Более того, при OFDM небольшие труппы несущих частот могут быть
полностью подавлены без потерь принимаемой информации. Для этого вводят
корректирующее кодирование данных в сочетании с частотным и временным
перемежением.
В модуляторе для получения большого количества несущих частот
реализован принцип прямого синтеза группового спектра OFDM с
использованием сигнального процессора, работающего по алгоритму быстрого
преобразования Фурье (БПФ).
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
71
Глава 2. Мультимедийные стандарты
2 Мультимедийные стандарты
2.1 Стандарт цифровой компрессии MPEG-4
До недавнего времени в вещании преобладала концепция «телевидения»
программа готовилась в студии и передавалась как периодическая
последовательность строк изображения и сопутствующих звуков. Все
усовершенствования, включая появление цифрового вещания и стандарта
MPEG-2, не изменили эту концепцию в корне, хотя добавили к ней некоторые
новые аспекты - многопршраммность. подписку, дополнительные услуги,
интерактивность.
В настоящее время традиционная концепция телевидения нс удовлетворяет
уже пользователей аудиовизуальных услуг. Зрители хотят иметь доступ к
видео- и аудиопрограммам через Интернет в интерактивном режиме [6].
Современные требования пользователей аудиовизуальных услуг
сформировали потребность в едином стандарте, который бы определял формат
представления аудиовизуальной информации, совместимый с любой средой
распространения. Помимо этого формат- должен иметь механизм
интерактивного взаимодействия с мультимедийным контентом (содержанием).
В стандарте должны быть предусмотрены возможности передачи
различных видов видео- и аудиоданных - текста, графики, двумерных (2D) и
трехмерных (3D) изображений, натурального и синтезированного видео и
аудио в потоковой форме или в виде загружаемых файлов. Необходимо
обеспечить высокое качество при очень низких скоростях передачи, гибкий
доступ к контенту (с любого места, в ускоренном и замедленном режимах),
средства интерактивного взаимодействия с объектами, вплоть до возможности
абонента влиять на развитие сюжета, совместимость с любой транспортной
средой.
В частности, необходима совместимость с протоколом стандарта MPEG-2,
описанным в первой части ISO/1EC 13818-1 «Системы» для передачи аудио и
видео данных MPEG-4 в виде потока MPEG-2 TS.
Именно эти задачи решает стандарт MPEG-4 «Информационные
технологии - Обобщенное кодирование аудиовизуальных объектов».
Первая версия стандарта была принята в начале 1999 г. и пол учила индекс
1SO/1EC 14496. Вторая версия, дополняющая и расширяющая первую и
обратно совместимая с ней - годом позже.
С мая 2003 года идет активная работа над дополнениями в стандарт па
основе рекомендаций ITV-H.264 «Расширенное кодирование видео для
общего аудиовизуальною сервиса».
Стандарт MPEG-4 вошел в системные проекты сетей цифрового
телевизионного вещання на территории РФ. Благодаря своим преимуществам
перед другими стандартами MPEG-4 находит применение в спутниковых,
кабельных и компьютерных сетях цифрового телевизионного вещания.
В настоящее время стандарт MPEG-4 состоит из основных 22 частей:
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
72
Глава 2. Мультимедийные стандарты
S Часть 1 (1SO/1EC14496-1): «Системы» - Systems: определяет описание
< иены, мультиплексирование, синхронизацию, управление буфером;
V Часть 2 (ISO/IEC 14496-2): «Визуальные средства» - Visual:
। iунифицирует кодированное представление натуральных и синтетических
визуальных объектов;
V Часть 3 (1SO/1EC 14496-3): «Звук» - Audio: описывает кодированное
представление натуральных и синтетических звуковых объектов;
V Часть 4 (ISO/1EC 14496-4): «Проверка соответствия» - Conformance:
описывает процедуру тестирования на совместимость частей стандарта;
S Часть 5 (1SO/IEC 14496-5): «Рекомендуемое программное
/чи-спечеиие» - Reference Software: содержит программные модули для
иемонстрации и более ясного описания других частей стандарта;
Часть 6 (1SO/1EC 14496-6): «Интеграция структуры доставки
иглыпимедиа» - Delivery Multimedia Integration Framework (DMIF):
определяет сеансовый протокол для управления мультимедийными потоками в
обобщенной среде;
V Часть 7 (1SO/1EC 14496-7): «Оптимизация программного обеспечения»
Optimized Reference Software: приводятся примеры того, как сделать
гзучшениереализации программ (например, по отношению к части 5);
S Часть 8 (ISO/IEC 14496-8): «Доставка по 1Р-сетям» - Carriage on IP
networks: указывает метод осуществления доставки контента MPEG-4 на 1Р
сетях;
S Часть 9 (ISO/IEC14496-9): «Рекомендуемое оборудование» - Reference
Hardware: рекомендует аппаратную реализацию для демонстрации других
частей стандарта;
S Часть 10 (ISO/IEC 14496-10): «Расширенное кодирование видео» -
Advanced Video Coding: международный стандарт «Информационная
технология кодирования аудио-визуальных объектов», разработанный на
основе рекомендаций 1TV-T 11.264 «Расширенное кодирование видео для
общего аудиовизуального сервиса» - Advanced video coding for generic
audiovisual services;
V Часть 1) (ISO/IEC 14496-11): «Двоичный формат для сцен» - Binary
Format for Scenes (B1FS): описание сцен, которые могут быть использованы
для интерактивного контента с несколькими профилями, включая 2D и 3D;
S Часть 12 (ISO/1EC 14496-12): «Международный стандарт формата
медиа файла в базе данных» - ISO Base Media File Format: стандарт
формата файлов для хранения медиа-коитента в базе данных:
Часть 13 (1SO/1EC 14496-13): «Управление и защита
интеллектуальной собственности» - Intellectual Property Management and
Protection (1PMP): технология зашиты цифрового контента, такого как
музыка, видео или документы;
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
73
Глава 2. Мультимедийные стандарты
S Часть 14 (1SO/1EC 14496-14): «Формат файла MPEG-4» - MPEG-4
File Format: формат файла-контейнера для MPEG-4, содержание которого
основано нр части 12;
S Часть 15 (1S0/1EC 14496-15): «Формат файла АУС» - АУС File
Format: формат хранения видео файла AVC (часть 10) на основе части 12;
S Часть 16 (1SO/1EC 14496-16): «Расширение основы анимации» -
Animation Framework extension (AFX): набор инструментов для
эффективного кодирования формы, текстуры и анимации интерактивных
синтетических ЗИ-объекгов;
Часть 17 (1SO/1EC 14496-17): «Потоковый формат текстовых
субтитров» • Timed Text subtitle format: метод кодирования текста как одного
из мультимедийных компонентов внутри аудиовизуальных презентаций;
У - Часть 18 (1SO/1EC 14496-18): «Компрессия шрифтов и потоков (для
открытых типов шрифтов)» - Font Compression and Streaming (for OpenType
fonts): технология предоставляет неограниченный доступ к тысячам
существующих шрифтов, поставляемыми различными производителями
шрифта;
У Часть 19 (1SO/IEC 14496-19): «Сиитезироиаппая текстура потока» -
Synthesized Texture Stream: синтезированные аудио, видео потоки
используются для создания синтетических видеоклипов;
У Часть 20 (1SO/1EC 14496-20): «Облегченный формат представления
сцены» - Lightweight Scene Representation (LASeR): спецификация
предназначена для представления и доставки мультимедийных услуг для
устройств с ограниченными ресурсами, таких как мобильные телефоны;
Часть 21 (1SO/1EC 14496-21): «Основа графического расширения
MPEG-J» - Graphical Framework extension (GFX): программное решение для
создания интерактивных мультимедийных приложений;
У Часть 22 (1SO/1EC 14496-22): «Открытая спецификация формата
шрифтов» - Open Font Format Specification (OFFS): формат для
масштабируемых шрифтов компьютера.
Основное отличие MPEG-4 от ранее принятых стандартов - объектно
ориентированное представление медиа-информации.
В стандарте вводится ключевое понятие медиа-объекта - единицы звукового,
визуального или аудиовизуального контента.
Любая сцена разделяется на объекты, которые соотносятся в пространстве
и времени и описываются отдельными элементарными потоками (ЭТТ).
Объекты могут быть натуральными - записанными с видеокамеры или
микрофона, и синтетическими - синтезированными в компьютере.
Такой подход имеет ряд преимуществ:
- более экономно расходуются биты для описания сцены, отдельные
объекты легко использовать в других сценах;
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
74
Глава 2. Мультимедийные стандарты
- упрощается построение масштабируемых объектов и взаимодействие с
объектами;
- появляются широкие возможности взаимодействия пользователя с
выбранным объектом, например, вывод дополнительной информации об
объекте, изменение его параметров (цвета, текстуры, громкости звучания или
языка);
- возможность исключения объекта из сцены, создания пользователем
новых сцен из объектов, полученных от разных источников или хранящихся в
памяти терминала.
Все эти операции требуют лишь изменения описания сцены, а это вполне
под силу процессору абонентского терминала.
2.1.1 Описание сцены
Для описания сцены и ее динамического изменения в MPEG-4
используется специально разработанный двоичный язык BIFS (Binary Formal
for Scenes - двоичный формат описания сцен). Описание сцены указывает
декодеру, где и когда воспроизводить объекты, входящие в сцену, и как
реагировать на воздействие пользователя. Чтобы увязать элементарный поток
(ЭГГ) с медиа-объектами в сцепе, используются дескрипторы объекта. Они
переносят информацию о числе и свойствах элементарных потоков, связанных
с конкретными медиа-объектами. Сами дескрипторы также переносятся в
одном или нескольких ЭП,. поэтому нетрудно добавить или удалить объект во
время сеанса.
Потоки дескрипторов могут рассматриваться как описания потоковых
ресурсов для представления, а описание сцены служит для изменения
пространственно-временного размещения объектов в сцене.
MPEG-4 определил специальный язык синтаксических описаний для
точного описания синтаксиса потоков, переносящих информацию о медиа-
объектах и описания сцен. Он представляет собой расширение языка C++ и
позволяет дать точное описание синтаксиса и в то же время упростить
проверку на соответствие.
BIFS оперирует двумя протоколами модификации сцены во времени -
командным (BIFS-Command) и анимационным (BIFS-Anim).
Командные потоки BIFS позволяют загружать новую сцену, изменять
свойства объектов, вводить и уничтожать объекты. Потоки BIFS-Anim
управляют процессами анимации сцены, например, изменением точки взгляда,
перемещением, трансформацией размера, плавным изменением цвета,
освещенности и г.д.
Синхронизация потоков осуществляется путем временной привязки. Как
и в предыдущих стандартах MPEG, один вид временной метки обеспечивает
синхронизацию тактовых частот кодера и декодера, метки другого вида,
привязанные к функциональным единицам аудиовизуальных данных,
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
75
Глава 2. Мультимедийные стандарты
содержат желаемое время декодирования (для единиц доступа) или время
завершения компоновки (для компоновочных единиц).
Основные принципы BJFS заимствованы из языка VRML (Virtual Reality
Modelling Language - язык моделирования виртуальной реальности),
разработанного для создания 3D графики. Это широко распространенный'!
язык программирования, точнее, эффективный 3D формат обмена, как бы
объемный аналог НTML. Дело в том, что некоторые виды информации лучше
воспринимаются в объемном виде - шры. результаты научных исследований,
архитектурные решения. VRML обеспечивает интеграцию трехмерных,
двумерных, текстовых и мультимедийных объектов в связную модель. Он
оперирует объектами, каждый из которых имеет различные аттрибуты.
Объект называется узлом, а аттрибуты - полями. Число полей зависит от
типа узла. Полный перечень узлов и полей известен как граф (разветвленная
древообразная структура). VRML включает большинство используемых в 3D
приложениях средств: иерархические трансформации, источники света, выбор
точки взгляда, анимацию, свойства материала, отображение текстуры и т.д.
Язык B1FS позаимствовал у VRML структуру описания сцены в виде
графа, модели поведения, графические примитивы для построения 3D-
изображеннй: конусы, сферы, сетки, текстовые примитивы, текстурирование и
подсветку (всего их 36).
В то же время B1FS имеет существенные отличия от VRML, в него
внесены новые решения:
1. VRML - язык высокого уровня, BIFS - двоичный, благодаря этому
объем сообщений в нем в 10-15 раз меньше, чем в VRML-,
2. VRML работает с файлами, предварительно загружаемыми в1
процессор, a BIFS предназначен в первую очередь для потоковой передачи в
реальном времени;
3. B1FS позволяет работать как с 2D, так и с 3D объектами, осуществлять
масштабирование, перемещение, вращение, более того, впервые решена задача
представления в одной сцене и 2D, н 3D объектов.
Новая версия B1FS предусматривает анимацию фигуры, улучшенную
модель направленности источника звука, модель окружающей звуковой среды
в интерактивной виртуальной сцене, учитывающую отражение звука от стен
помещения (реверберацию, эффект Доплера, наличие препятствия между
источником звука и пользоват елем), введение иерархических 3D сеток.
2.1.2 Дост авка потоков данных
Полученные в результате кодирования элементарные потоки необходимо
доставить к декодеру. Для этого MFEG-4 предлагает двухуровневый механизм
мультиплексирования, показанный па рис. 2.1.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
76
Глава 2. Мультимедийные стандарты
Элементарные потоки (Э П)
к Пакетир' важные элементарны потоки (ПЭП
[ FlexMux I I Flex Мих |
। ------------1 ।---------1
Потоки
Интерфейс DMIF
приложений
Передача
фойлое
| Вещанно
Интерактивный MPEG-2
канал ; тп
DMIF
tsMux
Сетевой интерфейс DM IF
UDP/IP
Уровень DMIF
Потоки TraneMux
Транспортная среда
AAL2/
ATM
'Цифроаое
рядно*
___-11____ Lamias.
Урааань TrentMux Г
(не еходитх л» MPEG-4) X
Ка^п Гтп<
Рисунок 2.1 - Двухуровневый механизм мультиплексирования
цифрового потока в стандарте MPEG-4
Элементарные потоки поступают на мультиплексирование, пройдя уровень
синхронизации SL (Sync Layer), где в заголовки пакетированных
элементарных потоков (ПЭП) вводятся временные мет ки.
Первый уровень, названный FlexMux, играет вспомогательную роль в
мультиплексировании, он объединяет низкоскоростные потоки с одинаковыми
требованиями к качеству передачи, чтобы уменьшить их число в сложных
сценах и сократить время передачи. Использование FlexMux не является
обязательным, и он может быть пустым, если следующий уровень
обеспечивает все необходимые функции FlexMux не имеет собственных
средств защиты от ошибок.
Второй уровень, TrunsMux (Transport Multiplexing), предлагает
транспортные услуги по передаче потоков с заданным качеством
обслуживания. Условия передачи предполагают необходимую пропускную
способность, допустимый уровень ошибок, максимальное время задержки,
приоритет и т.д. TransMux не является транспортным протоколом как
таковым, оп представляет собой скорее интерфейс между кодером MPEG-4 и
стандартным транспортным протоколом. В качестве такового могут
использоваться протокольные стеки RTP/UDP/1P, AALS/ATM, транспортный
поток MPEG-2TS.
Взаимодействие с транспортной средой управляется протоколом DM1F
(часть 6 стандарта MPEG-4). Он устанавливает соединение с удаленным
абонентом, выбирает подлежащие передаче потоки и посылает запрос на их
Цифровое телевидение/ В. Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
77
Глава 2. Мультимедийные стандарты
передачу. Порт DM1F посылает отметки к тем точкам, откуда будут
передаваться потоки, и устанавливает соединение. Функции DMIF по связи с
транспортными протоколами реализуются через интерфейс DAI (DM1F
Application Interface), который получает ПЭП от уровня синхронизации и
переводит запросы DM1F в команды, воспринимаемые конкретным
протоколом. Команды для разных протоколов могут быть различными.
На приемном конце индивидуальные ЭП выделяются из пришедшего
транспортного потока путем демультиплексирования (рис. 2.2). На этом этапе
DM1F не отвечает за работу транспортного протокола, он подключается
только при наличии потоков FiexMux.
Выделенные после демультиплексирования пакеты ПЭП обрабатываются с
целью извлечения из них информации о синхронизации. Эта информация
переносится в заголовках пакетов, генерируемых на уровне синхронизации.
Во второй версии стандарта введены два дополнительных механизма,
облегчающие транспортировку и опознавание элементарных потоков.
Первый предназначен для организации передачи файлов и имеет вид
специального файлового формата представления контента с расширением
.mp4. Он содержит большой объем описательной информации, позволяющей
передавать файлы с помощью любых протоколов, редактировать их
содержимое и воспроизводить его на разных терминалах. В основу положен
популярный формат Quick Time.
Второй механизм - интерфейс программных приложений MPEG-4 с
кодами известного языка программирования Java — призван облегчить
интеграцию Java-приложений в структуру MPEG-4. Он будет принимать ЭП
Jaw-приложений, обрабатывать их и направлять к соответствующим
компонентам MPEG-4 плейера.
Усовершенствование протокола DM1F во второй версии стандарта
касается введения возможности работы с мобильными средствами связи,
обеспечения более широкого класса параметров качества обслуживания (QoS),
поддержания сеансовой работы одновременно с несколькими сетевыми
провайдерами, имеющими собственные порты, и т.д.
2.13 Кодирование визуальных объектов
Первоначально предполагалось ограничить пределы скорости цифрового
потока MPEG-4 видео значениями 4,8 кбит/с снизу и 64 кбит/с сверху. Однако
в ходе разработки стало ясно, что заложенные принципы кодирования
значительно мощнее, чем только кодирование на сверхнизких скоростях.
Предел сверху был расширен до 10 Мбит/с в первой версии, до 38 Мбит/с во
второй версии и ведется работа по его дальнейшему расширению. Тем не
менее, визуальная часть стандарта нс предназначена для вещательного
телевидения, хотя и может обеспечить очень высокое качество изображения.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
78
Глава 2. Мультимедийные стандарты
Рисунок 2.2 - Структура терминала MPEG-4
Основные требования, заложенные в разработку второй части стандарта,
сводились к трем условиям:
- эффективное кодирование натуральных и синтетических изображений;
- высокая функциональность в интерактивном окружении;
- устойчивость в среде распространения с ошибками.
Средства представления натурального видео в MPEG-4 обеспечивают
стандартизованную технологию обработки, хранения и передачи текстуры,
изображений и видео для мультимедийных применений. В отличие от MPEG-
2, где вся сцена раскладывалась до пиксела и затем осуществлялось
однородное кодирование всего изображения, в MPEG-4 сцена разбивается на
видеообъекты.
Для каждого объекта описываются:
- форма;
- текстура;
- местоположение;
- оптические характеристики (яркость, цвет, положение светотени);
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
79
Глава 2. Мультимедийные стандарты
- параметры движения - перемещение, вращение, изменение масштаба.
Данные кодируются со сжатием, упаковываются в отдельные
элементарные потоки, мультиплексируются и передаются декодеру.
Визуальная сцена может состоять из одного или нескольких объектов.
Каждый объект характеризуется пространственной и временной информацией
в виде формы, текстуры и движения.
Пользователь может восстановить сцену в ее исходном виде, а может
произвести определенные манипуляции - исключить часть объектов или
ввести новые, изменить точку взгляда, масштаб, цвет и т.д. Разумеется,
пользователь может внести только те изменения, которые предусмотрел автор.
Стандарт обработки визуальных объектов поддерживает широкий
диапазон изменения входных параметров видеопоследовательности:
- развертка может быть прогрессивной и чересстрочной;
- пространственное разрешение по яркости от 8x8 до 2048x2048 пике.;
- в цветовом пространстве допускаются монохромный и Y, Ск, Ск
сигналы;
- пространственное разрешение по цветности «4:0:0», «4:2:0» и «4:2:2»-,
- частота кадров может изменяться от 0 до 30 Гц и более;
- разрядность квантования - 8 бит с возможностью изменения от
4 до 12 бит.
Нетрудно убедиться, что возможности выбора параметров значительно
шире, чем даже в MPEG-2.
В зависимости от скорости цифрового потока могут использоваться
алгоритмы, относящиеся к одной из трех труни:
1. Низкоскоростное видео (VLB V- Very Low Bit-rate Video')
- скорость 5...64 кбит/с;
- разрешение не выше CIF (Common Interchange Format) - единый
формат обмена с разрешающей способностью 352x288 отсчетов;
- частота кадров до 151 ц.
Основное назначение - кодирование обычных прямоугольных
изображений с высокой эффективностью дня мультимедийных приложений
реального времени, а также системы случайного доступа к мультимедийным
базам данных с быстрым поиском «вперед» и «назад».
2. Высокоскоростное видео - скорость 64 кбит/с... 10 Мбит/с. Те же
применения, но с более высоким пространственным и временным
разрешением и качеством близким к цифровому вещанию.
3. Кодирование, основанное на контенте, поддерживает отдельное
кодирование и декодирование натуральных объектов в сценах с гибридным
кодированием. Эта группа допускает смешение некоторого числа реальных и
виртуальных (синтетических) видсообьектов.
Визуальный цифровой поток MPEG-4 можно изобразить иерархической
последовательностью уровней, как показано на рис. 2.3.
Цифровое телевидение/ B.JI. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
80
Глава 2. Мультимедийные стандарты
Последовательность визуальных объектов (РУ- Visual Object Sequence) в
этой иерархии соответствует видеопоследовательности в MPEG-2 и
отображает сцену с произвольным числом 2D и 3D реальных и синтетических
объектов и их улучшающих слоев.
Видеообъект (ИО) соответствует обычному двумерному объекту в сцене.
В самом простом случае он может быть прямоугольным кадром, в общем
случае - объектом произвольной формы.
Слой видеообъекта (VOL) - соответствует каждому ЭП, описывающему
видеообъект.
Каждый видеообьект дискретизируется во времени и такой временной срез
(отсчет) видеообъекта называется плоскостью видеообъекта (VOP).
Несколько плоскостей могут объединяться в группу плоскостей
видеообъекта (GOV).
Эта иерархия напоминает структуру видеопоследовательности MPEG-2.
VOP-..VOP, VOP*.., VOP.
VOPi.VOP.
У»ом«»»
Рисунок 2.3 - Структура визуального цифрового потока
Плоскости видеообъекта могут кодироваться независимо (/-кодирование),
или совместно, с применением компенсации движения (Р- л Л-кодировагше).
Обобщенная схема кодера MPEG-4 показана па рис. 2.4. Она включает
кодирование формы и компенсацию движения, а также кодирование текстуры,
базирующееся на дискретно-косинусном преобразовании (ДКП).
Каждый вндеообъекг кодируется отдельно, затем цифровые потоки
объединяются.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
81
Глава 2. Мультимедийные стандарты
В стандарте MPEG-4 применяются два метода кодирования информации о
форме объекта - бинарное и градационное.
При бинарном кодировании оперируют матрицей того же размера, что и
плоскость .видеообъекта, элементы которой могут принимать значения только
1 или 0 в зависимости от того, находятся ли они внутри объекта или вне его.
Градационное кодирование более гибкое, оно описывает элементы
матрицы 8-битовыми словами и позволяет кодировать «полупрозрачные» и
«затуманенные» изображения.
Для цифрового сжатия плоскости видеообъектов разбиваются на
макроблоки размером 8x8 или 16x16 пике., содержащие блоки отсчетов
яркости и цветности. К этим блокам применяется ДКП с последующим
квантованием и кодированием квантованных разностей. Процесс схож с
обычным цифровым сжатием в стандартах MPEG.
Рисунок 2.4 - Обобщенная структурная схема
видеокодера MPEG-4
Кодирования текстуры и неподвижных изображений поддерживается в
MPEG-4 специальным режимом кодирования, основанным на волновом
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
82
Глава 2. Мультимедийные стандарты
преобразовании с нулевым деревом. Наряду с высокой эффективностью сжатия
этот метол обеспечивает пространственную масштабируемость (до 11
уровней) и непрерывную масштабируемость по качеству.
Масштабируемость в MPEG-4 обеспечивается передачей для видеообъекта
нескольких цифровых потоков - VOL, один из которых базовый, остальные -
улучшающие.
При пространственном масштабировании может быть достигнуто
улучшенное пространственное разрешение. Временное масштабирование
сглаживает движение. На рис. 2.5 показано, как в этом случае кодер и декодер
обрабатывают поступающие потоки.
Рисунок 2.5 - Масштабируемое кодированис/декодирование
в стандарте MPEG-4
Предпропессор субдискретизируст поступающие временные отсчеты VOP
и разделяет их на базовый и улучшающий слои. Поток базового слоя
передается обычным путем, а в канале улучшающего слоя передается только
разность между сигналом, поступившим от процессора, и сигналом,
восстановленным промежуточным процессором. На приеме процессы
происходят в обратном порядке.
Дальнейшему сокращению цифрового потока способствует глобальная
компенсация движения, основанная на передаче статических спрайтов.
Спрайтом называется часть видеообъекта, которая устойчиво
присутствует в нем практически без изменений на протяжении довольно
длительного времени. Это могут быть, например, панорамный задний план
или группа неподвижных предметов, закрывающая значительную часть кадра.
Такое почти статическое изображение может быть передано полностью один
раз, в начале трансляции, а затем корректироваться декодером по мере
необходимости.
Информация о форме и текстуре спрайта кодируется как I-VOP.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
83
Глава 2. Мультимедийные стандарты
Для каждого следующего изображения в последовательности кодируются
только 8 параметров глобального движения, описывающих движения
телекамеры. Чтобы снизить задержку, сначала передают часть информации
спрайта с грубым квантованием, а -.затем добавляют более тонкие структурные
особенности.
Можно также передать часть изображения, необходимую для
реконструкции первых VOP, а затем дослать по частям остальные участки
спрайта. На практике применяется сочетание обоих методов.
На рис. 2.6 схема декодера показана более детально. Здесь видно, как
обрабатываются и затем объединяются данные о форме и текстуре
изображения.
Рисунок 2.6 - Декодирование видеокадра MPEG-4
В цифровом потоке визуальной информации применяются
дополнительные меры для повышения устойчивост и к ошибкам:
- Pecunxjxmtnaipm. После определенного количества битов в поток
вводятся маркеры, отмечающие точки, к которым декодер переходит при
потере части битов в потоке.
- Разделение данных. Данные о перемещении и о текстуре разделяются
на более мелкие порции дня облегчения маскирования.
- Код расширения заголовка. Вводится дополнительная кодозащита в
заголовок пакета, повышающая его устойчивость к ошибкам.
- Реверсивное кодирование с переменной длиной. /Содовые слова
реверсивного кода могут декодироваться как с начала, так и с конца. Если
декодер встречает поврежденные биты, он не отбрасывает всю оставшуюся
часть слова, а декодирует его с противоположного конца до поврежденного
участка, минимизируя потери.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
84
Глава 2. Мультимедийные стандарты
Синтетические объекты представляют значительный раздел компьютерной
графики. В стандарт MPEG-4 включены следующие операции с объектами
гакого рода:
- параметрические описания синтезированного лица и фигуры;
- кодирование статических и динамических сеток с отображением
гекстуры;
- кодирование текстуры для приложений.
Метод анимации предполагает однократную передачу базового
статического образа и последующую досылку сообщений, описывающих
динамические изменения объекта.
В первой версии стандарта этот метод используется для передачи
синтезированного человеческого лица. За основу берется обобщенный шаблон
лица с нейтральным выражением - один из хранимых в базе или специально
загружаемый на передающей стороне. Он дополняется индивидуальными
чертами, текстурой, выражением с помощью управляющих параметров {Facial
Definition Parameters - параметры, определяющие лицо). Другая группа
параметров {Facial Animation Parameters - параметры анимации лица)
изменяет выражение лица, вводит мимику, артикуляцию. Параметры
передаются в отдельных потоках, для сжатия используется кадровое
кодирование сДКЛ.
Двумерная сетка представляет собой часть плоскости, поделенную на
полигональные (многоугольные) участки. Точки пересечения линий
называются узлами. MPEG-4 рассматривает только треугольные сетки. Сетка
может быть заполнена текстурой, тогда ее называют контент) ю-наполленной
(content-basetl).
Для описания сетки в динамике достаточно передать геометрию сетки и
описать движение всех ее узлов. При этом треугольные участки текущего
кадра получаются путем деформации треугольных участков опорного кадра,
текстура также деформируется путем параметрического отображения векторов
перемещения узлов сетки.
Двумерное моделирование может быть использовано для эффективного
сжатия, если передавать опорные ключевые кадры и посылать векторы
перемещения и информацию о текстуре для восстановления промежуточных
кадров.
Во второй версии стандарта добавлены новые технологии и алгоритмы,
позволившие повысит ь эффективность кодирования, устойчивость к ошибкам,
улучшить временное разрешение при малой задержке в буфере.
В частности, введен режим глобальной компенсации движения. Точность
компенсации повысилась до 1/4 пиксела. Внедрены три новых инструмента
кодирования текстуры и неподвижных изображений:
- волновое кодирование с разделением на небольшие самостоятельно
кодируемые участки;
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
85
Глава 2. Мультимедийные стандарты
- масштабируемое кодирование формы;
~ сегментация и пакетирование для повышения устойчивости к ошибкам.
Интересным новшеством второй версии является возможность
кодирования кратных изображений (стереоскопических) с устранением
избыточности между ними.
В области синтетических изображений основными нововведениями второй
версии можно считать средства анимации человеческой фигуры (теми же
методами, что и лица в первой версии) и кодирование трехмерных
полигональных сеток.
2.1.4 Профили и уровни стандарта 1MPEG-4
MPEG-4 представляет собой обширный набор средств и алгоритмов
кодирования аудиовизуальных объектов. Чтобы сделать реализацию декодера
экономически оправданной и облегчить проверку на соответствие стандарту, в
некоторых разделах определены ограниченные наборы инструментов,
называемые Профилями.
Для каждого из профилей установлены один или несколько уровней,
ограничивающих требования к вычислительным способностям декодера.
Понятие Профиля введено для визуальных объектов, аудио, системы и
описаний сцены. Однако специфика MPEG-4 потребовала некоторых
дополнений по сравнению с предшествующими стандартами. В MPEG-2
видеокадр можно представить себе как один прямоугольный объект,
занимающий всю сцену, и для него достаточно определить один профиль.
В MPEG-4 объектов может быть несколько, для каждого оптимальным
будет свой профиль, поэтому введена дополнительная градация, как
промежуточная между уровнем и профилем - тип объекта. Этот параметр
определяет син таксис (структуру) цифрового потока для одиночного объекта.
Профиль же определяет набор типов объектов, которые могут присутствовать
в сцене.
Для натуральных объектов определены пять типов объектов*.
1. Простой - прямоугольный объект с произвольным форматом,
использует простые средства кодирования, основанные на 1- и P-VOP.
2. Простой масштабируемый - прямоугольный объект с
пространственным и временным масш табированием.
3. Базовый - производный от Простого, с добавлением B-VOP.
Чересстрочная развертка не поддерживается.
4. Основной - обеспечивает высшее качество, по сравнению с Базовым
дополнительно поддерживает градационное кодирование формы, спрайты.
чересстрочное разложение.
5. N-битовый - аналогичен Базовому, но допускает квантование
плоскостей яркости и цветности с разрядностью от 4 до 12 бит.
Цифровое телевидение/ B.JI. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
86
Глава 2. Мультимедийные стандарты
Для кодирования неподвижных натуральных визуальных объектов
i уществует специальный тип объекта:
Неподвижная масштабируемая текстура - неподвижное изображение
произвольной формы, использует волновое кодирование и пошаговую
ыгрузку и восстановление.
Для синтетических объектов определены следующие три типа объектов:
I. Анимированная двумерная сетка - объединяет синтетическую сетку с
натуральным видео, кодируемым по Базовому типу. Видео может
отображаться на сетку и деформироваться путем перемещения ее узлов - это
длет интересные анимационные возможности. Визуальный объект может быть
побей формы.
2. Базовая анимированная текстура - анимация неподвижных
изображений.
3. Примитивное лицо - средство анимации человеческого лица. Этот
'.и объекта не определяет конкретное лицо, анимация может быть применена
к любой выбранной модели.
Профили, как уже сказано, определяют, какие типы визуальных объектов
могут присутствовать в сцене. В первой версии стандарта девять профилей,
допустимые сочетания профилей и типов объектов приведены в табл. 2.1.
Простой профиль допускает присутствие только объектов Простого типа
и предназначен в первую очередь для мобильных служб и Интернета. Он
поддерживает до 4-х объектов в сиене с максимальным разрешением QCIF
(Quarter <7F-четвертая часть формата C/Fc числом элементов 176x144).
Три уровня ограничивают скорость потока в пределах от 64 до 384 кбит/с,
максимальную площадь, занимаемую объектом, и число макроблоков в
секунду, которое декодер должен обработать.
Простой масштабируемый профиль может осуществлять кодирование с
масштабированием при тех же предпосылках, имеет два уровня.
Базовый профиль воспринимает типы объектов Простой и Базовый,
полезен для интерактивных приложений.
Основной профиль создавался с учетом вещательных служб. Самый
высший уровень Основного профиля поддерживает до 32 объектов Простого,
Базового или Основного типа и максимальную суммарную скорость потока до
38 Мбит/с.
N-битовый профиль работает с объектами Простого. Базового и
/^-битового пита и полезен в специальных системах наблюдения и
медицинского контроля, где требуется широкий динамический диапазон
яркости и насыщенности.
Из остальных профилей наибольший интерес представляет Гибридный
профиль, объединяющий натуральные и синтетические типы объектов. Он
полезен при помещении реального объекта в синтетический мир и, наоборот,
синтетического объекта в реальное окружение.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
87
Глава 2. Мультимедийные стандарты
Таблица 2.1 - Профили и типы объектов MPEG-4
'к Профиль Тип объекта X. Простой Простой масштабируемый Базовый Основной 1 N-битовый Масштабируемая текстура Простой, анимация лица Базовая анимированная структура Гйбридный
Простой X X X X X X
Простой масштабируемый X
Базовый X X X
Основной X
N-бнтовый X
Масштабированная структура X X X X
Анимированная сетка X
Базовая аним1ЦХ)ва1шая структура X X
Примитивное лицо X X X
Число уровней 3 2 2 3 1 3 2 2 2
В нижней строке табл. 2.1 указано число уровней, определенных в
стандарте для каждого профиля. В табл. 2.2. показаны параметры потока для
некоторых уровней.
В стандарте установлены следующие точки соответствия: Простой
профиль и Базовый профиль с размерами сиены QC1F и CJF. скоростями
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
88
Глава 2. Мультимедийные стандарты
потока 64, 128, 384 кбит/с и 2 Мбит/с. Для Основного профиля нормируются
форматы CIF, Рек. ВТ.601. ТВЧ со скоростями 2,15 и 38,4 Мбит/с.
Вторая версия стандарта добавила три профиля к натуральному видео:
1. Простой усовершенствованный профиль реального времени
обеспечивает эффективное кодирование с использованием обратного канала
(н идеотелефония, телеконференции, дистанционное наблюдение).
2. Базовый масштабируемый профиль поддерживает пространственное
и временное масштабирование в Базовом профиле.
3. Профиль с улучшенной эффективностью кодирования подходит для
мобильного приема вещательных передач и других применений, где требуется
высокая эффективность кодирования.
Таблица 2.2 - Парамет ры потока для некоторых профилей MPEG-4
Профили и уровни Типовой размер сиены Скорость потока, бнт/с Максимальное число объектов
Простой профиль L1 QCIF 64 к 4
L2 C1F 128 к 4
L3 СП- 384 к 4
Базовый профиль L1 QC1F 384 к 4
L2 CIF 2М 16
Основной профиль 12 C1F 2М 16
L3 Рек. 601 15М 32
L4 1920x1088 38,4 М 32
Три новых профиля введены в синтетическое видео, в том числе
Простой профиль анимации лица и фигуры. Общее число визуальных
профилей достигло 15. Уже после принятия второй версии продолжается
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
89
Глава 2. Мультимедийные стандарты
работа над дополнениями к стандарту. В частности, предполагается ввести
Студийный профиль, в котором VOP с кодированием формы могли бы
передаваться со скоростью несколько сот мегабит в секунду.
2.1.5 Перспективы применения стандарта MPEG-4
С мая 2003 года идет активная работа над дополнениями в стандарт
MPEG-4.
В настоящее время технологии компрессии Я.264/.4ИС стандарта MPEG-4
широко используются в наземных, спутниковых, кабельных и компьютерных
сетях цифрового телевизионного вещания.
Система компрессии стандарта H.264/AVC основана на следующих
документах:
- рекомендации ITV-T Н.264 Advanced video coding for generic
audiovisual services (May 2003) - ITU-T H.264 Расширенное кодирование видео
для общего аудиовизуального сервиса (май 2003):
- стандарт INTERNATIONAL STANDARD ISO/IEC 14496-10
Information technology - Coding of audio-visual objects - Part 10: Advanced
Video Coding. Second edition (October 2004) - Международный стандарт
ISO/IEC 14496-10 Информационная технология - Кодирование аудио-
визуальных объектов - Часть 10: Расширенное кодирование видео. Второе
издание (октябрь 2004).
В технической литературе система компрессии H.264/AVC имеет также
название «Стандарт Н.264/А VC/MPEG-4 Part 10», поскольку она
стандартизована в 10-й части MPEG-4.
2.2 Стандарт компрессии Н.264 / AVC / MPEG-4 Part 10
В последнее время во многих практических приложениях основной целью
стандарта Н.264/А VC/MPEG-4 Part 10 является эффективное сжатие и
устойчивость к сетевым средам для единственного объекта - кадра
прямоугольной формы [71-76]. Поэтому в дальнейшем данный стандарт будем
сокращенно называть системой компрессии H.264/AVC.
Представление кадра в виде совокупности независимых объектов (MPEG-4
Visual) обеспечивает дополнительные функциональные возможности системе
компрессии, но при этом часто возникают проблемы, связанные с
обеспечением устойчивой передачи информации в различных средах при
воздействии помех.
Система компрессии H.264/AVC содержит ряд новых возможностей,
позволяющих значительно повысить эффективность сжатия видео по
сравнению с возможностями систем компрессии в предыдущих стандартах,
обеспечивая также большую гибкость применения в разнообразных сетевых
средах.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
90
Глава 2. Мультимедийные стандарты
Рассмотрим основные отличительные особенности системы компрессии
H.264/AVC
1 Многокадровое предсказание
1.1 Использование сжатых ранее кадров в качестве опорных более
шбко, чем в предыдущих стандартах. Позволяется использование до 32
> сынок на другие кадры, тогда как в более ранних версиях стандарта число
ссылок ограничено одним или, в случае В-кадров, двумя кадрами. Это
поднимает эффективность кодирования, так как позволяет кодеру выбирать
иля компенсации движения между большим количеством изображений. В
большинстве сцен данная функция обеспечивает не очень большое улучшение
и качестве и нс даёт заметного понижения скорости передачи данных. Однако,
пня некоторых сцен, например, с частыми повторяющимися участками,
возвратно-поступательным движением и т. п. данный подход при сохранении
качества позволяет' очень сильно снизить требование по скорости.
1.2 Независимость порядка воспроизведения изображений и порядка
опорных изображении. В предшествующих стандартах устанавливалась
жёсткая зависимость между порядком следования изображений для
использования при компенсации движения и порядком следования
изображений при воспроизведении. В новом стандарте эти ограничения в
шачительной мере устранены, что позволяет кодеру выбирать порядок
изображений для компенсации движения и для воспроизведения с высокой
степенью гибкости, которая ограничена только объёмом памяти, который
П1рантирует возможность декодирования. Устранение ограничения также
позволяет в ряде случаев устранить дополнительную задержку, ранее
снизанную с двунаправленным предсказанием.
1.3 Независимость методов обработки изображений и возможности
и т использования для предсказания движения. В предшествующих стандартах
изображения, закодированные с использованием некоторых методов
(например, двунаправленного предсказания), не могли использоваться в
качестве опорных для предсказания движения других изображений
ипдеопоследовательности. Устраняя это ограничение, новый стандарт
обеспечивает кодеру большую гибкость и, во многих случаях, возможность
использовать для предсказания движения изображение, более близкое по
содержанию к кодируемому.
1.4 Компенсация движения с переменным размером блока (от 16x16 до
4x4 пикселя) позволяет крайне точно выделять области движения.
1.5 Векторы движения, выводящие за границы изображения. В
MPEG-2 и предшествовавших ему стандартах векторы движения могли
указывать только на пикселы, находящиеся в границах декодированного
опорного изображения. В новый стандарт включена методика экстраполяции
за границы изображения.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
91
Глава 2. Мультимедийные стандарты
1.6 Шеститочечная фильтрация компонента яркости для
полупиксельного предсказания с целью уменьшения зубчатости краев п, в
конечном счёте, обеспечения большей чёткости изображения.
1.7 Точность до четверти пиксела при компенсации движения
обеспечивает очень высокую точность описания движущихся областей (что
особенно актуально для медленного движения). Цветность, как правило,
хранится с разрешением, уменьшенным вдвое по вертикали и горизонтали
(прореживание цвета), поэтому компенсация движения для компонента
цветности использует точность в одну восьмую пиксела цветное ги.
1.8 Взвешенное предсказание, позволяющее использовать
масштабирование и сдвиг после компенсации движения на величины,
указанные кодером. Такая методика может чрезвычайно сильно поднять
эффективность кодирования для сцен с изменением освещённости, например
при эффектах затемнения, постепенного появления изображения.
2 Пространственное предсказание от краёв соседних блоков для /-кадров
(в отличие от предсказания только коэффициента трансформации в MPEG-4
часть 2 и дискретно-косинусных коэффициентов в MPEG-2 часть 2). Новая
методика экстраполяции краёв ранее декодированных частей текущего
изображения повышает качество сигнала, используемого для предсказания.
3 Сжатие макроблоков без потерь
3.1 Метод представления макроблоков без потерь с использованием
импульсно-кодовой модуляции (Piilxe Code Modulation PCM), позволяющий
точно описывать определённые области и допускающий строгое ограничение
на количество закодированных данных для каждого макроблока.
3.2 Улучшенный метод представления макроблоков без потерь,
позволяющий точно описывать определённые области, при этом обычно
затрачивая существенно меньше бигов, чем РСМ.
4 Гибкие функции чересстрочного сжатия (поддерживается не во всех
профилях)
4.1 Адаптивное к изображению кодирование полей, позволяющее
кодировать каждый кадр как кадр или как пару полей (полукадров) в
зависимости от отсутствия или наличия движения.
4.2 Адаптивное к макроблокам кодирование полей, позволяющее
независимо кодировать каждую вертикальную пару макроблоков (блок 16х 32)
как прогрессивные или чересстрочные. Позволяет использовать макроблоки
16х 16 в режиме разбиения на поля.
5 Новые функции преобразования
5.L Точное целочисленное преобразование пространственных блоков 4*4
(концептуально подобное дискретно-косинусному преобразованию ПСТ, но
упрощенное и способное обеспечить точное декодирование), позволяющее
точное размещение разностных сигналов с минимумом шума, часто
возникающего в предыдущих кодеках.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
92
Глава 2. Мультимедийные стандарты
5.2 Точное целочисленное преобразование пространственных блоков 8x8
< концептуально подобное DCT, но упрошенное и способное обеспечить точное
те кодирование; поддерживается не во всех профилях), обеспечивающее
большую эффективность сжатия.
5.3 Адаптивный выбор кодеком размеров блока 4 *4 и 8*8.
5.4 Дополнительное преобразование Адамара, применяемое к
тюкретно-косинусным коэффициентам основного пространственного
преобразования (к коэффициентам яркости, и, в особом случае, цветности) для
достижения большей степени сжатия в однородных областях.
6 Квантование
6.1 Логарифмическое управление длиной шага для упрощения
распределения скорости передачи данных кодером и упрошенного вычисления
обратной длины квантования.
6.2 Частотио-оптимизироваииые матрицы масштабирования
квантования, выбираемые кодером для оптимизации квантования на основе
человеческих особенностей восприятия (поддерживается не во всех
профилях).
7 Внутренний фильтр деблокиига в цикле кодирования, устраняющий
артефакты блочности, часто возникающие при использовании основанных на
I >СТ техниках сжатия изображений.
8 Энтропийное кодирование квантованных коэффициентов
трансформации
8.1 Контекстиозависимое адаптивное бинарное арифметическое
кодирование (Context-adaptive binary arithmetic coding, CABAC) - алгоритм
сжатия без потерь для синтаксических элементов видеопотока на основе
вероятности их появления. Поддерживается только в Main Profile и выше.
Обеспечивав г более эффективное сжатие, чем СА VLC, но требует значительно
больше времени на расшифровку.
8.2 Коитекстнозависимое адаптивное кодирование с переменной
длиной кодового слова (Context-adaptive variable-length coding, CAVLC) -
альтернатива CABAC меньшей сложности. Тем не менее, оно сложнее и
эффективнее, чем алгоритмы, применяемые для тех же целей в более ранних
технологиях сжатия видео (как правило, это алгоритм Хаффмана).
8.3 Часто используемое, простое и высоко структурированное
кодирование словами переменной длины многих элементов синтаксиса, нс
закодированных CABAC или CAVLC, известное как коды Голомба
(экспоненциальное кодирование Голомба).
9 Функции устойчивости к ошибкам
9.1 Определение уровня сетевой абстракции, позволяющее использовать
один и тот же синтаксис видео в различных сетевых окружениях, включая
наборы параметров последовательности (sequence parameter sets, SPSs) и
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
93
Глава 2. Мультимедийные стандарты
наборы параметров изображения (picture parameter sets, PPSs), которые
обеспечивают большую надёжность и гибкость, чем предыдущие технологии.
9.2 Гибкое упорядочивание макроблоков, также известное как группы
частей (поддерживается не во всех профилях) и произвольное упорядочивание
частей - методы реструктурирования порядка представления
фундаментальных областей (макроблоков) в изображениях. При эффективном
использовании гибкое упорядочивание макроблоков может существенно
повысить устойчивость к потере данных.
10 Разбиение данных
10.1 Функция, обеспечивающая разделение данных разной важности
(например, векторы движения и другая информация предсказания имеет
большую значимость для представления видеоконтента) но разным пакетам
данных с разными уровнями защиты от ошибок.
10.2 Избыточные части. Возможность посылки кодером избыточного
представления областей изображений, позволяя воспроизвести области
изображений (обычно с некоторой потерей качества), данные о которых были
потеряны в процессе передачи.
10.3 Нумерация кадров. позволяющая создание
«подпоследовательностей» (включая временное масштабирование включением
дополнительных кадров) а также обнаружение (и скрытие) потерь целых
кадров при сбоях канала или пропаже пакетов.
2.2.1 Профили системы компрессии H.264/AVC
Стандарт определяет совокупность параметров системы компрессии
H.264/AVC, ориентированных на конкретные классы приложений, которые
называются профилями.
Baseline Profile (BP) - Базовый профиль
Применяется в недорогих продуктах, требующих дополнительной
устойчивости к потерям. Используется для видеоконференций и в мобильных
продуктах. Включает все возможности Constrained Baseline Profile и,
дополнительно, возможности для большей устойчивости к потерям при
передаче. С появлением Constrained Baseline Profile отошел на второй план,
т.к. все пот оки Constrained Baseline Profile соответствуют Baseline Profile, и оба
этих профиля имеют общий код идентификатора.
Constrained Baseline Profile (СВР)- Ограниченный базовый профиль
Рассчитан на применение в недорогих продуктах. Включает набор
возможностей, обших для профилей Baseline, Main, и High профилей.
Main Profile (MP) - Основной профиль
Применяется для цифрового телевидения стандартной четкости в
трансляциях, использующих сжатие MPEG-4 в соответствии со стандартом
DVB.
Extended Profile (ЕР) - Расширенный профиль
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
94
Глава 2. Мультимедийные стандарты
Предназначен для потокового видео, имеет относительно высокую степень
сжатия и дополнительные возможности для повышения устойчивости к потере
данных.
High Profile (HiP) - Высокий профиль
Является основным для цифрового вешания и видео на оптических
носителях, особенно для телевидения высокой четкости. Используется для
Blu-Ray видеодисков и DVB HDTV вещания.
High 10 Profile (ННОР) - Высокий тцюфнль 10
Дополнительно поддерживает 10-битовую глубину кодирования
изображения.
High 4:2:2 Profile (Hi422P) - Высокий профиль 4:2:2
В основном нацелен на профессиональное использование при работе с
чересстрочным видеопотоком. Поддерживает дополнительный вариант
кодирования цветности.
High 4:4:4 Predictive Profile (Н1444РР) - Высокий профиль 4:4:4
Базируясь на Hi422P, включает еще один вариант кодирования цветности и
работу с 14-битной глубиной кодирования.
Для профессионального применения, стандарт содержит четыре
дополнительных all-lntra («все внутри») профиля, которые характеризуются
отсутствием межкадрового сжатия. То есть при кодировании одного кадра
информация о соседних кадрах не используется:
High 10 Intra Profile
High 4:2:2 Intra Profile
High 4:4:4 Intra Profile
CA VLC 4:4:4 Intra Profile
С принятием расширения Scalable Video Coding (SVC)- маитабируемое
видео кодирование к стандарту были добавлены три профиля,
соответствующие базовым, с добавлением возможности включать потоки
более низкого разрешения.
Scalable Baseline Profile
Scalable High Profile
Scalable High Intra Profile
Добавление расширения Multiview Video Coding (MVC) - многовидовое
видео кодирование принесло еще два дополнительных профиля:
Stereo High Profile
Этот профиль рассчитан на стереоскопическое 3D видео (два
изображения).
Multi view High Profile
Этот профиль поддерживает два или несколько изображений (каналов) в
потоке с использованием как межкадрового, так и межканального сжатия, но
не поддерживает некоторые возможности MVC.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
95
Глава 2. Мультимедийные стандарты
2.2.2 Уровни системы компрессии H.264/AVC
Согласно определению стандарта, «уровень» является определенны!
набором ограничений, указывающих степень требуемой производительное!!
декодера для профиля (таб.2.3).
Таблица 2.3 - Параметры уровней для некоторых профилей системы
компрессии Н.264/А УС
Уровень Max video bit rate-максимальная скорость передачи видео данных
ВР.МР (кбит/с) HiP (кбит/с) НП0Р (кбит/с) Ш422Р, Ш444РР (кбит/с) Максимальное разрешение и частота кадров
1 64 80 192 256 128х96@30.9 176* 144© 15.0
lb 128 160 384 512 128*96@30.9 176х|44@15.0
1.1 192 240 576 768 176х|44©30.3 320х240@10.0 352x288^)7.5
1.2 384 480 1152 1536 320х240@20.0 352х288©15.2
1.3 768 960 2304 3072 320*240©36.0 352х288©30.0
2 2000 2500 6000 8000 320х240©36.0 352х288©30.0
2.1 4000 5000 12000 16000 352х480©30.0 352х576(й!25.0
2.2 4000 5000 12000 16000 352x480^30.7 352х576@25.6 720*480© 15.0 720x576© 12.5
3 10000 12500 30000 40000 352х480©61.4 352х576@51.1 720х480@30.0 720х576©25.0
3.1 14000 17500 42000 56000 720х480@80.0 720*576@66.7 1280х 720©30.0
3.2 20000 25000 60000 80000 1280х720@60.0 1280х1,024©42.2
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
96
Глава 2. Мультимедийные стандарты
4 20000 25000 60000 80000 1280х720@68.3 1920x1,080@30.1 2048x1,024@30.0
4.1 50000 62500 150000 200000 1280*720@68.3 1920x1,080@30.1 2048x1,024@30.0
4.2 50000 62500 150000 200000 1920х1,080@64.0 2048x1,080® 60.0
5 135000 168750 405000 540000 1920х|,080® 72.3 2048x1,024® 72.0 2048x1,080® 67.8 2560x1,920®30.7 3680x1,536@26.7
5.1 240000 300000 720000 960000 1920x1,080@ 120.5 4096x2,048®30.0 4096x2,304®26.7
Например, поддержка уровня в профиле будет указывать максимальное
1>п<рещение изображения, частоту кадров и скорость передачи данных.
Декодер, который соответствует данному уровню, обязан декодировать все
потоки битов, которые кодируются для этого уровня и для всех более низких
уровней.
Как отмечалось ранее, система компрессии H.264/AVCвошла в системные
проекты сетей цифрового телевизионного вещания на территории РФ
Благодаря своим преимуществам система находит также широкое
применение в спутниковых, кабельных и компьютерных сетях цифрового
телевизионного вещания.
Переход на цифровое вешание предоставляет новые возможности по
количеству программ, качеству изображения и звукового сопровождения,
передаче дополнительных данных и предоставлению новых услуг.
Представляет интерес цифровое телевизионное вещание в компьютерных
сетях передачи данных.
В последние годы разработаны две поправки к H.264/AVC -
масштабируемое видеокодирование (Scalable video coding - SVC) и
многоракурсиое видеокодироваине (multiview video coding - МУС). Их
рождение обусловлено увеличением потребностей новых приложений, а также
|х>стом сетевых возможностей.
2.2.3 Масштабируемое видеокодироваине H.264/AVC SVC
Во многих практических приложениях при передаче цифрового
телевидения требуется наличие нескольких версий исходного видеопотока,
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
97
Глава 2. Мультимедийные стандарты
различающегося по качеству (например, пространственное разрешение,
частота кадров и т.д.). Задача может быть решена при независимом
кодировании каждого потока с помощью кодека H.264/AVC. Данный подход
используется, например, при организации ТВ вещания по каналам передачи
данных с различной полосой пропускания (рис.2.7).
Рисунок 2.7 - Независимое кодирование для передачи
видеоинформации но каналам с различной пропускной способностью
На рис. 2.7 представлен вндсоисточник, от которого требуется передать
клиентам видеопоток по каналам связи с различной пропускной способностью.
В этом примере, исходный видеоклип кодируется трижды, для формирования
трёх независимых ЛИС-потоков, каждый из которых передаётся и
декодируется.
Основной недостаток такого вешания заключается в том, что одна и та же I
видеопоследовательность кодируется в три битовых потока, содержащих I
значительную избыточность. Причем для повышения качества передаваемой
информации необходимо расширение пропускной способности канала. При!
ограниченных ресурсах канала повышение качества можно добиться!
благодаря уменьшению избыточности в передаваемых потоках путем'
масштабирования информационных параметров.
Целью масштабируемого кодирования видео (Scalable Video Coding, SVC) I
является адаптация скорости передаваемой информации к пропускной
способности каналов передачи данных благодаря сокращению избыточности в
различных версиях одной и той же видеопоследовательности.
Рассмотрим применение SVC на примере рис. 2.8. ,
Одиночный УГС-кодер генерирует три битовых потока, называемых I
уровнями (layers). Нижний или базовый уровень base layer (уровень 0 - на I
рисунке) - поток, который декодируется стандартным одноуровневым
декодером, например, Я.26-/-декодером, содержит видеопоследовательность с '
самым низким из доступных параметров качества (разрешения). Один или '
более улучшенных уровней (enhancement layers), уровни 1 и 2 в этом примере,
кодируются как ^КС-потоки. Для получения последовательности лучшего
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
98
Глава 2. Мультимедийные стандарты
качества, 5ГС-декодер декодирует базовый уровень и один или несколько
улучшенных уровней.
Рисунок 2.8 - Масштабируемое кодирование для передачи видеоинформации
по каналам с различной пропускной способностью
В примере рис. 2.8, используется стандартный Л ГС-декодер,
декодирующий уровень 0 для получения последовательности низкого
качества; декодирование уровней 0 и 1 STC-декодером позволяет получить
последовательность среднего качества; декодирование уровней 0, 1, 2 5ГС-
декодером даёт на выходе последовательность наилучшего качества.
Масштабируемое кодирование SVC использует имеющуюся избыточность
последовательностей различного разрешения для улучшения качества
принимаемой информации от низкого качества, соответствующего базовому
уровню, до наилучшего качества при декодировании информации с
использованием всех улучшающих уровней. Таким образом, в отличие от
вещания с независимым кодированием (рис. 2.7) при масштабируемом
кодировании (рис. 2.8) предъявляются меньшие требования к пропускной
способности каналов для обеспечения необходимого качества вещания.
Область применения масштабируемого видеокодироваиия
Рассмотрим основные приложения, в которых эффективно применение
масштабируемого кодирования видео.
1. Множество устройств, обладающих различными возможностями
приема информации.
Всё чаще один и тот же видеоматериал кодируется и передаётся на
множество устройств. обладающими различными техническими
характеристиками. В качестве примера можно сравнить возможности КПК
(карманного компьютера), имеющего невысокую пропускную способность
сети и маленький экран и компьютера с высокоскоростным соединением и
HD-монитором.
Ряд факторов может отраничнвать возможности конкретного устройства:
скорость соединения, разрешение экрана и процессорная мощность.
Масштабирование видеопотока позволяет поддерживать широкий диапазон
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
99
Глава 2. Мультимедийные стандарты
декодирующих устройств с максимально возможным качеством приема
информации для каждого из них.
2. IP -приложения.
Телевизионное вещание, как правило, имеет четко определенный
гарантированный канал передачи. Однако в /Р-приложениях, таких как
видеоконференции или IPTV, качество приема информации зависит от
различных факторов. В частности, от объема передаваемого трафика, от
задержек (заторов) в сети, связанных с изменением параметров каналов
передачи данных в течение сеанса видеоконференцсвязи или во время
просмотра зрителями телевизионных вещательных программ.
Масштабируемое кодирование предлагает механизмы максимизации
качества в конкретный момент времени для заданного декодера. Например,
сервер потокового вещания передаёт базовый и улучшенные уровни
видеоматериала. Декодер пытается получить все доступные передаваемые
уровни. Если все уровни успешно получены, декодер выдаёт максимально
доступную по качеству информацию. Если в процессе передачи изменяется
пропускная способность канала, или возникают задержки благодаря
увеличению обьема передаваемого трафика, декодер работает только с
основным (базовым) уровнем вешания.
Пока основной уровень успешно декодируется, происходит стабильное
отображение видеопоследовательности с базовым качеством. Это означает,
что базовый уровень является крайне важным и должен передаваться с более
высоким приоритетом, нежели улучшенные уровни.
3. Архивация.
Хранение видеоряда в виде масштабируемого потока, позволяет
организовать быстрый предварительный просмотр видеопотока с низким
качеством. Например, //^-последовательность кодируется как ряд
масштабируемых уровней. Предварительное извлечение только базового
уровня позволяет быстро получить с низким качеством версию всей HD-
последовательности.
Классы масштабируемости
Масштабируемое кодирование видео (SVC) включено в стандарт
H.264/AVC в качестве приложения (Annex G) и расширяет возможности
оригинального стандарта. Стандарт H.264/AVC SVC поддерживает три
основных класса масштабируемости.
I. Пространственная масштабируемость.
Пространствешгое разрешение дает горизонтальные и вертикальные
размеры видео в пикселях, создавая несколько известных «видео форматов»,
такие как QCIF (176 х 144 пикселей), CIF (352 х 288), SD (720 х 576) и HD (от
1280 x 720 до 1920x1080).
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
100
Глава 2. Мультимедийные стандарты
Способность стандарта SVC включать в себя, например, форматы 4:3 16:9
очень важное свойство пространственного масштабирования, обычно
используемое в вешании SD/HD.
Пространственное масштабирование обычно может использоваться для
передачи одного видео потока битов в PC и портативные устройства или на
слевизоры SD и HD.
Базовый уровень кодируется с низким пространственным разрешением.
Добавление уровней улучшения увеличивает пространственное разрешение
nc-кодируемой последовательности.
2. Временное масштабирование.
Базовый уровень кодируется с низким временным разрешением или низкой
кадровой скоростью. Добавление уровней улучшения увеличивает кадровую
скорость декодируемой последовательности.
3. Масштабируемость качества.
Масштабирование качества предназначено для обеспечения разных
уровней детальности и точности исходного видео, имеющих одинаковые
п|юстранственные и временные определения.
Базовый уровень кодируется с низким визуальным качеством, используя
соответствующие параметры квантования. Добавление уровнен улучшения
увеличивают визуальное качество декодируемой последовательности.
2.2.4 Многоракурсное вндсокодированис H.264/AVC MVC
В последние годы помимо масштабируемого кодирования (Scalable video
coding - SVC) разработано многоракурсное видеокодирование (multiview video
со/ling - MVC). Как отмечалось ранее, их рождение обусловлено увеличением
потребностей новых приложений, а также ростом сетевых возможностей.
Многоракурсное видео, записанное синхронизированными фото- или
видеокамерами с различных точек наблюдения (ракурсов), дает обширную 3D-
пиформацию о сцене и расширяет зрительские впечатления по сравнению с
раднционным видео. Благодаря усовершенствованию технологий захвата и
отображения, многоракурсное видео станет востребованным в
потребительской сфере, включая 3DTV и телевидение с произвольной точкой
наблюдения (Free Viewpoint TV - FTV). 3DTV обеспечивает трехмерное
ощущение глубины наблюдаемого вида, a FTV дает возможность
интерактивного выбора точки наблюдения и направления в пределах
определенного рабочего диапазона углов обзора. Реализация ^-приложений
iniiHCHT от полного цикла обработки, включая захват, сжатие, передачу,
отображение и интерактивное представление. Среди них МVC является одной
ит наиболее многообещающих технологий, поскольку огромный объем
Аниных, пропорциональный числу камер, должен быть сжат до такой степени,
чтобы его можно было передавать в пределах возможностей сетей связи.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
101
Глава 2. Мультимедийные стандарты
Начиная с 2001 года специальная группа MPEG 31)АУ (?Л>-аудио- и
визуальные системы) проводила исследование тематики МУС. В июле 2005
года она выпустила официальное информационное письмо для выдвижения
основанных на экспериментальных данных требований, предъявляемых к
технологии МУС. Все представленные в огвет на информационное письмо
предложения были обратно совместимы со стандартом Н.264/АУС. После
проведенных в течение года сравнительных испытаний и оценки была
реализована первая модель МУС. Поправка МУС к стандарту Н.264/4УС,
наряду с временным предсказанием, предполагает использование
межракурсного (infer-) предсказания для устранения ыежракурсной
статистической избыточности.
Поправка МУС допускает широкий диапазон совместно применяемых
структур временного н межракурсного предсказания, что делает возможным
достижение компромисса между эффективностью кодирования и сложностью
декодирования, включая управление задержкой н буфером декодированного
изображения. Все возможные структуры совместно применяемых временного
п межракурсного предсказания в основном относятся к особым случаям,
определяемым поправкой масштабируемого кодирования видео ($УС).
Таким образом, не требуется внесение изменений в STC. за исключением
некоторых разработок высокого уровня, сосредоточенных на интерфейсе,
передаче битовых потоков МУС и управлении ресурсами декодера МУС.
2.2.5 Проект нового стандарта компрессии
Стремительный рост потока видеоинформации определяет появление и
развитие новых мультимедийных и коммуникационных приложений.
Требуемый рост разрешения, глубины квантования цвета, числа кадров в
секунду и т.д. уже не может быть поддержан существующими методами
кодирования видео.
Комитет по стандартам занят в настоящее время принятием решения по
элементам нового стандарта, которые, как предполагается, вновь наполовшту
уменьшат- скорость битового потока по сравнению с предыдущими
наплучшими вариантами решений при сопоставимом качестве изображения
[76]. Требуется получить до 20% улучшения объективных критериев, при этом
остальная часть улучшения будет связана с изменением субъективной оценки,
то есть в стандарте Н.265 будут допускаться большие существенные потери,
чем в Н.264. но эти потерн будут не гак очевидны для восприятия.
Таким образом, новый стандарт потребует больших усилий, реализуемых
аппаратными средствами, в обмен на более эффективное хранение данных и
производительность потокового отображения.
В настоящее время происходит функциональное слияние персонального
компьютера, телевизионного приемника, радиотелефона, спутникового и
кабельного терминалов в единую систему, которая обеспечивает
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
102
Глава 2. Мультимедийные стандарты
интерактивный обмен информацией в обшей сети передачи данных по
иысокоскоростным цифровым каналам.
Перейдем к рассмотрению мультимедийных стандартов MPEG-7 и MPEG-
11. Первый стандарт служит для описания мультимедийного контента. Второй
стандарт описывает среду, в которой разрабатывается мультимедийный
контент.
13 Стандарт описания мультимедийного контента MPEG-7
23.1 Общие сведения
Переход телевидения к цифровым технологаям и быстрое развитие
техники цифрового сжатия вызвали в последние годы столь же быстрый рост
объема аудиовизуальной информации. Информация может быть представлена
и различных формах (неподвижные изображения, видео, графика, 3D модель,
|вук, речь).
В отличие от мультимедийного стандарта цифровой компрессии MPEG-4
стандарт MPEG-7 служит для описания различной мультимедийной
информации [77]
Следует подчеркнуть, что описание мультимедийной информации в
стандарте MPEG-7 это не методы сжатия данных, а это описание метаданных,
1акже известных как "данные о данных". Метаданные это цифровая
информация, которая описывает содержание других цифровых данных.
Стандарт MPEG-7 называется «Интерфейс описания мультимедийного
контента» [2J и нацелен на стандартизацию следующих основных элементов:
- базового набора Дескрипторов (D - Descriptor), используемых для
описания различных признаков мультимедийного контента;
- совокупности структур Дескрипторов и соотношений между ними,
называемых Схемами Описания (СО) (DS - Description Schemes);
- языка определения Дескрипторов и Схем Описания, названного Язык
Определения Описания (DDL -Description Definition Language);
- путей кодирования Описаний.
2.3.2 Части MPEG-7
Стандарт состоит из следующих частей:
S Часть 1 «Системы» - Systems: Инструменты, которые необходимы
при подготовке описаний MPEG-7 для эффективной передачи и записи, для
обеспечения синхронизации между материалом н описаниями. Эти средства
имеют также отношение к охране интеллектуальной собственности;
S Часть 2 «Язык для описания синтаксиса MPEG-7» - Description
Definition Language: Описание и инструменты для определения новых схем
описания;
S Часть 3 «Видео» - Visual: дескрипторы и инструмент, имеющий
отношение исключительно к описанию визуального материала;
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
103
Глава 2. Мультимедийные стандарты
S Часть 4 «Аудио» - Audio: дескрипторы и инструмент, имеющий
отношение исключительно к описанию аудио материала;
Часть 5 «Схемы описания мультимедиа» - Multimedia Description
Schemes: дескрипторы и схемы описания, имеющие отношение к общим
характеристикам описаний мультимедиа;
Часть б «Ссылки на программное обеспечение» - Reference Software:
программные реализации соответствующих частей стандарта MPEG-7;
S Часть 7 «Тестирование на соответствие» - Conformance Testing:
руководящие принципы и процедуры проверки соответствия реализаций
MPEG-7,
S Часть 8 «Разработка и применение описаний» - Extraction and use of
descriptions: разработка и применение информационных технических отчетов
с описанием инструментов;
S Часть 9 «Профили и уровни» - Profiles and levels: содержит
рекомендации по применению стандартных профилей и уровней;
S Часть 10 «Схема определений» - Schema Definition: указывает схему
определений с помощью языка описания.
В стандарте используются дескрипторы четырех типов:
Дескрипторы первого типа передают непосредственно содержание
материала (content description - описание контента) и могут быть низкого и
высокого уровня.
Дескрипторы низкого уровня передают структуру материала:
- цвет, текстуру, форму;
- параметры движения д ля видео;
- высоту тона, тембр, темп, интенсивность - для звука, и т.п.
Дескрипторы высокого уровня описывают смысловое содержание
контента.
Второй тип дескрипторов (content management - управление контентом)
содержит информацию о времени и цели создания материала, об авторстве и
правах собственности.
Третий тип (content organization - организация контента) позволяет
классифицировать материал по различным признакам и может использоваться
для его анализа и исследований.
Четвертый тип (navigation and access - навигация и доступ) - для
быстрого поиска контенте по краткому описанию содержания.
2.3.3 Главные функции MPEG-7
Системы MPEG-7
Системы MPEG-7 будут включать в себя средства, которые необходимы
для подготовки описаний MPEG-7 для эффективной транспортировки и
запоминания, а также позволяют синхронизовать мультимедийный материал и
описания и средства, сопряженные с управлением и защитой
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
104
Глава 2. Мультимедийные стандарты
интеллектуальной собственности. Стандарт определяет архитектуру терминала
н нормативных интерфейсов.
Язык описания определений MPEG-7
Согласно определению в MPEG-7 язык описания определений DDL
(Description Definition Language) представляет собой: “...язык, который
позволяет формировать новые схемы описания и, возможно, дескрипторы. Он
ниже позволяет расширение и модификацию существующих схем описания”.
Язык описания дескрипторов (DDL) базируется на языке XML и, в
частности, XML Schema, созданного для описания структурных элементов.
< >диако, т.к. XML Schema изначально не предусмотрен для описания аудио-
пизуальной информации, MPEG-7 немного его расширяет.
Аудио MPEG-7
Окончательный проект аудио MPEG-7 представляет шесть технологий:
система аудио описаний (которая включает в себя дерево шкал и
низкоуровневые дескрипторы), средства описания звуковых эффектов,
родства описания тембра инструмента, описание голосового материала.
> сгмент молчания и дескрипторы мелодии, облегчающие обработку запросов.
Визуальный MPEG-7
Средства визуального описания MPEG-7 состоят из базовых структур и
дескрипторов. которые характеризуют следующие визуальные
характеристики: цвет, текстура, форма, движение, локализация, прочие.
Каждая категория состоит из элементарных и сложных дескрипторов.
Основные объекты и схемы описания мультимедиа MPEG-7
Базисом схем описания мультимедиа MDS (Multimedia Description
Schemes) является стандартизация набора средств описания (дескрипторы и
< хемы описания), имеющие дело с общими и мультимедийными объектами.
Общими объектами являются характеристики, которые используются в
аудио, видео и текстовых описаниях и, следовательно, характеризуют все
медийные типы материала. Такими характеристиками могут быть, например,
лектор, время и т.д.
Помимо этого набора общих средств описания стандартизованы более
сложные средства описания. Они используются, когда нужно описать более
одного вида медийного материала (например, аудио и видео - AV). Эти
средства описания могут быть сгруппированы в
5 различных классов согласно их функциональному предназначению:
- описание материала: представление воспринимаемой информации;
- управление материалом: информация о характере медийного
материала, формирование и использование А V материала;
~ организация материала: представление анализа и классификации
нескольких А к материалов;
- поиск и доступ: спецификация кратких характеристик и изменений А V
-материала;
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
105
Глава 2. Мультимедийные стандарты
- взаимодействие с пользователем: описание предпочтений пользователя
и истории использования мультимедийного материала.
Эталонные программы MPEG-7: модель экспериментов (experimentation
Model)
Программное обеспечение модели ХМ (experimentation Model)
представляет собой систему моделирования для дескрипторов MPEG-7 (Л),
схем описания (DS), схем кодирования (CS), языка описания определений
(DDL). Кроме нормативных компонентов, системе моделирования
необходимы некоторые дополнительные элементы, существенные при
исполнении некоторых процедурных программ. Структуры данных и
процедурные программы образуют приложения. Приложения ХМ образуют
две разновидности: приложения клиента и сервера.
2.3.4 Область применения MPEG-7
Элементы, которые стандартизует MPEG-7, [77] будут поддерживать
широкий диапазон приложений (например, мультимедийные цифровые
библиотеки, выбор широковещательного медийного материала,
мультимедийное редактирование, домашние устройства для развлечений и
т.д.). MPEG-7 сделает возможным мультимедийный поиск в WEB столь же
простым, как и текстовый. Это станет применимо для огромных архивов,
которые будут доступны для широкой публики, это придаст новый стимул для
электронной торговли, так как покупатели смогут искать нужный товар по
видеообразцам. Информация, используемая для извлечения материала, может
также применяться агентами дня отбора и фильтрации широковещательного
материала или целевой рекламы. Кроме того, описания MPEG-7 позволят
быстрые и эффективные с точки зрения затрат полуавтоматические
презентации и редактирование.
Все области применения, базирующиеся на мультимедиа, вышрают от
использования MPEG-7. Ниже предлагается список возможных приложений
MPEG-7.
- архитектура, недвижимость и интерьерный дизайн (например, поиск
идей);
- выбор широковещательного медийного канала (например, радио, TV);
- услуги в сфере культуры (исторические музеи, картинные галереи и
т.д.);
- цифровые библиотеки (например, каталога изображений, музыкальные
словари, биомедицинские каталога изображений, фильмы, видео и радио
архивы);
- электронная коммерция (например, целевая реклама, каталога
реального времени, каталоги электронных магазинов);
- образование (например, депозитарии мультимедийных курсов,
мультимедийный поиск дополнительных материалов);
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
106
Глава 1. Мультимедийные стандарты
- домашние развлечения (например, системы управления личной
мультимедийной коллекцией, включая манипуляцию содержимым, например.
Редактирование домашнего видео, поиск игр, караоке);
- исследовательские услуги (например, распознавание человеческих
еобенностей, экспертизы);
- журнализм (например, поиск речей определенного политика, используя
его имя, его голос или его лицо);
- мультимедийные службы каталогов (например, Желтые страницы,
уристская информация, географические информационные системы;
- мультимедийное редактирование (например, персональная электронная
служба новостей, персональная медийная среда для творческой деятельности);
- удаленное опознаваште (например, картография, экология, управление
природными ресурсами);
- осуществление покупок (например, поиск одежды, которая вам
нравится);
- надзор (например, управление движением, транспортом,
иеразрушающий контроль в агрессивной среде).
2.4 Стандарт описания среды мультимедийного конт ент а
MPEG-21
2.4.1 Общие сведения
Как отмечалось ранее, стандарт MPEG-21 описывает среду, в которой
разрабатывается мультимедийный контент [78].
Стандарт MPEG-21 имеет целью определить рамки для создателей,
дистрибьюторов и сервнс-провайдсров в открытом рынке мультимедиа.
MPEG-21 базируется на двух важных концепциях: определении базовой
единицы распределения и соглашения (Digital Item - цифровой объект) и
концепции взаимодействия пользователей и цифровых объектов. Цифровой
объект может рассматриваться как предмет мультимедийных соглашений
(например, видео коллекция, музыкальный альбом), а пользователи, как
субъекты мультимедийных соглашений.
Таким образом, цель MPEG-21 может быть переформулирована
следующим образом; определение технологии, необходимой для поддержки
пользователей при обмене, доступе, продаже и других манипуляциях
цифровыми объектами. При этом предполагается обеспечить максимальную
эффективность и прозрачность этих операций.
2.4.2 Чает MPEG-21
Стандарт состоит из следующих частей:
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
107
Глава 2. Мультимедийные стандарты
S Часть / «Видение, технологии и стратегии» - Vision, Technologies and
Strategy: концепция взаимодействия пользователей и цифровых объектов
(видео коллекция, музыкальный альбом);
V Часть 2 «Декларации цифрового объекта» - Digital Dem Declaration:
описание набора абстрактных концепций и элементов для образования модели
описания цифрового объекта;
• ''' Часть 3 «Идентификация цифрового объекта» - Digital Item
Identification: допускается использование любого идентификатора в качестве
идентификатора цифрового объекта и его частей;
V Часть 4 «Управление интеллектуальной собственностью и заиртю»
Intellectual Property Management and Protection (1PMP): средства удаленного
доступа к инструментарию IPMP, а также механизмы обмена сообщениями
между средствами 1РМР и терминалом;
S Часть 5 « Язык описания прав» - Rights Expression Language (REL):
язык описания прав REL представляет собой язык, который может
восприниматься компьютером, и приспособлен для декларации прав и
разрешений с помощью информационно-правового словаря;
V Часть б «Словарь правовых данных» - Rights Data Dictionary (RDD):
информационный правовой словарь RDD включает в себя набор ясных,
непротиворечивых, структурированных и однозначно идентифицированных
терминов д ля поддержки языка описания правЛЬ'Л;
Часть 7 «Адаптация цифрового объекта» • Digital Item Adaptation:
мультимедийный материал создается и передается в соответствии с
требованиями к качеству, надежности и гибкости;
S Часть 8 «Ссылки на программное обеспечение» - Reference Software:
программные реализации соответствующих частей стандарта MPEG-21;
S Часть 9 «Формат файлов» - File Format: формат файлов MPEG-21
многоцелевой, обеспечивающий работу с комплексным набором информации
цифрового объекта.
2.4.3 Устойчивая ассоциации идентификации и описания
цифровых объектов
Термин устойчивая ассоциация идентификации и описания цифровых
объектов подразумевает внедрение идентификаторов в контекст различных
файлов, в транспортные форматы, включая заголовки файлов. Это реализует
возможность для идентификаторов, ассоциированных с содержимым, быть
защищенными от неавторизовашюго удаления и модификации.
В стандарте определены следующие ассоциации идентификации и
описания цифровых объектов:
I. В рамках идентификации и описания можно будет на постоянной
основе ассоциировать идентификаторы и дескрипторы с медийными
ресурсами.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
108
Глава 2. Мультимедийные стандарты
2. Среда запоминания ассоциированных идентификаторов и описаний
цифровых объектов, будет выполнять следующие стандартные требования:
- дескрипторы смогут содержать двоичную и/или текстовую
информацию;
- можно будет ассоциировать дескрипторы с элементами в пределах
иерархического цифрового объекта, который содержит ресурсы;
- можно будет запоминать в рамках цифрового объекта ссылки на
описательные медиадаииыс вне зависимости от их положения.
3. Подход, в котором поддерживается идентификация и описание
цифровых объектов, будет позволять локализовать цифровые объекты по
описанию и наоборот. Заметим, что это не означает, что они должны быть
жестко связаны друг с другом;
4. Данный подход будет обеспечивать эффективность системы
разделения сопряженных цифровых объектов, таких как различные версии,
или реализации одного и того же объекта, различных имен одного и того же
объекта (напр., псевдонимы, прозвища и т.д.).
5. Подход будет обеспечивать механизмы поддержки, адаптации,
интегрирования с целью определения уровней доступа к описаниям объектов и
прав их использования.
6. Адаптация цифровых объектов определена в качестве важного аспекта
для терминалов и сетей, которые будут предоставлять средства поддержки
адаптации ресурсов, дескрипторов (метаданных) и управления качеством
обслуживания.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
109
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
3 Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам
связи
3.1 Общие сведения
В 1993 г. группа ведущих европейских компаний-производителей
вещательного оборудования образовала некоммерческую организацию по
разработке стандартов передачи цифрового телевизионного сигнала по
каналам связи, получившую название DVB Project (Digital Video Broadcasting
Project - проект цифрового ТВ вещания).
К настоящему моменту членами DVB Project являются около 300
организаций и компаний-производителей оборудования, вещателей,
операторов связи не только Европы, но и других континентов.
Структура организации включает четыре секции: коммерческая,
техническая, права интеллектуальной собственности, реклама и коммутации.
Высший орган - Генеральная ассамблея из полномочных представителей
участников. В промежутках между сессиями Генеральной ассамблеи работой
организации руководит Совет управляющих. Штаб-квартира DVB Project
находится в Женеве.
Разработка стандарта начинается с того, что Коммерческая секция
составляет Требования пользователя, исходя из реальных запросов рынка.
Техническая секция, наиболее многочисленная, в своих рабочих группах (а их
более 10) разрабатывает технические спецификации нового стандарта.
Основной принцип работы этой организации, как и всех других
международных организаций, - достижение полного консенсуса.
После принятия Советом управляющих проект стандарта передается на
утверждение в одну из европейских организаций по стандартизации -
CENELEC (Comite European de Normalisation Electronique - Европейский
комитет по стандартизации в области электроники), DAVIC (Digital Audio-
Video Council - Conor по цифровым аудиовизуальным средствам).
В настоящее время разработка стандартов в области связи осуществляется
в Европейском институте телекоммуникационных стандартов ETSI (European
Telecommunications Standards Institute). ETSI официально признан
ЕврокомиссиеЙ и отвечает за стандартизацию информатщонкых и
телекоммуникационных технологий в Европе - сюда включаются
телекоммуникации, вещание, а также смежные области, вроде
интеллектуальных транспортных систем и медицинской электроники. ETSI
объединяет 655 членов из 59 стран как внутри, так и за пределами Европы.
ETSI играет важную роль в разработке широкого спектра стандартов и
технической документации. При участии ETS1, в частности, разрабатывались
стандарты для вещания: DRM, DAB, DVB.
Стандарты охватывают все уровни модели взаимодействия открытых
систем (Open Systems Interconnection, OST) с разной степенью детализации
110
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
для различных способов передачи цифрового сигнала: наземного
(фиксированного и мобильного), спутникового, кабельного (как
классического, так и 1PTV). На более высоких уровнях OS1 стандартизируются
системы условного доступа, способы организации информации для передачи в
среде IP, различные метаданные и др.
Некоторые стандарты DVB в высокой степени связаны со стандартами
MPEG-l, MPEG-2 и MPEG-4, которые определяют тип используемого
транспорта и способ компрессии изображений в цифровом телевидении.
На сайте консорциума DVB [79] помимо стандартов ETS1 в свободном
доступе находятся так называемые «голубые книги» {bluebooks), которые
содержат новшества в стандартах DVB, которые еще не приняты ETS1 и
проходят стадию обсуждения.
Стандарты DVB, которые приняты ETS1 подразделяются на несколько
рупп: EN — обязательные стандарты, TS — техническая спецификация
(неполный предварительный стандарт), TR — рекомендация, необязательная
/тля исполнения. Стандарты, в названии которых имеется слово guidelines
(руководство), содержат развернутые и подробные рекомендации и
разъяснения, кроме того, много полезной сопутствующей информации.
Стандарты цифрового телевидения ЛИВ делятся на группы по сфере
применения (таб. 3.1).
Таблица 3.1- Основные группы стандартов по сферепримепения
Название группы Описание
DVB-S Передача компрессированного видео и аудио, а также дополнительной информации через ИСЗ.
DVB-S2 То же, что OVB-S, с возможностью использовать дополнительные типы модуляции с увеличением пропускной способности канала связи в несколько раз. а также иными усовершенствованиями.
DVB-SH Спутниковос/наземное вещание, с возможностью мобильного приёма. Возможность совместного использования спутниковых и наземных систем связи ( гак иазывавемые гибридные сети).
DVB-C Передача компрессированного видео и аудио, а также дополнительной информации через кабельные сети.
DVB-C2 Цифровое кабельное телевидение «второго поколения»
DVB-T Передача компрессированного видео и аудио, а также дополнительной информации через сета наземною эфирного телевидения (стационарный приём).
DVB-T2 То же. что DVB-Т. с использованием новых режимов модуляции и канального кодирования, что увеличивает пропускную способность канала связи по сравнению с DVB-Т в два раза. Данный стандарт не совместим с DVB-T. То же. что DVB-Т. только для мобильного приёма.
DVB- IPDC Способ представления информации для цифрового телевидения по сетям IP.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
111
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Таблица 3.2 - Краткий перечень стандартов DVB
Раздел Название сокр. Номер и название стандарта ETSI Описание
Цифровое спутниковое телевидение DVB-S EN 300421 «Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services» Канальное кодирование, модуляция для сервисов, передаваемых на 11/12 ГГц
Цифровое спутниковое телевидение DVB-S TR 101 198 «Implementation of Binary Phase Shift Keying (BPSK) modulation in DVB satellite transmission systems» Руководство по модуляции BPSK для DVB-S
Цифровое спутниковое телевидение DVB-S2 EN 302 307 «Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications» Цифровое спугннковое телевидение «второго поколения»: канальное кодирование и модуляции для вещания, интерактивных сервисов, сбора новостей и иных спутниковых сервисов
Цифровое спутниковое телевидение DVB-S2 TR 102 376 «User guidelines for the second generation system for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications» Руководство по реализации DVB-S2
Цифровое спутниковое телевидение DVB-S2 TS 102441 «DVB-S2 Adaptive Coding and Modulation for Broadband Hybrid Satellite Dialup Applications» Спецификация по адаптивному кодированию и модуляции для приложений DVB-S2
Цифровое кабельное телевидение DVB-C EN 300 429 «Framing structure, channel coding and modulation for cable systems» Структура кадра, канальное кодирование и модуляция для кабельного цифрового телевидения DVB-C
Цифровое кабельное телевидение DVB-C2 DVB BlueBook A138 «Frame structure channel coding and modulation Цифровое кабельное телевидение «второго поколения»! DVB-C2):
112
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
for a second generation digital transmission system for cable systems (DVB-C2)» структура кадра, канальное кодирование и модуляция.
Цифровое спутниковое н:лсвидснме DVB-CS EN 300 473 «DVB Satellite Master Antenna Television (SMATV) distribution systems» Системы коллективного спутникового приема (SMATV)
Цифровое спутниковое 1елевидение DVB-CS TS 101964 «Control Channel for SMATV/MATV distribution systems; Baseline Specification» Стандарт по каналу управления для систем SMATV
1 (ифровое спутниковое телевидение DVB-CS TR 102 252 «Guidelines for Implementation and Use of the Control Channel for SMATV/MATV distribution systems» Руководство по каналу управления для систем SMATV
Цифровое эфирное 1слевидение DVB-T EN 300 744 «Flaming structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television» Основной стандарт DVB-T: структура кадра, канальное кодирование и модуляция
Цифровое эфирное телевидение DVB-T TR 101 190 «Implementation guidelines for DVB terrestrial services; Transmission aspects» Руководство по строительству сетей цифрового эфирного телевидения
Цифровое эфирное телевидение DVB-T TS 101 191 «Mega-frame for Single Frequency Network (SFN) synchronization» Стандарт по структуре метафрейма, необходимого для синхронизации одиочастотных сетей
Цифровое эфирное телевидение DVB-T2 DVB BlueBook A122 «Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2)» Эфирное цифровое телевидение «второго поколения»: структура кадра, канальное кодирование и модуляция.
Цифровое эфирное телевидение DVB-T2 DVB BlueBook A133 «Implementation guidelines for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2)» Руководство по реализации стандарта DVB-T2
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
113
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Цифровое эфирное телевидение DVB-T2 DVB BlueBook А136 «Modulator Interface (Т2- MI) for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2)» Стандарт no интерфейсу T2-M1 для модуляторов DVB-T2
Мобильное телевидение DVB-H EN 302 304 «Transmission system for handheld terminals Расширение DVB-T для мобильного телевидения
Мобильное телевидение DVB-H TR 102 377 «Implementation guidelines for DVB handheld services» Руководство по мобильному телевидению
Транспорт DVB-SI EN 300 468 «Specification for Service Information (SI) in DVB systems» Спецификация для SI в транспортных потоках MPEG TS в цифровом телевидении
Транспорт DVB-S1 TR 101 211 Guidelines on implementation and usage of Service Information (SI) Руководство по S1 в транспортных потоках MPEG TS в цифровом телевидении
Общий DVB-SI EN 300 472 «Specification for conveying ITU-R System В Teletext in DVB bitstreams» Стандарт по телетексту
Общий DVB-SI EN 301 775 «Standard for conveying VB1 data in DVB bitstreams» Стандарт по передаче информации в VB1
Транспорт DVB-S1 TS 102 823 «Carnage of synchronised auxiliary data in DVB transport streams» Передача дополнительных синхронизированных данных в транспортном потоке
Передача данных DVB- DATA EN30I 192 «Specification for data broadcasting» Основной стан дар г по передаче данных по сетям цифрового телевидения (любым)
Передача данных DVB- DATA TR 101 202 «Specification for data broadcasting; Guidelines for the use of EN 301 192» Руководство по использованию стандарта передачи данных по сетям DV В
Общий DVB-SSU TS 102006 «Specification for System Software Update in DVB Systems» Стандарт по апгрейду пользовательского оборудования через эфир
114
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
< >6|ЦИЙ DVB- GSE TS 102 606 «Generic Stream Encapsulation (GSE) Protocol» Использование транспортных потоков общего назначения в DVB
< >бщий DVB- GSE DVB BlueBook A134 «Generic Stream Encapsulation (GSE) Implementation Guidelines» Руководство по использованию транспортных потоков общего назначения
1|МНСПОрт DVB- MPEG TS 101 154 «Implementation guidelines for the use of MPEG-2 Systems. Video and Audio in satellite, cable and terrestrial broadcasting applications» Руководство по использованию стандартов MPEG2 в цифровом телевидении (транспортных потоков, видео и аудиокодирования)
Передача данных DVB- MPEG TS 102 005 «Implementation Guidelines for the use of Audio-Visual Content in DVB services delivered over IP» Руководство по передаче видео и аудиоинформации по сетям 1Р
Общий DVB- SUB EN 300 743 «Subtitling systems» Стандарт по субтитрам
Общий DVB-NIP ETS 300 802 «Network- independent protocols for DVB interactive services» Протоколы для интерактивных сервисов, независимые от сети
Общий DVB-N1P TR 101 194 «Guidelines for implementation and usage of the specification of network independent protocols for DVB interactive services» Руководства по разработке и использованию протоколов, независимых от сети (ETS 300 802)
Цифровое кабельное телевидение DVI3- RCC ES 200 800 «Interaction channel for Cable TV distribution systems (CATV)» Интерактивный канал для кабельного цифрового телевидения
Цифровое кабельное телевидение DVB- RCC TR 101 196 «Interaction channel for Cable TV distribution systems (CATV); Guidelines for the use of ETS 300 800» Руководство по использованию интерактивного канала для кабельного цифрового телевидения
Общий DVB- RCG EN 301 195 «Interaction channel through the Построение интерактивного канала при помощи GSM
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
115
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Global System for Mobile Communications (GSM)»
Цифровое эфирное телевидение DVB- RCT EN 301 958 «Digital Video Broadcasting (DVB); Specification of interaction channel for digital terrestrial TV including multiple access OFDM» Спецификация для интерактивного канала эфирного цифрового телевидения (в том числе для систем OFDM с многопользоватетхккм доступом)
Общий DVB- RCGPRS DVB BlueBook A073rl «Interaction channel through General Packet Radio System (GPRS)» Создание интерактивного канала при помощи GPRS
Защита информации DVB- СРСМ TS 102 825-1 «Content Protection and Copy Management Specification; Part 1: CPCM Abbreviations, Definitions and Terms» Первый из большой группы стандартов, посвященных защите информации и доступу в сетях DVB, объединенных общим название»! DVB-CPCM
Зашита информации DVB-CI EN 50221 «Common Interface Specification for Conditional Access and other Digital Video Broadcasting Decoder Applications» Спецификация общего интерфейса для целей цифрового телевидения
Зашита информации DVB-CI TR 206001 «Guidelines for implementation & use of the Common Interface for DVB Decoder Applications» Руководство по использованию общего интерфейса для целей цифрового телевидения
Защита информации DVB-CI TS 101 699 «Extensions to the Common Interface Specification» Дополнения к спецификации общего интерфейса
Общий DVB-PI TR 101 891 «Digital Video Broadcasting (DVB); Professional Interfaces: Guidelines for the implementation and usage of the DVB Asynchronous Serial Interface (ASI)» Руководство по использованию интерфейса AS1
Общий DVB- IRDI TS 102 201 «Interfaces forDVB-IRDs» Интерфейсы абонентских устройств цифрового телевидения
Передача DVB- TR 102 033 Первый из группы стандартов.
116
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
ЧИННЫХ IPTV «Architectural Framework for the Delivery of DVB- Services over IP-based Networks» посвященных передаче DVB через JP-сети, объединенных названием DVB-1PTV
11ерсдача чинных DVB- IPDC TR 102 469 «IP Datacast over DVB-H: Architecture» Архитектура IPDC (IPDC — передача данных по сетям DVB при помощи 1Р)
11средача данных DVB- 1PDC TS 102 470-1 «IP Datacast over DVB-H: PS1/S1» Информация PS1/SI (служебная информация) для IPDC (IPDC — передача данных по сетям DVB при помощи IP)
11средача данных DVB- IPDC IS 102471 «IP Datacast over DVB-H: Electronic Service Guide (ESG)» Электронный гид сервисов (ESG) для IPDC (IPDC — передача данных по сетям DVB при помощи IP)
Передача данных DVB- IPDC DVB Blucbook A099 «IP Datacast over DVB-H: Electronic Service Guide (ESG)» «Голубая книга» по электронному гиду сервисов (ESG)
Передача данных DVB- IPDC TS 102 592 «IP Datacast over DVB-H: Electronic Service Guide (ESG) Implementation Guidelines» Руководство по созданию и использованию электронного гада сервисов (ESG)
Передача данных DVB- 1PDC DVB Blucbook A112-1 «IP Datacast over DVB- H: Electronic Service Guide (ESG) Implementation Guidelines» «Голубая книга» — руководство по электронному гиду сервисов (ESG)
Передача данных DVB- IPDC TR 102 K24 «Remote Management and Firmware Update System for DVB IP Services» Удаленное управление и апгрейд ПЗУ устройств, работающих в DVB-1P
Передача данных DVB- IPDC TS 102 472 «IP Datacast over DVB-H: Content Delivery Protocols» Протокол CDP (протокол доставки контента) для IPDC (IPDC — передача данных по сетям DVB при помощи IP)
Передача данных DVB- IPDC TS 102 591 «11* Datacast over DVB-H: Content Delivery Protocols (CDP) Implementation Guidelines» Руководство по использованию протокола CDP (протокол доставки контента) для сетей IPDC (IPDC — передача данных по сетям DVB при помощи IP)
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
117
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Передача данных DVB- IPDC TS 102 474 «IP Datacast over DVB-H: Service Purchase and Protection» Для сетей IPDC (IPDC — передача данных no сетям DVB при помощи IP): система покупок и защиты сервисов
Передача данных DVB- 1PDC TS 102 611 «IP Datacast over DVB-H: Implementation Guidelines for Mobility» Для сетей IPDC (IPDC— передача данных по сетям DVB при помощи IP): руководство по обеспечению мобильности
Передача данных DVB- IPDC TS 102 832 «IP Datacast over DVB-H: Notification Framework» Для сетей IPDC (IPDC — передача данных по сетям DVB при помощи 1Р): система уведомлений
Зашита информации DVB- CSA ETR 289 «Support for use of scrambling and Conditional Access (CA) within digital broadcasting system» Стандарт по поддержке использования систем условного доступа и скремблирования в цифровом телевидении
Зашита информации DVB-SIM TS 101 197 «DVB SimulCrypt; Part I: Head- end architecture and synchronization» Simulcrypt (использование нескольких CAS): архитектура хедэндаи синхронизация
Защита информации DVB-SIM TS 103 197 «Head-end implementation of SimulCrypt» Руководство по построению хедэнда при использовании Simulcrypt
Защита информации DVB-S1M TR 102 035 «Implementation Guidelines of the DVB Siniulcrypt Standard» Руководство по использованию нескольких систем условного доступа по технологии Simulcrypt
Измерения DVB-M TR 101 290 «Measurement guidelines for DVB systems» Руководство по проведению измерений в сетях цифрового телевидения (с целью определения качества)
Измерения DVB-M TR 101 291 «Usage of DVB test and measurement signaling channel (PID 0x001 D) embedded in an MPEG-2 Transport Stream (TS)» Использование специального потока (PID 0x001D) для проведения тестов и измерений
Измерения DVB-M TS 102 032 «SNMP M1B for test and measurement applications in DVB systems» Ml В SNMP для проведения тестов и намерении
Таким образом, из табл.3.2 следует, что для каждой транспортной среды
разработан стандарт обработки и передачи транспортного потока,
118
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
1 -ш । ывающий ее специфику и в то же время максимально унифицированный
< о смежными стандартами.
Документ для спутникового вещания получил сокращенное наименование
IH’H-S (Satellite - спутниковый), для сетей кабельного телевидения - DVB-C
I Cable - кабельный), для наземного (эфирного) телевидения - DVB-T
< terrestrial- наземный).
Отдельные стандарты выпущены для распределительных СВЧ сетей
\MMDS), сотовых сетей миллиметрового диапазона (LMDS), коллективных
>ч । ановок спутникового телевидения (SMA TV) и других транспортных сред.
Разработаны стандарты передачи телетекста, субтитров, графики, данных
пользователя. Наконец, для обеспечения полной совместимости цифровых
1ЮЮК0В, передаваемых в разных средах, разработаны и внедрены единые
пшблицы информации о службах SI (Service Information), описывающие
< «руктуру размещения служебных данных в транспортном потоке.
Таблицы информации о службах S1
В дополнение к трем обязательным PSI таблицам MPEG-2 введены еще
семь таблиц информации о службах:
- NIT (Network Information Table - таблица сетевой информации );
- ВАТ (Bouquet Association Table - таблица объединения букета
программ)',
- SDT (Service Description Table - таблица описания служб );
- EIT (Event Information Table - таблица информации о событиях):
- RST (Running Status Table - таблица состояния событий);
TOT/TDT (Time Offset Table / Time and Data Table - таблица смещения
времени / таблица времени и даты);
- ST (Stuffing Table - пустая таблица).
Четыре из этих таблиц - обязательные, которые должны передаваться в
ранспортных потоках, предназначешгых для вещания, и описывать состав и
параметры сети, букеты программ, сервисы и события при создании
многопрограммной вещательной среды.
Приняты следующие определения терминов в названиях таблиц:
- сеть - совокупность транспортных потоков, передаваемых в единой
системе доставки;
- сервис - набор элементарных потоков (видео, аудио, данные),
принадлежащих одной программе и имеющих общую временную базу;
- букет программ - совокупность сервисов, предлагаемых абоненту как
единый программный продукт,
- событие - группа элементарных потоков, принадлежащих одному
сервису и имеющих определенное время начала и окончания.
Таблица сетевой информации (NIТ) содержит зарегистрированное имя
сети и сведения о всех передаваемых транспортных потоках, по которым
приемник сможет настроиться на прием, - спутник, орбитальная позиция,
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
119
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
ствол, поляризация, метод модуляции (для спутниковой сети), номер
частотного канала (для кабельной сети и эфирного ТВ), частота, символьная
скорость, относительная скорость кодирования.
Таблица объединения букета программ (ВАТ) описывает все службы,
принадлежащие определяемому букету, и позволяет пользователю работать с
меню программ данной сети и выбирать интересующую его службу, не
используя сведений о частоте настройки и других параметрах потоков.
Таблица описания служб (SDT) описывает службы, передаваемые в
определенном транспортном потоке, и содержит их названия и некоторые
необязат ельные параметры: код языка, состояние службы и др.
Таблица информации о событиях (Е1Т) содержит сведения о начале и
окончании текущего, следующего и будущих событий, необходимые для
работы электронного путеводителя по программам. Описание события
включает следующие данные: идентификатор события; время начала;
длительность события; код языка; индикатор скремблирования; название
события; краткое описание.
Таблица состояния событий (RST) служит для быстрого обновления
данных при изменении одного или нескольких событий и передается только
при изменении событий.
Таблица времени и даты (TDT) содержит всемирное координированное
время (UTC - Universal Time Coordinated), которое может быть использовано
для обновления текущего времени в приемнике-декодере.
Таблица смещения времени (ТОТ) сообщает приемнику-декодеру
временной сдвиг относительно UTC для разных регионов страны. Этот сдвиг
может быть использован для расчета и индикации местного времени на табло
приемника или в электронном путеводителе по программам.
Пустая таблица (ST) подставляется при отключении таблиц N1T, ВАТ,
BIT, SOT, RST.
3.2 Спутниковое телевизионное вешание
Спутниковое телевизионное вешание является надежным и экономичным
способом подачи ТВ сигнала высокого качества в любую точку обширной
территории земной поверхности.
Все вещательные спутники размещаются на так называемой
геостационарной орбите (ГО) - круговой орбите высотой 35 786 км в
плоскости экватора. Находясь на ГО, спутник неподвижен относительно
поверхности Земли, так как вращается с той же угловой скоростью, что и
Земля. Зона видимости геостационарного ИСЗ - около одной зреги земной
поверхности. В то же время современные технические средства позволяют
сформировать достаточно узкий луч электромагнитной энергии, направляемый
на сравнительно небольшую часть земной поверхности.
120
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Для спутникового вешания выделены специальные участки
рпдпочастотного спектра в сантиметровом диапазоне волн, где допускается
поиышенная плотность потока мощности со спутника.
Одной из особенностей применения ИСЗ является ограниченность
чк-ргстического потенциала спутникового ретранслятора, поэтому в
> путниковом вещании традиционно используют методы обработки,
рсбующие минимального отношения сигнал/шум на входе демодулятора в
irfiMCH, например, на полосу частот сигнала.
В аналоговом вещании это был выбор частотной модуляции, а не
амплитудной, в цифровом вешании приходится применять мощное
помехоустойчивое каскадное кодирование и модуляцию с невысокими
кратностями.
Еще одна специфическая особенность спутникового вещательного
Iк-транслятора - работа в нелинейном режиме вблизи точки насыщения
выходного усилительного прибора (лампы бегущей волны или транзисторного
усилителя), так как именно в этом режиме удастся получить максимальную
выходную мощность и снизить диаметр приемных антенн. Из-за существенной
к-линейности работа в точке насыщения возможна только па одной несущей в
11 воле - это так называемый режим МСРС (Multiple Channels per Carrier -
несколько каналов на одной несущей). В этом режиме цифровые потоки
нескольких ТВ программ объединяются (мультиплексируются) в общий поток
и модулируют единственную несущую частоту. Для уменьшения нелинейных
искажений используют угловые методы модуляции с постоянной амплитудой.
Альтернативный вариант - SCPC (Single Channel per Carrier - один канал
на одной несущей) требует перехода в линейный режим со снижением
«ыходной мощности на 2,5...4 дБ и неэффективен в спутниковом вещании.
3.2.1 Передача цифровых сигналов по спутниковым каналам
Алгоритм обработки цифрового потока MPEG-2 для использования
и спутниковом вешании детально рассмотрен в стандарте DVB-S (EN 300 421).
Рисунок 3.1 - Структурная схема обработки транспортного потока
в стандарте DVB-S
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
121
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Пришедшие на вход модулятора транспортные пакеты длиной 188 байтов
содержат синхробайт и 187 байтов данных. В модуляторе формируется
внутренний цикл синхронизации, включающий 8 пакетов: первый пакет с
инвертированной стартовой синхрогруппой, остальные - с
неинвертированной. Цель синхронизации - устранение неопределенности фазы
при передаче данных.
Символьная синхронизация производится тактовой частотой транспортных
пакетов, цикловая синхронизация - инвертированными стартовыми
синхрогруппами.
Для предотвращения несанкционированного приема транспортный лоток
поступает на скремблер, где происходит его суммирование с псевдослучайной
последовательностью (ПСП).
После скремблирования данные транспортного пакета подвергаются
помехоустойчивому кодированию каскадным кодом, в котором в качестве
внешнего используется код Рида-Соломона (PC), в качестве внутреннего -
сверточный Код-
Код Рида-Соломона устойчиво работает при вероятности ошибок на входе
декодера не выше 2-1 О’4, устраняя ошибки, с которыми нс справился
декодер сверточного кода. В результате выходная вероятность ошибок
находится в пределах от 10-10... 10"".
Такое высокое требование к коэффициенту ошибок связано с принятой
DVB концепцией, согласно которой цифровой капал должен быть
универсальным и пригодным для передачи не только телевидения (для
которого достаточно иметь вероятность ошибки ЗЛО-6... 10"* ), но и любых
других цифровых сигналов, в том числе и с повышенными требованиями к
достоверности.
Для защиты от пакетных ошибок большой длительности в кодере
осуществляется сверточное персмежение данных. В декодере перемежения
восстанавливается первоначальный порядок следования данных.
В стандарте DVB-S используется сверточный кодер с длиной кодового
ограничения К - 7 и относительными скоростями кодирования Я = 1/2, 2/3,
3/4,5/6,7/8.
Декодер сверточного кода осуществляет первый уровень кодозащиты и
должен работать при коэффициенте ошибок входного сигнала
снижал коэффициент ошибок в выходном сигнале до значения 2-Ю"4,
необходимого для работы кода PC- В декодере осуществляется прямая
коррекция ошибок (FEC -Forward Error Correction).
Переключение с базовой скорости 1/2 на другие значения осуществляется
выборочным вычеркиванием - перфорированием некоторых символов. Это
122
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
несколько снижает корректирующую способность кода, но одновременно
уменьшает и его избыточность, позволяя высвободить больше емкости для
полезных данных.
3.2.2 Модуляция в стандарте DVB-S
Основным видом модуляции в стандарте DVB-S принята ФМ-4 (QPSK),
котя в отдельных случаях при ограниченном частотном ресурсе могут
использоваться ФМ-8 и даже КАМ-16 (перевозимые репортажные станции).
Применение помехоустойчивого кодирования позволяет значительно снизить
•ребуемое для работы демодулятора с ФМ-4 отношение Eb/N0 (рис. 3.2).
Пропускная способность радиоканала, работающего по стандарту DVB-S,
чшисит от полосы пропускания ствола, вида модуляции и относительной
Рисунок 3.2 - Зависимость вероятности ошибки от Eb/N0
для ФМ-4 при разных относительных скоростях кодирования
Здесь Еь1Нц - отношение энергии бита к плотности мощности шума.
Энергия бита Еь - энергия, необходимая для передачи одного бита
информации, равная произведению мощности передатчика на длительность
бита.
3.23 Система передачи цифрового ТВ-сигнала
Рассмотрим для примера комплект оборудования цифровой компрессии
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
123
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
телевизионного сигнала спутникового стандарта MPEG-2/ DVB-S. Данное
оборудование имеет возможность подключения источника ТВ сигнала с
различными интерфейсами - композитными (аналоговыми) и цифровыми на
выходе волоконно-оптических линий связи Центральной земной станции.
Если на выходе выделенной линии будут аналоговые интерфейсы, то на
входе оборудования компрессии устанавливаются аналого-цифровые
преобразователи (АЦП) видеосигнала и сигнала звукового сопровождения.
АЦП видеосигнала осуществляет 8-битовое преобразование входного
композитного аналогового сигнала стандарта SECAM в цифровой сигнал
формата SD1 (Serial Digital Interfuse - последовательный цифровой
интерфейс). АЦП сигнала звукового сопровождения преобразует аналоговые
звуковые сигналы двух стереопар в два цифровых потока AES/EBU
(двухкапальный цифровой звуковой сигнал, применяемый в качестве
источника для кодеров стандарта MPEG-2).
Подготовленные ТВ программы в формате SDI поступают на вход
видеокодера, обеспечивающего сжатие информации и формирование
цифровых транспортных потоков (рис. 3.3).
Рисунок 3.3 - Структурная схема передающей части
системы цифрового вещания
124
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Звукоданные AES/EBU - на вход звукового кодера сжатия. Кодеры
< жатия, от устойчивой работы которых в значительной степени зависит
качество и надежность .работы всей системы, являются важнейшей составной
чистые комплекса сети цифрового вещания. Для повышения надежности
кодеры сжатия обеспечиваются «горячим» резервом с автоматическим
переключением на резервный комплект. Переключение входного сигнала
производится с помощью быстродействующего матричного переключателя,
который по команде управляющего компьютера изменяет свою конфигурацию
а ким образом, что цифровой сигнал отказавшего кодера поступает в
резервный.
В резервном кодере при этом автоматически задаются необходимые
начальные установки - скорость потока, разрешающая способность и т.д.
Каждый кодер, как правило, имеет два равноценных выхода сжатого сигнала в
формате пакетированного элементарного потока (ПЭП), которые
подсоединяются к входам основного и резервного мультиплексоров.
Выбор способа передачи звука связан еще с одним аспектом построения
сети - выбором места расположения аппаратуры цифровой компрессии,
г'овременные вещательные комплексы, как правило, располагаются в
нескольких пространственно разнесенных зданиях, в частности, комплекс
подготовки программ и передающий центр (особенно в системах спутникового
вещания) могут быть разнесены на многие десят ки километров. Компрессия
занимает некоторое промежуточное положение между подготовкой программ
и их передачей, поэтому аппаратура компрессии может быть с успехом
размещена и в комплексе подготовки программ, и в передающем центре. При
большом расстоянии до передающего центра размещение аппаратуры
компрессии в составе комплекса подготовки программ более экономично, так
как передавать по линиям связи в этом случае придется нс исходные ТВ
программы, а сжатые в несколько раз цифровые потоки. Если же аппаратура
компрессии размещена на передающем центре, то передача внедренного звука,
безусловно, будет более экономичным решением, чем раздельная передача
видео- и звукоданных.
Сжатые сигналы поступают на вход мультиплексора. Здесь формируется
суммарный транспортный поток стандарта DVB/AS1 (AS1 - Asynchronous
Serial Interface - асинхронный последовательный интерфейс) в соответ степи с
требованиями нормативов ISO/IEC 13S1S с длиной пакета 188 байт. В пакет
кроме звуковых и видеосигналов включаются также специальная программная
н сервисная информация в виде таблиц PSI/S1 (Program Specific
Information/Service Information), сообщения системы условного доступа,
сигналы электронного путеводителя по программам (ЭПЛ) и др.
В непосредственной близости от мультиплексора должно находиться
оборудование условного доступа.
Данные пользователя обычно поступают на Земные станции в формате IP
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
125
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
(internet Protocol) и переводятся в формат транспортного потока (чаще всего
DVB-AS1) в инкапсуляторе. Последний может размещаться вблизи
мультиплексора или связываться с мультиплексором соединительной линией,
допускающей прохождение сигналов в формате AS1 (150.. .250 м для
коаксиального кабеля или 20...40 км для оптической линии). Инкапсулятор для
ввода информации из Интернета в транспортный поток может находиться как
у Интернет-провайдера, так и на передающем центре.
Транспортный поток MPEG-2 с выхода мультиплексора подается на
спутниковый модулятор QPSK (Quadrature Phase Shift Keying - квадратурная
фазовая модуляция ФМ-4). В модуляторе осуществляется помехоустойчивое
кодирование на основе кодов Рида - Соломона (Peed Solomon Code) и
Витерби (Viterbi Code R=l/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8) в соответствии с DVB
спецификацией ETS 300421. Выходная частота QPSK модулятора 70±16 МГц
или 18О±34 МГц подается на высокочастотное передающее оборудование.
Конфигурация передающего оборудования предполагает наличие
резервирования.
3.2.4 Система приема цифрового ТВ-сигнала
Рассмотрим абонентское приемное устройство, которое в отличие от
профессионального, имеет конкретную и ограниченную задачу - восстановить
после цифрового сжатия исходное изображение и звуковое сопровождение и
подать их в аналоговом, ваде на ТВ приемник. Соответственно и структурная
схема абонентского приемника-декодера (ПД) значительно проще, чем
профессионального, хотя сигнал проходит те же основные этапы обработки -
это выделение в тюнере нужного канала. демодуляция,
демультиплексирование, декодирование выбранных цифровых потоков,
преобразование в аналоговую композитную форму в одном из выбранных
стандартов цветности. В схеме можно условно выделить пять
функциональных модулей: входного интерфейса, обработки MPEG-сшнала.
условного доступа, модуль кон троллера и выходной модуль (рис. 3.4).
Модуль входного интерфейса состоит из тюнера (рис. 3.5), демодулятора
(рис З.б) и выполняет очевидные функции выделения и демодуляции
принимаемого сигнала. В зависимости от назначения приемного устройства он
может быть выполнен в спутниковом, кабельном или эфирном вариантах,
различающихся диапазоном входных частот и методом модуляции.
На рис. 3.5 показана схема модуля для спутникового приема. Сигнал с
малошумящего конвертора в полосе частот 0,95...2,15 ГГц преобразуется в
тюнере на более низкую промежуточную частоту, например, 480 МГц. Для
облегчения фильтрации побочных составляющих в смесителе частота
гетеродина выбирается обычно выше частоты сигнала, получающаяся при
этом инверсия спектра компенсируется инвертированием цифрового сигнала.
126
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Рисунок 3.4 - Обобщенная структурная схема
абонентского приемника-декодера
Рисунок 3.5 - Схема спутникового понсра
Здесь ПФ - полосовой фильтр. См - смеситель, ГУН - генератор
управляемый напряжением, ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты. ОГ -
опорный генератор, УУ ~ устройство управления, ПАВ - фильтр на
поверхностных акустических волнах, УПЧ ~ усилитель промежуточной
частоты с АРУ.
В качестве гетеродина используется генератор, управляемый напряжением
(ГУН) с выхода схемы ФАПЧ. подстраивающей его частоту по опорному
генератору приемника. Сигнал с выхода смесителя фильтруется
высокоизбирательным фильтром на поверхностных акустических волнах
(ПАВ) и поступает на вход демодулятора ФМ-4 (рис. 3.6).
В схеме демодулятора, как и в модуляторе, применяется квадратурная
схема и раздельная обработка 1 и Q компонентов.
После декодера Витерби, восстановителя персмежения и декодера Рида-
Соломона на выходе модуля формируется транспортный поток MPEG-2.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. ~ М: СОЛОН-Пресс
127
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Рисунок 3.6 - Схема демодулятора модуля
входного интерфейса
ТП
Здесь Си/, См2 - смесители, Г - гетеродин, 90° - фазовращатель на 90°,
АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ФН - фильтр Найквиста, ТГ -
тактовый генератор, ДМ - демодулятор ФМ-4, ДВ - декодер Витерби, ДП -
декодер перемежспия, ДР - декодер Рнда-Соломона. ТП - транспортный
поток.
Алгоритм дальнейшей обработки ТП представлен на рис. 3.7,3.8.
Рисунок 3.7 - Модуль обрабоз ки MPEG-2
Здесь УД - условный доступ.
128
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Рисунок 3.8 - Выходной модуль абонентского
приемника-декодера
Все современные модели цифровых абонентских приемников строятся иа
основе интегральной микросхемы MPEG демультиплексора - декодера и
ограниченного числа других узлов (тюнер, микросхемы памяти, блок питания,
корпус).
33 Цифровое телевидение в кабельной сети
Системы кабельного телевидения (СКТЕ) являются широко
распространенным средством доставки телевизионных программ до абонента
[55]. В условиях многоэтажной юродской застройки они обеспечивают
значительно лучшее качество ТВ сигнала, чем эфирное вещание. Для подачи
сигнала к абоненту используется диапазон метровых и дециметровых волн от
47 до 862 МГц.
В разных странах приняты разные стандарты разделения полосы частот на
каналы и различные полосы частотных каналов - 6, 7 или
8 МГн. Полоса частот капала зависит от видеостандарта, используемого в
данной стране.
Статистика такова: в метровом диапазоне 13% стран используют полосу 6
МГц, 36% стран - 7 МГц и 51% стран - 8 МГц, в дециметровом диапазоне,
соответственно, 11%, 6% и 83%.
Структура типовой сети кабельного телевидения показана на рис. 3.9.
Основа сети - головная станция, которая принимает ТВ программы от разных
источников (эфирных передатчиков, кабельных, спутниковых и
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
129
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
радиорелейных распределительных систем, местных студий). Далее сигналы
приводятся к единому формату, принятому в дайной сети, расставляются по
частотным каналам, скремблируются, если сеть работает в режиме условного
доступа, усиливаются до уровня 100... 120 дБмкВ и направляются в линейный
распределительный тракт.
Рисунок 3.9 - Структурная схема типовой сети кабельного
телевидения
В традиционных сетях коллективного приема основой тракта служит
коаксиальный кабель, в который включаются усилители н делители мощности
сигнала. Для увеличения протяженности линейного тракта используют кабели
с малым затуханием л высокой экранировкой, усилители с повышенной
линейностью.
Нормы па параметры кабельных сетей и абонентских вводов раулируются
европейским стандартом CENELEC EN $0083 (в России действует ГОСТ
28324-89).
Широкое развитие оптоволоконных технологий позволило использовать в
качестве магистрального оптический кабель и объединить достаточно
удаленные районы в крупные единые сети, охватывающие десятки и сотни
тысяч абонентов.
130
Цифровое телевидение/ В JJ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Отличительная особенность современного поколения СКТВ - наличие
।'('ратного канала от абонента к головной станции, используемого кабельным
оператором для диагностирования и мониторинга состояния сети, а также для
предоставления широкого спектра дополнительных услуг - телефонии,
передачи данных, доступа в Интернет и других интерактивных приложений.
3.3.1 Передача цифровых сигналов по сетям кабельного
телевидения
Анализ применимости цифровых методов кодирования и модуляции
показывает, что в правильно спроектированной сети отношение сигпал/шум
должно быть достаточно высоким, выше, чем в спутниковой системе, и в то же
время полоса частот капала кабельной септ значительно уже. чем полоса
частот ствола спутникового ретранслятора, поэтому целесообразно
применение мкогопозицнопной модуляции, например, QAM (КАМ).
Более высокое отношение сиглал/шум снижает вероятность ошибок п
позволяет обойтись одной ступенью помехоустойчивого кодирования. Однако
пакетные ошибки не исключены, поэтому перемеженис остается составной
частью процесса канального кодирования.
Цифровые сигналы менее чувствительные к интермодуляциоиным
искажениям по сравнению с аналоговыми сигналами. В то же время цифровые
КАМ сигналы более чувствительны к амплитудным и особенно фазовым
искажениям в тракте, поэтому вопросы согласования, коррекции
характеристик остаются достаточно острыми.
В построении головных станций переход па цифровой формат предъявляет
новые требования к аппаратуре обработки и формирования сигналов.
Появляется возможность формировать многопрограммные цифровые потоки,
нс декодируя принятые MPEG сигналы, а выделяя из них нужные компоненты
на уровне транспортного потока и рему.чьтпплскспруя эти компоненты в
новый транспортный поток. Также на уровне транспортного потока при этом
могут решаться вопросы скремблирования, смены системы условного доступа,
работы одновременно в нескольких системах условного доступа. Принятый в
стандартах DVB единый подход к канальному кодированию существенно
облегчает обработку и преобразование сигналов DVB, так как число
дополнительных операций при преобразованиях оказывается минимальным. В
этом смысле разработанный DVB стандарт вешания цифровых ТВ сигналов по
кабельным сетям достаточно близок к спутниковому стандарту.
Структурная схема кодера стандарта DVB-С показана па рис. 3.10
Источником входного сигнала, как и в других кодерах семейства DVB, служит
транспортный поток MPEG-2 с пакетами размером 188 байтов.
В скремблере пакеты организуются в группы по 8, синхробайт каждого
первого пакета нз группы инвертируется и служит в дальнейшем для цикловой
синхронизации. Скремблирование, как и в стандарте DVB-S, осуществляется
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
131
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
сложением с ПСП. На период следования каждого синхробайта
скремблирование прерывается.
Рисунок 3.10 - Структурная схема кодера стандарта DVB-C
Внешний кодер Рида-Соломона и сверточный перемежитель также не
имеют отличий от устройств, применяемых в стандарте Ь УВ-S.
3.3.2 Модуляция в стандарте DVB-C
Учитывая относительно высокое отношение сигиал/шум, внутреннее
кодирование не используется, а в качестве метода модуляции используется
квадратурная AM различной кратности, от КАМ-16 до КЛМ-256.
Дополнительное повышение помехоустойчивости достигается
относительным дифференциальным кодированием двух старших битов
каждого байта с выхода перемежителя, как показано на рис. 3.10.
С выхода дифференциального кодера байты цифровой последовательности
поступают на формирователь, который должен отобразить нх в символы КАМ
сигнала.
Как и в стандарте DVB-S, перед подачей па модулятор импульсы
подвергаются скруглению. Выходной фильтр Найквиста должен обеспечивать
неравномерность АЧХ в полосе пропускания не хуже 0.4 дБ и подавление
внеполосных излучений не менее 43 дБ.
3.4 Эфирное телевизионное вещание
Ключевым вопросом в разработке стандарта DYB-T эфирного
телевизионного вещания [79] был выбор вида модуляции - одночастотяая
или многочастотная. К этому моменту американцы уже выбрали для своего
стандарта одночастотную модуляцию, а в Европе в рамках нескольких
исследовательских проектов изучали свойства многочастотной модуляции
132
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing - частотное
уплотнение ортогональных несущих с кодированием).
Рассматривался также вариант одночастотной сети, основанной на
ии.единении стандартов DVB-С и DVBS. Для компенсации многолучевости
<».1ло предложено использовать компенсаторы, аналогичные примененным в
американской системе. Однако компенсация оказалась сложным и дорогим
1>''шением.
В результате при разработке стандарта DVB-Т было отдано
предпочтение многочастотной модуляции COFDM\ позволяющей
«ущественно повысить устойчивость сигнала к многолучевости.
3.4.1 Принцип организации канала передачи данных
Характеристики канала передачи данных, к сожалению, не остаются
постоянными во времени, но в течение короткого промежутка времени эти
карактеристики для наземного канала можно считать постоянными. Используя
ну особенность, в системе OFDM имеется возможность дискретного
представления наземного канала передачи во времени и по частоте [12, 18]. В
результате, радиочастотный канал формируется в виде набора узких
частотных полос и в виде коротких во времени «временных сегментов» (рис.
Ш).
Л
Рисунок 3.11 - Формирование канала в системе с OFDM
Каждая частотно-временная ячейка имеет свою собственную несущую
частоту (рис. 3.12).
Набор несущих частот в определенном временном сегменте называется
символом OFDM. Для устранения взаимных помех между несущими,
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
133
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сингала по каналам связи
расстояние (промежуток) между ними выбирается ранным обратной величине
длительности символа. В этом случае несущие частоты являются
oproi опальными.
Рисунок 3.12 - Формирование символов OFDM
Поскольку эхо-сигналы представляют собой задержанные по времени
копии основного сигнала, начало лаппого символа OFDM подвергается
воздействию задержанным окончанием предыдущего символа (взаимные
помехи между символами). Для устранения этою эф<|>ек1а между двумя
соседними символами OFDM вводится защитный интервал (рис. 3.13).
Во время защитного интервала приемные устройства игнорируют
поступающий сигнал, что приводит к повышению тилехсващищснностн, но
снижению пропускной способности канала передачи.
Чтобы осуществить надлежащим образом демодуляцию сигнала, приемные
устройства должны произвести ею выборку во время полетного периода
символа OFDM (но не во время защитного интервала).
Для этого необходимо ввести «временное окно» по отношению к
интервалу времени, когда передастся в эфир символ OFDM. С целью
синхронизации работы приемника и передатчика и системе Dl'B-T
используются «ШПЮП1ЫС» несущие, равномерно распределенные И канале
передачи в виде маркеров (рнс. 3.14),
Вышеупомянутые особенности (дискретное П|>едставленис канала,
кодирование данных, ввод защитного интервала и маркеров синхронизации)
составляю! основные параметры миогочастотпой модуляции Coded
134
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового тсяеакиюнного сигнала по каналам связи
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (COFDM) - частотное
уплотнение ортогональных несущих с кодированием.
Рисунок 3.13 ~ Ввод закщтного интервала
Рисунок 3.14 - Маркеры синхронизации
Цн(|>ровос телевидение/ ВЛ. Корякин. - М: СОЛОН-Пресс
135
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
К сожалению, все эти особенности предполагают потерю полезной
информации канала или снижение реальной пропускной способности канала.
Но они позволяют снизить степень ухудшения параметров сигнала из-за
условий распространения радиоволн благодаря компромиссу между
устойчивостью канала и пропускной способностью канала.
С целью адаптации средств передачи информации по наземным каналам в
соответствии с конкретными условиями стандарт DVB-Т определил
допустимый диапазон изменения этих параметров. Комбинация параметров
многочастотной модуляции представляет собой режимы работы COFDM
телевизионного вещания.
Для улучшения результатов защитного кодирования сигналов в условиях
замирания па соседних частотных полосах смежные биты данных
распределяются по удаленным несущим в пределах каждого символа OFDM.
Такая особенность известна как частотное перемежение.
Сначала производится кодирование данных в цифровой форме с помощью
защитных кодов. Затем вводится защитный интервал (пут ем ввода избыточных
битов данных) между пакетами защищенных данных. В заключение с
помощью алгоритма частотного перемежеиия, синхронизированного с кадром
передачи, осуществляется распределение пакета данных по несущим.
Распределение данных по символам OFDM означает индивидуальную
модуляцию каждой несущей в соответствии с одной из трех основных
комплексных групп DVB-Т. Эти труппы показаны на рнс. 3.15.
В зависимости от выбранной группы, каждая несущая переносит
одновременно 2 бига (модуляция 4QAM), 4 бита (модуляция 16QAM) или 6
бит (модуляция 64QAM). Каждой группе свойственна своя
помехозащищенность с учетом минимально допустимого отношения
сигнал/шум для приемлемого качества демодуляции.
4QAM
16QAM
<»ю
Рисунок 3.15 - Основные группы DVB-T
Грубо говоря, модуляция 4QAM допускает от 4 до 5 раз больший уровень
шума, чем модуляция 64QAM.
136
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
3.4.2 Ограничения в работе одночастотной сети COFDM
вещания
Существует много достоинств современной цифровой модуляции COFDM,
но основным является успешная борьба с эхо-сигналами, которые могут
возникать из-за отражений от окружающих предметов или при работе
нескольких передатчиков в одном и том же радиочастотном канале. В
одпочастотной сети вещания COFDM к естественным эхо-сигналам,
вызванными отражениями или рефракцией, добавляются активные эхо-
сигналы, генерируемые передатчиками. Система вещания с модуляцией
COFDM способна игнорировать эхо-сигналы, которые сказываются
огрицательно на полезном сигнале. При этом появляется возможность более
эффективного использования нескольких маломощных передатчиков или
ретрансляторов вместо одного мощного передатчика, при котором невозможно
избежать отдельных зон неуверенного приема в общей зоне обслуживания.
Одночастотная сеть образуется, когда несколько передатчиков излучают в
эфир в каждый момент времени идентичный сигнал в любой точке зоны
охвата цифровым вещанием. Это требование приводит к необходимости
осуществления синхронизации передатчиков одпочастотной сети по частоте и
по времени [12, 18]. На практике для синхронизации работы передатчиков в
настоящее время используется Глобальная система позиционирования Globa!
Positioning System (GPS} благодаря формированию на выходе приемника GPS
опорной частоты 10 МГц (рнс. 3.16) и высокостабильных опорных импульсов
с частотой 1 Гц (рис. 3.17).
На выбор величины защитного интервала (рис. 3.13) для одночастотной
сети оказывает решающее влияние топология этой сети. Ог расстояния между
передатчиками, работающими в одном телевизионном канале, зависит
величина задержки эхо-сигнала и, следовательно, длительность защитного
интервала.
3.4.3 Иерархическая модуляция, применяемая в стандарте
DVB-T/H
Для уверенного приема телевидения в мобильных условиях разработан
стандарт [79] Digital Video Broadcasting - Handheld (DVB-H}. Современное
эфирное телевизионное вещание обеспечивает высокое качество работы, как в
стационарных условиях приема, гак и на мобильных объектах благодаря
применению комбинированного стандарта DVB-T/H.
Стандарт DVB-T/H использует иерархический способ модуляции OFDM,
который может рассматриваться как средство разделения радиочастотного
канала на два виртуальных, причем каждый из них обладает своей
собственной скоростью передачи и помехоустойчивостью.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
137
Глава 3. Передача цифрового телевизионного синила по каналам связи
Рисунок 3.16 - Синхронизация передатчиков по частоте
Рисунок 3.17 - Временная синхронизация передатчиков
Иерархическая модуляция представляет собой альтернативное
использование обычных типов квадратурной амплитудной модуляции 16QAM
и 64QAM. Как показано на рис. 3.18, иерархическое созвездие I6QAM
получается смешением двух 4QAM. По аналогии, иерархическое созвездие
64QAM получается смешением 4QAM н 16QAM.
Иерархическая модуляция, как отмечалось ранее, рассматривается как
средство разделения радиочастотного канала на два виртуальных, причем
каждый из них обладает своей собственной скоростью передачи,
138
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
п и.п хоустойчивостыо и, соответственно, несколько различными зонами
и.па. Характеристики этих двух виртуальных каналов определяются
...... различными комбинациями векторных точек на звездной
hi прайме и различными скоростями кодирования.
4QXM попер 4УЛМ
iMJAM Ооиерх 4QAM
Рисунок 3.18 - Векторное представление иерархического
созвездия 16QAM и 64ОАМ
Здесь IIP- высший приоритет;LP- низший приоритет.
На практике это означает, что первый поток данных формируется с
использованием созвездия 4QAM. Каждая пара битов этого потока данных
определяет квадрант, занимаемый несущей данного созвездия. Второй же
ноток данных используется для преобразования внутри данного квадранта, т.е.
вещественной и мнимой компонент несущей.
В нервом потоке данных всегда используется модуляция 4QAM, а
поскольку этой модуляции присуща естественная высокая
помехоустойчивость, то такой поток назван потоком высшего приоритета
[HP). Второй поток, модулирующий первый, менее помехоустойчивый, назван
потоком низшего приоритета (LP).
Иерархической модуляции системы DVB-Т присущи две основные
особенности:
- предоставляется возможность вещания на одном радиочастотном
канале двумя независимыми транспортными потоками данных формата
MPEG;
- каждому транспортному потоку присуща своя помехозащищенность и
своя зона охвата.
Очевидно, что различие в помехоустойчивости между потоками высшего и
низшего приоритета зависит и от применяемых типов модуляции (4QAM или
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
139
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
I6QAM) и от скорости кодирования. Поток высшего приоритета (HP) всегда
модулированный как 4QAM, будет обладать максимальной полезной
скоростью передачи, определяемой только скоростью защитного кодирования
Сопутствующий поток низшего приоритета, который модулирует поток
высшего приоритета, воспринимается приемником как дополнительный шум в
квадранте принимаемого потока высшего приоритета. Таким образом,
качество потока высшего приоритета страдает с точки зрения допустимого
отношения сигнал/шум, по сравнению с обычной модуляцией 4QAM.
3.4.4 Выбор параметров многочастотной модуляции COFDM
В ходе разработки стандарта DVB-Т необходимо было выбрать основные
параметры системы - число индивидуальных несущих на символ, величину
защитного интервала, вид модуляции несущих, метод синхронизации.
Выбор числа несущих вызвал наибольшие затруднения, так как часть
компаний - членов DVB - рассчитывала начать в своих странах одночастотное
вещание с разносом передатчиков не менее 60 км, что возможно при числе
несущих порядка 6000. Практические микросхемы, осуществляющие
COFDM, работают при числе несущих, равном степени двойки, поэтому
было выбрано ближайшее число 8192 = 2П , этот режим условно назвали
«ил».
Однако достигнутый к 1995 г. уровень электронной техники ие позволял
оперировать таким числом несущих, и многие специалисты считали, что
ради ускорения принятия стандарта можно снизить требования к
одиочастотной сети и ограничиться меньшим числом несущих, например,
1500 (2048 = 2", режим «2А»). В результате обсуждения была принята и
вошла в стандарт единая спецификация «2к/8к».
Стандартом DVB-Т для каждого режима модуляции предусмотрены
четыре относительных значения защитных интервалов, равные 1/4, 1/8,
1/16 и 1/32 длительности активной части символа. Соответствующие им
абсолютные значения приведены в табл. 3,3. В этой же таблице указан
максимальный территориальный разнос между ТВ передатчиками и
синхронной одиочастотной сет и.
На рис. 3.19 показана структура сигнала COFDM. Она одинакова для
режимов «2к» и «$&», различается только число несущих в символе. В обоих
случаях 68 последовательных символов объединяются в кадр. четыре кадри
составляют суперкадр. Часть несущих, так называемые пилотные несущие,
или маркеры синхронизации (они обозначены на рисунке черными кружками)
служат для синхронизации тактовых частот модулятора и демодулятора,
синхронизации несущих частот спектра, кадровой синхронизации, оценки
состояния канала и уровня фазовых шумов.
140
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Различают непрерывные {continual) пилот-сигналы. передаваемые на
одной и той же несущей, и распределенные {scattered), передаваемые на
нескольких несущих, равномерно распределенных в спектре сигнала и
меняющихся от символа к символу.
Пилотные несущие модулируются специально формируемой ПСП. Для
повышения помехоустойчивости они передаются с уровнем в
16/9 раза (примерно иа 2,5 дБ) выше, чем остальные несущие.
Таблица 3.3 - Основные параметры COFDM модуляции
в стандарте DVR-T
Параметр Значение параметра
8к 2к
Число несущих в спектре, N 6817 1705
Длительность активной части символа Т. мкс 896 224
Частотный разнос несущих А, Гц 1116 4464
Ширина спектра группового сигнала, МГц 7.61 7.61
Относительная длительность защитного интервала, Д/Т 1/4 1/8 1/16 1/32 1/4 1/8 1/16 1/32
Длительность защитного интервала, мкс 224 112 56 28 56 28 14 7
Максимальный разнос между передатчиками в одночастотной сети.км 67,2 33,6 16,8 8,4 16,8 8.4 4.2 2.1
Еще один пилот-сигнал TPS {Transmission Parameter Signaling - передача
канальных параметров) передается на нескольких несущих частотах
(квадратики на рис. 3.19) и несет декодеру информацию о параметрах сигнала
режиме передачи «2А» или «ЛА», длине защитного интервала, относительной
скорости сверточного кода, виде модуляции несущих.
1, 1,0.81 МГц
• оооооо------оовоооо—•
хоовооо-------ооиоооо— •
х о о о о о •-о • и о о о о—•
X О О О О О О-• О О О • О О-• символ 67
• ОООООО------------ООИОООО • символ О
X О О • О О О------’ООИОООО • символ 1
X О О О о О •-О • О О О О • символ 2
х о о о о о о----ооиоеоо — •
• ОООООО---------OOIOOOO — I
хооеооо----------ооиоооо — •
О — данные;
•—распределенные пилотные несущие;
Ш—TPS пилотные несущий;
х — непрерывные несущие
Рисунок 3.19 - Структура кадра COFDM
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
141
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
В общей сложности в кадре «2к» 142 несущих используются для
распределенных пилот-сигналов, 45 - для непрерывных, 17 - для TPS, 1512
несут полезную информацию.
В режиме «8к» соответствующие значения - 568,177,68 и 6048.
Из 68 TPS битов, передаваемых в каждом кадре, 16 содержат информацию
о синхронизации. 37 - информационные. 14 - избыточные для кодозашиты, 1 -
бит инициализации.
TPS несущие передаются с той же мощностью что и информационные, но
модулируются значительно более помехоустойчивой дифференциальной ФМ-
2, что обеспечивает их уверенное выделение на приеме.
Каждая несущая в символе COFDM модулируется своим собственным
цифровым потоком. В стандарте предусмотрена возможность использования
одного из трех видов модуляции: ФМ-4, КАМ-16, КАМ-64. Выбор того или
иного вида модуляции зависит от требуемой скорости передачи данных и
определяет, в свою очередь, необходимые энергетические соотношения в
системе. Следует иметь в виду, что помехоустойчивое кодирование и
защитные интервалы снижают информационную скорость передачи, и это
следует учитывать при выборе параметров системы.
3.4.5 Передача цифровых сигналов по эфиру
Одним из основных требований к стандарту эфирного вещания является
максимальная унификация с предшествующими стандартами спут никового и
кабельного вещания. Эта преемственность хорошо видна на структурной
схеме кодера DVB-Т, приведенной па рнс. 3.20. Начальные этапы обработки
цифрового сигнала, связанные с кодированием, включая внешнее кодирование
кодом Рида-Соломона, сверточное неремежение и сверточное кодирование,
тождественны DVB-S. Остальные элемент ы специфичны для COFDM и на них
следует остановит ься подробнее.
Рисунок 3.20 - Структурная схема кодера DVB-T
142
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
Включенный после сверточного кодера внутренний перемежитель
предназначен для компенсации последствий селективных замираний в канале
i многолучевостью, от, которых не спасает введение защитных интервалов.
При отражении от близлежащих объектов эхо-сигнал в некоторой узкой
полосе частот может быть достаточно мощным, сравнимым с полезным
< игналом, и приходить к приемнику в противофазе с последним, нейтрализуя
несколько соседних несущих. Чтобы избежать выпадения сразу нескольких
чптов. данные по несущим распределяют с частотным персмежением, так что
соседние биты оказываются разнесенными по частого и не попадают в полосу
селективного замирания.
Перемежеиие осуществляется в два этапа, как показано па рис. 3.21. На
нервом этапе цифровой поток с выхода сверточного кодера разделяется на т
парциальных потоков, где т = 2 для ФМ-2, т = 4 для КАМ-16 и т - 6 для
КАМ-64. Каждый из потоков делится на блоки из 126 битов и поступает на
отдельный блоковый перемежитель битов с поразрядным персмежением.
Рисунок 3.21 - Внутренний перемежи тель DYH-T кодера
Выходные потоки перемежителей группируются по одному бигу с каждого
выхода, образуя m-битовыс кодовые слова, поступающие па вход символьного
перемежителя. В последнем перемежеиие символов происходит по
определенному закону внутри блока из 12x126 - 1512 символов для «2к»
модуляции и 48x126 = 6048 символов для «М» модуляции.
Следующий по порядку модуль в схеме осуществляет раскладку битов на
символ COFDM, т. е. направляет к каждой несущей соответствующий
кодовый символ с выхода перемежителя. На этом же этапе вводятся маркеры
синхронизации и данные TPS'.
3.4.6 Модуляция в стандарте DVB-T
Модуляция COFDM несущих кодированными сигналами в модуляторе
происходит в соответствии с выбранным видом модуляции и
манипуляционным кодом. Роль многочастотного модулятора выполняет
интегральная микросхема обратного преобразования Фурье (рис. 3.22).
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
143
Глава 3. Передача цифрового телевизионного сигнала по каналам связи
0 COS
0 Вьуод
-xgx—О SIN
Рисунок 3.22 - Структурная схема COFDM модулятора
Полученные комплексные значения коэффициентов разделяются и.
вещественную и мнимую части и поступают на цифро-аиалогоны.
преобразователи. Вещественная часть умножается на косинусоидальную
компоненту несущей частоты, мнимая часть - на синусоидальную компоненту
и оба спектра складываются.
144
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
..... !. Технологии построения систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
4 Технологии построения систем и сетей телерадиовещания
< > пидарта DVB-T2
1.1 Введение
Правительственная комиссия по телерадиовещанию под
iii'i и сдательством первого вице-премьера Игоря Шувалова 7 июля 2011 года
I'Tipiuia внедрение нового стандарта цифрового вешания DVB-T2 [80] в
। минской Федерации. ФГУП "Российская телевизионная и
। пювещательная сеть" (РТРС) до конца года организует зоны опытного
п шапия в новом стандарте. Кроме того, РТРС предстоит разработать план
и.ргхода существующих сетей DVB-Т цифрового телерадиовещания на
. i шдарт DVB-T2.
В этой связи тема настоящего раздела [28, 38, 40, 54], посвященного
। и смотрению технологий построения систем и сетей цифрового
। «-радиовещания в стандарте DEB-72, является в настоящее время
и । сальной.
Подготовка раздела книги осуществлена на основе стандарта DVB-T2 [80],
и।сриалов доклада Европейского вещательного союза EBU (The European
broadcasting Union) [81], демонстрационных материалов компании Rohde &
Schwarz, публикаций авторов: И. Шахнович [82], Ник Уэллес и Крис Нокс
|К<], В. Блох [84].
DVB-T2 (DVB system for Terrestrial broadcasting) является стандартом
пюрого поколения цифрового наземного телевидения. Стандарт DVB-T2
имеет существенные преимущества по сравнению со стандартом DVB-T [81 ].
Появление BVB-T2 мотивируется более высокой спектральной
|<|>фективностыо при переходе от аналогового телевидения к DVB-T2, или при
переходе от DVB-Т на DVB-T2.
Повышение спектральной эффективности означает, что при
фиксированной ширине спектра может быть передано в эфир большее
количество npoqjaMM, или такое же количество программ с высоким
аудио/видео качеством. Кроме того, стандарт DVB-T2 обеспечивает
расширение зоны покрытия, улучшает качество цифрового телерадиовещания.
Особенно это важно в областях перекрытия зон обслуживания передатчиков
при мобильном приеме.
4.1.1 Коммерческие требования к DVB-T2
Стандарт ПГЙ-ТЗ должен:
- использовать имеющиеся внутренние установки антенн, иметь
возможность использования существующих инфраструктур передатчиков. Это
требование исключено при применении методов MIMO, которые используют
новые приемные и передающие антенны;
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
145
Глава 4. Технологии построения систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
- обеспечить, в первую очередь, целевые услуга операторов ди»
фиксированного и портативного приема;
- обеспечить не менее, чем на 30% больше возможностей по сравнению с
DVB-Т с теми же ограничениями планирования и условиями работы;
- предусматривать возможность повышения производительности
одночастотпой сети (Single Frequency Network - SFN) по сравнению с DVB-T,
- иметь механизм обеспечения надежности для предоставления
конкретных служб, то есть должна быть возможность обеспечения различные
уровней устойчивости к некоторым услугам по сравнению с другими
Например, в рамках одного канала 8 МГц должна быть возможность
обеспечения услуг для приема на крыше и других услуг' для портативного
приема;
- обеспечивать гибкость по пропускной способности и полосе частот;
- обеспечивать уменьшение отношения пиковой мощности к среднем
мощности передаваемого сигнала.
4.1.2 Сравнительная оценка DVB-Т и DVB-T2
По сравнению с DVB-Т в DVB-T2 стандарте расширены параметры
COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing - частотное
уплотнение ортогональных несущих с кодированием) модуляции.
L. Новое поколение защи ты от ошибок FEC (Forward Error Correction)
позволило увеличить кратность модуляции до 256-Q4M. В результате
скорость передачи информации значительно увеличивается;
2. Число несущих частот OFDM увеличено с Sk до J2k. В результате
защитный интервал уменьшен по отношению к длительности символа
примерно на 18%, что повышает эффективность передачи полезной
информации.
3. Новые защитные интервалы G1 (Guard Interval)-. 1/128, 19/256,19/128;
4. Оптимизировано число пилотных несущих в соответствии с
изменениями защитного интервала GI. Уменьшение количества пилотных
несущих в результате оптимизации составляет примерно 10%.;
5. Расширена на 2% пропускная способность канала 8 МГц: 7,77 МГц
вместо 7,61 МГц;
6. Расширенно перемеженяс, в том числе перемежение бит, ячеек по
времени и частоте;
7. Имеется возможность использования трех новых полос пропускания
сигнала: 1,7 МГц. 5 МГц и 10 МГц.
Расширенный диапазон параметров COFDM позволяет значительно
повысить спектральную эффективность телерадиовещания в стандарте DVB-
Т2 по сравнению со стандартом DVB-T.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
146
I i.ina 4. Технологии построения систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
I (сочетании с улучшенной коррекции ошибок кодирования стандарт DVB-
U позволяет увеличить производительность одночастотных сетей SFN до
/(ля повышения гибкости и надежности в критических условиях приема
। ындарт DFB-T2 предоставляет также ряд новых возможностей:
- вращение созвездия, которое обеспечивается в различных видах
модуляции, чтобы обеспечивать получение наивысшей кодовой скорости
пн палов в сложных каналах передачи данных;
- специальные методы уменьшения отношения пиковой к средней
мощности (PAPJR - Peak to Average Power Patio) передаваемого сигнала,
>огорые приводят к повышению эффективности высокочастотных усилителей
мощности;
- режим передачи MISO (multiple input single output - много входов,
один выход) с использованием модифицированной формы кодирования
tlamouti, позволяющий улучшить качество цифрового телерадиовещания в
оьластях перекрытия зон обслуживания передатчиков.
4.1.3 Режим MISO
Для одночастогпых SFN сетей введен режим MISO, благодаря которому
удастся уменьшить интерференционные искажения сигналов в областях
перекрытия зон обслуживания передатчиков.
Основное отличие вещания в режиме MISO и стандартного сетевого
вешания заключается в том, что в режиме M1S0 формируются две различные
версии полезного сигнала в передатчиках соседних зон цифрового
। слерадиовсша) (ия.
Обработка сигнала в режиме MISO, осуществляемая с помощью
модифицированного алгоритма Alamouti, позволяет уменьшить пороговое
отношение енгнал/шум, при котором обеспечивается почти безошибочный
прием информационного сигнала.
Режим M1SO также обеспечивает уменьшение неравномерности границ
юн обслуживания. Локальные впадины и неравномерность границ зон
вещания образуется благодаря интерференционному взаимодействию
сигналов соседтшх передатчиков одиочастотной сеги.
В портативных и мобильных сетях, как правило, кодирование Alamouti
наиболее эффективно, поскольку сети содержат всенаправленные антенны
приема, что увеличивает вероятность перекрытия зон обслуживания
передатчиков.
В фиксированных сетях приема с относительно высокой направленностью
антенн режим MISO нецелеобразен. кроме случая, когда передающие антенны
расположены относительно близко друг к другу и излучение соседних
передатчиков попадает в пределы ширины пучка диаграмм направленности
большинства приемных антенн.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
147
Глава 4. Технологии построения систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
4.2 Базовые принципы построения систем и сетей стандарта
DVB-T2
Общая схема обработки сигналов в системе DVB-2T существенно
усложняется (рис. 4.1 - 4.7) по сравнению с системой стандарта DVB-T.
Система DVB-T2 способна передавать несколько независимых
мультимедийных потоков, каждый со своей схемой модуляции, скоростью
кодирования и временными интервалами. Возникает относительно сложная
структура обработки сигналов, как на логическом, так и на физическом
уровне. Соответственно, в системе DVB-T2 появляется новая функция -
предварительная обработка входных потоков (рис. 4.1).
Рисунок 4.1 - Обобщенная структурная схема системы
стандарта DVB-T2
Здесь
1 - Входная предобработка; 2 - Входная обработка; 3 - Перемежеиие
битов, кодирование, модуляция; 4 - Формирование кадров: 5 - Генерация
OFDM; 6- TS или GS входы: 7 - Система DVB-T2.
TS (Transport Stream) - транспортный поток, GS (Generic Stream) - общий
поток.
4.2.1 Схема модуля входной обработки для режима "А"
Модуль входной обработки одиночного входного потока представлен на
рис. 4.2. Он включает в себя режим адаптации данных и адап тацию потока.
CRC (Cyclic Redundancy Check) - циклическая проверка избыточности, ВВ
(BaseBandFrame) - кадры базового диапазона (ЛВ-кадры), PLP (Physical
Layer Pipe) - канал на физическом уровне.
8-разрядиый кодер CRC-8 применяется для обнаружения ошибок на уровне
пользовательских пакетов UP (User Packet).
148
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
I лава 4. Технологии построения систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
7 Режим адаптации данных в Адаптации потока
Рисунок 4.2 - Схема модуля входной обработки
для режима "/Г (один канал PLP)
Здесь
1 - Входной интерфейс; 2 - Кодер CRC-8; 3 - Вставка заголовка ВВ; 4 -
Заполнение вставки; 5 - Шифратор ВВ; 6 - Одиночный входной поток; 7 -
Режим адаптации данных; 8 - Адаптация потока; 9 - К модулю BICM.
4.2.2 Адаптация данных и потоков в режиме "В"
Схема адаптащти данных в режиме "В" для нескольких входных потоков
представлена на рис. 4.3.
Модуль режима адаптации данных в режиме "В" включает в себя входной
интерфейс, за которым следуют три дополнительных подсистемы:
- синхронизации входного потока;
- удаления нулевого пакета;
- циклической проверки избыточности.
Модуль режима адаптации может обрабатывать входные данные в одном
из двух режимов: в обычном режиме (Normal Mode, NM) или в режиме
высокой эффективности (High Efficiency Mode, НЕМ).
Рисунок 4.3 - Адаптация данных в режиме "В"
(несколько каналов PLP)
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
149
Глава 4. Технологии построения систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
Здесь
1 - Входной интерфейс; 2 - Синхронизация входного потока; 3 -
Компенсация задержки; 4 - Удаление нулевого пакета; 5 - Кодер CRC-8; 6 -
вставка заголовка ВВ; 7 - Несколько входных потоков; 8 - К адаптации
потоков.
С выходов модуля адаптации данных входные потоки поступают на
модуль адаптации потоков (рис. 4.4).
Рисунок 4.4 - Адаптация потоков в режиме “Л" (несколько PLP)
11
К модулю
шем
Здесь
I - Диспетчер; 2 - Задержка кадра; 3 - Внутриканальная сигнализация.
Выравнивание вставки; 4 - Шифратор ВВ; 5 - Кадр т; 6 - Кадр m-l; 7 -
Динамическая диспетчерская информация; 8 - PLP(); 9 - PLP| ; IO - Р1.Р„ ,11-
К модулю BICM.
4.2.3 Псремеженме бит, кодирование и модуляция
Сформированные в виде потоковых кадров данные обрабатываются в
модуле (рис. 4.5) персмежения бит, кодирования и модуляции - BICM (Bit
Interleaved Coding and Modulation) .
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
150
I лава 4. Технологии построения систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
Рисунок 4.5 - Перемежение бит, кодирование и модуляция (BICM)
Здесь.
1 - FEC кодирование (LDPC/BCH); 2 - Перемежение бит; 3 - Демульт, бит
в ячейки; 4 - Форирование модуляционных символов (код Грея); 5 -
Вращение созвездия, циклические задержки Q; 6 - Перемежение ячеек; 7 -
Временное перемежение; 8 - Генерация сигнализации L1; 9 - FEC
кодирование (LDPC/BCH); 10 - Перемежение бит; 11 - Демульт, бит в ячейки;
12 - Формирование модуляционных символов; 13 - Конфигурация L1, 14 - К
модулю формирования кадров.
ВСН (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem multiple error correction binary block
code) - блоковый кодер Боуза-Чоудхури-Хоквингема,
LDPC (Low Density Parity Check) - низкоплотностный код с проверкой на
четность.
Этот модуль выполняет внешнее кодирование ВСН, внутреннее
кодирование LDPC, перемежение бит, перемежение ячеек и временное
перемежение.
В модуле введена также процедура вращения модуляционных символов на
комплексной плоскости. Угол вращения зависит от числа уровней модуляции
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
151
Глава 4. Технологии построения систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
(29° для QPSK, 16,8° - для I6-QAM, 8,6° для 64-QAM и arctg( 1/16) для 256-
QAM).
Перед началом вращения квадратурная (g) координата каждого
модуляционного символа циклически сдвигается в рамках одного кодового
слова (т.е. берется из предыдущего символа этого слова, ^-компонента
первого символа становится равной ^-компоненте последнего).
После поворота сигнального созвездия каждая точка имеет уникальные Q-
и /-координаты, что существенно снижает вероятность их одновременной
деградации, как из-за случайных импульсных помех, так и по причине
селективных затуханий в канале.
В составе модуля BICM имеются блоки сигнализации £/, обеспечивающие
прием и декодирование и получение доступа к физическим каналам.
4.2.4 Формирование кадров
С выходов модуля BICM обработанные потоки данных поступают на
входы формирователя кадров (рис. 4.6). В функции формирователя кадров
входит создание исходных массивов ячеек PLP и L1 для OFDM символов,
которые составляют общую структуру кадра. Формирователь кадров работает
в соответствии с динамической информации, подготовленной диспетчером и
конфигурацией кадровой конструкции.
4.2.5 Генерация OFDM
В функции модуля гененерации OFDM сигнала (рис. 4.7) входит
формирование пилотных частот, позволяющих приемнику компенсировать
искажения, вносимые каналом передачи, обеспечить синхронизацию
приемника, а также передачу необходимых канальных параметров. Затем
вставляются защитные интервалы и, если необходимо, применяются
специальные методы PAPR уменьшения отношения пиковой к средней
мощности передаваемого сигнала.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
152
I пава 4. Технологии построения систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
Рисунок 4.6 - Формирователь кадров
Здесь
1 - Компенсационная задержка; 2 - Ассамблея общих PLP ячеек; 3 -
( убфрагмснтный процессор; 4 - Асамблея данных PLP ячеек; 5 - Ассамблея
IJ ячеек; 6 - Создание массивов ячеек PLP и LI для OFDM символов,
формирование кадров; 7 - Перемежитель частоты; 8 - L1 сигнализация; 9 -
Компенсирует задержку кадра на входе модуля и задержки во время
иеремежения; 10 - К генератору OFDM.
Рисунок 4.7 - Генерация OFDM
Здесь
1 - MISO обработка; 2 - Вставка пилотных частот; 3 - ОБПФ; 4 -
Уменьшение P„hk/P<v« 1 ~ Вставка защитных интервалов; 6 - Вставка символа
Р1; 7 - ЦАП; 8 - РПДI, РПД2 (опционно); 9 - К передатчикам.
Цифровое телевидение' В.Л. Карякин.-М: СОЛОН-Пресс
153
Глава 4. Технологии построения систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
Режим передачи M1SO с применением модифицированной формы
кодирования Alamouti используется опционно. Он позволяет улучшить
качество цифрового телерадиовещания при взаимном влиянии передатчиков в
зонах обслуживания.
Для указания типа и основных параметров передачи вставляется
сигнальный символ Р1 (рис. 4.7).
43 Заключение
1. Актуальность изучения технологий построения цифрового ТВ в
стандарте DVB-T2 в настоящее время определяется решением правительства
РФ и руководства РТРС 7 июля 2011 года о переходе на второе поколение
цифрового наземного телерадиовещания, обеспечивающее более высокую
спектральную эффективность и качество вещания по сравнению со стандартом
DVB-Т первого поколения.
2. Сформулированные на основе стандарта [80] и доклада Европейского
вещательного союза EBU [81] реализуемые коммерческие требования к DVB-
Т2 позволяют дать качественное и количественное сравнение работы систем
ЦТВ первого и второго поколения (раздел 4.1.2).
3. Проанализированы новые режимы работы систем цифрового ТВ
второго поколения, позволяющие обеспечить высокую кодовую скорость
передачи данных, уменьшить отношение пиковой к средней мощности,
улучшить качество цифрового телерадиовещания в областях перекрытия зон
обслуживания передатчиков.
4. На основе стандарта DVB-T2 [80] рассмотрены и проанализированы
базовые принципы построения систем и сетей телерадиовещания:
- схема модуля входной обработки для режима "А" (один капал РЕРу.
- адаптация данных в режиме "В" (несколько каналов PLP]\
- адаптация потоков в режиме "В" (несколько PLP)',
- перемежеиие бит, кодирование и модуляция (В1СМ)\
- формирование кадров;
- генерация OFDM.
5. Анализ базовых принципов построения ЦТВ в разделе 4.2 позволяет
сформулировать основные отличия методов обработки сигналов в системах
DVB-2T по сравнению с системами стандарта DVB-Т, которые заключаются в
способности передавать несколько независимых мультимедийных потоков, в
отличии алгоритмов внешнего и внутреннего кодирования, неремежемия и
технологии формирования сигнальных созвездии.
154
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 5. Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
5 Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания
стандарта DVB-T2
5.1 Введение
Материал данной глады, посвященной рассмотрению режимов работы
цифрового телерадиовещания [29, 39, 41, 54] , является логическим
продолжением предыдущего раздела «Технологии построения систем и сетей
телерадиовещания стандарта DVB-T2».
Актуальность гемы очевидна в связи с решением правительственной
комиссии по телерадиовещанию под председательством первого вице-
премьера Игоря Шувалова 7 июля 2011 года о внедрении нового стандарта
цифрового вещания DVB-T2 [80] в Российской Федерации.
Настоящий раздел дополняет рассмотренные в предыдущем разделе
базовые принципы построения систем и сетей телерадиовещания.
5.2 Режимы работы систем и сетей телерадиовещания
стандарта DVB-T2
5.2.1 ВВ-кадры и помехоустойчивое кодирование
В стандарте различаю тся три основных типа потоков: транспортный поток
(Transport Stream - TS), обобщенный инкапсулированный поток (Generic
Stream Encapsulation - GSE) п обобщенный непрерывный поток (Generic
Continuous Stream - GCS). Каждый поток представляет собой
последоватслыюсп, пользовательских пакетов (VP - User Packet).
Транспортный поток - это последовательность пакетов фиксированной
длины (пакеты MPEG-2 длиной 188 байт)
Поток GSE характеризуется пакетами переменной или фиксированной
длины, которая указывается в заголовках этих пакетов.
Поток GCS представляет собой непрерывный поток битов. Реально - это
или последовательность пакетов без указания их длины, или пакеты
максимально возможной длины 64 Кбит.
Пакеты каждого магистрального потока объединяются в потоковые ВВ -
кадры (рис. 5.1).
80 bib „ DFL
ч---------.------------------
Xuh-DFI.-SO
------------>
ВВ-заеолоеок Поле данных Пале выравнивания и/или внутриканальная сигнализация
ВВ-кадр (Auhbiis)
Рисунок 5.1 - Структура потокового JS/f-кадра
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
155
Глава 5. Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T?.
ЯВ-кадр содержит ВВ-заголовок (80 бит), поле данных и поле
выравнивания. В последнем можно передавать данные внутриканальной
сигнализации. В заголовке пакета содержится информация о типе
транспортного потока, размере пользовательского пакета (при необходимости)
и всего поля данных, наличии режимов удаления пустых пакетов.
Стандарт DVB-T2 ориентирован на передачу телевизионных потоков, и
которых для выравнивания скорости потока используются пустые пакеты.
Поэтому в DVB-T2 предусмотрены средства удаления этой избыточной
информации, но с возможностью ее восстановления на приемном конце.
При канальном кодировании в DVB-T2 используется, как и в DVB-T
каскадное включение внешнего и внутреннего кодеров. Как отмечалось ранее,
в качестве внешнего применен блоковый кодер Боуза-Чоудхури-Хоквингема
(ВСН).
Внутренним является кодер LDPC с проверкой на четность.
Эффективность исправления ошибок в системах стандарта DVB-T2 благодаря
каскадному включению кодеров ВСН и LDPC (BCH&LDPC) значительно
выше по сравнению с кодерами Рида-Соломона и Витерби, применяемыми в
системах стандарта первого поколения DVB-Т. В результате в системах и
сетях SFN стандарта DVB-T2 скорость кодирования может быть намного
выше и общая пропускная способность канала существенно возрастает.
Структура потокового FEC-кадра с BCH&LDPC кодированием
представлена на рис. 5.2. Полная длина кадра с наложенным помехозащитным
кодированием составляет 64800 бит.
В качестве опции допускается и более короткий вариант FEC-кадра
длиной в 16200 бит. Он может применяться для уменьшения задержек приема
низкоскоростных услуг.
Abch” ^4<1рс
— р» Лк-h-Kbdi
ВВ-кадр ВСН-код LDPC-код
FEC-кадр ( Уирс bits)
Рисунок 5.2 - Структура потокового FEC-кадра
5.2.2 Модуляция
При разработке DFB-T2 проводились сравнения нескольких вариантов
модуляции. В результате был выбран вариант COFDM с защитными
интервалами GI (GuardInterval), который используется в DVB-T.
156
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 5. Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
В COFDM каждый символ содержит большое количество ортогональных
несущих, модулируемых одновременно по фазе и амплитуде. В частности,
DVB-Т предусматривает два режима: 2к и 8к. Эти цифры отражают
размерность обратного быстрого преобразования Фурье IFFT (Inverse fast
I'ourier transform), используемого для формирования сигнала с
множественными несущими.
Длина защитного интервала выбирается в зависимости от протяженности
фирного тракта и других параметров сети передачи. Более длинные защитные
интервалы требуются в одночастотных сетях, где сигналы с соседних
передатчиков могут приходить на приемник со значительным запаздыванием
относительно основного сигнала. Защитный интервал представляет собой
надстройку в символе, уменьшающую долю транспортного ресурса. В DVB-T
па надстройка может занимать до 1/4 общего объема передаваемых данных.
С целью уменьшения доли защитного интервала в общем объеме данных в
DVB-T2 введены два новых режима: 16к и 32к с соответствующем
увеличением числа ортогональных несущих частот.
Рис. 5.3 иллюстрирует переход к режиму с большим числом несущих
частот. В данном случае абсолютная величина защитного интервала
сохраняется, но его доля в общем объеме снижается с 25% до 6%, что
значительно повышает производительность системы передачи данных.
I Gl| Данные | в*, 25%
|gi| Данные 132*. 6%
Рисунок 5.3 - Сравнительная оценка доли защитного интервала GI
в общей длительности символа для режимов 8к и 32к
Максимальная длительность защитного интервала в DVB-T2 превышает
500 мкс, что вполне достаточно для строительства крупной региональной
одиочастотной сети.
Таким образом, DVB-T2 предлагает более широкий ряд размерностей
1FFT и защитных интервалов. Л именно:
- размерности IFFT: Ik, 2к, 4к, 8к, 16к, 32к\
- относительная длительность защитных интервалов: 1/128, 1/32, 1/16,
19/256,1/8,19/128,1/4.
Как уже отмечалось, в COFDM каждая несущая модулируется по фазе и
амплитуде. В стандарте DVB-Т высшей является 64-позиционная
квадратурная амплитудная модуляции (64 QAM), при которой обеспечивается
передача 6 бит информации одной несущей.
В DVB-T2 число позиций увеличено до 256. При этом передается одной
несущей 8 бит информации. Увеличение числа позиций модуляции неизбежно
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
157
Глава 5. Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
приводит к уменьшению помехозащищенности. Однако, благодаря
кодированию BCH&LDPC удается значительно снизить вероятность ошибок и
увеличить эффективность использования канала по сравнению с DVB-Т до
50%.
Расширенный спектр в режиме 32к стандарта DVB-T2 имеет низкий
уровень внеполосных составляющих, соизмеримый с уровнем нормального (не
расширенного) спектра, и значительно ниже по сравнению с уровнем в режиме
2к (рис. 5.4).
Расширение на 2% пропускной способности канала 8 МГц (7,77 МГц
вместо 7,61 МГц) позволяет дополнительно повысить производительность
системы передачи данных.
Рисунок 5.4 - Фрагмент теоретического D YB-Т2 спектра
канала 8 МГц, СИ - I /8
5.23 Распределенные пилот-сигналы
Пилот-сигналы служат для передачи служебной информации и несут
декодеру информацию о параметрах сигнала, используются для
синхронизации, оценки качества канала передачи данных и компенсации
канальных искажений.
Различают непрерывные нилот-сигпалы, передаваемые на одной и гой же
несущей, и распределенные, передаваемые на нескольких несущих, пилот-
сигналы закрытия кадров.
Переменные пилот-сигналы, используемые bJ)VB-T2 для оценки качества
канала, должны располагаться достаточно плотно для слежения за
изменениями в каждой из ячеек символов в зависимости от частоты и времени.
158
Цифровое телевидение/ B.JI. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 5. Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
В ОРВ-7'2 возможен выбор из 8 различных моделей пилог-сигналов РР7 -
ГР8, что дает возможность системе адаптироваться к конкретным сценариям
канала.
Наиболее устойчивой к интерференции является модель РР1 (рис. 5.5),
имеющая небольшое расстояние между пнлот-сигналами.
Рисунок 5.5 - Шаблон PPI (MISO) распределенных пнлот-сшналов
В тоже время, благодаря увеличению лого расстояния модели РР6 и РР7
(рис. 5.6 и рис. 5.7) являются наиболее уязвимыми к интерференции, но
обеспечивают более высокую производительность передачи информации.
Рисунок 5.6 - Шаблон РР6 (MISO) распределенных пилоз-сигналов
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин - М: СОЛОН-Пресс
159
Глава 5. Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVH I
Рисунок 5.7 - Шаблон РР7 (M1SO) распределенных пнлот-сигналов
Модель распределения пилот-сигналов РР8 (рис. 5.8) предназначена л»,
стационарного приема, ио нс для портативного и мобильного приема.
Рисунок 5.8 - Шаблон РР8 (M1S0) распределенных пилот сигналов
Выбор определенной модели распределения пилот-сигналоа доджей быть
осуществлен исходя из компромисса между качеством передаваемой
информации (вероятностью ошибок на бит) и производительностью работы
системы (скоростью передачи данных).
В результате, если в D VB-Т распределенные пилот-сигнали составляют 85»
всех несущих (фиксированная модель), то u DVB-T2 этот показатель
варьируется в пределах от 1% до 4%.
5.2.4 Структура кадра DVB-T2 и дифференцированная
помехоустойчивость отдельных услуг
Структура кадра DVB-T2 показана на рис. 5.9. На верхнем уровне
структура кадра состоит in суперкадров, которые делятся иа DVB-T2 кадры (и
дальнейшем сокращенно - 72 кадры), состоящие из символов OFDM
Суперкадр может иметь часть для будущего расширения кадра FEF (Future
Extension Frame).
160
Цифровое телевидение/ В Л. Корякин. - М: СОЛОН-Пресс
I i '»« V Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
«-------------Пг-----------—»
Суг»ри»Ор |СупцмаРр J СуглрнаРр
Рисунок 5.9 - Структура кадра DVB-T2: суперкадры, 72-кадры
и OFDM символы
Кадр физического уровня Т2 (рис. 5.9) начинается с преамбулы Р1,
»"||чк>1цейся OFDM символом (рис. 5.10) с дифференциальной фазовой
। и щуляцией DBPSK (Differentialphase shift keying), защитными интервалами с
тух сторон (в сумме 1/2 длительности символа).
/(ля канала 8 МГц общая длительность символа 224 мкс, включающая
ин цельность полезной части «А» символа ТРЛ =112 мкс плюс два защитных
...ервала «С» и «в» длительностью ТР!С = 59 мкс и Трщ = 53 мкс (рис. 5.10).
Символ PI служит для синхронизации, идентификации потока DVB-T2, а
। in же содержит информацию о Т2 кадре, а именно, число номинальных
пчущих в OFDM {1к-32к) и формат передачи следующей за Р1 преамбулы Р2
। ‘сжимы MISO или SISO).
| [ п '' |
Символ
' Tpic Tpia ' Tpib '
Рисунок 5.10- Структура символа PI
Вся остальная информация о Т2 кадре (длина, модуляция, скорость
кодирования и т.п.) передается в преамбуле Р2, которая может занимай,
несколько OF/W-символов.
Далее следует поле данных (информационные OFDM символы). Замыкает
Т2 кадр специальный завершающий ОИИИ-символ (рис. 5.5 - 5.8).
Коммерческие требования к DVB-T2 включали обеспечение различных
уровней помехоустойчивости для разных услуг. Это может обеспечиваться
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М. СОЛОН-Пресс
161
Глава 5. Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
использованием разных схем модуляции и степени помехоустойчивого
кодирования. В DVB-T2 это достигается путем группировки OFDM символов
внутри кадра, так, что каждая услуга передается цельным блоком,
занимающим в кадре определенный слот (рис. 5.11).
Рисунок 5.11 ~ Структура объединения услуг в Т2 кадре
Общий PLP - это информация, общая для группы из нескольких PLP
(например, таблицы программ и сервисов PSI/SI для нескольких транспортных
потоков).
Потоки PLP типа I в 72-кадре не подразделяются на фрагменты - иными
словами, в каждом 72-кадре может быть только один фрагмент каждого PLP
типа I.
Наконец, потоки типа 2 могут в пределах 72-кадра разделяться на
несколько фрагментов (от 2 до 6480).
5.23 Перемежение
В DVB-T2 используется три каскада неремежений. Это практически
гарантирует', что искаженные элементы, в том числе при пакетных ошибках,
после деперемеження в декодере будут рассосредоточены no LDPC FEC
кадру. Это должно позволить декодеру LDPC выполнить восстановление.
Перечислим эти каскады:
а) битовый перемежитель: рандомизирует биты в пределах /^КС-блока;
162
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
I лава 5. Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
б) временной перемежитель: перераспределяет данные /•’.ЕС-блока по
символам в рамках кадра DVB-T2. Это повышает устойчивость сигнала к
импульсному шуму и изменению характеристик тракта передачи.
с) частотный перемежитель: он рандомизирует данные в рамках OFDM-
с имвола с целью ослабить эффект селективных частотных замираний.
5.2.6 Поворот сигнального созвездия и циклические Q задержки
DVB-T2 использует QPSK., 16 QAM, 64QAM и также 256QAM. Кроме того,
с игнальное созвездие может быть повернуто в 1/Q системе координат
(повернутое созвездие).
Такой поворот может существенно повысить устойчивость сигнала к
«оздействию помех эфира. Благодаря повороту диаграммы на точно
подобранный угол для каждого вида модуляции (29° для QPSK, 16,8° - для 16-
QAM, 8,6° для 64-QAM и arctg(l/16) для 2S6-QAM) созвездие приобретает
уникальные 1,Q координаты (рис. 5.12).
Рисунок 5.12 - Повернутое созвездие для 16-QAM модуляции
Перед началом вращения квадратурная (Q) координата каждого
модуляционного символа циклически сдвигается, т.е. берется из предыдущего
символа.
5.2.7 Сеть в режиме MISO
Как отмечалось ранее, для одночастотных SFN сетей введен режим M1SO,
благодаря которому удается уменьшить интерференционные искажения
сигналов в областях перекрытия зон обслуживания передатчиков.
Общая конфигурация сети MISO показана на рис. 5.13. Из схемы видно,
что одним из основных пунктов отличия M1SO и стандартного сетевого
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
163
Глава 5. Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
вешания в том, что в M1S0 сети передается две различных версии полезного
сигнала одновременно.
Рисунок 5.13- Обобщенная сеть DVB-T2 MISO
Обычно передатчики географически отделены друг от друга. Передача
нескольких версий полезного сигнала в режиме MISO позволяет повысить
отношение сигнал/шум в сети или увеличить скорость передачи данных.
Стандарт DVB-T2 основан на модифицированном виде схемы Alamouti,
одном из целого ряда различных возможностей. Одним из основных
преимуществ этой конкретной схемы является то, что он может быть
реализован относительно простым способом. Использование только одной
приемной антенны схема Alamouti позволяет получить значительное
улучшение сигнал/шум.
Основные операции Alamouti в сети иа основе MISO можно понять,
обратившись к рис. 5.13. Каждый из нескольких передатчиков сети входит в
одну из двух групп, где каждый передатчик рассматривается как источник
полезной информации в паре ячеек.
Источники сигнала первой 1руппы передают нсмодифицированную
версию каждого созвездия, такой, какой они были бы в "стандартных" SFN.
Первая пара ячеек показана, как СО и С1 иа схеме.
Источники сигнала во второй группе передают измененную версию пары
каждого созвездия в обратном порядке. 2-я группа передает С1* и СО*, где *
означает операцию сопряжения.
Приемник восстанавливает компоненты из комбинированных сигналов
относительно простым способом, который не требует больших
164
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
I пава 5. Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
<< волнительных сложностей по сравнению со стандартным приемником без
Сработки по алгоритму M1SO.
На схеме также показаны две части оборудования, которые необходимы
дни того, чтобы сеть работала правильно: Т2 шлюз и DVB-T2 модуляторы.
Т2 шлюз (интерфейс Т2 модуляторов) производит T2-M1S0 поток,
который содержит всю информацию, необходимую для описания содержания
и меток времени Т2 кадров. T2-MIS0 поток подается на Т2 модуляторы,
ычорые обеспечивают требуемые задержки и Alamouti кодирование.
Все передатчики в MISO сети привязаны к базовой частоте. Таким
образом, сигналы синхронизированы по частоте и времени так же, как в
•^стандартной» сети SFN. Обычно для этой цели используется GPS. Стоит
шкже отметить, что на рисунке показано неограниченное количество
передатчиков на группу. Хотя это возможно, это не бывает на практике. При
построении DVB-T2 MISO сети на каждую группу приходится два или три
передатчика.
5.2.8 Уменьшение отношения пиковой к средней мощности
передачи
Значительную долю расходов на передачу составляет стоимость
шектричества. питающего передатчики. COFDM сигналы характеризуются
относительно высоким отношением пиковой к средней мощности. В связи с
пим в DVB-T2 включены две технологии PAPR, позволяющие снизить это
отношение примерно на 20%. А это, в свою очередь, существенно снижает
расходы на электропитание. Речь о следующих двух технологиях:
1. Резервирование шона. В этом случае 1 % несущих остается в резерве, не
перенося никаких данных, но может использоваться передатчиком для
введения сигналов, размазывающих пики.
2. Активное расширение сигнального созвездия. В этом случае часть
крайних точек созвездия отводится дальше от центра так, что это уменьшает
пики сигналов. Так как изменения касаются только крайних точек, уводимых в
область, свободную от других точек, это не оказывает существенного влияния
на способность ресивера декодировать данные.
5.2.9 Дополнительные функции
Спецификация 72 включает два дополнительных инструмента, которые в
перспективе можно будет использовать для расширения кадра. Во-первых,
структура кадра 72 предусматривает возможность введения сигнализации для
еще несуществующих типов кадров, которые будут предназначены для пока
еще не определенных типов сигналов (рис. 5. М).
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
165
Глава 5. Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
FEF
FEF
Рисунок 5.14- Сосуществование 72 кадров и расширение FEF
То есть содержание кадров будущего расширения FEF (Future Extension
Frames) пока не определено. Включение соответствующей сигнализации в
спецификацию 72 позволит ресиверам первого поколения распознать и
проигнорировать FEF фрагменты. Но забронированное уже сегодня место
обеспечит обратную совместимость первых систем передачи с будущими, в
которых эта сигнализация будет переносить информацию о новых типах
содержимого.
DVB-T2 также включает сигнализацию, необходимую для будущего
применения частотно-временных срезов TFS (Time Frequency Slicing). Хотя
основная спецификация предусматривает прием без применения TFS, в
сигнализацию включены метки, которые позволят будущим ресиверам,
оснащенным двумя тюнерами, работать с ZES-сигналами.
Такой сигнал будет занимать несколько радиочастотных (РЧ) каналов (рис.
5.15), и разные фрагменты каждой из услуг будут в общем случае передаваться
на разных частотах.
2 3 4 5 1
Одиночным РСРнадр
Лремл
Рисунок 5.15 - Пример реализации TTsSna 3-х частотах
Ресивер будет скачками перестраиваться с канала на канал, собирая
фрагменты данных, относящихся к принимаемой услуге. Это позволит
формировать пакеты с размерами, значительно превышающими допустимые
для одного радиочастотного канала, ч то, в свою очередь, даст возможность
выигрыша благодаря статистическому мультиплексированию значительного
количества каналов и гибкости частотного планирования.
166
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
I лава 5. Спецификация режимов систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2
53 Заключение
1. В связи с решением правительственной комиссии под
председательством первого вице-премьера Игоря Шувалова 7 июля 2011 года
>' переходе Российской Федерации к стандарту телерадиовещания второго
поколения тема раздела, являющаяся логическим продолжением предыдущего
раздела «Технологии построения систем и сетей телерадиовещания стандарта
DVB-T2», безусловно, актуальна.
2. Представленная спецификация режимов цифрового телерадиовещания
раскрывает принципы работы систем и сетей стандарта DVB-T2, что
дополняет рассмотренные в предыдущей главе базовые принципы построения
систем и сетей телерадиовещания и позволяет более глубоко изучить
технические возможности нового стандарта.
3. Основные результаты, изложенные в 4 и 5 главах, посвященных
рассмотрению технологии цифрового телерадиовещания в стандарте DVB-T2,
будут полезны для технических специалистов филиалов ФГУП "Российская
телевизионная и радиовещательная сеть" (РТРС) в рамках курса повышения
квалификации.
Цифровое телевидение/ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
167
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
6 Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях
передачи данных
6.1 Введение
В настоящее время перспективы перехода на цифровое телевизионное
вещание не вызывают сомнений благодаря очевидным преимуществам
цифровых методов передачи информации перед аналоговыми методами. В
России разработана и уже осуществляется концепция поэтапного перехода к
цифровому телерадиовещанию. Наряду с традиционным эфирным, кабельным
и спутниковым телевидением успешно внедряются компьютерные технологии
телевизионного вешания (ТУ) с использованием протокола IP (1PTV) в
мультисервисных сетях передачи данных [3,52, 85].
6.1.1 Структура сети 1PTV
При разработке архитектуры 1PTV, необходимо чётко понимать природу
цифровых телевизионных сигналов и их особенности передачи в сеги. Набор
предоставляемых услуг, особенно сервисов реального времени, накладывает
жесткие ограничения на параметры транспортной подсистемы.
Работа 1PTV в окружении разнородного трафика мультисервисных сетей
требует обеспечения необходимого уровня обслуживания для соответствия
качества вещания заданным параметрам.
Принципиальное различие в требованиях к величине полосы пропускания
разных услуг IPTV. а также крайне неравномерная нагрузка на сеть, в
зависимости от времени суток, существенно влияют па принципы построения
сетей IPTV.
На рис.6.1 представлена типовая схема сети IPTV.
В основе транспортной сети вещания 1PTV лежит мультисервисная сеть
нового поколения NGN (Next Generation Network). Ядром NGN является
опорная ZP-сеть, поддерживающая полную или частичную интеграцию услуг
передачи речи, данных и мультимедиа.
Функциональная часть сети IPTV (рис. 6.1) представляет собой
совокупность следующих подсистем:
- приёма и обработки контента;
- видеосерверов;
- защиты контента;
- управления комплексом и услугами;
- мониторинга;
- абонентского доступа.
Перейдем к рассмотрению назначения каждой из перечисленных
подсистем.
168
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервнсных сетях передачи данных
Рисунок б. I - Тнповая схема сети IPTV
I. Подсистемы Приёма и обработка контента и Видеосерверов
образуют блок вндсонсточннков - поставщиков контента в /Р-сетъ. В качестве
видсоисточников в сети IP TV могут выступать:
- системы спутникового и кабельного вещания;
- каналы местного телевидения;
- каналы собственного производства;
- каналы через /P-транспорт (например, сеть стороннего провайдера /P7V);
- серверы услуг «Видео по запросу» (VoD), «Домашний кинотеатр» (nVoD),
«Персональный видеомагнитофон» (PVR) и др.
2. Полене гема Защиты контента включает следующие технические
средства:
- снонелту условного доступа CAS (Conditional Access- System'), которая
представляет собой процмммно-аппаратные механизмы шифрования
мультимедийных потоков при передаче по незащищенным каналам связи для
о|раничсння доступа к цифровым телспро1раммам;
- технические средства защиты авторских прав DRM (Digital Rights
Management), которые представляют собой программные или программно-
аппаратные средства, препятствующие созданию копий защищаемых
произведений, либо позволяющие отследить создание таких копий.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
169
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
3. Подсистема Управления комплексом оборудования и услугами
представляет собой программный пакет управления комплексом оборудования
и услугами системы 1PTV, содержащий:
- комплект связующего программного обеспечения IPTV Middleware,
предназначенный для обеспечения взаимодействия, между различными
подсистемами IPTV;
- автоматизированные системы поддержки операционной и бязнес-
деятельности операторов связи OSS/BSS (Operation Support System/Вusiness
Support System).
4. Подсистема Мониторинга представляет из себя комплекс
программного, аппаратно-программного обеспечения, включающий контроль
не только сетевых параметров, но и параметров видеотрафика.
5. Подсистема Абонентский доступ предназначена для предоставления
различных сервисов абоненту и обеспечивается с помощью приставки к
телевизору STB (Set-Top Box) или проигрывателя IPTV (IPTV-pIqyer) для
просмотра телепрограмм IPTV на компьютере.
6.1.2 Опорная сеть IP
Как отмечалось выше, ядром сети NGN является опорная /Р-сеть,
поддерживающая полную или частичную интеграцию услуг передачи речи,
данных и мультимедиа.
Внедрение и предоставление мультимедиа и интерактивных услуг по
технологии 1PTV накладывает серьёзные требования к опорной сети
провайдера. В отличие от услуг широкополосного доступа в интернет, где
требуется обеспечить заявленную пропускную способность канала и его
падежную работу, качество работы IPTV оценивается ещё и по другим
критериям.
Одним из основных критериев качества работы 1PTV является качество
восприятия QoE (Quality of Experience) самой услуги, т.е. степени
удовлетворённости потребителя от пользования данной услугой.
Мнение о качестве услуги IPTV у пользователя складывается из ряди
аспектов:
1. Доступные сервисы и их функциональные возможности:
- набор ТЯ-каналов, наличие ЯЛТТ-каналов;
- библиотека контента серверов VoB;
- функции персонального видеомагнитофона;
- удобный пользовательский интерфейс;
- наличие интерактивных функций и др.
2. Качество просмотра'.
- качество видеоматериала (отсутствие артефактов при просмотре);
- скорость переключения каналов и др.
170
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
Техническое обеспечение этих аспектов должны выполнять
интеллектуальные 7V67V сети, в которых передача данных осуществляется на
основе //’-технологий. Универсальность оборудования используемого в
построении //’-сетей позволяет решать задачи развития и масштабирования
сети, преодолевать проблемы, возникающие при эксплуатации сети с
использованием различных механизмов регулирования.
По указанным причинам протокол сетевого уровня IP принимается как
базовый для реализации сквозного транспорта пакетов во всей сети.
Для обеспечения высоких показателей качества работы 1PTV, архитектура
сети должна обеспечивать ряд требований.
1. Полоса пропускания.
Во время вешания 1PTV должна гарантированно выделяться достаточная
полоса пропускания для телевидения стандартного и повышенного качества.
Требуемая полоса пропускания должна обеспечиваться на всех сегментах сети,
от впдеоисточника до абонента. При этом, рассчитывая общую пропускную
способности всей сети нужно учитывай» метод передачи графпка./Лнсдх/,
Broadcast и Multicast [86].
2. Настройка QoS (Quality of Service - качество обслуживания).
Сеть IPTV, являясь частью мультисервисных сетей, требует организации
различных приоритетов для определённою вида трафика. Данная задача
решается механизмами QoS на сет евом уровне.
3. Контроль загрузки сети.
Суммарный трафик видеоуслуг, формируемый потоками VoD и каналами
ТВ вещания, может превысить пропускную способность любого участка сети.
В случае перегрузки часть пакетов с видеоинформацией начинает случайным
образом теряться. Это сказывается на качестве ТВ сигнала у всех абонентов,
находящихся в сегменте сети, в котором произошла проблема.
Сеть провайдера, с одной стороны, должна иметь запас по пропускной
способности, для нормального функционирования в часы штковых нагрузок, а
с другой (например, если возник затор при сбое па участке сети) должна иметь
механизмы взаимодействия с нпдеонсточниками и координировать запуск
каждого нового источника, для предотвращения перегрузки сети.
4. Время переключения канала.
Скорость переключения с канала на канал не является определяющим
критерием при пользовании услугой IPTV, однако, от этого параметра в
сильной мере зависит степень удовлетворённости абонентов //‘-вещанием.
Поэтому необходимо проектировать сеть таким образом, чтобы
минимизировать скорость переключения.
5. Контроль и обеспечение бесперебойной работы видеоуслуг.
Услуги VoD и ТВ вещание предъявляют принципиально разные
требования для обеспечения бесперебойной работы. Вещание ТВ-программ
осуществляется в режиме многоадресной рассылки.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
171
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данник
В частности, из-за потери одного мультикаст-потока без услуги могу>
остаться тысячи абонентов. Таким образом, сеть должна быть оптимизирован!!
для прохождения таких потоков и обеспечивать в случае сбоев, возможное! и
по оперативному восстановлению потерянной информации oi
видеоисточников. Для этих целей может быть создан альтернативным
источник сигнала, дублирующий основной и территориально удалённый oi
него. Услуга «видео по требованию», напротив, является индивидуальном
услугой, и потеря одного потока не столь критична. Однако, трафик Vol)
также может приводить к серьёзным перегрузкам в сети, что может привести к
неконтролируемым потерям отдельных пакетов из других потоков, и
деградацию качества всех телевизионных услуг одновременно.
6. Масштабируемость.
Растущая база пользователей сети и абонентов /РТУ не должна приводить
к существенному пересмотру концепции организации сети при любых темпах
её роста. Добавление новых услуг не должно влиять на качество работы сети »
целом, и других услуг, в частности. На стадии проектирования должна быть
учтена вся потенциальная аудитория, заложена возможность изменения
параметров и методов вешания, требующая минимальных корректировок.
7. Уровень качества абонентского доступа.
Одной из главных проблем при вещании в IP-сети является совокупное
количество ошибок, генерируемых в абонентских линиях. Даже если линия, н
определённый момент удовлетворяет требованиям для передачи /РТУ,
процент потерь может в любой момент возрасти под влиянием температуры,
влажности и интерференционных шумов.
Чувствительность цифровых видеосигналов к любым нарушениям в сети
NGN, накладывает высокое требование на качество линий, по которым
передаётся IPTV-трафик. Если для широкополосного доступа в Интернет,
достаточно было обеспечить процент потерь пакетов порядка 10"4, то
передача видео но сети уже требует снижения потерь до уровня 10"*.
6. 13 Качество обслуживания
Передача потокового видео накладывает высокие требования на сеть и
бесперебойную доставку контента по ней, чего не требовалось для
традиционных компьютерных приложений. Сега, спроектированные для
передачи определённого типа трафика, (например. /Р-гслефонии или
видеоконференц-связи) справлялись со своей задачей в воспроизводили
приемлемый уровень качества. Однако, в результате конвергенции, в рамках
одной мультисервисной сети (рис. 6.2), множеству услуг приходится
конкурировать между собой за доступную полосу пропускания, отраничепиую
возможностями сети, что серьёзно сказывается на качестве предоставляемых
услуг. Поэтому на первый план выходят задачи поддержания качества
172
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
I >1.111:16. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
. трансов, которые меняют требования к построению и поддержке сетевой
инфраструктуры.
«Объёмный» трафик:
передача больших файлов
- резервное копирование
- печать файлов
ТрзФик реального времени:
- (Р-телефония
- видеоконференц-связь
Трафик транзакций:
- обработка заявок
- биллинг
- инвентаризация
- бухгалтерский учёт
- отчёты
Потоковый трафик:
- видео по запросу VoD
- каналы вещания
Веб-трафик:
- просмотр страниц
- онлайн-локулки
- E-mail ________
Мультисервисная сеть
Рисунок 6.2 - Виды трафика в мультисервисных сетях
Заданный уровень качества услуг в ссги обеспечивается механизмом QoS
(Quality of Service) качества обслуживания. Данный термин означает
вероятность того, что сеть связи соответствует заданному соглашению об
уровне предоставления услуга SLA (Service Level Agreement) - договору
между заказчиком услуги и сё поставщиком. С технической точки зрения это
выражается в построении и обработке очереди пакетов с разным приоритетом.
6. 1.4 Модели QoS
Выделяют следующие модели QoS
1. Негарантированная доставка (Best Effort Service) - ресурсы сети
распределяются на равных условиях между всеми приложениями, без какого-
либо выделения отдельных классов трафика, регулирования и гарантий
относительно качества обслуживания.
2. Дифференцированное обслуживание DiffServ (Differentiated Service) -
обеспечивает QoS на основе распределения ресурсов в ядре сети.
DiffServ состоит из управления параметрами графика (классификация
пакетов, маркировка, управление интенсивностью) и управления политикой
(распределение ресурсов, политика ограничения на потребляемые ресурсы).
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
173
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
3. Интегрированный сервис IntServ (Integrated Service) - обеспечивает
сквозное (из конца в конец) качество обслуживания, гарантируя необходимую
пропускную способность.
Протоколы QoS
В /Р-сетях для обеспечения качества обслуживания используются
несколько протоколов QoS: RSVP, DiffServ, MPLS [87], которые
обеспечивают различные сервисы.
J Протокол RSVP (Resourse Reservation Protocol) - протокол
резервирования ресурсов, обеспечивает гарантированное качество
обслуживания, выделяя ресурсы для сетевого трафика на основе переговорной
процедуры. Протокол RSVP не определяет путь и очереди, используемые для
потока, а только обрабатывает запросы от источника, поэтому RSVP должен
полагаться на протоколы маршрутизации, выбирающими маршрут с учётом
имеющихся у маршрутизаторов ресурсов.
J Протокол DiffServ подразумевает существование соглашения о
качестве обслуживания. В результате параметры услуги, посредством байта
ToS (Type of Service) в заголовке /P-пакета определяют коды качества
обслуживания.
V Протокол MPLS (Multiprotocol Label Switching) - мультипротокольная
коммутация по меткам. Механизм передачи данных с коммутацией каналов
(IP VPN) поверх сетей с коммутацией пакетов.
Здесь VPN (Virtual Private Network - виртуальная частная сеть)
обобщённое название технологий, позволяющих обеспечить одно или
несколько сетевых соединений (логическую сеть) поверх другой сети.
6.1 .5 Обслуживание очередей пакетов
Основу средств QoS в сетевых элементах составляют очереди и алгоритмы
обработки очередей. Очередь нужна для обработки периодов временных
перегрузок, когда сетевое устройство не может передавать пакеты на
выходной интерфейс в том темпе, в котором они поступают на входной
интерфейс.
Главным фактором, определяющим возникновение очередей, является
коэффициент нагрузки устройства - отношение средней интенсивности
входного трафика устройства к средней интенсивности продвижения пакетов
на выходной интерфейс. Если коэффициент нагрузки больше единицы, значит,
интенсивность входного трафика выше, чем интенсивность продвижения
пакетов на выходной интерфейс, что приводит к возникновению очереди.
Последствием возникновения очередей является ухудшение качества
обслуживания трафика.
Для поддержки гарантированного уровня QoS, применяются различные
модели обработки очередей пакетов, с использованием следующих методов:
174
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
- предварительное резервирование полосы пропускания для трафика с
известными параметрами (например, значениями средней интенсивности и
величины пульсации);
— принудительное профилирование входного трафика, что поддерживает
коэффициент нагрузки устройства на нужном уровне;
- алгоритмы управления очередями.
Обеспечение требуемого качества обслуживания является важнейшим
условием работы в мультисервисных сетях. Высокая готовность
предоставляемого сервиса, фиксированная задержка и джиттер, высокая
пропускная способность и низкий уровень потери пакетов - важнейшие
составляющие стабильной работы услуг 1PTV.
Управление QoS является сложной задачей, где для достижения
оптимальной работы сети зачастую приходится использовать комбинации
различных протоколов и алгоритмов управления очередями. Гибкость методов
настройки QoS обеспечивает требуемые показатели качества обслуживания
при эффективном использовании ресурсов сети для различного вида трафика,
включая, наиболее критичный - трафик реального времени.
Сетевые решения по обеспечению качества сервиса могут сильно
различаться в зависимости от задач, но все они сводятся к цели
гарантированной доставки данных в рамках определённых фиксированных
парамет ров передачи, на всём протяжении сети, независимо от сё размеров и
используемых протоколов.
6.2 Мет оды передачи трафика в 1Р-ссти
Понимание различий между методами передачи сетевого трафика является
ключевым аспектом в изучении работы сетей ГРТИ[109].
Существует три основных типа передачи трафика в /P-сетях: Unicast,
Multicast и Broadcast. Каждый из них служит для выполнения определенных
задач, задействует различные классы /P-адресов назначения и по-разному
использует пропускную способность сети.
1. Unicast - режим одноадресной рассылки, подразумевает под собой
передачу пакетов единственному адресату (рис. 6.3). Прежде всего,
используется для сервисов «персонального характера» (например, VoD), когда
абонент может запросить ТВ-программу в произвольное, удобное ему время.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
175
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
Рисунок 6.3 - tWcasf-передача
Unicast трафик посылается из одного источника к одному IP-адресу
назначения. Этот адрес принадлежит одному устройству (компьютеру или
абонентской приставке) в сети.
Число абонентов, которые могут одновременно получать мпгсшТ-трафик,
ограничено доступной полосой пропускания, выделенной для вешания
программ IPTV. Так, в канале Gigabit Ethernet (ширина полосы I Гбит/с)
теоретически можно организовать до 200 нпй-<|$Лпотоков со скоростью 5
Мбит/с.
2. Multicast - режим многоадресной рассылки, при которой пакеты от
одного источника передаются определенному множеству адресов (рис. 6.4).
Множество получателей определяется принадлежностью их к группе.
Рассылку для конкретной группы получают только члены этой группы.
Mjifticnsf-данные доставляются метолом негарантированной доставки, т.е.
не гарантируется, Что данные придут в правильном порядке или все члены
группы назначения их получат.
Данный тип передачи наиболее часто используется в IPTV сетях ввиду
ряда преимуществ:
- доставка видеоконтента неограниченному числу абонентов, не
перегружая сеть;
- добавление новых абонентов, не влечет за собой необходимое
увеличение пропускной способности септ;
- сокращение нагрузки на сервер, который больше не должен
поддерживать множество двухсторонних соединений.
176
Цифровое телевидение/ BJ1. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
Рисунок 6.4 - Multicast-передача
Стоит отметить, что при рассылке по технологии Multicast - сервер не
создаёт соединения с каждым клиентом, а всегда направляет мультимедийные
потоки в сеть, вне зависимости от количества активных пользователей в
настоящий момент' времени.
Для multicast-раееылкм используется блок /P-адресов назначения,
принадлежащих классу D [88].
В отличие от unicast, multicast адреса не могут быть назначены
индивидуальным устройствам в сети.
Для реализации трупповой рассылки в ZP-сети должен поддерживаться
протокол управления групповой передачей 1GMP (Internet Group Management
Protocol).
3. Broadcast - режим широковещательной рассылки, используется для
отправки одного и того же потока данных всем устройствам в локальной сети
(рис. 6.5).
Важно знать, что ЛтоЫсам-трафик принимается всеми включенными
компьютерами в сети независимо от желания пользователя. По этой причине
этот вид передачи используется в основном для служебной информации
сетевого уровня или для передачи другой исключительно узкополосной
информации. Разумеется, для передачи видеоданных йгощЛдглЛтрафик не
используется.
При построении сети, необходимо тщательным образом производить
расчёт величину пропускной способности транспортной сети и параметров
вещания, с учётом различного влияния каждого из типов передачи на объём
создаваемого трафика.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
177
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
Рисунок 6.5 - Вго<«Лт»7-передача
Одним из решений этой проблемы является децентрализация в сети видео-
серверов. В этом случае центральный видео-сервер заменяется на несколько
локальных серверов, разнесенных между собой и приближенных к
периферийным сегментам ЛР-сети.
6.3 Инкапсуляция и декапсуляция видеопотоков в сетях IPTV
Вещание в сетях IPTV в подавляющем большинстве случаев
осуществляется в форматах MPEG-2 и MPEG-4. Данные форматы
кодирования видеоинформации наиболее распространены и являются
основными в системах цифрового телевизионного вещания в настоящее время.
Для осуществления вещания в сети, видеоматериал необходимо
подготовить к передаче по JP-ceni, представив его в нужной форме.
Рассмотрим подробно стандартный поток MPEG, чтобы определить
возможные механизмы его взаимодействия с сегыо пс|>сдачи данных.
Основной структурной единицей формата MPEG является элементарный
поток ES (Elementary Stream) - поток, в котором может содержаться только
один из типов данных: аудио, видео, управляющие данные, прочие данные
(субтитры и т.п.).
Элементарные потоки ES состоят из последовательности индивидуально
доступных порций данных (рис. 6.6), называемых блоками доступа AU (Access
Units). Блок доступа является наименьшим информационным объектом, к
которому может относиться временная информация (89]. Так. для видео это
может быть кадр изображения, а для аудио - аудиофрейм (часть аудиоданных
со своим заголовком).
При этом существуют некоторые различия в формировании самих
элементарных потоков по стандартам MPEG-2 н MPEG-4. Если в MPEG-2
служебная информация о конфигурации CFG (Configuration) заключена
178
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М; СОЛОН-Пресс
Глав» 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
внутри каждого элементарного потока и периодически повторяется (рис. 6.7а),
то в MPEG-4 она вынесена в отдельный элементарный поток.
Рисунок 6.6 - Формирование транспортного потока MPEG
MPEG-4 использует объектно-ориентированную аудиовизуальную модель,
которая позволяет собрать на прибылой стороне из отдельных объектов
данных единую целостную картину - мультимедийную «презентацию». Для
этого в MPEG-4 вводится ряд Элементарных потоков [90] (р«с. 6.76):
- лоток описания объектов ES_OD (Object Descriptor Stream), в котором
заключается необходимая информация CFG для получения доступа и
обработки медиапотоков (например, ES_SD, ES_1, ES_2 и т.д.);
- поток описания сцены ES_SD (Scene Descriptor Stream), который даёт
описание того, как будут использоваться объекты медивпотоков в
&)MPEG-2
&) MPEG-4
Рисунок 6.7 — Формирование элементарных потоков
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин - М: СОЛОН-Пресс
179
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
При этом периодическое повторение конфигурационной информации CFG
в обоих случаях позволяет организовать случайный доступ для пользователя (в
любой момент вешания) к сессии MPEG.
Использование для этого в MPEG-4 обособленного потока позволяет легко
осуществлять взаимодействие с отдельными элементарными потоками:
установка QoS, масштабирование, группировка и разделение потоков и др.
Кодировщик MPEG осуществляет разбиение ES на пакеты PES (Packetized
ES) и последующее их упорядочивание. Совокупность PES формирует
законченную программу, которая состоит из одного или нескольких видов
PES н служебной информации. Все элементарные потоки одной программы
привязаны к единому таймеру синхронизации для обеспечения синхронного
отображения видеоданных и звукового сопровождения.
Набор таких программ помещается в транспортный поток MPEG-TS
(Transport Stream}, специально разработанный для последующей передачи по
телекоммуникационным сетям [91]. Кроме того, в отличие от программного
потока, TS может переносить несколько про|рамм (92).
Именно в виде таких TS-потоков (и частости, от' спутниковых и
кабельных источников), поступает видеоконтент на вход системы IPTV,
который необходимо обработать.
Рассмотрим структуру TS-плкста (рис. 6.8). Пакет имеет заголовок 4 байта
и 184 байта полезной нагрузки. Кроме того, среда коммуникации может
добавить поле упреждающей коррекции ошибок FEC (Forward Error
Correction), на основе кода Рила-Соломона длиной 16 (системы DVB-T/C/S)
млн 20 бант (системы ATSC), позволяющее восстановить до 8 и 10
искаженных байт в пакете соответственно [93].
TS Header 4 bytes TS Payload J 84 bytes FEC 16/20 bytes
Рисунок 6.8 - Структура TS-паке та
Для идентификации принадлежности TS-паке гов к определённому потоку
и заголовок TS Header вводится 13-бпговый идентификатор пакета P1D
(например, па рис.6.10 PID 0x12d). Пакеты с неизвестным PH), которые не
требуются получателю, отбрасываются.
Система 1PTV, получая такие пакеты MPEG-TS должна их обработать, для
последующей трансляции по /Т’-сеги
Данный процесс называется инкапсуляцией - метод построения
модульных сетевых протоколов, прн котором происходит процесс
абстрагирования логически независимых функций сегн путём включения их в
объекты низлежаших уровней модели OS1.
180
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карнкии - М: СОЛОН-Пресс
Г лав* 6. Технологии цифрового ТВ вспенил в мультисервисных ссуях передачи данных
Обратный процесс извлечения исходных данных называется
)\екапсуляцисй.
В некоторых источниках совокупность процессов инкапсуляции и
декапсуляции именуют общим термином капсуляция [94].
В сетях IPTV эту функцию выполняет DVB-1P стример, который
осуществляет инкапсуляцию транспортных пакетов в формат, пригодный для
передачи.
Все транспортные потоки, транслируемые в /P-сетях должны
соответствовать спецификации TS 101 154 [95] и должны быть
инкапсулированы либо в RTF, янЬп я UDP протоколы.
Протокол RTP (Real-Time Protocol) работает па транспортном уровне и
используется при передаче трафика реального времени.
Протокол пользопательскнх дейтаграмм UDP (User Datagram Protocol) -
это транспортный протокол для передачи данных в сетях 1Р без установления
соединения. Он является одним из самых простых протоколов транспортного
уровня модели OS1. UDP кс подтверждает доставку данных, не заботится о
корректном порядке доставки и не делает повторов. Зато отсутствие
соединения, дополни тельного трафика и возможность широковещательных
рассылок делают его удобным для применений, где малы потери, в массовых
рассылках локальной подсети, в медиапрогоколах и т.п.
В настоящее время используются следующие методы инкапсуляции:
1. Прямая UDP инкапсуляция (direct UDP encapsulation) ТУ-пакстов
описана в рекомендации Н.610 МСЗ-Т [96] (рис. 6.9).
II' TiOF
Нехй.я lUaJrr
TS
Hrodct
4 by les
TS
РаукчИ
1*4 bytei
TS
Ikjdn
4 by Ms
TS
Payload
ItUbyto
Рисунок 6.9 - Инкапсуляция 1P/UDP/TS
Данный метод используется в //’-сетях, которые могут гарантировать
качество по части: величины потери пакетов, джиттера и маршрутизации, нс
нарушающей порядка очередности пакетов. Контроль очередности прихода
пакетов осуществляшси по счётчику непрерывности ГУ-пакетов: 4-биговос
поле, значение которого изменяется от 0 до 15 (рис. 6.10).
При передаче видеонакетов но сети крайне нежелательна их фрагмешация,
поскольку опа вызывает:
- у величине требуемой полосы пропускания за счёт избыточности
заголовков;
- увеличение задержек за счёт дополнительных операций сегментации и
пересборки пакетов.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М СОЛОН-Пресс
181
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
н<,"ро(-*янюсти
ISO/IEC 13816-1 PIO»0>120 СС-9
iso/icc uae-i pio-0xi2d сс-10
ISO/ItC 13818-1 ₽IO-0xl2d CC-11
Рисунок 6.10 - Счётчик непрерывности TS-пакетов
Отсутствие фрагментации, в частности, позволяет уменьшить процент
потерь пакетов, уменьшить джиттер благодаря использованпю на стороне
клиента меньшего буфера. Поэтому следует избегать фрагментации на любом
участке передачи от сервера вешания до клиента.
В данном методе, VDP в качестве полезной нагрузки переносит целое
число ГУ-пакетов. Для примера задаемся максимальным размером блока MTV
(Maximum Transmission Vnif) в байтах, который может быть передан на
канальном уровне сетевой модели OSI.
При значении MTV * 1500 байт, в сетях Ethernet один СДР-пакет сможет
вместил, 1-7 TS пакетов. Данные о количестве TS пакетов находятся в
заголовке UDP Header поля длины VDP Length Field.
Максимальный размер /P-пакета в данном случае составит:
20 (JP Header) + 8(UDP Header) +
+ 7 ♦ 188 (TS Packet) = 1344 байт
Здесь следует отметить, что значение MTV может быть определено
стандартом (например, для Ethernet пакет размером в 1500 байт является
максимально допустимым), либо может выбираться в момент установки
соединения (обычно в случае прямых подключений точка-точка). Чем выше
значение MTV, тем меньше заголовков передаётся по сет, тем выше ее
пропускная способность.
Применение метода прямой 1//>Р-ипкапсуляцяи накладывает жесткие
требования ид параметры сети передачи данных. В случаях, когда выполнение
этих требований затруднительно, рекомендуется использовать метод,
рассмотренный ниже.
2. Инкапсуляция транспортных пото кое MPEG-TS в протокол
передачи реального времени Я TP (Heal-Time Transport Protocol)
В данном случае TS-пакеты предварительно помешаются в ЯТР-пакет,
который в свою очередь инкапсулируется в VDP (рис. 6.11).
is
Ikadei
4 by я»
TS
Рекьы
иЗЬуц»
VsITS
Headci Piytakt
U byies|l«/bytei
Рисунок 6.11 - Инкапсуляция IP/UOP/RTP/TS
182
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
Согласно RFC 35S0 [97] RTP должен использовать чётный порт для
трансляции видеопотока, а следующий за ним нечётный порт используется для
передачи управляющей информации по протоколу RTCP (RTP Control
Protocol). В задачи RTCP входит:
- обеспечение обратной связью о качестве передачи видеоданных;
- идентификацию транспортного уровня Л ГР-источника (transport layer
RTP-source);
- обеспечение участников взаимодействия информацией о статистике
передачи.
По сравнению с инкапсуляцией по методу IP/UDP/TS (рис. 6.9) в данном
случае дополнительно вводится уровень RTP. С одной стороны он создаёт
дополнительные заголовки (RTP Header) и максимальный размер IP-пакета
составит уже:
20 (IP Header) + 8(UDP Header) +
+12 (RTP Header) + 7 * 188 (TS Packet) = 1356 байт
Однако, с другой стороны, имеет ряд преимуществ. У сервера вег
механизмов для определения процента потерь пакетов, джиттера и задержек в
сети [98]. поскольку MPEG-TS является однонаправленным потоком (от
сервера к клиенту).
Использование протокола RTP позволяет серверу дифференцировать
клиентов 1PTV и оптимизировать параметры потокового вещания, (например,
уменьшить скорость видеопотока (битрейт) при появлении большого
количества потерянных пакетов).
Так же, стоит учитывать, что видео, как правило, имеет переменный
битрейт, и на всех участках прохождения видеографика, необходимо
обеспечить динамическое выдёление достаточной полосы пропускания для
безошибочной передачи, поскольку трафик реального времени очень критичен
к любого рода задержкам. Этого не всегда удаётся достичь, потому как 1PTV,
являясь частью мультисервисных сетей, использует общую полосу
пропускания сети совместно с другими услугами сетей передачи данных.
Для выделения гарантированной полосы пропускания трафика 1PTV,
профессиональные /^-стримеры обеспечивают выравнивание скорости
видеопотока благодаря добавлению нулевых пакетов (Nail-Packet) TS с
соответствующими идентификаторами PID = 0x1 FFF:
В результате, видеопоток имеет постоянную скорость и для него
резервируется часть канала. На приёмной стороне нулевые ТЗ’-пакеты
отбрасываются декодером, и восстанавливается исходная
видеопоследовательность.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
183
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервнсных сетях передачи данных
ЕЕЗЗЯЗЯТТЕ
гГЛвО!.. 5гс
150/ТГС
X 50/1 ЕС
150/1 ЕС
150/1 ЕС
ISO/IEC
150/1 КС
150/1 ЕС
13 816-1
13818-1
13818-1
13818-1
13818-1
13818-1
13818-1
ДИШ
PID=Oxleb сс-14
PIO-Oxlfff CC-8-*i
PIO-Oxlfff CC-8-*-j
PTO-Oxleb СС-15 -la-
PIO-Oxlfff CC-S-4-j
PIO-Oxlfff CC-8^-1’
PI0-0x1eb CC-O
Счётчики
непрерывности
Нулевые
пакеты
Рисунок 6.12 - Выравнивание видеопотока
нулевыми пакетами
В обоих описанных методах последовательные TS-наксты переносятся в
качестве полезной нагрузки, без каких либо знаний о содержании этих
пакетов.
Протокол Л 77* разрабатывался в первую очередь для передачи
аудиовизуальной информации по сети в реальном времени, поэтому он
оптимизирован для 1Р-сстн и позволяет работать напрямую с элементарными
потоками ES. что реализовано в третьем методе инкапсуляции вндсопотоков.
3. Прммая RTP инкапсуляция (native RTP)
Данный метод (рнс.6.13) значительно аффективнее использует полезную
нагрузку (/©/‘-пакета (таб. 6.1), поскольку отсутствует ряд промежуточных
инкапсуляций.
IP 1UDP . .. К ГР
Ikndei Herder Payload
20 byte* > byte* ji-fry tel НС'ОЬме»
Рисунок 6.13 - Инкапсуляция IP/VDP/RTP
Таблица 6.1 -Размеры заголовков в различных мет одах
В этом случае можно переносить до 1400 байт полезной нагрузки в RTP-
пакете (такой предел был установлен для предотвращения возможной
фрагментации), а размер //’-пакета составляет:
184
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
20(IP Header) + 8(UDP Header) +
+ 12(RTP Header) + 1400(RTP Pay load) = 1440 байт
Напрямую в RTP могут быть инкапсулированы ES потоки MPEG-1,2 Part
2,3 (Video, Audio) [99], а так же ES потоки MPEG-4 (Part 2,3 - [89], Part 10 -
[100]).
Данный метод имеет ряд значительных преимуществ:
- упрощается механизм обработки пакетов (за счёт меньшего числа
инкапсуляций);
- уменьшается количество заголовков (overhead), т.е. увеличиваются
возможности в передаче полезной нагрузки;
- повышается надежность передачи.
Выбор конкретного метода инкапсуляции, в первую очередь, зависит от
имеющегося оборудования для работы с видеопотоками в сети и форматах
получаемого контента.
Модель OS1 применительно kIPTV
Рассмотрев возможные методы инкапсуляции, взаимодействие открытых
систем OSI (Open Systems Interconnection) применительно к IPTV можно
представить в виде схемы (рис.6.14).
Из рисунка видно, что в первых двух методах инкапсуляции MPEG-TS
выполняет функции сеансового уровня, тогда как в последнем, его функции
берёг на себя протокол RTCP. В качестве протокола транспортного уровня
используется либо протокол VDP, либо VDP совместно с RDP.
После того, как ZP-стримером произведена инкапсуляция видсопогока в
протокол транспортного уровня, он транслируется по /Р-сети.
Сформированные для транспортировки пакеты (UDP/RTP) видеопотока,
проходят по сети передачи данных без изменений.
Модели, OSI Модель IPTV
| Прикладной Video ' Audio |
|Предс)аи,1еппя PES Interface |
| Сеансовый MPEG-TS || RTCP |
| Транспоргиый RTP UDP 1
[ Сетевой | Канальный IP 1
MAC |
| Фшнческпй Физнческпя среда |
Рисунок 6.14 - Модель OSI применительно к 1PTV
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
185
Глава 6, Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетах передачи данных
Задействуются только нижние уровни модели OS1 (сетевой, канальный,
физический), обеспечивающие передачу графика в различных подсетях и
физических средах (рис. 6.15).
Вцаеоисточьви Ядро IPIMPLS
Сеть распределении Сеть
EB-woet уровня доступа
Рисунок 6.15 - Инкапсуляция н декапсуляция видсопотоха
в сетях IP-телевидения
Обратное восстановление (декапсуляция) видеопотока осуществляется уже
на приемной стороне (клиенте IPTV) программно-аппаратно (мультимедиа-
плеером или приставкой Set-Top-Box).
Таким образом, процесс инкапсуляции позволяет абстрагироваться от
формата кодирования видсопотока и передавать его по /P-сети независимо от
используемого стандарта сжатия.
Моделирование методов инкапсуляции вид сойот оков
С помощью модели сети IPTV, используя блок «Источники контента»
(характеристики блока: таб. 6.2) были сформированы транспортные
видеопотоки с различными типами инкапсуляции:
- IP/UDPTTS,
- IP/VDP/RTFTTS,
- 1P/TFP/RTP
Таблица 6.2 - Технические характеристики
________блока «Источники контента»_________
CPU: Pentium 4 - 3,06 ГТп
Оперативная память: 512 Мб________________
Операционная система: Ubuntu 10.10________
Формирование вцдеопо токов: VLC Media Player
Посредством блока «Система мониторинга и управления» получена
статистика использования ресурсов видеосервера (оперативная память и
процессорная мощность) для организации каждого из типов видеопотоков.
186
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякни - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
Для формирования тестовых видеопоследовательностей за основу было
взято несжатое видео в формате YUV, размером кадра 1920x1080 и средним
видеопотоком в 710 Мбит/с. В результате его кодирования в форматы MPEG-2
и MPEG-4 получены видеофайлы со следующими параметрами:
Таблица 6.3 - Характеристики тестовых видеофайлов
Впдеоформат MPEG2 MPEG4 Part 10 AVC
Контейнер AVI AVI
Профиль MPEG Main^High. 1080р Baseliiiejfl.5.1. lOSOp
Среднпйбитрейт. Мбит/с 20,0 ".2
Частота кадров, кадров'с 30,00 30.00
Длительность^ 46 46
Результаты измерений используемой оперативной памяти RAM (рис. 6.16)
и % загрузки процессора CPU (рис. 6.17) представлены на 1рафиках:
Рисунок 6.16 - Загрузка оперативной памяти RAM при различных методах
инкапсуляции видеопотоков: a) MPEG-2, б) MPEG-4
Здесь I - инкапсуляция методом IP/UDP/TS; 2 - инкапсуляция метолом
IP/UDP/RTP/TS; 3 - инкапсуляция методом IP/UDP/RTP.
RAM (Random Access Memory) - память с произвольным доступом; CPU
(Central Processing Unit) - центральное процессорное устройство.
Из трафика (рис. 6.16) следует, что загрузка оперативной памяти RAM при
всех типах инкапсуляции для одного и того же вндеоисточпика одинакова.
При этом на всем протяжении интервала вешания загрузка RAM практически
не меняется.
Однако, стоит отметить, что при гораздо более низком битрейте MPEG-4,
по сравнению с MPEG-2 (см. табл.6.3), загрузка оперативной памяти
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. ~ М: СОЛОН-Пресс
187
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
соизмерима. Это связано с более ресурсоёмким процессом
кодирования/декодирования MPEG-4.
Рисунок 6.17 - Загрузка процессора CPU при различных методах
инкапсуляции видсопотоков: a) MPEG-2, б) MPEG-4
Здесь 1 - инкапсуляция методом IP/UDP/TS; 2 - инкапсуляция методом
IP/UDP/RTP/TS; 3 - инкапсуляция методом IP/UDP/RTP
Результаты показывают, что использование процессорной ёмкости (рис.
6.17) зависит от типа используемого метода инкапсуляции видсопотока. Так,
IP/UDP/RTP наименее требователен к ресурсам, но сравнению с IP/UDP/TS, а
дополнительный уровень инкапсуляции в ЛГР-пакеты при использовании
метола 1P/UDP/RTP/TS требует ещё больших ресурсов.
Загрузка процессора, напрямую зависит от количества выполняемых
операций. В результате для инкапсуляции MPEG-2, имеющего большую
скорость видсопотока, чем MPEG-4, требуется больше ресурсов процессора.
Кроме тою, использование видсопотока с переменным битрейтом приводит к
тому, что мгновенная загрузка процессора может сильно изменяться в ходе
вещания, образуя всплески порядка 30-40%, временами достигающие 100%.
Данный факт необходимо учитывать при проектировании сетевого
оборудования (ZP-стримеры, видеосерверы, клиенты IPTV, Set-Top-Box),
работающего с видеопотоками.
В результате, при использовании оборудования с достаточной
ресурсоемкостью процесс инкапсуляции-декапсуляции осуществляется без
потерь и не вносит ошибок в видеопоток.
188
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
Оценка избыточности пакетов в результате инкапсуляции
На приёмной стороне модели мониторинга 1PTV в блоке «Потребители
контента», инкапсулированные различными методами, произведён «захват»
/P-пакетов видеопотоков MPEG-2 и MPEG-4 сетевым анализатором Wireshark
[101] и измерена избыточность пакетов:
Таблица 6.4 - Избыточность пакетов при различных методах
инкапсуляции видеопотоков
MPEG2 MPEG4
Размер, Мб Избыточность. °» Размер, Мб Избыточность, 5о
Исходный файл 109,80 - 40,40 -
IPUDP.TS 114,98 4.51 42,98 6,00
IPUDPRTPTS 116,18 5,49 43,36 6,83
IP UDP.RTP 112,28 2.21 41.-4 3,21
Результаты показывают, что наиболее эффективным методом
инкапсуляции оказывается метод IP/UDP/ETP, который позволяет переносить
в пакетах РТР до 1400 байт полезной нагрузки, тем самым, значительно
снизить избыточность передачи. Передача видеопотока посредством ТХ-
пакетов (методами IP/UDP/TS и 1P/UDP/RTP/TS) приводит к значительному
увеличению избыточности.
Использование больших пакетов позволяет уменьшить относительный
размер заголовков по отношению к полезной нагрузке. Так, у MPEG-2 с более
интенсивным потоком избыточность меньше, чем у MPEG-4 за счёт
инкапсуляции в пакеты большей длины.
Выводы
1 . Показаны принципы формирования видеопотоков формата MPEG (рис.
6.6, 6.7), позволяющие сформулировать требования к мониторингу
элементарных потоков MPEG-2 и MPEG-4.
2 .Рассмотрены существующие методы инкапсуляции и декапсуляцни
видеопотоков в ZP-еегях (рис. 6.9, 6.11, 6.13). Описаны способы контроля
целостности (рис. 6.10) и выравнивания (рис. 6.12) видеопотоков. На
основании сравнительного анализа (таб. 6.1) полученных результатов даны
рекомендации по выбору параметров пакетов для различных методов
инкапсуляции, обеспечивающих надежность передачи сообщений и
увеличение полезной нагрузки.
3 .Составлена модель сетевого взаимодействия OSI (рис. 6.14),
позволяющая обеспечить контроль прохождения видеотрафика (рис. 6.15) и
осуществить всесторонние исследования сети IPTV:
- анализ различных методов инкапсуляции видеопотока: 1P/UDP/TS,
1P/UDP/RTP/TS, 1P/UDP/RTP при формирование видеотрафика;
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
189
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
- оценка ресурсоемкости видеосервера при выполнении инкапсуляции
видеопотоков формата MPEG-2 и MPEG-4 и избыточности пакетов, в
результате инкапсуляции.
4. По результатам проведённых исследований, представленных в работе,
даны рекомендации, позволяющие повысить качество мониторинга сети IPTV,
эффективность использования доступной полосы пропускания и
ресурсоемкости.
6.4 Мониторинг IPTV мультисервисной сети передачи данных
В настоящее время перспективы перехода на цифровое телевизионное
вешание не вызывают сомнений благодаря очевидным преимуществам
цифровых методов передачи информации перед аналоговыми методами. В
России разработана и уже осуществляется концепция поэтапного перехода к
цифровому телерадиовещанию. Наряду с традиционным эфирным, кабельным
и спутниковым телевидением успешно внедряются компьютерные технологии
телевизионного вешания (TV) с использованием протокола ZP (IPTV) в
мультисервисных сетях передачи данных [85, 102].
Компьютерные технологии позволяют при одном физическом
подключении получать сразу три обширных сервиса: интернет, ZP-телефонию
и 1PTV. Эти технологии получили название «Triple Play». Triple Play
позволяет1 провайдеру существенно поднять доходность своей сети и снизить
суммарный простой связен.
Компьютерные технологии IPTV предоставляют широкий набор
принципиально новых мультимедийных интерактивных услуг: • «Видео по
запросу» (Video on Demand, VoD), «Домашний кинотеатр» (near Video on
Demand, nVoD), «Персональный видеомагнитофон» (Personal Video
Recorders, PVR) и др.
Однако, для обеспечения высокого качества предоставляемых услуг
необходимо осуществлять непрерывный мониторинг качества передачи
информации в цифровых телевизионных системах и сетях [3].
6.4.1 Контроль качества вещания
Структура цифровых телевизионных сигналов такова, что минимальные
ухудшения условий распространения в канале обычно не оказывают заметного
влияния на качество изображения или звука. Лишь при достижении
критической точки качество моментально падает до недопустимого уровня,
что приводит к кратковременным или длительным техническим остановкам в
вещании.
Операторам цифрового телевизионного вещания (ЦТВ) необходимы
средства и методы измерений, позволяющие оценивать вероятность ошибок,
качество принимаемого сигнала, запасы устойчивого телевизионного вещания
190
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
с целью своевременного устранения возможных неисправностей, не допуская
технических остановок [3].
Использование распределенного мониторинга, осуществляемого на всех
этапах вешания ЦТВ (формирование и обработка видеосигналов,
распространение и приём), позволяет обеспечить операторов полной
информацией о состоянии сети цифрового вещания и своевременно
предупредить их о возможных проблемах. Несмотря на то, что системы
мониторинга уже успешно используются в эфирных сетях, методы
мониторинга IPTV еще недостаточно изучены благодаря специфике передачи
телевизионной информации в компьютерных сетях передачи данных.
6.4.2 Специфика предоставления сервиса
Рассмотрим некоторые особенности предоставления сервиса 1PTV-.
~ являясь услугой по требованию (для начала просмотра необходимо
отправить запрос в сеть), ее предоставление критично к времени отклика в
сети;
- на качество предоставления услуги значительное влияние оказывает
активность абонентов, которые находятся в единой ZP-сети;
~ для обеспечения устойчивого телевизионного вешания требуется запас
производительности сети, поскольку нагрузка на сеть зависит от многих
факторов, в частности, от времени суток, дня недели и изменяется в широких
пределах.
Услуга 1PTV чувствительна к любым нарушениям в сети (0,5% потерь
пакетов уже ра:1личимо визуально [ 103]). Возможна ситуация, когда в одной
точке сети изображение будет идеальным, в другой - с помехами, а в третьей -
вовсе отсутствовать.
Возникает необходимость проектирования системы мониторинга IPTV.
способной контролировать не только качество мультимедиа потоков па всех
этапах вещания, по и качество работы оборудования транспортной сети [104].
6.4.3 Разработка модели системы мониторинга
Построение эффективной системы мониторинга требует глубокого анализа
работы услуги 1PTV, разработки блоков контроля, их отладки и многократной
проверки качества вешания при различных конфигурациях транспортной сети.
Проведение исследований наиболее эффективно на испытательном тестовом
стенде, реализованном на программном уровне, т.е. испытания па модели
системы мониторинга IPTV.
Использование в качестве тестового стенда реальной транспортной сета
затруднительно по нескольким причинам:
- для реальной транспортной сети, используемой в качестве тестового
стенда, необходимо выделять специально оборудованные помещения;
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
191
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мулвгмсервисных сетах передачи данных
- усложняется процесс формирования требуемой конфигурации сети и
настройки оборудования;
- значительно увеличивается время па проведение исследовательских
работ;
- покупка сетевого и вещательного оборудования требует значительных
финансовых затрат.
Система IPTV на базе программной модели лишена отмеченных
недостатков и позволит решать весь спектр задач, возникающих на этапе
разработки и отладки реальной системы мониторинга.
Рассмотрим типовую схему сети //’-телевидения (рис. 6.18), чтобы
определить ключевые моменты, необходимые для построения модели
мониторинга JPTV.
Информация в сеть 1PTV может поступать от систем спутникового,
кабельного телевидения, с серверов «Видео по запросу», «Домашний
кинотеатр», «Персональный видеомагнитофон» и от других аудиовизуальных
источников.
Далее происходит определение протоколов и параметров источников
вещания в сети. Для идентификации информации каждой программе
назначается уникальный код (//’-адрсс/портХ обеспечивающие доступ к ее
просмотру. Для информирования абонентов о содержании TV программ
используется сервер анонсов.
Просмотр TV программ пользователями осуществляется с помощью
телевизионной приставки STB (Ser-Top Рох) или компьютера с
соответствующим программным обеспечением для обработки мульгимедиа-
трафпка
Рисунок 6.18 - Типовая схема ссги IPTV
Исходя из рассмотрения принципа работы типовой схемы IPTV. можно
составить структурную схему модели мониторинга оказываемой услуги (рис.
6.19).
192
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
Рисунок 6.19 - Структурная схема модели мониторинга IPTV
мультисервисной сети передачи данных
В соответствии со структурной схемой (рис. 6.19) мониторинг качества
предоставляемой услуги 1PTV должен осуществляться на всех этапах
цифрового телевизионного вещания от источника информации до
потребителей.
Рассмотрим более подробно модель мониторинга IPTV, реализованную на
программном уровне.
6.4.4 Описание модели и ее техническая реализация
Модель строится по модульному принципу, что позволяет разрабатывать и
настраивать отдельные ее части независимо друг от друга.
Блок «Источники контента» объединяет набор TV программ,
предназначенных для организации вещания IPTV.
При этом возможно использовать:
- программы, созданные с использованием стандартных универсальных
плееров, способных воспроизводить любые существующие на сегодняшний
день форматы аудио- и видеофайлов;
- спутниковые и кабельные источники информации;
- предраммы TV с серверов Pol), nVoD, PVR и информацию с сервера
анонсов программ.
Блок «МмУель транспортной сети» выполняет эмуляцию транспортной
сети. Рассмотрим подробнее работу данного блока.
Транспортах сеть строится с использованием симулятора GNS3
(Graphical Network Simulator) (105], который осуществляет виртуализацию
реального оборудования (рис. 6.20).
Рисунок 6.20 - Пример эмуляции гранспортнон W’-ссгн в GNS3
Цифровое телепиденне' ВЛ. Карякин - М: СОЛОН-Пресс
193
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
Ядро программы - Dynamips эмулирует аппаратную часть оборудования,
непосредственно загружая и взаимодействуя с реальными образами
многозадачной операционной системы Cisco IOS (Internetwork Operating
System), выполняющей функции сетевой организации, маршрутизации,
коммутации и передачи данных. Текстовая надстройка Dynagen упрощает этап
построения и настройки виртуальных сетей, а графическая оболочка GNSJ
позволяет использовать метод визуального моделирования (рис. 6.21) при
проведении исследований.
GNS3 - графическая оболочка
Dynagen - текстовая оболочка
Dynamips - эмулятор
Рисунок 6.21 - Схема взаимодействия модулей в симуляторе GNS3
Таким образом, симулятор GNS3 является эффективным инструментом
виртуализации сетей с сохранением функциональных свойств оборудования.
Блок «Потребители контента» позволяет подключиться измерительному
TV приемнику к любому участку транспортной сети для оценки качества
цифрового телевизионного вещания.
Взаимодействие источников и потребителей информации с транспортной
ZP-сетью в модели происходит через объекты CI, С2 (рис. 6.20) симулятора
GNS3.
Блок «Система мониторинга и управления» осуществляет контроль, сбор и
анализ параметров работы IPTV на всех этапах цифрового телевизионного
вещания от источника информации до потребителей.
Разработанный испытательный тестовый стенд реализован программно на
персональных компьютерах, каждый из которых выполняет функции
отдельного блока модели мониторинга IPTV мультиссрвисной сети передачи
данных (рис. 6.19).
6.4.5 Пример работы модели
Проведём на конкретном примере исследование услуги IPTV с помощью
данной модели.
Транспортная сеть строится в симуляторе GNS3 по следующей схеме (рис.
6.22): два последовательно соединённых виртуальных маршрутизатора (JRI,
R2) подключены к объекту С1. Остальные интерфейсы объекта ус танавливают
связь с реальными сетевыми адаптерами компьютера: ethO подключен к
источнику вещания, ethl - к приёмнику (источник информации и приёмник
находятся в разных подсетях).
194
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глааа 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
Рисунок 6.22 - Пример работы модели мониторинга 1PTV
В качестве источника и приемника вещания используются компьютеры с
универсальными мультимедиа плеерами [ 106] Video LAN Client, VLC, один из
которых предназначен для передачи информации в /Р-ссть, а другой для
приема,
В данном примере вещание осуществляется по протоколу MPEG-2. Плеер
VLC формирует транспортный поток, состоящий из пакетов TS. Далее пакеты
TS стандарта MPEG-2 в инкалсуляторе преобразуются в пакеты протокола
пользовательских датшрамм UDP (User Datagram Protocol), которые
транслируются по /Р-cent (рис. 6.23).
Рисунок 6.23 - Инкапсуляция транспортною потока и /Р-ссть
Для организации сервера анонсов используется программное обеспечение
MiniSapServer [ 107].
Мультикаст-трафик источника информации через интерфейс ethO объекта
С1 поступает на маршрутизатор RI и перенаправляется на маршрутизатор R2.
Откуда, через интерфейс ethl объекта CJ доставляется на приемник.
Цифровое телевидение' В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
195
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
Система мониторинга и управления имеет доступ ко всем участкам модели
для настройки конфигурации и сбора статистики.
6.4.6 Результаты моделирования
Видеосервер осуществляет вещание мультикаст-трафика (в качестве
источника для примера выбран файл длительностью 200 с и средней
скоростью передачи данных 512 Кбиг/с). На приёмной стороне происходит
отображение полученного видеоизображения и звука.
Система мониторинга фиксирует все принятые транспортные пакеты ТУ,
обрабатывает их и выявляет возникающие ошибки.
Изменяя полосу пропускания сети (например, на интерфейсе Fa0/0
маршрутизатора R2) можно оценить процент ошибок в принятом потоке (рис.
6.24).
Из графика видно, что при большом :<апасе в полосе пропускания (2
Мбит/с) видесиюток принимается без потер). - ошибки отсутствуют.
Недостаточный запас (800 Кбит/с) приводит к появлению ошибок на
интервалах времени с повышенной скоростью передачи данных.
Использование полосы пропускания, равной средней скорости вядеопотока
(5)2 кБит/с) ведёт к значительному числу ошибок.
Рисунок 6.24 - Зависимость процента ошибок в вндсопотокс от полосы
пропускания сети
На приёмной стороне оценивалось одновременно изменение качества
полученного видеоизображения в зависимости от полосы пропускания
транспортной сети (рис. 6.25).
При большом запасе в полосе пропускания (кадр А) нпдеогюток
принимается без потерь. Недостаточный запас (кадр Б) приводит к появлению
ошибок на интервалах времени с повышенной скоростью передачи .чанных.
Даже 50% запас полосы пропускания (ио отношению к средней скорости
видеопотока) нс гарантирует безошибочный приём.
196
Цифровое гелсвидсмие/ В.Л Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
Рисунок 6.25 - Зависимость качества видеоизображения от полосы
пропускания сети
Использование полосы пропускания, равной средней скорости
видеопотока (кадр В) ведет к значительному числу артефактов видео потока, и
делает просмотр невозможным.
Заключение
I. Ра-зрабоганнал модель мониторинга 1PTV мультисереисиой сети
передачи данных. реализованная в ваде испытательного тестового стенда,
является эффективным кнетруметом по проведению исследований сервиса
//•-телевидения.
2. Модель мониторинга /РТУ позволяет:
- исследовать качество предоставляемого IPTV сервиса в режиме
реального времени для выявления возможных причин возникновения ошибок;
- собирать подробную статистику качества предоставляемых услуг за
дяительное время для выработки механизмов по управлению качеством
вещания в сетях передачи данных.
3. Предлагаемый метод исследования позволяет оперативно изменять
конфигурацию и параметры сети передачи данных, заменять при
необходимости виртуальные блоки на реальное оборудование.
4. В дальнейшем разработанная модель позволит дать рекомендации по
повышению эффективности систем мониторинга реальных IPTV сетей
передачи данных и, как следствие, обеспечить широкое внедрение цифрового
телевизионного вещания в мультисервисных сетях.
6.5 Автоматическая адаптация мультимедийных ресурсов
в компьютерных сетях передачи данных
6.5.1 Введение
Передача потокового видео с использованием протокола IP (IPTV) в
мультисервисных сетях передачи данных предъявляет высокие требования к
сети и бесперебойной доставке контенте, что нс требовалось для
традиционных компьютерных приложений.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
197
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
Эффективным методом выполнения высоких требований, предъявляемых к
качеству цифрового телерадиовещания в компьютерных сетях передачи
данных, является автоматическая адаптация мультимедийных ресурсов [108],
которая обеспечивает:
- широкий спектр сетей и устройств, а, следовательно, приводит к
увеличению числа пользователей услугами IPTV'.
- максимизацию пользовательской оценки восприятия Quality of
Experience (QoE);
- минимизацию хранилищ и техническую поддержку на стороне сервера.
Здесь необходимо отметить, что качество QoE является субъективной
мерой оценки качества вещания по опыту пользователей услуг IPTV. Качество
QoE связано с понятием качества обслуживания QoS, которое используется
для объективной оценки предоставляемых услуг, и учитывает дополнительно
потребности и пожелания пользователей услуг IPTV.
Метод реализации передачи потокового видео, представленный в данном
разделе, основан на архитектуре адаптации мультимедиа ресурсов, включая
механизмы принятия решений и адаптации ресурсов.
Инструмент адаптации базируется на технологиях стандартов MPEG-21 и
H.264/AVC SVC, которые были рассмотрены ранее во второй главе книги.
Рассмотрим различные виды адаптации мультимедийных ресурсов.
6.5.2 Динамическая адаптация
Под динамической адаптацией понимается адаптация мультимедиа
ресурсов в течение сессии вещаний. Это нс исключает адаптации в начале
сессии, когда определяется категория динамической адаптации.
При потоковом вешании контент адаптируется в устройстве, которое
будем в дальнейшем называть инструментом адаптации, и потоковом сервере,
соответственно. Процесс адаптации происходит с учетом возможностей
цифрового телевизионного приемника и характеристик сети передачи данных.
При мобильном приеме возможны изменения параметров сети благодаря
перемещению пользователя и бесшовному переключению каналов доступа,
имеющих различную пропускную способность (роуминговый сценарий).
Часто доступ пользователя к мультимедийному сервису меняется в течение
сессии. Это связано с колебаниями пропускной способности сети передачи
данных благодаря изменению ее нагрузки. Очень важно, чтобы инструмент
адаптации динамично реагировал на изменения параметров сети, принимал
решения о требуемой адаптации и эффективно управлял действующим
потоком информации в автоматическом режиме.
6.53 Распределенная адаптация
Предположим, что иитернег-провайдер организовал непрерывное вешание
одного и того же фильма (например, целую педелю) по технологии «плата за
198
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
просмотр» [pay-per-view) на одном и том же канале. За плату пользователи
могут присоединиться к этому каналу в течение всей длительности фильма.
После оплаты (которая здесь не рассматривается), пользователь посылает
серверу запрос на подключение к просмотру фильма (рис. 6.26).
Сервер выбирает наиболее подходящий узел адаптации, основываясь на
описании местоположения, включенного в пользовательский запрос, и
отправляет запрос на узел адаптации. Узел адаптации отвечает на запрос и
принимает контекстную информацию от пользователя (например,
возможности терминала и текущие сетевые условия). Затем он сравнивает эту
контекстную информацию с аналогичной информацией от других
пользователей, которых он обслуживает на этом канале и решает, достаточное
ли качество потока приходит с сервера или нет. Если нет - с сервера
запрашивается поток с более высоким качеством.
Рисунок 6.26 - Сценарий распределенной адаптации
На рис. 6.26 используется следующая англоязычная информация:
User with PDA - пользователь с карманным компьютером; User with Tablet PC
- пользователь с планшетным компьютером; Request - запрос; Content-Related
Metadata - мегаданные, связанные с содержанием; Forward Requests) -
запрос(ы) вперед; Movie Medium Resolution - фильм со средним разрешением;
Movie, Low Resolution - фильм с низким разрешением; Context Information -
информация о контексте; Adaptation Node - узел адаптации; Networks) - сеть
(и); e.g. Internet- например, интернет.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
199
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
Контент адаптируется для каждого пользователя на узле адаптации в
общем виде, основываясь на метаданных, которые передаются вместе с
содержимым.
6.5.4 Архитектура инструмента адаптации и управления
потоками данных
Рассмотрим более подробно архитектуру инструмента и управления
потоками данных (см. рис. 6.27).
В центре схемы располагается инструмент адаптации, с такой
конструкцией, что может быть использован как на сервере, гак и на узле
адаптации.
Рисунок 6.27 - Архитектура инструмента адаптации и управления потоками
данных
На рис.2 используется следующая англоязычная информация:
Media & Metadata Repository - хранилище медиа и метаданных; Network -
сеть; File Reader - чтение файла; Streaming Server - потоковый сервер;
Adaptation Node - узел адаптации; Server - сервер; Adaptation Engine Control
- инструмент адаптации и управления; Context Aggregation Tool - инструмент
агрегации контекста; Resource Adapter - адаптер ресурсов; Bandwidth
Estimation - оценка пропускной способности; Media Packetizer - Медиа
пакетирование; Media Depacketizer - Медиа депакетирование; Optimizer -
оптимизатор;
Инструмент адаптации имеет интерфейс управления, функции которого
следующие:
- обеспечивает управление потоковым сервером и сервером чтения
файлов;
- управляет работой инструмента адаптации, активируя различные
модули в соответствующее время;
- отвечает за большую часть внутренних связей между различными
модулями.
200
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
В зависимости от сценария приложений, инструмент адаптации находится
либо на сервере, либо на узле адаптации.
В первом случае контент извлекается из локального хранилища через
сервер чтения файлов, который фрагментирует и пакетирует соответствующие
медиа- и метаданные для начала вещания (1а). Здесь и далее (от 1а доНЬ)
обозначения различных этапов работы инструмента адаптации и управления
потоками данных на рис. 6.27.
В другом случае контент и ето сопутствующие метаданные получают из
сеги (1Ь). В обоих случает пакетированные данные поступают на вход
устройств распакетирования (депакетизаторов) для извлечения
соответствующих фрагментов медиа- и метаданных (2а, 2Ь).
Часть извлеченных из пакетов метаданных попадают на оптимизатор (3),
который отвечает за определение оптимальных параметров адаптации на
основе имеющихся ограничений (например, доступная полоса пропускания,
разрешение экрана и т.д.). Этот модуль, таким образом, обеспечивает процесс
принятия решений об адаптации.
Все неизменные параметры используемой среды, являющиеся
ограничениями при оптимизации процесса адаптации, хранятся в центральной
базе данных под управлением инструмента агрегации (объединения) контекста
за исключением динамично изменяющейся полосы пропускания, которая
контролируется инструментом оценки пропускной способности. Этот
инструмент регулярно замеряет канал передачи для опенки полосы
пропускания (5а). Вся эта информация передается на оптимизатор (4т5Ь),
который определяет оптимальные параметры адаптации.
Затем эти параметры подаю гея в ресурсный адаптер (6), который
выполняет действительную адаптацию ресурсов (8) с использованием части
метаданных, связанных с содержанием контента (7). Наконец, адаптированные
медиа- (10) и метаданные (9а, 9Ь) пакетируются (I la, 11b) и передаются через
потоковый сервер.
6.5.5 Динамическое принят ие решений
Как отмечалось выше, оптимизатор отвечает за определение оптимальных
параметров адаптации при заданных технических характеристиках
оборудования пользователя и ограничениях, связанных с пропускной
способностью канала передачи данных. Принятие решений требует знаний, по
крайней мере, о возможностях процесса адаптации, дополненных
характеристиками ресурсов и качества, которые необходимы при выборе
адаптации. С другой стороны требуется набор значений дескрипторов
контекста.
В случае масштабирования видео потока с использованием технологий
стандарта H.264/AVC SVC свойства адаптации будут определяться всеми
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
201
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных
поддерживаемыми комбинациями, пространственного, временного и
качественного масштабирования.
Значения дескрипторов контекста могут соответствовать, например,
размеру экрана или текущему сетевому соединению. В MPEG-21 определено
два дескриптора для записи такой информации:
- адаптация QoS (AdaptationQoS, AQoS);
- универсальный дескриптор ограничений (Universal Constraints
Descriptor. UCD).
Дескриптор AQoS описывает взаимосвязь параметров адаптации,
результирующих характеристик ресурсов, параметров качества и других
параметров. VCD может дополнять эту информацию математически
определенными ограничениями, налагаемыми контекстом используемой среды
или других источников. Кроме того, функция оптимизации может быть
объявлена в UCD для управления выбором лучшего варианта адаптации.
6.5.6 Архитектура узла адаптации
Архитектура узла адаптации может быть грубо разделена па три модуля
(рис.6.28).
Рисунок 6.28 - Архитектура узла адаптации
На рис. 6.28 используется следующая англоязычная информация:
202
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 6. Технологии цифрового ТВ вешания в мультисервисных сетях передачи данных
Node - узел; Generic Adaptation Node - общий узел адаптации; Adaptation
Engine - инструмент адаптации; Adapted content - содержание
адаптированное; Context Aggregation - агрегации контекста; Context Merging -
объединение контекста; Content-Eelated Metadata - метаданные связанные с
содержанием; Content Information - информация о содержании; Merging
Content Information - информация о слиянии содержания.
Модуль агрегации контекста отвечает за сбор контекстной информации от
клиентских узлов, расположенных ниже по пути доставки и обеспечение этой
информацией других модулей. Основываясь на этой контекстной информации,
инструмент адаптации может решить какая адаптация должна быть применена
к мультимедиа контенту, чтобы передать клиентам (см. раздел 2.2.3).
Модуль объединения дескрипторов компилирует набор дескрипторов,
каждый из которых обеспечивает наивысшее качество, которое может
потребить любой из подключенных терминалов.
Объединение контекстной информации достигается с помощью
определенных дескрипторов узла адаптации, описывающих, например,
поддерживаемые варианты адаптации н отправку на сервер.
Модуль инструмента адаптации. Основываясь на объединенной
контекстной информации. Сервер может адаптировать уровень качества
контента запрашиваемого узлом адаптации.
Адаптированный контент соответствует наивысшему качеству
мультимедиа, которое удовлетворяет запросам всех терминалов,
подсоединенных к узлу адаптации.
Затем сервер доставляет этот контент вместе с сопутствующими
метаданными к узлу адаптации. Далее, узел адаптации обеспечивает
дублирование и доставку контента к каждому подсоединенному терминалу
определенным путем.
Таким образом, каждый клиент может получать наивысшее качество
потока, которое можно получить в данных условиях, при ограничениях
конкретной сети пользова теля и характеристик терминала.
6.5.7 Заключение
Из рассмотрения принципов работы инструмента адаптации
мультимедийной информации, передаваемой в мультисервисных сетях с
использованием технологий стандартов MPEG-21 и H.264/AVC SVC, (см.
вторую главу) можно сделать заключение о реализуемости и эффективности
данного метола повышения надежности и качества IPTV для широкого
спектра сетей и устройств.
Применение данного метода па практике приводит к повышению
пользовательской оценки восприятия QoE и увеличению числа пользователей
услугами IPTV.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
203
Глава 7. Технология перехода па цифровое телевизионное вешание
7 Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
В настоящее время перспективы перехода на цифровое телевизионное
вещание не вызывают сомнений благодаря очевидным преимуществам
цифровых методов передачи информации перед аналоговыми методами. В
России разработана и уже осуществляется концепция поэтапного перехода к
цифровому телерадиовещанию.
В НИИР разработаны и внедряются системные проекты сетей цифрового
телевизионного вешания (первый мультиплекс) на ряде территорий РФ:
Приморского края. Еврейской автономной области. Алтайского края,
Амурской области, Камчатского края, Магаданской области, Сахалинской
области.
Внедрение системы цифрового телерадиовещания происходит на базе
существующей структуры с внесением в нее необходимых изменений и
дополнений.
Сеть цифрового телерадиовещания Российской Федерации, создается в
соответствии с Федеральной целевой программой (ФЦП) «Развитие
телерадиовещания в Российской Федерации на 2009-2015 годы»,
утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 3
декабря 2009 года № 985.
7.1 Основные положения строительства сетей цифрового
телерадиовещания в РФ
7.1.1 Выбор ст андарта компрессии
На момент разработки Федеральной Целевой Программы возможным
являлось использование для наземного цифрового вещания стандартов
компрессии MPEG-2 и Н.264/А VC/MPEG-4 Part 10.
В научно-технической литературе анализировались возможности
использования того и другого формата компрессии. Следует отметить, что
стандарт MPEG-4 в последние несколько лет совершенствовался и, в
результате, именно этому стандарту отдано предпочтение в проектах
строительства сетей цифрового телерадиовещания в РФ. Благодаря стандарту
MPEG-4 в системных проектах [НО] планируется передавать в одном
мультиплексе 8 ТВ каналов стандартного качества и 3 радиовещательных
канала. Рассматривается возможность увеличения числа ТВ каналов в
мультиплексе до 9 путем исключения радиовещательных каналов.
7.1.2 Выбор метода построения сетей телерадиовещания
в регионах РФ
Существенным положением первого этапа создания сети цифрового
телерадиовещания в Российской Федерации в условиях дефицита частотных
каналов для строящихся радиотелевизионных передающих станций (РТПС)
204
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
является использование одночастотных сетей, в которых все смежные
цифровые РТПС конкретной локальной зоны работают на одном ТВ канале.
В регионах в соответствии с разработанным частотно-территориальным
планом (ЧТП) для сети трансляции в РФ первого мультиплекса организуется
несколько локальных зон с разными частотными каналами.
В частности, в соответствии ЧТП сеть цифрового наземного вещания
Самарской области (таб.7.1) должна состоять из 4 одночастотных синхронных
зон, для которых выделено 3 частотных канала.
Таблица 7.1 - Одночастотные зоны Самарской области
Номер Пункт Канал Количество станций
1 BOLSHAYA_GLUSH1TSA 52 13
2 NOVOSPASSKOE 46 16
3 SERG1EVSK 46 64
4 ZHIGULEVSK 27 60
В таб.7.1 перечислены названия одночастотных зон Самарской области,
используемый частотный канал и количество цифровых станций для каждой
одночаеготной сети.
Как отмечалось ранее, планируется передача первого мультиплекса,
состоящего из 8 телевизионных и 3 радиовещательных программ.
1) Первый канал.
2) Российское телевидение.
3) Российский информационный канал (РНК).
4) Общероссийский государственный телевизионный канал «Культура».
5) Обще|юссийский телевизионный канал «Спорт».
6) Телекомпания НТВ.
7) Петербург-5 канал.
8) Детско-юношеский телевизионный канал.
Кроме этого, в состав пакета включены следующие три радиопрофаммы:
1) Вести ФМ.
2) Маяк.
3) Радио России.
Плаиируегся вещание 2-5 ТВ и 1-3 РВ программ совместно с программой
«Вести/РИК».
Архитектура построения сети должна обеспечивать ее поэтапное
наращивание для вещания 3-х мультиплексов.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
205
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
Таблица 7.2 - Характеристики сети Самарской области
№ Характеристика Значение
1 Общие характеристики сети DVB-T
1.1 Тип сети Одночастотная, синхронная
1.2 Количество одночастотных синхронных зон в соответствии с разработанным ЧТП 4
1.3 Количество выделенных частот 3
1.4 Параметры модуляции и кодирования цифрового эфирного ТВ сигнала 8К, 64-QAM, 3/4,1/4Т
1.5 Скорость транспортного потока цифрового эфирного сигнала 22,39 Мбит/с
1.6 Количество ТВ программ в мультиплексе 8
1.7 Количество РВ программ в мультиплексе 3
1.8 Метод кодирования MPEG-4AVC
1.9 Количество программ, подвергаемых модификации в режиме реального времени 1-4
1.10 Количество программ с региональными рекламными вставками 1-8
1.11 Передача региональных и федеральных программ оповещения ГО и ЧС Избирательно вместо любой программы,
7.1.3 Методика определения зон обслуживания телевизионных
передатчиков в системных проектах НИШ*
Граница зоны обслуживания цифровой передающей станции определяется
в результате расчетов как совокупность точек, в которых расчетное значение
напряженности поля равно минимальному медианному значению
напряженности поля, приведенному в таблице 7.3.
Величина Емед рассчитывается на основе минимальной напряженности
поля (£мнн) при добавлении, в надлежащих случаях, соответствующих
поправочных коэффициентов.
При фиксированном приеме цифрового телевидения процентные
отношения местоположений устанавливаются нс менее 70% для
«допустимого» и 95% для «хорошего» приема.
206
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
Расчет зоны обслуживания обычно проводится для условий
фиксированного приема, при котором используется направленная приемная
антенна, установленная на крыше здания, на высоте 10 м над уровнем земли.
Таблица 7.3 - Минимальные медианные значения
напряженности поля
№ № п/ п Параметры Значения для частотных диапазонов
1. Частотный диапазон, МГц 20 0 500 800
2. Усиление приемной антенны относительно полуволнового вибратора, дБ 7 10 12
3. Минимальная напряженность поля в месте приема*, Емин [дБ (мкВ/м)] 39 45 49
4. Минимальная медианная напряженность поля для обеспечения охвата 70% мест, Е мед дБ (мкВ/м) 44 48 52
5. Минимальная медианная напряженность поля для обеспечения охвата 95% мест, Е мед дБ (мкВ/м) 50 54 58
Зона приема считается покрытой, если требуемые значения несущая/шум
(C/N) и отношение нссущая/интсрмодуляпия (CZT) обеспечиваются в течение
99% времени.
Зона обслуживания передатчика или группы передатчиков, работающих в
одной одночасгогной зоне, формируется из суммы индивидуальных зон, в
которых действует данный класс охвата.
Требуемая минимальная напряженность поля обеспечивается выбором
мощности передатчика, коэффициента усиления передающей антенны,
высотой ее подъема, рельефом местности и т.п.
Расчетным путем, используя данный метод, определить зону уверенного
приема в регионах со сложным рельефом очень трудно, практически
невозможно. Дня этих целей необходимо сопоставлять расчетные значения с
результатами эксперимента.
Измерительным прибором является любой тестовый приемник (ТВ -
анализатор), имеющий сертификат об утверждении типа средств измерений
Госстандарта России и внесенный в реестр средств измерений РФ (в качестве
примера могут быть приборы компании Rohdc&Schwarz).
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
207
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
После завершения строительства и ввода в эксплуатацию цифровой РТПС
необходимо проводить выборочные измерения в зоне обслуживания для
выявления фактических зон тени, в которых прием цифровых сигналов
невозможен.
Тестовый приемник, используемый для измерений, устанавливается на
автомобиле, производящем движение внутри зоны уверенного приема в
различных направлениях. Процедуру можно повторить несколько раз в
зависимости от требуемой точности определения границы уверенного приема.
При выявлении зон тени, внутри которых постоянно проживает население,
необходимо для покрытия этих зон вещанием устанавливать одночастотные
ретрансляторы.
7.1.4 Требования к системам мониторинга, оповещения,
коллективного приема программ
Планируемая система мониторинга, обеспечивающая дистанционный
контроль и управление должна строиться с учетом организационной
структуры ФГУП «Российская телевизионная и радиовещательная сеть»
(РТРС) и иметь трехуровневую архитектуру, образуемую иерархически
подчиненными подсистемами:
- Федеральный уровень - центр управления и контроля сети
телерадиовещания (генеральная дирекция предприятия);
- Региональный уровень - радиотелевизионные передающие центры;
- Местный уровень - радиотелевизионные передающие станции
(удаленные передатчики).
Система должна позволять осуществление контроля и управления приемо-
передающим оборудованием и вспомогательными системами (ТВ и РВ
передатчики, приемные статщии спутниковой связи), а также контролировать
защиту объектов с использованием технических средств пожарно-охранной
сигнализации.
На местном уровне (подсистема контроля и управления технологическим
и вспомогательным оборудованием РТПС) информация со встроенных блоков
дистанционного управления передатчиков, контроллеров, датчиков поступает
в сервер базы данных, где производится се сбор и хранение. Непрерывный
оперативный контроль, а также дистанционное управление технологическим и
вспомогательным оборудованием (в соответствии с установленными
полномочиями) осуществляется с автоматизированного рабочего места (АРМ)
диспетчера.
На данном уровне производится сбор и анализ результатов контроля и
мониторинга, формирование регламентированной и оперативной отчетности,
регистрация и протоколирование всех действий, произведенных
пользователями системы.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
208
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
На региональном уровне осуществляется управление, контроль и
мониторинг эксплуатационных параметров оборудования и объектов всей
инфраструктуры подконтрольных РТПС. Информация со всех РТПС поступает
на сервер базы данных.
Контроль, анализ и управление объектами автоматизации осуществляется с
АРМ диспетчера. Для оперативного решения вопросов в случаях
возникновения аварийных ситуаций и каких-либо неисправностей в работе
оборудования предусмотрено АРМ ремонтника. Здесь отслеживается и
анализируется место, объект, характер нарушений и производится отправка
ремонтных бригад для их устранения. Отслеживаются принимаемые меры.
Осуществляется диагностика работоспособности технических средств.
Федеральный уровень - это центр управления и контроля сети
телерадиовещания РФ. На федеральном уровне осуществляется сбор, анализ и
консолидация данных в части работоспособности технологического и
вспомогательного оборудования региональных РТПС, качества оказания услуг
эфирного вещания, сбора статистики по различным видам оборудования и
принятия обоснованного решения по устранению аварийных ситуаций.
Должно быгь предусмотрено не менее трех АРМ. Со всех АРМ
обеспечивается выход па нижние уровни системы с возможностью
отображения информации о состоянии сети на электронном табло и передачи
сообщений и указаний на средний уровень. При возникновении нестандартных
ситуаций с АРМ может осуществляться дистанционное управление
техническими средствами
В центре формирования мультиплекса, как на федеральном, так и на
региональном уровне необходимо контролировать следующие основные
параметры:
1. Наличие и стабильность опорной частоты 10 МГц и сигнала 1 PPS.
2. Качество сформированного транспортного потока (отсутствие ошибок
J-2 уровня).
3. Сигналы предупреждений и аварий оборудования головной станции.
4. Визуальный контроль качества сформированных в транспортный
поток программ.
5. Непрерывный мониторинг и контроль структуры транспортного потока
с графическим и числовым ее представлением.
6. Кон троль состояния сети электропиташтя.
7. Контроль температуры помещения.
Весь вышеперечисленный контроль осуществляется как с использованием
измерительной техники, так и визуальной.
В передающем центре необходимо контролировать следующие основные
параметры:
I. Наличие опорной частоты 10 МГц и сигнала 1 PPS.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
209
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
2. Качество принятого транспортного потока (отсутствие ошибок 1-2
уровня, постоянство скорости передачи данных, для одиочастотной сети -
ОЧС).
3. Контроль прямой и отраженной мощности на выходе передатчика.
4. Значение центральной несущей частоты передатчика.
5. Контроль состояния передатчика (вкл./выкл., антенна/эквивалент,
работа/технологический режим).
6. Сигналы предупреждений и аварий оборудования передающего центра
(наличие электронного журнала по каждому из типов и видов оборудования с
привязкой сигналов предупреждения и сигналов аварийной ситуации к
временным параметрам).
7. Контроль состояния сети электропитания.
8. Контроль температуры помещения.
9. Контроль работы пожарно-охранной сигнализации.
При проведении работ, связанных с точной настройкой передатчика без
отключения вещания, необходимо чтобы у передатчика имелась возможность
переключения с дистанционного контроля на локальный. Данные о состоянии
контролируемых параметров выводятся на мониторы диспетчерского пункта и
параллельно сохраняются на сервере (с целью дальнейшей обработки и
анализа тех или иных ситуаций.).
Для поддержки системы управления передатчиками цифрового ТВ
вещания, находящимися на значительном удалении от центров формирования
региональных мультиплексов и от узлов инфраструктуры наземных сетей
связи, представляется целесообразным использование спутниковых средств. В
этом случае передающие комплексы региональной сети цифрового ТВ
вешания должны комплектоваться земными станциями спутниковой связи
типа 1'Х4Г (Very Small Aperture Terminal - терминал с очень малой
апертурой). Центральная станция спутниковой связи должна устанавливаться
в центре формирования регионального мультиплекса.
В соответствии с частотно-территориальным планом первого
мультиплекса в сети цифрового телерадиовещания предусмотрено
использование 9088 РТПС, причем на новых площадках запланировано
строительство от 30% до 90% станции региона. Большая часть из них имеет
мощность менее 50 Вт.
В отличие от аналогового ТВ вещания авария в сети цифрового
телерадиовещания, например, передатчика первого мультиплекса, лишит
аудиторию зрителей и слушателей сразу 8 телевизионных и 3
радиовещательных каналов.
В этих условиях для повышения коэффициента готовности работы
оборудования принимаются специальные меры. Например, на РТПС с
передатчиками 100 Вт и более вводится горячее резервирование основных
блоков передатчиков (модуляторов и выходных усилителей мощности). На
210
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
необслуживаемых РТПС с передатчиками менее 50 Вт коэффициент
готовности может быть повышен за счет сокращения времени ремонта. Это в
свою очередь достигается повышением оперативности отправки ремонтных
бригад на устранение аварии.
Системы коллективного приема телевидения (СКПТ) и системы
кабельного телевидения (КТВ) не связаны напрямую с охватом населения
наземным эфирным ТВ вещанием. С первого взгляда, кажется, что достаточно
обеспечить охват наземным эфирным вещанием тех населенных пунктов, в
которых используются СКПТ и КТВ, чтобы реализовать показатели развития
сети цифрового ТВ вещания, определенные в ФЦП, и начать отключение
аналоговых ТВ передатчиков.
В действительности требуется, чтобы в СКПТ и КТВ было обеспечено
прохождение сигналов первого мультиплекса ТВ вешания от приемных антенн
до абонентов и налажен контроль наличия у абонентов соответствующих
цифровых ТВ приемников или цифровых приставок к аналоговым
телевизорам.
7.1.5 Состав, структура системы оповещения
Система оповещения населения о мероприятиях гражданской обороны и
чрезвычайных ситуациях устанавливается на территории регионального
центра в центре формирования региональных мультиплексов.
Система оповещения населения представляет' собой набор оборудования
для осуществления вставки видеоизображения и звукового сопровождения
заранее подготовленного материала или получаемого непосредственно из
штаба гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций (ГО ЧС) в
сформированный транспортный поток без потери синхронизации во все
телевизионные и радиовещательные каналы первого мультиплекса.
Система оповещения интегрирована с системой автоматизированной
вставки региональных гелерадиопрограмм.
При возникновении чрезвычайной ситуации оператор МЧС оповещает
дежурного оператора центра кодирования и мультиплексирования и выдает
команду управления на включение системы оповещения. Сигнал от штаба ГО
и ЧС поступает в центр формирования регионального мультиплекса, где после
получения сигнала система управления включается режим вставки сигнала от
штаба ГО и ЧС во все телеканалы в прямом эфире.
Таким образом, абоненты сети цифрового телевидения, будут оповещены о
возникновении чрезвычайной ситуации в независимости от того, какую
телерадиопрограмму в данный момент времени просматривает абонент.
7.2 Структура сети цифрового телевизионного вещания РФ
Рассмотрим структуру сети цифрового телевизионного вещания РФ (рис.
7.J), полагая при этом, что сети филиалов РТРС начинаются от выхода
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
211
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
соединительной линии аппаратной телерадиокомпании (ТРК) и заканчиваются
Рисунок 7.1 - Структурная схема сета цифрового
телевизионного вещания РФ
На рис. 7.1 между двумя вертикальными пунктирными пиниями размещена
информация в виде отдельных блоков, являющихся компонентами сети
цифрового телевизионного вещания.
Здесь ССП - система спутниковой передачи информации; РРЛ -
радиорелейная линия связи; ВОЛС - волоконно-оптическая линия связи;
ЦФФМП - центр формирования федерального мультиплекса; ЦФРМП - центр
формирования регионального мультиплекса; СО - система оповещения;
СНРПС - сеть наземных передающих станций; КТВ - системы кабельного
телевидения; СКТП - системы коллективного приема телевидения; СНТВ -
системы спутникового непосредственного телевизионного вещания.
Далее рассмотрим более подробно компоненты сети цифрового
телевизионного вещания, представленные на рис. 7.1.
212
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
7.2.1 Центр формирования федеральных мультиплексов
На рисунке П1 (см. приложение 1) приведена упрощенная схема центра
формирования федеральных мультиплексов. Для минимизации рисунка на нем
приведены элементы, относящиеся только к формированию 1-го мультиплекса
для 5-ти вещательных зон. Аналогичные элементы будут использоваться при
формировании других мультиплексов.
В состав центра входит система приема телерадиопрограмм, компрессии и
формирования мультиплексов, состоящая из нескольких подсистем:
- Подсистемы приема телерадиопрограмм;
- Подсистемы компрессии;
- Подсистемы формирования мультиплексов;
- Подсистемы условного доступа.
Управление и контроль работы системы приема гелерадиопрограмм,
компрессии и формирования мультиплексов осуществляется системой
управления и мониторинга.
Подсистема приема телерадиопрограмм получает от
телерадиокомпании (ТРК) видеосигналы программ стандартной четкости с
интегрированными сигналами звукового сопровождения и звуковые сигналы, а
также управляющие сигналы начала и окончания замещения блоков
федеральных программ. Сигналы поступают от ТРК на Подсистему приема
телерадиопрограмм по ВОЛС.
Профессиональное оборудование Подсистемы приема гелерадиопрограмм
предназначено для круглосуточной эксплуатации и зарезервировано. При
выходе из строя основного оборудования Подсистема обеспечивает
автоматический его обход и подключение резервного оборудования.
В сос гав Подсистемы компрессии входя т профессиональные кодеры ТВ и
РВ сигналов. Данная подсистема должна обеспечивать следующие функции:
- кодирование видеосигналов стандартной четкости в соответствии со
стандартом - MPEG-4 AVC (ISO/1EC 14996-10) Main Profile уровень 3
(MP@L3) с разрешающей способностью изображения - 720x576;
- кодирование сигналов звукового сопровождения и сигналов
радиовещания в соответствии со стандартами - MPEG1 Layer II (32 - 384
кбит/с), MPEG-2 ААС (64 - 128 кбит/с), MPEG-4 ПЕ-ААС (32 - 128 кбит/с),
опционально - Dolby Digital (56 - 640 кбит/с) и Pass-through Dolby© Digital 5.1;
- обработка данных, вложенных в видеосигналы (телетекст,
управляющая и служебная информация, сигналы звукового сопровождения).
Выходными сигналами подсистемы являются однопрограммные и
многопрограммные транспортные потоки MPEG-2, сформированные в
соответствии со стандартом 1SO/1EC 13818-1, которые подаются на
Подсистему формирования мультиплексов. Профессиональное оборудование
Подсистемы предназначено для круглосуточной эксплуатации и
Цифровое телевидение/ В.Л Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
213
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
зарезервировано. При выходе из строя основного кодера Подсистема
обеспечивает автоматический его обход и подключение резервного кодера.
Подсистема. формирования мультиплексов обеспечивает следующие
функции:
- формирование 5-ти многопрограммных транспортных потоков для
организации зонального вещания;
- передача данных EPG и данных интерактивных служб в составе
транспортного потока;
- поддержка статического мультиплексирования.
Входящие в состав Подсистемы мультиплексоры обеспечивают
статическое мультиплексирование (опционально статистическое),
формирование в соответствии со стандартом ISO/1EC 13813-1
многопрограммных транспортных потоков (мультиплексов) и подачу их на
оконечное оборудование магистральных каналов связи для передачи в
репюны Российской Федерации.
Подсистема условного доступа предназначена для криптографической
защиты телерадиопрограмм, файлов, служебной информации и другой
информации в сформированных мультиплексах от несанкционированного
доступа при распространении через спутниковые и наземные каналы связи.
Подсистема должна быть совместима с международными стандартами Кв.
В состав системы входит специальное серверное оборудование и рабочие
станции. Профессиональное оборудование системы предназначено для
круглосуточной эксплуатации и зарезервировано. При выходе из строя
основного оборудования Подсистема обеспечивает автоматическое
подключение резервного оборудования.
7.2.2 Центр формирования региональных мультиплексов
Центр формирования региональных мультиплексов, структурная схема
которого представлена в П2 (см. приложение 2), предназначен для
функционирования в составе Автоматизированного комплекса цифрового
вещания ФГУП «РТРС». В состав регионального центра функционально
входят те же системы, что и в состав федерального, и дополнительно система
автоматического замещения блоков федеральных программ, поддерживающая
обмен данными с сервером видеоматериалов. Функции центра формирования
региональных мультиплексов также будут рассмотрены ла примере 1-го
мультиплекса.
Центр формирования региональных мультиплексов выполняет следующие
функции:
- получение программ и дополнительных данных от региональных
вещателей и рекламных агентств для формирования регионального пакета
программ;
214
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
- ретрансляция пакета федеральных программ, а также автоматическое
замещение блоков федеральных программ согласно расписанию и
управляющим сигналам;
- формирование регионального пакета программ для организации
регионального вещания;
- адаптация сформированных транспортных потоков к передаче в
одночастотных сетях вещания;
- реализация условного доступа к телерадиопрограммам;
- управление, контроль и мониторинг систем, входящих в региональный
и местные узлы.
Подсистема приема телерадиопрограмм служит для приема программ от
региональных телерадиовещателей. Выходной сигнал подсистемы
обрабатывается в Подсистеме компрессии с целью дальнейшего
формирования регионального мультиплекса цифрового ТВ вещания.
Сигналы федеральных мультиплексов поступают на вход Системы
приема мультиплексов, осуществляющей их преобразование в
многопрограммные транспортные потоки TS MPEG-2. Далее транспортные
потоки TS MPEG-2 поступают на Систему автоматического замещения
блоков федеральных программ для выполнения модификации ТВ программ, а
также на подсистему мониторинга и записи входных сигналов.
Подсистема компрессии и формирования мультиплексов включает
оборудование компрессии ТВ программ и оборудование формирования
региональных мультиплексов цифрового ТВ вещания.
В состав оборудования компрессии ТВ программ входят
профессиональные кодеры телевизионных и радиовещательных сигналов.
Данное оборудование обеспечивает следующие функции:
- кодирование видеосигналов стандартной четкости в соответствии со
стандартом MPEG-4 АУС (ISO/IEC 14996-10) Main Profile уровень 3
(MP@L3) с разрешающей способностью изображения - 720x576;
- кодирование сигналов звукового сопровождения и радиовещательных
сигналов в соответствии со стандартами MPEG1 Layer II (32 - 384 кбит/с),
MPEG-2 ААС (64 - 128 кбит/с), MPEG-4 ПЕ-ААС (32 - 128 кбит/с),
опционально - Dolby Digital (56 - 640 кбит/с) и Pass-through Dolby® Digital
5.1',
- обработка данных, вложенных в видеосигналы (телетекст,
управляющая и служебная информация, сигналы звукового сопровождения).
Выходными сигналами оборудования компрессии телевизионных
программ являются транспортные потоки MPEG-2, сформированные в
соответствии со стандартом ISO/IEC 13818-1, которые подаются на
оборудование формирования мультиплекса или на Систему автоматического
замещения блоков федеральных программ в зависимости от выбранного
варианта формирования регионального мультиплекса.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
215
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
Подсистема мониторинга и записи входных сигналов обеспечивает
следующие функции:
- мониторинг всех принимаемых ТВ и РВ программ с отображением
названия принимаемого капала и индикацией уровня звука;
— инструментальный контроль параметров видео и звуковых сигналов;
- бесперебойную запись принимаемого материала с сохранением
служебной и дополнительной информации;
- хранение полученных материалов в течение установленного срока;
- просмотр сохраненных материалов.
Подсистема мониторинга и записи выходных сигналов обеспечивает
следующие функции:
- дескремблирование, запись и хранение в течении установленного срока
сформированных транспортных потоков, инструментальный контроль
выходных транспортных потоков согласно рекомендации ETSI TR 101290;
- просмотр сохраненных материалов.
Оборудование центра формирования региональных мультиплексов
предназначено для круглосуточной эксплуатации и зарезервировано. При
выходе из строя основного оборудования обеспечивается автоматический его
обход и подключение резервного оборудования.
7.2.3 Транспортные сети
Федеральная транспортная сеть должна обеспечивать требуемую
пропускную способность и гарантированную доставку каналов федерального
мультиплекса, дистанционное управление и мониторинг.
Наземные средства связи могут состоять из существующих сетей ОАО
«Ростелеком», ОАО «Транстелеком», построенных на базе линий ВОЛС, РРЛ,
или собственных линий ФГУП «РТРС», существующих, или строящихся.
Спутниковые линии связи могут быть организованы на базе действующей
и перспективной спутниковой группировки "Экснресс-АМ" ГП "Космическая
связь".
7.2.4 Сеть наземных радиотелевизионных передающих станций
Оборудование наземных радиотелевизионных передающих станций
(РТПС) можно условно разделить на несколько отдельных элементов
(подсистем):
- подсистема приема цифрового пакета телерадиопрограмм из
транспортной сети;
- подсистема передачи цифрового пакета телерадиопрограмм в эфир;
- подсистема управления и мониторинга;
- подсистема резервирования;
- инженерные подсистемы.
216
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
Обобщенная структурная схема РТПС приведена на рисунке 7.2.
Цифровой пакет гелерадиопрограмм принимается подсистемой приема и
преобразуется в транспортный поток MPEG-2.
Транспортный поток MPEG-2 поступает на подсистему передачи, с выхода
которой цифровой пакет гелерадиопрограмм излучается в эфир.
Подсистема управления и мониторинга обеспечивает контроль параметров
оборудования наземного передающего комплекса и управление режимами
работы оборудования по отдельному каналу связи.
Рисунок 7.2 - Обобщенная структурная схема РТПС
Оборудование каждой из трех вышеуказанных подсистем может включать
в себя резерв (подсистему резервирования) для обеспечения бесперебойной
работы всего наземного передающего комплекса.
В зависимости от используемого канала транспортной сети подсистемы
приема цифрового пакета гелерадиопрограмм подразделяются на следующие
типы:
1) подсистема приема цифрового пакета телерадиопрограмм по волоконно-
оптическому каналу;
2) подсистема приема цифрового пакета телерадиопрограмм по
радиорелейному каналу;
3) подсистема приема цифрового пакета телерадиопрограмм по
спутниковому каналу.
В состав аппаратуры спутникового приема эфирных станций входят;
- спутниковые приемные антенны с конвертором LNB (lew-noise block
converter);
- спутниковые приемники;
- автоматический переключатель резервирования спутниковых трактов
приема (при соответствующей схеме резервирования).
В простейшем варианте станция может содержать одиц тракт
спутникового приема и не иметь резерва оборудования эфирного вещания.
Такая схема может использоваться па РТПС с малой зоной охвата населения
на начальных этапах строительства сети.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
217
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
В штатном варианте РТПС для каждого мультиплекса программ должны
обеспечиваться заданная схема резервирования распределительной сети и
средств эфирного вещания.
Прием программ из федеральной спутниковой сета должен обеспечиваться
с учетом принятой в ней схемы резервирования. Так, если будет
использоваться структурное резервирование федеральной распределительной
сети, станция должны содержать две спутниковых антенны диапазона С и
автоматический переключатель резервирования спутниковых трактов приема.
В каждом из спутниковых трактов приема должна обеспечиваться
возможность выделения:
- только федеральных программ;
- только региональных программ;
- одновременно федеральных и региональных программ.
Автоматический выбор трактов спутникового приема федеральных и
региональных программ на эфирных станциях должен осуществляться как по
командам системы управления федерального Центра, так и в автономном
режиме.
Для первого мультиплекса максимальное число приемников DVB-S/S2
должно быть равно двум. Один для приема федеральных программ, один для
приема региональных программ. Схема построения РТПС должна
обеспечивать подключение любого из приемников к любому из двух трактов
спутникового приема в автоматическом режиме. При этом должна
обеспечиваться автоматическая настройка частот и режимов приема (скорость
передачи, режим кодирования и т.п.). Должна обеспечиваться возможность
формирования команд на изменение частот настройки и режимов работы
приемников от региональной головной станции.
Основными элементами подсистемы передачи цифрового пакета
телерадиопрограмм в эфир являются передатчик стандарта DVB-Т, приемник
ГЛОНАСС/GPS для синхронизации одиочастотной сети и антенно-фидерный
тракт (рис. 7.3).
В зависимое™ от выходной мощности используемых передатчиков DVB-T
подсистемы передачи цифрового пакета телерадиопрограмм в эфир можно
разделить на следующие типы:
1) большой мощности, свыше 1 кВт;
2) средней мощности, от 100 Вт до I кВт;
3) малой мощности, до 100 Вт.
4) ретрансляторы (Gap Filler) малой мощности, до 10 Вт, принимающие и
передающие сигнал на одной и той же частоте без демодуляции и
последующей модуляции (рис. 7.4).
В подсистемах передачи цифрового пакета телерадиопрограмм в эфир
цифровой компрессированный сигнал по интерфейсу AS1MPEG-2 поступает
218
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
на вход передатчика DVB-Т, где осуществляется его кодирование,
синхронизация, модуляция и передача на вход антенно-фидерного тракта.
К система управления
и мониторинги
Рисунок 7.3 - Подсистема передачи цифрового пакета
телерадиопрограмм в эфир
Приемная лнтонна
Породающая антенна
— Ретранслятор
Рисунок 7.4 - Ретранслятор (Gap Filler).
Синхронизация передатчиков одиочастотной сечи осуществляется с
помощью опорных сигналов частотой 10 МГц и 1 Гц с приемников
ГЛОНАСС/GPS. Высокочастотный сигнал с выхода передатчика через фидер
подается па антенну, где излучается в эфир.
Управление передатчиками осуществляеч сэ по интерфейсу Ethernet.
Для резервирования подсистемы может быть добавлен дополнительный
передатчик, приемник ГЛОНАСС/GPS, коммутационно-согласующее
устройство и антенна (показаны пунктиром). В целях экономии могут
резервироваться только отдельные узлы передатчика (возбудитель, усилители,
источники питания).
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
219
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
В подсистеме с ретранслятором сигнал наземного телевидения стандарта
DVB-Т принимается из эфира приемной ан генной ретранслятора и
переизлучается в эфир на той же частоте передающей антенной без
демодуляции и последующей модуляции. Ретрансляторы, как правило,
используются для покрытия зон тени, образующихся из-за сложных условий
приема.
Основными элементами подсистемы управления и мониторинга
наземного передающего комплекса являются:
- блок системы управления;
- датчики (охранной сигнализации, пожарной сигнализации, протекания,
температуры);
- исполнительные устройства (климатическое оборудование,
коммутационно-согласующее устройство АФУ);
- Ethernet коммутатор;
- оборудование сопряжения с внешним каналом связи.
Блок системы управления представляет собой промышленный компьютер,
программное обеспечение которото включает в себя приложения для сбора и
передачи иа центр кодирования и мультиплексирования данных от
подключенных устройств.
Управляемые устройства, имеющие интерфейс Ethernet, подключаются к
блоку системы управления через Ethernet коммутатор.
Связь с центром кодирования и мультиплексирования осуществляется по
внешнему каналу связи через оборудование сопряжения.
В зависимости от типа внешнего канала связи варианты построения
системы управления и мониторинга можно разделить на следующие типы:
I) система управления и мониторинга через канал GSM;
2) система управления и мониторинга через спутниковый капал по
технологии iDirecf,
3) система управления и мониторинга через спутниковый капал по
технологии DVB-RCS.
Обобщенная структура подсистемы управления и мониторинга наземного
передающего комплекса приведена далее на рис. 7.5.
Все основные элементы подсистемы управления и мониторинга могут
полностью или частично резервироваться для достижения требуемой
надежности РТПС.
Архитектура РТПС должна иметь возможность модульного наращивания
от простейшего варианта, обеспечивающего вещание одного мультиплекса
программ в сети с традиционной модификацией программ (повторное
использование ресурса региональной транспортной сети), до штатного
варианта, обеспечивающего вещание трех мультиплексов программ.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
220
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
К управляемым устройствам
Рисунок 7.5 - Подсистема управления и мониторинга РТПС
В простейшем варианте РТПС может содержать один тракт спутникового
приема и не иметь резерва оборудования эфирного вешания. Такая схема
может использоваться на РТПС с малой зоной охвата населения на начальных
этапах строительства сети.
В штатном варианте РТПС для каждого мультиплекса программ должна
обеспечиваться заданная схема резервирования распределительной сети и
средств эфирного вешания. Для регионов, использующих спутниковое
распределение и арендуемые тракты наземного распределения региональных
программ, в РТПС должна быть предусмотрена установка соответствующей
аппаратуры с распределенной модификации программ. Эта аппаратура может
использоваться также при комбинации спутниковою приема н наземных
распределительных линий ФГУП «РТРС» и в других подобных случаях.
РТПС при любых вариантах распределения региональных программ
(спутниковая или наземная сеть), должна обеспечивать прием федеральных
программ из федеральной спутниковой распределительной сети в
соответствии со стандартом DVHS/S2. Это необходимо для того, чтобы при
отказе региональной распределительной сети, или головной станции, в
регионе сохранялось вещание федерального пакета программ.
7.2.5 Система условного доступа к телсрадиопрограммам
Данная система предназначена для криптографической защиты от
несанкционированного доступа при распространении через спутниковые
каналы служебной информации и др. информации в сформированных
мультиплексах.
Необходимость закрытия спутниковых каналов распространения ТВ
программ диктуется международным законодательством. При заключении
контрактов на право трансляции программ телекомпания берёт на себя
обязательство обеспечить их защиту от несанкционированного доступа в
соответствии с Европейской Конвенцией о правовой защите услуг,
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М; СОЛОН-Пресс
221
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
предоставляемых на основе условного доступа или состоящих в
предоставлении условного доступа (Страсбург, 24 января 2001 г., CED № 178).
Сигнал ЛИВ на передающей стороне поступает на скремблер DVB потока.
Закодированный выходной сигнал передатчика ретранслируется через
спутниковую ЛИВ сеть. Дескремблирование информации осуществляется в
приемнике стандарта DVB-S/S2.
В настоящее время для сети при передаче первого мультиплекса выбрана
отечественная система условного доступа «Еоскрипт-М».
Профессиональное оборудование системы предназначено для
круглосуточной эксплуатации и зарезервировано. При выходе из строя
основного оборудования Подсистема обеспечивает автоматическое
подключение резервного оборудования.
7.2.6 Система управления и контроля
Система управления и контроля сети эфирного телерадиовещания
предназначена для централизованного дистанционного управления и контроля
параметров работы основного и вспомогательного технологического
оборудования радиотелевизионных передающих станций и
радиотелевизионных передающих центров, в том числе:
- цифровых телевизионных и радиовещательных передатчиков;
- приемных спутниковых станций;
- объектов, обеспечивающих бесперебойную работу основного
оборудования.
Структура системы управления и контроля
Система должна строиться с учетом организационной структуры и иметь
трехуровневую архитектуру, образуемую иерархически подчиненными
подсистемами:
- Федеральный уровень - центр управления и контроля сети
телерадиовещания (генеральная дирекция предприятия);
- Региональный уровень - радиотелевизионные передающие центры;
- Местный уровень - радиотелевизионные передающие станции
(удаленные передатчики).
Система должна позволять осуществление контроля и управления приемо-
псрсдающим оборудованием и вспомогательными системами, а также
контролировать защиту объектов с использованием технических средств
пожарно-охранной сигнализации. Обмен данными с оборудованием должен
производиться с использованием специализированных контроллеров и
датчиков с учетом интерфейсов и протоколов применяемого оборудования.
В системе управления и контроля должна быть предусмотрена
возможность подключения дополнительных цифровых телевизионных и
радиовещательных передатчиков, приемных спутниковых станций и
оборудования.
222
Цифровое телевидение/ BJI. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
Функционирование системы управления и контроля
На местном уровне (подсистема контроля и управления технологическим
и вспомогательным оборудованием РТПС) информация со встроенных блоков
ДУ передатчиков, контроллеров, датчиков поступает в сервер базы данных,
где производится ее сбор и хранение. Непрерывный оперативный контроль, а
также дистанционное управление технологическим и вспомогательным
оборудованием осуществляется с пульта диспетчера.
Сигнализация об авариях и аварийных ситуациях на оборудовании и
объектах в автоматическом режиме передается на верхние уровни системы.
На региональном уровне - (подсистема информационного взаимодействия
и управления РТПЦ) осуществляется управление, контроль и мониторинг
эксплуатационных параметров оборудования и объектов всей инфраструктуры
подконтрольных РТПС.
Для оперативного решения вопросов в случаях возникновения аварийных
ситуаций и каких-либо неисправностей в работе оборудования предусмотрено
рабочее место ремонтника. Здесь отслеживается и анализируется место,
объект, характер нарушений и производится отправка ремонтных бригад для
их устранения.
На региональном и местном уровнях отображается информация
применительно к верхнему уровню, только касающаяся непосредственно
РТПЦ и РТПС соответственно.
Перечень и объем докумен тирования информации в системе управления и
контроля сети эфирного телерадиовещания по уровням определяется на стадии
разработки программного обеспечения.
7.2.7 Системы коллективного приема сигналов наземного
цифрового ТВ вещании: структура и аппаратурный состав
Системы коллективного приема телевидения (СКПТ) и системы
кабельного телевидения (КТВ) не связаны напрямую с охватом населения
наземным эфирным ТВ вещанием. С первого взгляда, кажется, что доста точно
обеспечить охват наземным эфирным вещанием тех населенных пунктов, в
которых используются СКПТ и КТВ, чтобы реализовать показатели развития
сети цифрового ТВ вещания, определенные в ФЦП и начат!» отключение
аналоговых ТВ передатчиков. В дейс твительности -требуется, чтобы в СКПТ и
КТВ было:
- обеспечено прохождение сигналов цифрового ТВ вещания от
приемных антенн до абонентов СКТВ и СКПТ;
- налажен контроль наличия у абонентов цифровых телевизоров или
приставок для цифровых эфирных каналов па аналоговые телевизоры.
Системы коллективного приема телевидения
Системы коллективного приема телевидения (СКПТ) существуют в
настоящее время в населенных пунктах с многоэтажной застройкой и, как
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
223
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
правило, их строительство и эксплуатация обеспечивается администрацией
местных муниципальных образований.
Имеется несколько технических решений коллективного приема наземных
цифровых эфирных каналов, каждая из них имеет свои достоинства и
недостатки.
Выбор решения зависит от количества абонентов коллективной сети,
финансовых возможностей абонентов в приобретении цифровых приставок и
телевизоров и возможностей муниципалитетов своевременно провести
модернизацию СКПТ в связи с переходом к цифровому ТВ вещанию.
Рассмотрим варианты технических решений для коллективного приема
наземного цифрового телевидения.
Вариант 1. СКПТ с доставкой каждому абоненту сигнала DVB-T
СКПТ имеет пропускную способность 48,5-838 МГц и позволяет
коллективно принимать профаммы наземного цифрового ТВ вещания. При
этом у каждого абонента должна устанавливаться цифровая приставка, либо
цифровой телевизор (рис.7.6). СКПТ можно рекомендовать, например, для
систем «антенна на подъезд» или «антенна на дом» в двух-трех этажных
многоквартирных домах, т-.е. для систем с небольшой протяженностью общего
кабеля.
Домовой усилитель необходим, чтобы компенсировать потери сигнала в
сплиттерах (разветвителях) при делении сигнала между абонентами и
затухание в кабелях.
Вариант 2. СКПТ с рабочим диапазон частот 4B,S-230 МГц
Устаревшие СКПТ, удельный вес которых в сети вещания еще достаточно
велик, используют оборудование для приема телевизионных каналов
метрового диапазона воли.
Если в местах расположения таких СКПТ наземное цифровое вещание
осуществляется в IV и V диапазонах, то необходимо дооборудовать СКПТ
приемными дециметровыми антеннами и модернизировать
распределительную сеть, устанавливая широкополосные усилители и заменяя
магистральный кабель и усили тели.
В качестве временной меры до полномасштабной реконструкции СКПТ
достаточно установить приемную дециметровую антенну, с выхода которой
принимаемые цифровые телевизионные сигналы IV и V диапазонов должны
конвертироваться в первый диапазон для кабельных каналов (108-174 МГц).
Абонентские цифровые приставки (DVB-T, MPEG-2/ MPEG-4 Н.264 AVC)
будут принимать сигналы мультиплексов с стандарте DVB-Т в диапазоне 108-
174 Мгц.
224
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОМ-Пресс
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
lit. IV. V ТВ диапазон (174-862 МГц)
Рисунок 7.6 - CKITT с доставкой каждому абоненту
сигнала DVB-T
7.2.8 Системы кабельного телевидения
Вариант 1. КТВ с трапсмойуляцией сигнала (DVB-T/DVB-C) на основе
головных станций
Эта система (рис.7.7) используется для коллективного приема цифровых
программ в случае установки у абонентов цифровых кабельных приставок-
приемников.
В качестве головного оборудования используются трансмодуляторы.
Сигналы цифрового эфирного телевидения поступают на вход головной
станции, состоящей из модулей-трансмодуляторов, которые преобразуют
сигналы цифрового эфирного телевидения (DVB-Т) в сигналы кабельного
цифрового телевидения (DVB-C).
При трансмодуляции транспортные цифровые потоки стандарта MPEG-
2TS не демультиплексируются и не декодируются, весь пакет просто
преобразуется из эфирного стандарта D VB-T в кабельный стандарт BVB-C.
Кабельные цифровые каналы формируются в диапазоне вещательного
телевидения, на метровых или дециметровых волнах, поэтому их можно
доставлять абонентам через классические кабельные сети.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
225
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
U. IV, V ТВ дишиоои (1М4Ю МГц)
Рисунок 7.7 - Система КТВ с трансмодуляцией сигнала
(DVB-T / DVB-С) на основе головных станций
Для просмотра программ абоненту необходим специальный цифровой
приемник, который может работать с сигналами стандарта DVB-C.
Вариант 2. КТВ с преобразованием цифровых каналов в аналоговые и
подачи в распределительную сеть на частотах ТВК
Основное отличие такой системы (рис.7.8) коллективного приема состоит в
том, что у абонента не устанавливается никакой аппаратуры, кроме
телевизионного аналогового приемника.
В качестве головного оборудования используется головная станция.
Каждая канальная кассета головной станции представляет собой приемник
DVB-Тн кабельный модулятор.
Сигнал от эфирной антенны с модуляцией COFDM в диапазоне 174-862
МГц принимается приемником DVB-Т, дсмодулируется до сигналов
аудио/видео нескольких ТВ каналов.
Затем кабельный модулятор преобразует их в стандартные сигналы
аналогового вещательного телевидения в диапазоне метровых и дециметровых
волн (48 - 862 МГц).
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вешание
HI. IV. V ТВ диапазон (1МЧ62 МГц)
Магистральная сеть
Домовая
распределительная сеть
К абонентам
Магистральный
ответвитель
Домовая
распределительная сеть
“I ! 1 1 I I
К абонентам
К абонентам I К абонентам
Рисунок 7.8 - КТВ с преобразованием цифровых каналов
в аналоговые и подачи в распределительную сеть на частотах ТВК
Выходные сигналы всех кабельных модуляторов суммируются,
усиливаются широкополосным усилителем и подаются в распределительную
сеть. Структурная схема показана на рисунке 7.8.
Вариант целесообразен на этапе внедрения первых мультиплексов, так как
не стимулирует абонентов к приобретению цифровых приставок или
телевизоров.
7.2.9 Система спутникового непосредственного ТВ вещания
(СНТВ)
Рассмотрим основные положения ФЦП, определяющие функции и объем
задач СНТВ при реализации конечных результатов Программы.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
227
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
В ФЦП поставлена задача реализации к 2015 году показателя охвата
населения страны наземным эфирным цифровым телерадиовещанием не менее
98,8% населения Российской Федерации. Оставшаяся часть населения страны
должна иметь возможность приема общедоступных каналов на
индивидуальные приемные установки СНТВ.
В ФЦП определены группы телерадиовещательных каналов, которые
должны в цифровом виде распространяться по всей территории России.
Состав пакета обязательных каналов утвержден Указом Президента РФ (№
715 от 24.06.2009г.).
Каналы свободного доступа группируются в три мультиплекса - 1-ый, 2-ой
и 3-ий; ориентировочно по 8 ТВ и несколько РВ программ в каждом. Первый
мультиплекс включает в себя обязательные телерадиопрограммы,
распространяемые в первую очередь.
В целях максимального учета поясного времени территория РФ по своей
протяженности с востока на запад разделена на 5 вещательных зон - А, Б, В, Г
и М. В каждой из этих зон вещание ТРВ каналов свободного доступа при
наземном эфирном вещании должно обеспечиваться с соотвегствующим
временным сдвигом. В случае СНТВ, учитывая незначительную долю
граждан, получающих таким образом доступ к общедоступным каналам,
допускается уменьшение числа временных дублей до 3-х.
Все мультиплексы и их временные дубли формируются в Москве в
федеральном Центре формирования мультиплексов, откуда в цифровой форме
они должны быть распределены по регионам РФ посредством спутниковых и
наземных линий связи. На транспортном уровне каждый мультиплекс - это
многопрограммный транспортный поток, имеющий скорость 22,4 Мбит/с,
готовый для наземного эфирного асщапия.
Первый мультиплекс, включающий в себя все обязательные программы,
имеет особый статус - он должен распространятся в первоочередном порядке,
затраты на его распространение подлежат бюджетному субсидированию и при
этом предусматривается приоритетное выделение частотного ресурса.
Региональные вставки и региональные программы предложено
формировать только в рамках первого мультиплекса. Предусматривается в
дальнейшем вещание и других мультиплексов - в том числе в стандартах
телевидения высокой четкости (ТВЧ) и мобильного ТВ.
Сети распространения 2-го, 3-го и других мультиплексов создаются и
развиваются на основе внебюджетных источников нри нормативно-правовой,
организационно-технической и лицензионной поддержке государства.
Среди важнейших конечных целевых индикаторов и показателей
Протраммы указано, что к 2015 г. доля населения РФ, имеющая возможность
приема цифрового телевидения, должна составить 100%.
Для обеспечения таких показателей, Программой предписано в местах
проживания, нс охваченных эфирным вещанием (поселки с числом
228
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 7. Технология перехода на цифровое телевизионное вещание
домохозяйств до 50 единиц), применять СНТВ, используя для этого
изготавливаемые в рамках Программы новые многофункциональные спутники
АМ5 и АМ6.
Комплекты индивидуального приема каналов спутникового
непосредственного телевещания, как и абонентские телевизионные приставки
для приема эфирных цифровых телеканалов, приобретаются населением
самостоятельно.
7.3 Заключение
Здесь необходимо подчеркнуть, что глава 7 посвящена технологиям
перехода на цифровое телевизионное вещание стандарта первого поколения в
соответствии с системными проектами НИИР на начало 2011 года.
В настоящее время происходит доработка системных проектов и,
соответственно, корректируются технологии перехода на цифровое
телевизионное вещание в связи с решением Правительства от 7 июля 2011
года о переходе Российской Федерации на стандарт второго поколения DVB-
Т2.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
229
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
8 Информационные технологии проектирования устройств,
систем и сетей цифрового телевидения
8.1 Общие сведения
Эффективность доставки информации через системы цифрового
телерадиовещания определяется свойствами передатчика и приемника,
выбранными методами организации физического канала [11,15].
Передатчик системы цифрового телевидения
Типовая структура передатчика системы цифрового телевидения
изображена на рис. 8.1.
Рисунок 8.1 - Структурная схема цифрового передатчика
Здесь АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ЦАП - цифро-
аналоговый преобразователь; У - усилитель; А - антенна; ФНЧ - фильтр
нижних частот; 90” - фазовращатель на 90 градусов.
Первичным блоком в системах цифрового телевидения является источник
информации. Источник может быть аналоговым (непрерывным) или
цифровым. Аналоговый источник характеризуется представлением исходной
информации в виде непрерывного сигнала.
Цифровой источник сигнала генерирует цифровой сигнал -
последовательность битов (символов) информации. Цифровым источником
может быть, к примеру, персональный компьютер, цифровой носитель аудио-
230
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
или видеоинформации. В случае, если источник является аналоговым,
выполняется преобразование его сигнала в цифровой с помощью аналого-
цифрового преобразователя.
Преобразование является осуществлением двух операций - дискретизации
во времени и квантования по уровню. Дискретизация во времени
осуществляется путем взятия отсчетов (измерений) уровня аналогового
сигнала в моменты времени, разделенные постоянным периодом - интервалом
дискретизации. Сигнал, состоящий из отсчетов, взятых через интервал
дискретизации, называется дискретным сигналом.
С выхода аналого-цифрового преобразователя цифровой сигнал поступает
на кодер источника сигнала (рис. 8.1). Основная задача кодера источника -
сжатие информации. Чем меньше объем информации, который необходимо
передавать через радиоканал в единицу времени, тем меньше требуемая
полоса частот и энергия, которую необходимо затратить на передачу.
Кодер канта (рис. 8.1) используется во всех современных системах
цифрового телерадиовещания. Его основное предназначение - повышение
достоверности передаваемой информации. Однако увеличение достоверности
передачи информации происходит не безвозмездно, а путем добавления
избыточности к передаваемой информации. Очевидно, это приводит к
снижению скорости передачи.
Процесс добавления избыточности к исходной информации с целью
повышения достоверности передачи называется помехоустойчивым
кодированием. Достоверность передачи информации в цифровых системах
характеризуется статистической величиной - вероятностью ошибки на бит
(BER - Bit Error Rate). BER является вероятностью ошибочного приема при
передаче одного бита информации, усредненной для статистически большого
объема передаваемой информации.
В информационном блоке формируются низкочастотные сигналы l(t) и
Q(t). Закон, по которому выполняется данное преобразование, определяет вид
модуляции сигнала.
Квадратурный модулятор выполняет следующее преобразование:
.$•(/)= /(/)cos(<af)-£>(z)sin («>/),
где со - несущая частота радиосигнала, /(/) и g(/) называются
соответственно синфазной и квадратурной составляющими модулирующего
сигнала.
Возможна также и иная реализация, в частности, в наземных системах
цифрового телевидения IQ-модулятор выполнен в цифровом виде, и
преобразование осуществляется сигнальным процессором в информа!щонном
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
231
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
блоке. В этом случае на выходе информационного блока формируется сигнал
s(t) на промежуточной частоте, более низкой, чем несущая частота. Данный
сигнал преобразуется в аналоговый с помощью ЦАП и затем его спектр
переносится на несущую частоту с помощью смесителя.
В информационном блоке передающего устройства осуществляется
фильтрация сигнала [111]. Фильтрация необходима для ограничения спектра
сигнала на выходе передатчика за пределами выделенной полосы частот, т.е.
для понижения уровня внеполосного излучения. Цифровой фильтр
представляет собой программу, выполняемую сигнальным процессором.
Известно, что операция фильтрации, независимо от природы филыра
(цифрового или аналогового) математически записывается как свертка
входного сигнала с импульсной характеристикой фильтра:
СО
|х(г)Л(/ - r)dt.
Здесь ,т(/) - сигнал на входе фильтра, j(/) - сигнал на выходе филыра,
й(т) - импульсная характеристика фильтра, ® - обозначение операции
свертки.
Импульсная характеристика фильтра связана с частотой через
преобразование Фурье:
СО
Н(/й>)= Jh(r>-^dr.
—СО
При цифровой обработке дискретных сигналов импульсная характеристика
также является дискретной.
Цифровые фильтры подразделяются на фильтры с конечной импульсной
характеристикой (КЙХ} и бесконечной импульсной характеристикой (НИХ). В
случае КИХ-фильтра значения отсчетов импульсной характеристики фильтра
(ее отрезок с наиболее существенными значениями) хранятся в памяти
процессора, и соотношение для выходного сигнала принимает следующий
вид:
ОС со
=52 x(m)h(n - т) h(m)x(n -т).
-о»
В случае КЯХ-фильтра операция фильтрации выполняется рекурсивно.
Известно [111], что частотную характеристику любой линейной динамической
системы можно представить в виде отношения двух многочленов по частоте:
232
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
N / М
*=о / *=0
где at, bt -параметры частотной характеристики динамической системы.
В дискретном случае
N / М
НМ=/1 +£а,е-"“.
/ Л-1
Здесь ак. 1\ - параметры фильтра. Д - интервал дискретизации.
Соотношение для выходного ситала для 2>ИА'-филь’гра принимает
следующий вид:
Л’ м
Я«)=- *)•
А-О А=1
Из приведенного выражения следует, что каждый последующий выходной
отсчет КИА'-фильтра определяется не только входными отсчетами, но зависит
также и от предыдущих выходных отсчетов. Из-за рекурсивной природы БИХ-
филыра его импульсная характеристика аппроксимируется как бесконечная
(реально опа равна длительности входного сигнала).
Усилитель мощности обеспечивает необходимый уровень мощности в
антенне передатчика. В зависимости от вида модуляции, предъявляются
различные требования к линейности усилителя и его динамическому
диапазону. Использование амплитудной или амплитудно-фазовой модуляции
требует высокой линейности усилителя и большого динамического диапазона,
что приводит к существенным энергетическим затратам. Использование
частотной модуляции допускает работу усилителей в нелинейном режиме с
высоким коэффициентом полезного действия.
Генератор несущей частоты вырабатывает иемодулированное
высокочастотное колебание, которое поступает на fQ-модулятор. К генератору
предъявляются требования высокой стабильности частоты, низкого уровня
фазовых шумов и возможности перестройки частоты.
Приемник системы цифрового телевидения
Приемный тракт цифровой системы связи содержит набор блоков,
большинство из которых выполняют функции, обратные функциям,
выполняемым в передатчике. Входной сигнал через малошумящий усилитель
и тракт преобразования частоты и усиления поступает на JQ-демодулятор,
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
233
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
выходными сигналами которого являются квадратурные составляющие /(г) и
Q(t), которые поступают на АЦП и затем в процессор цифровой обработки
сигнала. Процессор выполняет фильтрацию, содержит декодер канала и
декодер источника. Далее, при необходимости, информация преобразуется в
аналоговую форму при помощи ЦАП (например, для звукового
воспроизведения) или выдается сразу в цифровой приемник информации.
Методы и устройства синхронизации, передаваемых и принимаемых
сигналов определяются назначением цифровой системы, видом модуляции и
характеристиками радиоканала (3].
Как правило, для синхронизации в приемнике имеется система
восстановления несущей частоты и система восстановления тактовой
частоты.
Демодуляция с использованием восстановленного несущего колебания
называется когерентной демодуляцией. Когерентная демодуляция
обеспечивает меньший уровень битовых ошибок по сравнению с
иекогерентной демодуляцией, но требует существенного усложнения
приемного тракта.
Тактовая частота может быть восстановлена из специально передаваемого
передатчиком сигнала тактовой частоты либо непосредственно из
информационного сигнала. Восстановление из информационного сигнала
наилучшим способом может быть осуществлено с использованием функции
максимального правдоподобия.
8.2 Эффективность цифровой системы передачи информации
Величиной, характеризующей эффективность цифровой системы передачи
информации, является пропускная способность. Пропускная способность
характеризует количество информации, которое может быть передано в
системах цифрового радио и телевидения в единицу времени [Ш].
Верхняя драница пропускной способности системы при заданном
отношении сиптал/шум и доступной полосе передачи устанавливается
теоремой Шеннона.
При исследовании цифровых систем передачи информации обычно
оперируют не отношением сигнал/шум, а отношением энергии бита к
плотности мощности шума Еь/Мй.
Энергия бита - энергия, необходимая для передачи одного бита
информации, равная произведению мощности передатчика па длительность
бита.
Верхняя граница пропускной способности систем цифрового телевидения
в соответствии с теоремой Шеннона определяется формулой:
234
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Д/^=И<2«“'-1Ус.
Здесь W - доступная ширина полосы пропускания системы (Гц); С -
пропускная способность (бит/с).
Приведенное соотношение устанавливают верхнюю границу пропускной
способности, когда кодер канала обладает непрерывным выходом, а декодер
канала (в приемнике) - непрерывным входом.
Это означает, что кодер канала может генерировать любой уровень
сигнала из определенного интервала, а декодер канала выносит решения,
обрабатывая произвольный уровень сигнала в интервале.
Таким образом, теорема Шеннона устанавливает верхний предел
пропускной способности для цифровых систем передачи данных, начиная от
кодера канала в передатчике и заканчивая декодером канала в приемнике.
Возможно использование любых кодеров/декодеров,
модуляторов/демодуляторов и алгоритмов обработки сигнала для канала с
аддитивным белым гауссовым шумом, но при условии непрерывности сигналов
кодера и декодера.
В реальных системах цифрового телевидения кодер канала выдает
дискретные значения уровня сигнала (М возможных уровней), декодер канала
в приемнике принимает и обрабатывает также дискретные М - уровневые
значения с выхода детектора демодулятора. Таким образом, между кодером
передатчика и декодером приемника существует канал, на входе и на выходе
которого существует М-уровневый дискретный сигнал. Такой канал
называется М-уровневым симметричным каналом. Данный канал включает все
блоки цифровой системы, включая модулятор передатчика и демодулятор
приемника. Так как канал является дискретным, он характеризуется
определенной вероятностью ошибки на бит, зависящей от выбранного метода
модуляции.
Пропускная способность такого канала определяется выражением:
C = F
"logj М + (1 - р0 )log, (1 - р0 ) +"
Polog2(Po/(^-0)
где р0- вероятность ошибки на бит (AER), М- число уровней, F-
скорость передачи (бит/с), т.е. та скорость, с которой информация подается в
канал.
Реальная пропускная способность будет меньше С Степень приближения
к С определяется выбранным методом кодирования канала.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. -М: СОЛОН-Пресс
235
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
На практике достигается лишь некоторое приближение к пределу,
устанавливаемому теоремой Шеннона. Это происходит из-за того, что теорема
Шеннона устанавливает величину пропускной способности для канала с
аддитивным белым гауссовым шумом. В радиоканале могут быть замирания,
отраженный сигнал в сочетании с аддитивным белым гауссовым шумом и
другие виды воздействий на работу систем цифрового телевидения, которые
необходимо принимать во внимание при проектировании реальных систем
передачи информации.
Применяемые методы канального кодирования, модуляции, хотя
постоянно совершенствуются, позволяют достичь лишь некоторого
приближения к границе Шеннона. Учитывая тот факт, что в реальных
системах не требуется передавать информацию со 100%-ной достоверностью,
как правило, достаточно обеспечить некоторый заданный уровень
достоверности. Поэтому при проектировании систем цифрового телевидения
вместо оценки величины пропускной способности, характеризующей
достоверную передачу информации, определяется скорость передачи
информации при заданной вероятности ошибки на бит.
Эффективность работы кодера канала описывается кодовой скоростью,
которая определяется отношением длины кодового блока па входе к длине
преобразованного кодового блока на выходе кодера.
Например, если кодовая скорость равна 1/2, это означает, что к исходной
информации добавлена избыточность в объеме, равном объему исходной
информации.
8.3 Методы оптимизации эфирных сетей цифрового
телевизионного вещания
При проектировании одночастотиых эфирных сетей цифрового
телевизионного вещания [11, 12, 16, 27, 112J, как правило, ставится ряд задач,
одной из важнейших является задача оптимального выбора защитных
интервалов, обеспечивающих устойчивую работу сети и высокую скорость
передачи данных при заданной или планируемой топологии размещения
передатчиков в зоне обслуживания.
Для решения задачи необходимо сформулировать критерии оптимизации и
ограничения, т.е. целевую функцию.
Целевая функция, в данном случае, содержит критерий оптимизации -
максимальная скорость передачи информации и ограничения - энергетические
параметры передатчиков, вид модуляции, характер помех, вероятность
ошибки на бит иа выходе приемников в зоне обслуживания с заданной или
планируемой топологией размещения передатчиков.
Эффективным инструментом решения сложных, в общем случае
многокритериальных оптимизационных сетевых задач [12] является среда
236
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
визуального моделирования Visual System Simulator (VSS), являющейся
частью программной среды AWR Design Environment (AWR DE),
производимой компанией Applied Wave Research.
Среда VSS предназначена для моделирования цифровых связных, радио и
телевизионных вещательных комплексов, включая радиоканал, на системном
и сетевом уровне. Это означает, что различные составляющие части системы
или сети представляются в виде блоков, блоки соединяются согласно путям
распространения сигналов. VSS позволяет производить измерения как
интегральных характеристик (таких, как вероятность ошибки на бит,
чувствительность, динамический диапазон, искажения, АЧХ и ФЧХ трактов и
др.), так и наблюдать параметры сигналов в каждой точке блок-схемы
(временную форму, спектр, сигнальные созвездия, глазковые диаграммы и
др.).
В частности, VSS позволяет моделировать все блоки передатчика,
приемника, канал распространения и проводить исследования. Таким образом,
можно оцеп пиан, поведение одночастотной сети цифрового телевизионного
вещания и измерять ес характеристики в различных условиях, изменяя
параметры канала передачи данных в реальном времени.
В целом среда A H<R DE состоит из трех частей: Microwave Office, EMSight
и VSS. Все три части, обеспечивающие схемотехническое,
электродинамическое, системное и сетевое моделирование взаимосвязаны и
используются совместно при решении поставленной задачи.
Рассмотренные методы построения одночастных сетей цифрового
телевизионного вещания позволяют с единых позиций в соответствии с
требованиями европейских стандартов DVB-T/Н на системном уровне
подойти исследованию одночастотных комбинированных сетей цифрового
телевизионного вещания, обеспечивающих максимальную скорость передачи
информации и требуемую помехоустойчивость при стационарном и
мобильном приеме.
Задача оптимизации одпочастотной сета цифрового телевизионного
вещания может быть |>ешеиа с использованием среды визуального
моделирования Решение задачи возможно при заданном критерии
оптимизации - максимальной скорости передачи информации и ограничениях:
параметров передатчиков, диаграмм направленности антенн, скорости
кодирования, виде модуляции, характере помех, вероятности ошибки на бит иа
выходе приемников в зоне обслуживания с заданной или планируемой
топологией размещения передатчиков, т.е. при формулировке целевой
функции.
13 среде визуального моделирования, возможно решение более сложных
многокритериальных задач оптимизации одночастотных сетей цифрового
телевидения. В частности, возможно решение задачи обеспечения
максимальной скорости передачи информации и минимизации вероятности
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
237
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
ошибки на бит на выходе приемников в зоне обслуживания при заданных
весовых коэффициентах каждого из критериев.
8.4 Оценка нелинейных искажений тракта усиления мощности
цифрового ТВ передатчика
Современные стандарты радиосвязи, радиовещания и телевидения
предъявляют повышенные требования по нелинейным искажениям в трактах
усиления мощности цифровых передатчиков [10,68,113-115]. Методы оценки
нелинейных искажений в аналоговых и цифровых передатчиках различны.
Оценка нелинейных искажений в цифровых телевизионных передатчиках
производится несколькими методами:
- количественный метод оценки интермодуляционных искажений,
заключающийся в измерении отношения мощности внеполосных излучений в
соседнем канале к мощности сигнала в рабочем канале (в европейском
стандарте [113] иитермодуляциоиные искажения оцениваются параметром
ACPR- Adjacent Channel Power Ratio)',
- метод, основанный на сравнении спектра рабочего канала с маской,
приводимой в техническом описании стандарта [113].
Эффективным инструментом для оценки нелинейных искажений в трактах
усиления мощности цифровых передатчиков является среда визуального
моделирования A HR Design Environment с интегрированным модулем Visual
System Simulator (VSS) [10].
В настоящем разделе учебного пособия рассмотрена методика оценки
ннтермодуляциоштых искажений усилителей мощности сигналов стандарта
DVB-Т и мобильного телевизионного стандарта DVB-Н передатчиков
эфирного (наземного) цифрового телевидения с использованием визуальной
среды моделирования VSS.
Источником сигнала для исследования тракта усиления мощности является
возбудитель цифрового телевизионного передатчика. При моделировании в
среде VSS источника сигнала необходима информация о структуре
телевизионного передатчика и его параметрах [3,9,10,13,23].
8.4.1 Модель источника сигнала стандартов DVB-Т и DVB-Н в
среде VSS
Вначале кратко рассмотрим функциональное назначение элементов модели
источника сигнала (рис. 8.2). Здесь в полосе одного ТВ-канала формируются
сигналы стандарта DVB-Т эфирного цифрового телевидения и мобильного
телевизионного стандарта DVB-H.
238
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М; СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Рисунок 8.2 - Модель источника сигнала
стандартов DVB-TwDVB-H
Здесь
1 - 1-й транспортный поток; 2 - 2-й транспортный поток; 3 -
Рандомизатор; 4 - Внешний кодер, перемежитель и внутренний кодер; 5 -
Внутренний перемежитель и маппер; 6 - Формирование кадра OFDM; 7 -
OFDM модулятор; 8 - Контрольная точка входа OFDM модулятора; 9 - выход
модулированного DVB сигнала; 10 - выход синхронизации; 11 ~ выход
сигналов телеметрии; 12 - Выход 1 MPEG транспортный поток; 13 - Выход 2
MPEG транспортный поток.
Транспортные потоки двух независимых каналов, предназначенных для
формирования телевизионных сигналов в соответствии со стандартами DVB-T
и />ИВ-Я, поступают вначале на рандомизаторы, которые формируют
квазислучайные сигналы с равномерным спектром.
Модули внешнего и внутреннего кодирования, перемсжения решают
задачи обеспечения помехозащищенности сигналов.
В стандартах DVB-Т и DVB-H используются различные способы
перемежения и кодирования для обеспечения эффективной борьбы с помехами
при различных условиях приема сигнала. Помехозащищенность канала
передачи данных во многом зависит от кодовой скорости, которая
определяется отношением длины кодового блока на входе к длине
преобразованного кодового блока на выходе кодера.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
239
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
В маппере модели источника сигнала (рис. 8.2) осуществляется раскладка
символов. При формировании кадра к основному сигналу добавляются пилот-
сигналы (маркеры синхронизации) и сигналы служебной информации.
Режимы 2к и 8к отличаются числом несущих многочастотной модуляции
COFDM (1705 и 6817 соответственно). Каждая несущая в символе COFDM
модулируется своим собственным цифровым потоком с использованием
квадратурной фазовой (QPSK) или амплитудной модуляции (QAM). Ширина
спектра группового сигнала 7,61 МГц для полосы канала 8 МГц.
С целью уменьшения взаимного влияния передатчиков в одночасготных
сетях вводят защитный интервал. Стандартом предусмотрено четыре
относительных значений защитных интервалов, равные 1/4, 1/8, 1/16, 1/32
длительности активной части символа. Соответствующие абсолютные
значения приведены в табл. 3.1 [3] для режимов 2к и 8к. Выбор величины
защитного интервала определяется территориальным разносом передатчиков в
одночастотной сети. Следует отметить, что помехоустойчивое кодирование и
защитные интервалы снижают информационную скорость передачи, и это
следует учитывать при выборе параметров системы.
Модуляция COFDM несущих частот кодированными сигналами в
модуляторе происходит в соответствии с выбранным видом модуляции и
манипуляционным кодом. Роль многочастотного модулятора (рис. 8.2)
выполняет интегральная схема обратного преобразования Фурье.
Рассмотрев кратко функциональное назначение элементов модели
источника сигнала, перейдем к исследованию тракта усиления мощности.
В качестве примера рассмотрим методику оценки нелинейных искажений
широкополосного усилителя мощности (УМ), принципиальная схема которого
представлена на рис. 2.32 в [69]. УМ предназначен для работы в
предварительных каскадах тракта усиления мощности передатчиков в
линейном режиме класса А. Расширение диапазона рабочих частот УМ
достигается исключением из схемы входных и выходных цепей согласования.
Требуемое входное и выходное сопротивления усилителя обеспечивается
благодаря наличию в его схеме цепей отрицательной обратной связи по
напряжению и по току.
8.4.2 Результаты схемотехнической оптимизации усилителей
мощности в среде MWO
Исходными данными для исследования усилителя мощности в среде
системного моделирования VSS является его схемотехническая модель [69],
созданная в среде визуального моделирования Microwave Office (MWO).
Вход и выход усилителя мощности содержит порты. Входной порг
является источником сигнала с сопротивлением 50 Ом. Выходной порг
стандартный с сопротивлением 50 Ом.
240
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
В результате исследования усилителя мощности на 26 телевизионном
канале в диапазоне частот 510...518 МГц, установлено, что неравномерность
АЧХ не более 0,1 дБ.
8.43 Алгоритм исследования спектральных и энергетических
характеристик усилителей мощности в среде VSS
Алгоритм программы исследования тракта усиления мощности содержит
четыре этапа: подготовка к исследованию, исследование спектральных и
энергетических характеристик, количественная оценка интермодуляционных
искажений, оценка интермодуляционных искажений методом сравнения
спектра измеряемого канала с маской.
Рассмотрим последовательно этапы алгоритма.
Подготовка к исследованию УМ в среде VSS
А1 Ввод исходных данных.
Вводим компьютерную модель исследуемого усилителя мощности
Schematic 3, созданную в среде МИ'О [69].
А2 Откроем окно для системного моделирования в среде VSS.
АЗ Переносим в окно системного моделирования исследуемую схему
Schematic 3.
А4 Раскрываем раздел Librariex и выбираем подраздел DVB-H (DVB-Т) -
наземные системы цифрового телевидения, выбираем элемент DVBTSIG
{DVB возбудитель передатчика), предназначенный для тестирования УМ, и
переносим его в окно системного моделирования.
AS Огкрываем окно для выбора его параметров.
Выбираем вид модуляции (TRANSMISSJONJWODE') 16QAM Hierarchical,
центральную частоту канала (TX_CARRJER_FREQ) 514 MHz, уровень
мощности на выходе возбудителя передатчика (TX_OUT_LEVEL) 0 dBm.
А6 Соединив выход возбудителя передатчика со входом усилителя мощности
и включив измерительные элементы ТВ/ и ТВ2, получим модель для
исследования усилителя мощности в среде KSS (рис. 8.3).
Исследование спектральных ч энергетических характеристик
УМ в среде VSS
Алгоритм исследования следующий.
А7 Построим временные зависимости мощности на входе и выходе
исследуемого усилителя (рис. 8.4, 8.5). Для этого введем дополнительно два
прямоугольных графика и установим требуемые параметры, для каждого из
них.
Циф|Х>вое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
241
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
SUBCKT
ID=S2
NET“*DV0_TSIG*
TRAJMSMlS£lON,MQOGMeaAM Hiewchlcal
OPERATION MOOE»2K
RANDOMIZER
CODE_RME-1f2
MOD_ALPHA-1
CHANNEL BW=8 MHz NL S
Рисунок 8.4 - Временная зависимость мгновенной мощности
DVB сигнала на входе усилителя мощности
25
О
5 -----—----------------------------------
745281 745481 745881 745881 748081 746281
Время I (ис|
Рисунок 8.5 - Временная зависимость мгновенной мощности
DVB сигнала на выходе усилителя мощности
242
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
А8 Построим спектр DVB сигнала на входе и выходе усилителя мощности
(рис. 8.6,8.7).
Рисунок 8.6 - Спектральная плотность мощности DVB сигнала
на входе усилителя мощности
Рисунок 8.7 - Спектральная плотность мощности DVB сигнала
на выходе усилителя мощности
На рис. 8.6, 8.7 представлена спектральная плотность мощности DVB
сигнала S(f), измеренная входе и выходе усилителя мощности в полосе
анализатора спектра 4 кГц при отстройках от средней частоты канала в
пределах 1,5 полосы канала.
Л9 Проведем измерения средней мощности Р в полосе частот 7,61 МГц
(режим 2к) на входе и выходе усилителя мощности:
Рвх = “0.566 дБм, Рвых = 16 дБм.
А10 Для сравнения полученных результатов исследований с
теоретическими (рис. 8.8), опубликованными в европейском стандарте [113],
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
243
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
спектр выходного DVB-Т сигнала (рис. 8.7) приведем к нулевому уровню (рис.
8.9).
Уровень спектра вне полосы пропускания близок к теоретическому [113].
Минимизация внеполосных излучений может быть достигнута выбором
оптимальных параметров усилителя мощности: напряжения смещения,
мощности возбуждения, а также параметров элементов цепей отрицательной
обратной связи по току и напряжению.
Отклонение чистоты от средней чпптоты Тв каналл F (МГц)
Рисунок 8.8 - Теоретический спектр DVB-Т сигнала
для канала 8 МГц
Рисунок 8.9 - Приведенный к нулевому уровню спектр
DVB-Т выходного сигнала УМ в режиме 2к
При этом необходимо учитывать ограничения, связанные с обеспечением
требуемой выходной мощности. В общем случае данная задача является
многокритериальной.
Оценка чптермодуляцчонпых искаженна УМ
Алгоритм оценки шггермодуляциоггаых искажений следующий.
АН Проведем измерения коэффициента интермодуляционных искажений
Крив сигнала DVB (ASPR в [113]) на входе и выходе усилителя мощности:
244
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Kdvb вх - -63.2 дБ; KDVB вых — —35.6 дБ.
А12 Определим собственный уровень нелинейных искажений усилителя:
Kdvb ум = ~35.61 дБ.
Иптермодуляционные искажения в исследуемом усилителе мощности
удовлетворяют требованиям, предъявляемым к усилителям цифровых
телевизионных передатчиков.
Оценка иитермодуляционных искажений УМ методам сравнения
спектра измеряемого канала с маской
В случае, когда используются совместно цифровые и аналоговые каналы,
требования к интермодуляционным характеристикам усилителя мощности
значительно возрастают. В соответствии с европейским стандартом [113]
спектр выходного сигнала должен соответствовать спектральной маске,
являющейся шаблоном для выходного сигнала телевизионного передатчика
DVB-Т стандарта.
Алгоритм построения спектральной маски следующий.
А13 Исходными данными для построения спектральной маски в среде
MWO являются табличные (таб.8.1) данные, приведенные в стандарте [113] на
стр.39.
Таблица 8.1 - Особые точки для построения спектральной маски
выходного сигнала nci редатчика DVB-Т стандарта
Относительная частота (МГц) Опюсительный уровень (ДБ)
-12 -120
-6 -95
-4,2 -83
-3,8 -32,8
3,8 -32,8
4.2 -83
6 -95
12 -120
Данные для построения спектральной маски в среде MWO представим в
текстовом формате.
Результаты текстового формата сохраним в файле Maska DVB.txt.
Al4 Выбираем закладку Project, открываем раздел Data Files. В
выплывающем окне выбираем Import Data File. Импортируем текстовый файл
Maska DVB, описывающий спектральную маску.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
245
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
А15 Выбераем раздел Global Definitions в структуре Project. Откроется
окно Global Definitions. Данное окно служит для ввода переменных,
постоянных величин и выражений, которые могут использоваться в
схемотехнических, системных проектах и для обработки данных.
А16 Для ввода выражений, обозначений выберем Draw>Add Equation.
Al 7 Введем значение центральной частоты цифрового телевизионного
канала в Гц: Fc = 514е6.
Введем максимальное значение огибающей спектральной плотности
мощности выходного сигнала DVB (рис. 8.7) усилителя мощности в дБ:
ГDVB мах — “6.68
Введем максимальное значение уровня спектральной маски (таб.8.1) в дБ:
$Ммлх — “32.8
Введем табличные данные, описывающие спектральную маску, BDataFile
и преобразуем их в перемеренную SM_data:
SM.data = DataFlle(Maska DVB).
Здесь:
SM,data - наименование переменной;
DataFile - функция, определяющая размещение переменной;
Maska DVB- наименование исходных данных.
Преобразуем первый столбец введенных данных из относительных
величин в абсолютные с учетом их размерности (Гц):
SMjcData = SM_data[* ,1] ♦ 1еб + Fc
Здесь:
SM_data[* ,1) - переменная, в которой используется 1-й столбец таблицы.
Преобразуем второй столбец введенных данных, с учетом максимального
значения огибающей спектральной плотности мощности Pdvb max
выходного сигнала D VB:
$M„yData - SM_data[* ,2] + Pdvb max - SMmax
A18 Выберем раздел Output Equations и откроем соответствующее окно.
В данном окне введем выражение:
SMjplot = plot_vs(SM_yData,SM_xData)
246
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Здесь: plot_vs - функция, подготавливающая данные для построения в
прямоугольной системе координат.
А19 Создаем график в прямоугольной системе координат. Выбираем
параметры инструмента Output Equations—» Eqn—*SM_plot-* OK.
A20 Для оценки требований стандарта по внеполосным
интермодуляционным искажениям, когда используются совместно цифровые и
аналоговые каналы, построение маски DVD-Т (показано пунктиром на рис.
8.10) необходимо совместить со спектром выходного сигнала усилителя
мощности.
Частот»* [МГц]
Рисунок 8.10 - Оценка интермодуляционных искажении тракта усиления
мощности цифрового телевизионного передатчика при совместном
использовании цифровых и аналоговых каналов
А21 Анализ результатов исследования.
В случае расположения в соседних каналах аналогового сигнала
стандартов PAL, SECAM в исследуемом усилителе целесообразно вначале
минимизировать интермодуляционные искажения с использованием
параметрической оптимизации элементов его схемы и затем (если это будет
необходимо) ввести дополнительные фильтры, цепи коррекции с целью
уменьшения внеполосных излучений и удовлетворения требований,
заложенных в спектральной маске (рис. 8.10).
В результате в соответствии с рассмотренным алгоритмом создана
программа исследования тракта усиления мощности в среде VSS.
8.4.4 Заключение
1. Дана методика исследования усилителя мощности DVB-T, DVB-H
сигналов с использованием визуальной среды моделирования. Методика
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
247
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
представлена в виде алгоритма, на основании которого создана программа
исследования тракта усиления мощности в среде ЮТ.
2. Интермодуляцйонпые искажения в исследуемом усилителе мощности
35,61 дБ удовлетворяют требованиям, предъявляемым к усилителям цифровых
передатчиков. Уровень спектра вне полосы пропускания близок к
теоретическому [113] (рис. 8.8,8.9).
3. Из анализа полученных результатов (рис. 8.2) следуег, что при
совместном использовании цифровых и аналоговых каналов требования по
минимизации интермодуляционных искажений значительно возрастают.
4. Техническая реализация усилителей мощности при совместном
применении аналоговых и цифровых каналов усложнена по сравнению с
реализацией усилителей мощности цифрового DVS-T сигнала благодаря
необходимости дополнительной филырадни внеполосных излучений.
5. Минимизация внеполосных излучений может быть достигнута
выбором активного элемента, параметров усилителя мощности: напряжения
смещения, мощности возбуждения, элементов цепей отрицательной обрапюй
связи по току и напряжению, а также использованием дополнительных
фильтров и цепей коррекции.
6. Оптимизационная структурно-параметрическая задача минимизации
внеполосных излучений является в общем случае многокритериальной,
поскольку необходимо одновременно обеспечивать требуемую выходную
мощность и ряд предельно допустимых параметров активного элемента.
8.5 Синтез широкополосных согласующих цепей
усилителен мощности телевизионных передатчиков
Проблемы согласования высокочастотных систем передачи сигналов
относятся к ключевым проблемам радиотехники, телекоммуникационных
систем и устройств, систем радио и телевизионного вещания [9,17,30,53,116-
ИЙ].
Актуальность решения данных задач построения согласующих цепей,
удовлетворяющих противоречивым требованиям по качественным
показателям, продолжает возрастать с освоением новых диапазонов частот,
применением широкополосных сигналов цифровых нриемоисрсдающих
устройств, усложнением электромагнитной обстановки.
При исследовании и синтезе оптимальных широкополосных согласующих
цепей по заданному критерию качества в настоящее время применяют как
аналитические методы (116-118], так и методы, основанные на использовании
инструментальной среды визуального моделирования (9, 17, 30, 53]. Однако
задача синтеза многозвенных широкополосных цепей согласования,
позволяющего автоматизировать процесс инженерного проектирования с
заданными показателями качества [9. 119], до настоящего времени нс решена.
248
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
В настоящем разделе учебного пособия рассмотрена методика оценки
структурно-параметрического синтеза широкополосных согласующих цепей
по заданной многокритериальной целевой функции для усилителей мощности
(УМ) телевизионных радиопередатчиков с использованием инструментальной
среды визуального моделирования MWO.
Для линейных систем, условие максимума передачи мощности
достигается, когда активное сопротивление цепи потребителя сигнала
(нагрузки) равно активному сопротивлению источника сигнала, а реактивная
часть сопротивлений цепей потребителя и источника сигнала противоположна
по знаку. В теории комплексных переменных, эта связь известна как
комплексное сопряжение.
Комплексно-сопряженное число Z*, получается изменением знака мнимой
части числа Z. Таким образом, для линейных систем условием для передачи
максимальной мощности от источника нагрузке является следующее
равенство
Z„ = Z„*.
Здесь Z„ - комплексное сопротивление нагрузки; Z„* - комплексно-
сопряжепцос сопротивление источника сигнала.
При изменении рабочей частоты могут существенно изменяться
компоненты активной и мнимой составляющих сопротивления источника
сигнала Z„. Разработка устройства преобразования стандартных
сопротивлений нагрузки Zn, поддерживающего комплексно сопряженную
связь с изменением сопротивления источника сигнала Z„ от частоты является
наиболее сложным аспектом широкополосного проектирования.
В усилителях мощности иногда требуется поддержание широкополосного
согласования с источником сигнала при условии обеспечения минимальных
нелинейных искажений или максимального КПД. Решение этих задач также
осуществляется обеспечением широкополосной комплексно-сопряженной
связи с источником сигнала, ио при этом сопротивление источника сигнала
для реализации каждого из рассмотренных условий будет отличаться от
сопротивления, обеспечивающего максимальную мощность.
8.5.1 Оценка оптимального сопротивления нагрузки источника
сигнала
В общем случае УМ радиопередатчиков содержат активный элемент
(транзистор), входную и выходную цепи согласования, а также цепи питания и
смещения. Входная цепь согласования трансформирует входное
сопротивление транзистора в оптимальное сопротивление натрузки для
источника возбуждения, а выходная цепь трансформирует сопротивление
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
249
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
нагрузки в требуемое для данного транзистора сопротивление с целью
обеспечения оптимального режима работы.
В данном разделе приведем методику оценки оптимального сопротивления
нагрузки на примере исследования УМ передатчика, предназначенного для
работы в IV диапазоне частот 470....582 МГц (21-34 телевизионные каналы)
наземного телевизионного вещания [69]. Критерием оптимизации является
минимум нелинейных искажений УМ на полевом транзисторе MW6S010N,
работающем в режиме класса А.
Алгоритм оценки оптимального сопротивления нагрузки УМ
для обеспечения минимальных нелинейных искажений
В случае, когда критерием оптимизации УМ являются минимальные
нелинейные искажения, алгоритм программы оценки оптимального
сопротивления нагрузки следующий.
А1 Ввод исходных данных.
Ввод компьютерной модели транзистора.
Ввод минимальной /мин, максимальной fMWC и средней fcp частоты из
заданного диапазона рабочих частот УМ.
А2 Составление компьютерной модели УМ с учетом ограничений по
напряжению питания, смешения, мощности возбуждения, вида и схемы цепей
питания.
АЗ Установка рабочей частоты УМ.
А4 Установка в цепь сопротивления нагрузки УМ измерительного тюнера
Ltuner.
AS Установка нулевых начальных параметров (модуль, фаза) тюнера.
А6 Установка параметров измеряемых нелинейных искажений и вывода
результатов измерений на график.
А7 Открытие инструмента Load Puil для оценки сопротивления нагрузки,
соответствующего минимальным нелинейным искажениям при заданной
рабочей частоте.
А8 Установка параметров измерений сопротивления нагрузки.
А9 Запуск процесса оценки сопротивлений нагрузки, соответствующих
различным уровням нелинейных искажений.
А10 Построение на диаграмме Смита семейства зависимостей
сопротивления нагрузки, соответствующих различным уровням нелинейных
искажений для заданной рабочей частоты (рис. 8.11).
АП Построение на диаграмме Смита оптимального значения
сопротивления нагрузки, соответствующего минимальным нелинейным
искажениям для заданной рабочей частоты (рис. 8.11).
250
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М; СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Рисунок 8.11 - Результат оценки оптимального сопротивления
нагрузки источника сигнала в диапазоне частот 470....582 МГц
А12 Анализ полученных результатов. Если расчеты проведены не для всех
заданных рабочих частот Дия, /мж<:, /ср, идти к АЗ.
А13 Анализ уровня нелинейных искажений в диапазоне рабочих частот
при сопротивлении нагрузки, соответствующем оптимальному значению для
средней частоты.
В таб.8.2 приведены значения коэффициента нелинейных искажений
(КНИ) транзистора MW6S0I0N в диапазоне рабочих частот при
сопротивлении нагрузки г = 7.05 Ом, X — 10.1 Ом (рис. 8.11 Ь).
Таблица 8.2 - КИИ в диапазоне рабочих частот
/.МГц 470 498 526 554 582
КНИ, дБ -74,3 -78,5 -84,1 -83,8 -79,2
Из таб. 8.2 следует, что при нагрузке транзистора г = 7.05 Ом, X —
10.1 Ом, нелинейные искажения усилителя мощности в диапазоне частот не
превышают величины - 74,3 дБ.
Если результаты анализа уровня нелинейных искажений
неудовлетворительные, идти к А2.
А14 Составление схемы УМ с оптимальным сопротивлением нагрузки для
средней частоты.
В результате в соответствии с рассмотренным алгоритмом А1-А14 создана
программа оценки оптимального сопротивления нагрузки УМ.
Цифровое телевидение/ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
251
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
8.5.2 Оптимизация широкополосных согласующих цепей
При исследовании воспользуемся диаграммой Смита [69]
инструментальной среды визуального моделирования MWO. Построения
удобно проводить на диаграмме иммитансов (Immittance), объединяющей
возможности отображения на одном графике полных сопротивлений -
импедансов (Impedance) и проводимостей - адмитансов (Admittance).
При построениях важно учитывать влияние фактора качества -
добротности Q, так как она является неотъемлемой частью ширины полосы
АЧХ колебательных систем. Величина на1'руженной добротности - это
отношение реактивного и активного сопротивлений в узловых точках каждого
из последовательно соединенных звеньев цени согласования
Коэффициент трансформации звена связан с нагруженной добротностью
следующим выражением:
1 + Q2 = Кг
При увеличении широкополосное™ цепей согласования путем увеличения
числа звеньев п с постоянной добротностью Q связь между нагруженной
добротностью Q и резистивным коэффициентом трансформации принимает
следующий вид
1 + Q2 = п7Кт
Постоянство коэффициента передачи в каждом из звеньев может быть
обеспечено построением вспомогательной зависимости коэффициента
отражения г для фиксированного значения добротности при изменении
активного сопротивления от пуля до бесконечности.
гн ~ ги _ г
ZH + 2И
Здесь
г — коэффициент отражения; 2ц — сопротивление нагрузки; 2ц = К + JX -
сопротивление нагрузки источника возбуждения в узловых точках каждого из
последовательно соединенных звеньев.
Целевая функция оптимизации широкополосных
согласующих цепей
Для формулировки целевой функции необходимо задаться критериями
оптимизации, их весовыми коэффициентами и ограничениями на параметры
многозвенных цепей согласования.
1. Активная составляющая выходного сопротивления цепи согласования
в диапазоне рабочих частот должна стремиться к стандартной величине 50 Ом.
252
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
2. Реактивная составляющая выходного сопротивления цепи
согласования в диапазоне рабочих частот должна стремиться к нулевому
сопротивлению.
3. Для обеспечения максимальной равномерности амплитудно-частотной
характеристики (АЧХ) в диапазоне рабочих частот должно обеспечиваться
равенство коэффициентов передачи каждого из звеньев цепи согласования.
Весовые коэффициенты каждого из критериев выбираются при
автоматизированном методе проектирования итерационным путем в процессе
оптимизации.
Структурный синтез цепи согласования
Структура цепи согласования (количество звеньев) определяется
ограничениями на величину коэффициента стоячей волны (КСВ) в диапазоне
рабочих частот. Ограничением является также требуемая неравномерность
АЧХ многозвенной цепи согласования.
В качестве элементарных звеньев целесообразно использовать звенья с
индуктивным сопротивлением в продольной ветви для обеспечения
дополнительной фильтрации высших гармонических составляющих на выходе
активных элементов усилителей мощности.
Построение зависимости коэффициента отражения от активного
сопротивления источника возбуждения при фиксированной добротности
Как отмечалось выше, для обеспечения максимальной равномерности АЧХ
в диапазоне рабочих частот должно обеспечиваться равенство коэффициентов
передачи каждого из звеньев цепи согласования. С этой целью на диаграмме
Смита строится зависимость коэффициента отражения от активного
сопротивления нагрузки источника возбуждения при фиксированной
добротности (кривая постоянной добротности), которая в дальнейшем будет
служить границей при построении траекторий трансформации сопротивлений
нагрузки источника сигнала в элементарных звеньях.
Алгоритм программы построения кривой постоянной добротности
следующий.
В1 Ввод исходных данных.
Ввод сопротивления нагрузки усилителя мощности Лн = 50 Ом.
Ввод оптимального комгшсксного сопротивления нагрузки транзистора
Ztp = Л'п' + соответствующего критериям минимальных нелинейных
искажений или максимальной мощности, КПД.
В2 Определение резистивного коэффициента трансформации цепи
согласования
Кт = Явых/Яц
ВЗ Задание числа звеньев п , исходя из требуемой широкополосное™
цепи согласования. В широкополосных цепях согласования число звеньев
задастся от двух до четырех.
ВЗ Определение нагруженной добро тности из формулы
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
253
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Q2 = ''fib - 1
В4 Задание шага построений, начального и конечного значений кривой
постоянной добротности.
В5 Введение глобальных определений [Global Definitions) для переменных
R,X,Z,r.
В6 Построение на диаграмме иммитансов кривой постоянной добротности
(рис. 8.12).
Рисунок 8.12 - Коэффициент отражения при добротности Q — 0,96,
соответствующий RTP ® 7,05 Ом, 1?м = 50 Ом, и = 3
Предварительная оценка номиналов элементов
принципиальной схемы цепи согласования
В 7 Построение траекторий трансформации сопротивлений (рис. 8.13)
каждым элементом принципиальной схемы осуществляется от Лн к /?тр с
учетом граничной кривой Q, обеспечивающей равенство коэффициентов
передачи каждого из звеньев трехзвеиной L, С цепи согласования.
BS Вывод принципиальной схемы цепи согласования (рис. 8.14), номиналы
элементов которой соответствуют построениям на рис. 8.13.
254
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Рисунок 8.13 - Траектории трансформации сопротивлений
элементами схемы трехзвенной L, С цепи согласования
Ятр ® 7.05 Ом
Хтр - 10.1 Ом
L3 5.1 1<Гн L2 3.9 нГн L1 7.6 мГн
Rm = 50 Ом
Рисунок 8.14- Принципиальная схема цепи согласования,
полученная в результате структурного синтеза
Анализ качественных показателей синтезированной схемы
цепи согласования
В9 Оценка коэффициента стоячей волны (КСВ), выходного сопротивления
на диаграмме Смита (рис. 8.15) и КСВ в прямоугольной системе координат'
(рис. 8.16) по выходу цепи согласования (ЦС).
Рисунок 8.15 - К оценке КСВ и выходного сопротивления цепи
согласования в диапазоне частот от 470 до 582 МГц
В10 Анализ результатов оценки качественных показателей цели
согласования.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
255
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Параметрический синтез цепи согласования
В11 Формулировка целевой функции многокритериальной оптимизации
цепи согласования.
Пакет программ позволяет провести параметрический синтез
принципиальной схемы по заданным критериям качества. Вначале необходимо
задаться критериями оптимизации и весовыми коэффициентами для
каждого из них, т.е. сформулировать целевую функцию многокритериальной
оптимизации.
Г|МГи)
Рисунок 8.16 - К оценке КСВ в прямоугольной системе
координат
Во-первых, необходимо лшнилцшфомипь отличие от 50 Ом
действительной части выходного сопротивления цепи согласования в рабочем
диапазоне частот 470...582 МГц. Примем весовой коэффициент для данного
критерия оптимизации 0.5.
Во-вторых, необходимо минимизировать отличие от 0 Ом мнимой части
выходного сопротивления цепи согласования в рабочем диапазоне частот
470...582 МГц. Примем весовой коэффициент для данного критерия
оптимизации 0.5.
В12 Ус тановка ограничений на величину КСВ.
В13 Установка ограничений на величину переменных параметров цепи
согласования.
Устанавливаем минимальные и максимальные значения параметров L1,
L2, L3, Cl, С2, СЗ оптимизируемой цепи согласования.
В14 Выбор метода оптимизации
В диалоговом окне из списка методов оптимизации выбираем Pointer -
Robust Optimization.
В15 Процесс оптимизации.
Задаемся максимальным количеством итераций и запускаем процесс
оптимизации.
В16 Построение КСВ и годографа выходного сопротивления в диапазоне
256
Цифровое телевидение/' В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
рабочих частот на диаграмме Смита по окончании процесса оптимизации (рис.
8.17).
В17 Построение КСВ в прямоугольной системе координат (рис. 8.18).
BJ8 Построение зависимости действительной части выходного
сопротивления ZN от частоты.
Рисунок 8.17 - КСВ и годо>раф выходного сопротивления
в диапазоне рабочих частот от 470 до 582 МГц после оптимизации
4T0 ММ <И НЮ ИО JNJ 1Ю МО ИО МО jra МО
IpWMj
Рисунок 8.18 - КСВ цепи согласования в прямоугольной системе
координат после оптимизации
В19 Построение зависимости мнимой части выходного сопротивления Zn
от час тоты.
В20 Проверка соответствия переменных параметров выбранным
ограничениям. При неудовлетвори тельных результатах идти к В13.
В21 Уточнение весовых коэффициентов целей оптимизации. При
необходимости идти к ВЛ.
В22 Уточнение максимального числа итераций. При необходимости идти к
BJ5.
В23 Выбор другого метода оптимизации. При необходимости идти к В14.
В24 Вывод схемы оптимальной цепи согласования (рис. 8.19).
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
257
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Rrp » 7.05 Ом Хтр » 10.1 Ом ' L3 4.1 мГн L2 3.9 нГн L1 8.7 нГн
СЗ 34.9 пФ С2 27.1 пФ С1 8.9 пФ
Рисунок 8.19 - Параметры цепи согласования после оптимизации
В25 Построение траекторий трансформации сопротивлений элементами
оптимальной цепи согласования (рис. 8.20).
Рисунок 8.20 - Траектории трансформации сопротивлений
цепью согласования с оптимальными параметрами
При удовлетворительных результатах оптимизации протрамма завершает
свою работу.
В результате в соответствии с рассмотренными алгоритмами А1-А14, В1-
В25 создана программа структурно-параметрического синтеза
широкополосных цепей согласования.
8.5.3 Заключение
1. Метод структурно-параметрического синтеза широкополосных
согласующих цепей по заданной многокритериальной целевой функции для
усилителей мощности телевизионных передатчиков, представленный в виде
алгоритмов А1-А14, B1-B2S, позволяет решить задачи выбора оптимального
числа звеньев и минимизации КСВ.
258
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологам проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
2. Сравнение траекторий трансформации, представленных на рис. 8.13 и
рис. 8.20, подтверждает эффективность алгоритма предварительной оценки
номиналов элементов принципиальной схемы цепи согласования.
3. Результаты оптимизации усилителя мощности позволяют обеспечить
минимум нелинейных искажений (таб. 8.2) при высоких требованиях по
согласованию (рис. 8.17, 8.18) в широком диапазоне частот (IV диапазон
наземного телевизионного вещания) и сохранении номинальных
энергетических параметров исследуемого усилителя мощности на полевом
транзисторе.
8.6 Методика оценки помехоустойчивости и скорости передачи
информации в наземных системах цифрового телевизионного
вещания
8.6.1 Общие сведения
Особенности работы наземных систем цифрового телевизионного вещания
(СЦТВ) определяются в основном многолучевым распространением радиоволн
[19, 31]. В зависимости от места взаимного расположения приемника и
передатчика условия приема сигналов СЦТВ могут иметь значительные
отличия. Характерны три основных варианта (рис. 8.21) распространения
радиоволн:
- прямая видимость, нет отраженных сигналов (канал Гаусса);
- прямая видимость, есть отраженные сигналы (канал Райса);
- нет прямой видимости, прием только отраженных сигналов (канал
Релся).
Наиболее тяжелые условия приема сигналов на подвижных объектах при
отсутствии прямой видимости.
а) канал Гаусса б) канал Райса в) канал Релея
Рисунок 8.21 - Каналы распространения радиоволн
Для уверенного приема телевидения в мобильных условиях разработан
стандарт [79] Digital Video Broadcasting - Handheld (DVB-H). Современное
наземное телевизионное вещание обеспечивает высокое качество работы, как в
стационарных условиях приема, так и на мобильных объектах благодаря
применению комбинированного стандарта DVB-T/Н. Стандарт DVB-T/H
использует иерархический способ модуляции COFDM. который может
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
259
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
рассматриваться как средство разделения радиочастотного канала на два
виртуальных, причем каждый из них обладает своей собственной
помехоустойчивостью и скоростью передачи (см. раздел 3.4).
Эффективным инструментом исследования СЦТВ является среда
визуального моделирования ЮТ, производимой компанией Applied Wave
Research.
В настоящем разделе учебного пособия рассмотрен метод оценки скорости
передачи информации, вероятности ошибки на бит информации на выходе
приемников в наземных СЦТВ [31]. При этом полагаем, что заданы
энергетические параметры передатчиков, вид модуляции, характеристики
антенн, характер помех, зона обслуживания.
Данный метод в дальнейшем позволит перейти к решению задач
исследования, оптимизации и проектирования одночастотных сетей
цифрового телевизионного вещания с заданной или планируемой топологией
размещения передатчиков в зоне обслуживания.
При моделировании системы телевизионного вещания необходима
информация о структуре цифрового телевизионного передатчика, приемника и
их параметрах [20,49].
Модели цифрового ТВ передатчика и приемника рассмотрены ранее в
разделе 8.4.1.
Алгоритм исследования СЦТВ
Проведем исследование спектральных и динамических характеристик
системы вещания, рассмотрим методику опенки скорости передачи
информации, вероятности ошибки па бит информации на выходе приемника с
Гауссовским каналом передачи данных наземной СЦТВ.
Алгоритм программы исследования СЦТВ содержит четыре этапа:
подготовка к исследованию, исследование спектральных и динамических
характеристик, количественная оценка вероятное™ ошибки на бит
информации па выходе приемника, оценка скорости передачи информации.
Рассмотрим последовательно этапы алгоритма.
8.6.2 Подготовка к исследовании»
Следует отмстить, что в алгоритме исследования задаются численные
значения параметров для того, чтобы получить пример характеристик
реальной системы.
А1 Выбираются параметры возбудителя передатчика.
Вид модуляции QPSK. режим работы 2к, скорость кодирования 1/2;
полоса канала 8 МГц, защитный интервал 1/8. уровень мощности па выходе
возбудителя передатчика 0 дБм. центральная частота канала 538 МГц.
А2 Выбираются параметры усилителя мощности передатчика.
Коэффициент усиления 40 дБ.
260
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
АЗ Выбираются параметры передающей антенны.
Коэффициент усиления 4 дБ по отношению к изотропному излучателю.
А 4 Выбираются параметры Гауссовского шума.
Отногиение сигнал/шум (дБ).
А5 Выбираются параметры приемника.
Вид модуляции QPSK, режим работы 2k.
А6 Выбираются параметры приемной антенны.
Расстояние между приемной и передающей антеннами 20 км.
Коэффициент усиления антенны 18 dB относительно изотропного
излучателя.
Л 7 Устанавл «вливаются параметры усилителя мощности приемника.
Коэффициент усиления 20 dB.
А8 Вводится измерительный инструмент для оценки вероятности ошибок.
А9 Составляется модель наземной СЦТВ (рис. 8.22).
Рисунок 8.22 - Модель наземной СГЦВ с измерителем вероятности ошибок
8.6.3 Исследование спектральных и динамических характеристик
При исследовании спектральных и динамических характеристик
измеритель вероятности ошибок должен быть отключен. Исследования
характеристик СЦТВ в данном разделе проводятся с Гауссовским каналом
передачи данных.
А10 Строятся спектры сигналов на выходе передатчика и на входе
приемника при различных соотношениях С/Ш (рис. 8.23).
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
261
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Рисунок 8.23 - Спектральные характеристики СЦТВ
АП Строятся сигнальные созвездия н траектории символьных переходов в
Рисунок 8.24 - Сигнальное созвездие и траектории символьных
переходов в передатчике
А12 Строятся сигнальные созвездия и траектории символьных переходов в
приемнике (рис. 8.25,8.26).
б)С/Ш=15дБ
а) С/Ш--=5 дБ
Рисунок 8.25 - Сигнальное созвездие
262
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Рисунок 8.26 - Траектории символьных переходов
8.6.4 Оценка скорости передачи информации
А13 Оценивается влияние защитного интервала С на скорость передачи
информации DR (таб. 8.3) при фиксированной кодовой скорости СЛ и
отношении сигнал/шум S/Ц.
Таблица 8.3 - Оценка скорости передачи информации
приСЯ- 1/2, S7V=5dB
G 1/4 1/8 1/16 1/32
DK (МБит/с] 4,95 5,5 5,82 6
А14 Оценивается влияние кодовой скорости CR иа скорость передачи
информации DR при фиксированном защитном интервале и отношении
сигнал/шум S/N.
Таблица 8.4 - Опенка скорости передачи информации
при <7=1/8, S/1V-5 <1В
CR 1/2 2/3 3/4 5/6 7/8
DR [МБит/с] 5,5 7,33 8,25 9,17 9,63
А15 Проводится анализ полученных результатов. В случае необходимости
дополнительной информации, в частности, оценки скорости передачи
информации при других сочетаниях параметров <7, CR. S/N шаги A13-A1S
повторяются.
8.6.5 Оценка вероятности ошибок
А16 Включается измеритель вероятности ошибок (рис. 8.22) в
исследуемую СЦТВ.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
263
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
А17 Выбираются параметры измерителя вероятности ошибок:
- начальное, конечное значение С/Ш, интервал между точками
анализа;
- минимальное число ошибок за испытание;
- число итераций за одно испытание;
- максимальное число испытаний.
А18 Запускается процесс системного анализа. Здесь необходимо отметить,
что время анализа зависит от диапазона исследуемых характеристик. При
отношении С/Ш выше порогового значения время анализа резко возрастает.
В случае необходимости повышения точности расчетов или изменения
диапазона измерения параметров исследуемой системы повторяются шаги
алгоритма А17, А18.
А19 При удовлетворительных результатах анализа производится вывод
результатов в виде графиков (рис. 8.27) и таблиц 8.3,8.4.
Рисунок 8.27 - Зависимость вероятности ошибок от отношения С/Ш в
исследуемой СЦТВ
В результате в соответствии с рассмотренным алгоритмом создана
программа анализа работы СЦТВ.
8.6.6 Заключение
1. Разработана методика опенки скорости передачи . информации,
вероятности ошибки на бит ин<]юрмации на выходе приемников в каналах
наземных СЦТВ при заданных энергетических парамет рах передатчиков, вида
модуляции, характеристиках антенн, характера помех и зоны обслуживания.
Методика представлена в виде алгоритма (А1-А19).
264
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
2. Программа, разработанная на основе алгоритма, позволяет проводить
всесторонние исследования СЦТВ с каналами передачи данных Гаусса, Райса
и Релея, выбирая при этом наиболее эффективный с точки зрения
помехозащищенности и скорости передачи информации вид модуляции [16].
3. Исследование спектральных и динамических характеристик с
Гауссовским каналом передачи данных (рис. 8.23 - 8.26) показывает
качественно и количественно физическую картину передачи информации в
области пороговых и надпороговых значений сигнал/шум. В частности,
сравнительный анализ сигнальных созвездий и траекторий символьных
переходов в передатчике и приемнике системы дает визуальную оценку
влияния шума на работоспособнос ть СЦТВ.
4. Сигнальное созвездие в передатчике в отличие от созвездия в
приемнике (рис. 8.24) помимо информационных несущих частот содержит
несущие сигналов телеметрии и синхронизации [3].
5. Количественная оценка влияния параметров СЦТВ на скорость
передачи информации (таб. 8.3, 8.4) дает возможность проведения
многокритериальной оптимизации исследуемой системы для конкретных
условий се работы в зоне обслуживания.
6. Оценка пороговых значений зависимости вероятности ошибок в
исследуемой системе от отношения сигнал/шум на входе приемника, а также
влияния параметров СЦТВ на скорость передачи информации согласуются с
данными, приведенными в стандарте [113]. Ломаный характер кривой
вероятности ошибок (рис. 8.27) объясняется погрешностью измерений.
7. Результаты работы позволяют перейти к решению задач исследования,
оптимизации и проектирования одночастотных сетей цифрового
телевизионного вещания с заданной или планируемой топологией размещения
передатчиков в зоне обслуживания.
8.7 Методика оценки влияния интерференции на качество
работы одночастотной сети цифрового телевизионного
вещания
8.7.1 Общие сведения
При наличии двух одинаковых по частоте источников радиоволн,
находящихся на некотором расстоянии друг от друга, суммарная амплитуда
энергии колебаний в определенных точках пространства может, как
увеличиваться (конструктивна» суперпозиция волн), так и уменьшаться
(деструктивная суперпозиция воли). Это явление принято называть
интерференцией радиоволн. В простейшем случае при рассмотрении двух
гармонических источников радиоволн явление интерференции наглядно
поясняется в [120].
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
265
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
В цифровых сетях телевизионного вещания в областях перекрытия зон
обслуживания при определенных условиях возникают эффекты
интерференции сложных модулированных сигналов двух или более
передатчиков [121], приводящие к изменению формы сигнальных созвездий на
приемной стороне и, как следствие, к изменению качества приема
передаваемой информации.
Настоящий раздел учебного пособия посвящен рассмотрению методики
оценки влияния интерференции на качество работы одночастотной сети
цифрового телевизионного вещания стандартов DVB-T [4], DVB-H [19,21,32-
37,42].
Как отмечалось ранее, эффективным инструментом исследования
одночастотной сети цифрового телевизионного вещания является среда
визуального моделирования VSS, интегрированная в программную среду
AWR Design Environment (ЛИТ? DE). В [20] разработана модель наземной
одночастотной сети цифрового телевизионного вешания, исследовано
качество приема сигналов при изменении параметров и топологии сети.
8.7.2 Модель одночастотной сети наземного цифрового
телевизионного вещания
Наземное цифровое телевизионное вещание использует модуляцию,
получившую название частотное уплотнение ортогональных несущих с
кодированием - COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division
Multiplexing). Основным достоинством этого вида модуляции является
успешная борьба с эхо-сигналами, которые могут возникать из-за отражений
от окружающих предметов или при работе нескольких передатчиков в одном и
том же радиочастотном канале, в частности, при использовании COFDM в
одночастотной наземной cent (рис. 8.28) цифрового телевизионного вещания
SFN (Single Frequency Network).
Здесь РПД - радиопередатчик; РПУ - радиоприемник; N - номер
радиопередатчика в сети; М - номер радиоприемника в сети; j - номер
телевизионного канала.
Для борьбы с эхо-сигналами от соседних передатчиков между двумя
соседними символами вводится защитный интервал (см. раздел 3.4). Величина
задержки сигнала зависит от расстояния между передатчиками. Учитывая, что
скорость распространения радиоволн равна скорости света С=299792458 м/с,
величина задержки на один километр расстояния составляет Т=3336 нс/км.
В этой связи размещение передатчиков в зоне обслуживания жестко
связано с величиной защитного интервала. Для синхронизации работы
передатчиков используется Глобальная система позиционирования GPS
(Global Positioning System), обеспечивающая высокостабильную опорную
266
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава в. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
частоту возбудителей передатчиков 10 МГц и тактовые импульсы сигнальных
процессоров с частотой '1 Гц.
Модель сети цифрового телевизионного вещания содержит источник
информации, совокупность моделей передатчиков, приемников, канала
передачи данных, систему синхронизации по частоте и времени (рис. 8.29).
Рисунок 8.29 - Модель одночастотной сети
наземного цифрового телевизионного вещания
Для моделирования сети телевизионного вещания необходима информация
о структуре цифровых телевизионных передатчиков, приемников и их
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
267
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
параметрах, а также о характере распространения радиоволн в канале передачи
данных.
Модели цифрового ТВ передатчика и приемника и канала распространения
радиоволн рассмотрены ранее в разделах 8.4.1,8.6.
8.7.3 Оценка влияния интерференции на качество приема
в области перекрытия зон обслуживания передатчиков
Рассмотрим случай (рис. 8.30), когда приемник находится в «Зоне 1»
обслуживания первого передатчика (РИД 1). Второй передатчик (РПД 2)
обслуживает «Зону 2», которая перекрывает часть первой зоны.
Рисунок 8.30 - Область перекрытия
зон обслуживания передатчиков
Область перекрытия зон обслуживания передатчиков представлена на рис.
8.30. Зоны 1 и 2 расположены симметрично относительно линии, проходящей
через точки А н В.
Сигнал, приходящий на приемник от второго передатчика РПД 2,
рассматриваем как эхо-сигнал. Поскольку степень влияния интерференции на
качество приема определяется преимущественно временной задержкой и
мощностью эхо-сигнала, рассмотрим вначале возможные варианты условий
приема цифрового телевизионного сигнала в предположении отсутствия шума.
Исследование в данной работе проведено для численных значений
параметров ^Р'Асети с целью оценки ее реальных характеристик.
Оба передатчика работают в составе одпочасготной сети наземного
цифрового телевизионного вещания стандарта DVB-T на 29 ТВ канале с
модуляцией QPSK. полоса канала 8 МГц, средняя частота спектра 538 МГц,
режим 2к, защитный интервал 1/4, кодовая скорость 1/2. Режим 2к
применяется при построении малых одиочастотных сетей с ограниченными
расстояниями между передатчиками.
Спектральные плотности мощности принимаемого сигнала S1
от РПД 1 и oxo-сигнала S2 равны (S1/S2-0 дБ)
Если приемник расположен иа равноудаленном расстоянии от каждого из
передатчиков (линия A-В иа рис. 8.30), разность между временными
задержками сигналов двух соседних передатчиков на входе приемника
составляет Тзадврж” 0 нс.
268
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Спектр на выходе передатчика РПД 1, расположенный в Зоне 1
представлен на рис. 8.31. Диапазон задержки сигнала Тзддерж определяется
физическими расстояниями перемещения приемника в области пересечения
зон обслуживания передатчиков и скоростью распространения сигнала. При
исследовании принимаем спектральную плотность мощности принимаемого
сигнала от передатчика РПД 1 постоянной (Sl=const).
Рисунок 8.31 - Спектр на выходе передатчика РПД 1
Спектральная плотность мощности эхо-сигнала - варьируемая величина
(S2=VAR).
Случай 1. (Sl/S2=0, дБ; Тццерж- 0, не)
Спектр принимаемого сигнала от первого передатчика РПД 1 с учетом
затухания в канале распространения представлен на рис. 8.32. Поскольку
рассматривается случай, когда спектральные плотности мощности
принимаемого сигнала от РПД 1 (рис. 8.32) и эхо-сигнала равны, спектр эхо-
сигнала не ничем не отличается от спектра, представленного на рис. 8.32.
Отношение спектральной плотности мощности принимаемого сигнала к
спектральной плотности эхо-сигнала равно Sl/S2=0 дБ.
Очевидно, что форма спектров при распространении сигнала в идеальном
канале (без шума) нс изменяется (см. рис. 8.31 и рис. 8.32). Канал
распространения вносит только затухание (в данном случае 91 дБ).
Результирующий спектр сигнала от передатчика РПД I и эхо-сигнала на
выходе усилителя мощности приемника при Тзддарж = 0 пс представлен на рис.
8.33. Уровень спектра сигнала вне полосы рабочего канала (рис. 8.33)
определяется суммарными иптермодуляционными искажениями трактов
усиления мощности передатчиков РПД 1, РПД 2 и усилителя мощности
приемника 1122].
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
269
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
принимаемого сигнала от
передатчика РПД 1
Результирующий спектр
сигнала от передатчика РПД 1
и эхо-сигнала
Сигнальное созвездие позволяет предварительно оценить качество
принятого сигнала визуально. В данном случае при визуальной оценке (рис.
8.34) искажения сигналов на выходе демодулятора не обнаруживаются.
В дальнейшем модуляционные искажения оцениваются более точно с
помощью векторных ошибок модуляции EVM (Error vector magnitude) [123],
которые дают количественную оценку отношения модуля вектора ошибки к
пиковому значению идеального вектора символа сигнального созвездия в
текущее время. Описание методик оценки ошибок модуляции дано в стандарте
[124]. Результаты измерения ошибок модуляции EVM для первого случая
представлены на рис. 8.35.
Рисунок 8.34 - Рисунок 8.35 - Ошибки
Сигнальное созвездие модуляции EVM
ПРИ Тзлдерж=0 НС приТзлда|.жН)нс
Векторные ошибки модуляции EVM в этом случае не превышают 0,4 %,
что свидетельствует о высоком качестве принимаемого сигнала.
Случай 2. (Sl/S2=0, дБ; К4Д. "<>
Спектры принимаемого сигнала от 1-го передатчика и эхо-сигнала от
второго передатчика (рис. 8.32) во втором случае сохраняются прежними, т.е.
отношение спектральной плотности мощности принимаемого сигнала к
спектральной плотности эхо-сигнала равно S l/S2=0 дБ.
270
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Задаемся временем задержки Тицвмг = 300, 600 нс, исходя из возможных
перемещений приемника в предполагаемой области пересечения зон
обслуживания и возникающих в этой связи задержек эхо-сигнала. Временные
задержки в данном случае значительно меньше выбранного защитного
интервала.
Рассмотрим результирующий спектр на выходе усилителя мощности
приемника от сигнала передатчика РПД 1 и эхо-сигнала при ТЭАДЕрЖ = 300 нс
(рис. 8.36) и ТЗАДЕРЖ= 600 нс (рис. 8.37).
Результирующий спектр
ПРИ ТЗЛд)та; = 300 нс
«2» НО ВМ WB Mi И4 МО
• [МГЩ
Рисунок 8.37 -
Результирующий спектр
при Тзддкрж = 600 ис
Изменение формы спектра обусловлены влиянием интерференции.
Характер огибающей результирующего спектра зависит от величины задержки
эхо-сигнала. С увеличением времени задержки уменьшается период
паразитной модуляции огибающей спектра, изменяется воздействие
интерференции на его спектральные составляющие.
Сигнальное созвездие (рис. 8.38) позволяет дать качественную оценку
искажениям принятого сигнала при ТЗАДЕ|.Ж - 300 нс. Количественная оценка
искажениям на выходе демодулятора представлена на рис. 8.39.
Рисунок 8.38 -
Сигнальное созвездие
при Тзддеик=300 нс
Рисунок 8.39 - Ошибки
модуляции EVM
при Тзлда.ж=300 нс
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
271
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Модуляционные искажения оцениваются в приемнике на выходе
демодулятора до цифровой обработки принятого сигнала в декодерах Витерби
и Рида-Соломона.
Степень влияния интерференции на качество цифрового ТВ вещания
определяется не только временной задержкой эхо-сигнала, но и
отношением мощности сигнала к мощности шума S1/N, мощности сигнала к
мощности эхо-сигнала S1/S2. Кроме того, рассмотрен случай Sl/S2“0 дБ в
предположении отсутствия шума.
На качество приема сигнала влияет также алгоритм оценки АЧХ канала
передачи данных и метода компенсации искажений принятого сигнала. Здесь
следует подчеркнуть, что стандарт [113] не регламентирует методы
построений приемников цифрового телевизионного вещания с целью создания
конкуренции между производителями.
Учитывая совокупность факторов, влияющих на качество цифрового
телевизионного вещания, перейдем к интегральной оценке качества сигнала
после декодеров Витерби и Рида-Соломона.
Интегральная оценка влияния явления интерференции
на качество цифрового ТВ вещания
Рассмотрим вначале полный сигнал на выходе демодулятора (рис. 8.40,
8.41) во временной области (а) и на плоскости ],Q (б). Сигнал на выходе
демодулятора включает в себя информационные н пилотные несущие, которые
служат для синхронизации тактовых частот модулятора и демодулятора,
синхронизации несущих частот спектра, оценки АЧХ канала передачи данных.
На сигнальных созвездиях (рис. 8.406, 8.416) пилотные несущие образуют две
окружности, расположенные симметрично справа и слева от начала координат.
На рис. 8.40а, 8.41а показан защитный интервал, характер искажений
модулей символов при воздействии шума и эхо-сигнала с задержкой 300 нс.
Рисунок 8.40 - Сигнал на выходе демодулятора во временной области и на
плоскости 1,Q при &W= 100 дБ.
272
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глав* 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Рисунок 8.41 - Сигнал на выходе демодулятора во временной
области и на плоскости 1.Q при SZV=20 дБ.
Как отмечалось ранее, ин тральной оценкой качества принятого
цифрового сигнала после декодеров Витерби н Рида-Соломона является
вероятность ошибки на биг информации (рис. 8.42).
Рисунок 8.42 - Вероятность ошибки на бит информации
। три S/N= 100 и 20 дБ.
Из анализа полученных |>езультатон (рис. R.426) следует, что при
изменении SI/S2 в пределах от 1.03 до 0 и отношении SJ/N=2f) дБ вероятность
ошибки изменяется от 2хКГ* до 10л и выше. т.с. в этом диапазоне изменения
S1/S2 прием невозможен. При отношении SJ/S2 более 1,03 дБ вероятность
ошибки на бит оказывается ниже порогового ее значения, обеспечивается
высокое качество приема. Увеличение отношения S1/N (рис. 8.42а) уменьшает
диапазон изменения S1/S2. в котором прием невозможен, и улучшает качество
приема в области ниже порогового значения вероятности ошибки.
8.7.5 Заключение
1. Результаты, подученные в данном разделе, согласуются с известными
результатами [125] и позволяют оценить пороговую гранитсу области
пересечения зон обслуживания, за пределами которой обеспечивается почти
безошибочный прием информационного сигнала.
Цифровое телевидение.' ВЛ Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
273
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
2. Исследование влияния интерференции на работу одночастотаой сети
цифрового телевизионного вещания позволило дать качественную и
количественную оценку искажениям принятого сигнала, возникающим
благодаря наличию эхо-сигналов в области перекрытия зон обслуживания
передатчиков.
3. При равноудаленном расположении приемника от передатчиков (линия
A-В на рис. 8.30) модуляционные ошибки (рис. 8.35) минимальны. Однако
изменение расположения приемника в зоне обслуживания приводит к
временным задержкам эхо-сигнала и, как следствие, к увеличению
модуляционных ошибок, что ухудшает качество приема, а в некоторых
случаях прием становится невозможен (рис. 8.42).
4. До настоящего времени при проектировании и планировании
проведения пуско-наладочных работ по развертыванию одночастогных сетей
цифрового телерадиовещания не учитывается влияние эхо-сигнала на работу
сети SFN при его временных задержках, не превышающих времени защитного
интервала. Применение полученных результатов в проектировании систем и
сетей приводит к сокращению сроков экспериментальных работ при переходе
к цифровому телерадиовещанию и обеспечивает высокое качество услуг.
8.8 Оценка эффективности компенсации интерференционных
искажений в приемнике цифрового телевизионного вещания
8.8.1 Общие сведения
В разделе 8.7 пособия проведено исследование явления интерференции в
одиочастотной сети цифрового телевизионного вешания. Опенка характера
интерференционных искажений осуществлялась в соответствии с методикой
измерений по стандарту [124] на выходе демодулятора измерительного
приемника COFDM сигнала до блока коррекции АЧХ капала передачи данных
(рис. 8.43). Следует подчеркнуть, что стандарт РР2?-7[126] не регламентирует
методы построений приемников цифрового телевизионного вещания с целью
создания конкуренции между производителями.
Рисунок 8.43 - Структурная схема измерительного приемника
274
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карикин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Здесь Tuner - тюнер; A/D - аналого-цифровой преобразователь; I/Q
Convers. FFT - I/Q конверсия быстрого преобразования Фурье (БПФ);
Channel Correct. - канальный корректор; Demux. Demapping -
демультиплексирование символов кадра; Inner Deinterleaver - внутренний
деперемежитель; Inner Decoder (Viterbi Decoder) - внутренний декодер
(декодер Витерби) ; Outer Deinterleaver - внешний деперемежитель; Outer
Decoder (RS Decoder) - внешний декодер (декодер Рида Соломона);
Descrambler - дескремблер; MPEG2 transport stream - транспортный поток
MPEG2.
Измерения до блока коррекции АЧХ канала передачи данных позволяют
исследовать специфику явлений интерференции в одночастотной сети
цифрового телевизионного вещания, выяснить причины ухудшения приема
сигнала и оценить в дальнейшем эффективность используемых в приемниках
цифрового телевизионного вещания блоков компенсации искажений АЧХ.
Ранее отмечалось, что интерференционные искажения входного сигнала
приемника возникают на фоне флуктуационного шума при воздействии эхо-
сигналов от соседних передатчиков, отраженного многолучевого эхо-сигнала с
различными амплитудами и фазами.
Целью настоящего раздела пособия является сравнительная оценка
эффективности компенсации интерференционных искажений в приемниках с
различными алгоритмами обработки входного сита ла: без коррекции и с
коррекцией искажений канала передачи данных.
Предварительная качественная оценка эффективности компенсации
интерференционных искажений может осуществляться путем сравнительного
визуального анализа сигнальных созвездий на выходе демодулятора до блока
коррекции АЧХ капала передачи данных (рис. 8.43) и созвездий на выходе
демодулятора с блоком коррекции, модель которого будет рассмотрена в
работе далее.
Интегральной качественной и количественной оценкой эффективности
приемников с различными алгоритмами обработки входного сигнала является
вероятность ошибки на бит информации на выходе декодера Витерби [124],
позволяющая оценить пороговую границу воздействия помех, за пределами
которой обеспечивается почти безошибочный прием информационного
сигнала.
Исследования в дайной работе проведены с использованием
инструментальных САПР VSS и ADS компаний Applied Wave Research и
Agilent Technologies.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
275
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
8.8.2 Модель демодулятора COFDM сигнала приемника
с компенсацией интерференционных искажений
Исследуемая модель демодулятора COFDM сигнала приемника с
компенсацией искажений канала передачи данных в инструментальной среде
ADS представлена на рис. 8.44.
Рисунок 8.44 - Модель демодулятора COFDM сигнала приемника с
компенсацией искажении канала передачи данных
Рассмотрим компоненты модели демодулятора:
- Gain_Cx (Complex gain) - комплекс усиления;
- DTVJMLEstimalor (ML Estimation and Synchronization of OFDM
Symbol) -оценка максимального правдоподобия и синхронизация OFDM
символов;
- DTV_LoadFFTBuff (Received data loader from channel to FFT buffer) -
загрузка данных канала в буфер быстрого преобразования Фурье;
- D TVRentovePhuse (Compensator for phase offset due to carrier
frequency offset) - компенсатор смещения фазы из-за смещения несущей
частоты;
- FFT_Cx (Complex fast Fourier transform) - комплекс быстрого
преобразования Фурье;
- DTV_DVBChEslimator (Linear channel estimator and channel
interpolator for DVB-T) - линейные оценки канала и канала интерполятора для
DVB-T,
- DTV_OFDMEqualizer (OFDM equalizer by the channel estimation) -
OFDM эквалайзер по оценке канала;
- D TV_DVBDemuxOFDMSym (Data and TPS demux for DVB-T symbol) -
демультиплексирование данных и TPS символов для DVB-T.
276
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
8.83 Оценка эффективности компенсации интерференционных
искажений
Как отмечалось ранее, предварительная качественная оценка
эффективности компенсации интерференционных искажений может
осуществляться путем сравнительного визуального анализа сигнальных
созвездий на выходе демодулятора COFDM сигнала (рис. 8.43) до блока
коррекции АЧХ канала передачи данных и созвездий на выходе демодулятора
приемника цифрового i-елсвизионного вещания с блоком коррекции, модель
которого представлена па рис. 8.44.
Приведем сигнальные созвездия па выходе демодуляторов без
компенсации и с компенсацией интерференционных искажений. Прием
осуществляется при наличии эхо-сигнала от соседнего передатчика и
Гауссовских шумов. Исследование проведено для численных значении
параметров одиочастотной наземной сети цифрового телевизионного вещания
с целью оценки ее реальных характеристик и сравнения с результатами,
полученными в предыдущем разделе пособия.
Передатчики работают в составе одиочастотной сети наземного цифрового
телевизионного вещания стандарта DVH-T на 29 113 канале с модуляцией
QPSK. полоса канала 8 МГц, средняя частота спектра 538 МГц, режим 2к,
защитный интервал 1/4, кодовая скорость 1/2. Режим 2к применяется при
построении малых одночастотных сетей с ограниченными расстояниями
между передатчиками.
Полагаем, что спектральная плотность мощности принимаемого сигнала
SI и эхо-сигнала S2 равны (5'//5'2=0, дБ). Время задержки эхо-сигнала Тэллгрж
= 300 нс меньше величины защитного интервала.
Построим сигнальные созвездия для двух значений отношения мощности
сигнала к мощности шума S1/N~\W) и 10 дБ (рис. 8.45, 8.46).
Сигнальные созвездия позволяют дать качественную оценку искажениям
принятого сигнала при заданных параметрах сети телерадиовещания, сигнала
и помех в канале передачи данных. 11а рис. 8.45а, 8.46а представлены
сигнальные созвездия па выходе демодулятора без компенсации
интерференционных искажений. Сигнальные созвездия, представленные на
рис. 8.456, 8.466 для демодулятора с компенсацией искажений канала
передачи данных. Созвездия на рис. 8.45 построены для случая, когда
мощность флуктуационного шума значительно меньше мощности сигнала
(SJ/N-100 дБ). Рис. 8.46 соответствует случаю, когда отношение мощности
сигнала к мощности шума равно SI/N-10 дБ.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
277
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Рисунок 8.45 - Сигнальные созвездия в приемниках без компенсации
искажений (а) и с компенсацией (б) при S//7V=100 дБ
б)
Рисунок 8.46 - Сигнальные созвездия в приемниках без компенсации
искажений (а) и с компенсацией (б) при дБ
По виду сигнальных созвездий на рие. 8.45а, рис. 8.46а, полученных на
выходе демодулятора без компенсации искажений можно судить о характере и
интенсивности помех. Из визуального сравнения сигнальных созвездий (рис.
8.456, рис. 8.466) и, соответственно, (рис. 8.45а, рис. 8.46а) можно сделать
вывод об эффективности работы демодулятора, представленного на рис. 8.44.
Однако по созвездиям на рис. 8.456, рис. 8.466 сложно оценить характер помех
и выяснить причину ухудшения качества принимаемого сигнала при их
возникновении.
В соответствии со стандартом [124] интегральной оценкой эффективности
работы приемников является вероятность ошибок после декодера Витерби
(рис. 8.43).
278
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
8.8.4 Интегральная оценка эффективности работы приемников
с различными алгоритмами обработки сигнала
Оценка вероятности ошибок позволяет дать сравнительную интегральную
оценку эффективности работы исследуемых приемников.
В измерительном приемнике (рис. 8.43) визуальная оценка характера и
интенсивности помех, приводящих к интерференционным искажениям
входного сигнала, осуществляется по сигнальным созвездиям демодулятора
COFDM сигнала до канального корректора. Помимо этого имеется
возможность исследовать качество приема цифрового телерадиовещания с
коррекцией и без коррекции входного сигнала.
В приемниках цифрового телевизионного вешания, не предназначенных
для оценки качества приема, как правило, применяются демодуляторы
COFDM сигнала с компенсацией интерференционных искажений (рис. 8.44),
по сигнальным созвездиям которых сложно оценить характер помех, (рис.
8.456, рис. 8.466).
На рис. 8.47 дана оценка вероятности ошибок сигнала после декодера
Витерби (After Viterbi) в приемнике цифрового телевизионного вещания с
коррекцией и в измерительном приемнике без коррекции.
Использование результатов исследования помехозащищенности
приемника без коррекции дает возможность оценить предельную величину
отношения сигнал/ эхо-сигнал, при котором прием становится практически
безошибочный.
Рисунок 8.47 - Вероятность ошибок сигнала после декодера Витерби в
приемниках с коррекцией и без коррекции
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
279
Глава 8. Информационные технологии проектирования устройств, систем и сетей
цифрового телевидения
Сравнительная оценка зависимостей вероятности ошибок от соотношения
сигнал/эхо-сигнал- для приемников с коррекцией и без коррекции
интерференционных искажений (рис. 8.47) позволяет дать количестве1шую
оценку эффективности компенсации искажений в демодуляторе COFDM
сигнала.
В заключении сформулируем основные результаты исследований,
проведенные в данной работе.
8.8.5 Заключение
1. Результаты, полученные в данном разделе для заданного отношения
сигнал/шум, согласуются с результатами предыдущего раздела и позволяют
оценить предельную величину отношения сигнал/ эхо-сигнал, при котором
прием становится практически безошибочный благодаря декодеру Рида-
Соломона.
2. Дана визуальная (рис. 8.45, 8.46) и количественная (рнс. 8.47) оценка
эффективности компенсации интерференционных искажений в демодуляторах
COFDM сигнала приемников цифрового телевизионного вещания. По виду
сигнальных созвездий на рис. 8.45а, рис. 8.46а, полученных иа выходе
демодулятора без компенсации искажений можно судить о характере и
интенсивности помех.
3. Из визуального сравнения сигнальных созвездий (рис. 8.456, рис.
8.466) и, соответственно, (рис. 8.45а, рис. 8.46а) можно сделать вывод об
эффективности работы демодулятора, представленного на рис. 8.44. Однако по
созвездиям иа рис. 8.456, рис. 8.466 сложно оценить характер помех и
выяснить причину ухудшения качества принимаемого сигнала при их
возникновении.
4. Выигрыш по отношению сигнал/эхо-сигнал, полученный благодаря
компенсации интерференционных искажений в демодуляторе COFDM сигнала
(рис. 8.44), в данном случае (рис. 8.47) составляет 1,92 дБ.
5. Разработанная методика оценки эффективности компенсации
интерференционных искажений в системах и сетях цифрового
телерадиовещания позволяет выявлять причины ухудшения качества
принимаемого сигнала при воздействии эхо-сигналов от соседних
передатчиков, отраженного многолучевого эхо-сигнала с различными
амплитудами и фазами на фоне флуктуационного шума и сравнивать
различные алгоритмы оценки АЧХ канала по эффективности компенсации
искажений.
280
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
9 Технологии производства цифровых аудиовизуальных
программ
9.1 Общие сведения
Современные компьютерные технологии производства цифровых
аудиовизуальных программ существенным образом отличаются от
традиционных методов создания видеофильмов, как по составу оборудования,
так и по техническим возможностям.
Процесс производства цифровых аудиовизуальных программ
(видеомонтаж) осуществляется [60,63] в три этапа:
1-й этап - «видео захват». Импорт исходного видеоматериала на
жесткий диск компьютера. Источниками могут служить цифровые и
аналоговые видеомагнитофоны, а также видеосигнал в реальном времени,
полученный с геле камеры, видеокамеры или веб-камсры.
2-й этап - «редактирование». Размещение видеоматериалов в желаемой
последовательности, с упорядочиванием эпизодов и удалением лишнего.
Добавление визуальных эффектов, например, переходы, титры и графика,
а также дополш1телы1ый звук, в частности, звуковые эффекты и фоновая
музыка. При записи DVD-дисков и VCD-дисков создание интерактивного
меню, позволяющего зрителям настраивать параметры просмотра.
3-й этап - «вывод фильма». После того как проект закончен,
окончательная запись фильма выводится в подходящем формате на выбранный
носитель: видеокассету, VCD-диск, S-VCD-диск, DVD-диск, в файл AVI,
MPEG, Real Video или Windows Media.
Для того чтобы лучше понять преимущества цифровых технологий
редактирования и монтажа, активно используемых в настоящее время в
производстве видеопродукции, необходимо вернуться на несколько лет назад
и рассмотреть старую классическую схему (рис. 9.1), отточенную практикой
предыдущих десятилетий. Базовая монтажная система состояла из двух
видеомагнитофонов (Player-Recorder) и управляющего ими монтажного
контроллера. Процесс монтажа представлен на рис. 9.2.
Отбираемая пользователем “полезная” видеоинформация (фрагменты А и
В) с исходной ленты (источника) на первом магнитофоне (Player)
переписывалась на результирующую лету на втором магнитофоне (Recorder),
в то время как неудачная или избыточная информация оставалась на
источнике. Получаемая в результате новая запись становилась так называемой
Мастер кассетой. При этом для точного позинионнровапия всех выделяемых
видеофрагментов монтажный контроллер использовал специальную числовую
информацию (тайм-код), записанную на ленту одновременно (параллельно) с
видео (каждый кадр обладает своим уникальным номером).
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. -М: СОЛОН-Пресс
281
Г лака 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных прогрвмм
Рисунок 9.1 - Классическая система вндеоыонтажа
Лента с исходным материалом
А | ”Л|—мг
Лента с резуг4,тято*«
A ~В
Рисунок 9.2 - Процесс видеомонтажа
Если же было необходимо нс просто последовательно собрать (стык в
стык) отдельные видсофршыеяты в единое целое, но построить между ними
плавные переходы со шторками или реализовать другие эффекты, то
требовалась более сложная монтажная схема (рис. 9.3).
Рисунок 9.3 - Система монтажа с использованием видеопсреходок
Схема из трех мшнитофонов основана на одновременном использовании
282
Цифровое теяевиление/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
двух лент (А и В) с исходным материалом (рис. 9.4) и соответственно двух
Player. При этом монтажный контроллер, опираясь на информацию о тайм
коде, управлял всеми аппаратами, в том числе и микшером.
Видео
микшер
Лента с результатом
~А в"”
Рисунок 9.4 - Процесс монтажа с использованием видеопереходов
9.1.1 Прошлое и будущее нелинейного монтажа
Рассмотренная выше технология линейного видео монтажа связана с
необходимостью постоянной (линейной) перемотки ленты вперед-назад при
просмотре и поиске фрагментов редактируемых клипов.
Видеомонтажеры, продюсеры, режиссеры, писатели, в общем, все те, кто
участвует в процессе видеопроизводства, всегда будут стремиться что-нибудь
изменить, попробовать разные новинки, и обычно обстоятельства
складываются так, что они будут делать это до самого последнего момента.
Это послужило толчком для создания первых аналоговых систем нелинейного
монтажа [60].
При нелинейном монтаже отснятые планы доступны в любом порядке и
могут быть переставлены так же просто, как переставляются слова при работе
с текстовым редактором. Достоинством нелинейного монтажа является
возможность пробовал, и разыгрывать сценарии типа «а что, если...», но
только с текстом, но и с движущимися изображениями и звуком.
Первые системы цифрового нелинейного монтажа с использованием
компьютеров созданы 1988 году. Цифровая технология нелинейного монтажа
обеспечивает прямое обращение к необходимым видеофрагментам,
записанным на жесткий диск компьютера.
Преимущества цифровых нелинейных монтажных систем привели к их
повсеместному распространению. Уходит в прошлое подход, когда за 5 мин до
выхода программы в эфир нельзя было внести в программу какие-либо
изменения. Теперь это можно делать и не выходить за рамки расписания и
бюджета. Цифровой нелинейный монтаж повсеместно вытеснил аналоговый
нелинейный монтаж.
Системы аналогового нелинейного монтажа, представлявшие первое и
второе поколения монтажных систем и использовавшие видеоленту и
лазерные диски, уже к 1997 году вышли из употребления. В настоящее время
все производство переведено на цифровой нелинейный монтаж. Системы
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
283
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
цифрового нелинейного монтажа объединили не только кино, видео и звук, но
также и много других форм представления информации, которые ранее просто
не могли существовать в едином пространстве.
Цифровой нелинейный монтаж обладает следующими преимуществами:
I. Простор для творчества. Технологии становятся более прозрачными,
позволяя сосредоточиться на творческих задачах без необходимости вникать в
технические детали работы системы.
2. Возможность объединять представленную в разных формах
информацию. Система цифровою нелинейного монтажа позволяет
пользователю объединять в одну программу различные формы представления
информации независимо от того, состоит ли программа только из видео или
является комбинацией видео, кино, 35-миллиметровых слайдов и т. д.
3. Экономия времени и денег. Системы цифрового нелинейного монтажа
обеспечивают экономию времени, которая даст возможность применять
дополнительные спецэффекты или уменьшить стоимость проекта.
4. Подготовка для цифровой интеграции. По-видимому, вскоре все
будет цифровым, и вопрос обучения персонала цифровому манипулированию
медиаданными становится очень важным. Системы цифрового нелинейного
монтажа закладывают краеугольный камень процесса обучения.
Представление и настройка систем нелинейного монтажа в рабочей среде
определяют своего рода базу для цифровых механизмов доставки, которые
требуются для многочисленных каналов мсдиаданпых.
Системы цифрового нелинейного монтажа, используемые для монтажа
кино и видео, проходят тот же пуп. развития, который прошли системы
работы с текстами. Системы цифрового нелинейного монтажа,
предназначенные исключительно для выполнения монтажных задач,
применялись с 1988 по 1995 г. п работали с ними специально обученные
профессионалы в области кино- и видсомонтажа. Но в конце 1995 г. появились
менее сложные и менее дорогие, но достаточно мощные системы, на которых
могли работать люди, не получившие специального образования. Со временем
эти новые системы пройдут тот же путь, что и устройства для обработки
текстов: программное обеспечение достигнет уровня, когда аппаратные
средства перестанут играть решающую роль.
Крайне важно отметить, что это развитие идет очень быстро. Мощные
программы многослойного монтажа, позволяющие людям без особого
образования и опыта работать со слоями изображений, могут работать на
настольных компьютерах.
В зависимое ги от решаемых задач компьютерные системы обработки
могут иметь различную архитектуру построения. Наибольшее
распространение получила однопотоковая архитектура. В такой системе при
цифровой обработке реально задействуется один исходный видеоклип в виде
AVI-файла.
284
Цифровое телевидение/ В Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Для создания перехода между двумя клипами (А и В) при однопотоковой
архитектуре в оперативной памяти компьютера необходимо одновременно
содержать кадры как заканчивающегося клипа А, так и начинающегося клипа
В, последовательно загружая их с жесткого диска, декомпрессируя и
производя цифровую обработку результирующего клипа, затем осуществляя
обратную компрессию и запись на диск. Этот процесс в публикациях имеет
название рендеринг (rendering).
Очевидно, что скорость цифровой обработки существенно зависит от
быстродействия компьютера и используемой для обработки архитектуры плат
нелинейного монтажа.
Современные платы нелинейного монтажа, использующие однопотоковую
архитектуру, для операций компрессии и декомпрессии видео эффективно
задействуют установленные на них микросхемы, что, безусловно, ускоряет
рендеринг, однако не позволяют вести обработку в реальном времени.
В системах нелинейного монтажа, работающих в режиме реального
времени, используют двухпотоковую плату цифровой обработки видео. В
таких системах в процессе обработки осуществляется один цикл компрессии,
декомпрессии, а в однопотоковых системах этот цикл выполняется, по
крайней мере, дважды. Благодаря применению духпотоковой архитектуры
значительно сокращается время на обработку сигнала.
9.1.2 Аналоговые системы видеомонтажа первого и второго
поколений
Существует шесть поколений систем нелинейного монтажа. В этом
разделе описаны первые два поколения - системы на основе использования
видеоленты и лазерных дисков.
В начале 1970-х годов в производстве рекламы 35-мм кинопленка была
преобладающим носителем. Но мере развития видеомоитажа
видеомагнитофоны дешевели, и телепрограммы все чаще снимались и
монтировались на видеоленте.
В 1970 г. началась разработка электронных систем нелинейного монтажа.
При этом преследовались следующие цели:
- достижение быстрого произвольного доступа к мазер налу;
- непоследовательный монтаж;
- простота внесения изменений;
- получение на выходе рабочей копии.
Ленточные системы монтажа (первое поколение), а впоследствии и
дисковые системы (второе поколение) предполагали следующий порядок
работы:
- переносится исходный отснятый материал па идентичный либо иной
носитель;
- включается несколько устройств воспроизведения для достижения
нелинейности и произвольного доступа;
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
285
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
- осуществляется процесс видеомонтажа;
- составляется лист монтажных решений;
- формируется окончательная версия программы и осуществляется ее
вывод из системы.
В период с 1972 по 1984 г. разрабатываются системы монтажа,
работающие с видеолентой. Однако эти системы не обеспечивали
произвольного доступа. Процесс монтажа все еще оставался
последовательным, т.к. монтажер вынужден был перематывать ленту и ждать,
когда появится нужный фрагмент.
С 1984 по 1989 г. создаются более совершенные нелинейные электронные
системы монтажа. При монтаже появилась возможность склеивать и
переставлять планы в любое место последовательности, просматривать
видеоэффекты.
Первой была система Montage Picture Processor, созданная в 1984 г. Само
название системы говорит об аналогии с обработкой текстов, но только для
изображения и звука. В 1985 г. была создана система Ediflex, а в 1986 Г. -
система Touch Vision.
Ленточные системы выполняли нелинейный монтаж благодаря большому
числу видеомагнитофонов. Последовательность создавалась путем установки
каждого воспроизводящего устройства на необходимый фрагмент, после чего
планы воспроизводились в соответствии с предполагаемым порядком. При такой
работе ничего нельзя было привести к окончательному виду до тех пор, пока
монтажер не решал, как должны располагаться шины.
Каждая из таких систем использовала видеомагнитофоны формата VHS.
Сначала исходный материал копировался на соответствующие видеокассеты,
причем все видеокассеты имели идентичные номера и временной код. Некоторые
системы могли содержать до 27 видеомагнитофонов.
Поколение нелинейного видеомонтажа, ориентированного на видеоленту,
достигло своего расцвета в 1988 г., ио уже через 6 лет ни одна система первого
поколения не применялась.
В 1989 г. создана система видеомонтажа второго поколения Epix, которая
использовала в качестве носителя лазерные диски, а не магнитную ленту.
Благодаря использованию лазерных дисков система допускала произвольный
доступ, т. е. не надо было последовательно просматривать видеоленту. Теперь
время доступа к материалу значительно уменьшилось и составляло от 900 мс
до 2 с.
В системах первого поколения иа перемотку тратилось много времени, а
рекламные ролики с их большим количеством склеек требовали носителя с
очень малым временем доступа.
Лазерные диски позволили решить эту проблему. Как и в системах первого
поколения, один и тот же материал записывался на несколько дисков.
Существует два типа лазерных дисков: с постоянной угловой скоростью
(С4 V - Constant angular velocity) и с постоянной линейной скоростью (CLV -
286
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М; СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Constant linear velocity). Системы второго поколения работали с лазерными
дисками CAV, имевшими ограничение записи
30 мин на диск.
Между дисками CAV и CLV существуют серьезные отличия. Диск CAV
вращается со скоростью один оборот на видеокадр. Каждая дорожка состоит
из двух полей, формирующих один кадр. Постоянная скорость вращения 1800
об/мин диска СА V позволяла получать стабильные стоп-кадры.
В дисках CLV времени записи составляет 60 мин па одну сторону.
Внутренние дорожки диска вращаются со скоростью 1800 об/мин, но по мере
удаления от иешра диска частота вращения дорожек уменьшается до 600
об/мин на самой внешней дорожке. В результате диск CLV не обеспечивает
воспроизведения полного кадра за один оборот и поэтому не воспроизводит
стоп-кадров.
Для доступа к кадрам видеозаписи на диске применяются коды Discovision
Associates (DVА). Они представляют собой в некотором роде версию
временного кода видеоленты и описывают доступ к диску. Когда делается
запрос на доступ к кадру, луч лазера должен перейти из одной позиции в
другую и начать отображать запрошенный кадр. Время перехода называегся
временем доступа.
В системах нелинейного монтажа второго поколения при использовании
дисков наблюдались скачки, возникающие в результате того, что диск из-за
влажности покрывается тонким слоем воды. Этот слой нарушал фокусировку
луча лазера, мешая воспроизведению.
В системах второго поколения продолжалась разработка набора
инструментов для предварительной визуализации. Наплывы и шторки и ранее
были доступны, но диски СА V теперь позволили монтажерам создавать целый
ряд эффектов движения, таких как ускоренное и замедленное
воспроизведение, стоп-кадры и обратное воспроизведение (которое в кино
называет ся обратной печатью - reverse printing).
В системы второго поколения была добавлена еще одна новая функция -
титрование: текстовые символы выводились на фоне изображения в качестве
титров. Каждое новое поколение систем нелипейпого монтажа предоставляло
дополнительные средства и возможности для предварительного просмотра
программ до вывода их из системы.
Системы второго поколения широко применялись в период J 984-1992 гг.
Начиная с 1994 г. уже трудно было найти эти системы в аппаратных монтажа,
т.к. были созданы новые инструменты, а пользовательские интерфейсы
переопределены. Они принесли с собой цвет, пиктофаммы, а также
предоставили пользователям удобные средства видеомонтажа.
Системы первого поколения в основном использовались для производства
больших программ, а системы второго предназначались, прежде всего, для
коротких программ, таких как реклама. Благодаря быстрому и произвольному
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
287
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
доступу лазерные диски справлялись с большим числом склеек, например, в
рекламе, но сами дисковые системы имели низкую пропускную способность.
Если нужно • было делать переходы между двумя синхронизованными
источниками звука, как в случае с двумя разговаривающими людьми,
требовалось четыре диска и четыре воспроизводящих устройства: два диска
для перехода по видео и два диска для перехода по звуку.
Нелинейные системы второго поколения были аналоговыми, но они
удовлетворяли требованиям, которые предъявлялись к электронным
нелинейным монтажным системам произвольного доступа. Принципы их
работы, интерфейсы и средства, которые они предлагали, обеспечивали
высокий уровень функциональности. Системы второго поколения
использовались для чернового монтажа. Со временем эти системы начали
применяться в производстве больших протрамм, таких как телешоу,
документальные и художественные фильмы.
В настоящее время лазерные диски в основном используются для создания
презентаций и для архивирования, включая показы музейных экспозиций и
интерактивные обучающие программы. Они также удобны для домашнего
просмотра (хотя их уже вытесняют цифровые видеодиски DVD, популярность
которых постоянно растет).
Несмотря на периодически возникающие с лазерными дисками проблемы,
возможность выполнения нелинейного монтажа и создание оптических
эффектов обусловили продолжительное применение этих систем. Цифровым
системам третьего поколения пришлось пройти практически тот же путь
модернизации монтажных средств, какой прошли системы первого и второго
поколений.
9.1.3 Цифровые системы видеомонтажа третьего и четвертого
поколений
Третье поколение электронных нелинейных систем представляет собой
цифровые системы вндсомонтажа. В этих системах аналоговые сигналы
преобразуются в цифровые, которые затем сохраняются на компьютерных
дисках. Преобразование аналогового сигнала в цифровой называется
оцифровкой. Процесс уменьшения обьема данных, представляющих исходную
информацию, называется компрессией (compression). Компрессия применяется
часто, хотя и не всегда, потому что количество информации в видео обычно
превышает возможности храпения.
Системы цифрового нелинейного монтажа DNLE (Digital Nonlinear
Editing Systems) стали появляться в 1988 г. и развивались параллельно с
системами первого и второго поколения. В 1991 г. системы первого поколения
уступили место па рынке системам второго поколения, а в 1994 г. на смену им
пришли цифровые системы третьего поколения. С 1995 г. системы первого и
второго поколений практически вышли из употребления.
288
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Интересно проследить, как росло число производителей систем каждого
поколения. Системы первого и второго поколения создавались всего тремя
фирмами. За 4 года (с 1988 по 1992 г.) различными фирмами-производителями
было создано более 15 систем цифрового нелинейного монтажа. За время
своего бурного развития с 1991 по 1997 год системы третьего поколения
полностью вытеснили своих предшественников. Цифровые системы
утвердились на рынке и предлагали удивительные возможности, хотя и не
были первопроходцами.
DJVlf-системы меняют природу хранения материала и доступа к нему,
поскольку сигналы уже нс аналоговые, а цифровые. В этом заключается
принципиальное отличие систем третьего поколения. Цифровые системы
монтажа представляют собой уникальное сочетание компьютера и
усовершенствованных цифровых сопроцессоров на компьютерных
интерфейсах.
Что получают пользователи от систем цифрового нелинейного монтажа,
цифрового манипулирования и цифровых данных? Очевидно, что цифровые
методы обеспечивают гораздо больше возможностей обработки сигнала,
уменьшение потерь (по сравнению с аналоговым сигналом) благодаря
функциям восстановления, и, что самое важное, существует ряд программных
продуктов, работу которых не могут выполнить никакие специальные
переходные устройства. Хотя на этапе компрессии качество исходного
материала снижается, система обеспечивает много уровней разрешения для
изображений, которых более чем достаточно для создания монтажных
решений.
Системы цифрового нелинейного монтажа часто называют «текстовыми
процессорами для изображения и звука». Операции перемещения, улучшения
и перестановки являются основой монтажа изображения и звука, что
аналогично редактированию текста. Поэтому вполне лошчным шагом было
применение этой концепции в программном обеспечении для систем
цифрового нелинейного монтажа.
Поскольку в этих системах аналоговый сигнал преобразован в цифровой,
можно получить доступ к материалу примерно за 6 мс или, в самом худшем
случае, за 13 мс. Очевидно, что эти значения существенно меньше, чем при
перематывании видеоленты и при использовании лазерных дисков (~ 900 мс).
Еще одна новая возможность цифровой системы - включение в программу
только что поступившего «горящего» материала. И в ленточных, и в дисковых
системах для этого надо было перезаписать новый материал, прежде чем его
можно было монтировать. При работе с цифровыми системами материал
переносился в реальном времени, после чего можно было начинать монтаж.
Достоинство цифровых систем состоит в том, что исходный материал
можно использовать многократно. Видеолента гоже даст такую возможность,
но постоянная перемотка и поиск нужного материала существенно снижают
Цифровое телевидение/ B.JI. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
289
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
долговечность ленты. А при использовании однократно записываемых дисков
вообще не было речи о дополнительной записи. Перезаписываемые диски
позволяли производить повторную запись, но высокая стоимость носителей и
устройств записи ограничивала их применение.
Системы цифрового нелинейного монтажа имеют огромное преимущество
- магнитные и оптические медиадиски являются перезаписываемыми и очень
надежными устройствами. Обычный минимальный ресурс магнитных дисков
составляет около 40 тысяч часов работы. Ресурс оптических дисков составляет
около одного миллиона циклов перезаписи.
Вывод непосредственно с диска оказывается важным и предпочтительным
по двум причинам. Первая касается творчества. Системы третьего поколения
цифрового нелинейного монтажа, особенно в первые пять лет (1988-1993)
работали с цротраммным обеспечением, которое в основном предназначалось
для чернового монтажа, который являлся промежуточным этапом в
технологии видеомонтажа. Изображение подвергалось сильной компрессии,
качество его воспроизведения приводило к необходимости перехода к
традиционному линейному чистовому этапу монтажа. Несмотря на
прогрессивное сочетание нелинейных и линейных методов, в целом
технология видеомоптажа оставалась трудоемкой.
В 1994 г. ситуация начала меняться: системы цифрового нелинейного
монтажа стали более мощными и появилась возможность получать
приемлемое качество изображения для смонтированных программ.
Разработаны системы четвертого поколения, в которых применен вывод
непосредственно с диска.
В этот период технология видеопроизводства значительно упрощается
благодаря совершенствованию методов оцифровки и компрессии и
исключению этапа линейного чистового монтажа.
9.1.4 Персональные системы видеомонтажа пятого поколения
В 1990-х it. достаточно мощные персональные компьютеры стали
повседневной реальностью. В конце 1997 г. появились процессоры с тактовой
частотой в диапазоне 500 МГц - 1 ГГц, которые были созданы для
персональных систем видеомоптажа на платформах Apple и Windows NT.
Такие компьютеры стоили несколько тысяч долларов. В дальнейшем
быстродействие компьютера возрастало, а цены снижались. Это послужило
толчком к стремительному распространению персональных /МУЛЯ-систем
пятого поколения.
Персональные /WZ./1-системы можно определить как системы, состоящие
из персонального компьютера, возможно, нескольких дополнительных плат,
программного обеспечения, локальных или распределенных устройств
хранения. Виды работ, которые могут быть выполнены на таких системах,
всего несколько лет назад могли выполняться только на суперкомпьютерах.
290
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М; СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Объединение компьютеров в кластеры, многопроцессорность и
многопотоковость, независимость от разрешения - все это сыграло важную
роль в распространений персональных монтажных систем. Причиной
начавшегося в середине 1990-х гг. быстрого развития персональных систем
видеомонтажа были именно эти технологические достижения. Существует
много разных типов приложений высокого уровня, которые работают на
персональных системах. Среди них есть приложения для следующих задач:
обработка изображений, многослойный монтаж, титрование, трехмерная
анимация.
Для решения этих задач прежде требовались специализированные
компьютеры, каждый из которых выполнял конкретную функцию: титрование,
обработку изображений и трехмерные эффекты. Однако, как стало теперь
очевидно, возможности процессоров обработки изображений и программное
обеспечение развиваются настолько быстро, что специализированные системы
начинают терять свое основное преимущество - возможность работы в
реальном времени без предварительного просчета.
Недорогие персональные системы часто не уступают специализированным
системам по качеству или производительности. Теоретически все можно
сделать программным способом. Сравните это с возможностями
специализированных систем, которые сильно зависят от базовых аппаратных
средств. Персональные ZMVtf-системы не имеют пределов развития благодаря
возможности постоянного изменения программного обеспечения,
управляющего этими сис темами.
Цифровые видеоформаты
С середины 1997 г. потребителю стали поставляться прямо от
производителя процессоры не только со встроенными возможностями
оциф]ювки видео и звука, но и с мощным программным обеспечением для
монтажа того и другого. Возникла необходимость в видеокамере, которая
могла бы подключаться непосредственно к компьютеру для передачи в него
видео и звука. С разработкой и представлением различных цифровых
видеоформатов DV (Digital Video) активность пользователей персональных
DNLE-спсгем возросла.
Цифровая видеокамера (DV-камера) записывает информацию путем
приема светового потока на объектив, связанный с тремя микросхемами: по
одной микросхеме на красную, зеленую и синюю составляющие света. Эти
сигналы затем преобразуются в электрические сигналы с помощью прибора с
зарядовой связью (ПЗС). Одной из характеристик /Ж-камсры является то, что
ее сигналы сохраняются на цифровой видеокассете (РИ-кассете - Digital Video
cassette) с шириной ленты
6,35 мм. РК-касссты обеспечивают время записи не менее одного-двух часов.
Для уменьшения потока данных цифровой видеосигнал кодируется, что
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
291
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
уменьшает скорость примерно наполовину (до 15 Мбайт/с). Кроме того,
используется аппаратная внутрикадровая компрессия. Степень компрессии
5:1 уменьшает поток данных примерно до 3 Мбайт/с.
Несмотря на малые размеры ленты. цифровая видеокамера обеспечивает
высококачественный многоканальный звук. Можно записать два звуковых
канала в оцифровке 44,1 или 48 кГц. Если пользователь хочет получить
больше звуковых каналов, цифровой видеоформат позволяет снизить частоту
дискретизации до 32 кГц и записать четыре канала.
Когда потоки DК-видео и РГ-звука объединяются, полное значение
скорости составляет примерно 5,1 Мбайт/с или 25 Мбит/с, что упрощает
внедрение цифрового видеоформата в производство профамм и в область
персонального использования цифрового видео. При 5,1 Мбайг/с для
сохранения 30 мин видео в формате РИ требуется 9 Гбайт дискового
пространства. Если же мы применяем настольную монтажную систему, в
которой возможна дальнейшая компрессия сигнала, то на диск об|>емом 1
Гбайт можно записать примерно один час видео и звука.
Одна из характеристик монтажа исходного видео и звуковых файлов
формата PF- отсутствие этапа оцифровки. Если мы записываем видео и звук
с помощью РИ-камеры, материал уже по существу является оцифрованным.
Если мы используем PF-орнентировппную систему |щфрового нелинейного
монтажа, то цифровые файлы, содержащиеся на цифровой видеокассете, могут
быть сразу перенесены в персональную РАДЕ-систему, после чего можно
начинать монтаж.
Важно, что перелое PF-файлов с кассеты на диски РАЕЕ-снстемы не
обязательно выполнять в реальном времени. При определенных условиях
такой перенос можно осуществить со скоростью в 4 раза большей, чем в
реальном времени, поскольку этот* процесс аналогичен перезаписи
компьютерных файлов, а нс оцифровке в реальном времени изображения и
звука.
Интерфейс FireWire, известный как IEEE 1394 (Institute of Electrical and
Electronics Engineers), был разработан фирмой Apple Computer и служит
стандартным методом передачи данных между различным оборудованием
профессионального и полупрофессиональною класса.
В первоначальном воплощении FireWire обеспечивал передачу данных со
скоростью 100-400 Мбит/с. Теперь этот стандарт позволяет передавать данные
со скоростью свыше 2 Гбит/с. Кроме того, можно одновременно использовать
несколько контроллеров FireWire для увеличения скорости пе]>едачи данных.
Стандарт FireWire обеспечивает поддержку 63 устройств на одном порте.
Несколько портов FireWire Mojyr работать параллельно. FireWire работает,
используя самоииициализацию устройства, которое подключается к порту.
292
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Для персональных DNLE-систем интерфейс FireWire просто незаменим,
потому что он позволяет соединять друг с другом различные устройства и
управлять ими с помощью компьютера.
Это стало особенно важно при проникновении систем цифрового
нелинейного монтажа на бытовой рынок. Например, ло мере расширения
использования компактных цифровых видеокамер /МДС-системы будут
применяться в домашних условиях все чаще. Портативные цифровые
видеокамеры обеспечивают изображение прекрасного качества и разрешение
500 линий при очень большом отношении сигнал/шум. В результате бытовые
видеокамеры по качеству не уступают профессиональным вещательным
устройствам lietacam.
Большинство персональных компьютеров в начале 1990-х гг. поставлялось
уже со встроенными аналоговыми портами ввода/вывода видео для оцифровки
видеосигналов и звука. Однако с появлением Fire Wire перенос
видеосигналов и звука с видеокамеры в персональный компьютер в цифровом
виде с тал более простым.
Более того, в настоящее время производители компьютеров объединились
с производителями систем видеомонтажа и поставляют компьютеры с уже
установленными персональными />Л/££-систсмамн. В результате сотни тысяч
потребителей могут легко подключать камеру к компьютеру, используя
простое и понятное программное обеспечение для цифрового нелинейного
монтажа.
11а рынке профессиональных систем нелинейного монтажа появились
персональные 7Ж££-системы различных фирм-производителей, позволяющие
осуществлять компьютерный мотаж видеоматериала в реальном времени.
Такой монтаж включает классические склейки и вставки, а также
микширование сцен с использованием как двумерных (2D), так и трехмерных
(3D) переходов. Американская фирма Pinnacle Systems играет ведущую роль в
различных сегментах рынка систем нелинейного монтажа.
В области профессиональных систем нелинейного монтажа реального
времени Pinnacle занимает исключительно активную позицию. О серьезности
намерений фирмы Pinnacle говори т нс только выпуск собственной системы
ReelTinte NITRO, которая получила известное ль, как на западном, так и на
отечественном рынке, но и недавнее приобретение фирмы Truevision, не
нуждающейся в дополнительных рекомендациях в среде видео
профессионалов.
Рассмотрим систему ReelTime NITRO более подробно. Она включает в
себя две платы: ReelTime и Genie RT, внешний коммутационный блок и
программное обеспечение, работающее в Windows NT 4.0. Плата ReelTime
поставляется в качестве самостоятельного устройства и обеспечивает
возможность монтажа без просчета с использованием около 400 двумерных
переходов в протрамме Adobe Premiere 5.1 RT. Входящее в комплект
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
293
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
программное обеспечения SpiceRack фирмы Pixelan Software содержит такие
впечатляющие типы эффектов, как туман, пузырьки, амебы, капли, пыль,
пламя и т.д. В реальном времени выполняются также замещение по уровню
яркости (luminance key), замещение по цвету (chroma key), альфа-канал,
отвечающий за степень прозрачности, и две его разновидности: White Alpha
Matte и Biack Alpha Matte. Одновременно можно воспроизвести два слоя
видео, двумерный переход, два звуковых стерео канала, один из эффектов
замещения или прозрачности, а также статические титры или слой графики.
Что касается микширования звука, то одновременно проигрываются шесть
аудио дорожек, каждая со своим управлением по уровню громкости.
Оцифровка звука происходит в стандарте РСМ 16 бит, 44 / 48 КГц без
компрессии. Встроенная аппаратная синхронизация аудио и видео позволяет
оцифровывать материал в течение многих часов с последующим монтажом без
потери синхронизации. ReelTime имеет аппаратный видео оверлей для
предварительного просмотра видео на дисплее компьютера одновременно с
просмотром на телевизионном мониторе. Оверлейное окно поддерживается в
режимах до 1280x1024,16,7 млн цветов.
Среди плат нелинейного монтажа, фирмы Pinnacle отдельного
рассмотрения заслуживает более доступная по цене, но удовлетворяющая
жестким требованиям профессионалов видео производства, плата miroVideo
DC50, которая стала успешным продолжением серии плат miroVideo. Она не
позволяет осуществлять цифровой монтаж в реальном времени, однако
существенно ускоряет просче т сцен за счет использования аппаратного кодека.
В последнее время благодаря высокому качеству и доступности по цене
большую популярность среди широкого круга пользователей персональных
DNLE-систем получили платы видео монтажа фирмы Pinnacle Studio AWDV.
9.1.5 Перспективные системы видеомонтажа
Шестое перспективное поколение 7>Л££’-снстем включает в себя
реализацию ряда различных технологий, которые при объединении создают
интегрированную систему управления цифровыми медиаданными (DMM -
digital media management).
При объединении и тесной интеграции в систему нелинейного монтажа
DMM становится завершенной системой для создания данных, управления
ими и обработки. Эти файлы данных, вне зависимости от того, чем они
являются на самом деле (кино, видео, звуком или компьютерными
изображениями), обрабатываются, как файлы данных. Таким образом, система
DMM как интегрированная концепция становится скорее системой управления
цифровыми сигналами, чем просто системой нелинейного монтажа.
Управление данными связано с программным обеспечением, которое
помогает пользователю в создании базы данных источников, или активов
(asset). Активы ~ это любые элементы, которые необходимы нам для создания
294
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
видеопродукции. Такими элементами могут быть сценарии, съемочный
материал, звук и т.д. Компонент управления активами системы DMM
позволяет нам систематизировать ресурсы.
Когда наши активы загружены в систему нелинейного монтажа, каждый из
них идентифицируется некоторой дополнительной информацией. Эти
дополнительные данные, такие, как тип файла актива, дата его создания,
история обработки и т. д., называются атрибутами актива.
Интегрированное управление цифровыми медиаданными предоставляет
существенные возможности развития параллельной работы и сотрудничества в
глобальном масштабе. Благодаря высокоскоростным каналам связи, имеется
возможность просмотреть различные клипы, предоставляемые библиотечными
ресурсами.
В зависимости от уровня совместимости, реализованного поставщиком
библиотечных услуг, можно загрузить найденные клипы в виде файла того
типа, который требуется для системы цифрового нелинейного монтажа.
Вероятно, наиболее удобным является то, что выполняются все эти действия,
не выходя из аппаратной монтажа.
9.2 Технологии цифрового нелинейного монтажа
9.2.1 Основные понятия цифрового нелинейного монтажа
В программном обеспечении для цифрового нелинейного монтажа можно
выделить четыре основных понятия. Одни из них описывают уже привычные,
испытанные и проверенные процессы видеомонтажа, а другие приняты при
работе с системами цифрового нелинейного монтажа. К ним относятся: клип
(clip), переход (transition), последовательность (sequence) и временная шкала
(timeline). Разные производители могут называть эти понятия по-разному, но
их легко обнаружить в каждой системе.
Клип
Концепция клипа универсальна в кино- и видеомонтаже. Когда
киномонтажер монтирует кинофильм, компонуемые друг с другом отрезки
кинопленки располагаются в определенном порядке. Клип в видеомонтаже
представляет собой модель скомпонованных отрезков пленки, с которыми
работает киномоитажер.
Переход
Временной код, соответствующий месту стыковки двух клипов,
определяет понятие перехода, которое входит в набор цифровых нелинейных
инструментов.
Монтаж иа видеоленте означает прибавление или вычитание значений
временного кода, определяющего переход между двумя клипами. Монтажные
средства РЖЯ-систем позволяют находить нужный клип по временному
коду.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
295
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Последовательность
В работе . с видео образуется последовательность переходов,
объединяющих различные клипы в сцены.
Временная шкала
Временная шкала системы цифрового нелинейною монтажа позволяет
отобразить всю программу целиком или какие-то отдельные ее части.
Функции временной шкалы аналогичны функциям киносинхронизатора:
манипулирование изображением и звуком и обеспечение их синхронизации.
В большинстве />МЕ-систем монитор компьютера разделен иа две
секции. В одной из них показываются изображения, а в другой отображается
временная шкала, на которой монтажер может визуально контролировать
положение клипа или перехода, а также манипулировать пространством,
которое занимают клипы, либо воздействовать на тип перехода, изменяя
профиль временной шкалы для конкретной части программы.
Временная шкапа - новый инструмент и для видеомонтажеров. Если
концепция клипов связана с киномонтажом, а видеомонтаж основан на
переходах, в 2)М,Е-системах эти две концепции были объединены с помощью
временной шкалы и созданы монтажные инструменты для одновременной
работы как с клипами, так и с переходами.
9.2.2 Оцифровка и сохранение материала
Рассмотрим более подробно, как выполняется монтаж в системе цифрового
нелинейного монтажа. Исходный материал должен быть перенесен на диски
компьютера DNLE-сисгемы. Это первый шаг. Чтобы создать лист монтажных
решений, нужно получить материал для оцифровки от источника,
обеспечивающего временной код SMPTE, поскольку нельзя созда ть этот лист
для материала, который не имеет никакого идентификационного временного
кода.
Процесс преобразования аналоговых видеосигналов и звука в цифровые
сигналы и передача этих сигналов ла компьютерный диск обычно происходят
в реальном времени. Как только огенятый материал попал на компьютерный
диск, он становится быстро доступным н может обрабатываться.
Киномоптажер не имеет возможности просто указать на рулон кинопленки
и перейти к конкретному месту на ней. а в Ь/У££-системах можно практически
сразу перейти к нужному фрагменту и требуемому кадру и показать их на
экране. Затем монтажер может принять решение о выборе той или иной части
материала.
Теряется ли информация прн преобразовании сигналов из аналоговой
формы в цифровую? Ставя этот вопрос, необходимо помнить, что даже один
видеокадр занимает значительное пространство па диске компьютера.
296
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Проблема хранения информации решается путем компрессии входных
видеосигналов. Это означает, конечно, что приходится жертвовать исходным
качеством изображения;' схемы такой компрессии названы компрессией с
потерями (lossy), поскольку некоторая часть данных исходного изображения
необратимо теряется. Нередко возможность вывода непосредственно с диска
для системы цифрового нелинейного монтажа определяется именно степенью
компрессии изображения.
Чтобы загрузить материал в РЛ'АЕ-систему, нужно воспроизвести
видеоленту, а систему перевести в режим оцифровки. Число каналов звука,
которые могут быть оцифрованы, обычно находится в пределах от двух до
восьми. Сигналы обрабатываются процессором плат ввода-вывода, а
получаемые в результате обработки цифровые данные сохраняются на диске
компьютера.
Видеомагнитофоны управляются либо дистанционно, либо вручную.
ДЛ££-снстемы практически всегда могут работать с временными кодами с
полным и неполным числом кадров.
Важно отметить, что понятие «нормальное воспроизведение» в разных
странах имеет различное содержание. Для стран, избравших стандарт NTSC
(National Television Standards Cotnmitec), движущееся видео обычно
воспроизводится при скорости 29,97 кадр/с (не 30 кадр/с) с разверткой 525
строк и частотой 60 Гц. NTSC используется в США, Японии и Канаде.
В стандарте PAL (phase alternate line) нормальная скорость
воспроизведения равна 25 кадр/с с разверткой 625 строк и частотой
50 Гц. PAL является основным европейским стандартом.
В стандарте SECAM (sequential contour a memoire), как и в PAL,
нормальная скорость воспроизведения равна 25 кадр/с и такие же параметры
развертки. В действительности есть две формы SECAM, которые применяются
во Франции и в Восточной Европе.
Единственным стандартом для воспроизведения 35-мм кинопленки
является скорость 24 кадр/с. Такая кинопленка может быть смонтирована,
перевезена н воспроизведена в любой точке мира.
Большинство систем цифрового нелинейного монтажа после небольшой
настройки могут работать и в с тандарте NTSC, и в стандарте PAL. Однако не
все системы могут обеспечить воспроизведение со скоростью 24 кадр/с.
В кино каждый кадр представляет собой картинку, и серия этих картинок
при быстром проецировании на экран создает иллюзию движения. В видео
каждый кадр состоит из двух информационных полей.
Дня отображения каждого пикселя телевизионного сигнала существует
развертка. Сначала огобргикаются все нечетные строки, затем - все четные.
Эта последовательность строк затем объединяется, и получается полное
изображение. Эти нечетные и четные строки называются полями (fields). При
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
297
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
сложении двух полей получается видеокадр. Для видео могут быть две
скорости воспроизведения: 29,97 кадр/с (60 полей) и 25 кадр/с (50 полей).
Ранние версии DNLE-систем не обеспечивали полнокадрового
воспроизведения. Например, если выбрать определенное качество
изображения и некоторое число каналов звука, а также архитектуру системы и
дисковой подсистемы, то воспроизведение со скоростью 30 кадр/с может
оказаться невозможным. С 1991 по 1998 г. некоторые DNJLE-системы могли
воспроизводить со скоростью только 10 или 15 кадр/с. При этом, если
скорость составляла 10 кадр/с, осуществлялся повтор каждого третьего кадра,
чтобы получить эквивалентную скорость 30 кадр/с, а если скорость составляла
15 кадр/с, то повторялся каждый второй кадр.
Поскольку требования к каждому кадру изображения и звуку повышаются,
очень важно определить, может ли система и дальше обеспечивать
воспроизведение с нормальной скоростью. Кроме того, на возможность
создания системы, способной воспроизводить видео и звук с высоким
качеством, оказывает влияние стоимость такой системы. Разброс цен на такие
системы зависит от двух основных факторов: качества изображения и
количества изображений, которое можно воспроизвести за 1 с.
Системы цифрового нелинейного монтажа, которые обеспечивали
скорость воспроизведения кинопленки 24 кадр/с. начали появляться в 1992 г.
Загрузка отснятого материала в DNLE-систему является непрерывным
процессом оцифровки, компрессии и записи на диск. Для этого процесса
значение имеет выбор типа компьютерных дисков, поскольку не все типы
дисков могут обеспечивать хорошее качество изображения и звука. Обычно
высокое качество изображения и звука достигается с магнитными, а не с
оптическими дисками.
В цифровых системах может быть не один, а несколько дисков. Чем
больше число дисков, тем больше можно загрузить отснятого материала в
данном разрешении.
Персональные /ЭЛХ/Г-системы обычно работают со степенями компрессии
в диапазоне от 150:1 до 2:1, а также могут работать с некомпресснрованным
видео. Чем меньше степень компрессии, тем выше качество изображения.
Степень 2:1 обеспечивает хорошее качество, которое многое пользователи
считают достаточным для создания и распространения большинства программ.
Конечно, некоторые пользователи систем цифрового нелинейного монтажа
считают, что и степень 5:1 является приемлемой. В общем случае компрессия
со степенью 2:1 считается достаточной для большинства задач. Формат Digital
Betacam получил широкое распространение при подготовке программ и
вещания; в нем применялась невысокая степень компрессии 1,77:1.
Для обеспечения компрессии без потерь в 2>Л££-системах иногда
используют АЛС-кодирование (run-length encoding). Данная технология
позволяет сжать файл без потери информации. Если файл изображения имеет
298
Цифровое телевидение/ BJ1. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
размер 100 Мбайт, то его размер можно уменьшить, применяя технологию
компрессии без потерь. После декомпрессии размер файла опять станет
равным 100 Мбайт, ‘а отсутствие потерь гарантирует восстановление
исходного изображения. Необходимо отметить, что при Л£Ё-кодировании
степень компрессии очень низкая.
9.2.3 Обработка в реальном времени
Выполнение в реальном времени переходов и эффектов традиционно
предполагает работу в аппаратной чистового монтажа. Для воспроизведения и
записи применяются видеомагнитофоны и цифровые дисковые магнитофоны,
а для смешивания сигналов от разных источников используется коммутатор
(видеомикшер).
Обработка в реальном времени (real-time processing) предполагает
возможность видеть ход выполнения определенных операций без ожидания.
Рассмотрим случай аппаратной чистового монтажа с четырьмя
видеомагнитофонами. Мы используем три аппарата для воспроизведения
исходного материала, а четвертый аппарат работает в режиме записи. Если мы
хотим выполнить наложение сигналов от трех источников с различными
уровнями яркости, каждый из исходных сигналов пропускается через
коммутатор, где с помощью отдельных регуляторов определяется уровень
каждого сигнала при их наложении друг на друга. До тех пор пока хватает шин
микширования коммутатора, можно выполнять эффекты в реальном времени.
Во время работы четырех аппаратов видео со всех трех источников
смешивается, создавая эффект, который можно сразу просмотреть, настроить и
записать па четвертый аппарат.
При работе на JWYZJs-снстеме такой эффект' можно выполнить в реальном
времени, а может потребоваться и предварительный просчет (rentier), прежде
чем эффект станет доступен для просмотра.
Первые системы цифрового нелинейного монтажа не имели возможностей
работы в реальном времени. Если пользователь хотел увидеть наплыв, то
эффект сначала должен был быть просчитан, а уж затем его можно было
посмотреть.
Возможности реального времени РМ.Е-систем делятся на две категории:
1. Эффекты наложения (convolving), когда пиксели из разных
клипов смешиваются вместе определенным способом, например, наплывом
или наложением.
2. Эффекты манипулирования пикселями (pixel manipulation), при
которых пиксели из разных клипов перемещаются в течение некоторого
времени, например шторки и цифровые видеоэффекты.
Для выполнения эффектов наложения два видеопотока (video stream)
должны быть смешаны в реальном времени. Файлы, представляющие два
изображения, между которыми должен быть выполнен наплыв, считываются с
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
299
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
диска, и каждый файл в виде потока поступает на плату компьютерной
обработки.
После поступления на плату каждый поток декомпрессируется из своего
специфического закодированного состояния (в котором файлы были
сохранены на диске компьютера) и подается на микросхему смешения, где
происходит смешение пикселей из каждого потока. Под «специфическим
закодированным состоянием» подразумевается, что методы хранения
информации на диске могут отличаться от методов оцифровки видео.
Например, видео оцифровывается и сохраняется па диске в формате У1/К
Если подсистема эффектов (в данном случае процедуры, смешивающие
потоки) работает в формате RGB, понадобится преобразование из YVV в RGB.
В случае с наплывом пиксели из потока А перестают отображаться с
течением времени, тогда как пиксели из потока В, наоборот', становятся все
виднее. Естественно, в течение некоторого времени видны пиксели из обоих
потоков. Это время называется временем наплыва.
В приведенном выше примере при создании наплыва в реальном времени
участвуют два потока: источник, с которого делается наплыв, и источник, па
который делается наплыв. Системы цифрового нелинейного монтажа в
отличие от аппаратных чистового линейного монтажа ограничивают число
потоков, обрабатываемых в реальном времени. В аппаратной чистового
монтажа, если мы хотим объединить путем наложения семь различных
изображений, мы ограничены только числом находящихся в аппаратной
воспроизводящих устройств. Если у нас есть 7 видеомагнитофонов, то мы
достигнем своей цели.
9.2.4 Цифровые видеоэффекты в реальном времени
Конечно, трехмерные (3D) цифровые видеоэффекты в реальном времени
чаще всего выполняются в аппаратных чистового монтажа. До 1993 г. эти
видеоэффекты на /WZTi-спсгемах были невозможны, но двумерные (2D)
цифровые эффекты в реальном времени выполнялись. Двумерные эффекты
отличаются от трехмерных тем, что не позволяют выполнять перспективные
преобразования.
В 1995 г. появилась возможность выполнения трехмерных эффектов. Это
стало для ZMVLE-систем настоящим шагом вперед. Существенное отличие
между двумерным и трехмерным преобразованиями состоит в способе их
интеграции в систему. Для двумерных преобразований производители DNLE-
систем сочли, что проще всего преобразующие микросхемы интегрировать в
плату обработки для последующего использования в системе цифрового
нелинейного монтажа.
Для систем с трехмерными преобразованиями большая работа была
проделана самими производителями. Распространенными системами были
300
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Grass Valley Kaleidoscope, Abecas DVEoiis и Pinnacle Mercedes. Хотя
процессор трехмерной обработки можно создавать отдельно, производители
РЛХЕ-систем стояли перед выбором: самим делать такие сложные системы
или использовать продукцию сторонних производителей. Более приемлемым
оказалось второе решение. Так в системе возможно подключение внешнего
устройства трехмерных эффектов. После выполнения трехмерного
преобразования потоки выходят из этого устройства и возвращаются во
встроенную плату обработки, где они подаются на плату смешения.
9.2.5 Цифровые видеоэффекты с просчетом
Когда требуется эффект, который не может быть выполнен в реальном
времени, часть эффекта, либо весь эффект должен быть предварительно
просчитан, и только после этого он станет доступен для просмотра в реальном
времени. Отметим, что некоторые ОЛХЕ'-системы не требуют
предварительного просчета эффекта, если требуется только его просмотреть,
но не воспроизводить. Это очень удобно при создании сложных многослойных
эффек тов, когда можно просматривать эффект в покадровом режиме. Такая
возможность очень полезна на стадии разработки эффекта, особенно если он
достаточно сложен и требует длительного просчета.
Однако этот эффект нельзя просмотреть в реальном времени: мы не можем
просто назначить эффект, нажать клавишу воспроизведения и увидеть все
кадры конкретного клипа, подвергаемые изменению.
В действительности, если нужно изменить состояние исходных пикселей для
создания нового изображении, это можно сделать либо с помощью аппарат ных
средств, либо исключительно программными методами.
В общем случае, если выполнение эффекта требует- аппаратной поддержки, т.е.
если он выполняется отдельной компьютерной платой, работающей совместно
с программным обеспечением, то этот эффект либо можно просмотреть в
реальном времени, либо его просчет выполняется быстрее.
Существуют три фактора, влияющих на время просчета:
I. 7'ип эффекта преобразования, т. е. способ воздействия на пиксели
изображения, определяет время, необходимое для просчета эффекта. В общем
случае функции наложения, когда пиксели смешиваются друг с другом и
видоизменяются определенным способом, отнимают гораздо меньше времени
для п|>осчета, чем те функции, которые требуют перемещения пикселей из
одного положетщя в другое.
2. Размер изображения. Чем меньше изображение, тем меньше число
пикселей, из которых оно состоит, и тем быстрее эффект будет просчитан.
3. Скорость просчета зависит от главного процессора. Если в
компьютере нет штаты ускорения просчета, то всю задачу решает процессор.
Скорость работы процессора изменяется в мегагерцах (МГц). Просчет
выполняется путем считывания с диска одного кадра или серии кадров.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
301
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
перенесения их в место временного хранения, применения к этим кадрам
желаемого эффекта и записи новых кадров обратно на диск. Если процесс
просчета зависит от процессора и не имеет аппаратной поддержки, кадры
будут сохранены в памяти с произвольным доступом RAM (random access
memory), где и выполняется преобразование. Если же имеется аппаратная
поддержка, кадры будут сохранены в памяти платы обработки, а затем
преобразованы соответствующим образом. Кроме того, некоторые эффекты
могут претерпеть аппаратное кодирование при поступлении на плату. Это
означает, что определенное преобразование и набор инструкций, с помощью
которых создается эффект, будут закодированы прямо в микросхеме
(микросхемах), находящейся на плате. Это можно воспринимать, как аналогию
отдельному устройству трехмерных цифровых видеоэффектов,
функциональность которого определяется аппаратными средствами.
Различные типы просчета
Разрушающий и неразрушаюгиий просчет
Процесс просчета может быть разрушающим и нсразрушаютцим. При
разрушающем процессе алгоритм преобразования применяется к исходному
кадру, поэтому после выполнения просчета эффекта на диске сохраняется
новый кадр, а исходный кадр уничтожается. При неразрушающем процессе в
памяти компьютера создастся копия кадра, с которой выполняются все
преобразования, т.е. исходный кадр остается неизменным. Для выполнения
неразрушающего просчета необходимо иметь дополнительное дисковое
пространство, потому что в этом случае сохраняются две версии исходного
кадра. Тем нс менее, это довольно небольшая цена за возможность вернуться к
исходному изображению.
Фоновый просчет
Некоторые системы цифрового нелинейного монтажа во время просчета не
позволяют выполнят!, никакие другие операции, например просмотр клипов
или монтаж. Однако фоновый просчет выполняется как вторичная операция, и
пользователь может продолжать работу. Просчет выполняется и те отрезки
времени, когда в работе пользователя появляется пауза, либо тип работы
/ИУДЕ-системы оставляет достаточное число свободных циклов процессора. В
этом случае достигается максимальная эффективность общего рабочего
процесса.
Распределенный просчет
При распределенном просчете программа можег распределить всю задачу
либо между сопроцессорами одного и того же процессора, либо между
несколькими процессорами, которые имеют возможность работать совместно.
В однопроцессорных системах производительностью 175 МГц можно достичь
700 МГц, если поместить в них четыре процессора. Такая система способна
работать гораздо быстрее, что, конечно, сказывается и на скорости просчета.
302
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Просчет можно также распределить между несколькими процессорами.
Представьте, что просчет некоторого эффекта распределен между четырьмя
процессорами, каждый из которых содержит 4 сопроцессора. Теперь у нас есть
16 процессоров, которые можно использовать для просчета нашего эффекта.
Если, кроме этого, мы можем выполнять просчет в фоновом режиме,
пользователи всех четырех компьютеров могут продолжать работу в
нормальном режиме, не обращая внимания на процесс фонового просчета.
Отмстим, однако, что для этого программное обеспечение цифрового
нелинейного монтажа должно поддерживать фоновый и распределенный
просчеты.
Многопроцессорность и многопотоковость
Многопроцессорность подразумевает использование для выполнения
задачи более одного процессора. Многопотоковость подразумевает
возможность одновременно выполнять обработку одного и того же файла
несколькими различными процессами. Причем процессы обработки могут
запускаться либо из одного пакета программ, либо из разных. Например, мы
хотим подвергнуть файл сразу трем видам преобразования. Если мы
используем программное обеспечение, не поддерживающее
многопотоковость, мы получим сообщение об ошибке, напоминающее нам,
что файл занят другим приложением. Нам придется подождать, пока будет
выполнено первое преобразование, а затем начать выполнение второго.
Однако при многопотоковой обработке все три преобразования будут
выполняться параллельно без ожидания, пока файл освободится после
предыдущей операции.
Обработка звука
ZMVLE-системы чистового монтажа, хотя и предлагают довольно широкие
возможности при работе со звуком, обычно не так разнообразны в этом плане,
как специализированные цифровые звуковые рабочие станции. Тем не менее,
большое число средств обработки звука, свойственных аппаратным чистового
монтажа, были встроены в DNLE-систсмы.
Интерфейс микширования звука используется дня настройки громкости и
баланса звука как для отдельных клипов, так и для всей последовательности.
Инструменты частотной коррекции применяются для сглаживания
звуковых переходов между планами, а также для создания специфических
звуковых эффектов.
9.2.6 Цифровой нелинейный монтаж н вещание
Сфера цифрового вещания предполагает получение исходного материала в
цифровом виде, цифровой нелинейный монтаж и цифровое воспроизведение
изображения прямо с дисков Л/УДЕ-системы. Практически так же, как
видеолента заменила 16-миллиметровую кинопленку, цифровая дисковая
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
303
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
технология постепенно, но неуклонно сокращает использование видеоленты в
индустрии вещания.
Даже технология получения и записи сигнала, применяемая в
видеокамерах и • видеомагнитофонах, все больше становится «цифровой».
Новости в вещании сначала снимались на 16-миллиметровую кинопленку,
затем на 3/4 - дюймовую видеоленту Umatic, на Betacam и Betacam SP.
В 1995 г. была представлена видеокамера с записью на жесткий диск.
Вместо записи изображения и звука на видеоленту сигналы записывались на
2,5-дюймовый магнитный диск объемом 2,4 Гбайт. Уменьшение размеров и
увеличение емкости дисков позволили создать системы, с которыми работают
операторы вне студии.
Более того, цифровой захват изображения на основе М-JPEG устраняет
процесс оцифровки материала перед монтажом. Блок цифрового диска просто
извлекается из камеры так же. как в случае с кассетой Betacam, и вставляется в
воспроизводящее устройство. Таким образом, DNLE-снскмл получает доступ
сразу к изображению и звуку.
Съемка цифровой камерой, монтаж на компактной системе цифрового
монтажа прямо на месте съемки, а также отправка цифрового материала на
станцию новостей с помощью подключаемого модуля по сети передачи
данных, все это является началом новой эры производства телевизионных
новостей и их вещания.
ЛМЛЕ-системы третьего поколения утвердились в качестве полноправных
средств чернового монтажа. РЛ/ЛЛ'-системы четвертого поколения уже
обеспечивали средства и степени компрессии цифрового видео, необходимые
для окончательного производства программ, чего не было в системах третьего
поколения. Системы четвертого поколения известны так же, как DNLE-
сисгемы, в которых материал загружается, монтируется и выводится в
окончательном виде.
9.3 Цифровая система нелинейного видеомонтажа
Studio AV/DV Deluxe
Как отмечалось ранее, процесс производства цифровых аудиовизуальных
программ (видеомонтаж) осуществляется в три этапа:
- видео захват;
- редактирование;
- вывод фильма.
В качестве примера рассмотрим особенности реализации основных этапов
процесса нелинейного видеомонтажа с использованием системы Studio AV/DV
Deluxe (в дальнейшем для кра ткости - системы Studio).
304
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
9.3.1 Видео захват
Видео захват - это процесс импорта исходного видеоматериала в файл на
жесткий диск компьютера. Клипы из этих файлов затем используются в Studio в
качестве компонентов ' редактируемых фильмов. Файлы с исходным
видеоматериалом могут быть открыты в альбоме Studio в режиме редактирования.
Программное обеспечение Studio может выполнять захват, как из цифровых,
так и из аналоговых видеоисточников.
Переключение в режим видео захвата осуществляется на первом этапе
работы с программным обеспечением Studio. При этом появляется интерфейс
режима захвата, позволяя настраивать и выполнять захват видео. Интерфейс
режима захвата д ля цифровых и аналоговых видеоисточников различный.
Интерфейс режима видео захвата
Инструменты и элементы управления, видимые в режиме захвата,
различны, в зависимости от того, являются ли аппаратные средства захвата
цифровыми или аналоговыми.
Для цифрового видеоисточника экран в режиме захвата представлен на
рис.5.5.
Программное обеспечение Studio позволяет захватывать видео из
цифровых и аналоговых источников самых различных типов. Для выбора
нужного видео оборудования необходимо:
I. Выбрать команду меню Настройки > Источник. Появится панель
параметров «Источник» (рис. 9.5).
2. Выбрать нужные устройства в окнах «Видео» и «Аудио»
области «Устройства захвата» (рис. 9.5) и нажать кнопку ОК.
Альбом, расположенный в левой верхней части экрана, содержит значки,
представляющие захваченные видео сцены. Проигрыватель в правой верхней
части экрана позволяет видеть захватываемый видеоматериал и следить за
самим процессом захвата. Показания проигрывателя сообщают точную длину
захваченного видео и количество кадров, пропущенных в процессе захвата.
Контроллер видеокамеры, слева внизу, содержит дисплей счетчика ленты и
набор элементов управления лентопротяжным механизмом дня работы с
устройством воспроизведения. Наконец, дискомер, справа внизу, показывает
свободное место для захвата, оставшееся на диске. Присутствует также кнопка
“начать захват” и кнопки настройки параметров захвата.
Альбом и проигрыватель используются как для аналоговых, так и для
цифровых захватов, поэтому при захвате из аналогового источника верхняя
половина экрана ничем не отличается от экрана в режиме цифрового захвата.
Но пижияя часть экрана выглядит совершенно по-другому. Появляется
вторая версия дискомера, с двумя всплывающими панелями для настройки
уровней звука и видео во время захвата (рис. 9.6)
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
305
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных npoipaMM
Рисунок 9.5 - Интерфейс цифрового захвата
Цифровой laxrsam
Этот раздел содержит сведения о захвате из РК-нсточника (видеокамеры
или видеомагнитофона) с помощью порта 1394.
При захвате в ЛГ-формате Studio предлагает выбрать качество захвата,
предварительное (Smart Capture) или полное (рис. 9.5). При полном качестве
возможно два типа сжатия: DV н MPEG.
Функция Smart Capture позволяет выполнить захват с РК-вилсоленты в
файл с ухудшенным качеством видео, минимально используя пространство на
жестком диске. При редактировании фильма можно работать с этим
материалом в «предвари тельном качестве».
Когда фильм будет закончен и готов к выводу, Studio повторно выполнит
захват с полным качеством всех клипов, захваченных с предварительным
качеством, автоматически управляя источником для определения
местонахождения и захвата видеоматериала. Таким образом, ухудшенное
качество предварительного видео нс повлияет на качество окончательного
фильма Сцены, захваченные с предварительным качесгвом. обозначаются в
альбоме пунктирной границей.
306
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Рисунок 9.6 - Интерфейс аналогового захвата
Рисунок 9.7 - Панель параметров для выбора оборудования видео
и настройки параметров захвата
Цифровое телевидение/ ВЛ. Корякин. ~ М: СОЛОН-Пресс
307
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Для максимального удобства при использовании Smart Capture у
цифровой ленты должен быть непрерывный РИ-тайм-код. Если у видеокамеры
есть функция нанесения тайм-кода, перед съемкой нанесите тайм-код на ленту.
Smart Capture можно использовать и с лентами, у которых нет
непрерывного тайм-кода, но в этом случае для каждого фрагмента ленты
создастся отдельный захваченный файл. Обнаружив разрыв тайм-кода, Smart
Capture прекратит захват. Для продолжения захвата перемотайте ленту к
началу следующего видеофрапиента и снова нажмите Начать захват.
При захвате нескольких сегментов с одной ленты рекомендуется
использовать имена файлов, начинающиеся с одного и того же слова. При
повторном захвате Studio обрабатывает файлы в алфавитном порядке. Данные
рекомендации направлены на уменьшение количества переключений в
процессе захвата.
При захвате с полным качеством есть два способа кодирования и сжатия
видеоданных. Для большинства целей логичным выбором является формат
DV, но если предполагается выводить законченный фильм на диск (VCD, S-
VCD или DVD), формат MPEG может оказаться предпочтительнее. При этом
следует учитывать, что Л/ЛЕб-кодирование требует интенсивных вычислений.
Тактовой частота процессора компьютера при Л//*Еб-кодировании должна
быть ие ниже 2.2 ГГц. Фильм в формате MPEG требует намного меньше места
на диске, чем эквивалентный PF-фильм, записанный с полным качеством.
Процесс захвата представляет собой пошаговую процедуру. При этом
Studio автоматически обнаруживает естественные разрывы в поступающем
видео и разбивает материал па «сцены». Каждая обнаруженная сцена
добавляется в альбом, где она представлена своим первым кадром.
Автоматическая разбивка па сцены - это ключевая особенность Studio. ]\пя
каждой обнаруженной сцены в разделе «Видеосцепы» альбома создается
новый значок.
Разбивку на сиены можно настроить с помощью параметров области
«Разбивка на сцены во время захвата» панели параметров «Настройка
Pinnacle Studio» (рис. 9.7).
Разбивка на сцены возможна следующая:
- Автоматическая по времени съемки. Этот параметр доступен только при
захвате из РГ-источника. Во время захвата Studio отслеживает временные
метки иа лепте и, обнаружив разрыв, начинает новую сцену.
- Автоматическая по содержимому. Studio отслеживает изменения
содержимого видео и создает новую сцену, обнаружив значительные
изменения изображения. Эта функция может плохо работать при
неустойчивом освещении. Например, если видео снято в ночном клубе с
мигающим освещением, то каждая вспышка света может вызвать появление
новой цены.
- Создание новой сцены каждые X секунд. Studio создаст новые сцены с
308
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
выбранным интервалом. Эго полезный способ разбить на сцены видеозапись,
содержащую слишком длинные сюжеты.
- Ручная разбивка на сцены. Выберите эту возможность, если хотите
контролировать весь процесс захвата и самостоятельно решать, где должны
находиться разрывы сцен. Нажимайте клавишу «Пробел» каждый раз, когда во
ирсмя захвата понадобится вставить разрыв сцены.
Аналоговый захват
Данный раздел касаезся захвата видео материала из аналоговых устройств,
гакнх как:
- видеокамера или видеомагнитофон с аналоговыми выходами;
- 1'Ув-видсокамера или веб-камера.
Захват в аналоговом варианте возможен с различным качеством: среднее;
хорошее; наилучшее (рис. 9.8).
Рисунок 9.8 - Панель параметров для настройки параметров захвата
Для настройки уровней видео и звука в аналоговом режиме имеются
панели управления (рис. 9.9).
Цифровое телевидение/ В.Л Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
309
Г лава 9. Технологии произволе»» цифровых аудиовизуальных программ
Рисунок 9.9 - Панели для установки у]х>впсй видео и звука
Пять регуляторов уровней позволяют управлять яркостью,
контрастностью, четкостью, оттенками и насыщенностью цветов
записываемого видео. Регуляторы на панели звука позволяют управлять его
входным уровнем и стсреобалансом.
932 Редактирование
Исходные материалы, необходимые для редактирования фильма с
использованием программного обеспечения Studio, находятся в различных
разделах альбома (рис. 9.10)
Рисунок 9.10 - Раздел альбома Видеосцены с исходным материалом
для редактирования
Доступ к каждому из разделов альбома осуществляется через
соответствующую вкладку.
Видеоснены, Данный раздел (рис. 9.10) включает захваченное видео
изображение. Можно непосредственно получить доступ к файлам и
просмотреть отснятые клипы.
Переходы. Этот раздел альбома (рис. 9.11) содержит различные типы
310
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глав» 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
переходов, соединяющих между собой редактируемые клипы.
Рисунок 9.11 - Раздел альбома Переходы
Титры, В данном разделе (рис. 9.12) представлены редактируемые тигры,
которые можно использовать как наложение или как полноэкранную графику.
Можно с самого начала создать свои собственные титры или использовать и
адаптировать существующие.
HenydtfW've нфбражеичн Это раздел фотографий (рис. 9.13) и
захваченных видео кадров. Неподвижные изображения можно использовать в
режиме полного экрана или как наложение на основное видео изображение.
Цифровое телевидение/ BJ) Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
311
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Рисунок 9.13- Раздел альбома Неподвижные изображении
Звуковые эффекты. Программное обеспечение Studio поставляется с
широким набором высококачественных звуковых эффектов (рис. 9.14). Можно
использовать файлы, которые получены из других источников.
Рисунок 9.14 - Раздел альбома Звуковые эффекты
Меню диска. Раздел (рис. 9.15) включает набор меню необходимых при
создании фильмов в форматах DVD-, VCD- и S-VCD,
Редактирование в окис вФмъм»
Окно «Фильм», в котором фильм собирается из материалов, хранящихся в
«Альбоме», занимает нижнюю половину экрана программы Studio в режиме
редактирования. Чтобы получить доступ к окну «Фильм», надо
предварительно переключиться в режим редактирования (рис. 9.16).
312
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Рисунок 9.15 - Раздел альбома Меню диска
Рисунок 9.16 - Панель пе|>еключения режимов
В окне «Фильм» проект может быть представлен в трех различных видах;
Раскадровка. Линия ыре.ие/т. и Монтажный лист. Выбор нужного вида
осуществляется кнопками, расположенными в правой верхней части окна
«Фильм».
Раскадровка
На виде «Раскадровка» показан порядок сцен и переходов в фильме.
Быстрое пос «роение структуры фильма обеспечивается применением значков-
эскизов (рис. 9.17).
нк’ГЫй thrift
* * в
1
ЯВ D И1КИ яЖ «.<
Рисунок 9.17 - Вид проекта «Раскадровка»
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М. СОЛОН-Пресс
313
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Цицша^Е&яшс
Вид проекта «Линия времени» (рис. 9.18) позволяет оценить положение и
продолжительность клипов но отношению к шкале времени. Выбор крупного
или мелкого размера значков осуществляется па нижней панели окна.
В этом виде также отображаются пять дорожек:
- Видеоматериалы. а также полноэкранные меню диска, титры и
графика. На видео дорожке содержатся основные визуальные материалы,
используемые в производстве фильма.
- Исходный (или «синхронный») звук. Дорожка исходного звука содержит
звук, записанный камерой одновременно с видеорядом.
- Титры и наложение графики. Изображения, находящиеся на дорожке
наложения размещаются в виде наложений с прозрачным фоном на основном
изображении.
- Звуковые эффекты и голос за кадром. Звуковые клипы на этой дорожке
смешиваются с дорожками исходного звука и фоновой музыки, результатом
чего является готовое звуковое сопровождение фильма.
- Фоновая музыка. Фоновая музыка любой продолжительности для
использования в фильме может быть создана с помощью инструмента
SmarfSound.
Рисунок 9.18 - Вид проекта «Линия времени»
- Меню диска, главы и ссылки возвратов к меню. Эта шестая дорожка
появляется над дорожкой видео, если в фильме имеется хотя бы одно меню
диска.
Поскольку многие операции редактирования проводятся исключительно в
«Линии времени», следует выбирать этот вид в тех случаях, когда требуется
большой объем детального редактирования, или дополнительные возможности
редактирования.
Обычно дорожка видео имеет приоритет перед другими дорожками в
отношении подрезки или удаления. Это вызывает ряд негативных
последствий:
I. При полрезке какого-либо видео клипа подрезаются также клипы.
314
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
запущенные одновременно с ним на других дорожках.
2. При удалении видео клипа из занимаемого им временного сегмента
удаляются все параллельные клипы.
3. Удаляются также клины, полностью попадающие в интервал,
удаляемый из видео клипа.
Эти последствия можно избежать с помощью функции, позволяющей
«заблокировать» любую дорожку независимо от остальных, исключая се,
таким образом, из операции редактирования и воспроизведения.
Чтобы включить блокировку дорожки, достаточно нажать
соответствующую кнопку с изображением замка на правой стороне окна
«Фильм» (рис. 9.18).
На любой из трех звуковых дорожек осуществляется индивидуальное
приглушение звука кнопками лригзумишия (рис. 9.18), расположенными на
правой стороне окна.
В программе Sludio имеется несколько типов (рис. 9.19) оперативной
информации в процессе размещения клипов с использованием вида «Линия
времени».
- Строка состояния. В процессе размещения клипов и выполнения других
действий в строке состояния, расположенной в левой части строки заголовка,
отображаются сообщения.
- Символы размещения. При перетаскивании клипа иа новое место в
«Линии времени» программа Studio обеспечивает оперативную информацию,
сообщающую, правильно ли выбрано его текущее положение. Форма
указателя мыши и цвет вертикальных линий размещения показывают, какие
действия возможны, п какие нет.
Рисунок 9.19 - Информация о размещении клипов
Цифровое телевидение/ В .Л. Карякин - М: СОЛОН-1(рс<х
315
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Например, при попытке перетащить звуковой клип па дорожку видео
линии размещения (рис. 9.19) из зеленых становятся красными, указатель
мыши вместо формы «копировать» принимает форму «ледоступ»©», а в
строке состояния появляется сообщение «Только сцены. титры, фотографии
и переходы па этой дорожке».
Зеленые линии размещения и указатель «копирование» означают, что
действие допустимо, красные линии размещения и указатель «недоступно»
означают, что оно недопустимо.
В окне «Фильм» имеется Монтажный лист, в котором приведено время
начала и окончания клипов, а также их продолжительность (рис. 9.20). Кроме
того, в этом списке представлены названия клипов.
Луднохжнг: 1Ъ*|«аЛМ>< |.С(ТГ
Пнасвмтл: TBotoMiMi | дог
Juvi 'CpctKWHl ictwu»'
AyUkv <u»*t>ou *W«tk«r.V*
Нндтинп: ТТ1»|»М|«ы И
Дупм*м<п: It 1!Ц'
1100:41. И
itlf IbntMBM Vbet'tfimi fl ».29|*
ЛуЛИМЛяп: TtoluMwol litT:lf
Н'1>е»ен.' Ilvxciwnrt иипняв*
Луыи верехиа: 'Ptuai»°H»c'
4.00:44 40
OrOOrW 49
0:09.00.09
ormi.ni»
о.о».о’-.ог
О <1J 04.ПП
um.av.M
п-ош.м
PIil.l4.ll,
ЮТ 14.1!»
4.oo;oo Irt
0410:00 40
П.00;м.о0
U 00:0 ».М
о 00.04. И
Г>ГП:М(П
hmww
-1
мюно.ол
ItOOriLl?
0:40 21.04
о-|Ю:1?.п
ftOttES.IJ
Рисунок 9.20 - Монтажный лист окна «Фильм»
Инструментарии
В программе Studio имеются отдельные инструментарии для операций с
видео- и аудиоматериалами. Инструментарии обеспечивают удобный
интерфейс для выполнения операций редактирования: добавления клипов в
фильм, изменения имеющихся фильмов и применения специальных эффектов.
Инструментарии доступны только в режиме «Редактирование». Для их
открывания и закрывания служат кнопки, расположенные в левой верхней
части окна «Фильм». Выбор нужного инструментария выполняется
наведением указателя мыши на соответствующий значок. Кнопки
подсвечиваются, показывая, какой инструментарий откроется, если нажать на
данную кнопку.
Затем «Альбом» заменяется отображением инструментария, в котором
имеются две основные области (рис. 9.21):
- Кнопки выбора инструмента па левой панели. При нажатии на кнопку
открывается соответствующий инструмент.
- Выбранный инструмент (в окне справа от кнопок выбора инструментов).
Соответствующий инструмент отображается также, если дважды щелкнуть
клип в окне «Фильм».
Все кнопки выбора инструментов, за исключением верхней кнопки
316
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
каждого набора, открывают специализированные инструменты.
Верхняя кнопка в каждом наборе открывает инструмент Свойства клипа
(рис. 9.21). Она о г обряжает инструмент для подрезки или других операций
редактирования для типа клипов, выбранного в данный момент в окне
«Фильм».
Рисунок 9.21 - Области инструментария
Редактор титров
Редактор (рис. 9.22) обеспечивает объединение текста, изображений и
других графических ресурсов для создания титров и меню дисков для
фильмов.
Рисунок 9.22 - Редактор т итров
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
317
Глава 9. Технологии производства цифровых аудновизуальных программ
Видео инструментарии
Шесть инструментов, имеющихся в этом инструментарии, позволяют
изменять или создавать различные визуальные клипы, в том числе видео
клипы, титры, неподвижные изображения и меню диска.
I. Саойсщар клипа. Инструмент Свойства клипа (рис. 9.21) обеспечивает
настройку времени начала и конца для клипов любого типа. Эта операция
называется «подрезкой». Кроме того, этот инструмент позволяет ввести для
клипа имя описательного характера-
2. Титры И графика. Этот инструмент (рис. 9.23) позволяет редактировать
имя и продолжительность показа тигров и других неподвижных изображений.
Рисунок 9.23 - Инструмент Титры и графика
Кнопка Редакт. титр вызывает' редактор титров, в котором выполняется
изменение визуального представления изображения.
3. Меню диска. В инструменте Меню диска имеются элементы управления
для редактирования ссылок (рис. 9.24), связывающих кнопки меню диска и
точки входа в фильм, называемые гланани. которые представлены па дорожке
меню в окне «Фильм».
Кнопка Редактир<м<ать .меню открывает редактор титров, в котором
можно изменить внешний вид меню.
4. 3wam кадар*- Этот инструмент (рис. 9.25) позволяет делап, снимки
одиночных кадров фильма или выбранного источника видео
5. Снимки можно использовать в фильме или сохранить для
использования в других приложениях. Как и в режиме захвата, этот
инструмент предоставляет различные интерфейсы для цифровых камер (2)И-
усгройств) и остальных источников видео.
318
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Прсос
Г лава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Рисунок 9.24 - Инструмент Меню диска
Рисунок 9.25 - Инструмент Захват кадров
6. SmartMovie. Этот инструмент (рис. 9.26) позволяет создавать
музыкальные видеофильмы в одном из имеющихся стилей путем
автоматического комбинирования отснятою материала с выбранным
цифровым музыкальным файдом.
7. BudSSalnbiKnUi. с помощью этого инструмента (рис. 9.27) в программе
Studio реализую гея различные модульные видеоэффекты.
Эффекты, как по отдельности. гак и в сочетании, можно использовать в
любом видео клипс или неподвижном изображении в проекте.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин - М: СОЛОН-Пресс
319
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Рисунок 9.26 - Инструмент Smart Movie
Рисунок 9.27 - Инструмент Видеом/мректы
Аудио инструментарии
Инструменты этого набора используются при создании и обработке аудио
клипов: исходного звука, голоса за кадром, звуковых эффектов н других аудио
файлов» дорожек компакт-диска и фоновой музыки Srnart Sound.
- Свойстид клипа. Инструмент Снойстка клипа обеспечивает настройку
времени начали н конца («подрезку») для клипов любого типа (рис. 9.21).
Кроме того, он позволяет по желанию вводил, для клипа имя описательного
характера пламен стандартного имени. (Имена клипов отображаются, когда
окно «Фильм» переключено в вид «Монтажный лист» ) Другие элементы
управления этого инструмента меняются в зависимости от обрабатываемого
клипа.
- Громкость и брлот/с. Этот инструмент (рис. 9.28) предоставляет главный
регулятор громкости для каждой из трех звуковых дорожек: исходного звука
320
Цифровое телевидение' В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии произволе™ цифровых аудиовизуальных прорамм
(звук, записанный вместе с видеорядом), твуковых эффектов. голоса за кадром
и фолово» музыки.
Кроме того, он позволяет отключать звук любой дорожки или всех
дорожек и вносить постеленное изменение громкости звука в реальном
времени (фейдер). Элемент управления баланс и объемный звук применяется
для размещения каждой из дорожек независимо от двух остальных в
одномерном пространстве стереозвука или двумерном пространстве
объемного звука.
Рисунок 9.28 - Инструмент Грамшить и баланс
- Запись голоса за кадпоу Для записи голоса за кадром достаточно нажать
кнопку Запись н говорить в микрофон (рис. 9.29).
- Добавить CD аудио. Этот инструмент (рнс. 9.30) используется .зля
добавления записей с аудио компакт-диска, целиком ил» по частям.
- Фоновая музыка. Этот инструмент (рис. 9.31) позволяет добавлять
фоновую музыку с помощью средства Smart Sound, мощного музыкального
генератора программы Studio. Выбери re стиль, песню и версию. Программа
Stadia создаст музыкальное сопровождение, длительность которого
соответствует длительности вашего фильма.
Аудиозффекты. Этот инструмент (рис. 9.32) позволяет применять модули
эффектов в любом аудио клипс. Поддерживается широко распространс1шый
стандарт звуковых модулей VST, позволяющий добавлять в библиотеку
эффектов дополни тельные и готовые м}и|>скгы. В число готовых эффектов
входит настраиваемый фильтр-подавитель шума, графический эквалайзер,
ревербератор н ряд других.
9.33 Вывод фильма
В настоящем разделе рассматривается технология вывода готовой
видеопродукции.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
321
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Для того чтобы фильм был готов к выводу, обычно требуется
определенная предварительная обработка:
- Если фильм содержит клипы, захваченные с предварительным
качеством. Studio предложит загрузить исходную ленту (ленты) в видеокамеру
или видеомагнитофон DV. Затем Studio выполнит повторный захват этих
клипов с полным разрешением.
Рисунок 9.29 - Инструмент Запись голоса за кадром
Рисунок 9.30 - Инструмент Добавить CD аудио
- Studio понадобится просчитать (создать соответствующие видеокадры)
все переходы, титры и дисковые меню, добавленные к фильму, если они сше
не были просчитаны в фоновом режиме.
- Если весь фильм или его часть были захвачены в фермате МРЕС.
понадобится выполни ть полный просчет соответствующего материала.
Когда Studio выполнит просчет в пакетном режиме, панель Состояние
322
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Гланя 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
режима Вывод фильма (рис. 9.33) покажет, что ваш фильм пересчитан в файл
(в данном случае в формате А КГ).
Рисунок 9.31 - Инструмент Фоновая музыка
Рисунок 9.32 - Инструмент Аудиоэффекты
Обычно файлы AVI больше файлов MPEG, но файлы AV1 могут
воспроизводиться на большем количестве устройств.
Если вы решили сохранить свои фильм в виде файла А VI. Studio позволяет
управлять рядом параметрон кодека.
Размер файлов можно заметно уменьшить, но не забывайте о влиянии
размера файла на качество фильма: чем больше коэффициент сжатия, тем
сильнее падает качество.
Можно настраивать параметры сжатия, как для видео, так и для звука (рис.
9.34). Среди настроек сжатия видео - размер кадра, частота кадров и скорость
данных (после сжатия). Для звука можно выбрать монофонический режим
Цифровое телевидение/' ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
323
Глам 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
вместо стерео, а также настроить количество битов и частоту оцифровки.
324
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин - М: СОЛОН-Пресс
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Рис. 933 - Панель состояния на различных стадиях
обработки фильма
Кодеком по умолчанию, поставляемым со Studio DV, является кодек Studio
DV.
Для сохранения фильма в виде файла Л VI необходимо:
1. Переключиться в режим Вывод фильма, щелкая вкладку «Выгюд
фильма» в верхней част основною окна Studio. Появляются элементы
управления режима Вывод фильма. Щелкните вкладку ЛЕГ.
2. Нажать кнопку Настройки и убедиться, что установлены флажки
Включать киОео и Включать лгук.
Предусмотрена возможность отключения, как звука, так и видео. Вам
может потребоваться создать файл Л VJ, содержащий только звук, для импорта
в другую программу.
3. Проверьте показания дискомсра, чтобы убедиться в наличии
достаточного дискового прост|>анства.
4. 4. Нажмите кнопку Создать файл AVI Введите имя файла AVI в ответ
на приглашение.
Нажмите кнопку ОК. чтобы начать создание файла. При создании AVI.
Studio декодирует каждый кадр видео, просчитывает все имеющиеся тигры и
эффекты и сжимает получившийся кадр с помощью кодека, выбранного па
панели параметрон Соединит А VI. Время создания Л VI зависит от
быстродействия компьютера и длительности видео.
Цифровое телевидение/ В.Л Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
325
Глава 9. Технологии производства цифровых аудиовизуальных программ
Рис. 9.34 - Окно установки параметров для сохранения
фильма в формате Л И
Сохранение фильма возможно также в других форматах, в частности, в
виде файла MPEG. Обычно файлы MPEG по размеру меньше файлов Л к/ и, в
зависимости от использованных отшнй, могут обеспечивать лучшее качество.
326
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
10 Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта
DVB-T2
10.1 Введение
Как отмечалось ранее, в настоящее время перспективы перехода на
цифровое телевизионное вещание не вызывают сомнений благодаря
очевидным преимуществам цифровых методов передачи информации перед
аналоговыми методами. В России разработана и уже осуществляется
концепция поэтапного перехода к цифровому телерадиовещанию.
Разработаны и внедряются системные проекты цифрового телевизионного
вещания сетей первого поколения на ряде территорий РФ в соответствии с
Федеральной целевой программой «Развитие телерадиовещания в Российской
Федерации на 2009-2015 годы», утвержденной Постановлением Правительства
Российской Федерации от 3 декабря 2009 года.
Правительством РФ и комиссией по развитию телерадиовещания
государственной компании «Российская телевизионная и радиовещательная
сеть» (ФГУП РТРС) принято решение от 7 июля 20J1 года о переходе на
второе поколение цифрового наземного телерадиовещания, обеспечивающего
более высокую спектральную эффективность и качество вещания по
сравнению со стандартом первого поколения.
Из доклада Европейского вещательного союза [81] следует, что в 20 И году
спецификация систем и сетей, руководящие принципы по внедрению DVB-T2
завершены. Однако, до настоящего времени отсутствует ряд параметров и
критериев, необходимых для частотного планирования сети, а также нет
консолидированного опыта или данных в открытом доступе.
В этой связи проведение экспериментальных исследований систем и сетей
цифрового телерадиовещания второго поколения стандарта 7) ИВ-72,
обсуждение результатов экспериментальных и теоретических исследований в
этой области среди широкого круга специалистов, безусловно, актуально, как
в Российской Федерации, так и на Международном уровне.
В нескольких странах, в том числе в различных регионах Российской
Федерации активно проводятся полевые испытания 27ИВ-Г2. Организуется
проведение семинаров и конференции, посвященных проблемам перехода ко
второму поколению цифрового телерадиовещания. В частности, в октябре
2011 года в Самаре на базе Цент ра повышения квалификации Поволжского
государственного университета телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ)
состоялся научно-технический семинар «Технологии цифрового
телерадиовещания в стандарте DVB-T2».
Основной задачей семинара было обсуждение круга задач, связанных с
переходом на эфирное цифровое вешание в стандарте DVR-T2. Участниками
семинара стали представители из 22 региональных филиалов ФГУП РТРС -
главные инженеры и руководители филиалов, представители дирекции РТРС.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
327
Глава 10. Экспериментальное исследование одиочастотной сета стандарта DVB-T2
На семинар для обсуждения представлены доклады, посвященные
различным аспектам технологии стандарта D VB-T2:
J Карякин- ВЛ. - Самара, ПГУТИ: «Особенности построения
одночастотных сетей цифрового телерадиовещания стандарта DVB-T2:
сравнительный анализ методов построения SFN сетей стандартов DVB-Т и
DVB-T2»',
J Стрельцов А.В. - Москва, дирекция РТРС: «Опыт построения
экспериментальной одночасгонгом сети ОКВ-Г2»;
Круглов С.В. - Москва, компания «Rohde & Schwarz»: «Измерения в
системах и сетях цифрового телерадиовещания стандарта DVB-T2:
контрольно-измерительное оборудование, методика оценки зон покрытия,
контроль качества цифрового ТВ вешания»;
'''Мартанов С.О. и Лесной С.М. - Москва, НПО «СвязьПроект»:
«Проектирование центров формирования федеральных и региональных
мультиплексов стандарта DVB-T2: структура, оборудование, транспортные
сети»;
«'Морозов В.П. и Догадов А.А. - Москва, компания «SVN Group»: «Два
подхода к организации эфирного вещания DVB-T2. методика контроля
вещания».
В докладах были раскрыты особенности стандарта DVB-T2 и специфика
построения сетей цифрового ТВ с использованием данной технологии,
проанализирован опыт, накопленный при проектировании HcnqjOB
мультиплексирования DVB-T2 и экспериментах по созданию и мониторингу
одиочастотной сети второго поколения.
Настоящий раздел книги посвящен результатам экспериментальных
исследований одиочастотной сети стандарта DVB-T2, проводимых па базе
филиала РТРС «Тверской ОРТПЦ» под руководством специалистов компании
РТРС.
Задачи проведения экспериментальных работ следующие:
оценка оптимальных параметров вещания в стандарте DVB-T2;
сравнительный анализ различных типов оборудования;
J проверка работоспособности системы замещения программ в
транспортном потоке Т2-М1.
Испытания проводил персонал филиала РТРС «Тверской ОРТПЦ»,
Генеральной дирекции РТРС совместно с представителями НИ ИР,
Rohde&Schwarz, Harris, МАРТ, Триада, Кабельные сели, Алмаз-Антей
телекоммуникации.
10.2 Оценка оптимальных параметров вещания в стандарте DVB-T2
10.2.1 Условия проведения эксперимента
На базе филиала РТРС «Тверской ОРТПЦ» была построена одпочастотная
сеть (ОЧС) из двух передающих устройств, размещенных по адресам:
328
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
- г. Тверь, ул. Вагжанова, д.7 (№1);
- г. Тверь, ул. Володарского, д.ЗЗ (№2).
Формирование транспортного потока (ТП) DVB-T2 осуществлялось на
точке Bel, откуда по оптоволоконной линии связи ТП подавался на точку №2.
Вещание происходило на 37 телевизионном канале, расстояние между
передатчиками составляло 1,8 км.
Указанная ОЧС обеспечивала покрытие вещанием города Тверь и
прилегающей территории в радиусе около 25-30 км.
Измерения проводились с привлечением следующего измерительного
оборудования:
- Rolule&Schivarz ETL;
- Теfeves Н.45\
- Рготах ТУ Explorer HD+.
Целью проведения испытаний являлось определение оптимальных
параметров настройки сети стандарта DVB-T2. Для выполнения поставленной
цели требовалось проведение проверки по трём критериям:
А. Увеличение скорости транспортного потока при равной зоне охвата.
В. Уменьшение размеров и количества мертвых зон.
С. Увеличение зоны охвата при сохранении скорости транспортного
потока.
Для поверки критериев Л и В первоначально требовалось осуществить
выбор настроек параметров сети стандарта DVB-T2, основываясь на факте, что
объекты первой очереди в рамках реализации Федеральной Целевой
Программы (ФЦП) уже построены, а объекты второй и третьей очередей
находятся в стадии проектирования.
Следовательно, требуется максимально использовать топологию
существующей и п|х>ектируемой сети DVB-Т при условии соответствия ЧТП
(частотно-территориальному плану), то есть при переходе к DVB-T2 не
ухудшаются зоны покрытия, не увеличивается количество н мощность
передатчиков, а также не изменяются номера частотных каналов.
Ввиду того, что расчет зон покрытия для региональных сетей DVB-T
производился для рекомендованных комплексным проектом параметров
модуляции, при которых соотношение несущая/шум (O7V) составляет 23дБ
(для канала Редея), при переходе на стандарт РУВ-Т2 необходимо обеспечить
сохранение или уменьшение данного отношения.
Проверка критерия В в тестировании не проводилась ввиду того, что
увеличение зоны обслуживания потребовала бы увеличения расстояния между
передатчиками, как следствие, изменение величины защитного интервала.
Такне испытания решено было провести па более мощных передатчиках при
больших расстояниях между точками вещания.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
329
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
10.2.2 Сравнение зоны обслуживания сети DVB-Т при существующих
настройках с зоной обслуживания сети DVB-T2
в различных режимах работы
Проводилось измерение величины уровня сигнала на входе абонентского
устройства, отношения несушая/шум (C/N), ошибок модуляции (МЕК) в
контрольных точках, а также сравнение с аналогичными данными,
измеренными в тех же точках при использовании стандарта DVB-Т с
существующими настройками.
Для проведения эксперимента были определены несколько направлений, в
которых, в свою очередь, выбраны точки, на которых проводились измерения
и оценка сигнала как в стандарте DVB-Т, так и в различных комбинациях
параметров сети DVB-T2. При нахождении в каждом из направлений границ
устойчивого приёма сигналов DVB-Т определялись границы устойчивого
приёма для каждой из комбинации параметров сети DVB-T2.
Необходимо отметать, что чувствительность абонентских устройств, также
использовавшихся в измерениях, выше чувствительности декодеров
измерительного оборудования, следовательно, нахождение границы зоны
обслуживания ОЧС проводилось, основываясь иа возможности или
невозможности приёма сигнала абонентскими устройствами и на качестве
изображения, а параметры сигнала в этих точках фиксировались с помощью
измерительных приборов.
10.2.3 Результаты работ по оценке оптимальных параметров вещания
в стандарте DVB-T2
В результате проведённого анализа были выбраны комбинации настроек
сети DVB-T2 (см. приложение ПЗ) для проведения экспериментальных
исследований.
Результаты:
На основании проведённых испытаний определились три
предпочтительных варианта настроек сети РКВ-Т2, представленных в таб.
10.1 (варианты 1-3).
При работе в стандарте DVB-T2 в режимах 64QAM EEC=S/6, 64QAM
FEC=4/5, 256QAM ЕЕ(У=2/3 зона обслуживания ОЧС не уменьшается по
сравнению с принятыми в РТРС настройками в DVB-Т той же ОЧС.
В режиме работы 64QAM FEO4/5 зона обслуживания ОЧС относительно
стандарта ВVB-T увеличивается в среднем на 10%.
Проверена работоспособность одночастотной сети, построенной на двух
передатчиках стандарта D VB-T2 как одного, так и различных производителей.
Все испытываемые режимы работы стандарта DVB-T2< указанные в
таб.10.1, показали изображение на абонентских устройствах с высоким
качеством и стабильные параметры приёма на измерительном оборудовании.
330
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
Таблица 10.1 - Наиболее предпочтительные параметры вещания
№ варианта | X 1 в 1 Carrier Modulation COFDM Mode Guard Interval Forward Error Correction DVB-T2 Pilot Pattern Bit Rate, MBit/scc Зима обслуживания (30) ио сравнению с текущими настройками DVB-T
0 DVB-T M0AM 8К 1/4 3'4 - 22,39 -
1 DVB-T2 «•ЩАМ 32К- csxt 1/16 4'5 PP4 33.29 Расширение 30 на 10%
2 DVB-T2 64QAM 32К- cxl 1/16 5/6 Pl’4 34.71 Расширение 30 на 5%
3 DVB-T2 256QAM 32К- ext 1/16 2'3 Р1Ч 37.00 30 совпадает с исходной
При небольшом временном рассогласованни сигналов двух передатчиков
одинакового уровня стандарта DVB-T2 в спектре возникают искажения,
которые зависят от временной разницы прихода сигналов в точку приёма, (см.
раздел 8.7.3 Оценка влияния интерференции на качество приема в области
перекрытия зон обслуживания передатчиков).
Вывод: На основании проведённых испытаний предпочтительным к
использованию в сета РТРС является вариант №1 в таблице 10.2. При его
использовании достигается увеличение зоны обслуживания на 10%, при этом
данный режим позволяет бороться с импульсными помехами, а также
устойчив в условиях многолучевого приёма. Данный режим не потребует
изменения ЧТП и обеспечит сокращение теневых зон, существующих при
вешании в стандарте DVB-T.
10.3 Сравнительный анализ различных типов оборудования
103.1 Передающее оборудование стандарта DVB-T2
Для испытаний представлено следующее передающее оборудование:
✓ Алмаз-Антей, модель HC-DVB-T/H/T-2-,
J Кабельные сетя/Elti, модель DVB-T2-100W-,
J Март, модель НЕВА Ц DVB-T2;
J Триада, модель Полярис ТВЦ-100 DVB-T2;
J Harris, модель Format VAX-250 Single LPV DVB-T\
J Rohde&Schwarz, модель SX-80I модулятор DFB-T2.
Оценка передающего оборудования проводилась по различным критериям,
включающим в себя:
- проработанность реализации стандарта DVB-T2',
- возможность передающего оборудования работать в стандартах DVB-T
MDFB-T2;
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
331
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
- возможность принятия сигнала по различным электрическим
интерфейсам (IP и AST);
- синхронная'работа с передатчиками других производителей;
- удобство эксплуатации;
- стабильность работы в процессе проведения испытаний.
Испытания включали в себя несколько этапов:
1. Проверка соответствия выходных параметров заявленным параметрам
в документации.
2. Проверка стабильности выходных параметров передатчиков при работе
на нагрузку в стандарте DVB-T2 при различных настройках параметров
вешания в течение двух недель.
3. Проверка синхронной работы в одночастотной сети передатчиков
различных производи телей.
4. Проверка работоспособности передатчиков как в стандарте DVB-Т, так
и в стандарте DVB-T2.
Результаты:
А) В ходе испытаний проверена совместимость передатчиков различных
производителей при работе в синхронной сети.
Б) Ни один из производителей нс предоставил передатчик с одновременно
функционирующими ASI и IP входами для транспортного потока. Наличие
двух указанных входов позволяет строить более простые транспортные сети,
для которых не потребуются конверторы AS1-IP и TP-ASI.
В) Передающее оборудование фирмы «МАРТ» подлежит доработке по
причине не полного удовлетворения требованиям к системе контроля и
управления передатчиком.
Вывод:
Всё передающее оборудование, представленное на тестирование, имеет
возможность работы в синхронной сети стандарта DVB-T2 при различных
настройках параметров вещания.
В процессе испытании были сформированы исходные требования
(габ.10.2), предъявляемые к передающему оборудованию стандарта DVB-Т2:
Таблица 10,2. Требуемые параметры передающего оборудования
№ Параметр Значение
1 Стандарт вещания OVB-T2
2 Полоса частот, МГн 8
3 Режимы модуляции 4К. 8К. 8K-cxt. 16К. 16K-ext. 32К. 32K-exl
4 Типи модуляций QPSK. 16-QAM. 64-QAM. 256-QAM
5 Защитным интервал 1/128. 1/32. 1/16, 19/256.1/8, 19/128, 1/4
6 Скорость кола 1/2.3/5. 2/3, 3/4,4/5,5/6
7 Выходная мощность, Вт 10,50, 100,250,500,1000,2000,5000,10000
8 Диапазон рабочих частот, МГн 470 - 862
9 Расположения ннлот-енпшлов PPI, PP2. РРЗ. PP4, PP6. PP7, PP8
332
Цифровое телевидение/ 13.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
to Повернутое сигнальное созвездие Да
и Наличие физических уровней Single PLP. Multiple PLP
12 Количество физических уровней He менее 4
13 MER, дБ Нс менее 35
14 Сгабилыюсгь частоты в одкочасгопгом режиме не хуже, Гц +/-1
15 Возможность пред коррекции (АЧХ. ГВЗ) Да
16 Возможность работы и режимах SFN, MFN
17 Возможность синхронизации от сигналов Глонасс, GPS
1К Входы синхронизации 1 pps, 10 MHz
19 Дистанционное управление и мониторинг Интерфейс: Ethernet (SNMP. WEB) Управление: выходная мощность. режимы модуляиии, переключение резервных блоков, выбор входа, вкнючецие/выключенис. Мониторинг выходная мощность, КСВН, токи, напряжения, температура блоков.
20 Поддержка И1исрфсйс;| T2-MI
21 Наличие входов 2xASl,2xlP Активный вход должен устанавливаться оператором. При пропадании сшиала с одною из входов должно выполняться автоматическое переключение на второй вход.
22 Резервирование Модулятор DVB-T2, усилители (для передатчиков мощностью 500 Вт и выше)
23 Маска спектра выходного сигнала Критическая, некритическая
24 Электрон» гаиие - однофазное 220 В 50 Гн (для пе|х;1атчиков мощностью до 500 Вт); - трсхфатнос 380 В 50 Гц (для переда гшков мощностью свыше 500 В г)
25 КПД (при MER >35 дБ) Пс менее 15%
26 Охлаждение Вомуншое, жидкостное
27 Перестройка параметров вещании передатчика - Ручная (принудительная) - Автоматическая в соответствии с данными, передаваемыми в 1ранспортном потоке (TPS)
Выводы ио ремонтопригодности и надежности оборудования могут- быть
сделаны по результатам долговременного тестирования передатчиков
различных производителей.
10.3.2 Абонентские устройства для приема сигналов эфирного
цифрового ТВ стандарта DVB-T2
Так как для определения границ зон обслуживания одночастотной сети при
различных настройках параметров сети требовалось не только произвести
измерения характеристик принимаемого сигнала, но и оценил, его качество,
было принято решение использовать для этого абонентские устройства
различных производителей. Качество изображения и звука на абонентском
устройстве является индикатором доступности услуги, предоставляемой РТРС
конечному пользователю.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. ~ М: СОЛОН-Пресс
333
Глава 10. Экспериментальное исследование одиочастотной сети стандарта DVB-T2
В связи с этим для различных типов абонентских приемных устройств
проведены измерения параметров принимаемого сигнала в различных точках.
Абонентские DVB-T2 приставки:
- General Satellite GS TE-8S1T,
- Нитах HD-FOXT2,
- TLS2007TSD, «Ставропольский радиозавод «Сигнал», Россия;
- DVB-T2 2011, «Ставропольский радиозавод «Сигнал», Россия (опытный
образец).
Оценка качества принимаемого сигнала приставками производилась во
время натурных испытаний в контрольных точках.
Телевизионные приемники со встроенным DFB-T2 тюнером:
- Panasonic TX-L32E30Y - LED телевизор (Россия);
- Samsung 55D7000 DVB-T2 - LED телевизор (Россия);
- Samsung 32 D 6100 WKDVB-T2 - LED телевизор (Россия).
Здесь LED (Light Emitting Diode - светодиод). Экран LED телевизора
выполнен на основе светодиодной матрицы.
Телевизоры со встроенными DVB-T2 тюнерами проходили испытания в
двух точках:
- в помещении филиала РТРС «Тверской ОРТПЦ» (г. Тверь, ул. Вагжанова,
д.7);
- в помещении РТПС (Тверская обл., лос. Черногубово) па расстоянии 18
км от Тверского ОРТПЦ.
Результаты:
А) Все представленные образцы цифровых приемников DVB-T2
обеспечили прием сигналов DVB-T2 в здании филиала РТРС «Тверской
ОРТПЦ».
Б) При работе в одночастотной сети DVE-T2 цифровые телевизоры
Samsung и цифровая приставка General Satellite GS ТЕ-8511 обеспечшш
надежный прием программ при уровне входного сигнала в 28-29 дБ (мкВ).
В) Цифровые приставки производства ОАО «Ставропольский радиозавод
«Сигнал» (г. Ставрополь) ввиду их низкой чувствительности не смогли
принять цифровой сигнал в одночастотной сети DFB-T2 при уровне входного
сигнала ниже 46 дБ (мкВ).
Г) Абонентская приставка Нитах показала нестабильную работу при
приеме сигнала в режиме модуляции 256QAM при полевых испытаниях.
Д) Приставка «General Satellite ТЕ 8511» раскрывает картинку при более
низкой напряженности поля, чем требования стандарта при следующих
настройках сети: DVB-T2 64QAM, 4/5. Так же абонентская приставка «General
Satellite ТЕ 8511» декодирует сигнал DVB-T2 при более низких уровнях, чем
остальное абонентское приёмное оборудование, подвергавшееся тестированию.
Вывод: Цифровые приемники DVB-T2 российских компаний,
представленные для проведения тестирования (за исключением образцов ОАО
334
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
«Ставропольский радиозавод «Сигнал»), обеспечивают возможность приема
программ цифрового вещания DVB-T2, в том числе в одночастотных сетях.
Однако следует отметить, что всё представленное для испытаний
оборудование является образцами, существующими в единичных экземплярах.
В качестве ориентировочной оценки уровня входной чувствительности
цифровых телевизоров и цифровых приставок DVB-T2 определена величина
28-30 дБ (мкВ).
ЮЛЗ Шлюзы DVB-T2
Для формирования транспортного потока Т2-М1 требуется наличие
специального оборудования его формирования (DVB-T2 шлюз). На испытания
были представлены следующие образцы оборудования:
- Enensys NN6;
- T-ViPS СР560,
-GM1TT2ML4-110;
- GrassValley NetProcessor 9030.
Выводы:
Все представленные устройства имеют возможности формирования и
управления параметрами Т2-М1 потока как в Single PLP так и в Multiple PLP
режимах. Все устройства имеют возможность мониторинга по протоколу
SNMP (Simple Network Management Protocol — простой протокол управления
сетями) и возможность синхронизации от внешнего сервера времени по
протоколу NTP (Network Time Protocol - сетевой протокол для синхронизации
внутренних часов компьютера).
По полноте анализа параметров входных и выходных потоков и удобству
интерфейса управления предпочтительным является T-ViPS CPS60, позволяя
контролировать наличие ошибок во входном потоке, как по названиям
сервисов, так и по РП).
103.4 Измерительное оборудование
Учитывая тот факт, что технологии стандарта D VB-T2 находятся на
начальной стадии киедрения в цифровое телевидение, спектр представленного
на рынке измерительного оборудования является узким. На время проведения
испытаний производителями были предоставлены следующие образцы:
✓ Rohde&Schwarz ETL;
f Televes H.4S;
J Promax TV Explorer Ш)+.
Так как РТРС является оператором связи, использующим измерительное
оборудование в своей деятельности, была проведена сравнительная оценка
представленных образцов по следующим критериям:
- функциональные возможности измерений сигналов стандарта BVB-T2;
- удобство работы.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
335
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
Результаты оценки:
А) Весь парк измерительного оборудования, принимавшего участие в
полевых испытаниях, показал одинаковые значения измеряемых параметров
(CZN, MER, BER, уровень входного сигнала).
Б) Измерительное оборудование Рготах и Televes обладает набором
функций, достаточным для проведения полевых испытаний в сетях DVB-T и
DVB-T2.
В) Измерительное оборудование Rohde&Schwarz обладает более высокой
точностью и более широким диапазоном измеряемых параметров для
применения его при лабораторных испытаниях..
Г) На сегодняшний день нн один из производителей измерительного
оборудования не смог предоставить анализатор транспортного потока Т2-М1.
Этот факт накладывает ограничения на оценку качественных показателей
каналов связи и оборудования формирования транспортного потока.
Вывод: При принятии РТРС решения об использовании стандарта DVB-T2
все указанное измерительное оборудование может быть рекомендовано к
применению при строительстве и эксплуатации сетей цифрового эфирного
т елевизионного вешания указанного стандарта.
10 .4 Проверка работоспособности системы замещения программ в
транспортном потоке Т2-М1 стандарта DVB-T2
Для проверки работоспособности системы замещения программ в
транспортном потоке проводились испытания по четырем направлениям:
V вставка региональных программ;
• V совместимость оборудования различных производи тлей при вставке
региональных программ;
V вставка региональных программ при работе нескольких
радиотелевизионных передающих станций (РТПС);
J проверка работы двух РТПС, транслирующих различный состав
программ.
10.4.1 Вставка региональных программ в стандарте DVB-T2
Проведение тестирования вставки региональных программ проводилось в
соответствии со схемой на рис. 10.1.
В качестве устройства, осуществлявшего замещение программ,
использовался AW6 Edge от компании Enensys, Франция. Па один его вход
подавался T2-MI поток с девятью ТВ программами, на вго]юй вход Т2-М1
поток с одной программой для замещения.
Edge имеет возможность работать в двух режимах: прозрачного
ироключения всех девяти программ с одного его входа на выход, либо
замещение необходимого количества исходных программ (при тестировании -
одной) программами со второго входа.
336
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
10.4.2 Совместимость оборудования различных производителей при
вставке региональных программ
Совместимость оборудования различных производителей тестировалась на
примере схемы рис. 10.1. В качестве 72 Gateway #1 использовался СР560 от
компании T-Vips, Норвегия, в качестве Т2 Gateway #2 использовался NN6
Edge от компании Enensys.
10.4.3 Вставка региональных программ при работе нескольких
радиотелевизионных передающих станций
Тестирование решения при использовании двух РТПС проводилось в
соответствии со схемой рис. 10.2. На устройства регионального замещения
программ (Edge #1 и #2) подавались идентичные сигналы программ со шлюзов
(Т2 Gateway #7 а #2). Проверялись оба режима работы: прозрачного
проключения исходных программ, а также замещение.
10.4.4 Проверка работы двух радиотелевизионных передающих
станций, транслирующих различный состав программ
Тестирование указанного режима проводилось в соответствии со схемой
рис. 10.2. При этом одно из устройств регионального замещения программ
(Edge HI) было настроено иа прозрачное проключенис исходных программ, а
второе устройство (Edge #2) - на режим замещения одной программы (О’).
Рисунок 10.1 - Схема тестирования системы замещения программ в
транспортом потоке Т2-ЛН
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
337
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
Рисунок 10.2 - Схема тестирования системы замещения прохрамм
в транспортном потоке T2-MI при использовании двух РТПС
При использовании ненаправленной приемной антенны два независимых
приемных устройства обеспечивали качественный прием
телевизионных программ.
Выводы:
1. Проверена и подтверждена возможность обеспечения вставки
региональных программ с использованием оборудования Edge от компании
Епеппух, Франция.
2. Обеспечение регионализации программ выполнено в соответствии со
стандартом ETSI TS 102 831, что обеспечивает возможность использования
оборудования третьих производителей в качестве шлюзов Т2 Gateway.
3. Проверка работы двух РТПС показала возможность реализации
вещания региональных программ с использованием заявленной технологии в
пределах одночастотной сети.
4. Возможность работы приемных устройств в условиях трансляции
различного состава про)рамм в пределах одночастотной сети является
отличительной особенностью стандарта DVB-T2, Применение данного режима
дает дополнительные возможности по организации локального вещания
программ на отдельно взятой РТПС. Дальнейшее тестирование должно
состоять в использовании различных видов модуляции при замещении
программ, а также тестирования качества приема абонентскими устройствами
при использовании направленных эфирных приемных антенн.
338
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастной сети стандарта DVB-T2
10 .5 Методика экспериментального исследования одночастной сети
стандарта DVB-T2
103.1 Методика подготовки измерительного оборудования
к исследованию
Испытания провелись специалистами РТРС, ФГУП НИИР, ЗАО
«МНИТИ» и Rohde&Schwarz. В испытаниях были задействованы две
подвижные измерительные радиолабораторин ФГУП НИИР и филиала РТРС
«Тверской ОРТПЦ» (рис. 10.3).
Испытания проводились в следующих районах:
1. Северное направление от г. Твери.
2. Юго-западное направление от г. Тьери.
3. Юго-восточное направление от г. Твери.
4. Тверь (городская застройка).
В состав измерительного комплекса каждой радиолабораторин входили:
- калиброванная измерительная антенна с кабелем;
- телескопическая мачта;
- измерительный приемник R&S ETL;
— тостовая приставка «General Satellite ТЕ 8511»;
— телевизор.
Рисунок 10.3 - Подвижные измерительные радиолабораторин филиала РТРС
«Тверской ОРТПЦ» и ФГУП НИИР
Схема подключения измерительного оборудования внутри подвижной
радиолабораторин представлена на рис. 10.4.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
339
Г лава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
Рисунок 10.4-Схема подключения измерительного оборудования
при испытаниях
Испытания проводились на ОЧС. состоящей из двух передатчиков.
Характеристики передатчиков приведены в таблице 10.3.
Таблица 10.3 - Характеристики передающих станций
Исрз-лаюшня спишия №1 Щ-релякииак clauin» №2
Мссгоиахождеиие г. Тверь, ул. Вмжашва. д. 7 г. Тисрь. ул. Володарского. л ЗЯ
Коордвнагы NJ^Sl'K’.EOJTSS’Sr N 56’5 Г27“. 1-035*55'00“
Маии«и.тъ прл 100 Hr 100 Иг
Тнп ангшщ Знпяг-4 Ahien:i. 2 яруса
КУ (кредпюшей энтсимы. дЯл Л",,» «аз» а| ft dfit)
Иогсри В ||»>ЛС|Н.- 4.Х дБ 1.1 дБ
Въдогэ nojuwca 12Эы К2м
Лшмугы иаправл- :шгсин i Кимры пенила нею нрл пленная
Калибровка антенн
Так как предполагалось, что часть измерений будет проводиться без
участия подвижной измерительной [тадполаборатории ФГУП КИИР, то перед
началом проведения измерений была проведена калибровка измерительной
антенны филиала РТРС «Тверской ОРТПЦ» (см. рис. 10.5).
Имея известные характеристики для приемной антеппы Ф]"УП НИИР. был
вычислен коэффициент калибровки путем сравнения измеренных уровней
сигнала па одном и том же измерительном приемнике. Результаты калибровки
оказались следующие
- коэффициент калибровки антенны ФГУП НИИР: 18 [дБ (1/м)];
- коэффициент калибровки антенны филиала РТРС «Тверской ОРТПЦ»:
15 [дБ (1/м)].
340
Цифровое телевидение/ В.Л Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 10. Экспериментальное исследование одиочастотной сети стандарта DVB-T2
Рисунок 10 5 - Проведение калибровки антенн
10.5.2 Методики экспериментальной оценки границ зол обслуживания
Рассмотрим методику на примере измерений, проводимых в северном
направлении от передающей станции в 7 контрольных точках (см. рис. 10.6).
Источником сигналов в эфире был передатчик RoMe&Schmarz (передающая
станция №1). который работал в режиме DVB-T2, 64QAM 4/5, 32k, G1 3/16.
Качество принимаемого стнала оценивалось по качеству вилеошображення,
воспроизводимого приставкой «General Satellite ТЕ 8511».
В каждом месте приема проводились измерения параметров принимаемого
сигнала HVB-T2 (уровень, ВЕК, МЕК). Для определения типа капала приема
(Гаусса, Райса, Ренея) вычислялось стандартов отклонение от амплитуд
несущих в спектре сигнала, и соответствии с рекомендацией ITU-R.SM /875-0:
V л-1
где:
и - количество отсчетов в спектре.
Е)... Р„ - значения отсчетов в спектре,
I
Р^Рг+Р^...Рп
/4~ —--------------
П
— среднее арифметическое значение.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М СОЛОН-Пресс
341
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарт DVB-T2
Рисунок 10.6-Места проведения измерений
в северном направлении
По о»р оценивался тип канала приема (см. таблицу 10.4). После чего
вычислялась поправка С„ к измеренной напряженности поля
Гауссовския канал:
Принимается только сипит
передатчика, который находится
на липин прямой видимости. Не
принимаются отраженные
сигналы и излучения в
совмещенном канале.
В результате спектр OFDM
имеет прямоугольную форму.
Стандартное огхлонение
Таблица 10.4-Тип канала п|М(сма.
342
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
амплитудно-частотных
характеристик в ширине полосы
канала а,р находится в
диапазоне от 0 до 1 дБ.
Райсовский канал:
Кроме прямого сигнала
принимаются также несколько
меньших сигналов в
совмещенном канале и
отраженные сигналы. Спектр
OFDM несколько изменяется по
амплитуде с изменением
частоты. Стандартное
отклонение амплитудно-
частотных характеристик в
ширине полосы канала asp
находится в диапазоне от I до
ЗдБ.
Релеевский канал:
Принимаемый сигнал состоит
только из отраженных сигналов
и компонентов сигналов разных
передатчиков, работающих в
совмещенном канале.
Доминирующий прямой сигнал
не принимается. Спектр OFDM
имеет значительные
возмущения. Стандартное
отклонение амплитудно-
частотных характеристик в
ширине полосы канала <тч,
значительно превышает 3 дБ.
Поправочный коэффициент С„ к напряженности поля определялся по
формуле:
Со -
Rayleigh
2
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
343
Глава 10. Экспериментальное исследование одночасто гной cent стандарта DVB-T2
GW*n*e* и C/N<jt.„ - значения С/Л, соответственно для канала приема Гаусса
и Редея;
Огибающая спектра принимаемого сигнала считывалась с помощью
специального программного обеспечения с измерительного приемника R&S
ETL в память компьютера. Скриншот с экрана компьютера представлен на
рисунке 10.7.
Рисунок 10.7 - Скриншот с экрана компьютера
(здесь сц, = 1, 79 дБ - канал Райса).
Таблица 10.5 - Результаты измерений
1 1* i Paeri«Muw«. кп Цпордипдть мест измсроацй Ъ'ГСФспи ОИМЫВ. дБмкВ IbMK'lX'lMTht ИвЧр«»С1ЯНН-ь ЖМИ. iibnikU.'M П<*(рм»л s )рсат»ю пн мк». 1 k5n«Mp*MiniiMn« нвлряжеаицкчь 1НЫИ. ДГ'МКН'П К<т«ффштент тнипоа. но бигам ж» 1X11 «шибок <МНКК 1Б
1 М N М.-54Ч4.Г М.0 79.0 •1.6 П.4 и 1</'“ ш
2 13 Н MWBtr k ЗГ59Ч14.О" -ЧД 71.7 •и 69.9 0-11Г"* М3
3 112 N 56*57’14.7“ ь uwsztr ИЛ 50.1 •19 од S.9-WT* юл
4 13.3 N ДОГМ-Г ЕЗбЧ»Г25Г 312 47.2 •13 44.7 ИЛ1Г* IX.8
5 IM N 5^09’566" Г. 1Г ил -29 37.9 - -
6 21.7 N 57W002 Г. 4*05 01.0м 21Л 42.6 •19 39.7 - -
7 2JQ NSTWHU- t .war 2X3 ЗЮ -3 ЗМ - -
344
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Г лам» 10. Экспериментальное исследование олиочастотной сети стандарта DVB-T2
Дальнейшим этапом являлось определение границы зоны покрытия вдоль
выбранного направления:
- в тюле координатных осей Е(К) наносят точки, соответствующие
измеренным значениям напряженности пазя сигнала;
- находят вид кривой, которая определяет усредненное (медианное)
сглаженное распределение напряженности поля вдоль данного направления. В
данном случае использовалась модель: «Log-distance path loss model» (см.
например. Theodore .S. Rappoport, Wireless Communications: Principles and
Practice, Prentice. Hall. 2002);
- проводят горизонтальную прямую, соответствующую требуемой
точка пересечения с построенной кривой определит радиус реальной на
момент измерений зоны покрытия по данному направлению (см. рнс. 10.8).
Расстояние, нм
Рисунок 10.8- Пример нахождения границы зоны покрытия
без учета типа канал приема
Для нрнсгавкн «General Satellite ТЕ 8511» порог напряженности поля для
данного режима был около .49-40 дЕмкВ/м. Определяя по полученному
графику границу зоны покрытия 1иы вероятности охвата 50% мест и 50%
времени для приставки «General Satellite ТЕ 8511» получим радиус границы
зоны обслуживания в данном направлении -23 км (рнс. 10.8).
Для сравнения рпсчспюй и измеренной зоны покрытия необходимо
учитывать тип капала приема и использовать уже нормированную на канал
Редея напряженность поля (см. ITU-R.SM 1875-0). Поданных! из таблицы 10.5
получим график, показанный па рисунке 10.9. Так как напряженность поля
уже нормировала »а канал приема Релем, то и минимальная медианная
напряженность поля тоже должна считаться для канала Редея. Для режима
ZJEB-72, 64QAM 4/5, 32к минимальная медианная напряженность поля для
релеевскосо канала приведена в таблице 10.6.
Цифровое телевидение/ ВЛ Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
345
Гnua 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
Таблица 10.6 - Минимальная медианная напряженность поля для канала
_________________Рслея для DVB-T2 64QAM 4/5.
Вероятность мига мест, % Минимальная медианная напряженность поля, дБ (отн. 1 мкВ/м)
50% 48
70% 51
95% 57
Рисунок 10.9 - Пример нахождения границы зоны покрытия
для различных процентов вероятности охвата мест приема
Найденные расстояния до границы зоны покрытия прияедеиы в таблице
10.7.
Таблица 10.7 - Расстояние до границы зоны покрытия в северном направлении
от передатчика
Вероятность охвата мест, % Мимммял1гМйя медианная напряженное! 1. пола, дБ (отн. 1 мкВ/м) Расстояния до границы эоны покрытии, км
50% 48 -155
76% 51 -14
95% 57 -12
346
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 10. Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта DVB-T2
10.6 Выводы
1. Проведенные испытания являются частью подготовки к работам по
переходу цифрового телерадиовещания РФ к технологиям стандарта DVB-T2.
2. Для успешного перехода к стандарту второго поколения
телерадиовещания DVB-T2 необходимо решить ряд теоретических и
практических задач:
- выбор и обоснование режима модуляции и код овой скорости;
- оптимизация параметров сжатия цифрового потока и определение
требований к качеству передачи телевизионных программ для комфортного
просмотра;
- разработка требований к передающей аппаратуре стандарта DVB-T2;
- разработка требований к абонентскому приемному оборудованию стандарта
DVB-T2,
- выбор и обоснование критериев наличия уверенного приема;
- разработка методики оценки границ зон покрытия передающих станций
ОЧС с учетом специфики режимов нового стандарта, а также интерференционных
явлений;
- разработка методики проведетшя измерений в «мертвых зонах», в зонах
интерференции, в зонах, где еегь расчепиые или экспериментальные данные о
помехах;
- разработка методики корректной настройки ОЧС стандарта DVB-T2\
- оценка качества приема в различных климатических и географических
условиях;
- оценка качества приема в режиме MISO по сравнению с режимом SJSO.
3. Решение поставленных задач может быть успешным при проведении
теоретических и экспериментальных исследований одиочастотных сетей цифрового
телерадиовещания и обобщении опыта исследований отечественных и зарубежных
специалистов.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
347
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
11 Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Переход в телевидении от аналоговых к цифровым технологиям приводит
к появлению новых методов проверки качества и надежности вещания.
В этом разделе будут описаны контроль качества и проблемы систем
управления, с которыми сталкиваются операторы цифрового вешания, а также
устройства мониторинга, разработанные для решения этих проблем.
11.1 Мониторинг качества в цифровом телевидении
В аналоговых телевизионных сигналах видео н звук представлены в виде
непрерывного диапазона значений, причем число состояний можно принять
равным бесконечности. Незначительные отклонения от номинала в канале
распределения или передачи этих сигналов могут вызвать заметные
ухудшения изображения или звука. Качество неуклонно снижается по мере
ухудшения работы канала.
Специалисты аналогового вешания выявляют неполадки в канале нутом
простого визуального контроля изображения па экране контрольного
монитора, принимающего передаваемый сигнал. По мере приобретения опыта
эти специалисты могут классифицировать тин и уровень неполадки и
предпринять соответствующие действия прежде, чем качество снизится до
неприемлемого уровня. Контрольно-измерительное оборудование лишь
добавляет точности этому методу контроля качества.
В цифровых телевизионных сигналах информация о видео и звуке
представлена в виде дискретных наборов величин, которые могут принимать
лишь вполне определенные значения. Минимальные ухудшения условий
распространения и передачи сигнала в канале обычно не оказывают заметного
влияния на качество изображения или звука. Качество остается высоким до тех
пор, пока ухудшение работы капала не достигнет критической точки. В этот
момент качество моментально падает до недопустимого уровня.
Поэтому инженеры, обслуживающие системы цифрового вещания, не
могут визуально выяви ть неполадки, возникающие в канале передачи. Все, что
они могут сделать - эго отреагн|ювать на факт резкого снижения качества
после того, как этот факт будет иметь место. А значит, операторам цифрового
вещания необходимы такие методы измерений, которые позволяли бы выявить
возникающие в канале передачи проблемы до того, как произойдет ухудшение
качества видео и звука.
Контрольно-измерительная техника, способная выявить неполадки до того,
как они окажут заметное влияние па качество, помогает вещателям достичь
того же уровня достоверности при цифровом вещании, который имеет место
при аналоговом вешания. Эти устройства мониторинга называются
мониторами достоверности, а системы, построенные на их основе, -
системами мониторинга достоверности. Требования к устройствам и
системам мониторинга достоверности, рассчитанным на применение в сфере
348
Цифровое телевидение/ B.JI. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
цифрового телевизионного вешания, разработаны исходя из проблем, с
которыми приходится сталкиваться вещателям при использовании систем
управления и контроля качества.
11.1.1 Система управления цифровым телевизионным вещанием
Поддерживая конвергенцию систем распределения видео, голоса и данных,
процесс перехода от аналоговых технологий к цифровым оказывает влияние и
на систему управления цифровым телевизионным вещанием. Операторы
цифровых телекоммуникационных сетей получают новые источники доходов,
предлагая вещателям услуги распределения информации, а вещатели могут
пользоваться этими услугами, чтобы снизить свои эксплуатационные расходы.
Однако это усложняет процесс обеспечения качества, поскольку в цепи
распределения сигнала появляются новые дополнительные звенья. Например,
если одна компания передаег контент другой, то вещателю приходится
полагаться в вопросах сохранения качества на то, что эти две компании
полностью выполняют свои обязательства.
Конвергенция технологий отличается также новыми подходами к
управлению системой. Многие вещатели полагаются на технологии
управления, сходные с теми, что применяются в централизованных системах
управления телекоммуникационных предприятий. Эти системы используют
сетевые устройства мониторинга соответствия, которые могут выдавать
отчеты о состоянии и посылать сигналы оповещения в центр управления
видеосетью по стандартным коммуникационным протоколам.
Эффект цифрового срыва (digital cliff effect), увеличивающееся число
стыков и новые подходы централизованного управления являются факторами,
влияющими на характеристики систем мониторинга достоверности в
цифровом телевидении. Решения по мониторингу достоверности должны
также решать проблемы контроля качества, возникающие вследствие
многоуровневой с труктуры систем цифрового телевидения.
11.1.2 IYI ногоуровиевый монит оринг достоверности
В аналоговых телевизионных системах каналы распределения и передачи
можно рассматривать как последовательность этапов обработки аналогового
сигнала. С переходом к цифровым технологиям вещатели могут использовать
цифровую обработку сигналов и технологии цифровой обработки данных для
повышения качества и эффективности своих вещательных сетей.
Следовательно, каналы распределения н передачи в цифровых телевизионных
системах предусматривают последовательности этапов цифровой обработки
ситалов и цифровой обработки данных (рис. 11.1).
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
349
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Рисунок 11.1 - Уровнсвая модель цифрового
телевизионного вешания
Чтобы лучше понять, как эти этапы связаны между собой и как они влияют
ня качество вешания, представим их в виде многоуровневой модели (рис.
11.2).
В частности, мы можем использовать для моделирования системы
цифрового телевизионного вещания три уровня.
Уровень форматирования
Здесь провайдер телевизионного контента создает и форматирует видео и
звук так. чтобы вешатель мог доставить их к пот|>е6игелю. Обработка енгоала
на этом уровне включает:
- оцифровку, дискретизацию и форматирование, необходимые для
создания цифрового телевизионного сигнала;
- преобразование из одного цифрового формата в другой;
отображение цифрового сигнала на телевизионном приемнике или
мониторе.
Уровень компрессии
На этом уровне провайдеры контент и вещатели осуществляют сжатие
контеига и его подготовку к хранению, распределению или передаче.
Обработка сигнала на этом этапе предусматривает сжатие видео и звука.
Обработка данных здесь включает:
- мультиплексирование программ и системной информации в единый
поток данных;
- фрагментацию этого потока в пакетный протокол;
- извлечение программ из пакетов для декодирования.
350
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Компрессия
Распространение * Л
Рисунок 11.2 -Уровневый мониторинг
Уровень распределения
J !а этом уровне веща гели обрабатывают контент для распределения ло
локальным сетям или доставки его к потребителю посредством систем
цифровой передачи телевидения. Обработка сигнала здесь производится ни
основе технологий модуляции ВЧ-иссушей цифровыми сигналами Обработка
данных включает
- применение алгоритмов коррекции ошибок;
- форматирование, необходимое для встраивания контента в протоколы
коммуникации сети, применяемые для локального распределения.
Проблемы контроля качества на каждом из уровней
Добавление цифровой оСцкЮсл ки сю нала и данных к процессу цифрового
вещания вызывает появление полых источников ошибок. причем на каждом
уровне имеют место различные тины ошибок.
На уровне форматирования вещатели часто сталкиваются с проблемой
работ ы с большим числом новых ^юрматов, хак для стандартного телевидения,
гак н для ТИЧ. Ках и в шталоплюм телелиденни. операторы должны
обеспечить достоверную калориметрию и проверить соответствие стандартам
Кроме того, может возникнуть необходимость в преобразовании одного
формата в другой, например, понижающее преобразование ТВ7-контента для
вешаиия и стандартном разрешении. Эти преобразования могут повлечь за
собой ошибки. Помимо этого, раздельная обработка цифровых видео и звука
может вызвал» проблемы с синхронизацией.
На уровне компрессии вещатели имеют дело с технологиями, которые
существенно отличаются от любых, используемых в аналоговом телевидении.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М. СОЛОН-Пресс
351
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Компрессия приводит к появлению совершенно новых дефектов качества,
так называемому, блокинг-эффекгу или блочному шуму. Ошибки могут
возникать в процессе комплексной обработки при мультиплексировании
программ и системной информации в единый поток данных. Ошибки
синхронизации и согласования во времени могут нарушить процесс
декодирования, что приведет к заметному ухудшению качества.
На уровне распределения операторы сталкиваются с уже знакомой ВЧ-
гехнологией в передающих сетях. Однако эти системы используют иной тип
модуляции, чем обусловлено появление новых трудностей в понимании
вопросов покрытия и интерференции. Для внутреннего распределения
вешатели все более полагаются на телекоммуникационные технологии, где
имеют место проблемы задержки, потери пакетов и синхронизации.
11а иугц от источника к потребителю программный контент обычно
проходит все эти системные уровни многократно. Переходы между уровнями,
например, преобразование некомпрессированного цифрового видео на уровне
форматирования в компрессированное на уровне компрессии могут
существенно изменить исходную цифровую информацию. Дополнительная
обработка, необходимая для перемещения информации между уровнями,
увеличивает вероятность ошибок качества ггри переходах.
Болес того, ошибки из одного уровня могут привести к их появлению и в
другом, в некоторых случаях маскируя изначальный источник ошибки.
Например, блочный шум может возникнуть из-за проблем па этапе сжатия
(уровень компрессии) либо как следствие неисправленных битовых ошибок в
приемнике (уровень распределения). Точно так же ошибки передачи могут
возникнуть из-за сбоев на этапе модуляции (уровень распределения) либо из-
за изменения скорости потока при подаче его от мультиплексора в цепочке
«студия - передатчик» (уровень компрессии).
Распределенный многоуровневый мониторинг достоверности
Системы мониторинга достоверности для решения проблем контроля
качества и управления системой, описанных выше, должны обладать
следующими характеристиками:
- соответствующим уровню зондированием, позволяющим выявить
различные типы ошибок в цифровой телевизионной системе;
- возможностью многоуровневого мониторинга, дающего вещателям
возможность быстро локализовать источник ухудшения качества;
- расширенными возможностями мониторинга, обеспечивающими
оператора развитой системой оповещения об ухудшении работы системы
прежде, чем возникнут серьезные проблемы с качеством;
- возможностью сетевого управления.
Если говорить о системе мониторинга достоверности, то каждое
устройство, входящее в систему, можно рассматривать как зонд,
352
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
производящий мониторинг качества в определенной точке определенного
уровня в цепи распределения и передачи. Вещателям необходимы зонды
различных типов, чтобы осуществлять контроль разных уровней.
На уровне форматирования цифровые осциллографы помогают операторам
выявлять большое число проблем, влияющих на качество. Как и их аналоговые
собратья, эти приборы позволяют оценить параметры видеосигнала, но уже
цифрового. Они входят в более широкий ассортимент зондов для уровня
форматирования, включающий также аудиомониторы, мониторы качества
изображения для выявления блочного шума и других дефектов, а также
измерителей задержки видео и звука.
Основные этапы обработки и технологии, используемые на уровне
компрессии, определяет стандарт MPEG. Операторам нужны мониторы
протокола MPEG, способные выявлять проблемы на основных этапах MPEG-
обработки, а также на дополнительных этапах, определяемых вещательными
стандартам» DVB, базирующихся на MPEG.
На уровне распределения специалистам необходимы приборы для
выявления проблем качества в различных каналах распределения и передачи.
Приборы этой группы включают устройства для мониторинга ВЧ-передачи по
стандартам DYE, ATSC или 1SPB. Сюда же входят зонды для мониторинга
информации, передаваемой по кабельным или волоконнооптическим сетям.
11.1.3 Многоуровневый мониторинг
Для того чтобы удостовериться (то есп> выполнить мониторинг
достоверности), что все звенья производственной цепи работают правильно и
эффективно, вещателям, в общем случае, необходимы зонды на всех уровнях
(рис. 11.3). Проверка только одного уровня может дата искаженную картину
работоспособности системы.
При аналоговом вещании качество изображения проверялось простым
визуальным контролем на приемном мониторе. Это и есть мониторинг на
уровне форматирования. Предоставляя существенную информацию о
работоспособности системы при аналоговом вешании, такой способ в случае
мониторинга MFEG-протокола или ВЧ-передачи способен обеспечить лишь
частичную информацию. Чтобы получить полные данные о качестве системы
н быстро выявить и локализовать проблемы с качеством, операторам нужны
системы многоуровневого мониторинга достоверности.
Расширенные возможности мониторинга
Зонды мониторинга достоверности можно также разделить по уровню
мониторинга, заложенного в них. Базовые мониторы достоверности позволят
оценить небольшой набор ключевых параметров качества. Они работают как
аварийная лампа-индикатор, сообщая оператору о том, что произошло что-то
неладное.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
353
Глава 11. Технологи» эксплуатации сетей цифрового телевидения
Протокол управления проводной свтьо (SNMP)
Рисунок 11.3 - Многоуровневая модель мониторинга
цифрового телевизионного вешания
Однако базовые мониторы достоверности нс обеспечивают комплексного
решения. Хотя они и позволяют веч ид гелю расширить возможности
реагирования на возникающие проблемы, по нс предоставляют информации,
необходимой для локализации точек их возникновения до того, как качество
снизится до критического уровня. Мониторы достоверности с расширенными
возможностями применяют более сложный алгоритм апапнза, выполняя
дополнительные измерения параметров качества. Они работают как
измерительные шаблоны, сообщая оператору о начале возникновения
проблем.
В качестве хорошего примера этих различии можно привесги мониторинг
ВЧ-персдачи. Базовые ВЧ-мониторы достоверности измеряют уровень
битовых ошибок (RE IV). Этот показатель будет оставаться низким до зех пор,
пока передача нс достигнет уровня цифрового срыва, а затем резко возрастет
во время аварийного прекращения передачи. Это измерение дает оператору
лишь немногим больше времени для реагирования, чем в случае простого
визуального контроля передачи на мониторе.
ВЧ-мониторы достоверноегн с расширенными функциями выполняют
дополнительные измерения, такие как отношение ошибок модуляции или
величина вектора ошибок Эти значения существенно меняются по мере
ухудшения работы системы, предоставляя операторам своевременную
информацию о вероятности возникновения проблем и возможность
предпринять соответствующие действия по регулировке действующей
системы или переходу ни резервную систему.
354
IХифрокое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Сетевое управление
Система управления также нуждается в мониторинге соответствия.
Вешателям часто нужно отслеживать точки, географически удаленные друг от
друга (рис. 11.4). Например, вещатель, получающий входящие потоки по
телекоммуникационной сети, может захотеть установить зонды мониторинга
достоверности в точке расположения оператора сети.
Рисунок 11.4 — Мониторинг вещательной сети
Такие распределенные зонды нуждаются в сетевой поддержке, чтобы они
могли передавать отчеты о статусе и предупреждения в центр управления.
Программное обеспечение мониторинга сети может осуществлять корреляцию
этой информации, что поможет инженерам идентифицировать источник
проблем качества.
11.1.4 Физические и экономические факторы моинтприиг»
достоверности
Физические размеры (габариты) оборудования и его цена являются
традиционными «фак торами, которые необходимо учитывать при создании
систем мониторинга достоверности. Большие модульные системы могут
хорошо работать в центральных узлах с большим количеством сигналов и
мультнплсксироватптых потоков, тогда как малые одноканальные зонды будут
более эффективны в удаленных точках, например, в местах установки
передающего оборудования. Веша гели, занимающиеся мобильными
телевизионными приложениями, могут* нуждаться в портативных системах, а
бригады установки и обслуживания требуют ручных зондов мониторинга
достоверности.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М. СОЛОН-Пресс
355
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
В заключении необходимо отметить следующее.
Из-за явления цифрового срыва вещатели более не могут выявлять
проблемы качества путем простого визуального наблюдения транслируемого
сигнала и нуждаются в системах мониторинга достоверности. Объединение
аналоговой и цифровой обработки сигнала с цифровой обработкой данных
приводит к появлению многоуровневых цифровых телевизионных систем,
обусловливая необходимость в многоуровневых системах мониторинга
достоверности, в состав которых входят уровнсвые зонды для быстрого
выявления и локализации проблем качества.
Для этих систем нужны расширенные возможности мониторинга,
способные помочь вещателям выявлять причины ухудшения работы систем до
того, как качество упадет ниже допустимого уровня. Эти системы также
должны быть обеспечены зондами с сетевой поддержкой, выполненными в
различных размерах, чтобы интегрировать их в любую систему управления.
По мере перехода от аналогового к цифровому телевидению вещатели
будут все больше опираться на эти распределенные многоуровневые системы
мониторинга достоверности, чтобы обеспечить оптимальную эффективность
своих распределительных и передающих сетей.
Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения во многом
определяется возможностями передающего, приемного и контрольно-
измернтелыюго оборудования. Учитывая решение Правительства РФ и
комиссии по развитию телерадиовещания государственной компании ФГУП
РТРС от 7 мюля 2011 года о переходе на второе поколение цифрового
наземного телерадиовещания ZHKB-72, рассмотрим специфику оборудования
компаний и предприятий, принимавших участие в экспериментах на базе
филиала РТРС «Тверской ОРТПЦ» (см. главу 10) в августе 2011 года.
11.2 Оборудование ООО "НПП Триада-ТВ"
Предприятие «НПП Триада-ТВ» создано в 1992 году в городе
Новосибирске группой инженеров и научных работников,
специализирующихся в области ВЧ техники, телерадиовещания.
Основной специализацией предприятия является производство
оборудования для телевидения и радиовещания, а именно:
- передатчики ТВ аналоговые мощнос тью до 25 кВт;
- передатчики УКВ и FM мощностью до 5 кВт;
- цифровые передатчики DVB-T, DVB-T2 мощностью до 5 кВт;
- устройства сложения мощностей передатчиков (мосты).
Производимое на предприятии оборудование предназначено для работы в
сетях телерадиовещания. Все цифровые передатчики поддерживают стандарты
первого и второго поколений.
356
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
11.2.1 Передатчик Полярис ТВЦ-100 DVB-T2
В частности, передатчики модели Полярис ТВЦ-100 DVB-T2 прошли
испытание в составе одночастотной сети в г. Твери (см. главу 10).
Все передатчики имеют встроенные GPS/GLONASS приемники с
двухрежимными антеннами для обеспечения синхронизации при работе в SFN
сети. Оборудование имеет интерфейсный разъем Ethernet для подключения к
системе мониторинга.
Передатчик Полярис ТВЦ-100 DVB-T2 (рис.11.5,11.6) построен на основе
цифрового формирователя COFDM сигнала с последующим широкополосным
линейным усилителем мощности на нолевых MOSFET транзисторах [9]
BLF8S1 и MRF 6VP3450. У си л тел ь содержит цифровой предкорректор
нелинейности. Имеется зашита по высокой частоте от рассогласования с
антенной. На выходе передатчика включен полосовой фильтр,
обеспечивающий требуемое подавление внеполосных излучений.
Основные технические характеристики:
- потребляемая мощность не более 520 Вт;
- размеры формирователя 482x350x1 U; усилителя 482x550x211;
- допустимая температура от +5 до +45 град. С;
- номинальная мощность (после фильтра) 100 Вт;
- управление местное, дистанционное (WEB интерфейс, SNMP).
Рисунок 11.5 - Структурная схема пс|>едатчика
Полярис ТВЦ-100 DVB-T2
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
357
Глава II. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
• 1Ш1Н ЯИ ~ в§а 1IIII ?
-т-а 11111111111111111111111.
j . nnmiRiiiminii 1111!11111111!111П111/
Рисунок 11.6- Передние панели формирователя ТВЦ и усилителя
мощности передатчика Полярис ТВЦ-100 DVB-T2
11.2.2 Ретранслятор Polaris GF10
Ретранслятор Polaris GF 10 (рис. 11.7) предназначен для расширения
области приема сигналов DVB-T, DVB-T2 и для усиления сигналов в
затененных областях приема.
Для увеличения мощности сигнала и борьбы с нестабильностью,
вызванной связью между приемной и передающей антенной используется
алгоритм цифрового эхоподавления.
Основные технические характеристики'.
— диапазон уровней входного сигнала -65...-20 дБм;
— мощность выходного сигнала 10 Вт;
— потребляемая мощность нс более 220 В г,
- допустимая температура от +5 до+45 град. С;
- управление дистанционное: WEff-интсрфсйс, SNMP агент.
11.2.3 Система мониторинга сети ТВ вещания
Система мониторинги сети ТВ вешания представлена на рис. 11.8, в состав
которой входит блок дистанционного контроля СДК 5. к которому
непосредственно подключается оборудование, установленное па передающих
центрах (рис. 11.9).
Блок СДК5 предназначен для дистанционного мониторинга параметров
устройств передающего центра. Блок имеет встроенный журнал событий и
позволяет отслеживать текущее состояние подключенных устройств, а также
вести историю событий.
Этот блок представляет собой промышленный компьютер, программное
обеспечение которого включает приложения сбора данных от подключенных
устройств. SNMP агента. WEB сервера.
358
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛО!1-Пресс
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Рисунок 11.7 - Структурная схема ретранслятора Polaris GF10
Через Ethernet интерфейс блок дистанционного контроля подключен к
компьютерной сети TCP/IP, к которой также подключены компьютеры
пользователей системы и центральный сервер. С помощью обычного WEB -
браузера пользователи системы могут устанавливать соединение с блоком
дистанционного контроля и получать информацию о текущем состоянии
устройств на передающем центре, управлять работой зтих устройств. Также
доступно получение данных и управление через SNMP протокол.
Центральный сервер служит для непрерывного наблюдения и
архивирования данных о работе оборудования. На каждом передающем центре
блок дистанционного контроля непрерывно запрашивает данные от
оборудования и в случае возникновения неисправности сразу посылает
сообщение на центральный сервер.
Кроме того, на центральный сервер через определенный период времени
передаются данные о наиболее важных параметрах оборудования.
Информация, полученная центральным сервером, хранится в базе данных.
Доступ к этой информации осуществляется через WEB - интерфейс.
Со страницы со списком оборудования на пс]>едающсм центре
пользователь может перейти на страницу одного из устройств. Здесь
выводятся данные об этом устройстве, список сообщений о последних
событиях, произошедших с устройством.
Здесь также выводится таблица с текущими значениями наиболее важных
параметров устройства. Перейдя по ссылке можно посмотреть всю историю
значений конкретного параметра за весь период наблюдения за устройством.
Цифровое телевидение.' В.Л Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
359
Глава II. Технолог тит эксплуатации сетей цифрового телевидения
[устройство N
Сеть связи
ПЦ-N
Передающий центр (ПЦ)
| Устройство 1 [*--
Датчики
(пожар, охрана,
климат)
Рисунок 11.8 - Система мониторинга сети ТВ вещания
Цвитрельньй
сервер
Блок дистанционного
контроля СДК-6
Рисунок 11.9 - Структурная схема блока СДК 5
системы мониторинга
360
Цифровое телевидение/ В JL Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
На странице устройства также есть гиперссылка на встроенный WEB-
сервер устройства. Загрузив страницу со встроенного И®?-сервера,
пользователь может получить полную информацию обо всех параметрах
устройства на текущий момент времени и если имеет соответствующие права
доступа, изменить настройки устройства.
Увеличение количества устройств и передающих центров нс вызывает
существенных трудностей. Процедура подключения нового устройства
заключается в его регистрации в блоке дистанционного контроля и на
центральном сервере. Количество устройств, от которых поступают
сообщения на центральный сервер, ограничено вычислительной мощностью
компьютера, применяемого в качестве центрального сервера, и может
достигать несколько тысяч.
В системе дистанционного контроля используются только открытые
стандартизированные протоколы и интерфейсы (HTTP, SNMP, Ethernet). На
встроенных компьютерах блоков дистанционного контроля устанавливается
операционная система IWnAws ХР embedded. Программное обеспечение
центрального сервера поставляется вместе с исходным кодом. Блоки
дистанционного контроля открыты для установки дополнительного
программного обеспечения, работающего под Windows. Для получения
данных от блока дистанционного контроля используется протокол SNMP.
Все компоненты блока дистанционного контроля (компьютер, коммутатор,
блок питания, модуль сбора данных) имеют промышленное исполнение и
рассчитаны для работы в диапазоне температур от 0 до 60 град. С. Встроенный
компьютер оснащен Watch Dog таймером. В случае зависания любой из
программ происходит автоматическая перезагрузка компьютера.
В блоках дистанционного контроля возможность изменения настроек
оборудования и самого блока защищена паролем. Для доступа к информации
на центральном сервере также необходимо ввести логин и пароль. В случае
передачи данных через общедоступную сеть или Интернет может быть
настроено соединение через частную виртуальную сеть (VPN).
Обычному пользователю системы достаточно навыков работы с WEB-
браузером. Конфигурирование блоков дистанционного контроля и
центрального сервера происходит через ИЖВ-иитсрфейс интуитивно
понятными средствами, обновление программного обеспечения может
выполняться дис танционно.
Система дистанционного контроля построена с применением типовых
компонентов, применяемых для построения компьютерных сетей (Ethernet
коммутаторы, роутеры). Принципы организации сети обмена данными
обычные для компьютерных сетей. В качестве протокола транспортного
уровня используется TCP/IP. Передача данных может быть организована через
сел. Ethernet, оптико-волоконную линию, спутниковый канал, GPRS.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
361
Гяава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
ПЛ Оборудование корпорации Дженерал Сателайт
11-3.1 Производство цифровых ресиверов General Satellite
Корпорация "Дженерал Сателайт" первой в России организовала массовое
производство цифровых телевизионных приставок, как для российского, так и
для международного рынков.
Высокотехнологичные разработки и производство продукции под брендом
General Satellite - важнейшие преимущества корпорации. С 2008 года в г.
Гусев Калининградской области функционирует предприятие по выпуску
цифровых ресиверов, а в августе 2009 года состоялось торжественное
открытие завода ОАО "НПО "Цифровые телевизионные системы" площадью
более 10 тыс. кв.м., в цехах которого на самом современном оборудовании
организован полный цикл производства цифрового радиоэлектронного
оборудования.
11.3.2 Приставка «General Satellite ТЕ 8511»
Цифровая телевизионная приставка «GeneralSatellite ТЕ 851I» (рис. I МО)
успешно прошла испытание в составе одиочастотной сети в г. Твери (см. главу
Ю).
Рисунок 11.10 - Приставка «.General Satellite ТЕ 8511»
Основные технические характеристики:
- функция записи программ на USB-flash ;
- слог для смарт-карты условного доступа PRO Crypt;
- соответствует стандартам DУВ-Т, D УВ-Т2;
- прием ТП каналов в форматах MPEG-4 А УС/Н.264 н MPEG-2;
- компактный размер корпуса;
- возможность обновления ПО ресивера через USB;
- возможность модернизации приемника для работы с системами
условного доступа Сапах или DRE crypt;
- подробный электронный программный гид {EBG) на 7 дней;
— телетекст, субтитры.
Подтверждая свою приверженность к инновационным разработкам,
корпорация Дженерал Сатеяайг производит современные модели
спутниковых, эфирных и кабельных абонентских ресиверов.
362
Цифровое телевидение/ BJ1. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава (I- Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Конструкция, дизайн, технические решения, программное обеспечение и
интерактивные сервисы удовлетворяют международным требованиям,
предъявляемым к абонентским ресиверам такого класса.
Линейка ресиверов под брендом General Satellite в настоящее время
насчитывает более 10 моделей.
11.4 Оборудование компании Enensys Technologies
Компания Enensys Technologies работает с заказчиками, расположенными
в более чем в 35 странах мира.
Созданная техническими и коммерческими специалистами линейка
продуктов компании предназначена для применения в области цифрового
телевидения и нацелена на организацию межсетевого взаимодействия (1Т-
технологии) и реализацию оборудования для телерадиовещания.
Главный офис компании расположен в городе Рейс, Франция - в самом
сердце мирового центра Media & Networks.
11.4.1 Шлюз NN6-T2 Gateway
Шлюз NN6-T2 Gateway (рис. 11.11) применялся при испытаниях в
одлочасготной сети г. Твери для формирования транспортного потока Т2-М1
(см. главу 10).
Шлюз NN6-T2 инкапсулирует транспортный поток DT'B/MPEGZ в
мультиплексор DVB-T2, вставляет данные синхронизации для выполнения
вещания в одиочастотной сети, распределяет данные по различным каналам на
физическом уровне и генерирует пакеты Т2-М1 и IP.
Рисунок 11.11 - Шлюз NN6-T2 Gateway
Характеристика шлюза NN6-T2 Gateway
DVB-T2 иикапсупячшг.
- инкапсуляция в кадры основной полосы;
- полная поддержка режимов обработки BB-frame.
Конфигурирование сета DVB-T2:
- внутриполосное управление модуляторами Г2;
- управление индивидуальной адресацией FEF.
Цифровое тслевнлсиис/ В Л. Карякин - М: СОЛОН-Пресс
363
Глава 11. Технологи» эксплуатации сетей цифрового телевидения
Адаптация SFN:
- интегрированный адаптер SFN\
- поддержка MISO;
- генерация T2-MIP.
Управление PLP:
обработка в режиме Single и MuM-PLP,
- управления типа 1 и типа 2;
- статистическое и динамическое назначение PLP.
Выход Т2-М1:
- генерация пакетов T2-MF,
- /Р-выход;
- вывод оптимизированной полосы частот.
T2Cuartb.
- запатентованное бесшовное переключение 1+1
между двумя шлюзами Т2.
Мониторинг и контроль :
- проверка правильности параметрон DVB-Т2;
- удобный Н'РЯ-пнтсрфейс (GI/7);
- управление пользователем;
— полная поддержка протокола SNMP.
11.4.2 Технология T2Edgc для местных вставок
T2E<lgc компании Enensys является запатентованной технологией (рис.
11.12), которая получает два Т2-М1 потока, совместимых с Multiple PLP и
обновляет или вставляет соде|тжнмос из вторичного Т2-М! потока в основной
Т2-М! поток для создания регионального мультиплекса.
Рисунок 11.12- Технология T2Edge местных вставок
364
Цифровое |елевидсние/ В.Л. Карякин -М: СОЛОН-Пресс
Глава II. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Федеральный контент, основанный на TM-MI потоке, передается во все
регионы для оптимизации пропускной способности сети распределения.
Технология T2Edge. выполняет местные вставки детерминированным
образом, что позволяет обеспечить SFN вещание, не запрашивая опорных
сигналов.
T2Edge так же обновляет таблицы DVB-S1, отображая сервисную
информацию относительно региональных и местных услуг.
Особенности технологии T2Edge
Местная вставка:
- вставка в рсгиональные/локальные сервисы через второстепенный
T2-MJ поток в основной поток Т2-М1 на уровне PLP (PLP замена);
- вставка до трех разных PLP или пулов региональных/местных
сервисов.
Совместимость стандартов:
- ETSi TS 102 773 Г!. 2. Г,
- ETS3EN302 755 V1.2.E
- DVB Bluebook А133.
I) VB-S1 управление:
- обновление информации ST для отображения
региональных/местных сервисов.
Доступность услуг:
- ретрансляционное управление для доставки основного потока
Т2-М1 даже в случае сбоя питания.
Т2-М1 выход:
- генерация пакетов Т2-М1 по ASI
Мониторинг:
простой в использовании ЖЕВ-интерфейс (GVTy,
- полная поддержка стандарта SNMP.
11.5 Оборудование компании Rohde&Schwarz
На российском рынке оборудование Rohde <11 Schwarz появилось с 1957
года. С тех пор, благодаря собственным технологиям и новаторским идеям
сотрудников фирмы, Rohde & Schwarz становится одним из технологических
лидеров для российских заказчиков различных государственных и силовых
структур.
В 1992 году в Москве состоялось официальное открытие российского
представительства фирмы Rohde & Schwarz. В 2005 году начал свою работу
сервисный центр, деятельность которого осуществляется на территории
России и стран СИГ.
В течение 50 лег телерадиовещание является одним из основных
направлений деятельности компании Rohde & Schwarz. Компания является
поставщиком полного ассортимента оборудования для вещания, мониторинга
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
365
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
и измерений. В частности, компания Rohde & Schwarz изготавливает
передающее оборудование, системы мониторинга, контрольно-измерительные
приборы.
В настоящее Время компания проводит активную работу по расширению
функциональных возможностей своего оборудования в связи с решением
перехода на технологии цифрового телерадиовещания стандарта DVB -Т2 в
ряде стран, и том числе в России, Казахстане и Украине.
Учитывая тот факт, что оборудование R&S, удовлетворяющее
требованиям стандарта DVB-T2, находится на стадии опытных образцов в
единичных экземплярах на данный момент времени, в данном разделе
рассмотрим серийное оборудование, которое можно разделить на следующие
группы:
- оборудование формирования транспортного потока MPEG-2 и
сигналов цифрового телевидения - генераторы потока MPEG-2 и тестовые
вещательные системы;
- оборудование для анализа и мониторинга сигналов цифрового
телевидения - измерительные приемники и ТВ анализаторы;
- оборудование мониторинга и анализа транспортного потока MPEG-2:
- оборудование измерения зон покрытия.
Рассмотрим указанное оборудование более подробно.
11.5.1 Генератор-рекордер DVRG потока МРЕС-2
Прибор DVRG (рис. 11.13) предназначен для использования к области
разработки и тестирования цифровою студийного и вещательного
оборудования в качестве источника цифрового сигнала.
Рисунок 11.13 - Генератор-рекордер DVRG
Возможности:
— запись и воспроизведение транспортного потока стандарта MPEG-2 со
скоростью потока данных до 270 Мбит/с (интерфейс ASP):
— наличие синхронного параллельного интерфейса SPJ согласно EN
50063%,
— наличие синхронного последовательного интерфейса SS1 согласно
366
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глаьа II. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
SMPTE310M,
— запись и воспроизведение несжатого цифрового видеосигнала
(цифровой последовательный видео интерфейс SD1 согласно ITU-R
B./.MJ/6S6 SMPTE 259М) со скоростью потока данных до 270 Мбит/с;
- наличие встроенного жесткого диска до 144 Гбайт и специального ПО,
позволяющего формировать пользовательский транспортный поток из
встроенной библиотеки элементарных потоков, а также генерировать
бесконечный транспортный поток;
- наличие встроенной библиотеки транспортных потоков для
телевидения стандартного разрешения;
- возможность установки дополнительных библиотек транстюрптых
потоков в т.ч. для мобильного 13 (РКРИВУ/, РИ-Я264) и телевидения
высокого разрешения (DV-HDTV). — возможность установки пишущего CD-
R/BW привода для записи пользовательских транспортных потоков;
- возможность настройки нестабильности PCR (изменение формы,
частоты и амплитуды сигнала), настройка скорости передачи данных (до 214
Мбит/с), генерация сигналов в формате G7S со специальным содержимым;
- операционная система Н7лЛ»иг ЛТ Embedded и возможность
подключешм внешнего монитора, клавиатуры и мыши;
- дистанционный интерфейс Ethernet JOOBaseT 100 Мбит/с и
специальное встроенное ПО, позволяющее дистанционно управлять и
контролировать работу гепсратора-рсхордсра DVRG.
11.5.2 Телерадиовещательная тестовая система SFU
Система SFU (рис. 11.14) предназначена для использования в качес тве
высококачественного источника телерадиовещательного сигнала любого из
существующих н возможных в будущем аналоговых и циф^ювых стандартов.
Рисунок 11.14 - Телерадиовещательная тестовая система SFU
Возможности:
- генерация любых телерадиовещательных стандартов:
✓ аналоговые телевизионные стандарты: PAL/SECAM/NTSC
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
367
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
B/G, 1, D/К, М, L с возможностью изменения числа звуковых поднесущих
(режимы моно, стерео, ЮСАМ, BTSC);
J цифровые телевизионные стандарты для наземного вещания:
DVB-T/H, T-DMB, DMB-T, DTMB, DMB-TH, ISDB-T, 1SDTV, MediaFLO,
ATSC/8VSB, ATSC/A-VSB,
J цифровые телевизионные стандарты для кабельного вещания:
DVB-C/1SDB-C, J.83/B;
J цифровые телевизионные стандарты для спутникового
вешания: DVB-S/DVB-DSNG, DVB-S2, DirecTV, АМС;
J аналоговые радиовещательные стандарты: AM, FM, RDS-,
J цифровые радиовещательные стандарты: DRM, DAB, 1SDB-
TSB;
- полоса частот 100 кГц — 3 ГГц;
- уровень фазового шума на частоте 1 ГГц при расстройке 20 кГц и
полосе измерения 1 Гн не более -135 дБ/Гц;
- возможность установки встроенного генератора транспортного потока
MPEG-2 и генератора аналогового ТВ сигнала со встроенными библиотеками
сигналов для телевидения стандартного разрешения;
- возможность установки дополнительных библиотек транспортных
потоков для сигналов мобильного ТВ (DV-DVBH, DV-H264) и ТВ высокой
четкости (DV-HDTV);
- наличие дополнительных генераторов сигналов, генераторов помех и
генераторов шумов, позволяющих имитировать любую среду распространения
сигнала;
- возможность измерения битовых ошибок (BER);
- выходная мощность сигнала до +19 дБм;
- встроенный цветной дисплей с разрешением 1024x768 pix (8,4");
- возможно подключения внешнего монитора, клавиатуры и мыши;
- возможность измерения мощности с помощью датчиков измерения
мощности семейства NRP-Zxx;
- операционная система НИшГоив NT Embedded;
- встроенные интерфейсы USB и Ethernet IDOBaseT 100 Мбит/с,
позволяющие легко производить необходимый апгрейд (установку
дополнительных и новых стандартов вещания, библиотек транспортного
потока), а также осуществлять дистанционный апгрейд, контроль и
управление системой.
11.5 Л Телерадиовещательным тестер SFE
Тестер SFE (рнс. 11.15) предназначен для использования в качестве
высококачественного источника телерадиовещательного сигнала любого из
существующих и возможных в будущем аналоговых и цифровых стандартов.
368
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глам I1. Технология эксплуатации се гей цифрового телевидения
Рисунок 11.15- Телерадиовещательный тестер SEE
Возможности:
- генерация любых телерадиовещательных стандартов:
/аналоговые телевизионные стандарты: BAldSECAM/lVTSC B/G, 1,
D/К, М, L с возможностью изменения числа звуковых поднесущих (режимы
моно, стерео, I'ilCAM, BTSCy,
•/цифровые телевизионные стандарты для наземного вещания: D^B-
Т/Н, T-DMB, DMB-T, DTMB. DMB-TH, ISDB-T, ISDTV, MediabLO,
A TSC/8ESB, A TSC/A-VSB4.
Jцифровые телевизионные стандарты для кабельного вещания: DVB-
C/1SDB-C, J.83/B-,
Jцифровые телевизионные стандарты для спутникового вешания:
DVBS/DVB-DSbiG, DVB-S2, DirecTV-,
Jаналоговые радиовещательные стандарты: AM, ЕМ, RDS-,
/цифровые радиовещательные стандарты: DRM, DAB, 1SDB-TSB;
- полоса частот 100 кГц — 2.5 ГГц;
- уровень фазового шума на частоте I ГГц при расстройке 20 кГц и
полосе измерения I Гц не более-115 лБЛГц;
- возможность установки встроенною генератора транспортного потока
MEEG-2 и генератора аналогового ТВ сигнала со встроенными библиотеками
сигналов дня телевндстшя стандартного разрешения:
- возможность установки дополнительных библиотек траиспорппах
потоков для сигналов мобильного ТВ (DE-DEBJ3, DV-H264) н ТВ высокой
четкости [DV-HDTVy,
- наличие дополтпел1.ш.1х генераторов сигналов. генераторов помех и
генератора шумов, позволяющих имитировать любую среду распространения
сипни га;
- возможность измерения битовых ошибок (ВЕВу,
- выходная мощность сигнала до +15 дБм;
- встроенный цветной дисплеи с разрешением 640x480 pix (8,4");
— возможно подключение внешнего монитора, клавиатуры и мыши;
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
369
Глава 11. Техноло1ия эксплуатации сетей цифрового цглсвндсиия
- операционная система Windows NT Embedded',
- встроенные интерфейсы USB и Ethernet JOOBaseT 100 Мбит/с,
позволяющие легко производить необходимый апгрейд (установку
дополнительных и полых стандартов вещания, библиотек транспортного
потока), а также осуществлять дистанционный контроль и управление
системой.
11.5.4 Тестовый передатчик SFE100
Передатчик SFEJ00 (рис. 11.16) предназначен для использования в
качестве высококачественного источника телерадиовещательного сигнала
любого из существующих и возможных в будущем аналоговых и цифровых
стандартов.
Рисунок 11.16- Тестовый передатчик SFE100
Вочл/пмпюстн:
- генерация любых телерадиовещательных стандартов.
S аналоговые телевизионные стандарты: PAL/SECAM/NTSC B/G,
J, D/К, M, L с возможностью изменения числа звуковых поднесущих (режимы
моно, стерео, N1CAM, BTSCy,
'С — цифровые телевизионные стандарты для наземного
вещания: DVB-T/H, T-DMB, DMB-T, DTMB, DMB-TH, 1SDB-T, ISDTV,
Media FLO, ATS C/8 VS В,
/ цифровые телевизионные стандарты для кабельного вешания:
DVB-C/FSDB-C, J.83/B;
•/ цифровые телевизионные стандарты для спутникового вешания:
DVB-S/DVB-DSNG, DVB-S2, DirecTV,
J аналоговые радиовещательные стандарты: AM, FM/RDS;
S цифровые радиовещв|сльные стандарты: DRM, DAB, JSDB-
TSB,
- полоса частот 100 кГц - 2,5 ГГц;
370
Цифровое телевидение/ В.Л Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глав» 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
- уровень фазового шума на частоте I ГГц при расстройке 20 кГи и
полосе измерения 1 Гц не более-115 дБ/Гц;
- возможность установки встроенного генератора транспортного потока
МРЕС-2 и генератора аналогового ТВ сигнала со встроенными библиотеками
сигналов для телевидения стандартного разрешения;
— возможность установки дополнительных библиотек транспортных
потоков для сигналов мобильного ТВ (DV-DVBH, DV-H264) и ТВ высокой
четкости (DV-HDTV)-,
- наличие дополнительных генераторов сигналов, генераторов помех и
генератора шумов позволяющих имитировать любую среду распространения
сигнала;
- возможность измерения битовых ошибок (ВЕК);
- выходная мощность сигнала до +27 дБм;
- встроенный черно-белый ссммстрочный ЖК дисплей;
- возможно подключения внешнего монитора, клавиатуры и мыши,
- операционная система Windows NT Embedded-,
— встроенные интерфейсы L'SB и Ethernet lOOBascT 100 Мбит/с,
позволяющие легко производить необходимый апгрейд (установку
дополнительных и новых стандартов вешания, библиотек транспортного
потока), а также осуществлять дистанционный ашрейд, контроль и
управление системой.
11А5 Тестовый присминк/демодулязор DVB-T EFA40/43
Приемник DVB-T EFA40/43 (рис. 11.17) прелназнячен для настройки л
измерения качественных показателей DVB-Т передатчиков, а также
проведения эфирных измерения цифровых сигналов стандарта DVB-Т и
настройки одпочастогных сетей.
Рисунок 11.17- Тестовый приемник DVB-TEFA40/43
Цифровое телсвилеине/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
371
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Параметры:
- диапазон частот 48 — 862 МГц;
- подавление ПЧ > 100 дБ;
- собственный сигнал/шум > 41 дБ;
- разрешение 1 Гц;
- собственный MER > 40 дБ;
- собственный BER > 0,1 х 10'15;
- чувствительность от -80 дБм до +20 дБм.
Возможность измерения'.
- уровня сигнала;
- отношения сигнал/шум;
- подавления несущей;
- разбаланса амплитуды 1/Q;
- квадратурной ошибки 1/Q;
- смещения частоты;
- смещения скорости передачи;
- модуляционной ошибки (ЛЮ);
- битовой ошибки (BER) до декодера Витгерби, до и после декодера
Рида-Соломона;
- пик-фактора;
- значения эхо-сигнала (макс. 5 сигналов);
- НГВЗ;
- АЧХ;
- ФЧХ;
- возможность отображения точечной диаграммы QPSK, 16QAM,
64QAM, в т.ч. в режиме иерархической модуляции, в режимах 2к и 8к\
- возможность отображения спектра DVB-Т сигнала;
- возможность установки декодера MPEG-2.
Все измерения производятся в реальном масштабе времени.
Приемник/демодулятор имеет последовательный асинхронный и
параллельный синхронный выход транспортного потока MPEG-2, а также, при
наличии декодера MPEG-2, аналоговый композитный вндеовыход и звуковой
сгереовыход.
11.5.6 Мониторинговый приемник DVB-Т Е'ГХ
Приемник DVB-T ЕТХ (рис. 11.18) предназначен для мониторинга
параметров DVB-Т передатчиков и i)VB-T сетей. Один приемник позволяет
дистанционно контролировать работу и параметры шести передатчиков
одновременно.
372
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава II. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
По своим параметрам и возможностям соответствует измерительному
приемиику/демодулятору EFA40/43. Кроме того, имеет встроенную плату
мониторинга анализа транспортного потока MPEG-2.
Приемник DVB-T ЕТХ нс имеет встроенного экрана. Отображение
контролируемых параметров производится с помощью дополнительного
внешнего монитора.
Наличие LAN интерфейса дистанционного управления, а также
дополнительные опции позволяют использовать данный приемник для
дистанционного контроля параметров цифровых ТВ передатчиков.
Рисунок 11.181- Мониторинговый приемник DFB-ТЕТХ
11.5.7 ТВ анализатор FS1I3-TV
Анализатор FSH3- ТУ (рис. ) 1.19) предназначен для измерения параметров
аналогового эфирного и кабельного телевидения, параметров цифрового
эфнроого (сганадарга ATSC/SFSB) и кабельного телевидения (стандартов
D УВ-С (W/X^ZIMZB).
Кроме того с помощью ТВ анализатора FSH3-TV можно проводить
измерения спектра и измерения (скалярные и векторные) парамсцюп антенно-
фидерных устройств, распределительных систем кабельного телевидения и
измерения МОЩНОСТИ.
Параметры:
- диапазон частот 100 кГц — 3 ГГц;
— полоса разрешения 101) Гц — I МГц;
— видсополоса 10 Гц—I МГц;
- отображаемый средний уровень шумов (DANL) -135 дБм (100Гц);
- фазовый шум -100 лБ/Гц на > 00 кГи от несущей;
- погрешность измерения уровня 1,5 дБ, типично 0,5 дБ;
Ци<|>ровое «лештлеине/ В.Л. Кхрякнн. - М: СОЛОН-Пресс
373
Глава 11. Технология зкснлуатации сетей цифрового телевидения
чувствительность от -80 дБм до +20 дБм;
Рисунок 11.19- Анализатор FSH3-TV
- методы цифровой модуляции - 4QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM,
128QAM, 256QAM, 8VSB;
- полоса — 6, 7,8 МГц (в зависимости от стандарта);
- скорость потока символов QAM/A TSC о г 2 до 10,762238 Мбит;
- собственный МЕЯ — 35 дБ;
- аналоговые стандарты — В, G, Н, D, К, 1, Ь, М, N;
— стандарты звука — 1ЯТ-А2, NICAM, BTSC, EIA-J;
- собственный шум — 52 дБ.
Вщмомсности:
- измерение уровня сигнала;
— измерение отношения сигпал/шум;
- измерение параметров модуляции аналогового ТВ;
- анализ строки изображения аналогового ТВ;
- демодуляция и измерение параметров ТВ сигналов стандарта DVB-C
(J.83/A/C) J.83/B;
— демодуляция н измерение параметров ТВ сигналов стандарта
ATSC/8VSB,
- измерение CSO, СТВ, HVM',
- измерение мощности (в т.ч. измерение мощности в канале);
- затухание плеч;
- измерения при нулевой полосе обзора и с использованием
синхронизации;
374
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидении
- измерение напряженности ЭМП;
- скалярные измерения параметров передачи сигнала в линиях;
- скалярные измерения параметров отражения сигнала в линиях (КСВ);
- векторные измерения параметров передачи сигнала в линиях;
- векторные измерения параметров отражения сигнала в линиях (КСВ);
- измерение потерь в кабельных линиях;
- нахождение места повреждения в кабельных линиях.
Малый вес и габариты, возможность долговременной работы ог
аккумуляторной батареи (до 4 часов) позволяют использовать ТВ анализатор
при оперативных измерениях телевизионных кабельных сетей и сетей
эфирного ТВ вешания.
11.5.8 ТВ анализатор ETL
Универсальная, мульгисгаидартная платформа для анализа ТВ сигналов.
Объединяет в себе функции анализатора спектра, измерительного приемника
аналоговых и цифровых ТВ сигналов, анализатора потока MPEG-2/4 и
измерителя мощности.
ТВ анализатор ETL (рис. 11.20) предлагает широкий набор функгцгй для
измерения сингалов цифрового телевидения. Анализатор ETL способен
измерять коэффициент битовых ошибок (Я£Я) и выполнять полный анализ
цифрового сигнала в реальном масштабе времени. Также возможно
декодирование цифрового ТВ сигнала стандарта MPEG-2/4 с выводом
изображения на экран прибора. Для сигналов телевидения высокого
разрешения возможен вывод сигнала изображения на внешний экран с
использованием встраиваемого интерфейса HDMI
Рисунок 11.20 - Анализатор ЕТЕ
Цифровое телевидение/ В Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
375
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Для измерения аналоговых ТВ сигналов в стандартную конфигурацию
прибора входит широкий набор функций измерения несущих изображения и
звука. Функция видеоскопа, входящая в базовую конфигурацию позволяет
анализировать выбранные строки видеосигнала.
Специально для нужд кабельного ТВ реализованы функции измерения
C/U1, CSO, СТВ. При необходимости ТВ анализатор можно оборудовать ВЧ
преселектором, имеющим дополнительный вход 75 Ом.
Широкий набор специальных ТВ измерений дополняется функциями
измерения спектра. Специальные функции, такие как частотомер, маркеры
шума и фазового шума, функция измерения мощности и КСВ превращают ТВ
анализатор ETL в универсальный прибор.
Параметры:
- диапазон частот 500 кГц — 3 ГГц;
- полоса разрешения 300Гц — 10МГц;
- видеополоса 10 Гц — 10 МГц;
- фазовый шум -103 дБ/Гц на 10 кГц от несущей, на частоте 500 МГц;
- погрешность измерения уровня 0,5 дБ;
- чувствительность от -80 дБм до +20 дБм;
- цифровые стандарты — DVB-T/H, DVB-C (J.83/A/C). DMB-T (GB
20600-2006);
- полоса — 6, 7,8 МГц (в зависимости от стандар та);
- собственный MER — 40 дБ;
- аналоговые стандарты — B/G, D/К, I, KI, М, N (PAL/SECAM/NTSC);
- стандарты звука — 1ЯТ-А2, N1CAM, BTSC.
Возможности:
- измерение уровня сигнала;
- измерение отношения сигнал/шум;
- измерение параметров модуляции аналогового ТВ;
- анализ строки изображения аналогового ТВ;
- демодуляция и измерение параметров цифровых ТВ сигналов
стандарта DVB-T/H, DVB-C (J.83/A/C), DMB-T (GB20600-2006);
- измерение CSO, СТВ, HUM;
- измерение мощности;
- измерение затухание плеч;
- скалярные измерения параметров отражения сигнала в линиях (КСВ).
Относительно небольшие габариты и вес, а также возможность установки
адаптера для питания от автомобильного аккумулятора, позволяют
использовать ТВ анализатор для измерений в мобильных телевизионных
приложениях.
376
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Главк 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
11.5.9 Система мониторинга и анализа потока MPEG-2
DVM50/DVM100/ DVM100L/ DVM120/400
Семейство анализаторов транспортного потока MPEG-2 DVM50/DVMl00/
DVM100L/ DVM120/400 (рис. 1121, 11.22) позволяет производить мониторинг
и анализ параметров транспортного потока MPEG-2.
Рисунок 11.21 - Система мониторинга DVM50
Рисунок 11.22 - Система мониторинга DVM400
Наличие большого количества дополнительных аппаратных и
программных опций, а также наличие устройств разного уровня сложности и
возможностей, позволяет всегда попирать оптимальную для каждого случая
Цифровое телевидение/ В .Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
377
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
конфигурацию прибора. В состав семейства входит блок расширения входов
DVM120, увеличивающий количество одновременно контролируемых и
анализируемых транспортных потоков до 20.
Возможности:
- скорость входного потока данных — до 21 б Мбит/сек;
- мониторинг всех параметров TR 101 290 приоритетов 1, 2 и 3, в т.ч. и
буфера;
- мониторинг скорости потока данных;
- мониторинг одночастотных сетей (М1Р)',
- возможность анализа PCR, CR, PTS, скорости потока данных;
- скорости обновления таблиц, интерпретация таблиц/пакетов;
- анализ широковещательных данных;
- анализ элементарных транспортных потоков;
- захват потока, для его последующего анализа;
- декодирование и просмотр изображения сигналов формата MPEG-
2/Н.264 стандартного и высокого разрешения;
- непосредственный прием ВЧ и демодуляция сигналов DVB-T/H, DVB-
С, DVB-S, DVBS2, ATSC с последующим мониторингом и анализом
декодированных транспортных потоков (для DVM50/DVM100L/DM400);
- измерение коэффициента модуляционной ошибки для сигналов DVB-
T/H, DVB-C, DVB-S, DVB-S2, ATSC (дляDVM50/DVM100L/DVM400);
- декодирование ТВ сигналов передаваемых по сетям Gigahit Ethernet
(IP TV) (DVM400) — генерация транспортного потока MPEG-2///.264
(DVM400);
- формирование пользовательских транспортных потоков и их
проигрывание (DVM400);
- анализ качества ТВ изображения формата MPEG-2/H.264.
Наличие встроенных интерфейсов USB и Ethernet ЮОВахеТ 100 Мбит/с
позволяет легко производить необходимый апгрейд (установку
дополнительных и новых программных опций, библиотек транспортного
потока), а также осуществлять дистанционный апгрейд, контроль и
управление системой.
11.5.10 Система измерения зон покрытая TSM-DVB
Мобильный измерительный комплекс TSM-DVB (рис. 11.23) предназначен
для измерения зон покрытия сетей ТВ вещания стандарта DVB-T/H.
Наличие встроенного программного обеспечения ROMES3NG позволяет
производит!» измерение напряженности поля, коэффициента модуляционной
ошибки (MER), коэффициента битовой ошибки (BER), коэффициента
пакетной ошибки (PER). определение режима вещания DVB-H, наличие
иерархического режима вещания, использование режима Time-slicing и МРЕ-
378
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глав;» И, Технологи» зксллуатэции сетей цифрового телевидения
FEC, просмотр сигнального созвездия.
Рисунок 11.23 - Система измерения зон покрытия TSM-DVB
Наличие в составе комплекса GPS приемника позволяет производить
автоматическую привязку результатов измерений к цифровой карте местности.
Параметры:
- диапазон частот 174 — 230 МГц, 470 — 862 МГц;
— чувствительное гь -92 -20 дБм;
- погрешность измерения уровня ± 2 дБ (при уровне сигнала < -30 дБм);
— цифровые стандарты — £> ГВ- Т/Н;
- полоса — 5,6, 7.8 МГц.
Возможности:
- измерение уровня сигнала;
— измерение коэффициента модуляционной ошибки (МЕЛ);
— измерение коэффициента битовой ошибки (ВЕЛ);
— измерение коэффициента пакетной ошибки (PER);
— определение режима вешания DVB-H;
- режим разнесенного приема;
- одновременная демодуляция двух транспортных потоков (при
ненрархической модуляции);
- DVB-Н сигнализация (Пте-slicing и MPE-FEC);
— автоматическая привязка результатов измерений к цифровой карте
местности.
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
379
Глава 11. Технологи» эксплуатации сетей цифрового телевидения
11_S.11 Контроль параметров передатчика систем DVB
с использованием оборудования компании Rohde & Schwarz
Руководство по измерениям в системах 1)\'В определяет как общие
основные параметры для различных систем передачи телевизионных сигналов,
так и специфические параметры для эфирных, кабельных и спутниковых
систем. 11м различных стадиях изготовления и эксплуатации цифровых ТВ-
передатчиков измерению могут подлежать разные параметры Часть
рекомендуемых параметров включена в проекты национальных стандартов на
соответствующее оборудование и обеспечивает метрологическую поддержку
производства телевизионного оборудования. Другая часть, в основном, может
использоваться при эксплуатации передатчиков.
При контроле передатчика как звена тракта в процессе эксплуатации
минимально необходимыми являются:
- выходной уровень передатчика;
вероятность ошибки на бит;
- модуляционные созвездия;
коэффициент ошибок модуляции;
- спектр на выходе передатчика;
нитермодуляиноиные искажения в соседних каналах.
Одна из возможных конфигураций тестирования передатчика компании
Rohde <t Schwarz представлсна.иа рис. ) 1.24.
Рисунок 11.24- Тестирование передатчика на оборудовании
компании Rohde Л. Schwarz
380
Цифровое телевидение'' В.Л Карякин. - М. СОЛОН-Пресс
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Генератор транспортного потока DVSG по коаксиальной 75 Ом линии
подключен к информационному входу передатчика DVB-T/H.
Информационный транспортный поток MPEG, сформированный в генераторе
R&S DVSG в формате AS1, поступает на вход передатчика. ВЧ выход
передатчика подключен к эквиваленту антенны.
Фильтрующая маска, если она имеется, включается между выходом
передатчика и эквивалентом антенны. На выходе передатчика имеется также
направленный ответвитель с выходами Ml и М2 для измерений спектральных
и энергетических характеристик падающей и отраженной волны,
соответственно.
ВЧ вход анализатора R&S ETL подключается к выходам Ml, М2, М3 для
оценки спектральных характеристик падающей, отраженной волны и
тестирования спектра выходного сигнала.
При подключении датчика измерителя мощности к выходам Ml, М2, М3
оценивается мощность падающей, отраженной волны и мощность на выходе
передатчика.
Анализа гор R&S ETL имеет вход для подключения приемника GPS,
обеспечивающего высокостабильную опорную частоту 10 МГц для
проведения измерений. Сигнал от датчика измерителя мощности подастся на
USB вход.
Тестирующая установка позволяет оценить перечисленные выше
эксплуатационные параметры цифрового телевизионного передатчика.
Методика измерений для оценки работы передатчика стандарта DVB-T/H,
для проведения присмо'птых работ и оперативного мониторинга с
использованием контрольно-измерительного оборудования Rohde & Schwarz
представлена в руководстве по измерениям «DVB-T/Н Transmitter
Measurements for Acceptance, Operation and Monitoring» на официальном
сайте компании.
11.6 Оборудование фирмы Tektronix
11.6.1 Система тестирования AD953-H
Система AD953-/1, предназначенная для применения в сфере разработки
телевизионных усгройств, является одновременно как источником тестовых
сигналов, так и диагностическим средством. Ее способность многократно
воспроизводить тестовый поток скоростью до 90 Мбит/с обеспечивает
разработчиков интегрированных приемников-декодеров (1RD) и модуляторов
надежным испытательным сигналом.
В сфере производства AD953 11 представляет собой источник
повторяющихся испытательных таблиц для тестирования н настройки 1RD и
модуляторов.
Надежность, встроенная функция диагностики и модульная конструкция
системы обеспечивают минимизацию времени простоя прибора во время его
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
381
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового гелевилених
эксплуатации.
Основные характеристики:
- проверка соответствия стандартам MPEG, D VB, A TSC и 1SDB;
- детальный анализ тестируемых систем, позволяющий выявлять и
локализовывать проблемы;
- мониторинг в режиме реального времени по TR101 290 с мощным
режимом переключения для отслеживания ошибок в работе;
- анализ протоколов как открытых телеканалов, так и закодированных по
системе Fiuccesr;
- легко интерпретируемое графическое отображение параметров
измерения как в реальном масштабе времени, так и в режиме offline;
- широкий набор стандартных интерфейсов для поддержки функции ",
plug and play;
- модульная конструкция, позволяющая установить необходимые для
конкретных задач блоки;
— возможность добавления новых функций;
- платформа Pentiutn 111;
- операционная система Windows NT.
Система AD953-H рассчитана на применение при разработке устройств,
производстве программ, передаче сигнала в спутниковом, кабельном и
наземном телевидении.
11.6.2 Портативный анализатор AD954
Этот небольшой прибор (рис. 11.25) постатейно функционален для анализа
потоков MPEG-2 в полевых условиях. Он соединяется с портативным
компьютером и в сочетании с программным обеспечением AD954
представляет собой эффективное и простое мобильное контрольно -
измерительное устройство.
Рисунок 11.25 - Портативный анализатор потоков AD954
382
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Иресс
Глава II. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Основные характеристики:
- поддержка транспортных потоков MPEG-2/DVB/ATSC, что позволяет
производить тестирование в любой точке мира;
- мониторинг ключевых параметров в режиме реального времени
позволяет быстро обнаружить проблемы;
- детальный анализ транспортного потока в режиме offline;
— захват транспортного потока и его запись обеспечивают возможность
отправлять потоки обратно на базовую станцию;
- параллельные интерфейсы AS/, SMPTE 3/ОМ, DBD и для
подключения в любой точке сети MPEG-2;
- малые габари ты и вес;
- низкое энергопотребление.
Анализатор применяется при инсталляции и вводе в эксплуатацию
передающих цепей DVB/ATSC, а также при тестировании и устранении
неполадок в оборудовании передачи потоков MPEG-2
11.63 Монитор потоков МТМ400
Устройство МТМ4М (рис. 11.26) предназначено для работы в
автоматическом режиме на необслуживаемых региональных головных
станциях.
Рисунок ) J .26 - Монитор потоков МТМ4М
Устройства контроля сети, подключенные к центру управления, снижают
потребность в рабочей силе, а интерфейс QAM позволяет осуществлять
эффективный многоканальный мониторинг.
Основные характеристики :
— мониторинг ключевых параметров с контролем в режиме реального
Цифровое телевидение/ В.Л. Ка]мкин. —М: СОЛОН-Пресс
383
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
времени параметров TRIO! 290 первого, второго и третьего приоритетов;
- дистанционный мониторинг и управление всеми устройствами сети с
центрального пульта управления;
- мониторинг доставки и первичного распределения каналов со
скоростью передачи данных до 155 Мбит/с;
- выбор пользователем шаблона мониторинга;
- возможность анализа захваченных потоков с использованием НО
для п|юверкн потоков в режиме отложенного времени;
- контроль соответствия на уровне РЧ модулированного сигнала с
помощью дополнительных интерфейсов QPSK и QAM;
- ведение журнала ошибок, настраиваема;! пользователем система
оповещения.
Монитор рассчитан па применен не в сфере распределения потоков
наземного цифрового телевидения DTTV и нх первичного распределения, в
составе локальных головных станций кабельного ТВ. в системах операторов
спутникового телевидения.
11.6.4 Рекордер и плеер МТХПИ1
Прибор МТХ100 (рис. 11.27) предназначен для записи и воспроизведения
потоков MPEG-2 и рассчитан на применение для опенки конструкции и
проверки соответствия циф|Х>пых видеоустройств, использующих технологию
MPEG-2.
Рисунок 11.27 - Рекордер и плеер МТХ100
МТХ100 записывает и воспроизводит транспортные потоки MPEG-2,
соответствующие стандартам ATSC, DVB п 1SDB, с высокими скоростями
передачи данных и нуждающиеся в проверке, а также выявляет дефекты
высокопроизводительных устройств и систем.
384
Цифровое телевидение* В.Л. Карякин - М' СОЛОН-Пресс
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
Основные характеристики-
- большой объем хранения и высокая скорость записи и воспроизведения
транспортных потоков MPEG, что позволяет создавать, поддерживать и
использовать большую локальную библиотеку тестовых потоков;
. обновление временных отметок и таблиц в реальном времени;
— вставка джиттера РСК помогает проводить полную тестовую нагрузку
на систему;
- дистанционное управление через Ethernet с помощью набора
стандартных команд для программируемых устройств (SCPI);
- наличие образцов транспортных потоков;
- интеграция с оборудованием анализа Tektronix для создания
транспортных потоков и поддержки тестирования соответствия максимальней'!
нагрузки видеоустройств на основе технологии MPEG-2;
- загрузка транспортных потоков с компакт-дисков илн по сети lOOBase-
Т Ethernet для оптимизации хранения транспортных потоков и управления их
библиотекой;
- шютной иерархический дисплей компонентов транспортного потока
для быстрой и простой интерпретации сложных структур;
- полный набор интерфейсов обеспечивает широкую сферу применения
устройства.
Области применения: тестирование IKD/STB в процессе разработки и
производства, оценка профессионального MPEG - оборудовании. проверка
эффективности MPEG - систем.
11.7 Тестовая платформа National Instruments дли цифрового
телевнден ня
Компания National Instruments предлагает тестовую платформу (рис.
11.28) для систем цифрового гсисвндсния стандартов DVR, ATSC, 1SDR-T.
Рисунок 11.28 - Тестовая платформа National Instruments
Она позволяет проводил» генерацию и анализ сигналов и тем самым
осуществлять комплексное тестирование приемных и передающих систем
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
385
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
цифрового телевидения.
Платформа построена на базе открытой промышленной архитектуры с
использованием модульного оборудования компании National Instruments:
СВЧ-генераторов, СВЧ-анализаторов, осциллографов, цифровых анализаторов
11.7.1 Тестирование приемных устройств
Процесс тестирования приемных устройств заключается в генерации
известных последовательностей цифровых сигналов с последующим анализом
сигналов на выходе приемных устройств. В качестве классического
тестируемого устройства может выступать цифровой тюнер.
Основой аппаратной части тестовой системы являются
•f РХ1е-5672 — генератор ВЧ ентналов (рис. 11.29), состоящий из
генератора произвольных сигналов РХ1е-5442 и преобразователя час готы РХ1-
5610.
Рисунок 11.29 - Генератор ВЧ сигналов РХ1е-5672
Устройство РХ1е-5442 осуществляет генерацию пакетов данных, а
преобразователь РХ1-5610 - перенос иссушен частоты пакета в ВЧ-обласгь.
Полоса пропускания системы в реальном времени составляет 20 МГц.
Генератор РХ1-5672 доступен в конфигурациях с различными объемами
встроенной памяти, определяющими длительность транслируемого видео в
режиме воспроизведения с встроенного в РАГГ-контрол лер жесткого диска. При
наличии внешнего Я>Ш>-массива, такого как Nl HDD-8264, возможно
потоковое вещание видео прямо с жесткого диска.
✓ М PX1-6S52 — высокоскоростной цифровой генератор /анализатор
(рис. 11.30), работающий на частотах до 100 МГц.
386
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 11. Технологи» эксплуатации сетей цифрового телевидения
Рисунок 11.30 - Гснератор/анализатор NJPX1-65S2
Позволяет проводить анализ цифровых сигналов на выходе тестируемого
устройства и выявлять ошибки в цифровых пакетах.
✓ NJ PXI-566I — векторный анализатор ВЧ сигналов (рнс. 11.31),
позволяющий принимать и анализировать ВЧ-снгналы в диапазоне от 9 кГц до
2,7 ГГц с реальной полосой частот до 20 МГц.
Рисунок 11.31 - Векторный анализатор ВЧ сигналов Л/ PXJ-5661
Его можно использовать для приема /ЖВ-свгналов, их декодирования и
сравнения результатов декодирования с данными, полученными от
тестируемого устройства.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
387
Глава II. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
11.7.2 Программное обеспечение для генерации испытательных
сигналов
Программное обеспечение, созданное в среде разработки Lab VIEW,
осуществляет подготовку медиаданных к процессу генерации. Это
подразумевает перекодирование видео (например, из формата Windows Media
Files в МРЕС2/4), мультиплексирование данных в разные каналы, управление
буферизацией потоков, осуществление модуляции данных, ресемплинг
(передискретизация), а так же конфигурирования и настройки оборудования
для телевещания.
Под меднаданными понимаются /ИРЯС-потоки, включающие видео-
потоки из интернет, видео-файлы, видеозаписи с камер, фотографии и т.д.
Можно программно комбинировать аудио и видео потоки и таким образом,
реализовывать, к примеру, многоязычные аудиодорожки для любого
видеопотока.
Список доступных стандартов и их параметров:
I) DV8-T:
- иерархический режим: иерархический, исиерархичсский. а=1, а=2, а=4;
- режим модуляции: с ортогональным частотным разделением сигналов
COFDM;
- FFT: 2К, 8К;
- защитный интервал: 1/4. 1/8, 1/16,1/32;
- режимы модуляции: QPSK, 16-QAM, 64-QAM;
- частота кодирования: 1/2, 2/3,3/4,5/6, 7/8.
2) DVB-H:
- иерархический режим: иерархический, неиерархический, а= I. а=2, а=4;
- режим модуляции: с ортогональным частотным разделением сигналов
COFDM;
- FFT:2K,4K,8K;
- защитный интервал: 1/4,1/8, 1/16, 1/32;
- режимы модуляции: QPSK, 16-QAM, 64-QAM;
- частота кодирования: I /2,2/3, 3/4,5/6, 7/8;
- временное уплотнение импульсных сигналов: стандартное,
комплексное.
3) DVB-C:
- модуляция: 32,64, 128,256 QAM;
- максимальная частота следования символов: 8,33 МГц.
4) DVB-S:
- режимы модуляции: BPSK, QPSK;
- максимальная частота следования символов: 8,33 МГц.
5) DVB-S2:
- модуляция: QPSK, 8PSK, I6APSK, 32APSK;
388
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
- максимальная частота следования символов: 8,33 МГц.
6) ATSC:
- модуляция: 8-VSB, 16-VSB.
7) 1SDB-T;
- уровни А, АВ, АВС;
— модуляция: BST-OFDM;
- режимы: 1,2,3;
- защитный интервал: 1/4,1/8, 1/16,1/32;
- модуляция: DQPSK. QPSK, 16-QAM, 64-QAM;
- частота кодирования: 1/2,2/3,3/4, 5/6,7/8;
- сегменты: 1,3,13;
- поддержка дробных сегмен тов;
~ временное уплотнение импульсных сигналов: все поддерживаемые
значения.
8) AWGN;
- аддитивный белый гауссов шум;
— генерация шума в полосе сигнала;
- регулирование отношения сигнал/шум (CNJR) от -4 до 50 dB.
11.7- 3 Тестирование передающих устройств
Процедура тестирования передающих устройств заключается в записи
транслируемых ими сигналов и анализе их на различные типы шумов.
Аппаратная часть системы строится на базе платформы РХ1 или PXI Express.
Ключевым инструментом для анализа сигналов является векторный
анализатор М РХ1-5661, позволяющий принимать и анализировать ВЧ-
сигналы в диапазоне от 9 кГц до 2,7 ГГц с реальной полосой частот до 20 МГц.
РХ1-5661 состоит из преобразователя с понижением частоты РХ1-5660 и
осциллографа М PXJ-SI42. Программное обеспечение, написанное в среде
Lab-VIEW, позволяет полностью конфшурировать и программировать
оборудование, а так же управлять процессом тестирования и записи цифровых
сигналов на жесткий диск для последующей обработки и воспроизведения.
По результатам тестирования выдаются следующие величины:
- коэффициен т ошибок модуляции MER;
- вектор ошибок модуляции Е УМ;
- частотные ошибки;
- спектральное представление сигналов;
- временное представление сигналов;
- сдвиги несущей частоты;
- фазовые сдвиги;
- векторные диаграммы модулированных сигналов (VSB, QPSK, 16-
QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM, 256-QAM, DQPSK, BPSK, 16ASPK,
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - M: СОЛОН-Пресс
389
Глава 11. Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
32APSK)
Тестирование можно проводить для следующих стандартов сигналов:
DVB-T, DVB-H,DVB-C, DVB-S, DVB-S2, ATSC, ISDB-T.
Модульное оборудование National Instruments позволяет в рамках одного
/ОД-шасси построить недорогую полнофункциональную систему
тестирования приемных и передающих устройств цифрового телевидения,
которая легко программируется в среде графической разработки Lab VIEW,
признанной инженерами во всем мире.
При необходимости в состав системы могут быть добавлены любые
необходимые модули, включая мультиметры, осциллографы, платы сбора
данных, программируемые источники литания. В результате получается
высокопроизводительное и легко конфигурируемое законченное решение для
тестирования систем цифрового телевидения.
390
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Литература
Литература
1. Зубарев Ю.Б. Цифровое телевизионное вещание. Основы, методы,
системы/ Ю.Б. Зубарев; М.И. Кривошеев, И.Н. Красносельский// - М.: Научно-
исследовательский институт радио (НИИР), 2001. - 568 с.
2. Локшин Б.А. Цифровое вещание: от студии к телезрителю. - М.:
Компания САЙРУС СИСТЕМС, 2001. - 446 с.
3. Карякин В.Л. Цифровое телевидение - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. - 272
с.
4. Смирнов А.В. Цифровое телевидение: от теории к практике/ А.В.
Смирнов. А.Е. Пескин//-М.: Горячая лииия-Телеком, 2005. - 352 с.
5. Мамаев Н.С. Цифровое телевидение / И. С. Мамаев, 1О.Н. Мамаев, Б. Г.
Теряев. Под ред. Н.С. Мамаева// - М.: Горячая линия-Телеком, 2001. -180 с.
6. Кривошеев М.И. Интерактивное телевидение/ М.И. Кривошеев. В.Г.
Федутгн//-М.: Радио и связь, 2000. - 344 с.
7. Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие.- М.:
«Горячая линия-Телеком», 2001. - 224 с.
8. Телевидение: Учебник для вузов / Джакония В.Е., Гоголь А.А., Друзин
Л.В. и др.-. Под ред. В.Е. Джаконии. - М.: Радио и связь, 1997. - 640 с.
9. Шахгильдяп В.В. Проектирование устройств генерирования и
формирования сигналов в системах подвижной радиосвязи/ В. В. Шахгильдяп.
В.Л. Карякин. Под ред. В.В. Шахгильдяна // - М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. - 400
с.
10. Шахгильдян В.В. Оценка нелинейных искажений тракта усиления
мощности цифрового ТВ передатчика/ В.В. Шахгильдяп. В.Л. Карякин, В.Б.
Толмачев// Электросвязь, №7,2010. С. 31 -35.
11. Карякин В.Л. Визуальное моделирование и методы оптимизации
цифровых приемо-передающих систем радио и телевидения/ В.Л. Карякин,
Д.В. Карякин, Е.О. ФрукпювсканИ Инфокоммуникациониые технологии. Т.8,
№ 3,2010. С. 88-94.
12. Карякин В.Л. Методы построения и оптимизации эфирных сетей
цифрового телевизионного вещания/ В.Л. Карякин. Д.В. Карякин, В.Б.
Толмачев/7 Физика волновых процессов и радиотехнические системы. Т. 13,
№3,2010. С. 77-83.
13. Шахгильдяп В.В. Оценка нелинейных искажений тракта усиления
мощности цифрового телевизионного передатчика в инструментальной среде
визуального моделирования/ В.В. Шахгильдяп, В.Л. Карякин, В.Б. Толмачев// В
сборнике докладов Всероссийского научно-технического семинара «Системы
синхронизации, формирования и обработки сшналов для связи и вешания».
Нижний Новгород, 2010. С. 36-39.
14. Шахгильдяп В.В. Информационные технологии анализа и оптимизации
автогенераторов/ В.В. Шахгильдян, В.Л. Карякин. Д.В. Карякин// В сборнике
докладов Всероссийского научно-технического семинара «Системы
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
391
Литература
синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вешания».
Нижний Новгород, 2010. С. 40-42.
15. Карякин В.Л. Методы оптимизации цифровых приемо-передающих
комплексов радио и телевидения/ В.Л. Карякин. Д.В. Карякин. Е.О.
ФруктовскаяН В сборнике научных трудов международной научно-
практической конференции «Современные направления теоретических и
прикладных исследований ‘2010». Одесса: Черноморье, 2010, с.70-78.
16. Карякин В.Л. Сравнительный анализ цифровых видов модуляции с
использованием сигнальных созвездий в среде визуального моделирования/
В.Л. Карякин, Д.В. Карякин, Е.О. ФруктовскаяН В сборнике научных трудов
международной научно-практической конференции «Современные
направления теоретических и прикладных исследований *2010». Одесса:
Черноморье, 2010, с.85-89.
17. Карякин В.Л. Структурно-параметрический синтез широкополосных
согласующих цепей усилителей мощности радиопередатчиков/ В.Л. Карякин.
Д.В. Карякин, В.Б. Толмачев!! В сборнике научных трудов международной
научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое
применение. Современное состояние и пути развития *2010». Одесса:
Черноморье, 2010. С.4-12.
18. Карякин В.Л. Методы построения и оптимизации одночастотных сетей
цифрового телевизионного вещания стандарта DVB-T/Н с иерархической
модуляцией / В.Л. Карякин, Д.В. Карякин, В.Б. Толмачев!!В сборнике научных
трудов международной научно-практической конференции «Научные
исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути
развития ‘2010». Одесса: Черноморье, 2010. С.12-20.
19. Карякин В.Л. Исследование помехоустойчивости, спектральных и
динамических характеристик наземных систем цифрового телевизионного
вещания/ В.Л. Карякин, Д.В. Карякин, В.Б. Толмачев!I В сборнике научных
трудов международной научно-практической конференции «Научные
исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути
развития ‘2010». Одесса: Черноморье, 2010. С.20-28.
20. Карякин В.Л. Разработка модели наземной сети цифрового
телевизионного вещания, исследование качества приема сигналов при
изменении параметров и топологии сети/ В.Л. Карякин, Д.В. Карякин. В.Б.
Толмачев!! В сборнике научных трудов международной научно-практической
конференции «Научные исследования и их практическое применение.
Современное состояние и пути развития *2010». Одесса: Черноморье, 2010.
С.28-36.
21. Карякин В.Л. Метод исследования и оценки качественных показателей
сети цифрового ТВ вещания в областях перекрытия зон обслуживания
передатчиков/ В.Л. Карякин. Д.В. Карякин, В.Б. Толмачев!! В сборнике
научных трудов международной научно-практической конференции
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
392
Литература
«Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте,
производстве и образовании'2010». Одесса: Черноморье, 2010. С.48-56.
22. Карякин В. Л. Технические аспекты организации лабораторных работ
на кафедре радиосвязи, радиовещания и телевидения / В.Л. Карякин. В. Б.
Толмачев, Д.В. Карякин, МАО. Нагорная // В материалах XVII Российской
научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных
сотрудников и аспирантов. Самара: ПГУТИ, 2010, с.130-131.
23. Карякин В.Л. Методы оценки нелинейных искажений в трактах
усиления мощности передатчиков цифровых стандартов радиосвязи,
радиовещания и телевидения/ В.Л. Карякин, В.Б. Толмачев/! В материалах
XVII Российской научной конференции профессорско-преподавательского
состава, научных сотрудников и аспирантов. Самара: ПГУТИ, 2010, с. 131-132.
24. Карякин В.Л. Ввод данных пользователя в системе передачи данных
цифрового телевизионного формата/ В.Л. Карякин, Л.А. Морозова!! В
материалах XVII Российской научной конференции профессорско-
преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. Самара:
ПГУТИ, 2010, с. 133-134.
25. Карякин В. Л. Вывод данных пользователя в системе передачи данных
циф(Х>вого телевизионного формата/ В.Л. Карякин, Л.А. Морозова!/ В
материалах XVII Российской научной конференции профессорско-
преподавательского состава, научных Сотрудников и аспирантов. Самара:
ПГУТИ, 2010, с. 134-135.
26. Карякин В.Л. Методы канального кодирования, мультиплексирования
и модуляции в системе кабельного цифрового телевизионного вещания/ В.Л.
Карякин, Л.А. Морозова// В материалах XVII Российской научной
конференции профессорско-преподавательского состава, научных
сотрудников н аспирантов. Самара: ГЛ’УТИ, 2010, с.135-136.
27. Карякин В. Л. Задача оптимизации вида модуляции в цифровых
системах связи/ В.Л. Карякин, Д.В. Карякин, Е.О. Фрукшовская/1 В материалах
XVH Российской научной конференции профессорско-преподавательского
сосзава, научных сотрудников и асштрантов. Самара: ПГУТИ, 2010, с. 139-140.
28. Карякин В.Л. Технологии построения цифровых систем и сетей
телерадиовещания второго поколения/ В.Л. Карякин, ДА. Калиновский, Д.В.
Карякин// Межвузовский сборник научных трудом "Радиоэлектронная
техника".- Ульяновск: УлГТУ, 2011. С.228-235.
29. Карякин В.Л. Спецификация режимов цифровых систем и сетей
телерадиовещания второго поколения/ В.Л. Карякин. Д.А. Калиновский. Д.В.
Корякин//. Межвузовский сборник научных трудов "Радиоэлектронная
техника".- Ульяновск: УлГТУ, 2011. С.236-246.
30. Карякин В.Л. Синтез широкополосных согласующих цепей усилителей
мощности телевизионных передатчиков/ В.Л. Карякин. Д.В. Карякин, В.Б.
Толмачев/! Электросвязь, № 5, 2011. С. 38-42.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
393
Литература
31. Карякин ВЛ. Метод оценки помехоустойчивости и скорости передачи
информации в наземных системах цифрового телевизионного вещания / ВЛ.
Карякин, Д.В. Карякин, В.Б. Толмачев// Физика волновых процессов и
радиотехнические системы . Т. 14, №1,2011. С. 86-91.
32. Карякин В.Л. Исследование взаимного влияния передатчиков в
одночастотной наземной сети цифрового телевизионного вещания/ В.Л.
Карякин, Д.В. Карякин, В.Б. ТоямачевИ Инфокоммуникационные
технологии.Т.9, № 1,2011. С. 78-83.
33. Карякин В.Л. Исследование явления интерференции в одночастотных
сетях цифрового ТВ вешания и оценка эффективности компенсации
искажений/ В.Л. Карякин, Д.В. Карякин, В.Б. Толмачев/7 Физика волновых
процессов и радиотехнические системы. Т14, №4,2011. С. 53-59.
34. Карякин В.Л. Методика оценки качественных показателей сетей
цифрового телерадиовещания. Труды международной конференции
«Современные телекоммуникационные системы и компьютерные сети:
перспективы развития». Санкт-Петербург, 2011. С. 124-131.
35. Карякин В.Л. Оценка интерференционных искажений сигнала в
одночастотной сети цифрового телевизионного вещания/ В.Л. Карякин, Д.В.
Карякин, В.Б. Толмачев. М.Р.ЮсуповН Труды Международного научно-
технического семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки
сигналов для связи и вещания». Одесса, 2011. С.27-29.
36. Карякин В.Л. Исследование явления интерференции в одночастотной
сети цифрового телевизионного вещания/ ВЛ. Карякин. Д.В. Карякин, В.Б.
Толмачев// Материалы Международной научно-технической конференции
«Физика и технические приложения волновых процессов. Самара, 2011. С.
337-338.
37. Карякин В.Л. Методика оценки интерференционных искажений
сигнала в одночастотной сети цифрового телевизионного вещания/ В.Л.
Карякин, Д.В. Карякин, В.Б. Толмачев, М.Р. Юсупов// Материалы
Международной научно-технической конференции «Физика и технические
приложения волновых процессов. Самара, 2011. С. 358-360.
38. Карякин В.Л. Технологии построения систем н сетей
телерадиовещания стандарта DVB-T2/ В.Л. Карякин. Л.А. Морозова// В
сборнике научных трудов международной научно-практической конференции
«Научные исследования и их практическое применение. Современное
состояние и пути развития ‘2011». Одесса: Черноморье, 2011. С. 13-20.
39. Карякин В.Л. Спецификация режимов систем и сетей
телерадиовещания стандарта DVB-T2/ ВЛ. Карякин, Л.А. Морозова// В
сборнике научных трудов международной научно-практической конференции
«Научные исследования и их практическое применение. Современное
состояние и пути развития ‘2011». Одесса: Черноморье, 2011. С.20-32.
394
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Литература
40. Карякин В.Л. Базовые принципы построения одночастотных сетей
стандарта DVB-T2Z ВЛ. Карякин, Л.А. Морозова!! Труды XII международной
научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий
телекоммуникаций» ПТиТГ-2011. Казань, 2011.
41. Карякин В.Л. Режимы работы одночастотных сетей стандарта DVB-T2/
ВЛ. Карякин, ЛА. Морозова!! Труды XII международной научно-технической
конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» ПТиТТ-
2011. Казань, 2011.
42. Карякин В.Л. Методика исследования явления интерференции и
оценки эффективности компенсации искажений в SFN сети стандарта DVB-T/
ВЛ. Карякин. Д.В. Карякин. В.В. ТолмачевН Труды XII международной
научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий
телекоммуникаций» ПТиТТ-2011. Казань, 2011.
43. Карякин В.Л. Задачи профильных вузов в реализации концепции
поэтапного перехода РФ к цифровому телерадиовещанию/ ВЛ. Карякин. Д.В.
Карякин, С.В. Круглов. ЛА. Морозова. В.Б. Толмачев. М.Р. Юсупов И В
материалах XVIII Российской научной конференции профессорско-
преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. Самара:
ПГУТИ, 2011, с. 126.
44. Карякин В.Л. Цифровое телерадиовещание: состояние, проблемы,
перспективы/ ВЛ. Карякин. Д.В. Карякин, С.В. Круглов. Л.А. Морозова, В.Б.
Толмачев. М.Р. Юсупов II В материалах XVIII Российской научной
конференции профессорско-преподавательского состава, научных
сотрудников и аспирантов. Самара: ПГУТИ, 2011, с. 127.
45. Карякин В.Л. Системы цифрового телерадиовещания: основы
построения, технологии производства цифровых аудиовизуальных программ/
ВЛ. Карякин, Д.В. Карякин, С.В. Круглов, Л.А. Морозова, В.Б. Толмачев, М.Р.
Юсупов II В материалах XVIII Российской научной конференции
профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и
аспирантов. Самара: ПГУТИ, 2011, с. 128.
46. Карякин В.Л. Кодирова1ше источника сигнала - преобразование,
кодировка аудиовизуальной информации/ В.Л. Карякин, Д.В. Карякин, С.В.
Круглов. Л.А. Морозова, В.Б. Толмачев, М.Р. Юсупов И В материалах XVU1
Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава,
научных сотрудников и аспирантов. Самара: ПГУТИ, 2011, с. 129.
47. Карякин В.Л. Кодирование сигналов в каналах связи/ ВЛ. Карякин,
Д.В. Карякин, С.В. Круглов, Л.А. Морозова, В.Б. Толмачев, М.Р. Юсупов // В
материалах XV1L1 Российской научной конференции профессо|>ско-
прснодавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. Самара;
ПГУТИ, 201J, с. 130.
48. Карякин В.Л. Сети цифрового телерадиовещания, сетевая
безопасность/ В.Л. Карякин. Д.В. Карякин, С.В. Круглов. Л.А. Морозова. В.Б.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
395
Литература
Толмачев. М.Р. Юсупов И В материалах XVIII Российской научной
конференции профессорско-преподавательского состава, научных
сотрудников и аспирантов. Самара: ПГУТИ, 2011, с. 131.
49. Карякин В.Л. Технологии моделирования цифровых систем и сетей
телерадиовещания / В.Л. Карякин. Д.В. Карякин. С.В. Круглов, Л.А. Морозова.
В.Б. Толмачев, М.Р. Юсупов // В материалах XVIII Российской научной
конференции профессорско-преподавательского состава, научных
сотрудников и аспирантов. Самара: ПГУТИ, 2011, с. 132.
50. Карякин В.Л. Технологии проектирования и эксплуатации сетей
цифрового телерадиовещания/ В.Л. Карякин, Д.В. Карякин, С.В. Круглов. Л.А.
Морозова, В.Б. Толмачев, М.Р. Юсупов // В материалах XV111 Российской
научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных
сотрудников и аспирантов. Самара: ПГУТИ, 2011.с 133
51. Карякин В.Л. Технологии построения и моделирования систем
мобильной связи LTE/ В.Л. Карякин. Д.В. Карякин. С.А. Шиховцов // В
материалах XVIII Российской научной конференции профессорско-
преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. Самара:
ПГУТИ, 2011, с. 134.
52. Карякин В.Л. Перспективы интеграции сетей IPTV и WiMAX для
цифрового телевизионного вещания/ В.Л. Карякин, Д.В. Карякин. А. А. Носова!I
В материалах XVIII Российской научной конференции профессорско-
преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. Самара:
ПГУТИ, 2011, с. 135.
53. Карякин В.Л. Структурно-параметрический синтез микрополосковых
согласующих цепей усилителей мощности передатчиков/ В.Л. Карякин . В.Б.
Толмачев, И.А. Сафонова!! В материалах XVIII Российской научной
конференции профессорско-преподавательского состава, научных
сотрудников и аспирантов. Самара: ПГУТИ, 2011, с. 135.
54. Карякин В.Л. Базовые принципы построения и режимы работы
одночастотных сетей стандарта DVB-T2/ В.Л. Карякин. Л.А. Морозова!!
Збтрник тез. VII Мтжнародна науково-техшчна конференшя «Сучасш
шформашоно-комунткашйтп технологи» COMINFO 2011-Livadia. Кшв:
Державннй университет информашйно-комуникащйних тсхнолопй, 2011, с.
138-140.
55. Волков С.В. Сеги кабельного телевидения. - М.: Горячая линия-
Телеком, 2004. - 616 с.
56. Артюшенко В.М. Цифровое сжатие видеоинформации и звука: Учебное
пособие/В.М. Артюшенко, О.И. Шелухи», М.Ю. Афонии. Под ред. В.М.
Артюшенко. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К0», 2003. -
426 с.
57. Брайс Р. Справочник по цифровому телевидению. Пер. с англ. -
г. Жуковский: Эра, 2001. - 230 с.
396
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Литература
58. Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети. Пер. с англ. - М.:
Издательский дом «Вильямс», 2003. - 640 с.
59. http://www.625-net.ru
60. Оханян Т. Цифровой нелинейный монтаж. Пер. с англ.- М.: Мир, 2001.
-432 с.
61. http://www.625-net.ru
62. Мамаев И.С. Системы цифрового телевидения и радиовещания / Н.С.
Мамаев, Ю.Н. Мамаев. Б.Г. Теряев. Под ред. Н.С. Мамаева. - М.: «Горячая
линия-Телеком», 2006. - 254 с.
63. Карякин В.Л. Техника и технология цифрового нелинейного
видеомонтажа в режиме реального времени / В.Л. Карякин. А.Н. Кологреев.
Д.В. Карякин// Материалы V международной научно-технической
конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций». - Самара,
2004.-С. 174-176.
64. Карякин В.Л. Перспективы развития Wi-Fi технологий доступа в
корпоративных сетях передачи данных / В.Л. Карякин. А.В. Малышев, Д.В.
Карякин // Материалы V международной научно-технической конференции
«Проблемы техники и технологии телекоммуникаций». - Самаре. 2004. - С.
171-172.
65. Карякин Д.В. Принципы построения многоканальной приемной
станции цифрового спутникового телевидения для адресной ретрансляции
пакета программ в корпоративной сети передачи данных / Д.В. Карякин, И.Ю.
Саблин, В.В. Карякин, В.Б. Толмачев // Материалы V международной научно-
технической конференции «Проблемы техники и технологии
телекоммуникаций». - Самара, 2004. - С. 176-177.
66. Карякин Д.В. Внедрение биометрических методов идентификации
пользователей IP TV / Д.В. Корякин, А.В. Малышев, В.В. Карякин// Материалы
V международной научно-технической конференции «Проблемы техники и
технологии телекоммуникаций». - Самара, 2004. - С. 239-240.
67. Карякин ВЛ. Системы цифрового телевидения: основы построения,
технологии видеомонтажа и эксплуатации. Приложение к журналу
«Инфокоммуникационные технологии». Выпуск 3: Монография / В.Л. Карякин,
Д.В. Карякин//-Самара: ООО "Офорт", ПГАТИ, 2006. - 238 с.
68. Карякин ВЛ. Устройства генерирования и формирования сигналов в
системах подвижной радиосвязи: Учебник для вузов. - М: Радио н связь, 2007.
-433 с.
69. Карякин В.Л. Электронный учебник «Основы цифрового телевидения».
- М.: Федеральное агентство по образованию. Отраслевой фонд алгоритмов и
программ, № г/р 7091,2006.
70. http://wwwj-femd. rn/analyl ics/006
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
397
Литература
71. Дворкович В. Проблемы и перспективы развития систем кодирования
динамических изображений/ В. Дворкович, М. Чобану// -М: MediaVision, № 2,
2011, с. 55-57.
72. Дворкович В. Проблемы и перспективы развития систем кодирования
динамических изображений/ В. Дворкович, М. Чобану. Продолжение. Начало в
№2,201 И/ -М: MediaVision, № 3,2011, с. 69-70.
73. Дворкович В. Проблемы и перспективы развития систем кодирования
динамических изображений/ В. Дворкович, М. Чобану. Продолжение. Начало в
№2,3, 2011И -М: MediaVision, № 4,2011, с. 67-69.
74. Дворкович В. Проблемы и перспективы развития систем кодирования
динамических изображений/ В. Дворкович, М. Чобану. Продолжение. Начало в
№2,3,4, 2011И -М: MediaVision, № 5,2011, с. 58-60.
75. Дворкович В. Проблемы и перспективы развития систем кодирования
динамических изображений/ В. Дворкович, М. Чобану. Продолжение. Начало в
№2.3,4.5. 2011И -М: MediaVision. № 7,2011, с. 62-63.
76. Дворкович В. Проблемы и перспективы развития систем кодирования
динамических изображений/ В. Дворкович. М. Чобану. Окончание. Начало в
№2,3,4,5.72011 //-М: MediaVision. № 8,2011, с. 63-64.’
77. http://mpeg.chiariglipne.ore/slandards/nipeR-7/mpeg-7.htm
78. http://mpeg.chiariglione.org/standards/mpcg-21 /mpeg-21 .him
79. http://www.dvh.org/technology/standards/
80. ETSI EN 302 755 Vl.2.1 (2011-02), "Digital Video Broadcasting (DVB);
Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital
terrestrial television broadcasting system (DVB-T2)", ETS1, Sophia Antipolis, 2011.
177 s.
81. EBU, “Frequency and Network Planning Aspects of DVB-T2", Status:
Report, Geneva, 2011.89 s.
82 Шахпович И. Новый стандарт цифрового телевизионного вешания.
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, № 6,2009. С. 30-35.
83 Уэллес И. DVB-T2: Новый стандарт вешания для телевидения высокой
четкости/ Ник Уэллес. Крис //<ж://Тсле-Спутник, № 11(157), 2008. С. 92-97.
84 Блох В. DVB-T2 - новый стандарт вещания для ТВЧ. Broadcasting.
Телевидение и радиовещание, №4,2011. С. 33-35.
85 Масленников И.О. Перспективы развития IPTV в России.
Электросвязь, № 2,2007. С. 7-8.
86 http://www.konturrn.ru/tcch.php7id--iptvpc
87 http://book.itep.ru/
88 http://citfomni.ru/nets/ip/glava 3.shtinl
89 IETF RFC 3640: "RTP Payload Format for Transport of MPEG-4
Eleinentaiy Streams"
90 Herpel C. MPEG-4 Systems: Elementary stream management/ C. Herpel. A.
EleftheriaclisU Signal Processing: Image Communication №15,2000.
398
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - M: СОЛОН-Пресс
Литература
91 MPEG-2 Part I: ISO/IEC 13818-1:2007
92 http://www.althos.eom/tutorial/l PTV-Testing-tutorial-MPEG.html\
93 IETF RFC 551 (k "Reed-Solomon Forward Error Correction (FEC)
Schemes»"
• 94 http://www.cisco.com
95 ETSI TS 101 154 (Vl.9.1): "Digital Video Broadcasting (DVB);
Specification for the use of Video and Audio Coding in Broadcasting Applications
based on the MPEG-2 Transport Stream”.
96 ITU-T Recommendation H.610 (07/2003): "Full service VDSL - System
architecture and customer premises equipment"
97 IETF RFC 3550: "RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications"
98 Alex MacAulay, Boris Felts, Yuval Fisher - IP Streaming of MPEG-4:
Native RTP vs MPEG-2 Transport Stream, White Paper, 2005.
99 IETF RFC 2250: ”RTP Payload Format for MPEG-l/MPEG-2 Video"
100 IETF RFC 3984: “RTP Payload Format for H.264 Video”
101 http://www.wireshark.org
102 Ширяев Д. Построение мультисервисной сети IPTV. URL:
http://infosfera.sfo.ru
103 Availability II. White paper - Network Management Solution: Optimize
Infrastructure for IPTV Services. URL: http://www.cisco.coni
104 Косенко С.Г. Исследование параметров оценки качества IPTV/
С.Г.Косенко. Д.В. Корякин!/ Сборник научных трудов международной научно-
практической конференции «Современные направления теоретических и
прикладных исследований 2010». Одесса: Черноморье, 2010, С. 78-85.
105 GNS3. URL: http://www.gris3.net
106 http://www.videolan.org
107 http://wiki.vidcolan.org/MiniSAPServer
108 Hutter A. Amon Р. Panis G. Automatic adaptation of streaming
multimedia content in a dynamic and distributed environment
http://iecexplorc.ieee.org/xpl/frceabs all.jspyamumbeFl 530492
109 http://www.konturm.ru/tech.php7id~iptvpe
110 Бутенко B.B. Вопросы системного проектирования сетей цифрового
Российской Федерации/ В.В. Бутенко. Л.А. Плотников И.В. Кокошкин С.И
ЛопатоП Электросвязь, № 10,2009. С. 2-14.
111 http://p403a.narod.ru/DigComm_New_2008_AWR.pdf.
112 Карякин ВЛ. Развитие прикладных систем автоматизированного
проектирования телекоммуникационных систем и устройств / В.Л. Карякин,
Д.В. Карякин И - Саикт Пеге|Я>ург: Научно-технические ведомости СПбГПУ,
серия Информатика, телекоммуникации, управление, № 1,2009. - С. 109-115.
113 Final draft ETSI EN 300 744 V1.6.1 (2008-09)
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
399
Литература
114 Артамонов А. Передающее оборудование для цифрового
телевещания /Л. Артамонов, Л. Протопопов И Электроника: Наука,
Технология, Бизнес, №8,2007, с.44-47.
115 Курушин А. Усилители мощности с высокой линейностью для
базовых станций беспроводной связи / А. Курушин. В. Недера //Новос ти
микроэлектроники, http://www.chipncws.ru/litinl.cgi/arhiv/02 07Z2.htm
116 Чижов А.И. Структурный анализ несимметричных реактивных СВЧ-
четырехполюсников относительно условий согласования. Физика волновых
процессов и радиотехнические системы, том 12. №2, 2009. - С. 62-69.
117 Оншцук А.Г. Структурно-параметрический синтез трехэлементных
согласующих цепей для пассивного двухполюсника /АГ. Оитцук, Д.В.
Пегасин. М.В. Пегасин И Физика волновых процессов и радиотехнические
системы, том 12, №2,2009. - С. 111-115.
118 Шахпгльдян В.В. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов /
В.В. Шахгильдян. В.Б. Козырев. А.А. Ляховкин и др.; Под ред.
В.В.Шахгильдяпа. 3-е изд. - М.: Радио и связь, 2003,560с.
119 Карякин Д.В. Применение САПР "Telccoin-MWO" в проектировании
телекоммуникационных систем и устройств. Физика волновых процессов и
радиотехнические системы, Т. 12, № 2,2009. - С. 91-98.
120 Рожковский А.Д. Концепции современного естествознания. URL:
http://www.raclweb.ni/content/teoria/teoria2.html
121 Simon М. ATSC Distributed Transmission Standard. Rode & Schwarz.
URL: www.webe.org/papers04/Rohde.pdf
122 ETSl TR 101 290 Vl.2.1 (2001-05) Digital Video Broadcasting (DVB):
Measurement guidelines for DVB systems.
123 Digital Transmission: Carrier-to-Noise Ratio, Signal-to-Noise Ratio, and
Modulation Enor Ratio. URL: http://www.cisco.coin/
124 ETS1 TR 101 290 Vl.2.1 (2001-05) Digital Video Broadcasting (DVB);
Measurement guidelines for DVB systems.
125 Technologies and Services of Digital Broadcasting MODULATION
Systems (part 2). URL: http://www.nhk.or.ip/strl/publica/bt/cn/lcOO 16.pdf
126 ETSl EN 300 744 Vl.6.1 (2009-01)
127 Карякин В.Л. Разработка модели мониторинга IPTV мультнсервисной
сети передачи данных/ В.Л. Карякин, Д.В. Карякин, С.Г КоеенкоН
Инфокоммуникационныс технологше. Т.10,№ 1,2012. С.36-40.
400
Цифровое телевидение/В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 1 - Центр формирования федеральных мультиплексов
Прп./меннс 1 - Центр форнщюьаммя федеральных мулы нилсхсоп
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
401
Приложение 2 - Центр формирования региональных мультиплексов
Приложение 2 - Центр формнронания региональных мультиплексор
402
Цифровое телевидение/ В Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 3 - Параметры SFN сети стандарта DVB-T2
Приложение 3 - Параметры SFN сети стандарта DVB-T2
№ яариан га Стандарт вешания Carrier Modulation COFDM Mode Guard Interval Forward Error Correction DVB-T2 Pilot Pattern C/N (канал Редея), дБ C/14 (канал Райса), дБ С/N (канал AWGNJ, дБ Bit Rate, mBit/scc s к ж s i Cl 8 X 5 I c
1 DVB-T 64QAM KK 1/4 3/4 • 23,(1 18,9 18.2 22,39 67.2
2 DVB-I2 64QAM 32K- ext 1/16 4/5 PP4 19.5 16Л 16.4 3329 67,2
3 DVB-T2 64QAM 32K- ext 1/16 5/6 PW 20J 17,7 17,1 34.71 672
4 DVB-T2 256QAM 32K- ext 1/16 2/3 PP4 20.5 18,3 1В.0 37.00 67.2
5 DVI3-T2 256QAM 32K- ext 1/16 V4 РГ4 23.0 20,7 20,2 41,62 67’
6 DVfl-1'2 64QAM 32K- cxl !/!(• 3/4 PP4 18.0 15,8 15,4 31.20 672
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
403
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
Контрольные вопросы и задания по первой главе «Общие принципы
построения систем цифрового телевидения»
1. Изобразите структурную схему системы цифрового телевидения и
поясните назначение отдельных ее частей.
2. Дайте определение трем фундаментальным процессам в цифровом
телевидении.
3. Каковы основные характеристики аналогового сигнала изображения?
4. Укажите этапы дискретизации телевизионного изображения.
5. Какова частота дискретизации сигнала яркости?
6. Какова частота дискретизации для цветоразностных сигналов?
7. Почему частоту дискретизации сигнала яркости в литературе
называют «четверкой», а частоту дискретизации для
цветоразностных сигналов «двойкой»?
8. Каким образом связаны компоненты цифрового видеосигнала с
компонентами трех основных цветов?
9. Какова структура пространственного расположения отсчетов сигнала
яркости и цветоразностных сигналов в формате «4:2:2»?
10. Какова структура пространственного расположения отсчетов сигнала
яркости и цветоразностных сигналов в формате «4:2:0»?
11. Какова структура пространственного расположения отсчетов сигнала
яркости и цветоразностных сигналов в формате «4:1:1»?
12. Какова структура пространственного расположения отсчетов сигнала
яркости и цветоразностных сигналов в формате «4:4:4»?
13. Каковы факторы, влияющие на возможность компрессии цифрового
сигнала изображения?
14. Дайте определения двум группам методов компрессии цифрового
сигнала изображения.
15. Каков базовый алгоритм сжатия неподвижных изображений по
стандарту JPEG?
16. Каковы этапы сжатия неподвижных изображений по стандарту
JPEG?
17. В чем заключается алгоритм статистического кодирования по методу
Хаффмана?
18. Какова структура передачи движущегося изображения?
19. Изобразите структуру слоя кадров в алгоритме передачи движущихся
изображений и поясните назначение сс отдельных элементов.
20. Изобразите структуру слоя группы блоков в алгоритме передачи
движущихся изображений и поясните назначение ее отдельных
элементов.
404
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
21. Изобразите структуру слоя макроблоков в алгоритме передачи
движущихся изображений и поясните назначение ее отдельных
элементов.
22. Изобразите структуру слоя блоков в алгоритме передачи движущихся
изображений и поясните назначение ее отдельных элементов.
23. В каком году принят стандарт кодирования движущихся
изображений MPEG-I?
24. Приведите полное название стандарта кодирования движущихся
изображений MPEG-1.
25. Из каких пяти частей состоит стандарт MPEG-1?
26. Каковы ограничения стандарта MPEG-1 для кодирования сигналов
вещательного телевидения?
27. Какие методы цифрового сжатия используются в стандарте MPEG-1?
28. Дайте характеристику I, Р и В- видеокадрам.
29. Нарисуйте типовую группу изображений.
30. Какие форматы дискретизации используются в стандарте MPEG-1 ?
31. В чем заключается алгоритм кодирования в стандарте MPEG-1 ?
32. Какова структура видеопоследовательности?
33. Поясните последовательность передачи видеокадров.
34. Поясните иерархию элементов потока видеоданных
(видеопоследовательность, группа видеокадров, видеокадр, слайс,
макроблок).
35. Дайте характеристику трем уровням обработки аудиоданных в
стандарте MPEG-1.
36. Каковы номиналы скоростей цифрового потока аудиоданных в
стандарте MPEG-I?
37. Каковы частоты дискретизации аудиосигнала в стандарте MPEG-1?
38. В каких пределах находится число уровней квантования
аудиосигнала в стандарте MPEG-1?
39. В чем отличия элементарного потока от пакетированного
элементарного потока?
40. Какова структура пакетировашюго элементарного потока?
41. В чем отличия пакетированного элементарного потока от системного
потока?
42. Каким образом осуществляется синхронизация пакетированных
элементарных потоков в системном потоке?
43. Каким образом осуществляется синхронизация тактовых частот
кодера и декодера?
44. Имеются ли средства защиты от ошибок в системном потоке?
45. Обеспечивается ли постоянство скорости системного потока в
стандарте MPEG-1?
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
405
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
46. Какова область использования алгоритма кодирования в стандарте
MPEG-1?
47. В каком году принят стандарт кодирования движущихся
изображений MPEG-2?
4S. Приведите полное название стандарта кодирования движущихся
изображений MPEG-2.
49. Из каких девяти частей состоит стандарт MPEG-2?
50. Дайте общую характеристику пространственному н временному
сжатию сигнала изображения в стандарте MPEG-2.
51. Какие этапы пространственного сжатия сигнала изображения
имеются в стандарте MPEG-2?
52. Каковы форматы дискретизации в стандарте MPEG-2?
53. Каким образом осуществляется временное сжатие сигнала
изображения в стандарте MPEG-2?
54. Объясните внутреннюю организацию макроблока при кадровом и
полевом кодировании.
55. Дайте общую характеристику шести профилям стандарта MPEG-2.
56. Приведите параметры цифрового потока для различных уровней
Основного профиля MPEG-2.
57. Дайте сравнительный анализ основных свойств профессионального и
основного профиля MPEG-2.
58. Каковы отличия и что общего в алгоритмах обработки аудиоданных в
стандартах MPEG-1 и MPEG-2?
59. Дайте общую характеристику системы улучшенного кодирования
звука ЛАС.
60. Нарисуйте структуру программного потока в MPEG-2 и объясните ее
содержание.
61. В чем отличия транспортного и программного потоков?
62. Каким образом осуществляется синхронизация цифровых потоков?
63. Нарисуйте структуру заголовка пакета транспортного потока и
объясните ее содержание.
64. Нарисуйте структуру поля адаптации пакета транспортного потока и
объясните ее содержание.
65. Поясните принцип мультиплексирования потоков данных.
66. Каковы этапы формирования транспортного потока?
67. Нарисуйте структуру таблиц программно-зависимой информации и
объясните ее содержание.
68. Каковы функции модуляции в системах цифрового телевидения?
69. Какие виды модуляции применяются в цифровом телевидении?
70. Нарисуйте полярные диаграммы для амплитудной, фазовой и
амплитудно-фазовой модуляции и поясните их содержание.
406
Цифровое телевидение/ B.J1. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
71. Нарисуйте квадратурную модуляционную диаграмму и поясните ее
содержание.
72. Нарисуйте структурную схему квадратурного модулятора и поясните
назначение отдельных ее частей.
73. Нарисуйте диаграмму состояний 4-х позиционной квадратурной
фазовой модуляции QPSK.
74. Нарисуйте диаграмму состояний 8 - и 16 - позиционной квадратурной
фазовой модуляции QPSK.
75. Сопоставьте различные виды QPSK по скорости передачи данных и
помехозащищенности.
76. Нарисуйте структурную схему модулятора QPSK и поясните
назначение отдельных ее частей.
77. Нарисуйте диаграмму состояний 16 - позиционной квадратурной
амплитудной модуляции QAM.
78. Нарисуйте структурную схему модулятора 16-QAM и поясните
назначение отдельных ее частей.
79. Объясните принцип формирования миогопозициониой однополосной
амплитудной модуляции VSB.
80. В чем заключается метод многочастотной модуляции OFDM?
81. Каким образом осуществляется синтез группового спектра OFDM?
82. Сформулируйте правило ортогональности несущих частот в спектре
OFDM.
83. Каково соотношение длительности тактового интервала для каждой
несущей с величиной задержки отраженных сигналов?
84. Объясните, благодаря чему уменьшается влияние отраженных
сигналов на результирующий широкополосный сигнал системы?
Контрольные «опросы и задания по второй главе «Мультимедийные
стандарты»
1. В каком году принят стандарт кодирования движущихся
изображений MPEG-4?
2. Приведите полное название стандарта кодирования MPEG-4.
3. Из каких частей состоит стандарт MPEG-4?
4. В чем заключается основное отличие стандарта MPEG-4 от других
стандартов кодирования движущихся изображений?
5. Перечислите основные преимущества объектно-ориентированного
представления медиа-информации.
6. Каким образом осуществляется описание сцены и ее динамического
изменения в MPEG-4?
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
407
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
7. Дайте характеристику командному и анимационному протоколам
модификации сцены.
8. Каким • образом осуществляется синхронизация потоков
модификации сцены?
9. Поясните трехуровневый механизм доставки элементарных потоков
декодеру.
10. Каково назначение сеансового протокола DMIF?
11. Нарисуйте структуру демультиплексирования элементарных потоков
в приемнике и объясните назначение ее элементов.
12. Сформулируйте требования к кодированию в М PEG-4.
13. Каковы возможности выбора параметров в MPEG-4?
14. Приведите классификацию алгоритмов кодирования по скорости
потока.
15. Нарисуйте структуру визуального цифрового потока MPEG-4 и
объясните назначение ее элементов.
16. В чем отличия бинарного и градационного кодирования информации
о форме объекта?
17. Приведите последовательность процесса цифрового сжатия
плоскости видеообьектов в MPEG-4.
18. Какой режим используется для кодирования текстуры и
неподвижных объектов в MPEG-4?
19. Перечислите типы натуральных объектов и дайте им краткую
характеристику.
20. Перечислите типы синтетических объектов и дайте им краткую
харакгеристи ку.
21. Приведите классификацию профилей по типу визуальных объектов в
сцене.
22. Каковы перспективы применения MPEG-4?
23. С какого года идет активная работа над дополнениями в стандарт
MPEG-4 на основе рекомендаций ITU-11.264?
24. Из скольки основных частей состоит современный стандарт MPEG-4
?
25. Дайте определение первым трем частям стандарта MPEG-4.
26. Какова роль десятой части стандарта MPEG-4 в развитии цифрового
телерадиовещания?
27. Как сокращенно называется стандарт компрессии H.264/AVC/MPEG-
4 Part 10?
28. Каковы отличительные особенности системы компрессии H.264/AVC
?
29. Поясните принципы многокадрового предсказания.
30. Какова методика пространственного предсказания?
31. Дайте определение методам сжатия макроблоков без потерь.
408
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
32. Каковы возможности гибких функций чересстрочного сжатия?
33. Каковы новые функции пространственного преобразования?
34. Поясните особенности квантования.
35. Каковы функции внутреннего фильтра деблокинга?
36. Поясните принципы энтропийного кодирования.
37. Как реализуются функции устойчивости к ошибкам?
38. Поясните принцип разбиения данных.
39. Перечислите основные профили системы компрессии H.264/AVC.
40. Дайте определение уровню системы компрессии H.264/AVC.
41. Каким образом зависит максимальная скорость передачи видео
данных от выбранного уровня для заданного профиля?
42. Поясните принцип масштабируемого видеокодирования H.264/AVC
SVC.
43. Какова область применения масштабируемого видеокодировапия.
44. Какие три класса маштабируемости поддерживает стандарт
H.264/AVCSVC?
45. Поясните возможности миогоракурспого видеокодировапия
H.264/AVC MVC?
46. Каково назначение стандарта MPEG-7?
47. Из каких частей состоит стандарт MPEG-7?
48. Какое содержание .материала передают дескрипторы первого типа?
49. Какая информация содержится в дескрипторах второго типа?
50. С какой целью используется третий и четвертый тип дескрипторов?
51. Каковы главные функции стандарта MPEG-7 ?
52. Укажите области применения MPEG-7.
53. Каково назначение стандарта MPEG-21?
54. Из каких частей состоит стандарт MPEG-21 ?
55. Что понимается под гермином «устойчивая ассоциация
идентификации и описания цифровых объектов»?
56. Какие ассоциации идентификации и описания цифровых объектов
определены стандартом?
57. 13 чем принципиальное отличие стандартов MPEG-7 и MPEG-21?
Контрольные вопросы и задания по третьей главе «Передача
цифрового телевизионного сигнала по каналам связи»
1. В каком году организована некоммерческая организация,
получившая название DVB Project - проект цифрового ТВ вещания?
2. Дайзе определение группам стандартов DVB: EN, TS и TR.
3. Перечислите группы стандартов DVB но сфере применения.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
409
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
4. Приведите полное наименование документов DVB-S, DVB-C, DVB-
Т.
5. Поясните назначение стандартов MMDS, LMDS, SMATV.
6. Поясните назначение единых таблиц информации о службах SI.
7. Поясните назначение каждой из таблиц информации о службах: NIT,
ВАТ, SDT, Е1Т, RST, TOT/TDT, ST.
8. Каковы преимущества выбора режима МСРС - несколько каналов на
одной несущей перед режимом SCPC - один канал на одной
несущей?
9. Нарисуйте структурную схему обработки транспортного потока в
спутниковом DVB кодере-модуляторе и объясните назначение ее
элементов.
10. С какой целью данные транспортного пакета подвергаются
кодированию каскадным кодом?
11. Какой код используется в качестве внешнего?
12. Какой код используется в качестве внутреннего?
13. С какой целью в кодере используется сверточное перемежение
данных?
14. При каком коэффициенте ошибок работает декодер сверточного
кода?
15. Какое значение коэффициента ошибок в выходном сигнале
обеспечивает декодер сверточного кода для нормальной работы
декодера Рида-Соломона?
16. Поясните, какой энергетический выигрыш дает применение QPSK в
сочетании со сверточным кодированием и с каскадным
кодированием?
17. Нарисуйте структурную схему передающей части системы
цифрового телевизионного вещания и объясните назначение ее
элементов.
18. Нарисуйте структурную схему абонентского приемника-декодера
системы цифрового телевизионного вешания и объясните назначение
се элементов.
19. Нарисуйте структурную схему спутникового повера и объясните
назначение ее элементов.
20. Нарисуйте структурную схему демодулятора модуля входного
интерфейса и объясните назначение ее элементов.
21. Нарисуйте структурную схему модуля обработки MPEG-2 и
объясните назначение ее элементов.
22. Нарисуйте структурную схему выходного модуля абонентского
приемника-декодера и объясните назначение ее элементов.
23. Нарисуйте структурную схему системы кабельного телевидения и
объясните назначение ее элементов.
410
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
24. Почему в кабельной сети применяют для передачи цифрового
телевизионного сигнала многопозиционную квадратурную
модуляцию от 16-QAM до 256-QAM?
25. Нарисуйте структурную схему обработки транспортного потока в
кабельном DVB кодере-модуляторе и объясните назначение ее
элементов.
26. Поясните, почему в кабельном DVB кодере-модуляторе не
используется внутреннее кодирование?
27. С какой целью в эфирном цифровом телевизионном вещании отдано
предпочтение миогочастотной модуляции COFDM?
28. Поясните принцип организации канала передачи данных с COFDM
модуляцией.
29. Дайте определение символу OFDM.
30. Каким образом выбирается расстояние между несущими в символе
OFDM?
31. С какой целью между соседними символами вводится временной
интервал?
32. Каково назначение пилотных несущих в символе OFDM?
33. Каким образом и с какой целью осуществляется частотное
перемежеиие в символе OFDM ?
34. Нарисуйте сигнальные созвездия квадратурной амплитудной
модуляции 4QAM, 16QAM, 64QAM.
35. Дайте сравнительную оценку по помехозащищенности и объему
передаваемой информации, приходящейся на каждую несущую, для
различных видов модуляции: 4QAM, I6QAM, 64QAM.
36. Каким образом осуществляется синхронизация передатчиков
одночастотной сети цифрового телевизионного вещания?
37. Поясните принцип иерархической модуляции, применяемой в
стандарте DVB-T/H.
38. Дайте определение потокам высшего и низшего приоритета в
иерархической модуляции.
39. Какие две основные особенности присуши иерархической модуляции
системы DVB-T?
40. Дайте определение режимам 2k, 8k многочастотной модуляции
COFDM.
41. Какое число несущих в спектре в режимах 2k и 8k?
42. Какова длительность активной части символа в режимах 2k и 8k?
43. Какова ширина спектра группового сигнала?
44. Какова относительная длительность защитного интервала?
45. От каких параметров модуляции COFDM зависит максимальный
разнос между передатчиками в одиочастотной сети?
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
411
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
46. Приведите основные параметры COFDM при различном числе
несущих частот (стандарты 8к, 2к) и объясните причину
энергетического выигрыша в режиме 8к.
47. Поясните структуру кадра COFDM.
48. Каково назначение пилотных несущих в кадре COFDM.
49. В чем отличие непрерывных пилот-сигналов и распределенных?
50. Какое количество несущих в кадре предназначено для передачи
служебной информации и какое - для передачи цифрового
телевизионного сигнала в режимах 2k и 8k?
51. Какие виды модуляции предусмотрены стандартом для каждой из
несущих?
52. Нарисуйте структурную схему обработки транспортного потока в
эфирном DVB кодере-модуляторе и объясните назначение ее
элементов.
53. Нарисуйте структурную схему внутреннего перемежителя DVB-T
кодера и объясните назначение ее элементов.
54. Нарисуйте структурную схему COFDM модулятора и объясните
назначение ее элементов.
Контрольные вопросы и задания по четвертой главе «Технологии
построения систем и сетей телерадиовещания стандарта DVB-T2»
1. Когда было принято решение правительства РФ о переходе на второе
поколение цифрового телерадиовещания?
2. Когда был опубликован второй вариант стандарта DVB-T2?
3. Каково основное содержание доклада Европейского вещательного
союза EBU в Женеве, опубликованного в 2011 году?
4. Каковы выводы Европейского вещательного союза EBU по докладу
в Женеве, опубликованного в 2011 году?
5. Каковы мотивы перехода на второе поколение цифрового
телерадиовещания?
6. Сформулируйте коммерческие требования к стандарту DVB-T2.
7. Дайте сравнительную опенку стандартам DVB-Т и DVB-T2.
8. Каковы преимущества нового поколения защиты от ошибок FEC?
9. Благодаря чему уменьшен защитный интервал по отношению к
длительности символа?
10. Каким образом оптимизировано число пилотных несущих и с какой
целью?
11. На сколько процентов расширена полоса канала?
12. С какой целью и каким образом расширено перемежение?
412
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
13. На сколько процентов возможно увеличение производительности
одночастотных сетей при переходе к стандарту DVB-T2?
14. Какие новые возможности для повышения надежности предоставляет
стандарт DVB-T2 в критических условиях?
15. Поясните благодаря чему улучшается помехозащищенность при
вращении созвездия?
16. С какой целью уменьшают отношение пиковой к средней мощности
и каким методом?
17. Каково достоинство режима передачи MISO?
18. В чем заключается принцип режима передачи MISO?
19. В каких случаях режим M1SO наиболее эффективен?
20. Сформулируйте базовые принципы построения систем и сетей
стандарта DVB-T2.
21. На примере обобщенной структурной схемы системы стандарта
DVB-T2 поясните новую функцию - предварительную обработку
входных потоков для режима "А” (один канал PLP)
22. Какова схема модуля входной обработки для одного канала PLP
(режим "А" )?
23. Поясните схему модуля адаптации данных в режиме "В"
24. Какие три дополнительных подсистемы включает в себя модуль
адаптации данных в режиме "В"?
25. Поясните схему модуля адаптации потоков в режиме "В”.
26. Поясните назначение элементов модуля перемежения бит,
кодирования и модуляции (BICM).
27. Каково назначение внешнего и внутреннего кодеров BCIT и LDPC?
28. Какую роль играют блоки сигнализации L1 ?
29. Какие функции выполняет формирователь кадров?
30. Какие функции выполняет модуль генерации OFDM ?
31. С какой целью вставляется в модуль генерации OFDM сигнальный
символ Р1?
32. Каковы основные отличия методов обработки сигналов в системах
DVB-T2 по отношению к системам стандарта DVB-T?
33. Перечислите шесть базовых принципов построения систем и сетей
стандарта DVB-T2.
Контрольные вопросы и задания по пятой главе «Спецификация
режимов систем и сетей телерадиовеиршия стандарта DVB-T2»
1. Продолжением какого раздела является материал данной главы и с
чем связано подробное рассмотрение технологий стандарта DVB-T2?
Цифровое телевидение/В. Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
413
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
2. Дайте определение потокам TS, GSE, GCS.
3. Поясните структуру потокового ВВ-кадра.
4. Каковы достоинства кодеров ВСН и LDPC в технологии DVB-T2 в
сравнении с кодерами Рида-Соломона и Витерби стандарта DVB-T?
5. Поясните структуру потокового FEC-кадра.
6. Дайте сравнительную оценку доли защитного интервала G1 в обшей
длительности символа для режимов 8к и 32k.
7. Какова максимальная длительность защитного интервала в стандарте
DVB-T2?
8. Дайте ориентировочную оценку максимально допустимому
расстоянию между передатчиками, исходя из возможных значений
защитного интервала.
9. Как влияег увеличение числа позиций модуляции с 64 QAM до 256
QAM в системах и сетях цифрового ТВ вещания на скорость
передачи данных и помехозащищенность?
10. Сопоставьте уровни внеполосных излучений DVB-T2 спектров в
различных режимах: 32k нормальный и 32k расширенный на 2%.
11. Какую информацию содержат распределенные пнлот-сигпалы?
12. Каким образом осуществляется выбор из 8 различных моделей (РР1-
РР8) распределения пилот-сигналов?
13. Какая модель распределения нилот-сигналов наиболее устойчива к
интерференции?
14. Каким образом влияет выбор модели распределения пилот-сигналов
на качество передаваемой информации и производительность?
15. В чем отличие моделей распределения пилот-сигналов в стандартах
DVB-T2 и DVB-T?
16. Поясните структуру кадра DVB-T2: суперкадры, Т2-кадры и OFDM
символы.
17. С какой целью Т2-кадр начинается с преамбулы Р Г?
18. Почему в символе Р1 для передачи информации используется
дифференциальная фазовая модуляция DBPSK.?
19. Поясните структуру символа Р1.
20. Какая информация заложена в символе Р1?
21. Каким образом реализуются коммерческие требования к DVB-T2
обеспечения различных уровней помехоустойчивости для разных
услуг?
22. Поясните структуру объединения услуг в Т2-кадре.
23. Какие три каскада перемежений используются в DVB-T2?
24. Каким образом выбирается угол поворота сигнального созвездия для
QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 2S6-QAM, обеспечивающий максимальную
помехозащищенность?
25. С какой целью в одиочастотной сети вводится режим M1SO?
414
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
26. На примере обобщенной структуры сети объясните принцип
реализации режима MISO.
27. Какое оборудование необходимо для работы сети в режиме M1SO?
28. Поясните технологию PAPR уменьшения отношения пиковой к
средней мощности передачи.
29. Какова роль расширения FEF в Т2-кадре?
30. С какой целью в DVB-T2 включена сигнализация TFS?
31. Приведите пример реализации возможностей TFS.
Контрольные вопросы и задания по шестой главе «Технологии
цифрового ТВ вещания в мультисервисных сетях передачи данных»
1. Из какой совокупности подсистем состоит функциональная часть сети
IPTV?
2. Объясните назначение подсистемы приёма и обработки контента.
3. Объясните назначение подсистемы видеосерверов.
4. Объясните назначение подсистемы защиты контента.
5. Объясните назначение подсистемы управления комплексом
оборудования и услугами.
6. Объясните назначение подсистемы мониторинга.
7. Объясните назначение подсистемы абонентский доступ.
8. Какова роль опорной сети IP в мультисервисной сети NGN?
9. Дайте определение качеству восприятия услуги QoE.
10. Какие аспекты влияют на качество восприятия услуги QoE?
11. Какие требования предъявляются к архитектуре сети?
12. Каким механизмом обеспечивается заданный уровень качества услуг?
13. Дайте определение основным моделям QoS.
14. Поясните модель негарантированной дос тавки.
15. Поясните модель дифференцированного обслуживания.
16. Поясните модель интегрированного сервиса.
17. Дайте характеристику протоколам обслуживания: RSVP, DiffServ,
MPLS.
18. Дайте определение коэффициенту загрузки устройства.
19. Какие модели обработки очередей пакетов используются для
поддержания гарантированного уровня QoS?
20. Дайте определение трем основным методам передачи трафика в 1Р
сетях.
21. Дайте характеристику режиму одноадресной рассылки Unicast.
22. Дайте характеристику режиму многоадресной рассылки Multicast.
23. Дайте характеристику режиму широковещательной рассылки
Broadcast.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
415
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
24. В чем заключается процедура инкапсуляции и декапсуляции
видеопотоков в сетях 1PTV?
25. Поясните ' принцип формирования элементарных потоков в
стандартах MPEG-2 и MPEG-4.
26. Каким образом осуществляется формирование транспортного потока
MPEG-TS.
27. В чем отличие программного потока от транспортного?
28. В каком виде поступает видеокоитент от спутниковых и кабельных
источников информации на вход системы 1PTV?
29. Какова структура TS-пакега?
30. Почему длина TS-пакета в одних литературных источниках
указывается 188 байт, а в других 204 байга?
31. Какова длина поля упреждающей коррекции ошибок FEC в TS-
пакете?
32. Сколько байт выделено в TS-пакете на передачу информации и какую
длину в байтах имеет заголовок?
33. Каким образом осуществляется идентификация принадлежности TS-
пакетов к определённому потоку?
34. Каким устройством осуществляется процесс преобразования TS-
пакстов в формат, предназначенный для трансляции в IP сети, и как
называется этот процесс?
35. Как называется обратный процесс преобразования данных из
формата, предназначенного для трансляции в IP сети, в 7У-паксты?
36. Каким термином иногда называют совокупность процессов
инкапсуляции и декапсуляции?
37. Какую функцию выполняет DVB-IP ст ример в сетях IPTV?
38. Какой спецификации должны соответствовать транспортные потоки,
транслируемые в 1Р-сетях?
39. В какие протоколы должен быть инкапсушрованы TS-цаксты для
трансляции в IP-сетях?
40. Дайте краткую характеристику протоколам RTP и UDP.
41. Какие методы инкапсуляции применяются в настоящее время?
42. Дайте характеристику методу прямой UDP инкапсуляции TS-пакетов.
43. Объясните, почему при передаче видеопакстов по сети нежелательна
их фрагментация?
44. Дайте характеристику методу инкапсуляции транспортных потоков
MPEG-TS в протокол передачи реального времени RTP.
45. Каковы достоинс тва протокола RTP?
46. С какой целью профессиональные IP-стримеры обеспечивают
выравнивание скорости видеопотока?
47. Благодаря чему происходит выравнивание скорости видеопотока?
48. Дайте характеристику методу прямой RTP инкапсуляции.
416
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
49. Дайте сравнительную характеристику различным методам
инкапсуляции.
50. Сопоставьте модели OSI и 1PTV.
51. Покажите на реальном примере связь процесса инкапсуляции и
декапсуляции видеопотока в сетях [P-телевидения с моделью OSI.
52. Каковы результаты моделирования различных методов инкапсуляции
видеопотоков?
53. Поясните графики загрузки оперативной памяти RAM при различных
методах инкапсуляции видеопотоков MPEG-2 и MPEG-4.
54. Поясните графики загрузки процессора CPU при различных методах
инкапсуляции видеопотоков MPEG-2 и MPEG-4.
55. Дайте сравнительную оценку эффективности методов инкапсуляции
по критерию максимума полезной информации и надежности при
передаче пакетов.
56. Поясните технологию Triple Play в компьютерных сетях.
57. Перечислите набор принципиально новых мультимедийных
интерактивных услуг, которые представляет технология 1PTV.
58. Какова роль непрерывного мониторинга качества предоставляемых
услуг в технологии 1PTV?
59. В чем специфика предоставления сервиса IPTV?
60. Объясните достоинства испытательного стенда, реализованного на
программном уровне, для исследования качества услуг 1PTV?
61. Поясните взаимодействие элементов модели мониторинга 1PTV
мультисервисной сети передачи данных.
62. По какому принципу построена модель мониторинга 1PTV?
63. Дайте характеристики блокам «источники контента», «модель
транспортной сети», «потребители контента», «система мониторинга
и управления».
64. Приведите пример эмуляции транспортной IP-сети в GNS3.
65. Поясните схему взаимодействия модулей в симуляторе GNS3.
66. Покажите на конкретном примере работу модели мониторинга 1PTV.
67. Каким образом в модели формируется транспортный поток,
состояищй из пакетов TS?
68. Поясните процесс инкапсуляции транспортного потока MPEG-TS
модели мониторинга в пакеты протокола пользовательских
датаграмм UDP.
69. Какое программное обеспечению используется в модели для
организация сервера анонсов?
70. Какой вид графика вещает видеосервер?
71. Проанализируйте результаты моделирования.
72. Какова зависимость процента ошибок в видеопотоке от полосы
пропускания сети?
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
417
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
73. Какова зависимость качества изображения от полосы пропускания
сети?
74. Каковы возможности испытательного стенда, реализованного на
программном уровне?
75. В чем заключается особенность передачи потокового видео с
использованием протокола IP.
76. Какие специфичные требования 1PTV вещания обеспечивает
автоматическая адаптация мультимедийных ресурсов ?
77. Какие возможности IPTV вещания появляются при автоматической
адаптации мультимедийных ресурсов?
78. На технологиях каких стандартов базируется инструмент адаптации
мультимедийных ресурсов ?
79. Дайте определение динамической адаптации мультимедийных
ресурсов.
80. Дайте определение распределенной адаптации мультимедийных
ресурсов.
81. Приведите в качестве примера сценарий распределенной адаптации.
82. Поясните взаимодействие элементов инструмента адаптации и
управления потоками данных.
83. Каковы функции интерфейса управления инструмента адаптации?
84. В чем заключается принцип динамического принятия решений?
85. Технологии каких стандартов используются для реализации
принципа динамического принятия решений?
86. Какие модули входят в состав архитектуры узла адаптации?
87. За какие функции отвечаег модуль агрегации контекста?
88. Каково назначение модуля объединения дескрипторов?
89. Какие возможности модуля инструмента адаптации?
90. Каковы достоинства метода автоматической адаптации
мультимедийных ресурсов на практике при ограничениях конкретной
сети пользователя и характеристик терминала?
Контрольные вопросы и задания по седьмой главе «Технология
перехода на цифровое телевизионное вещание»
1. В каком году утверждена Федеральная целевая программа (ФЦП)
«Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009-2015
годы»?
2. Какой стандарт компрессии выбран для наземного цифрового
вещания?
3. Какой метод построения сетей телерадиовещания примят в регионах
РФ?
418
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
4. Приведите пример организации локальных зон цифрового
телевизионного вещания в Самарской области в соответствии с
частотно-территориальным планом (ЧТП)?
5. Сколько телевизионных и радиовещательных программ планируется
в первом мультиплексе?
6. Назовите состав пакета программ первого мультиплекса.
7. Каковы характеристики сети DVB-Т Самарской области?
8. Каковы параметры модуляции и кодирования цифрового эфирного
ТВ сигнала?
9. Какую скорость транспортного потока цифрового эфирного сигнала
должна обеспечить сеть DVB-Т в соответствии с системным
проектом?
10. Поясните методику теоретического расчета зон обслуживания
телевизионных передатчиков, принятую в системных проектах.
11. Каким образом зависит требуемая напряженность электрического
поля от частотного диапазона вещания?
12. Поясните принцип оценки реальной зоны обслуживания.
13. С какой целью устанавливаются одночастотные ретрансляторы в зоне
обслуживания?
14. Каковы требования к планируемой системе мониторинга с учетом
организационной структуры ФГУП «Российская телевизионная и
радиовещательная сеть» (РТРС)?
15. Какова роль мониторинга на федеральном, региональном и местном
уровне?
16. Поясните функциональное назначение мониторинга на местном
уровне.
17. Поясните функциональное назначение мониторинга на региональном
уровне.
18. Поясните функциональное назначение мониторинга на федеральном
уровне.
19. Какие параметры необходимо контролировать в центре
формирования мультиплекса на федеральном и региональном
уровне?
20. Какие параметры необходимо контролировать на передающем
центре?
21. Каким образом осуществляется поддержка системы управления
передатчиками со стороны центра формирования регионального
мультиплекса?
22. Какие мероприятия направлены на повышение надежности
радиотелевизионных передающих станций мощностью 100 вт и
выше?
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
419
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
23. Какие мероприятия направлены на повышение надежности
радиотелевизионных передающих станций мощностью менее 50 вт?
24. Какие требования предъявляются к системам коллективного приема
телевидения (СКПТ) и системам кабельного телевидения (КТВ) для
расширения охвата населения наземным эфирным ТВ вещанием, в
частности, для возможности приема программ первого
мультиплекса?
25. Каков состав и структура системы оповещения населения о
мероприятиях гражданской обороны и чрезвычайных ситуациях?
26. Поясните структуру сети цифрового телевизионного вещания РФ.
27. Поясните структуру центра формирования федеральных
мультиплексов.
28. Какие подсистемы входят в состав федеральной системы присма
телерадиопрограмм, компрессии и формирования мультиплексов?
29. Каково предназначение федеральной системы управления и
мониторинга?
30. Поясните взаимодействие подсистемы приема телерадиопрограмм с
другими подсистемами центра формирования федеральных
мультиплексов.
31. Какие функции реализует подсистема компрессии центра
формирования федеральных мультиплексов?
32. В каком формате подаются выходные сигналы подсистемы
компрессии па подсистему формирования мультиплексов.
33. Какие функции обеспечивает* подсистема формирования
мультиплексов?
34. Каким образом осуществляется криптографическая защита
телерадиопрограмм, файлов, служебной информации и другой
информации в сформированных федеральных мультиплексах?
35. Какова структура центра формирования региональных
мультиплексов?
36. Какие функции выполняет центр формирования региональных
мультиплексов?
37. Какая подсистема служит для приема программ региональных
телерадиовещателей?
38. Поясните, на какую подсистему регионального центра поступают
сигналы федеральных мультиплексов?
39. Какова роль системы автоматического замещения блоков
федеральных программ, подсистемы мониторинга и записи входных
сигналов в центре формирования региональных мультиплексов?
40. Какие функции реализует подсистема компрессии центра
формирования региональных мультиплексов?
420
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
41. Какие функции обеспечивает подсистема мониторинга и записи
входных сигналов центра формирования региональных
мультиплексов? •
42. Какие функции обеспечивает подсистема мониторинга и записи
выходных сигналов центра формирования региональных
мультиплексов?
43. Каковы требования к транспортной сети, обеспечивающей доставку
программ федерального мультиплекса?
44. Каким образом организуются гранспоргные сети, обеспечивающие
доставку профамм федерального мультиплекса?
45. Из каких подсистем состоит оборудование наземных
радиотелевизионных передающих станций?
46. На какие типы делятся подсистемы приема наземных
радиотелевизионных передающих станций?
47. Объясните взаимодействие подсистем передачи цифрового пакета
гелерадиопрограмм в эфир.
48. На какие типы делятся подсистемы передачи цифрового пакета
телерадиопрограмм в эфир в зависимости от мощности
используемых передатчиков?
49. Нарисуйте структурную схему подсистемы передачи цифрового
пакета гелерадиопрограмм в эфир и объясните назначение ее
элементов.
50. С какой целью используются в эфирном телевизионном вещании
ретрансляторы (Gap Filler)?
51. Каково назначение основных элементов подсистемы управления и
мониторинга наземного передающего комплекса?
52. Нарисуйте структурную схему подсистемы управления и
Мониторинга радиотелевизионной передающей станции и объясните
назначение ее элементов.
53. В каком году принята в Страсбурге Европейская Конвенция о
правовой защите услуг, предоставляемых на основе условного
доступа?
54. Какая отечественная система условного доступа выбрала для сети
при передаче первого мультиплекса?
55. Объясните принципы организации управления и контроля
технологическим оборудованием радиотелевизионных передающих
станций на местном уровне.
56. Объясните принципы организации управления и контроля
технологическим оборудованием радиотелевизионных передающих
станций на региональном уровне.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
421
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
57. Какие требования предъявляются к системам коллективного приема
сигналов наземного цифрового телевидения?
58. Нарисуйте структурную схему системы коллективного приема
телевидения с доставкой каждому абоненту сигнала DVB-Т и
объясните назначение ее элементов.
59. Нарисуйте структурную схему системы кабельного телевидения с
трансмодуляцией сигнала (DVB-T/DVB-C) на основе головных
станций и объясните назначение ее элементов.
60. Нарисуйте структурную схему системы кабельного телевидения
61. с преобразованием цифровых каналов в аналоговые и подачи в
распределительную сеть и объясните назначение ее элементов.
62. Каковы функции спутникового непосредственного ТВ вещания в
реализации задач федеральной целевой программы?
63. На какие пять вещательных зон разделена территория РФ?
64. Почему при спутниковом непосредственном телевизионном вещании
программ первого мультиплекса допускается уменьшение числа
временных дублей до 3-х?
65. В связи с какими решениями правительства от 7 июля 2011 года в
настоящее время происходит доработка системных проектов и,
соответственно, корректируются технологи» перехода на цифровое
телевизионное вещание?
Контрольные вопросы и задания по восьмой главе «Информационные
технологии проектирования устройств, систем и сетей цифрового
телевидения»
1. Or чего зависит эффективность доставки информации через системы
цифрового телерадиовещания?
2. Нарисуйте структурную схему цифрового передатчика и объясните
назначение ее элементов.
3. Приведите примеры аналогового и цифрового источника
информации.
4. Каким образом осуществляется процесс преобразования аналогового
сигнала в цифровой?
5. Какими параметрами характеризуется дискретный сигнал?
6. Какова основная задача кодера сигнала?
7. С какой целью осуществляется сжатие информации на выходе
источника сигнала?
8. Каким образом зависит требуемая полоса частот и энергия, которую
надо затратить на передачу, от объема передаваемой информации?
422
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
9. Каково основное предназначение кодера канала, который
используется во всех современных системах цифрового
телерадиовещания?
10. Как называется процесс добавления избыточности к исходной
информации с целью повышения достоверности передачи?
11. Каким образом оценивается достоверность передачи информации в
цифровых системах?
12. Дайте определение вероятности ошибки на биг (BER - Bit Error
Kate) передаваемой информации.
13. Какое преобразование выполняет квадратурный модулятор в
информационном блоке передатчика?
14. Дайте определение синфазной и квадратурной составляющим
модулирующего сигнала.
15. С какой целью в информационном блоке передающего устройства
осуществляется фильтрация сигнала?
16. Как математически записывается операция фильтрации?
17. Дайте определение цифровым фильтрам с конечной импульсной
характеристикой (КИХ) и бесконечной импульсной характеристикой
(£Ш).
18. Какие требования предъявляются к усилителю мощности цифрового
передатчика?
19. Сформулируйте основные требования, предъявляемые к генератору
несущей частоты.
20. Какие функции выполняет приемник системы цифрового
телевидения?
21. Каким образом оценивается эффективность цифровой системы
передачи информации?
22. Дайте определение пропускной способности системы.
23. Какая теорема устанавливает верхнюю границу пропускной
способности системы при заданном отношении ситал/шум и
доступной полосе передачи?
24. Дайте определение энергии бита Еь
25. Приведите формулу для оценки верхней границы пропускной
способност канала связи, когда кодер канала обладает непрерывным
выходом, а декодер канала (в приемнике) - непрерывным входом.
26. Приведите формулу для оценки верхней 1раницы пропускной
способности канала связи цифровой системы, когда кодер канала
выдает дискретные значения уровня сигнала (М возможных
уровней), декодер канала в приемнике принимает и обрабатывает
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
423
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
также дискретные М - уровневые значения с выхода детектора
демодулятора.
27. Какие ограничения устанавливает теорема Шеннона?
28. Какие дополнительные факторы влияют иа пропускную способность
канала связи, которые не учитываются в формуле Шеннона?
29. Почему при проектировании систем цифрового телевидения вместо
оценки величины пропускной способности, характеризующей
достоверную передачу информации, определяется скорость передачи
информации при заданной вероятности ошибки на бит.
30. Какой наиболее эффективный инструмент используется при решении
сложных, в общем случае многокритериальных оптимизационных
задач проектирования систем и сетей эфирного цифрового
телевидения?
31. Сформулируйте многокритериальную целевую функцию,
содержащей критерии оптимизации, весовые коэффициенты и
ограничения, имеющую практическое значение при проектировании
сетей эфирного цифрового телевидения?
32. Какие методы применяются для оценки нелинейных искажений
тракта усиления мощности цифрового ТВ передатчика?
33. Дайте определение методу оценки интермодуляционных искажений с
помощью параметра ACPR- Adjacent Channel Power Ratio в
соответствии с европейским стандартом.
34. В чем заключается метод, основанный на сравнении спектра
рабочего канала с маской, приводимой в европейском стандарте?
35. Каковы этапы методики оценки интсрмодуляшюниых искажений
усилителей мощности с использованием визуальной среды
моделирования VSS1
36. Приведите модель источника сигнала стандартов DVB-Т и DVB-Н в
среде VSS и объясните функциональное назначение ее элементов.
37. Приведите результаты схемотехнической оптимизации усилителей
мощности в среде MW0.
38. Каков алгоритм программы исследования спектральных и
энергетических характеристик усилителей мощности в среде VSS?
39. Дайте характеристику четырем этапам алгоритма исследования
тракта усиления мощности.
40. Приведите алгоритм первого этапа исследования (подготовка к
исследованию УМ в среде VSS).
41. Приведите алгоритм второго этапа исследования (исследование
спектральных и энергетических характеристик УМ в среде VSS)
42. Каковы результаты исследования спектральных и энергетических
характеристик УМ на втором этапе?
424
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
43. Дайте характеристику параметрам модели для исследования
усилителя мощности.
44. Приведите алгоритм третьего этапа исследования (оценка
интермодуляциоиных искажений УМ)
45. Поясните методику оценки интермодуляционных искажений с
помощью параметра Л CAR.
46. Поясните методику оценки интермодуляционных искажений путем
сравнения спектра измеряемого канала с маской.
47. Какие выводы можно сделать по алгоритму исследования
спектральных и энергетических характеристик усилителей мощности
в среде VSS?
48. В связи с чем проблемы согласования высокочастотных систем
передачи сигналов относятся к ключевым проблемам радиотехники,
телекоммуникационных систем и устройств, систем радио и
телевизионного вещания?
49. Каково условие максимума передачи мощности от источника к
потребителю?
50. Какие специфичные требования предъявляются в усилителях
мощности передатчиков при широкополосном согласовании
активного элемента (транзистора) с источником возбуждения и
нагрузкой?
51. Приведите алгоритм оценки оптимального сопротивления нагрузки
УМ для обеспечения минимальных нелинейных искажений.
52. Поясните методику оптимизации широкополосных согласующих
цепей с использованием диаграммы иммитансов (Immittance).
53. Сформулируйте целевую функцию оптимизации широкополосных
согласующих цепей.
54. Поясните методику структурного синтеза широкополосных цепей
согласования.
55. С какой целью на диаграмме Смита строится зависимость
коэффициента отражения от активного сопротивления нагрузки
источника возбуждения при фиксированной добротности?
56. Приведите алгоритм программы построения кривой постоянной
добротности.
57. Поясните методику предварительной оценки номиналов элементов
принципиальной схемы цепи согласования.
58. Какова методика построений траектории трансформации
сопротивлений многозвенной цепи согласования?
59. Приведите алгоритм анализа качественных показателей
синтезированной схемы цепи согласования.
Цифровое телевидение/В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
425
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
60. Поясните методику оценки коэффициента стоячей волны (КСВ)
выходного сопротивления на диаграмме Смита.
61. Поясните методику оценки коэффициента стоячей волны (КСВ)
выходного сопротивления в прямоугольной системе координат.
62. Сформулируйте целевую функцию параметрического синтеза
широкополосных цепей согласования.
63. Приведите алгоритм параметрического синтеза широкополосных
цепей согласования.
64. Проведите сравнительный анализ оценки КСВ до и после
параметрического синтеза на диаграмме Смига и в прямоугольной
системе координат.
65. Какие выводы можно сделать результатам структурно-
параметрического синтеза широкополосных цепей согласования
усилителей мощности передатчиков?
66. Дайте определение трем основным каналам распространения
радиоволн: Гаусса, Райса и Релея.
67. Поясните суть комбинированного стандарта DVB-T/H.
68. Каковы возможности иерархического способа модуляции COFDM?
69. Каким инструментом можно воспользоваться для оценки
помехоустойчивости и скорости передачи информации в наземных
системах цифровою телевизионного вещания?
70. Какие возможности для исследования и проектирования
обеспечивает среда визуального моделирования VSS?
71. Какие этапы содержит алгоритм программы исследования СЦТВ?
72. Приведите алгоритм первого этапа исследования СЦТВ
(подготовка к исследованию).
73. Приведите модель наземной СЦТВ с измерителем вероятности
ошибок и объясните каким образом в алгоритме исследования
задаются численные значения параметров передатчика, приемника,
передающей и приемной антенн, капала связи.
74. Приведите алгоритм второго этапа исследования СЦТВ
(исследование спектральных и динамических характеристик).
75. Приведите алгоритм третьего этапа исследования СЦТВ (оценка
скорости передачи информации).
76. Приведите алгоритм четвертого этапа исследования СЦТВ (оценка
вероятности ошибок).
77. Каким образом выбираются параметры измерителя вероятности
ошибок?
78. Какие выводы можно сделать по результатам исследования СЦТВ?
79. Дайте определение явлению интерференции радиоволн.
426
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
80. Поясните термины, связанные с явлением интерференции
радиоволн, «конструктивная суперпозиция волн» и
«деструктивная суперпози>р/я волн».
81. Поясните причину возникновения интерференции в
одночастотных сетях цифрового телевизионного вешания.
82. Какой вид модуляции используется в одночастотных сетах
цифрового телевизионного вещания?
83. Поясните назначение элементов функциональной схемы
одночастотной сети наземного цифрового телевизионного
вешания.
84. Каким образом размещение передатчиков в зоне обслуживания
связано с величиной защитного интервала?
85. Какова величина задержки сигнала от соседнего передатчика на
один километр расстояния?
86. Каким образом осуществляется синхронизация передатчиков в
одночастотной сети?
87. Какова роль глобальной системы позиционирования GPS (Global
Positioning System) в работе одночастотной сети?
88. Какие элементы одночастотной сети наземного цифрового
телевизионного вещания содержатся в ее модели?
89. Поясните в каком случае необходимо учитывать явление
интерференции в одночастотной сети?
90. Покажите на рисунке область перекрытия зон обслуживания
передатчиков.
91. С какой целью исследование интерференционных явлений
целесообразно проводить для численных значений параметров
SFN сети?
92. Объясните результаты исследований для случая, когда
спектральные плотности мощности принимаемого сигнала S1 и
эхо-сигнала S2 равны (Sl/S2=0 дБ) время задержки Тцчвлж-О, нс.
93. Объясните результаты исследований для случая, когда
спектральные плотности мощности принимаемого сигнала S1 и
эхо-сигнала S2 равны (Sl/S2-~-=0 дБ) время задержки ТЗЛдЕРЖ?!: 0, нс.
94. Как влияет время задержки от соседнего передатчика на
результирующий спектр, сигнальные созвездия принимаемого
сигнала?
95. Каким образом влияет отношение мощности сигнала к мощности
шума S1/N на форму принимаемого сигнала (на выходе
демодулятора) во временной области и на плоскости 1,Q?
96. Какова совокупность факторов, влияющих на качество цифрового
телевизионного вещания?
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
427
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
97. Какой показатель служит интегральной оценкой влияния явления
интерференции на качество цифрового ТВ вещания?
98. При какой пороговой величине вероятности ошибки на бит
информации прием цифрового телевидения становится
невозможным?
99. Каким образом можно оценить пороговую границу области
пересечения зон обслуживания, за пределами которой
обеспечивается почти безошибочный прием информационного
сигнала?
100. Почему при равноудаленном расположении приемника от
передатчиков модуляционные ошибки минимальны?
101. Почему изменение расположения приемника в зоне обслуживания
приводит к увеличению модуляционных ошибок, что ухудшает
качество приема, а в некоторых случаях прием становится
невозможен?
102. Какие выводы можно сделать из рассмотрения результатов
интегральной оценки работы одиочастотной сети в области
пересечения зон обслуживания передатчиков?
103. Какой положительный эффект дает использование результатов
исследования в проектировании одночастотных сетей цифрового
телевизионного вещания?
104. С какой целью в приемниках осуществляется опепка АЧХ капала
передачи данных?
105. Каким образом в приемниках реализуется компенсация искажений
принятого сигнала?
106. По каким показателям можно судить об эффективности
компенсации интерференционных искажений в приемнике
цифрового телевизионного вещания?
107. Поясните методику оценки эффективности компенсации
интерференционных искажений?
108. Приведите структурную схему измерительного приемника и
объясните функциональное назначение ее элементов.
109. Какова методика предварительной качественной оценки
эффективности компенсации интерференционных искажений?
110. Каким образом осуществляется интегральная оценка
эффективности приемников с различными алгоритмами обработки
входного сигнала?
111. Объясните методику оценки пороговой границы воздействия
помех, за пределами которой обеспечивается почти безошибочный
прием информационного сигнала.
428
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. -М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
112. Каковы возможности исследования систем и сетей эфирного
цифрового телевизионного вещания с использованием
инструментальных САПР VSS и ADS?
113. Приведите модель демодулятора COFDM сигнала приемника с
компенсацией искажений канала передачи данных и объясните
функциональное назначение се элементов.
114. Проведите визуальный анализ сигнальных созвездий на выходе
демодулятора COFDM сигнала до блока коррекции АЧХ канала
передачи данных и созвездий на выходе демодулятора приемника
цифрового телевизионного вещания с блоком коррекции и
сделайте соответствующие выводы.
115. Каким образом по виду сигнальных созвездий, полученных на
выходе демодулятора без компенсации искажений можно судить о
характере и интенсивности помех?
116. Почему по созвездиям на выходе демодулятора с компенсацией
искажений сложно оценить характер помех и выяснить причину
ухудшения качества принимаемого сигнала при их возникновении?
117. Какова методика интегральной оценки эффективности работы
приемников с различными алгоритмами обработки сигнала?
118. Каким образом удается оценить предельную величину отношения
сигиал/эхо-сигнал, при котором прием становится практически
безошибочный?
119. Приведите результаты оценок вероятности ошибок сигоала после
декодера Витерби в приемниках с коррекцией и без коррекции и на
этом основании сформулируйте выводы по эффективности
предложенной методики интегральной оценки работы приемников
с различными алгоритмами обработки сигнала?
Контрольные вопросы по девятой главе «Технологии производства
цифровых аудиовизуальных программ»
1. Нарисуйте структурную схему классического вцдеомонтажа и
объясните назначение ее элементов.
2. Поясните процесс монтажа с использованием вндеопереходов.
3. Нарисуйте структурную схему системы монтажа с использованием
видеопереходов и объясните назначение ее элементов.
4. Приведите сведения об аналоговых системах вцдеомонтажа первого
и второго поколений.
5. Приведите сведения о цифровых системах видеомонтажа третьего и
четвертого поколений.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
429
Приложение 4 - Контрольные вопросы н задания
6. Приведите сведения о персональных системах видеомонтажа пятого
поколения.
7. Приведите сведения о перспективных системах видеомонтажа.
8. Дайте определения основным понятиям цифрового нелинейного
монтажа.
9. Поясните технологию оцифровки и сохранения материала.
10. Поясните технологию обработки в реальном времени.
11. Поясните технологию создания цифровых видеоэффектов в реальном
времени.
12. Поясните технологию создания цифровых видеоэффектов с
просчетом.
13. Поясните технологию нелинейного видеомонтажа с использованием
цифровой системы Studio AV/DV Deluxe.
14. Поясните технологию видео захвата с использованием цифровой
системы Studio AV/DV Deluxe.
15. Поясните технологию редактирования с использованием цифровой
системы Studio AV/DV Deluxe.
16. Поясните технологию вывода фильма с использованием цифровой
системы Studio AV/DV Deluxe
Контрольные вопросы и задания но десятой главе
«Экспериментальное исследование одночастотной сети стандарта
DVB-T2»
1. На основании какой Федеральной целевой программы разработаны и
внедряются на ряде территорий РФ системные проекты цифрового
телевизионного вещания сетей первого поколения DVB-T?
2. Когда было принято Правительством РФ и комиссией по развитию
телерадиовещания государственной компании «Российская
телевизионная и радиовещательная сеть» (ФГУП РТРС) решение о
переходе на второе поколение цифрового наземного
телерадиовещания DVB-T2?
3. Какое заключение сделано в докладе Европейского вещательного
союза по имеющимся проблемам из-за отсутствия
консолидированного опыта и ряда данных, необходимых для
частотного планирования сети второго поколения в соответствии с
доработанным вариантом стандарта DVB-T2, после его
опубликования в феврале 2011 года?
4. В связи с чем проведение экспериментальных исследований систем и
сетей цифрового телерадиовещания второго поколения стандарта
DVB-T2, обсуждение результатов экспериментальных и
430
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
теоретических исследований в этой области среди широкого круга
специалистов актуально в настоящее время, как в Российской
Федерации, так и на Международном уровне?
5. Каковы задачи семинара, состоявшегося в Самаре в октябре 2011
года, участниками которого стали представители из 22 региональных
филиалов ФГУП РТРС, представители дирекции РТРС.
6. С какой целью проведены экспериментальные исследования
одночастотнон сети стандарта DVB-T2 на базе филиала РТРС
«Тверской ОРТПЦ»?
7. Какие предприятия и компании приняли участие в
экспериментальных исследованиях одночастотной сети стандарта
DVB-T2 на базе филиала РТРС «Тверской ОРТПЦ»?
8. Опишите детально условия, обеспечивающие полноту и
достоверность проведенных экспериментальных исследований.
9. Сколько телевизионных передатчиков входило в состав исследуемой
сети?
10. Какова топология расположения передатчиков в сети?
11. Какое оборудование входило в состав измерительного комплекса?
12. Сформулируйте цель и задачи проводимых экспериментов.
13. Каким образом проводилось сравнение зоны обслуживания сети
DVB-Т при существующих настройках с зоной обслуживания сети
DVB-T2 в различных режимах работы?
14. Какие комбинации настроек выбраны для оценки оптимальных
параметров вещания в стандарте DVB-T2?
15. Какие наиболее предпочтительные параметры вещания в стандарте
DVB-T2 выбраны па основании проведенных испытаний?
16. Проведите сравнительный анализ трем вариантам наиболее
предпоч тительных параметров вещания и сделайте соответствующие
выводы.
17. Передающее оборудование каких фирм и компаний тестировалось
при испытаниях?
18. По каким критериям проводилось сравнение передающего
оборудования при испытаниях?
19. Какие этапы испытаний передающего оборудования включены в
программу тестирования.
20. Сформулируйте замечания и выводы, которые сделаны по
результатам испытаний передающего оборудования?
21. Какие требования к параметрам передающего оборудования
стандарта DVB-T2 сформированы по результатам испытаний?
22. Почему отсутствуют в рекомендациях требования по
ремонтопригодности и надежности оборудования?
Цифровое телевидение' В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
431
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
23. Какие абонентские устройства для приема сигналов эфирного
цифрового ТВ стандарта DVB-T2 проходили тестирование при
испытаниях?.
24. Сформулируйте результаты тестирования абонентских приставок и
телевизионных приемников со встроенным тюнером стандарта DVB-
Т2.
25. К какой категории относится оборудование, тестируемое при
испытаниях: серийные изделия или опытные образцы?
26. Какова ориентировочная оценка уровня входной чувствительности
цифровых телевизоров и цифровых приставок?
27. Какое оборудование испытывалось для формирования транспортного
потока T2-MI?
28. Какие образцы шлюзов DVB-T2 представлены для испытаний?
29. В каких режимах проводилось формирование и управление
параметрами Т2-М1 потока?
30. По каким протоколам проводилось испытание возможности
мониторинга и синхронизации от внешнего сервера времени?
31. Какие образцы шлюзов наиболее предпочтительны по полноте
анализа параметров входных и выходных потоков и удобству
интерфейса управления?
32. Какие образцы измерительного оборудования стандарта DVB-T2,
представлены для испытаний?
33. По каким критериям проводилась сравнительная оценка
представленных образцов измерительного оборудования?
34. Каковы результаты испытаний измерительного оборудования
стандарта DVB-T2?
35. По каким направлениям проводилась проверка работоспособности
системы замещения программ в транспортном потоке T2-MI
стандарта DVB-T2?
36. Поясните схему вставки региональных программ в транспортный
поток T2-ML
37. Каким образом тестировалась совместимость оборудования
различных производителей при вставке региональных программ?
38. Поясните схему вставки региональных программ в транспортный
поток Т2-М1 при работе нескольких радиотелевизионных
передающих станций.
39. Каким образом осуществлялась проверка работы двух
радиотелевизионных передающих станций, транслирующих
различный состав программ?
40. Сформулируйте выводы по результатам испытаний систем
замещения программ в транспортном потоке T2-MI стандарта DVB-
12 по четырем направлениям.
432
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
41. Какова методика испытаний, проводимых специалистами РТРС,
ФГУП 11ИИР, ЗАО «МНИТИ» н Rohde&Schwarz на базе филиала
РТРС «Тверской ОРТПЦ»?
42. Какие мероприятия проведены по подготовке измерительного
оборудования к исследованию?
43. Каким образом осуществлена подготовка подвижных измерительных
радиолаборатории ФГУП НИИР и филиала РТРС «Тверской ОРТПЦ»
к проведению измерений?
44. Какая техника входила в состав измерительного комплекса каждой
радиолаборатории?
45. Какова схема подключения измерительного оборудования внутри
подвижной радиолаборатории?
46. С какой целью проведена калибровка измерительной антенны
филиала РТРС «Тверской ОРТПЦ»?
47. В каких направлениях от города Твери проводились испытания?
48. Приведите характеристики передающих станций, входящих в состав
одиочастотной сети.
49. Какова методика экспериментальной оценки границ зон
обслуживания на примере измерений, проводимых в северном
направлении от передающей станции в 7 контрольных точках?
50. Какая передающая станция являлась источником сигналов в эфире?
51. Каким образом оценивалось качество принимаемого сигнала?
52. Измерения каких параметров принимаемого сигнала DVB-T2
производилось в 7 контрольных точках?
53. Каким образом определялся тип канала (Гаусса, Райса, Редея)?
54. В каких пределах находится отклонение osp амплитуд несущих в
спектре сигнала в Гауссовском канале?
55. 13 каких пределах находится отклонение амплитуд несущих в
спектре сигнала в Райсовском канале?
56. В каких пределах находится отклонение оф амплитуд несущих в
спектре сигнала в Релсевском канале?
57. Каким образом измерялся и записывался в память компьютера спектр
принимаемого сигнала в контрольных точках?
58. Каковы результаты измерений в контрольных точках (уровень
сигнала, напряженнос ть поля, 13ER, МЕ1<)?
59. Какова методика определения границы зоны покрытия вдоль
выбранного направления по результатам эксперимента и расчетным
путем?
60. Какой порог напряженности поля выбран при оценке качества
сигнала с помощью приставка «General Satellite ТЕ 8511»?
61. Каким образом осуществлялось сравнение расчетной и измеренной
зоны покрытия?
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
433
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
62. Какие выводы можно сделать по результатам экспериментального
исследования одночастотной сети цифрового телевизионного
вещания в городе Твери?
Контрольные вопросы и задания по одиннадцатой главе
«Технология эксплуатации сетей цифрового телевидения
I. Чем вызвано появление новых методов проверки качества и
надежности телевизионного вещания?
2. В чем принципиальное отличие методов контроля качества
аналогового и цифрового телевизионного вещания?
3. Какие факторы оказывают влияние на характеристики систем
мониторинга достоверности в цифровом телевидении?
4. Поясните, что понимается под уровневой моделью цифрового
телевизионного вещания?
5. Дайте характеристику уровню форматирования в цифровом
телевизионном вещании.
6. Дайте характеристику уровню компрессии в цифровом
телевизионном вещании.
7. Дайте характеристику уровню распределения в цифровом
телевизионном вещании.
8. Каковы проблемы контроля качества на каждом из уровней
цифрового телевизионного вещания?
9. С какими проблемами сталкиваются вещатели на уровне
форматирования?
10. С какими проблемами вешатели имеют дело иа уровне компрессии?
11. С какими проблемами сталкиваются вещатели на уровне
распределения?
12. Приведите примеры, когда ошибки одного уровня приводят к
ошибкам иа другом уровне, маскируя при этом изначальный
источник ошибок.
13. Какими характеристиками должны обладать системы мониторинга
достоверности для решения проблем контроля качества и управления
в цифровом телевизионном вещании?
14. Поясните назначение элементов схемы многоуровневой модели
мониторинга цифрового телевизионного вещания.
15. Приведите классификацию зондов мониторинга достоверности.
16. Каково назначение базовых мониторов достоверности?
17. Какова роль мониторов достоверности с расширенными
возможностями?
434
Цифровое телевидение/ В Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
18. Приведите примеры базовых мониторов достоверности и мониторов
с расширенными возможностями.
19. Какова роль сетевой поддержки системы мониторинга достоверности
для решения проблем контроля качества и управления в цифровом
телевизионном вещании?
20. Какие факторы влияют на выбор вешателем системы мониторинга?
21. В чем заключается специфика эксплуатации сетей цифрового
телерадиовещания и как она связана с возможностями передающего,
приемного и контрольно-измерительного оборудования?
22. Как связано решение о переходе РФ на второе поколение цифрового
наземного телерадиовещания DVB-T2 с возможностями
передающего, приемного и контрольно-измерительного
оборудования отечественного и зарубежного производства?
23. Какова основная специализация предприятия «НПП Триада-ТВ»?
24. Каковы технические характеристики передатчика Полярис ТВЦ-100
DVB-T2, который прошел испытание в составе одночасто гной сети в
г. Твери?
25. Поясните назначение элементов структурной схемы передатчика
Полярис ТВЦ-100 DVB-T2.
26. Каковы технические характеристики ретранслятора Polaris GF 10?
27. Поясните назначение элементов структурной схемы ретранслятора
Polaris GFIOl
28. Каковы технические возможности системы мониторинга,
поставляемого предприятием «НПП Триада-ТВ»?
29. Объясните взаимодействие основных узлов блока дистанционного
контроля СДК 5, входящего в состав системы мониторинга,
поставляемого предприятием «НПП Триада-ТВ»?
30. Какую продукцию под брендом General Satellite производит
корпорация "Дженерал Сатслайт" в городе Гусев Калининградской
области?
31. Приведите основные характеристики цифровой телевизионной
приставки, которая успешно прошла испытание в составе
одночастотной сети в Твери.
32. Какова специализация компании Enensys Technologies, оборудование
которой применялось при испытаниях в одночастотной сети г. Твери
для формирования транспортного потока Т2-М1?
33. В каком городе Франции расположен главный офис компании
Enensys Technologies?
34. Каковы функции шлюза NN6-T2 Gateway, применяемого при
испытаниях в одночас тотной сети г. Твери?
35. Приведите основные характеристики шлюза NN6-T2 Gateway.
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
435
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
36. Поясните на примере технологию T2Edge, запатентованную
компанией Enensys и применяемую при испытаниях в одночастотной
сети г. Твери.
37. Каковы особенности технологии T2Edge?
38. С какого года на российском рынке появилось оборудование Rohde &
Schwarz ?
39. Каково основное направление деятельности компании Rohde &
Schwarz ?
40. На какие группы можно разделить серийное оборудование компании
R&S?
41. Объясните функциональное назначение генератора-рекордера DVRG
компании R&S и приведите его основные характеристики.
42. Объясните функциональное назначение телерадиовещательной
тестовой системы SFU компании R&S и приведите ее основные
характеристики.
43. Объясните функциональное назначение телерадиовещательного
тестера SFE компании R&S и приведите его основные
характеристики.
44. Объясните функциональное назначение тестового передатчика
SFE100 компании R&S и приведите его основные характеристики.
45. Объясните функциональное назначение тестового
приемника/демодулятора DVB-T EFA40/43 компании R&S и
приведите его основные характеристики.
46. Объясните функциональное назначение мониторингового приемника
DVB-Т ЕТХ компании R&S и приведите его основные
характеристики.
47. Объясните функциональное назначение ТВ анализатора FSH3-TV
компании R&S и приведите его основные характеристики.
48. Объясните функцион.шьное назначение ТВ анализатора ETL
компании R&S и приведите его основные характеристики.
49. Объясните функциональное назначение системы мониторинга и
анализа потока MPEG-2 DVM5O/DVMIO0/ DVM100L/ UVMI20/400
компании R&S и приведите ее основные характеристики.
50. Объясните функциональное назначение системы измерения зон
покрытия TSM-DVB компании R&S и приведите ее основные
характеристики.
51. Какими минимально необходимыми являются характеристики
передатчика при его контроле как звена тракта в процессе
эксплуатации?
52. Приведите одну из возможных конфигураций тестирования
передатчика компании Rode & Schwarz.
436
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 4 - Контрольные вопросы и задания
53. Каково назначение фильтрующей маски, которая включается между
выходом передатчика и эквивалентом антенны?
54. Поясните методику контроля параметров передатчика систем DVB с
использованием оборудования компании Rode & Schwarz.
55. Объясните функциональное назначение системы тестирования
AD953-II фирмы Tektronix и приведите ее основные характеристики.
56. Объясните функциональное назначение портативного анализатора
AD954 фирмы Tektronix и приведите его основные характеристики.
57. Объясните функциональное назначение монитора потоков МТМ400
фирмы Tektronix и приведите его основные характеристики.
58. Объясните функциональное назначение рекордера и плеера МТХ100
фирмы Tektronix и приведите его основные характеристики.
59. Объясните функциональное назначение тестовой платформы National
Instruments.
60. На базе какой архитектуры построена тестовая платформа National
Instruments?
61. Каким образом осуществляется тестирование приемных устройств на
оборудовании компании National Instruments?
62. Каковы функциональные возможности генератора ВЧ сигналов РХ1е-
5672 компании National Instruments?
63. Каковы функциональные возможности геиератора/анализатора NI
PXI-6552 компании National Instruments?
64. Каковы функциональные возможности векторного анализатора ВЧ
сигналов Nl PXI-5661?
65. В какой среде создано программное обеспечение для генерации
испытательных сигналов с использованием оборудования компании
National Instruments?
66. Приведите стандарты и их параметры, доступные для формирования
испытательных сигналов с использованием программного
обеспечения компании National Instruments.
67. Какова методика тестирования передающих устройств с
использованием оборудования компании National Instruments?
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
437
Приложение 5 - Словарь иностранных терминов и сокращений
Приложение 5 - Словарь иностранных терминов и сокращений
А
АА С - Advanced Audio Coding - усовершенствованная система кодирования
звука стандарта MPEG-2
ACPR - Adjacent Channel Power Ratio - коэффициент мощности соседнего
канала (оценка интермодуляционных искажений)
ADCT - Adaptive Discrete Cosine Transform - алгоритм адаптивного
дискретного косинусного преобразования
AQoS - AdaptationQoS - адаптация качества обслуживания
AES/EBU - Audio Engineering Society / European Broadcast Union -
интернациональный стандарт AES/EBU разработан Сообществом
Аудиоинженеров (США) и Европейским Вещательным Союзом;
двухканальный цифровой звуковой сигнал, применяемый в качестве источника
для кодеров MPEG
AFX - Animation Framework extension - расширение основы анимации
AU - Access Units - блок доступа
ASI - Asynchronous Serial Interface - асинхронный последовательный
интерфейс
ATM - Asynchronous Transfer Mode - режим асинхронной передачи
данных
ATSC - Advanced Television Systems Committee - Комитет по системам
перспективного телевидения два входных интерфейса - последовательный AS1
и параллельный SPI
AVI - Audio Video Interleave - аудио и видео чередование; файлы
содержащие в себе аудио и видео данные
В
ВАТ - Bouquet Association Table - таблица объединения букета программ
В В - Base Band Frame - кадры базового диапазона
ВСН - Bose-Chaudhuri-Hocquenghem multiple error correction binary block
code - блоковый кодер Боуза-Чоудхури-Хоквингема
BCH&LDPC - каскадное включение кодеров ВСН и LDPC
BER - Bit Error Rate - коэффициент ошибок
Betacam - семейство форматов профессиональной видеозаписи
BICM - Bit Interleaved Coding and Modulation - модуль перемежения бит,
кодирования и модуляции
BIFS - Binary Format for Scenes - двоичный формат описания сцен
BIFS - Command - командный протокол модификации сцены во времени
BIFS - Anim - анимационный протокол модификации сцены во времени
438
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение S - Словарь иностранных терминов и сокращений
BNC - Bayonet Normalised Connector - унифицированный байонетный
соединитель
B-picture - Bidirectional-picture - двунаправленные В-видеокадры
формируются методом предсказания «вперед» или предсказания «назад»
BP - Baseline Profile - базовый профиль
Broadcast - режим широковещательной рассылки
С
CAS - Conditional Access Syste - система условного доступа
CAT - Conditional Access Table - таблица условного доступа
CAV - Constant angular velocity - тип лазерных дисков с постоянной
угловой скоростью
СВР - Coded Block Pattern - кодовое слово переменной длины
СВР • Constrained Baseline Profile - ограниченный базовый профиль
CD-ROM - Compact Disc read-only memory - устройство для считывания
компакт-дисков
CENELEC - Comite European de Normalisation Eledronique - Европейский
комитет по стандартизации в области электроники
CJF - Common Intermediate Format - общий промежуточный формат (352 х
288)
CLV - Constant linear velocity - тип лазерных дисков с постоянной
линейной скоростью
content description - описание контента
content management - управление контентом
content organization - организация контента
COFDM - Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing -
частотное уплотнение ортогональных несущих с кодированием
CPU- Central Processing Unit- центральное процессорное устройство
СЯС-Cyclic Redundancy Check - проверки циклическим избыточным кодом
D
D - Descriptor - описатель различных признаков мультимедийного
контента
D1 - формат цифровой видеозаписи компонентного сигнала
DAJ - DM1F Application Interface - интерфейс DM J F приложений
DAVIC - Digital Audio-Video Council - Комитет no цифровым
аудиовизуальным средствам
DBPSli - Differential phase shift keying - дифференциальная фазовая
модуляция
DOT- Discrete Cosine Transform - дискретно-косинусное преобразование
DCC - Digital Compact Cassette - цифровая компакт-кассета
DDL - Description Definition Language - я зык определения описания
Цифровое телевидение/ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
439
Приложение 5 - Словарь иностранных терминов и сокращений
Digital ready - готовый к цифре
Digital cliff effect - эффект цифрового срыва
DiffServ - Differentiated Service - дифференцированное обслуживание
DM1F - Delivery Multimedia Integration Framework - мультимедийная
интегрированная система доставки
DMM - digital media management - система управления цифровыми
медиаданными
DNLE - Digital Nonlinear Editing Systems - системы цифрового
нелинейного монтажа
DRM - Digital Rights Management - технические средства защиты
авторских прав
DS - Description Schemes - схемы описания
DSM - Digital Storage Media - средства цифровой записи
DTS - Decoding Time Stamp - временная метка декодирования
DV cassette - Digital Video cassette - цифровая видеокассета
DVD - Digital Versatile Disc - цифровой многоцелевой диск, имеющий
возможность хранить больший объём информации, чем обычный компакт
диск, благодаря использованию лазера с меньшей длиной волны
DVB Project - Digital Video Broadcasting Project - проект цифрового
телевизионного вещания
DVB-S - DVB Satellite - стандарт цифрового спутникового
телерадиовещания
DVB-C- DVB Cable - стандарт цифрового кабельного телерадиовещания
DVB-T - DVB Terrestrial - стандарт цифрового эфирного (наземного)
телерадиовещания
DVB-H - DVB-Handheld - стандарт цифрового мобильного
телерадиовещан ия
DVB-T2 - DVB system for Terrestrial broadcasting - стандарт второго
поколения цифрового эфирного (наземного) телерадиовещания
Е
EBU - European Broadcast Union - Европейский вещательный Союз
ECM - Entitlement Control Message - сообщение управления доступом
EDH - Error Detection and Handling - обнаружение и обработка ошибок
EIT- Event Information Table - таблица информации о событиях
EMM - Entitlement Management Message - сообщение разрешения доступа
ЕР - Extended Profile - расширенный профиль
EPG - Electronic Program Guide - электронный путеводитель по
программам
ES - Elementary Stream - элемен тарный поток
ES_OD - Object Descriptor Stream - поток описания объектов
440
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. -М: СОЛОН-Пресс
Приложение 5 - Словарь иностранных терминов и сокращений
ETSI - European Telecommunications Standards Institute - Европейский
институт телекоммуникационных стандартов
EVM - Error vector magnitude • величина вектора ошибки
F
Facial Definition Parameters - параметры, определяющие лицо
Facial Animation Parameters - параметры анимации лица
FEC - Forward Error Correction - прямая коррекция ошибок
FEF - Future Extension Frame - будущее расширение кадра
FireWire - интерфейс для передачи данных между различным
оборудованием профессионального и полупрофессионального класса
FlexMux - первый уровень двухуровневой системы мулитаплексирования
в MPEG-4
G
G1 - Guard Interval - защитный интервал
GFX - Graphical Framework extension - основа графического расширения
MPEG-J
GOV - Group of Visual Object Planes - группа плоскостей видеообъекта
GoR - Group of Blocks - группа блоков
GoP - Group of Pictures - группа кадров
GNS3 - Graphical Network Simulator - графический симулятор сета
GPS - Global Positioning System - Глобальная система позиционирования
GCS - Generic Continuous Stream - обобщенный непрерывный поток
GSE - Generic Stream Encapsulation - обобщенный инкапсулированный
поток
H
HD - High Definition - высокая четкость или высокое разрешение (от 1280
х 720 до 1920 х 1080)
HD - High Definition -
HDTV - High Definition Television - телевидение высокой четкости
НЕМ - High Efficiency Mode - режим высокой эффективности
HL - High Level - высокий уровень
HiP - High Profile - высокий профиль
ННОР - High 10 Profile - высокий профиль 10
Hi422P - High 4:2:2 Profile - высокий профиль 4:2:2
IH444PP - High 4:4:4 Predictive Profile - высокий профиль 4:4:4
HTML - Hypertext Markup Language - язык разметки гипертекста
HTTP - Hypertext Transfer Protocol - протокол передачи гипертекста
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
441
Приложение 5 - Словарь иностранных терминов и сокращений
Н.264/A VC/MPEG-4 Part 10 - стандарт компрессии
Н.264/А VC - система компрессии (видеокодирования)
H.264/AVC SVC-.система масштабируемого видеокодирования
Н.264/А VC МУС - система многоракурсного видеокодирования
I
IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers - институт
инженеров по электротехнике и радиоэлектронике
IEEE 1394 - высокоскоростной последовательный интерфейс
IGMP - Internet Group Management Protocol - протокол управления
групповой передачей
1-picture - Intra picture - 1-видеокадры (от Intra - внутри) кодируются без
какой-либо связи с другими видеокадрами
IFFT - Inverse fast Fourier transform - обратное быстрое преобразование
Фурье
IOS - Internetwork Operating System - межсетевая операционная система
IntServ - Integrated Service - ипгефированный сервис
IP - Internet Protocol - межсетевой протокол пакетной передачи
1РМР - Intellectual Property Management and Protection - управление и
защита интеллектуальной собственности
ISDN - Integrated Services Digital Network - цифровая коммутируемая сеть
с интеграцией служб
ISO - International Standardization Organization - Международная
организация по стандартизации
1SDB - Integrated Services Digital Broadcasting - стандарт цифрового
телевидения, разработанный в Японии
1SDB-T - 1SDB Terrestrial - стандарт передачи цифровых сигналов по
сетям эфирного телевидения, разработаютый п Японии
ITU - International Telecommunications Union - Международный союз
электросвязи
J
JPEG -Joint Photographic Experts Group - совместная группа экспертов
по фотографическим изображениям; стандарт сжатия неподвижных
изображений
К
Ки-Лиапазоп - диапазон частот, используемый в спутниковом телевидении
L
LAN - Local Area Network - локальная вычислительная сеть
LC - Low complexity - Упрошенный профиль
442
Цифровое телевидение/ B.J1. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 5 - Словарь иностранных терминов и сокращений
LASeR - Lightweight Scene Representation - облегченный формат
представления сцены
LDPC - Low Density Parity Check - низкоплотностный код с проверкой на
четность
LMDS- Local Multipoint Distribution Service - местная служба
многоточечного распределения
LN В • Low Noise Block - малошумящий конвертор
LP - Low priority - низкий приоритет
LSB - Least Significant Bit - младший бит
LSR - Low Sampling Rate - низкоскоростной режим с пониженными
частотами дискретизации
М
МВ - MacroBlock - макроблок
MBA - MacroBlock Address - адрес макроблока
МСРС - Multiple Channels per Carrier - несколько каналов на одной
несущей
MDS - Multimedia Description Schemes - схемы описания мультимедиа
MER - Modulation Error Ratio - коэффицтнт ошибок модуляции
MISO - multiple input single output - много входов, один выход
MMDS - Multichannel Multipoint Distribution System - многоканальная
многоточечная распределительная система
MP - Main Profile - Основной профиль
MP@ML - Main Profile@Main Level - Основной профиль @ Основной
уровень
MPEG - Motion Pictures Experts Group - международная группа экспертов
no движущимся изображениям
MPEG I, 2, 4 - стандарты сжатия (компрессии) движущихся изображений
и звукового сопровождения
MPEG 7 - стандарт описания мультимедийного контента
MPEG 21 - стандарт описания среды мультимедийного контента
MPEG-TS - Transport Stream - транспортный поток
MPLS - Multiprotocol Labe! Switching - мультилротоколыгая коммутация
no меткам
MTU - Maximum Transmission Unit- максимальный размер блока
Multicast- режим многоадресной рассылки
МУС- mulliview video coding - многоракурсное вндеокодировапие
N
Navigation and access - навигация и доступ
NCR - Network Clock Reference - ссылка на системные часы
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
443
Приложение 5 - Словарь иностранных терминов и сокращений
NGN - Next Generation Network - сеть нового поколения
NIT - Network Information Table - таблица сетевой информации
NM - Normal Mode - обычный режим
NTSC - National Television Standards Committee - Национальный комитет
телевизионных стандартов (США); американская система цветного
телевидения
nVoD - near Video on Demand - домашний кинотеатр
О
ОС - Optical Carrier - оптическая несущая
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplex - ортогональное
частотное разделение мультиплекса
OFFS - Open Font Format Specification - открытая спецификация формата
шрифтов
OPCR - Original Program Clock Reference - исходная ссылка ла
программные часы
OSS/BSS - Operation Support System/Business Support System - система
поддержки операционной и бизнес-деятелыюсти
OSI • Open Systems Interconnection - взаимодействие открытых систем
Р
P-pictiire - Predicted picture - предсказанные P-видеокадры формируются
методом предсказания вперед по предыдущим видеокадрам
PAL - Phase Alternation Line - система цветного телевидения
PAPR - Peak to Average Power Ratio - отношение пиковой к средней
мощности
РА Т - Program Association Table - таблица объединения программ
PCR - Program Clock Reference - ссылка на программные часы
PCR_FO - отклонение частота
PCR_DR - дрейф
PCR_OJ - общий джиттер
PCR_AC - точность
PES - Pucketized Elementary Stream - пакетированный элемен тарный поток
PER - Packet Error Rate - коэффициент пакетных ошибок
PID - Packet Identifier - идентификатор типа пакета
Pinnacle Systems - американская фирма
Pixel manipulation - эффекты манипулирования пикселями
PLP - Physical Layer Pipe - канал на физическом уровне
РМТ- Program Map Table - таблица состава программы
444
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 5 - Словарь иностранных терминов и сокращений
PSI - Program Specific Information - таблицы программно-зависимой
информации
PSNR - peak signal-to-noise ratio - пиковое отношение сигнала к шуму;
отношение размаха сигнала к среднеквадратичному значению различий между
оригиналом и декомпрессированным изображением
PTS - Presentation Time Stamp - временная метка воспроизведения
PPS- один импульс в секунду
PVR - Personal Video Recorders - персональный видеомапштофон
Q
QAM - Quadrature Amplitude Modulation - квадратурная амплитудная
модуляция
QCIF - Quarter Common Intermediate Format - одночетвертной общий
промежуточный формат (176 х 144 пикселей)
QoE - Quality ofExperience -качество восприятия
QoS - Quality of Service - качество обслуживания
QPSK - Quadrature Phase Shift Keying - четырехпознционная квадратурная
фазовая модуляция
R
RAM - Random Access Memory - память с произвольным доступом
R, G, В - Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий (компоненты трех
основных цветов телевизионного сигнала)
RDD - Rights Data Dictionary - словарь правовых данных
Real-time processing - обработка в [жальном времени
Render - предварительный просчет
Reed Solomon Code - код Рида - Соломона
REL - Rights Expression Language - язык описания прав
RST - Running Status Table - таблица состояния событий
RTP - Real-Time Transport Protocol - протокол передачи трафика в
реальном времени
S
SO - System Clock Reference - ссылка на системные часы
SCPC - Single Channel per Carrier - один канал на несущей
SD - Standard Definition - стандартная четкость или стандартное
разрешение (720 х 576)
SDT- Service Description Table - таблица описания служб
SD1 - Serial Digital Jnterfase - последовательный цифровой интерфейс
SECAM - Sequential Couleur avec Memoire - последовательная передача
цветов с запоминанием; система цветного телевидения
Цифровое телевидение/' В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
445
Приложение 5 - Словарь иностранных терминов и сокращений
Sequence - последовательность
SFN - Single Frequency Network - одночастотная сеть
SI - Service Information - таблицы информации о службах
SL - Sync Layer - уровень синхронизации
SLA - Service Level Agreement - уровень предоставления услуги
SMATV - Satellite Master Antenna Television - спутниковое телевидение
коллективного пользования
SNR Profile - Signal-to-Noise Ratio Profile - профиль с масштабированием
no отношению сигнал/шум
SP - Simple Profile - простой профиль
SP1 - Synchronous Parallel Interface - синхронный параллельный
интерфейс
SSP Profile - Spatial Scalable Profile - профиль с пространственным
масштабированием
SSR Profile - Scalable Sampling Rate Profile - профиль с масштабируемой
частотой дискретизации
SSI - Synchronous Serial Interface - синхронный последовательный
интерфейс
RSVP - Resourse Reservation Protocol - протокол резервирования ресурсов
Stream_id - тип потока
ST - Stuffing Table - пустая таблица
STB - Set Top Box - приставка к телевизионному приемнику, позволяющая
принимать цифровые программы спутникового вешания или сети кабельного
телевидения
S-V11S - Super Video Ноте. System - улучшенная система бытовой
видеозаписи
S-VCD - Super Video Compact Disc - улучшенный видео компакт-диск
SVC - Scalable Video Coding - масштабируемое кодирование видео
Т
table_id - идентификатор таблицы
TDT - Time and Data Table - таблица времени и даты
timeline - временная шкала
TNS - Temporal Noise Shaping - формирование огибающей шума во
временной области
ТОТ - Time Offset Table - таблица смешения времени
TPS - Transmission Parameter Signaling - передача канальных параметров
TR - Temporal Reference - временная метка
transport_stream_id - идентификатор транспортного потока
TransMux - Transport Multiplexing - второй уровень мультиплексирования
в MPEG-4, обеспечивающий транспортные услуги по передаче потоков с
заданным качеством обслуживания
446
Цифровое телевидение/ ВЛ. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
Приложение 5 - Словарь иностранных терминов и сокращений
transition - переход
Transmission_Moiie - режим передачи
TS - Transport Stream - транспортный поток
И
UCD - Universal Constraints Descriptor - универсальный дескриптор
ограничений
USB - Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина
Unicast - режим одноадресной рассылки
UDP- User Datagram Protocol - протокол пользовательских дейтаграмм
UP - User Packet- пользовательский пакет
UTC - Universal Time Coordinated - универсальное координированное
время
UTP - Unshielded Twisted Pair - неэкранированная витая пара (линия
передачи)
V
VCD - Video Compact Disc - видео компак т-диск
VHS -Video Home System - домашняя видеосистема; формат бытовой
аналоговой видеозаписи
Viterbi Code - код Витерби
VLC- Variable Length Coding - кодирование с переменной длинной слова
VLC- Video LAN Client - универсальный мультимедиа плеер
VLBV - Very Low Bit-rate Video - очень маленький поток видеоданных;
низкоскоростное видео
VO - Visual Object - видеообъект
VOL - Visual Object Layer - слон видеообьекта
VOP - Visual Object Plane - плоскость видеообьекта
VoD - Video on Demand - видео по запросу
VRML - Virtual Reality Modelling Language - язык моделирования
виртуальной реальности
КУ - Visual Object Sequence - последовательность визуальных объектов
VSB - Vestigial Side Band -частично подавленная боковая полоса
VSAT- Very Small Aperture Terminal - терминал с очень малой апертурой
ЮТ - Visual System Simulator - визуальный симулятор системы
VPN - Virtual Private Network - вир туальная час тная сеть
W
WMP - Windows Media Player - проигрыватель мультимедийных файлов
WT - Wavelet-Transform - Вейвлет-преобразование; метод сжатия
видеоинформации
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
447
Приложение 5 - Словарь иностранных терминов и сокращений
WWFF - World Wide Web - Всемирная паутина; распределенная
информационная система
X
XLR тип разъёма, широко распространенного в области
профессиональной обработки звука
¥
У, Q. Сц - компоненты цифрового видеосигнала (У - сигнал яркости; CR,
Св - цветоразностные сигналы изображения)
Серия «Библиотека студента»
Карякин Владимир Леонидович
Цифровое телевидение
учебное пособие для вузов,
2-е изд., переработанное и дополненное
ООО «СОЛОН-ПРЕСС*
123001. г. Москва, а/я 82
Телефоны: (499) 254-44-10. (499) 252-36-96. (499) 252-25-21
E-mail: avlort&coba.ru. www.solon-press.ru
По вопросам приобретения обращаться:
ООО «АЛЬЯНС-БУКС»
Тел: (499) 725-54-09. 725-50-27, vnvw.alians-kniga.ru
По вопросам подписки на журнал «Ремонт & Сервис» обращаться:
ООО «Ремонт и Сервис 21»
тел.: (499) 795-73-26, www.remserv.ru
ООО «СОЛОН-ПРЕСС»
103050. г. Москва. Дегтярный пер., д. 5, стр. 2
Формат 60x88/16. Объем 28 п. л. Тираж 2000 экз.
Отпечатано в типографии ООО «Палитра»
125284. г. Москва, ул. Беговая д. 32
Заказ №202
448 *
Цифровое телевидение/ В.Л. Карякин. - М: СОЛОН-Пресс
ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ВУЗОВ
2-е издание, переработанное и дополненное
Рекомендуется Государственным образовательным
учреждением "Московский технический университет связи и
информатики" в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по дисциплине
"Телевидение" по направлению подготовки 210400 -
Телекоммуникации, по специальности 210405- Радиосвязь,
радиовещание и телевидение.
Регистрационный номер рецензии 099 от 18 июня 2008 г.,
МГУП
Москва
СОЛОН-ПРЕСС
2013