Розрахунок основних параметрів системи цифрового телевізійного мовлення

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

Розрахунок основних параметрів системи цифрового телевізійного мовлення

Вступ

цифровий модуляція інформаційний кодування

На сьогодні у світі більше 1,6 мільярдів телевізорів, телефонних ліній - 800 мільйонів, тобто приблизно в два рази менше, а в країнах, що розвиваються, співвідношення телевізорів і телефонних ліній складає навіть 10:1. Абонентів мобільного зв'язку, хоча вона і швидко розвивається, вже біля 400 млн. Отже, телебачення є домінуючою складовою в інформатизації світової спільноти.

У першому десятилітті двадцять першого століття аналогове телебачення з усіма властивими йому спотвореннями стане частиною історії, оскільки наземні, супутникові і кабельні системи передачі, по яких відбувається доставка ТБ програм телеглядачам, поступово переходять в цифрові методи.

Досвід, накопичений в ТБ мовленні, показав, що телебачення, переходячи в цифрову еру, здатне надати ряд нових можливостей при збереженні економічної ефективності.

1. Передача ТБ сигналу в двійковій формі по лінії зв'язку з перешкодами дозволяє значно збільшити завадостійку передачі;

2. Передача ТБ сигналу в двійковій формі по багатоланковій лінії зв'язку дозволяє робити багатократну регенерацію і скремблювання цифрового сигналу в проміжних пунктах, здійснювати цифрову корекцію спотворень і пригнічення флуктуаційних і періодичних перешкод в проміжних пунктах і таким чином запобігає накопиченню перешкод уздовж усієї лінії. Тому якість зображення в цифровій ТБ системі практично повністю визначається якістю сигналу, створеного на ТБ центрі, і майже не залежить від складності і протяжності ліній зв'язку. Іншими словами, цифрова ТБ система забезпечує прозору передачу відеосигналів. В даному випадку під прозорістю розуміється незмінність сигналів джерела, коли зберігаються первинна якість відеоматеріалу і його здатність до дельнейшей обробки;

3. Цифрові системи відкривають широкі можливості обробки ТБ сигналу в цифровій формі для усунення в нім статистичній і фізіологічній надмірності перед передачею по каналу зв'язку, тобто забезпечують високу міру стискування відеоінформації (з 216 Мбіт/с до 1,5 - 15 Мбіт/с), що дозволяє вже зараз передавати в стандартному радіоканалі із смугою пропускання 8 Мгц сигнали трех-четырех ТБ програм в наземному ТБ мовленні і до 10 програм через один ствол супутникового каналу зв'язку або одну програму телебачення високої чіткості (ТВЧ), а також великі потоки даних при збереженні високої якості передачі. Відповідно, зменшуються питомі витрати на телеканал по оренді супутникового сегменту.

4. Допускаються ширша уніфікація апаратури ТБ і інших стволів ліній зв'язку з метою створення тих, що однотипних комутують, що коригують і інших пристроїв;

5. Забезпечується гнучкість передачі, яка дозволяє плавно змінювати швидкість передачі цифрової інформації в каналі зв'язку при відповідній зміні якості декодованого зображення, адаптується до вимог конкретного споживача;

6. Порівняно легко реалізуються операції по ущільненню ТБ каналу додатковою інформацією. Спрощується апаратура для передачі одночасно з відеосигналом сигналів звукового супроводу, звукового мовлення, контрольних частот, сигналів точного часу, сигналів телегри, телегазет і ряду інших видів інформації. Таким чином, забезпечується можливість введення служб мовлення, розваг, освіти, побутового обслуговування.

7. Можливість регенерації цифрового сигналу дозволяє без втрати якості широко консервувати ТБ програми, здійснювати їх тиражування. Зберігання інформації в двійковому коді може бути необмежено довгим і допускає багатократні звернення до записів. Інформація, що у разі потреби зберігається, легко регенерується, що особливо важливо для створення фондових і архівних матеріалів. Інтеграція локальної пам'яті домашнього комп'ютерного комплексу (магнітні диски, записувані оптичні диски) в систему цифрового телебачення означає можливість автоматичного запису програм, призначених для конкретного глядача.

8. Цифрові модулятори РТПС у поєднанні з оптимізацією їх режимів за допомогою мікрокомп'ютерів забезпечують підвищення ККД станцій, якість передачі сигналів, полегшують обслуговування.

9. Повне проникнення цифрової техніки в ТБ тракт від камери до монтажних апаратних здешевлює виробництво ТБ програм. Цифрова техніка пропонує ефективнішу і менш дорожчу автоматизацію ТБ мовлення.

10.Цифрове телебачення дозволяє ТБ мовним компаніям вступити в прямий контакт з глядачами, пропонуючи послуги, наприклад, по винятковій демонстрації різних подій і заходів. При цьому реклама, заснована на вивченні пристрастей і смаків глядачів, може стати цільовою.

11.Нарешті, цифрові технології дозволяють надати телебаченню інтерактивний характер. Інтерактивна реклама, послуги з продажу товарів, ТБ гри будуть, мабуть, першими проявами інтерактивності, за якими повинні послідувати освітні і інші програми.

Коротко розглянемо призначення основних частин схеми.

Джерело аналогових ТБ сигналів формує яскравісний сигнал Е і кольорорізницеві сигнали, які поступають на АЦП, де перетворяться в цифрову форму. У кодері відео здійснюється ефективне кодування відеоінформації з метою зменшення швидкості передачі двійкових символів в каналі зв'язку (ця операція є найбільш важливою, оскільки без ефективного кодування неможливо забезпечити передачу сигналів цифрового ТБ по стандартних каналах зв'язку).

Сигнали звукового супроводу також перетворяться в цифрову форму. Звукова інформація стискується в кодері звуку. Кодовані ці зображення і звуку, а також різна додаткова інформація об'єднуються в мультиплексорі в єдиний потік даних. У кодері каналу виконується ще одне кодування передаваних даних, підвищення завадостійкої, що має на меті. Отриманим в результаті цифровим сигналом модулюють ту, що несе використовуваного каналу зв'язку.

У приймальній частині системи здійснюється демодуляція прийнятого ВЧ сигналу і декодування канального кодування. Потім в демультиплексорі потік даних розділяється на ці зображення, звуку і додаткову інформацію. Після цього виконується декодування даних. В результаті на виході декодера зображення виходять яскравісний і кольорорізницеві сигнали в цифровій формі, які перетворяться в аналогову форму в ЦАП і подаються на монітор. На виході декодера звуку виходять сигнали звукового супроводу, що також перетворюються в аналогову форму. Ці сигнали поступають на підсилювачі звуковою частоти і далі на динаміки.

Перші системи цифрового телебачення були створені і випробувані ще двадцять років тому, проте, функціональні і конструктивні особливості цих систем не дозволяли використовувати їх в практичних цілях.

1. Цифрове представлення телевізійного сигналу

Першою операцією процесу цифрового кодування аналогового сигналу є його дискретизація, яка є заміною безперервного аналогового сигналу U(t) послідовністю відліків цього сигналу. Найбільш поширеною формою дискретизації є рівномірна дискретизація з постійним періодом, в основі якої лежить теорема Найквіста - Котельникова. Згідно з цією теоремою будь-який безперервний сигнал U(t), що має обмежений спектр частот, може бути представлений значеннями цього сигналу U(tn), узяті в дискретні моменти часу (відліки) tn = nT, де n=1,2,3.4; Т - період або інтервал дискретизації, вибраний з умови теореми Котельникова малюнок 2.1-2.4. Тут fв - верхня гранична частота спектру початкового сигналу U(t).

Аналітичне вираження теореми Найквіста - Котельникова, заміни безперервного сигналу U(t), що затверджує можливість, послідовністю дискретних значень U(tn) має наступний вид:

Верхня гранична частота (згідно з теоремою Н. - Котельникова) ТБ сигналу знаходиться по формулі:

де коефіцієнт формату;- число відтворних рядків в одну секунду;- число рядків.

Знайдемо частоту дискретизації. У системах цифрового телебачення з імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ) частоту дискретизації вибирають дещо вищий мінімально допустимою, визначуваною теоремою Найквиста-Котельникова. Пов'язано це з умовою відсутності перекриття побічних спектрів в спектрі сигналу, що дискретизує, забезпечує гарантовану початкову якість сигналу при його зворотному перетворенні в аналогову форму за допомогою низькочастотної фільтрації. Отже:=1.1

1.1    Розрахунок швидкості цифрового потоку

Швидкість цифрового потоку для цифрових відеосигналів визначається вираженням:

,

де s - довжина кодового слова, що визначає число біт, за допомогою яких можна записати в двійковій формі будь-який номер рівня квантування до m включно, знаходиться із співвідношення:

,

де m - число рівнів квантування (по умові воно дорівнює 512), звідси знаходимо s = 9.

По міжнародних стандартах цифрового перетворення ТБ сигналів (МСЭ-Р ВТ. 601-5) рекомендується здійснювати роздільне кодування яскравісного Е і кольорорізницевих Еі Есигналів.

Тоді швидкість передачі цифрового потоку для цифрових компонентних відеосигналів розраховується по наступному вираженню:

,

тут - частота дискретизації для яскравісного сигналу, Гц;

,0,5 - для кольорорізницевих сигналів, Гц.

Остаточно швидкість цифрового потоку визначається:

= .

Таким чином, при реалізації цифрових способів кодування ТБ зображень, заснованих на класичній ІКМ, необхідно оперувати з високою швидкістю цифрового потоку, що досягає декількох сотень, півтори і вище за тисячі (у разі ТВЧ) Мбіт/с. І це народжує багато проблем як при передачі відеоданих, так і при їх обробці, наприклад, запису.

 

.2 Розрахунок потужності цифрового передавача

Для розрахунку потужності ТБ передавача, що забезпечує необхідне значення напруженості електромагнітного поля в межах заданої площі, що має форму круга, що знаходиться в зоні прямої видимості, скористаємося формулою

де D - коефіцієнт посилення передавальної ТБ антени

 - радиус зоны прямой видимости с учётом влияния атмосферной рефракции,

 - величина минимально допустимой напряженности поля радиосигнала, необходимая для обеспечения заданного качества.

, Мгц

Мгц

Для 55 номера радіоканалу частота що несе дорівнюватиме 743,75 Мгц і коефіцієнт посилення D=15

Визначимо довжину хвилі електромагнітного випромінювання по формулі:

=0,4 м

Визначимо відстань прямої видимості по формуліде h1 і h2 висоти першою і другою антен в метрах, а r0 в кілометрах

=90,09 м

По графіку для заданого частотного діапазону(1) і якості відтворного ТБ зображення визначаємо величину мінімально допустимій напруженості, і для даного випадку отримуємо

𝐸𝑚𝑖𝑛=3162,2 мкВ/м

Тепер визначимо потужність передавачам по формулі:

=0,053кВт

2. Загальних вимоги до способів модуляції

Одне з основних питань, що стосуються передачі даних із заданою швидкістю, - розподіл енергії в спектрі електричного сигналу, що переносить дані, і узгодження цього розподілу з характеристиками каналу зв'язку. За своєю природою двійкові сигнали - це послідовність прямокутних імпульсів, а для передачі таких імпульсів без спотворень потрібно теоретично нескінченну смугу частот. Проте реальні канали зв'язку можуть забезпечити лише обмежену смугу частот, тому необхідно погоджувати передавані сигнали з параметрами каналів. Таке узгодження виконується завдяки кодуванню початкових даних за рахунок забезпечення спеціальної форми імпульсів, що переносять дані.

До способів багатопозиційної модуляції, використовуваних в системах цифрового телебачення, відносяться: квадратурна амплітудна модуляція QAM, квадратурна фазова маніпуляція або чотирьохпозиційна фазова маніпуляція QPSK, частотне ущільнення з ортогональними OFDM, що несуть, і восьмирівнева амплітудна модуляція з частково пригніченою смугою частот, що несе і бічною, 8 - VSB.

Канали зв'язку наземного телебачення відрізняє високий рівень промислових перешкод. Із-за переповнювання частотного діапазону, в якому можливе наземне мовлення, велика вірогідність інтерференційних перешкод за рахунок взаємодії з сигналами поєднаних і сусідніх каналів. При виборі способу модуляції в наземному цифровому телебаченні слід враховувати здатність роботи в умовах прийому на кімнатні антени і антени портативних ТБ приймачів, а також можливість функціонування в одночастотних мережах. При цьому приймач сигналів цифрового телебачення в мобільних умовах розглядається не як обов'язкова вимога, а як бажана можливість. здатність роботи в умовах быстроменяющихся характеристик каналу зв'язку також не є абсолютною умовою. В даному випадку прикладом одночастотної мережі може служити мережа синхроданных радіопередавачів малої потужності, розташованих в зонах поганого прийому сигналу основного передавача і працюючих на тій же самій частоті, що і основний. З усіх відомих способів модуляції сформульованих вище вимогам відповідають два види багатопозиційної модуляції: 8 - VSB і OFDM.

2.1 Квадратурна амплітудна модуляція (QAM)

Цей спосіб модуляції відноситься до комбінованих. У разі QAM промодульований сигнал є сумою двох що ортогональних несуть: косинусоїдальною і синусоїдальною, амплітуди яких набувають незалежних дискретних значень.

qam (t) =Uc [cI(t) cosщCt+cII(t) sinщCt]

де Uc - амплітуда сигналу; щC - частота тієї, що несе, cI(t), cII(t) - модулюючі сигнали в квадратурних каналах. При прийомі сигналів з Qам робиться когерентне детектування.

Якщо у вираженні u qam (t) модулюючі сигнали cI(t), cII(t) набувають значень ±1, то отримаємо QAM - 4 (чотирьохпозиційну QAM). Якщо ж для модуляції як в синфазному, так і в квадратурному каналах використовуються чотирьохрівневі сигнали c(t) = ±1; ±3, то при цьому виходить 64-позиційна оам (QAM - 64), яку можна описати наступним вираженням:

- 64 (t)=Aicos (щCt+ИI)

Розташування сигнальних точок у фазово-амплітудному просторі при різних типах QAM визначають сигнальні сузір'я модульованих сигналів. Практично використовуються як звичайні рівномірні, так і нерівномірні сигнальні сузір'я з різними відстанями між двома найближчими точками сузір'я в суміжних квадрантах, що кількісно оцінюється коефіцієнтом нерівномірності сигнального сузір'я ч. Цей параметр дорівнює відношенню відстані між сусідніми точками в двох різних квадрантах до відстані між точками в одному квадранті. Стосовно модуляції типу QAM - 16 і QAM - 64 рекомендуються три зна-чения коефіцієнта ч:

ч = 1 соответствует звичайною QAM з рівномірним сигнальним сузір'ям (малюнок 3.1); ч= 2 характеризує QAM з нерівномірним сигнальним сузір'ям, коли відстань між двома найближчими точками сузір'я в суміжних квадрантах в два рази більше відстані в межах одного квадранта (малюнок 3.2);

ч =4 оцінює QAM з нерівномірним сигнальним сузір'ям, коли відмінність відстаней між точками усередині і між квадрантами є чотирикратним (малюнок 3.2). Застосування нерівномірної структури сигнальних сузір'їв з коефіцієнтами ч =2 і ч= 4 забезпечує поліпшення декодування потоку даних, що модулюються методами QAM, - 16 і QAM - 64. Проте при цьому потрібно збільшення відношення сигнал-шум для потоку даних, оскільки шуми і перешкоди трансформують сигнальні точки сузір'я в «хмари». Центром «хмари» залишається сигнальна точка, а його «розмитість» характеризує залишковий рівень тієї, що несе, порушення балансу рівнів сигналів J і Q, коефіцієнт модуляційних помилок і інші параметри. При дуже сильному шумі розрізнити сигнальні точки усередині квадрантів стає практично неможливим. Проте завдяки введеній нерівномірності в сигнальні сузір'я сигнальні точки між квадрантами розрізняються досить добре, т.е. декодування може здійснюватися з прийнятною вірогідністю помилок.

На практиці модуляція типу QAM - 16 забезпечує питому швидкість передачі даних, рівну 3,9 (біт/с)/Гц, а QAM - 64 - 4,5 (біт/с)/Гц.

Пропускна спроможність кабельної мережі із смугою каналу 8 Мгц складає 38,5 Мбіт/с при модуляції QAM - 64. У кабельних мережах модуляція QAM - 64 дозволяє при співвідношенні сигнал-шум на вході цифрового ТБ приймача 24 дБ забезпечувати стійкий прийом.

 

.2 Квадратурна фазова маніпуляція (QPSK)

- це дискретна фазова маніпуляція з основним дискретом р/2. У цьому методі модуляції усі імпульси вхідної інформаційної послідовності модулятора розбиваються на пари - на двобітові символи, і при переході від символу до символу початкова фаза сигналу змінюється на величину ц, яка визначається бітами символу відповідно до алгоритму, приведеному в таблиці 1.

Таблиця 1 - Закон фазової маніпуляції методу QPSK

Біти вхідної послідовності модулятора		Зміна фази Дц
Непарні (перші біти символу) X	Парні (другі біти символу) Y
1	1	- 3р/4
0	1	3 р /4
0	0	р /4
1	0	- - р /4

2.3 Спосіб частотного ущільнення з ортогональними несучими (OFDM)

При використанні модуляції типу OFDM потік даних передається за допомогою великого числа тих, що несуть. В цьому випадку високошвидкісний послідовний цифровий потік розділяється на велике число низькошвидкісних потоків, що передаються на тих, що окремих несуть. Завдяки великому числу тих, що несуть тривалість символу в кожному з паралельних потоків виявляється в тисячі разів більше, ніж в початковому послідовному потоці. Така велика довжина символу забезпечує хороший захист від міжсимвольних спотворень, обумовлених інтерференцією, оскільки віддзеркалення сигналу частіше вражає не увесь. А лише частина символу. Спосіб OFDM використовує ті, що ортогональні несуть, які розташовані в деякому діапазоні частот, відведеному для передачі даних шляхом модуляції і кратні деякій основній частоті, в даному випадку. На практиці частоти тих, що несуть відповідають рівнянню:

,

Де U0 - початок інтервалу, в якому робиться частотне ущільнення;- номер тієї, що несе, що знаходиться в діапазоні від 0 до (N - 1), тобто усього N, що несуть;

тривалість інтервалу передачі одного символу.

Для виконання умов ортогональности необхідно, щоб частотне рознесення між тими, що несуть було постійне і дорівнює 1/. Тоді на центральній частоті спектру кожній що модульованою несе спектральні компоненти спектрів усіх що інших несуть проходять через 0 і не заважають демодуляції на прийомі. Взаємні перешкоди від тих, що сусідніх несуть дорівнюватимуть нулю, не дивлячись на те, що їх сусідні бічні смуги взаємно перекриваються. Це дозволяє дуже ефективно, близько до теоретичної межі, використовувати смугу частот ТБ каналу і удвічі підвищити швидкість передачі в порівнянні з фільтровим методом (традиційний розподіл тих, що окремих несуть за допомогою ПФ, де частотне рознесення між тими, що модульованими несуть вибирають такій, щоб їх сусідні бічні смуги не перекривалися).

Спочатку послідовний потік передаваних даних розділяється на велике число N паралельних потоків, трансформуючись в паралельну форму. кожен з таких сигналів поступає на свій модулятор, в якому одна з тих, що ортогональних несуть піддається модуляції якого-небудь типу (QAM - 16, QAM - 64, QPSK). Таким чином, кожна несна переносить потік даних, зменшений в число разів, рівне кількості N, що несуть. Після складання модульованих ортогональних коливань формується результуючий сигнал OFDM.

Навіть в умовах порівняно невеликої швидкості потоку даних, переносимого такою, що кожною несе, можливі міжсимвольні спотворення, боротися з якими дозволяє захисний інтервал перед кожним передаваним символом. Причому структура і заповнення захисного інтервалу повинні зберегти ортогональность тих, що несуть, що приймаються. У захисному інтервалі передається фрагмент корисного сигналу, що і гарантує збереження ортогональности тих, що несуть прийнятого сигналу. Спосіб OFDM принципово стійкий до міжсимвольної інтерференції, оскільки символ кожного підканалу має досить велику тривалість.

При числі тих, що несуть в декілька тисяч виникає питання про практичну реалізацію функціональної схеми представленої на малюнку 3. Застосування восьми тисяч синтезаторів коливань, що несуть, і восьми тисяч модуляторів зробило б таку схему громіздкою і практично неможливою для реалізації. Але розробки алгоритмів і промисловий випуск інтегральних схем процесорів швидкого перетворення Фур'є дозволили розв'язати цю проблему (малюнок 5.1). адже перемножування деяких коефіцієнтів на гармонійні коливання різних частот і підсумовування отриманих творів є не що інше, як обчислення зворотного перетворення Фур'є (ОБПФ) - зворотне швидке перетворення Фур'є, коефіцієнтами для обчислення яких є потоки даних, що розпаралелюють. Оскільки усі обчислення робляться в цифровій формі, то для цього потрібно ЦАП. Демодуляція може бути представлена на базі прямого перетворення Фур'є, де БПФ - пристрій швидкого перетворення Фур'є. Природно, що на вході повинен стояти АЦП. У більшості швидких алгоритмів Фур'є розмір масиву, що піддається перетворенню, кратний цілій мірі числа 2. Тому можна використовувати, наприклад, розмір масиву N=8192=8k або N=2048=2k (тут до = 1024). У двох запропонованих нині режимах використовуються 6817 і що 1705 несуть, але по розмірності масиву швидкого перетворення Фур'є системи модуляції називаються відповідно 8к OFDM і 2к OFDM.

Режим 2к придатний для мовлення поодиноким передавачем і для побудови малих одночастотних мереж з обмеженими відстанями між передавачами. Режим 8к застосовується в тих випадках, коли потрібна побудова великих одночастотних мереж. У каналі зв'язку з шириною смуги 8 Мгц система модуляції OFDM займає смугу 7,61 Мгц, а рознесення тих, що несуть дорівнює 4464 Гц (режим 2к) або 1116Гц (режим 8к).

Проведені випробування показали, що режим 8к трохи стійкіше для імпульсних перешкод, чим режим 2к. це пояснюється тим, що символ при 8к в чотири рази довше, ніж при 2к.

Передаваний сигнал, що модулюється способом OFDM, організований в кадри. Чотири кадри утворюють суперкадр. Кожен кадр складається з 68 символів, кожен символ - з що 6817 несуть (режим 8к = 8192), з яких частина використовується для синхронізації і управління. Число тих, що корисних несуть дорівнює 6048. для режиму 2к = 2048 з 1705 тих, що несуть корисними являються 1512.

3. Міжнародний стандарт кодування з інформаційним стискуванням MPEG - 2

3.1 Практичне використання відеокомпресії

У системах цифрового телебачення різко зростають швидкості передачі інформації в цифрових потоках. Розглянемо це на прикладі цифрового кодування ТБ зображень.

Питаннями стискування інформації і випуску відповідних стандартів і рекомендацій займається MPEG (Motion Picture Experts Group) - створена в 1988 р. організація, що об'єднує представників фірм і наукових інститутів різних країн. MPEG є підкомітетом двох міжнародних організацій - ISO (Международ-ная організація по стандартизації) і IEC (Міжнародна електротехнічна комісія). Одне з основних завдань MPEG полягало у вивченні проблеми і розробці стандарту на компресію спектру цифрового відеосигналу, що дозволило запропонувати способи запису і передачі зображення і звуку за допомогою можливо меншого числа даних з можливо кращою якістю.

У рамках стандартизації методів цифрової компресії і мультиплексування сигналів телебачення, звукового супроводу і додаткової інформації нині розроблено три міжнародні стандарти стискування відеоцих рухливих зображень: MPEG - 1, MPEG - 2 і MPEG - 4. Їх параметри оптимізовані.

Стандарт MPEG - 1 орієнтований на системи запису на компакт-диски (CD ROM) і низькошвидкісні канали передачі ТБ зображень (швидкості цифрового потоку 1,5 Мбіт/c і менше). При цьому в стандарті MPEG - 1 використовується стандарт розгортки з чіткістю в четверо меншою, ніж в мовному телебаченні: 288  352 (288 активних рядків і 352 відліки в активній частині ТБ рядка) елементів, для чого при кодуванні сигналів ТБ систем звичайної чіткості робиться децимация (проріджування) в два рази початкових відліків по вертикальних і горизонтальних напрямах ТБ растру.

Стандарт MPEG - 2 був спеціально розроблений для кодування ТБ сигналів мовного телебачення. Він дозволяє отримати повну чіткість декодованого ТБ зображення, що відповідає Рекомендації МСЭ-Р 11/601. (При швидкості передачі відеоданих 9 Мбіт/c якість ТБ зображення відповідає студійному).

Пакет стандартів MPEG передбачає і можливість переходу до ТВЧ. Спочатку алгоритми стискування відеоцих сигналів ТВЧ розроблялися у вигляді самостійного стандарту MPEG - 3, проте на наступних етапах стандарт MPEG - 3 був об'єднаний із стандартом MPEG - 2, після чого стандарт MPEG - 3, як самостійний, перестав використовуватися.

Наступний напрям - стандарт MPEG - 4. Як і стандарт кодування MPEG - 2 система кодування MPEG - 4 є набором технічних інструментів компресії оцифрованої інформації. У системі MPEG - 4 використовується декілька нових прийомів кодування на основі об'єктно-базового принципу, що роблять цей стандарт стискування приблизно в три рази ефективнішим в порівнянні з MPEG, - 2.

Функціонування об'єктно-базової системи кодування здійснюється за допомогою розподілу зображення на специфічні об'єкти (сегменти), кожен з яких можна кодувати різними способами. Наприклад, із зображення виділяються ділянки людської особи, що зажадає більше деталей, і ділянки заднього фону, які можна дати з меншим числом деталей. У такий спосіб тільки деякі деталі зображення (які реально виграють від цього) слід передавати з щільнішим потоком біт (у Мбіт/с). Якщо сегментацію складних сцен виконати ефективно, то можна отримати помітне зниження загальної швидкості потоку даних.

З появою стандарту стискування MPEG - 4 роль системи MPEG - 2 не зменшується, оскільки ці стандарти багато в чому сумісні, особливо це відноситься до інформаційних магістралей.

З прийняттям стандарту MPEG - 2 роботи по компресії відеоданих перейшли в область практичної реалізації. На даний момент можна назвати більше 10 фірм, які випускають для продажу кодери і декодери за стандартом MPEG, - 2. Найбільш відомі з них Philips, Panasonic, Page Micro Technology, CLJ Communication, Wegener Communications, Scientific - Atlanta, NTL, Segem Group, NEC, Vistek, General Instruments та ін.

Транспортний потік MPEG - 2 допускає разом із звуковими і відео потоками цифрових програм також потоки, що містять будь-яку іншу цифрову інформацію. У супутниковому телебаченні в цих потоках передають програми передач, інформацію про інші канали (про частоти, поляризацію), коди доступу до каналів. Швидко розвивається передача сигналів Internet через супутникові мовні канали.

Ще одне важливе застосування MPEG - 2 - ущільнення існуючих радіорелейних каналів. При їх модернізації досить замінити тільки передавальне і приймальне устаткування крайових пунктів, а ось ретрансляційне устаткування не замінюється. Завдяки можливості MPEG - 2 вставляти в транспортний потік будь-яку цифрову інформацію, можлива реалізація швидких Internet каналів.

 

.2 Стандарт кодування MPEG - 2

Навіть у рамках одного стандарту, як показує практика, передача сигналів телебачення - і цифрового тут не виключення, ведеться на різних рівнях якості. Те ж саме можна сказати і про ТБ приймачах. Жорсткі, а головне вузькі допусковые інтервали не життєві, оскільки позбавляють систему гнучкості, пристосовності до різних умов функціонування з орієнтацією на різні шари споживачів. При цьому будь-яка перспективна система повинна мати резерви для переходу на вищі рівні якості. Ці і багато інших міркувань і вимоги лягли в основу дуже важливого документу: ISO/IEC 13818-2.

У цьому документі визначено, що стандарт MPEG - 2 - це ціле сімейство взаимносогласованных сумісних цифрових стандартів інформаційного стискування ТБ сигналів з різною мірою складності використовуваних алгоритмів. Тому у рамках стандарту MPEG - 2 була разра розроблена система профілів і рівнів. Профіль - це підмножина стандарту для спеціалізованого застосування, задаюча алгоритми і засоби компресії. Рівні усередині кожного профілю пов'язані з параметрами зображення, що компресує.

Градації якості ТБ зображення для мовних систем в стандарті ISO/IEC 13818-2 встановлюються введенням чотирьох рівнів для формату розкладання рядків ТБ зображення і п'яти профілів для форматів кодування сигналів яскравості і колірності. Загальна ідеологія побудови стандарту MPEG - 2 пояснюється таблицею 2.

Розташований в нижній частині таблиці рівень називається «Низьким рівнем» і йому відповідає новий клас якості ТБ зображення, яке вводиться в стандарті MPEG, - 2 - телебачення обмеженої чіткості. В цьому випадку в кадрі ТБ зображення міститься 288 активних рядків (у 2 рази менше, ніж в мовному телебаченні) і кожен рядок дискретизує на 352 відліки.

Кодування сигналів телебачення мовного стандарту виконується відповідно до основного рівня, тобто з форматом розкладання на 576 активних рядків в кадрі, які кодуються з використанням 720 відліків на рядок.

Високий рівень - 1440 підтримує ТБ зображення високої чіткості з дозволом 1440  1152 елементів.

Високий рівень - 1920 підтримує ТБ зображення високої чіткості широкого формату з дозволом 1920  1152 (HDTV - plus). У обох «високих» рівнях кадр ТБ зображення містить 1152 активні рядки (удвічі більше, чим в мовному телебаченні). Ці рядки дискретизують відповідно на 1440 або 1920 відліків.

У стандарті використовуються 5 профілів, яким відповідають 5 наборів функціональних операцій по обробці (компресії) відеоданих.

Таблиця 2 - Профілі, рівні, узгоджені точки стандарту MPEG - 2

Високий рівень 1920 відліків 1152 рядки (активних)		80			100
Високий рівень 1440 відліків 1152 рядки (активних)		60		60	80
Основний рівень720 відліків 576 рядків (активних)	15	15	15		20
Низький рівень 352 відліки 288 рядків (активних)		4	4	Основний профіль без В кадрів формат 4:2:0	Профіль з масштабируемим відношенням С-Ш В кадри формат 4:2:0	Спеціальний масштабируемий профіль В кадри формат 4:2:0	Вищий профіль В кадри формат 4:2:0 або 4:2:2

Усі цифрові параметри дані в Мбіт/c

Профіль, в якому використовується найменше число функціональних операцій по компресії відеоданих, названий простим. У нім при компресії відеоданих використовується компенсація руху зображення і гібридне дискретно-косинусне перетворення (ДКП).Наступний профіль названий основним. Він містить усі функціональні операції простого профілю і одну нову: пророцтво по двох напрямах. Ця нова операція, природно, підвищує якість ТБ зображення. Термін «масштабування», в даному випадку, означає можливість обміну одних показників системи. Основна ідея - підвищення стійкості цифрового телебачення і збереження працездатності за несприятливих умов прийому.

При масштабуванні потоки відеоданих розділяють на дві частини. Одна з них несе найбільш значущу частину інформації - її називають основним сигналом. Другу частину, що несе менш значущу інформацію, називають додатковим сигналом. Декодування тільки одного основного сигналу дозволяє отримати ТБ зображення зі зниженим відношенням сигнал-шум до початкового значення.

Наступний, четвертий профіль названий спеціально масштабованим профілем. Тут, природно, збережені усі операції попереднього профілю і додана нова - розподіл потоку відеоданих за критерієм чіткості ТБ зображення. Цей профіль забезпечує переходи між нині чинними мовними системами і ТВЧ. З цією метою відеодані сигналу ТВЧ розділяються на три потоки. Перший - це основний потік відеоданих. Другий потік несе додаткову інформацію про зображення з числом рядків до 1250. Одночасне декодування першого і другого потоків відеоданих дозволяє отримати ТБ зображення високої чіткості, але зі зниженим відношенням сигнал-шум. У третьому потоці зосереджена менш значуща інформація, його декодування дозволяє підвищити відношення сигнал-шум у відеоканалі до рівня, прийнятого в ТВЧ. Приведені в таблиці 5 профілів і чотири рівні утворюють 20 можливих комбінацій відеосигналу, з яких, найімовірніше, тільки 11 будуть останніми або необхідними. Для цих комбінацій (согласован-ные точки) в таблиці вказані максимальні значення швидкості передачі відеоданих в Мбіт/с.

Таким чином, стандарт MPEG - 2 дозволяє гнучко міняти швидкість передачі відеоданих в дуже широких межах. Потрібно помітити, що системи кодування стандарту MPEG - 2 можуть працювати як з чересстрочной, так і з прогресивними розгортками, при частоті полів 50 або 60 Гц.

3.3 Компресія відеоданих

ТБ сигнал, як відомо, надмірний, що обумовлено значною надмірністю зображень, типових для ТБ мовлення. Зображення сусідніх кадрів в телебаченні зазвичай дуже схожі один на одного, навіть при показі об'єктів, що рухаються. Переходи від сюжету до сюжету зустрічаються рідко. Міжкадрова різниця на значній частині площі зображення зазвичай близька до нуля. Знаючи розподіл яскравості в одному кадрі, можна з високою мірою упевненості передбачити розподіл яскравості наступного кадру. Таким чином, в телебаченні розрізняють статистичну надмірність, надмірність по сприйняттю, структурну і спектральну надмірність. По теорії вірогідності надмірність є наслідком певних кореляційних зв'язків. Кореляція означає, що деякий елемент зображення більш менш істотно залежить від сусідів в просторі і в часі. Під статистичною надмірністю розуміють кореляційні зв'язки між сусідніми (по вертикалі і горизонталі) відліками ТБ сигналу. Надмірність по сприйняттю пов'язана з особливостями зору людини. Наприклад, колірний дозвіл нашого зору нижчий за яскравісний. Ця особливість врахована в усіх стандартних аналогових системах колірного кодування.

Враховуючи цю особливість нашого зору по сприйняттю дрібних деталей кольорового зображення, можна у декілька разів скоротити смугу частот при передачі і кодуванні сигналів колірності.

Спектральна надмірність проявляється як результат надлишку високої частоти дискретизації. Зокрема, прийнята ортогональна структура дискретизації ТБ зображення в загальному випадку не є оптимальною в частотному просторі. Можна скоротити передаваний цифровий потік, якщо перетворити використовувану структуру дискретизації в іншу, яка характеризується меншим числом відліків в кадрі, наприклад, від формату 4:2:2 перейти до формату 4:2:0 або 4:2:1. Отже, в MPEG - 2 застосовані відомі, давно апробовані методи скорочення надмірності. Разом з ними використані і нові підходи. Особливо це відноситься до сукупності узгоджених алгоритмів скорочення статистичної надмірності. Тут особливо ефективними виявилися два методи: кодування ТБ відліків з пророцтвом і ДКП.

Кодування з пророцтвом реалізується за допомогою диференціальної імпульсно-кодової модуляції (ДИКМ). При кодуванні з пророцтвом обчислюється різниця між істинним і передбаченим значенням відліку. Потім різниця квантується по рівню. Від точності пророцтва залежить середнє число біт, необхідних для передачі різницевої інформації.

Стандарт MPEG - 2 фактично не регламентує методи стискування відеосигналу, а тільки визначає структуру бітового потоку кодованого відеосигналу. Тому конкретно використовувані алгоритми залежать від власних розробок фірм-виробників устаткування. Процес стискування цифрового відеосигналу може бути розбитий на ряд послідовних операцій: перетворення аналогового сигналу в цифрову форму, попередня обробка сигналу, ДКП (скорочує надмірність і високочастотну інформацію в межах кадру. Це дозволяє отримати високу якість кодованих зображень із стискуванням), квантування, кодування.

3.4 Кодовані кадри

Базовим об'єктом кодування в стандарті MPEG - 2 являється кадр ТБ зображення. При цьому очевидно, що для ТБ сигналів, в яких змішані різні сюжети з різними типами рухів ні «від чого до багато» просте пророцтво, в принципі, не забезпечить високу ефективність. З цієї причини в стандарті MPEG - 2 використовуються три види пророцтв: внутрішньокадрове і міжкадрове пророцтво вперед з компенсацією руху, міжкадрове двонаправлене пророцтво також з компенсацією руху.

Формат відеоінформації в стандарті MPEG - 2 містить три типи кадрів (I, P, B).

Так звані I - кадры (Intraframes) обробляються тільки із застосуванням внутрішньокадрового пророцтва. Вони кодуються незалежно від інших кадрів, оскільки обробляються з використанням власної інформації, тобто за принципом випадкового доступу до стислих відеоданих. Вони застосовують кодове перетворення блоків елементів зображення і забезпечують помірне стискування. Це перший етап стискування відеоданих. Зате при відновленні ТБ зображення по I - кадрам воно найменше деградує і залежить від помилок кодування і передачі відеоданих по каналу зв'язку. I - кадры служать опорными при міжкадровому пророцтві P і B кадрів.

Р-кадри (Predicted Frames), тобто кадри з пророцтвом, з компенсацією руху. Кодування здійснюється з урахуванням найближчих попередніх I або P - кадров. Цей спосіб називається з пророцтвом вперед, оскільки використовується «різницева» схема стискування, при якій зберігаються тільки відмінності від попереднього кадру. У P - кадрах, якщо порівнювати їх з I - кадрами, в три рази вище досяжна міра стискування відеоданих.

Обробка відеоданих в Р-кадрі виконується по макроблоках. Це квадратні матриці 16  16 (відліків  рядків). Такий макроблок обробляється з використанням алгоритмів компенсації руху і пророцтва вперед, поки в блоці не з'явиться новий об'єкт. З цієї миті процес кодування перемикається на алгоритми, використовувані в I - кадрах, тобто на внутрішньокадрове пророцтво. Р-кадри є опорными для наступних P або B - кадров. Відмітимо, що потрібна висока точність відновлення початкового зображення при декодуванні опорних Р-кадрів. Річ у тому, що помилки опорного кадру розподіляються по усіх кадрах, пов'язаних з опорным.- кадры (Bi - Directional Frames), тобто кадри з двонаправленим пророцтвом, з компенсацією руху. Для формування B - кадров також використовується «різницева» схема стискування аналогічно Р-кадрам, проте, в якості «базових» кадрів використовуються обидва сусідні кадри: попередній і наступний. Цей спосіб називається двонаправленим пророцтвом.

Алгоритми кодування B - кадров залежать від характеру ТБ зображення. Передбачено чотири способи кодування. У одному застосовується компенсація руху і пророцтво вперед по найближчим передуванням опорним I або Р-кадрам, в іншому - компенсація руху і зворотне пророцтво по найближчих наступним I або Р-кадрам. Зворотне пророцтво використовується в тих випадках, коли в кодованому B - кадре з'являються нові об'єкти зображення. Третій алгоритм - компенсація руху і двонаправлене пророцтво, при якому опорными є передуючий або наступний I або Р-кадри. І, нарешті, це внутрішньокадрове пророцтво без компенсації руху. Таке кодування потрібне при різкій зміні передаваних сюжетів, а також при великих швидкостях переміщення об'єктів ТБ зображення. З B - кадрами пов'язане найбільш глибоке стискування відеоданих. Оскільки висока міра стискування знижує точність відновлення початкового ТБ зображення. B - кадры не використовуються в якості опорных. Помилки при їх декодуванні не розподіляються по інших кадрах.

Очевидно, що точність кодування має бути максимальною для I - кадров, нижче для Р-кадрів і мінімальною для B - кадров.

У стандарті MPEG - 2 порядок запису інформації про ТБ кадрах не співпадає з порядком кодування і декодування. Так, для декодування поточного B - кадра вимагається обробити наступний кадр, тому необхідно мати додатковий буферний блок пам'яті в декодуючому пристрої для зберігання інформації про черговий кадр. Розглянуте ускладнення декодуючого пристрою компенсується поліпшенням суб'єктивної якості відтворного зображення за рахунок B - кадров на 20%.

 

.5 Компенсація руху

Точність пророцтва при передачі зображень об'єктів, що рухаються, можна збільшити за рахунок оцінки вектору руху і компенсації цього руху, яка зменшує помилку пророцтва.

У стандарті MPEG - 2 використовується метод компенсації руху, заснований на макроблоках. Два суміжні кадри, що містять тільки активні рядки сигналу яскравості (576 активних рядків), розбиваються на макроблоки і більші зони пошуку. Розміри макроблоку мають бути узгоджені із структурою дискретизації кадру ТБ зображення. У стандарті MPEG - 2 блок - це квадратна матриця відліків розміром 16 рядків по вертикалі 16 стовпців (відліків) по горизонталі. Зона пошуку має бути досить великою, щоб швидко макроблок зображення першого кадру, що рухається, не вийшов із зони пошуку другого кадру. Розміри зони пошуку обмежуються об'ємом обчислень, які необхідно виконати в реальному масштабі часу. Ці розміри також мають бути узгоджені з прийнятою структурою дискретизації ТБ кадру. Зазвичай, вони в 4 рази більше розмірів окремого макроблоку. Іншими словами, розміри зони пошуку - це 64 на 64. Таким чином, в ТБ кадрі створюється 576/64 = 9 зон пошуку по вертикалі і 704/64 = 11 зон по горизонталі.

Компенсація руху, вживана при компресії Р і В-кадров, покращує чинник стискування в 3 рази в порівнянні з внутрішньокадровим кодуванням, де зберігається тимчасова надмірність.

Компенсація руху, що застосовується до макроблоків Р-кадрів, виробляє два види інформації: вектори руху (різниця між базовими і кодованими макроблоками) і значення помилок (різниця між передбаченими величинами і дійсними результатами).

Коли макроблок в Р-кадрі не може бути описаний з використанням компенсації руху, що трапляється, якщо з'являється деякий невідомий об'єкт, тоді він кодується тим же способом як і макроблок в I - кадре.

Компенсація руху, застосована до макроблоків В-кадра, здійснюється з використанням як передування, так і наступного опорного кадру.

Кодування за стандартом MPEG - 2 вимагає запам'ятовування одного або двох кадрів опорного макроблоку, що забезпечує дані для пророцтва з компенсацією руху. Великий об'єм комп'ютерних обчислень займає пошук і оцінка руху для підбору макроблоків в двох кадрах, щоб знайти напрям і відстань, що визначають рух макроблоку між кадрами, тобто вектор руху.

Визначуваний вектор руху використовується для пророцтва з компенсацією руху. У кодері обчислюється помилка пророцтва, тобто різниця між фактичним і передбаченим з використанням вектору руху блоками зображення, що скорочує тимчасову надмірність. Помилка пророцтва піддається ДКП, квантується і кодується в кодері із змінною довжиною слова. Такий процес зменшує і тимчасову, і просторову, і психофізичну надмірність. Вектор руху також кодується словами змінної довжини. Кодована помилка пророцтва об'єднується з кодами вектору руху, після чого формується передаваний цифровий потік.

У декодері виконується інверсне квантування, інверсне ДКП, внаслідок чого формується помилка пророцтва. Помилка пророцтва складається з декодованим зображенням попереднього кадру, утворюючи декодоване зображення поточного кадру.

Провісники з компенсацією руху в сучасних системах відеокомпресії стандарту MPEG - 2 можуть використовувати цілий ряд методів. Наприклад, макроблок може передбачатися на основі попереднього зображення, на основі наступного зображення, а також на основі і попереднього, і наступного. У чересстрочных системах поля одного кадру можуть передбачатися окремо з використанням різних векторів руху або разом з використанням загального вектору. Існує також можливість нульового пророцтва (якщо не знайдений відповідний опорний макроблок). При цьому сам поточний макроблок кодуватиметься замість помилки пророцтва, що означає відмову від міжкадрового кодування і перехід до внутрішньокадрового. Для кожного поточного макроблоку кодер вибирає метод пророцтва, що забезпечує найвищу якість декодованого зображення з урахуванням обмежень на швидкість передачі даних. Зведення про метод пророцтва включаються в загальний потік і передаються декодеру для вірного відновлення зображення.

Оцінка вектору руху і визначення найкращої стратегії пророцтва вимагає застосування складних обчислювальних процедур, які повинні здійснюватися в реальному часі. Тому кодер набагато складніший за декодер, тобто в стандарті MPEG - 2 система компресії на базі ДИКМ з компенсацією руху є асиметричною.

 

4. Концепція стандарту DVB - T

Ключові слова європейського стандарту EN 300 744. (Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for terrestrial television): цифрове, відео, мовлення, наземне, MPEG, телебачення, звук, дані - дійсно містять ключ до рас-шифровке сфери застосування стандарту. Документ EN 300 744 описує систему передачі даних для цифрового наземного телебачення. Переда-ваемые дані є інформацією про зображення і звуко-вом супровід, а також будь-які додаткові відомості. Умова передачі цієї інформації в системі DVB - T тільки одне - дані долж-ны бути закодовані у вигляді пакетів транспортного потоку MPEG - 2. У цьому сенсі стандарт описує контейнер, пристосований для достав-ки пакетованих даних в умовах наземного телебачення. Для систе-мы DVB - T ні зміст контейнера, ні походження даних не име-ют значення, вона лише пристосовує вихідні дані транспортного мультиплексора MPEG - 2 до властивостей і характеристик каналу передачі наземного ТБ мовлення, прагнучи найефективніше донести їх до приймача. Тобто, стандарт визначає структуру пере-даваемого потоку даних, систему канального кодування і модуля-ции для мультипрограмних служб наземного телебачення, работаю-щих у форматах обмеженої, стандартної, підвищеної і високої чіткості.

Для забезпечення сумісності пристроїв різних производите-лей, стандарт визначає параметри цифрового модульованого радіо-сигналу і описує перетворення даних і сигналів в передавальній частині системи цифрового наземного ТБ мовлення (рису-нок 8). Відмітною особливістю DVB - T як контейнера для пере-дачи транспортних пакетів MPEG - 2 являється гармонійне поєднання сис-темы канального кодування і способу модуляції OFDM. Обробка сигналів в приймачі не регламентується стандартом і залишається откры-той. Це не означає, що творці стандарту не передбачали принципів побудови приймача DVB - T, але відсутність жорсткого стандарту на при-емник загострює конкуренцію між виробниками телевізорів і сти-мулирует. зусилля із створення високоякісних і дешевих апаратів. Зразковий варіант схеми приймача приведений на малюнку 8.1.

Система DVB - T розроблялася для цифрового мовлення, але вона повинна вбудовуватися в існуюче аналогове оточення, тому в системі слід забезпечити захист від інтерференційних перешкод соседне-го і поєднаного каналів, обумовлених діючими передавачами PAL/SECAM. Оскільки йдеться про наземне мовлення, то має бути забезпечена максимальна ефективність використання частотного диапа-зона, що реалізовується в результаті оптимального поєднання поодиноких пере-датчиков, багаточастотних і одночастотних мереж. Система DVB - T повинна успішно боротися з типовими для наземного телебачення эхо-сигналами і забезпечувати стійкий прийом в умовах багатопроменевого распростра-нения радіохвиль. Є бажаним створення умов для прийому в русі і на кімнатні антени. Усі ці вимоги були виконані в DVB - T завдяки застосуванню нової системи модуляції OFDM (Orthogo - nal Frequency Division Multiplex - частотне ущільнення з тими, що ортогональними несуть).

Застосування якої-небудь однієї системи кодування не дає желае-мого ефекту в умовах наземного телебачення, для якого типовий прояв різноманітних шумів, перешкод і спотворень, що призводять до воз-никновению помилок з різними статистичними властивостями. У таких ус-ловиях потрібний складніший алгоритм виправлення помилок. У систе-ме DVB - T використовується поєднання двох видів кодування - зовнішнього і внутрішнього, розрахованих на боротьбу з помилками різної структури, частоти і статистичних властивостей і що забезпечують при спільному застосуванні практично безпомилкову роботу. Кодування обов'язково пов'язане з введенням в потік даних не-которой надмірності і відповідно із зменшенням швидкості пере-дачи корисних даних, тому нарощування потужності кодування за рахунок збільшення об'єму перевірочних даних не завжди відповідає вимогам практики. Для збільшення ефективності кодування, без зниження швидкості коду, застосовується перемежение даних. Коди-рование дозволяє виявляти і виправляти помилки, а перемежение збільшує ефективність кодування, оскільки пакети помилок дробляться на дрібні фрагменти, з якими справляється система коди-рования

4.1 Захисний інтервал

У системі OFDM дані передаються з исполь-зованием деякої кількості коливань, що несуть. Якщо що таких несуть багато, то потік даних, переносимих такою, що однією несе, характеризується порівняно невеликою швидкістю, тобто частота модуляції кожною несе невелика. Проте міжсимвольні спотворення проявляються і при малій швидкості дотримання модуляційних символів. Для того, щоб из-бежать міжсимвольних спотворень, перед кожним символом вводиться за-щитный інтервал. Але потрібно відмітити, що захисний інтервал - це не про-сто пауза між корисними символами, достатня для згасання сигналу символу до початку наступного. У захисному інтервалі передається фраг-мент корисного сигналу, що гарантує збереження ортогональности не-сущих прийнятого сигналу (але тільки у тому випадку, якщо ехо-камера-сигнал при багатопроменевому поширенні затриманий не більше, ніж на тривалість захисного інтервалу).

Концепція захисного інтервалу не є принципово новою, але використання захисного інтервалу необхідної величини в цифровому телебаченні можливо лише при використанні частотного ущільнення з великим числом тих, що несуть.

4.2 Принцип ієрархічної передачі

Особливість системи DVB - T - возможность ієрархічної передачі і прийому. Дані на виході муль-типлексора транспортного потоку розщеплюються на два незалежні транспортні потоки MPEG - 2 (див. малюнок 8), яким привласнюються різні міри пріоритету. Потік з вищим пріоритетом кодується з метою забезпечення високої завадозахищеності, потік з нижчим при-оритетом (позначений на малюнку 8 пунктиром) - з метою забезпечення високої швидкості передаваних даних. Потім обидва кодовані потоки об'єднуються і передаються разом. Таким чином з'являється можливість передачі по одному каналу двох різних програм або одній ТБ програми в двох версіях. Перша версія характеризується високою завадозахищеністю, але обмеженою чіткістю, друга - вы-сокой чіткістю, але обмеженою завадозахищеністю. Це дає нові можливості. На стаціонарну антену за допомогою висококласного при-емника може бути прийнята версія з високою чіткістю. Але ця ж про-грамма буде прийнята простим і дешевим приймачем у варіанті з огра-ниченной чіткістю. Завадозахищена версія також прийматиметься в тяжких умовах прийому, наприклад, в русі, на кімнатну антену. За умов прийому, що міняються, можливе перемикання приймача з однієї версії на іншу.

Система DVB - T була створена не просто для цифрового наземного те-левидения, а для задоволення найрізноманітніших вимог, кото-рые висуваються в країнах, що переходять до цифрового наземному веща-нию. Це змушує передбачити роботу системи в різних режимах, але для збереження складності приймачів на прийнятному рівні - обес-печить максимальну спільність різних режимів.

Для роботи поодиноких передавачів і мереж можуть використовуватися режими роботи з різною кількістю тих, що несуть.

Система DVB - T для досягнення гнучкості повинна допускати обмін між швидкістю передачі даних і завадозахищеністю. Введення захисного інтервалу дозволяє ефективно боротися з несприятливими наслідками багатопроменевого прийому. Проте платою за великий защит-ный інтервал є зменшення швидкості передачі корисних даних. Для того, щоб зберегти велику швидкість передачі даних в ситуаци-ях, де не потрібно великі одночастотні мережі або не проявляється мно-голучевое поширення, передбачений цілий набір можливих значе-ний захисного інтервалу (1/4, 1/8, 1/16 і 1/32 від довжини корисного интер-вала). Швидкість внутрішнього коду, що виявляє і виправляє помилки, може бути встановлена рівною одній з величин наступного ряду: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. У системі DVB - T передбачена також возмож-ность зміни числа позицій модулюючого сигналу від 4 до 64.

Вибором комбінації параметрів, що відносяться до способу модуляції і числа коливань, що несуть, швидкості внутрішнього коду і величини защит-ного інтервалу, можна створити систему наземного мовлення, що працює в самих різних умовах передачі і прийому і задану область охоплення, що забезпечує.

Важливим чинником є висока міра спільності системи на-земного ТБ мовлення DVB - T з іншими системами цифрового телебачення: кабельного (DVB - C) і супутникового (DVB - S).

4.3 Рандомізація

Рандомізація даних є першою операцією, що виконується в системі DVB, - T (малюнок 8). Її мета - перетворити цифровий сигнал на квазислучайний і тим самим вирішити два важливі завдання. По-перше, це дозволяє створити в цифровому сигналі досить велике число перепадів рівня і забезпечити можливість виділення з нього тактових імпульсів (така властивість сигналу називається самосинхронізацією). По-друге, рандомізація призводить до більше рівномірного енергетичного спектру радіосигналу (як відомо, спектральна щільність потужності випадкового шуму постійна на усіх частотах, тому перетворення сигналу на квазівипадковий сприяє вирівнюванню його спектру)-. Завдяки рівномірному спектру підвищується ефективність роботи передавача і мінімізується дія радіосигналу цифрового телебачення, що заважає, по відношенню до аналогового ТБ сигналу, що випромінюється іншим передавачем в тому ж каналі.

4.4 Зовнішнє кодування і проміжне

У системі зовнішнього кодувания для захисту усіх 188 байтів транспортного пакету (включаючи байт синхронізації) використовується код Рида-Соломона. В процесі кодування до цих 188 байтам додається 16 перевірочних байтів. При декодуванні на приймальній стороні це дозволяє виправляти до восьми помилкових байтів в межах кожного кодового слова завдовжки 204 байти.

Перемежение є тимчасовим перемішуванням байтів даних, в приймачі початковий порядок дотримання байтів даних. Корисним в перемеженні є те, що довгі пакетні помилки, обумовлені шумами і перешкодами в каналі зв'язку і спотворюючи послідовно байти даних, що йдуть, в результаті зворотного перемеження в приймачі розбиваються на невеликі фрагменти і розподіляються за різними кодовими словами коду Рида-Соломона. У кожне кодове слово потрапляє лише мала частина пакетної помилки, з якою легко справляється система виявлення і виправлення помилок при порівняно невеликому об'ємі перевірочних даних.

Пряме і зворотні перемеження можуть виконуватися за допомогою практично однакових схем, нo тільки порядок зміни затримки в гілках схеми зворотного перемеження в приймальному пристрої має бути змінений на протилежний.

4.5 Внутрішнє кодування

Внутрішнє кодування в системі DVB - T засноване на згортальному коді. Воно принципово відрізняється від зовнішнього, яке є представником блокових кодів. При блоковому кодуванні потік інформаційних символів ділиться на блоки фіксованої довжини, до яких в процесі кодування додається деяку кількість перевірочних символів, причому кожен блок кодується незалежно від інших. При згортальному кодуванні потік даних також розбивається на блоки, але набагато меншої довжини, їх називають «кадрами інформаційних символів». Зазвичай кадр включає лише декілька бітів. До кожного інформаційного кадру також додаються перевірочні символи, внаслідок чого утворюються кадри кодового слова, але кодування кожного кадру робиться з урахуванням попередніх інформаційних кадрів. Для цього в кодері завжди зберігається деяке кількість кадрів інформаційних символів, доступних для кодування чергового кадру кодового слова (кількість інформаційних символів, використовуваних в процесі згортального кодування, часто називають «довжиною кодового обмеження»). Формування кадру кодового слова супроводжується введенням наступного кадру інформаційних символів. Таким чином, процес кодування зв'язує між собою послідовні кадри.

4.6 Внутрішнє переміщення і формування модуляційних символів

Внутрішнє перемежение в системі DVB - T тісно пов'язано з модуляцією коливань, що несуть. Воно фактично являється частотним перемеженням, що визначає перемішування даних, які модулюють різні коливання, що несуть. Це досить складний процес, але саме він є основою принципів модуляції OFDM в системі DVB - T. Внутрішнє перемежение складається з перемеження бітів і перемежения цифрових символів даних. Його першим етапом є демультиплексування вхідного потоку даних. Безпосередньо за перемеженим йде формування модуляційних символів.

 

.7 Демультиплексування

Окремі ті, що несуть можуть модулюватися з використанням квадратурної фазової маніпуляції (QPSK - Quadrature Phase Shift Keying) або квадратурної амплітудної модуляції (QAM - Quadrature Amplitude Modulation). Сигнали, що модулюють що несе (точ-нее, синфазне і квадратурне коливання), при таких способах модуляції, є багаторівневими, вони описуються послідовностями багато композиційним символів, які називаються «модуляційними». У способі QPSK модулюючий сигнал є послідовністю чотирьохпозиційних символів, вибираних з алфавіту з чотирма дворозрядними двійковими словами (00, 01, 10, 11), які визначають фазу модульованого коливання. Для формування таких символів вхідний послідовний потік бітів потрібно розподілити, або демультиплексувати на два субпотоки, в кожному з яких тактова частота буде в два рази менша, ніж на вході. Для 16-позиційної квадратурної амплітудної модуляції 16 - QAM потрібно формувати модуляційнй символи у вигляді 4-розрядних двійкових слів, що визначають фазу і амплітуду модульованого коливання. В цьому випадку вхідний потік потрібно демультиплексировать відповідно на чотири субпотоки. При використанні модуляції 64 - QAM модуляційні символи являють собою 6-розрядні слова, тому вхідний потік демультиплексується на шість субпотоків.

 

.8 Спектр радіосигналу OFDM

Загальна спектральна щільність потужності сигналу OFDM може бути знайдена як сума спектральної щільності потужності що окремих несуть. Вона могла б бути дуже близькою до постійної в смузі частот, яку займають ті, що несуть, але тривалість передаваного OFDM символу більша, ніж величина, зворотна відстані між тими, що несуть, на величину захисного інтервалу. У зв'язку з цим основна пелюстка спектральної щільності потужності що однієї несе дещо менше подвоєної відстані між тими, що несуть, тому спектральна щільність потужності сигналу OFDM в номінальній смузі частот (7,608258 Мгц в режимі 2k і 7,611607 Мгц в режимі 8k) не є постійною.

 

4.9 Багатопроменевий прийом

Багатопроменевий прийом - явище, типове для наземного ТБ мовлення. Якщо, разом з основним радіосигналом, приймається, наприклад, сигнал, що відбитий від якої-небудь перешкоди і прийшов до приймальної антени із затримкою, на екрані з'являється повтор, тобто копія зображення, зрушена по горизонталі. Якщо інтенсивність повтору велика (відбитий сигнал порівнянний з основним), то зображення стає неприйнятним. Боротися з повторами можна, наприклад, шляхом використання вузьконаправлених приймальних антен.

Можливий і частотний підхід до оцінки багатопроменевого прийому. В результаті інтерференції радіосигналів, що прийшли в точку прийому з різними затримками, деякі частотні компоненти радіосигналу ослабляються, а деякі - посилюються, що призводить до нерівномірності частотної характеристики каналу. Частотну характеристику за допомогою перебудовуваних фільтрів можна спробувати зробити постійною в частотному діапазоні, займаному спектром радіосигналу, якщо заздалегідь оцінити нерівномірність. Але такий шлях не завжди можливий. Уявимо, що повторний радіосигнал приходить в точку прийому з такою ж інтенсивністю, що і основний (такий повтор називають ехо-сигналом 0 дБ). Інтерференційна взаємодія основного сигналу і повтору приведе до того, що окремі компоненти сумарного сигналу виявляться повністю знищеними. Ехо-камера-сигнал, затриманий на чверть тривалості символу, призводить до пригнічення кожній що четвертою несе сигналу OFDM. Такі пригнічені компоненти не можуть бути скоректовані за рахунок смугової фільтрації, прийнятий сигнал зазнає безповоротні спотворення. Проте в системі СОFDМ пригнічені компоненти можуть бути повністю відновлені завдяки використанню частотного ущільнення у поєднанні з кодуванням, що виявляє і виправляє помилки. Це є слідством того, що дані, переносимі такою, що кожною несе, доступні для обробки в системі канального кодування. Кожна несна пакету ОFDM несе лише невелику частину даних, помилки в яких можуть бути виявлені і виправлені за допомогою системи канального кодування.

 

.10 Формування даних і структура сигналів

Сигнал, що отримується в способі модуляції з частотним ущільненням, складається з багатьох що модульованих несуть, тому кожен символ OFDM може розглядатися як розділений на елементарні пакети, кожен з яких переноситься такою, що однією несе під час одного символу. Кількість бітів, переносима такою, що однією несе за час символу OFDM, залежить від способу модуляції тих, що несуть - це 2 біта для квадратурної фазової маніпуляції, 4 біта для квадратурної амплітудної модуляції 16 - QAM і 6 бітів для модуляції б4-QAM.

Передаваний сигнал організовується у вигляді кадрів. Кожен кадр складається з 68 символів OFDM. Чотири послідовні кадри утворюють суперкадр. При вибраній структурі кадру в одному суперкадрі завжди міститься ціле число пакетів завдовжки 204 байти (рандомізованих транспортних пакетів MPEG - 2, забезпечених для захисту від помилок перевірочними байтами коду Рида-Соломона).

Кожен символ тривалістю Фs утворюється шляхом модуляції що 1705 несуть в режимі 2k і що 6817 несуть в режимі 8k. Інтервал Фs складається з двох компонентів: інтервалу, під час якого передаються вхідні дані передавача, тобто корисна інформація (інтервал і називається «корисним»), і захисного інтервалу Tc Захисний інтервал є копією, або циклічним повторенням частини корисного інтервалу, яка вставляється перед корисним.

На додаток до даних в кадрі OFDM передаються опорні сигнали, структура яких відома приймачу, а також зведення про параметри передачі.

Опорні сигнали, звані «пилот-сигналами», виходять в результаті модуляції тих, що несуть псевдовипадковою послідовністю. Пилот-сигналы використовуються передусім для синхронізації. Вони розподілені в часі і в частотному спектрі сигналу ОFDM, їх амплітуди і фази відомі в точці прийому, тому їх можна використовувати також для отримання відомостей про характеристики каналу передачі.

Сигнали параметрів передачі використовуються для повідомлення приймача параметрів системи, що відносяться до канального кодування і модуляції,: спосіб передачі - ієрархічний або неієрархічний, параметри модуляції, величина захисного інтервалу, швидкість внутрішнього коду, режим передачі - 2k або 8k, номер кадру в суперкадрі. Ці відомості можуть використовуватися приймачем для швидкого налаштування. Сигнали параметрів передаються на 68 послідовних символах ОFDM, що означають як кадр OFDM. Кожен символ OFDM переносить один біт, що відноситься до сигналів параметрів передачі. Блок даних, що відповідає одному кадру OFDM, містить 68 бітів, призначення яких встановлюється таким чином:

1 біт - ініціалізація;

16 бітів - синхронізація;

37 бітів - сигнальна інформація;

14 бітів - перевірочні біти для виявлення і виправлення помилок, що виникають в каналі зв'язку.

4.11 Параметри системи DVB - Т

Для визначення швидкості, яку забезпечує система DVB, - T, скористаємося формулою:

, де

Rs - частота дотримання інформаційних символів рівна N / Ts.- число тих, що несуть. На практиці використовують 6817 тих, що несуть, а інші ті, що несуть використовують для інших даних (допоміжні).- тривалість корисного інтервалу, рівна 896 мкс.- кількість біт передаваних в одному символі за допомогою тієї, що однієї несе. Для модуляції QPSK; QAM - 16; QAM - 64 b = 9.

 - швидкість згортального коду. У нашому випадку = 1/2. Чисельник показує, скільки даних доводиться на 2 біта (тобто виходить, що 1 біт перевірочний).- Швидкість зовнішнього коду Рида Соломона. Т. до. стандартний пакет даних дорівнює 188 байт і до нього додається 16 перевірочних байтів. Отже CRs = 188/204.- тривалість інформаційного символу рівна 1 мс.

Підставляючи усі дані у формулу, визначимо швидкість системи:

В даному випадку швидкість передачі даних системи DVB - T вийшов більше швидкості цифрового потоку. Необхідно використовувати компресор з коефіцієнтом стискування:

Висновок

У цьому курсовому проекті були визначені параметри наземної системи цифрового ТБ мовлення DVB - T. Система DVB - T багато значень цифрового потоку залежно від можливого вибору порогового значення відношення сигнал-шум.

Після розрахунку параметрів системи цифрового телевізійного мовлення можна стверджувати, що система DVB - T не підходить для реалізації цієї швидкості цифрового потоку. Для того, щоб збільшити швидкість цифрового потоку DVB - T, треба варіювати такими параметрами як b, і Tu/Ts (коефіцієнт стискування, відносна тривалість корисного інтервалу до загальної тривалості символу, швидкість внутрішнього коду).

Список літератури

Г.В. Мамчев Основи цифрового телебачення. Учбовий посібник. - Новосибірськ, 2010;

Г.В. Мамчев Основи радіозв'язку і телебачення. Навчальний посібник для Внз М., «Гаряча лінія - Телеком», 2007;

А.В. Смирнов «Основи цифрового телебачення. Учбовий посібник» 2009 года.