652_Maglitskij_B.N._Printsipy_postroenija_sputnikovogo_televidenija_

Продолжение таблицы 1.1

Ширина полосы частот, которая может быть выделена для отдельного ретранслятора в каждом диапазоне, ограничена значением 500 МГц в полосах 6/4 ГГц, 8/7 ГГц и 14/11 ГГц. В диапазоне 30/20 ГГц допускается ширина полосы частот, занимаемых одним ретранслятором, до 3,5 МГц [6].

1.3 Спутниковое телевизионное вещание

Сеть спутникового непосредственного телевещания СНТВ (рисунок 1.3) включает в себя совокупность приемопередающих станций, обеспечивающих трансляцию через один или несколько широковещательных СР (стационарный ретранслятор) ТВпрограмм большому числу приемных станций, а также прием программного материала от других приемопередающих станций с целью обмена программами между станциями и приема репортажных материалов от подвижных станций спутниковой службы новостей. Источниками информации для приемопередающих станций являются студии ТВ-вещания, передающие телевизионный сигнал в аналоговой форме, а в случае необходимости использования телекоммуникационных каналов - в сжатой цифровой форме со скоростью 20-30 Мбит/с. Спутниковая служба новостей обеспечивает распределение

11

коэффициент усиления этой антенны в заданном направлении относительно изотропной антенны. Данный параметр имеет единицы измерения децибелы относительно ватт (дБВт или dBW). Современные спутники связи обеспечивают ЭИИМ обычно 45 - 60 дБВт.

На рисунке 1.4 приведена обобщенная схема передачи телевизионного сигнала в цифровой форме по спутниковому каналу.

Рис. 1.4 – Обобщенная схема передачи телевизионного сигнала по спутниковому каналу

Подсистема кодирования источника определяет параметры сжатия телевизионного сигнала по стандарту MPEG – 2 или MPEG – 4, а подсистема адаптации к каналу определяет преобразования сжатого цифрового сигнала в стан-

дарте DVB – S и DVB – S2.

2. Передача цифрового телевизионного сигнала по спутниковому каналу

связи

Длительное время основным препятствием для внедрения цифровой передачи телевизионных сигналов являлась сложность аналого-цифрового преобразования. Аналоговый ТВ сигнал занимает полосу частот около 6 МГц, что в соответствии с теоремой Котельникова требует частоты дискретизации не менее 12 МГц. При частоте следования кадров 25-30 Гц и использовании традиционного подхода к преобразованию в цифровую форму телевизионный сигнал требует передачи со скоростью более 200 Мбит/с. Полоса пропускания стандартных спутниковых приемопередатчиков Кuдиапазона обычно не превышает 72 МГц и не позволяет обеспечить ретрансляцию широкополосного цифрового ТВ сигнала.

Если полный цветовой телевизионный сигнал перед преобразованием в цифровую форму разделяется на сигнал яркости и цветоразностные сигналы, такое кодирование телевизионного сигнала называется раздельным. При этом разделенные сигналы (или сигналы R, G, B от источника) кодируются отдельно и затем объединяются в общий цифровой сигнал. Если указанное разделение не

13

производится, то есть кодируется полный цветовой телевизионный сигнал, используется термин непосредственное или совместное кодирование.

2.1 Сжатие телевизионного сигнала

Телевизионный сигнал в значительной мере избыточен в том смысле, что скорость передачи (полоса частот) цифрового телевизионного потока может быть существенно сокращена без заметного снижения качества передаваемого изображения. Используя алгоритмы уменьшения избыточности (сжатия) телевизионного сигнала, можно снизить требуемую скорость передачи до приемлемого уровня. Для обеспечения совместимости телевизионной аппаратуры и каналов передачи в 1988 году в рамках совместной деятельности Международной организации по стандартизации ISO (International Standards Organization) и Международной электрической комиссии IEC (International Electrotechnical Commission) был сформирован подкомитет, получивший название MPEG (Motion Picture Experts Group). Результатом деятельности этой группы явилась разработка в середине 90-х годов семейства стандартов сжатия и передачи телевизионного сигнала, получивших одноименное название MPEG.

Основными целями разработки и внедрения стандартов были:

снижение скорости цифрового потока до технически и экономически приемлемого значения при сохранении высокого качества передаваемого изображения;

устранение разрыва между европейской (625 строк, частота кадров 25 Гц) и американской (525 строк, частота кадров 30 Гц) телевизионными системами;

преодоление рассогласования между принципами формирования телевизионного (через строчная развертка) и компьютерного (прогрессивная развертка) изображений;

согласование разных методов кодирования цвета и геометри-

ческих форм элементов изображения, используемых в различных аналоговых телевизионных системах.

Сжатие телевизионного сигнала обеспечивает:

значительное сокращение требуемой скорости передачи (полосы частот);

более высокое качество передачи изображения, проявляющееся в резком снижении многоконтурности, шумов в виде «снега» и прочих искажений, присущих аналоговым способам передачи;

большую устойчивость по отношению к шумам и помехам;

возможность использования менее мощных передатчиков;

возможность использования более простых и дешевых приемных устройств;

быструю окупаемость инвестиций в производство аппаратуры, благодаря снижению стоимости космического сегмента сети;

увеличение числа транслируемых телевизионных каналов при неизменной пропускной способности ретранслятора.

14

Избыточность телевизионного сигнала разделяют на три вида:

-избыточность по восприятию;

-структурная избыточность;

-статистическая избыточность.

Избыточность по восприятию обусловлена особенностями человеческого зрения. Несмотря на то, что глаз человека воспринимает более 10 миллионов цветовых оттенков, все они сводятся к комбинации трех опорных цветов: красного I (Red - R), зеленого (Green - G) и синего (Blue - В). Поэтому все датчики цветного изображения одновременно формируют лишь три различающиеся по интенсивности сигнала цветности: R, G и В, - а на приемной стороне в телевизионных и компьютерных мониторах экран одновременно сканируется тремя электронными лучами, вызывающими вспышки красного, зеленого и синего цветов. Глаз существенно более чувствителен к изменению яркости цвета, чем к пространственному изменению его оттенков, поэтому цветовая информация может передаваться с меньшим пространственным разрешением.

Во всех стандартных аналоговых системах цветного телевидения: NTSC (National Television System Color), PAL (Phase Alternation Line) и SECAM (Sequentid Couleur А Memoire), цветовое разрешение существенно понижено по отношению к яркостному. Для этого на передающей стороне сигналы цветности R, G и В преобразуются в яркостный сигнал У и два цветоразностных сигнала следующим образом:

Цветоразностные сигналы передаются с два раза меньшим разрешением, чем яркостный, что позволяет сократить полосу частот и удешевить системы. В телевизионных приемниках осуществляется восстановление сигналов цветности следующим образом:

Структурная избыточность возникает при преобразовании изображения в телевизионный электрический видеосигнал, содержащий служебные сигналы синхронизации и импульсы гашения обратного хода лучей по строкам и подкадрам (полям). Форма и временное положение гасящих импульсов априорно известны, поэтому их можно не передавать, а синтезировать на приемной стороне по сигналам синхронизации. Устранение гасящих импульсов из структуры цифрового телевизионного сигнала позволяет снизить требуемую скорость передачи примерно на 25% .[1]

Статистическая избыточность вызывается наличием корреляционных связей между значениями сигнала в соседних элементах одной строки, в соседних строках и в соседних кадрах. Наглядно можно представить статистическую избыточность как наличие повторяемости информации в следующих друг за другом кадров. Одним из наиболее эффективных методов борьбы со статисти-

15

ческой избыточностью является кодирование с предсказанием. При этом для большинства кадров передается не само изображение, а так называемая ошибка предсказания – разность действительного изображения данного кадра и предсказанного изображения этого же кадра, которое формируется по определенным правилам из изображений ранее переданных кадров. Поскольку большинство кадров телевизионного сигнала в значительной степени повторяют предыдущие, ошибка предсказания содержит меньший объем информации, чем действительное изображение. [7]

2.1.1Стандарт MPEG-2

Кнастоящему времени разработаны три международных стандарта цифровой передачи подвижных изображений, использующие сжатие цифрового те-

левизионного сигнала:MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4.

MPEG-1 ориентирован в основном на системы записи на компакт-диски и низкоскоростные каналы с пропускной способностью не более 1,5 Мбит/с. В стандарте используется развертка с разрешением в 4 раза меньшим, чем в вещательном телевидении: 288 активных строк и 352 элемента в активной части строки. Это обеспечивает качество изображения, близкое по качеству к используемому в бытовой видеотехнике стандарту VHS (Video Home Systems).

Для систем телевизионного вещания, в том числе спутникового, разработан стандарт MPEG-2 и MPEG-4.

Устройства, осуществляющие сжатие и восстановление цифрового телевизионного сигнала, получили название кодеков (CODEC – COderDECoder). Упрощенная схема, поясняющая взаимосвязь используемых при кодировании процедур в MPEG-2 , приведена на рисунке 2.1.

Входными для кодера являются сигналы цветности R, G и В, один или несколько сигналов звукового сопровождения, поток цифровых данных и сигнал синхронизации.

Сигналы цветности преобразовываются (матрицируются) в яркостный сигнал Y и цветоразностные сигналы U и V. С этой целью входные аналоговые сигналы дискретизируются со стандартной частотой 13,5 МГц, а затем квантуются по уровню и подвергаются обработке. Разрешение цветоразностных сигналов снижается вдвое путем прореживания их выборок через одну и снижения тем самым частоты дискретизации каждого из них до 6,75 МГц.

В результате мультиплексирования скорость результирующего цифрового потока достигает значения 216 Мбит/с. На этапе предварительной обработки осуществляются преобразования, облегчающие и упрощающие выполнение последующих процедур.

16

...

Рис. 2.1 - Последовательность базовых процедур в соответствии со стандартом сжатия телевизионного сигнала MPEG-2

Основное сжатие достигается благодаря уменьшению статистической избыточности ТВ-сигнала.

В спутниковом вещании в настоящий момент используется так называемый основной уровень с форматом разложения на 576 строк в кадре и 720 отсчетов на строку.

Для сжатия видеоданных строятся кадры трех типов.

Кадры типа - I (interfarme) - это полные кадры, сжатые по методу, аналогичному JPEG. Такой метод позволяет добиться различной степени компресcии - выше сжатие - больше потерь качества изображения и наоборот.

Кадры типа - Р (predicted - предсказанные) получаются с использованием алгоритмов компенсации движения и предсказания вперед по предшествующим кадрам. В Р-кадрах, если сравнивать их с I-кадрами, в три раза выше достижимая степень сжатия видеоданных.

17

Кадры типа - В (bidirectional - двунаправленные) получаются четырьмя различными алгоритмами в зависимости от характера видеоданных. B-кадры содержат изменения относительно предыдущих и последующих кадров, используемых в качестве опорных. Это наиболее сжатые кадры.

Кадры различных типов собираются в группу - GOP, состоящие обычно из 12 чередующихся кадров. Типичным является следующий порядок кадров:

I0, B1, B2, P3, B4, B5, P6, B7, B8, P9, B10, B11, I12, B13, B14, P15

В этом порядке I кадры следуют с интервалом: (1/25 Гц) х 12= 0,48 с, поскольку содержат всю информацию об изображении. MPEG последовательности. Эти кадры еще называют опорными. При компрессии I кадров происходит удаление только пространственной избыточности. Именно с этого кадра начинается декодирование изображения в последовательности.

P кадр служит для дальнейшего предсказания изображения. P кадр создается с помощью межкадровой компрессии, уменьшающей как пространственную, так и временную избыточность. Изображение P кадра вычитается из следующего изображения и эта разница кодируется и вместе с вектором движения добавляется к сжатым данным.

B кадры имеют наивысшую степень компрессии, но требуют предыдущего и последующего изображения для компенсации движения объектов на изображении. Такую структуру MPEG потока обычно описывают в виде дроби M/N, для которой M сообщает общее число кадров в GOP, а N - каким по счету будет очередной P кадр после предыдущего.

При передаче порядок следования I, Р и В кадров меняется так, чтобы в декодер сначала поступили опорные I и Р кадры, без которых нельзя начать декодирование. Для правильного декодирования в поток видеоданных включают-

ся Метки Времени декодирования - DTS и Метки времени показа – PTS. Эти потоки в стандарте MPEG носят названия системные. В результате получается поток цифровых данных, требуемая скорость передачи для такого потока - от 6 до 1.5 Мбит/Сек (низкая скорость потока видеоданных соответствует стабильным сюжетам с малым количеством движения).

Следующий этап сжатия базируется на двумерном дискретном косинус - преобразовании DCT (Discrete Cosine Transform), являющемся частным случаем преобразования Фурье. Это преобразование осуществляется поблочно, для чего ТВ - изображение разбивается на квадратные блоки (матрицы), содержащие 8 выборок (строк) по вертикали и 8 выборок по горизонтали. При этом при формате развертки кадра 576Х720 в каждом кадре содержится 576Х720/64 = 6480 блоков, подлежащих дискретному косинус – преобразованию (ДКП) в ре-

альном масштабе времени. В результате ДКП исходная сигнальная матрица 8х8 = 64 выборок ТВ сигнала трансформируется в матрицу частотных коэффициентов ДКП того же размера. Преобразование ДКП является полностью обратимым и само по себе не приводит к сжатию сигнала. Однако спектр коэффициентов ДКП имеет полезную особенность, а именно: основная энергия частот-

18

ных составляющих этого спектра сосредоточена в небольшой области вблизи нулевых частот (в левом верхнем углу матрицы коэффициентов ДКП). Сжатие сигнала обеспечивается благодаря передаче только тех частотных коэффициентов матрицы ДКП, величина которых превышает некоторые пороговые значения. Коэффициенты ниже порогового значения считаются нулевыми и по умолчанию не передаются. Эта нелинейная процедура получила название квантования. Введение квантования ведет к потере части информации и, соответственно, к снижению качества восстановленного в декодере изображения. Однако при рациональном выборе параметров квантователя это снижение оказывается практически незаметным или допустимым.

Последний из алгоритмов сжатия связан со статистическим кодированием. Основная идея такого кодирования состоит в том, что более часто повторяющиеся коэффициенты ДКП кодируются более короткими кодовыми комбинациями и наоборот. В результате среднее число символов, приходящихся на каждое значение коэффициента ДКП, оказывается меньше, чем при равномерном кодировании. Практическое применение в кодеках ТВ сигнала нашел известный код Хаффмана [1].

Звуковые каналы преобразуются в цифровой поток по нескольким алгоритмам. Звуковой канал с CD-качеством звука (дискретизация 44.1 кГц ) требует скорости передачи до 1400 бит/Сек, что недопустимо много. Использование сжатия по методу MPEG Audio Уровеня 3 позволяет добиться сжатия аудиоданных в 4-12 раз. Уровень 1 сжимает данные 1:4 и требует скорости 384 кБит/сек, Уровень 2 сжимает в 6-8 раз и требует скорости 256..192 кБит/сек, а Уровень 3 - в 10-12 раз и требует 128..112 кБит/сек для стереосигнала.

Кроме того, многими компаниями предлагаются иные алгоритмы сжатия ау-

диоданных - MPEG-2 AAC (Advanced Audio Coding), известный еще как

NBC(Non-Backward-Compatible). Хорошо зарекомендовал себя подход Dolby AC-3, который обеспечивает многоканальную передачу звука и требует 384 кБит/сек для 5+1 - каналов в формате Dolby Surround Digital или 192 кБит/сек для обычного стереосигнала. Dolby AC-3 интересен еще тем, что в таком формате записан звук большинства современных фильмов в кинематографе.

Сжатие данных Телетекста, Субтитров и данных о подписке на ка-

нал весьма просто, так как это обычный поток двоичных данных. Скорость потока таких данных не превышает 64 Кбит/cек.

Синхронизация обеспечивается эталонным генератором 27 МГц на приемной стороне. Для подстройки частоты и фазы эталонного генератора периодически должно передаваться Поле Эталонных часов - PCR (Program Clock Reference).

Таким образом для конкретного телеканала получено три потока сжатых данных - видео, аудио и системный. Все потоки требует различных скоростей передачи, поэтому они мультиплексируются - то есть режутся на блоки и складываются в один общий высокоскоростной поток. Блоки принято называть пакетами, а для того чтобы разделить потоки на приемной стороне, кажому цифровому потоку назначается Идентификатор Пакета PID.

19

Каждый пакет в заголовке содержит идентификатор своего потока. Размер такого блока 188 байт - такой размер выбран для совместимости с сетями передачи данных ATM (188=47*4).

Совокупность таких пакетов образует Транспортный поток TS (Transport Stream). Если поток образован одной телепрограммой, то его скорость 6-6.5 Мбит/сек. Формирование и декодирование такого потока было стандартизовано в MPEG-2. Однако, транспондеры современных спутников способны имеют полосу пропускания сигнала 33 - 72 МГц, поэтому в стандарте DVB была оговорена возможность включать в транспортный поток цифровые данные для нескольких телепрограмм сразу – таким образом появилась возможность передавать от 6до 9 телепрограмм сразу. Далее транспортный поток поступает на подсистему адаптации к спутниковому каналу (рис. 2.4).

Для возможности разделить потоки телепрограмм в семействе стандартов DVB добавлен ряд служебной информации - таблицы Сервисной информации SI (Service Information). Такие таблицы периодически включаются в транспортный поток и с их помощью микропроцессор приемного устройства управляет демультиплексором потока. Выделить сервисную таблицу возможно по PID, которые зарезервированы только для этих таблиц. В таблице 2.1 представлены используемые таблицы и также присвоенные им PID. Более подробную информацию о присвоении того или иного PID таблице можно получить в [8]

Таблица 2.1 – Таблицы сервисной информации SI

20