652_Maglitskij_B.N._Printsipy_postroenija_sputnikovogo_televidenija_

Продолжение таблицы 2.1

В ресивере после предварительной обработки принимаемого сигнала из потока выделяется PAT, а из нее, в свою очередь, определяется PID для PMT нужной телепередачи.

PMT предоставим PID всех передаваемых для данной телепрограммы компонентов. Затем демультиплексор выделит из потока нужные компоненты и отправит в аппаратные MPEG-декодер и декодер звука. Поток PCR непрерывно корректирует эталонный генератор 27 МГц тюнера. Если программа содержит скремблированные пакеты - они сначала направляются для обработки модулю Условного Доступа CAM, который проводит их обработку/дешифровку (алгоритм зависит от системы САМ). Также, в САМ направляются сообщения EMM, если такие передаются - это определяется по таблице CAT.

Дополнительно микропроцессор приемного устройства выделяет необхо-

димые для работы Сервисные таблицы, строит Расписание программ, теле-

текст, субтитры и т.п.

Стандарт сжатия MPEG-2 предусматривают синхронизацию изображения, засекречивание транслируемых программ, помехоустойчивое кодирование, передачу сопровождающей текстовой информации и др., поэтому они стали активно использоваться в спутниковом телевидении.

2.1.2 Стандарт MPEG-4

Работы по созданию стандарта MPEG-4 были начаты в июле 1993 года и окончены к ноябрю 1996 года. Однако, большинство документов входящий в состав стандарта MPEG-4, были утверждены в 1998-1999 годах, и к концу 1999 года появилась вторая версия стандарта MPEG-4.

Данный стандарт охватывает следующие области:

-цифровое телевидение и видеосвязь;

-интерактивная графика, синтез изображений;

-интерактивные мультимедийные приложения, в том числе передаваемые через Интернет.

В первую очередь стандарт создавался для передачи движущихся изображений и звука по узкополосным каналам связи: это актуально для систем ви-

21

деосвязи, которые используют в качестве среды передачи телефонные сети с низкой скоростью передачи 64 кбит/с. Сейчас стандарт MPEG-4 получил широкое распространение при записи видеопрограмм и кинофильмов на лазерные диски, а также при создании интерактивных программ.

Важнейшей особенностью MPEG-4 является объектно-ориентированный подход, сущность которого заключается в том, что передаваемое изображение со звуковым сопровождением представляется как совокупность видео- и аудиообъектов.

Видеообъектами (VO - visual object) могут быть изображения людей и предметов, перемещающихся перед неподвижным фоном, и сам неподвижный фон. Обычное телевизионное изображение может быть единым видеообъектом.

Аудиообъектами (АО - audio object) могут быть голоса людей, музыка, другие звуки.

Видео- и аудиообъекты составляют сцену. Стандарт MPEG-4 содержит специальный язык для описания сцен - BIFS (Binary Format for Scenes двоичный формат для сцен).

Описание сцены имеет иерархическую структуру. Верхним уровнем структуры является сцена в целом: она содержит неподвижный фон. Описание каждой сцены включает данные о координатах объектов в пространстве и об их привязке ко времени. Видеообъекты могут размещаться в разных планах сцены, так что видеообъекты, находящиеся в более близких к зрителю планах сцены перекрывают при движении видеообъекты, находящиеся в более дальних планах.Сцена, представляемая пользователю, может содержать все объекты, информация о которых поступает в принимаемом потоке данных, или только часть этих объектов. Состав сцены может определяться поставщиком мультимедийной продукции, например, в зависимости от суммы денег, заплаченных пользователем. В интерактивном режиме пользователь может влиять на развитие сцены, подавая соответствующие команды.

Стандарт MPEG-4 позволяет также передавать пользователю дополнительную информацию об объектах - которая может отображаться, в виде окна с текстом.

Видеообъекты, составляющие сцену, кодируются по-отдельности. Кодированные видеоданные всех видеообъектов объединяются в последовательность визуальных объектов (VS - Visual Object Sequence). Видеообъект может иметь несколько слоев или уровней, каждому из которых соответствует элементарный поток видеоданных. Наличие нескольких слоев обеспечивает возможность масштабируемости. Базовый слой дает изображение видеообъекта с базовым качеством. Дополнительные или улучшающие (enhanced) слои позволяют получать изображение с улучшенным пространственным разрешением, меньшими искажениями из-за сжатия и т.д.

Изменяющееся во времени изображение видеообъекта передается в виде последовательности его неподвижных изображений в дискретные моменты времени. Эти неподвижные изображения называются плоскостями видеообъекта (VOP - Visual Object Plane) Если видеообъектом является обычное телевизи-

22

онное изображение, то плоскостями этого видеообъекта могут быть обычные кадры. VOP объединяются в группы (GOV). VOP, как и кадры в MPEG-2, могут кодироваться независимо от других VOP {I-VOP) или с предсказанием и компенсацией движения (Р-УОР и B-VOP).

В отличие от MPEG-1 и MPEG-2 в которых применяется фиксированный алгоритм кодирования, в MPEG-4 используется целый набор методов кодирования, включающий как алгоритмы, сходные с применяемым в MPEG-1 и MPEG-2, так и принципиально новые методы кодирования, основанные на понятии видеообъекта. Выбор того или иного метода кодирования в конкретном случае определяется типом видеообъекта и требуемым коэффициентом сжатия информации. MPEG-4 позволяет эффективно сжимать как натуральные, так и синтетические изображения и объединять их при воспроизведении.

Методы кодирования объектов в стандарте MPEG-4:

1). Видеообъекты, представляющие собой прямоугольные изображения (обычные ТВ кадры), кодируются методом с использованием гибридного кодирования (аналогично MPEG-2, раздел 2.1.1 настоящего пособия).

2). Кодирование, основанное на содержании (conten-based coding), позволяет получить существенно большее сжатие изображений за счет учета свойств видеообъектов, присутствующих в сцене.

3). Для сжатия изображений неподвижного фона и текстур протяженных объектов используется метод кодирования, основанный на вейвлетпреобразовании2. Этот метод обеспечивает высокие степени сжатия и многоступенчатую масштабируемость по пространственному разрешению.

4). Неизменяющийся или почти неизменяющийся задний план изображения может передаваться как так называемый спрайт (sprite). Полное изображение спрайта передается один раз. Затем передаются только 8 параметров глобального движения, описывающих панорамирование, т.е. перемещение камеры относительно заднего плана. [7]

2.2 Стандарт спутникового телевизионного вещания DVB-S

Спутниковое телевизионное вещание было и остается самым быстрым, надежным и экономичным способом подачи ТВ сигнала высокого качества в любую точку обширного пространства. Однако, одной из особенностей применения ИСЗ является ограниченность энергетического потенциала спутникового ретранслятора, в силу чего в спутниковом вещании традиционно используют методы обработки, требующие минимального отношения несущая/шум (C/N) на входе демодулятора в обмен, например, на полосу частот сигнала.

В аналоговом вещании это был выбор частотной модуляции (вместо аналоговой), а в цифровом вещании приходится применять мощное каскадное помехоустойчивое кодирование и модуляцию с невысокими кратностями. Дополнительной особенностью цифрового спутникового телевизионного вещания является тот факт, что многопрограммное вещание осуществляется за счет муль-

2 Более подробно информацию о вейвлет-преобразованиях можно получить в [7, стр 131]

23

типлексирования в цифровом потоке, а работа передатчика ИСЗ осуществляется только на одной несущей в нелинейном режиме, что позволяет повысить его выходную мощность на 2,5 - 4 дБ. Такое повышение энергетики эквивалентно уменьшению диаметра рефлектора приемной антенны в 2 раза в сравнении с приемом сигналов аналогового вещания.

В1994г. в рамках консорциума DVB Project был создан Европейский стандарт спутниковой цифровой системы многопрограммного ТВ вещания - стандарт DVB-S, работающий в полосе частот 11/12 ГГц. Для целей спутникового телевизионного вещания выделены полосы частот в диапазонах 12, 29, 40

и85 ГГц. В диапазонах 40 ГГц и 85 ГГц выделен спектр частот шириной в 2 ГГц.

Воктябре 1996 года был принят проект Рекомендации по общим функциональным требованиям к многопрограммным системам спутникового телевизионного вещания в полосе частот 11/12 ГГц, а уже в октябре 1999г. был выработан проект новой Рекомендации, учитывающей, что в мире существуют четыре схожие по архитектуре системы: стандарт DVB-S (Система А), DSS (Система В), G1-MPEG-2 (Система С) и ISDB-S (Система D).

Система А (стандарт DVB-S ) разработана европейским консорциумом DVB Project и предназначена для доставки служб многопрограммного ТВ вещания или ТВЧ в частотных диапазонах фиксированной и радиовещательной служб (10,7:12,75 ГГц) с их непосредственным приемом на домашние интегральные приемники-декодеры, а также на приемники, подключенные к систе-

мам с SAT коллективными ТВ антеннами SMATV (Satellite Master Antenna ТВ),

исистем кабельного телевидения (СКТ) при первичном и вторичном распределениях программ ТВ вещания.

Система В (DSS) разработана в 1994 году и была первой в США системой непосредственного спутникового вещания. В 1996 году система была внедрена

ив ряде других стран региона в диапазоне частот спутников фиксированных служб диапазона 11/12 ГГц и транспондеров с полосой пропускания 24 МГц.

Система С (G1-MPEG-2) является цифровой системой непосредственного спутникового вещания, получившей широкое применение в США. В ней применено мультиплексирование цифровых сигналов ТВ и радиовещания с использованием временного разделения каналов. В функции системы включено восстанавливаемое управление доступом к информации, предоставление платных услуг по заказу и услуг по передаче данных. Предусмотрены виртуальные каналы для упрощения поиска пользователями интересующих программ и каналов вещания [9].

Система D (ISDB-S) - это семейство японских стандартов цифрового телевидения и радиовещания. Впервые данная система была запущена на территории Японии в 2003 году, а в последствии на территории Бразилии в 2007 году.

Существует два основных способа цифровой передачи SAT сигналов: - передача N сжатых цифровых сигналов на N несущих;

24

- мультиплексирование N сжатых цифровых сигналов и их передача на одной несущей.

Число программ ТВ вещания, которое можно передавать с помощью одного спутникового транспондера, зависит от требуемой скорости передачи информации, компонентного или композитного формата кодирования для источника сигнала, качества и разрешающей способности исходного изображения, критичности алгоритма сжатия к некоторым видам изображений и требуемого качества восстановленного изображения.

Достижения в области сжатия данных позволяет организовать большое количество цифровых высококачественных ТВ каналов с относительно низкими скоростями (менее 1 Мбит/с, что эквивалентно 20-25 ТВ каналов в стандартной полосе SAT канала величиной 27 МГц). Во многих случаях допустима и скорость в 400 кбит/с, что эквивалентно не менее 60 ТВ каналов с одного транспондера.

Структурная схема приемной и передающей части стандарта DVB-S показана на рисунке 2.2 [10].

На передающей стороне выполняются следующие преобразования потока данных для его адаптации к каналу:

транспортное мультиплексирование и рандомизация для дисперсии энергии;

внешнее кодирование с помощью кода Рида-Соломона (RS);

сверточное перемежение и внутреннее кодирование с использованием сверточного кода;

формирование сигнала в основной полосе частот и модуляция.

25

На стороне приема производятся обратные преобразования.

Поскольку спутниковых систем телевизионного вещания характерны ограниченная мощность передаваемого сигнала и, как следствие, повышенная чувствительность к воздействию шумов и интерференционных помех – использование квадратурной фазовой модуляции QPSK и каскадного кодирования для канала на базе укороченного кода Рида-Соломона RS и сверточного кода в сочетании с алгоритмом декодирования Витерби с мягким решением обеспечивает высокую помехоустойчивость системы в условиях воздействия шумовых и интерференционных помех. Это наглядно демонстрирует рисунок 2.3 [10].

Рис. 2.3 - Зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум

Благодаря согласованной фильтрации и прямому исправлению ошибок, высокое качество приема достигается даже в экстремальных условиях, когда уровень минимального сигнала близок к значениям, соответствующим пороговым значениям отношений несущая/шум (C/N) и несущая/интерференционная помеха (C/I ). При этом гарантируется не более одной ошибки в час.

Основным видом модуляции в стандарте DVB-S принята QPSK (в отечественной литературе именуется как 4ОФМ), хотя в отдельных случаях могут использоваться 8 PSK (8ОФМ) и даже 16 QAM (16КАМ). Параметры методов модуляции приведены в таблице 2.2.

Развитие стандарта DVB-S привело к появлению DVB-S2 - нового стандарта спутникового вещания.

27

Табл. 2.2 - Параметры методов модуляции

2.3 Стандарт спутникового телевизионного вещания DVB-S2

Второе поколение цифрового спутникового вещания DVB-S2 - это стандарт вещания цифрового телевидения, который стал преемником популярного DVB-S. DVB-S2 предназначен для вещания, включая стандартное и высокое разрешение. В данном стандарте внедрены интерактивные сервисы. Разработка DVB-S2 совпала с появлением видеокодеков HDTV и H.264 (MPEG-

4AVC).

Всистемах DVB-S2 применяются следующие методы модуляции: QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK.Сигнальные созвездия показаны на рисунке 2.4 [11].

Для вещательных приложений предусмотрены QPSK, 8PSK. Для каналов с очень низким отношением сигнал/шум рекомендуется использование QPSK модуляции в сочетании с кодовыми скоростями 1/4, 1/3 и 2/5.

Модуляция 16APSK в основном предназначена для организации магистральных линий при условии высокой линейности транспондера.

Режим 32APSK ориентирован на профессиональное применение и требует высокого отношения сигнал/шум в сочетании с внесением предискажений нелинейности транспондера на передающей стороне. Параметры методов модуляции приведены в таблице 2.3.

28

Продолжение таблицы 2.3

Широкий набор схем модуляции дает возможность более гибко подходить к параметрам канала и требованиям вещателей. Все инновации, связанные с модуляцией, как и в случае с канальным кодированием направлены на увеличение пропускной способности системы. В спутниковой системе стандарта DVB-S2 с организованным обратным каналом предусмотрен вариант адаптивного кодирования и модуляции, позволяющий использование различных параметров передачи в зависимости от изменений в канале при передаче данных.

2.3.1 Особенности стандарта DVB-S2

Адаптивное кодирование и модуляция (АСМ) является отличительной особенностью DVB-S2. Суть режима АСМ сводится к тому, что в зависимости от приема сигнала (например, наличия дождя), меняется режим работы модулятора DVB-S2, т.е. изменяются скорость кодирования (SR) и формат модуляции, вследствие чего меняется и требуемое отношение сигнал/шум у абонента. Проще говоря, режим АСМ позволяет достигать максимальной скорости цифрового потока для любых погодных условий.

30