referat (Спутниковое телевидение), страница 3

Еще один вид обработки, нашедший применение только в спутниковых системах вещания, - введение в состав ТВ сигнала на передающей стороне дополнительного низкочастотного модулирующего сигнала, обеспечивающего более равномерное рассеяние (дисперсию) энергии ТВ сигнала в полосе частот ствола с целью уменьшения помех другим системам связи, в первую очередь радиорелейным линиям. В связи с совместным использованием некоторых диапазонов частот (например, 4 и 11 ГГц) спутниковыми и радиорелейными системами в Регламенте радиосвязи установлены предельные нормы спектральной плотности потока мощности спутникового сигнала на единицу полосы (обычно 4 кГц) для разных углов прихода сигнала. При неблагоприятных сюжетах изображение (равномерно освещенное поле) почти вся мощность сигнала может сосредоточиться в узкой полосе частот и привести к многократному превышению указанной нормы. Добавление сигнала пилообразной или треугольной формы частотой от единиц герц до десятков килогерц позволяет добиться эффективного рассеяния независимо от сюжета. Девиация несущей сигналом дисперсии зависит от требуемой степени рассеяния и выбирается равной от 600 кГц (рекомендация МККР для всех спутниковых ТВ систем) до 4 МГц (в системе "Москва").

Исключение сигнала дисперсии на приеме достигается применением схем фиксации уровня видеосигнала: при девиации более 1 МГц дополнительно используются специальные следящие устройства.Сигнал звукового сопровождения телевидения в традиционных системах с ЧМ передается обычно совместно с сигналом изображения на поднесущей частоте, расположенной выше его спектра. Для достижения необходимой помехозащищенности передача осуществляется методом частотной модуляции поднесущей, причем девиацию частоты поднесущей выбирают, как правило, большей, чем в наземном телевидении - до 100 и даже 150 кГц. Значение поднесущей также выше и составляет 7,0...7,5 МГц при полосе видеосигнала 6 МГц, 5,8...6,8 МГц при полосе 5 МГц и 5...6 МГц при полосе 4,2 МГц, что позволяет уменьшить переходные помехи из канала изображения в канал звукового сопровождения и облегчить требования к фильтрации сигналов.

При необходимости передачи совместно с сигналом изображения более чем одного звукового сигнала (звуковое вещание, звуковое сопровождение на иностранных языках, стереозвук) используется несколько поднесущпх частот, расположенных выше спектра видеосигнала. Их число ограничено возникновением перекрестных помех и ухудшением качества ТВ изображения из-за уменьшения доли девиации несущей, приходящейся на видеосигнал. Практически с удовлетворительным качеством удается передать два-четыре дополнительных сигнала. Например, в спутниковых ТВ каналах, организованных через европейские ИСЗ Eutelsat II и Astra наряду с основным каналом звукового сопровождения сформированы еще до четырех высококачественных звуковых каналов, используемых для передачи монофонических или стереофонических программ. Передача ведется методом ЧМ на поднесущих частотах 7,02, 7,20, 7,38, 7,56 МГц звуковой сигнал подвергается адаптивным предыскажениям и компандированию (система Wegener Panda 1).

Компандирование применяется для повышения помехоустойчивости передачи звуковых сигналов. Оно подразумевает сжатие динамического диапазона передаваемого сигнала в соответствии с изменением огибающей звукового сигнала и восстановление исходного динамического диапазона на приеме. Различают "управляемые" компандеры, в которых информация об исходном динамическом диапазоне передается в отдельном канале управления, и "неуправляемые", в которых эта информация содержится в передаваемом сигнале.

Выигрыш в помехозащищенности благодаря компандированию достигает в среднем 12...13 дБ при наличии сигнала и по 20 дБ паузе сигнала. Управляемый компандер применялся в отечественных системах "Экран" и "Москва", неуправляемый - в системе "Москва - Глобальная".

Более эффективным энергетически и свободным от перекрестных помех способом передачи нескольких звуковых сигналов является передача на поднесущей в дискретной форме. Сигналы отдельных каналов преобразуются в цифровую форму и объединяются (мультиплексируются) в общий цифровой поток, который модулирует по фазе поднесущую частоту, расположенную выше спектра видеосигнала. Этот способ, например, используется в японской системе НТВ ВS-3. Поднесущая 5,73 МГц модулируется цифровым потоком со скоростью 2,048 Мбит/с, содержащим ИКМ звуковые сигналы, импульсы коррекции ошибок, контрольные импульсы. В системе образуются либо четыре звуковых канала с полосой 15 кГц, либо два канала очень высокого (студийного) качества с полосой 20 кГц.

Давно известен и применяется способ передачи звуковых сигналов в спектре видеосигнала с разделением их во времени - в интервале обратного хода луча или в свободных строках. Рассматриваемый способ применялся в системе "Орбита", в которой с помощью широтно-импульсной модуляции обеспечивалось формирование одного канала с полосой 10 кГц или двух каналов с полосой 6 кГц. Современный уровень дискретной схемотехники позволяет существенно увеличить пропускную способность метода. Эти возможности реализованы в стандарте МАС.

ТВ сигнал с временным разделением компонентов

В системах типа МАС аналоговые сигналы яркости и цветности сжимаются во времени и передаются поочередно, что позволяет избежать перекрестных искажений сигналов яркости и цветности, снизить шумы в канале цветности благодаря переводу его в область низких частот, повысить разрешающую способность изображения за счет более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности. Сжатие аналогового сигнала осуществляется стробированием сигнала с некоторой тактовой частотой, преобразованием отсчетов в цифровую форму, накоплением их в буферной памяти, ускоренным считыванием с новой, более высокой тактовой частотой и обратным преобразованием в аналоговую форму.

Звуковые сигналы преобразуются в цифровую форму и передаются в интервале обратного хода луча. Высшая частота в спектре звукового сигнала составляет 15 кГц частота стробирования выбрана равной 32 кГц. В зависимости от требований к качеству звучания используется линейное аналого-цифровое преобразование с точностью 14 бит/отсчет либо почти мгновенное компандирование с точностью 10 бит/отсчет, помехоустойчивое двухуровневое кодирование обеспечивает эффективную защиту от ошибок. Скорость цифрового потока в разных вариантах составляет от 352 до 608 Кбит/с.

Для каналов с цифровой передачей звука рекомендовано использовать предыскажающие контуры с характеристикой, соответствующей Рек. J17 МККТТ, либо так называемой характеристикой "50/15 мкс". Считается, что предыскажения уменьшают субъективное восприятие шумов квантования и предотвращают ухудшение качества при низких отношениях сигнал/шум.

Сформированные тем или иным способом цифровые сигналы отдельных каналов, импульсы синхронизации, коррекции ошибок и другие дискретные сигналы сводятся в общий цифровой поток. Передача этого цифрового потока совместно с сигналом изображения в системах типа МАС может осуществляться одним из трех способов:

1. с разделением по частоте, как в японской системе ВS-3 (система А);

2. с разделением по времени на видеочастоте (система В);

3. с разделением по времени на несущей частоте (система С).

Первая буква, входящая в полное обозначение стандарта семейства МАС (например, С-МАС/packet), как раз и означает способ передачи цифрового сигнала.

В системе А, как уже отмечалось выше, без заметного ухудшения качества изображения удается передать цифровой поток со скоростью 1,5…2 Мбит/с, что соответствует трем-четырем высококачественным каналам. В системе В скорость передачи не превышает 1,5...1,6 Мбит/с, что позволяет организовать два четыре канала с ИКМ или до шести каналов с АДМ. Наилучшие результаты получаются в системе С при фазовой манипуляции несущей частоты ч интервале гасящего импульса. Средняя скорость передачи в этом случае достигает 3 Мбит/с, а пропускная способность в зависимости от способа кодирования составляет от четырех до восьми звуковых программ. Объединение цифровых потоков отдельных каналов в стандарте С-МАС осуществляется методом пакетного мультиплексирования, что отражено в полном названии стандарта: С-МАС/packet". Пакет представляет собой набор данных объемом 751 бит и содержит головную часть с адресом пакета (23 бита) и область полезных данных (91 байт).

Для сопряжения по полосе частот видеосигнала с сетями кабельного телевидения разработаны стандарты D-МАС и D2-МАС В стандарте D-МАС/packet" бинарный (двоичный) цифровой поток преобразуется в дуобинарный (трехуровневый), в котором, логическому 0 соответствует импульс нулевой амплитуды, а логической 1 - импульс положительной или отрицательной полярности Объединение видеосигнала и дискретной последовательности осуществляется по видеочастоте, как в системах типа В. Дальнейшее снижение занимаемой цифровым сигналом полосы частот в стандарте D2-МАС достигается снижением вдвое скорости цифрового потока н соответственно пропускной способности до двух-четырех туковых сигналов вместо четырех-восьми в D-МАС.

Появление в последнее время стандартов цифрового сжатия привело к тому, что стандарт D/D2-МAC/packet утратил свою роль преимущественного метода передачи в диапазоне 11,7...12,5 ГГц и вступает ее цифровым методам. В этом стандарте пока еще работают несколько спутниковых систем Франции и Скандинавских стран, передаются отдельные программы Голландии Бельгии. Великобритании, но область его применения заметно сокращается.

Передача ТВ сигналов в цифровой форме со сжатием

Создание эффективного алгоритма цифровой обработки ТВ сигнала стало возможным на основе достижений теории зрения и техники сверхбольших интегральных схем (СБИС). Алгоритм, положенный в основу стандартов MPEG включает определенный базовый набор последовательных процедур.

В качестве исходного используется компонентный ТВ сигнал RGB, затем он матрицируется в сигнал YUV; дискретизация, как и в цифровом стандарте "4:2:2" осуществляется с тактовыми частотами 13,5 МГц для сигнала яркости и 6,76 МГц для цветоразностных сигналов. На этапе предварительной обработки удаляется информация, затрудняющая кодирование, но несущественная с точки зрения качества изображения Обычно используется комбинация пространственной и временной нелинейной фильтрации.

Основная компрессия достигается благодаря устранению избыточности ТВ сигнала. Различают три вида избыточности - временную (два последовательных кадра изображения мало отличаются один от другого), пространственную (значительную часть изображения составляют однотонные одинаково окрашенные участки) и амплитудную (чувствительность глаза неодинакова к светлым и темным элементам изображения).

Временная избыточность устраняется передачей вместо кадра изображения его отличий от предыдущего кадра. Простое вычитание кадров было значительно усовершенствовано, когда заметили, что большая часть изменений, появляющаяся на изображении, может быть интерпретирована как смещение малых областей изображения. Разбив изображение на небольшие блоки (16х16 элементов) и определив их расположение в предыдущем кадре, можно для каждого блока найти набор параметров, показывающий направление и значение его смещения. Этот набор называют вектором движения, а всю операцию - предсказанием с компенсацией движения. По каналу связи передаются только вектор движения и относительно небольшая разность между текущим и предсказанным блоком. На этом этапе устраняется пространственная избыточность - разностный сигнал подвергается преобразованию из пространственной в частотную область, осуществляемому с помощью двумерного дискретно-косинусного преобразования (ДКП). ДКП преобразует блок изображения из фиксированного числа элементов в равное число коэффициентов. Это дает два преимущества. Во-первых, в частотной области энергия сигнала концентрируется в относительно узкой полосе частот (обычно на НЧ) и для передачи несущественных коэффициентов достаточно небольшого числа битов. Во-вторых, разложение в частотной области максимально отражает физиологические особенности зрения.

Следующий этап обработки заключается в адаптивном квантовании полученных коэффициентов. Набор коэффициентов каждого блока рассматривается как вектор, и процедура квантования производится над набором в целом (векторное квантование). Оценка показывает, что описанная процедура сжатия близка к теоретическому пределу сжатия информации по Шеннону.

Амплитудная избыточность исходного сигнала устраняется на этапе кодирования сообщения перед подачей его в канал связи. Не все значения вектора движения и коэффициентов блока равновероятны, поэтому применяется статистическое кодирование с переменной длиной кодового слова. Наиболее короткие слова присваиваются событиям с наибольшей вероятностью. Дополнительная компрессия достигается кодированием в виде самостоятельного символа групп нулей.Отличительной чертой стандартов MPEG1 и MPEG2 является их гибкость. Они могут работать с параметрами разложение изображения 525 строк при 30 кадрах в секунду и 625 строк при 25 кадрах в секунду, пригодны для форматов изображения 4:3, 16:9 и др., допускают усовершенствование кодера без изменений в уже остановленных декодерах.

Для спутниковою телевидения более перспективным, безусловно, является MPEG2, рассчитанный на обработку входного сигнала с чересстрочной разверткой и различными скоростями цифрового потока (4...10 Мбит/с и более), каждой из которых соответствует определенная разрешающая способность. По этому параметру в стандарте определены четыре уровня: низкий (на уровне бытового видеомагнитофона), основной (студийное качество), телевидение повышенной четкости с 1440 элементами на строку и полное ТВЧ с 1920 элементами. По сложности используемого алгоритма обработки стандарт содержит четыре профиля: простой - согласно вышеописанному алгоритму; основной - с добавлением двунаправленного предсказания; улучшенный основной - с улучшением либо отношения сигнал/шум, либо пространственного разрешения и перспективный - с возможностью одновременной обработки цветоразностных сигналов.

Можно рассчитать, что в спутниковом канале с пропускной способностью 20...25 Мбит/г можно передать четыре-пять программ хорошего качества, соответствующего магистральным каналам подачи программ, или 10. .12 программ с качеством, соответствующим видеомагнитофону стандарта VHS.

Составной частью в стандарты МРЕG1 и МРЕG2 входят алгоритмы передачи звуковых сигналов с цифровой компрессией, позволяющие уменьшить скорость цифрового потока в шесть-восемь раз без субъективного ухудшения качества звучания. Один из широко используемых методов получил название MUSICAM.

Исходным сигналом является ИКМ последовательность, полученная стробированием исходного звукового сигнала с тактовой частотой 48 кГц и преобразованием в цифровую форму с точностью 16 бит/отсчет. Признано, что такой цифровой сигнал соответствует качеству звучания компакт-диска (CD-quality). Для эффективного использования спектра необходимо снизить максимальную скорость цифрового потока. Новая техника кодирования использует свойства человеческого восприятия звука, связанные со спектральным и временным маскированием. Шумы квантования динамически приспосабливаются к порогу маскирования, и в канале передаются только те детали звучания, которые могут быть восприняты слушателем. Эта идея реализуется в кодере. Здесь с помощью блока фильтров происходит разделение сигнала на 32 парциальных сигнала, которые квантуются в соответствии с управляющими сигналами психоакустической модели человеческого слуха, использующей оценку порога маскирования для формирования этих управляющих сигналов. На выходе кодера из парциальных отсчетов формируется набор кодовых слов, объединяемый далее в кадр заданной длительности. Выходная скорость кодера в зависимости от требований качества и числа программ в канале может составлять 32, 48, 56. 64, 80, 96, 112, 128, 160 или 192 Кбит/с на монопрограмму. Скорость 32 Кбит/с соответствует обычному речевому каналу, 48 Кбит/с - наземному AM вещанию. При скорости 256 Кбит/с на стереопару не только обеспечивается качество компакт-диска, но и имеется значительный запас на последующую обработку.

Системная часть стандарта MPEG2 описывает объединение в единый цифровой поток отдельных потоков изображения, звука, синхронизации, данных одной или нескольких программ. Для передачи в среде с помехами формируется "транспортный" поток, включающий средства для предотвращения ошибок и обнаружения утерянных пакетов. Он содержит пакеты фиксированной длины (188 байт), содержащие стартовый байт, префикс (3 байта) и область полезных данных.