Телевидение на пути к цифровым стандартам

Бесплатно!

Лекция №5 «Телевидение на пути к цифровым стандартам.»

1. Общие характеристики цифровых систем вещательного телевидения

В настоящее время во многих странах мира осуществляется переход от аналоговых систем телевизионного вещания к цифровым системам.

Цифровые системы телевизионного вещания позволяют:

– улучшить качество воспроизведения изображений на экранах телевизионных приемников,

– увеличить число передаваемых телевизионных программ в частотных диапазонах, выделенных для телевизионного вещания,

– создать технические средства для электронного производства фильмов,

– интегрировать средства мультимедиа и телевизионного вещания,

– создать в будущем персональные средства производства телевизионных программ.

В Российской Федерации осуществляется опытное цифровое телевизионное вещание в Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и завершаются работы по стандартизации в области цифрового телевизионного вещания.

Цифровым телевидением называется метод передачи цветных изображений движущихся объектов и сопутствующих звуковых сигналов на расстояние посредством преобразования оптического изображения и звука в электрические сигналы, аналого-цифрового преобразования электрических сигналов изображения и звука, обработки, записи и передачи цифровых сигналов изображения и звука по каналам связи и воспроизведения изображений и звуковых сигналов. Совокупность устройств для обеспечения данного метода передачи изображений и звуковых сигналов будем называть цифровой телевизионной системой. Цифровая телевизионная система, стандартизованная для целей телевизионного вещания, образует цифровую систему вещательного телевидения.

В цифровых системах вещательного телевидения формирование и обработка сигналов изображения и звука телевизионных программ производится цифровыми методами, передача и распределение телевизионных программ осуществляется по цифровым каналам связи, обработка телевизионных сигналов в телевизионном приемнике также выполняется в цифровом виде.

При преобразовании сигналов изображения и звука цифровой системы вещательного телевидения можно выделить на три основных этапа:

1) преобразование сигналов изображения и звука при формировании телевизионных программ,

2) преобразование сигналов изображения и звука при передаче по цифровому каналу связи,

3) преобразование сигналов изображения и звука при воспроизведении изображения и звука.

Главными преимуществами цифровой передачи телевизионных сигналов являются:

1) повышение качества воспроизведения телевизионных изображений у зрителя, которое достигается передачей цифровых телевизионных сигналов без искажений;

2) использование методов существенного сокращения цифрового потока передаваемой информации за счет пространственно-временной статистической избыточности телевизионных сигналов и передачи четырех или более телевизионных программ в частотном канале, занимаемом одной аналоговой телевизионной программой;

3) использование соседних частотных телевизионных каналов для передачи телевизионных программ;

4) возможность регенерации цифровых телевизионных сигналов в процессе их передачи по каналам связи практически без искажения передаваемой информации;

5) расширение функциональных возможностей обработки телевизионных сигналов;

6) возможность защиты цифровых телевизионных сигналов от помех, возникающих в канале связи, использованием специальных методов кодирования цифровой информации;

7) возможность гибкой интеграции цифровой телевизионной аппаратуры с другими цифровыми устройствами, компьютерами и другими цифровыми информационными системами;

8) защита передаваемой информации от несанкционированного доступа;

9) постоянное уменьшение со временем стоимости цифровой аппаратуры за счет использования микросхемотехники с большой степенью интеграции.

Цифровая форма представления сигналов изображения и звука вызывает небольшое различие некоторых основных параметров аналоговых и цифровых телевизионных систем одного стандарта разложения.

Телевизионная система высокой четкости Японии MUSE и телевизионная система высокой четкости Европейского союза HD-MAC являются спутниковыми системами вещания с аналоговой передачей и временным уплотнением сигналов яркости и цветности.

Существуют две стратегии при внедрении цифровых систем в практику телевизионного вещания, которые зависят от экономического уровня потребительского рынка. В странах Европейского союза вводится цифровая система стандартной четкости DVB, имеющая три модификации, отличающиеся видом модуляции при передаче цифровых сигналов по различным каналам связи:

– спутниковая цифровая система вещания – DVB-S;

– кабельная цифровая система – DVB-C;

– наземная цифровая система – DVB-T.

На следующем этапе планируется переход к телевизионному вещанию высокой четкости HDTV. В США и Японии в практику цифрового телевизионного вещания уже на первом этапе вводятся цифровые телевизионные системы высокой четкости ATSC (США) и ISDB (Япония), таблица 1.2.

Основные отличия цифровых вещательных систем от аналоговых вещательных систем заключаются в следующем. В цифровых системах телевизионного вещания используется временное уплотнение компонентных сигналов яркости E‘Y и цветоразностных сигналов E‘B-Y и E‘R-Y. Такой метод передачи устраняет перекрестные искажения типа «яркость ‑ цветность» и «цветность ‑ яркость», свойственные частотному уплотнению сигналов в аналоговых телевизионных системах. Полоса частот для передачи компонентных цветоразностных сигналов увеличена в два раза по сравнению с аналоговыми телевизионными сигналами и составляет половину полосы частот, отведенной для передачи яркостного сигнала (fR-Y/B-Y = fY/2). При воспроизведении изображений, полученных с применением цифровой рир-проекции, в этом случае не содержится искажений, обусловленных ограниченной полосой цветоразностных сигналов. В цифровых вещательных системах унифицирована дискретная структура активной части кадра изображения.

Принята ортогональная, периодическая по строкам и кадрам структура отсчетов, причем число активных строк и число активных элементов в строке кратно 16 (576 ´ 704 в DVB и 1080 ´ 1920 в ATSC и ISDB). Данное ограничение обусловлено тем, что в цифровых системах применяется блочное кодирования сигналов изображения для сокращения цифрового потока, причем блок содержит 8 ´ 8 элементов изображения, а четыре блока объединяются в макроблок с числом элементов изображение 16 ´ 16.

2. Методы сжатия цифровых потоков

С целью передачи цифровых телевизионных программ по телевизионным каналам, выделенным для аналогового вещательного телевидения, необходимо сжатие цифрового потока. Ширина полосы пропускания одного аналогового телевизионного канала составляет 8 МГц. Следовательно, при скорости передачи 1 бит/Гц необходимо сжатие цифрового потока со скоростью передачи 270 Мбит/с примерно в 35 –40 раз. Такое сокращение скорости цифрового потока возможно при использовании физиологической и статистической избыточности сигналов изображения. Физиологическая избыточность возникает вследствие несоответствия характеристик зрительной системы человека и характеристик телевизионной системы. Примером такой избыточности является повышенная разрешающая способность телевизионной аналоговой системы в диагональных пространственных направлениях. Она примерно в 1,4 раза больше разрешающей способности в продольном и поперечном направлениях, в то время как разрешающая способность зрительной системы примерно в 1,4 раза меньше в диагональном направлении. Однако использование имеющейся физиологической избыточности не позволяет получить существенное сокращение цифрового потока, так как она уже учитывалась при стандартизации параметров вещательных телевизионных систем. Существенно большее сокращение цифрового потока достигается при использовании пространственно-временной статистической избыточности передаваемых изображений. Она проявляется в корреляции соседних выборок телевизионного сигнала вдоль телевизионной строки, кратных времени передачи одного элемента изображения, в корреляции соседних выборок телевизионного сигнала в поперечном направлении, кратных времени передачи одной строки при построчном разложении и поля при чересстрочном разложении, а также в корреляции выборок в соседних кадрах изображения. Коэффициент корреляции соседних элементов строки равен 0,97, элементов в соседних строках одного кадра – 0,95, элементов в соседних строках одного поля – 0,90, элементов в смежных кадрах ‑ 0,92.

Методы сжатия цифрового потока обычно разделяют на две группы:

1) методы сжатия без потерь, которые основываются на статистическом энтропийном кодировании, например, по Хаффману;

Метод сжатия без потерь применяется в тех случаях, когда при восстановлении цифрового потока не допускаются потери информации, например, при передаче медицинской информации. Степень сжатия цифрового потока в этом методе зависит от структуры передаваемой информации, и она относительно невелика.

2) методы сжатия с некоторыми допустимыми потерями, к числу которых относятся метод сжатия с использованием дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) и дискретного косинусного преобразования Фурье, субполосный метод сжатия, частным случаем которого можно считать вейвлетный метод сжатия, и фрактальный метод сжатия.

Субполосный, вейвлетный и фрактальный методы могут осуществить большую степень сжатия цифрового потока (до 200), но при достаточно больших потерях информации, которые в вещательных телевизионных системах недопустимы. Поэтому в цифровых телевизионных системах стандартизован гибридный метод сжатия на основе дискретного косинусного преобразования Фурье и дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, который также включает в себя кодирование серией символов переменой длины, статистическое энтропийное кодирование по Хаффману. Стандарт цифровых телевизионных систем пониженной четкости для мультимедийных приложений ISO/IEC 11172 был разработан рабочей группой MPEG и известен также как MPEG1. Для цифровых телевизионных систем стандартной и высокой четкости принят стандарт ISO/IEC 13818 (MPEG2).

3. Цифровые телевизионные системы

Передача цифровых телевизионных сигналов осуществляется по спутниковым, кабельным и наземным каналам связи, выделенным для телевизионного вещания. Наибольшее развитие получили спутниковые каналы связи, которые обеспечивают передачу 4-6 цифровых телевизионных программ в одном транспондере и позволяют создать цифровые сети распределения вещательных программ цифрового телевидения на обширной территории Российской Федерации. Для целей непосредственного телевизионного вещания в районе 1 (Европа, территория бывшего СССР и Африка) всемирного распределения частот WACR телерадиовещательной спутниковой связи (РВВС) выделен диапазон частот при передаче «космос – земля» 11,7 – 12,5 ГГц и фиксированной спутниковой связи (ФСС) выделены диапазоны 3,4 – 4,2 ГГц; 10,7 – 11,7 ГГц; 12,5 – 12,75 ГГц. Возможность организации спутникового телевизионного вещания в других диапазонах изучается. Проект обновления российской спутниковой группировки предусматривает ввод в эксплуатацию в 2001‑2005 году семи новых спутников серии «Экспресс-А» и «Экспрес-АМ» для мультисервисных услуг и телерадиовещания со сроком активного существования на орбите 10‑12 лет, что позволит ввести в эксплуатацию 176 новых транспондеров, которые обеспечат потребности России в спутниковой связи.

В кабельных телевизионных каналах применяется электрическая и оптиковолоконная связь. Электрические кабельные линии связи используют диапазон метровых и дециметровых волн, выделенных для телевизионного вещания (48,5 – 790 МГц). Оптиковолоконные линии связи осуществляют передачу телевизионных цифровых программ на длинах волн l = 1,35 мкм или l = 1,85 мкм. Наземные каналы связи для передачи и распределения цифровых телевизионных программ используют диапазон дециметровых волн 470‑790 МГц, а также диапазон 2500 ‑ 2700 МГц и 20,5 ‑ 23,0 ГГц. Радиорелейные линии связи работают в диапазоне частот свыше 1 ГГц. Цифровые телевизионные программы могут передаваться по организованным и по магистральным цифровым каналам связи. В европейских странах принята иерархия в интегральной цифровой сети связи, которая образована из цифровых телефонных каналов со скоростью 64 кбит/с и имеет первичный цифровой поток 2,048 Мбит/с. Четыре первичных цифровых потока образуют вторичный цифровой поток 8,448 Мбит/с. Более высокие уровни цифровой иерархии имеют скорости цифровых потоков 34,368 Мбит/c, 139,264 Мбит/с, 565, 148 Мбит/c. Допускается использовать для передачи также кратные скорости передачи. Целесообразно в рамках данных потоков производить передачу транспортных цифровых потоков телевизионных программ.

В цифровых спутниковых, кабельных и наземных каналах связи применяются специальные виды манипуляции для передачи цифровых телевизионных сигналов:

– ортогональная фазовая манипуляция (модуляция) 4-ОФМ,

– квадратурная амплитудная манипуляция 16-КАМ, 32-КАМ, 54-КАМ,

– ортогональное мультиплексирование манипулированных несущих.

В настоящее время существуют следующие методы кодирования. Они разбиты на две группы. В первую группу входят блоковые коды. Вторая группа образована сверточными кодами. Блоковые коды хорошо согласуются с пакетным представлением информации в транспортном цифровом потоке.

С целью упрощения техники кодирования и декодирования в цифровом телевидении применяются блочные циклические коды, в частности коды Хэмминга, коды Боуза, Чоудхури, Хэквиема (БЧХ) и их разновидность коды Рида – Соломона.

Спутниковые цифровые телевизионные системы

Спутниковые каналы передачи цифровых телевизионных сигналов характеризуются тем, что отношение сигнала к шуму в радиоканале может быть достаточно низким вследствие удаленности геостационарного спутникового ретранслятора от точки приема (свыше 36 000 км) относительно малого диаметра приемной антенны и недостаточной чувствительности приемника, в особенности на границе зоны уверенного приема. Отношение сигнала к шуму на несущей может составлять менее 10 дБ. В то же время при спутниковом приеме отсутствуют отраженные эхо-сигналы, которые наблюдаются в спутниковых и наземных каналах связи, так как прием осуществляется на узконаправленную антенну. По этим причинам, а также в связи с тем, что аналоговые спутниковые каналы используют частотную модуляцию, в спутниковых каналах для передачи цифровых телевизионных сигналов используется относительная фазовая манипуляция, требующая для передачи меньшего отношения сигнала к шумам.

В спутниковом ТВ вещании используются вещательные системы передачи композитных аналоговых телевизионных сигналов NTSC, PAL, SECAM, B-MAC, D2-MAC, HD-MAC, MUSE и следующие цифровые системы:

– цифровая система спутникового телевизионного вещания стандартной четкости DVB-S Европейского Союза (Район 1);

– цифровая система спутникового телевизионного вещания стандартной четкости DSS США (Район 2);

– цифровая система спутникового телевизионного вещания стандартной четкости DBS США (Район 2).

Параметры излучаемого сигнала цифровой системы вещательного телевидения DVB-S представлены в табл. 1.3.

Цифровая система телевизионного вещания DVB-S используется для спутникового вещания в странах Европейского Союза, США и других странах.

Цифровая система спутникового телевизионного вещания DSS
Цифровая система ТВ вещания DSS разработана фирмой Хьюгс Электроник Корпорейшн и является наиболее распространенной цифровой спутниковой системой телевизионного вещания США. Она использует три спутника, расположенные на 101 западной долготы. Каждый спутник использует либо 16 активных транспондеров по 120 Вт каждый, либо 8 активных транспондеров по 240 Вт. Внутреннее кодирование системы адаптируется к выбранному режиму использования транспондера. Основные параметры системы DSS в табл. 1.4.

Кабельные цифровые телевизионные системы

Передача цифровых телевизионных сигналов по кабелю имеет следующие особенности. Кабельные каналы имеют достаточно высокое отношение сигнала к шуму (свыше 30 Дб). Однако в кабельном канале наблюдаются отраженные эхо-сигналы вследствие несогласованности импедансов в кабельных сетях. Для передачи цифровых телевизионных сигналов в кабельных каналах применяется многоуровневая квадратурная модуляция более высокого уровня 16КАМ, 32КАМ, 64КАМ и, возможно, в будущем 256КАМ.

Наземные цифровые телевизионные системы

Цифровая система наземного ТВ вещания DVB-T

Цифровая система ТВ вещания DVB-T предназначена для передачи транспортного цифрового потока по каналам наземного вещания в диапазоне метровых и дециметровых волн.

Цифровая система наземного ТВ вещания высокой четкости ATSC

В цифровой системе наземного ТВ вещания высокой четкости ATSC для передачи цифрового транспортного потока используется амплитудная модуляция с подавленной боковой полосой. Длина пакета транспортного потока после канального кодирования составляет 208 байт и включает 20 проверочных байт. Стандарт разложения может изменяться.

Цифровая система наземного ТВ вещания высокой четкости ISDB-Т

Цифровая система наземного ТВ вещания ISDB-Т разработана в Японии и представляет собой интегрированную систему ТВ вещания высокой и стандартной четкости с параметрами разложения, аналогичными системе ATSC. Отличие системы ISDB от системы ATSC состоит в том, что в ней используется для передачи сигналов изображения и звука мультиплексирование несущих с ортогональным частотным разделением с режимами передачи 2k, 4k, 8k. Допускается использование следующих видов модуляции: ОФМ, 16КАМ, 64КАМ, а также дифференциальной ОФМ. Последний вид модуляции обладает хорошей помехозащищенностью. В отличие от системы DVB-T передача сигналов изображения и звука передается 13 сегментами. Сегменты организованы таким образом, что могут передаваться различные комбинации телевизионных программ высокой и стандартной четкости, а также радиовещательных программ. Относительные скорости цифрового потока изменяются прореживанием сверточного кода в соотношениях ½, 2/3, ¾, 5/6, 7/8. Длительность пакета транспортного потока, защищенного от помех кодом Рида – Соломона, составляет 204 (188, 16) байт. Относительная длительность защитного интервала составляет ¼; 1/8; 1/16; 1/32. Излучаемый сигнал располагается в полосе пропускания, которая зависит от используемого канала связи (6,0 МГц; 7,0 МГц; 8,0 МГц).

Системы цифрового телевидения интенсивно развиваются. Совершенствуются методы сжатия цифрового потока. Вводятся новые спутниковые, кабельные и наземные цифровые каналы. Уменьшается стоимость цифровых приставок к стандартному вещательному телевизионному приемнику.

Детали:

Тип работы: Конспект, Лекции

Предмет: Физика

Svg Vector Icons : http://www.onlinewebfonts.com/icon Из сборника: Лекции по мобильной связи

Год написания: 2010

Добавить комментарий

Ваш email не будет показан.

Получать новые комментарии по электронной почте. Вы можете подписаться без комментирования.