Отличительной чертой стандартов MPEG1 и MPEG2 является их гибкость. Они могут работать с параметрами разложения 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 установленных декодерах.
Для спутникового 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;
перспективный - с возможностью одновременной обработки цветоразностных сигналов.
На рис. 2.2. показаны соответствующие этим градациям максимальные значения разрешающей способности и скорости цифрового потока.
Рис. 2.2. Уровни и профили стандарта MPEG2: ТВЧ - телевидение высокой четкости; х - сочетание не используется.
Используемые алгоритмы позволяют гибко варьировать параметры сигнала в пределах одной градации шкалы рис. 2.2. В качестве примера на рис. 2.3 приведена зависимость качества изображения от, скорости цифрового потока (информационной) в режиме «основной уровень - основной профиль», наиболее употребительном сегодня в спутниковом телевидении.
Можно рассчитать, что в спутниковом канале с пропускной способностью 20...25 Мбит/с можно передать четыре-пять программ хорошего качества, соответствующего магистральным каналам подачи программ, пли 10...12 программ с качеством, соответствующим видеомагнитофону стандарта VHS.
Рис. 2.3. Зависимость качества изображения с цифровой компрессией от скорости цифрового потока.
Составной частью в стандарты MPEG1 и MPEG2 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 психо - акустической 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.
Перед подачей в канал связи сигнал подвергается дополнительному помехоустойчивому кодированию и поступает на модулятор. Эти операции не входят в стандарт MPEG и в разных спутниковых системах могут выполняться различными способами, что лишает эти системы аппаратурной совместимости. Европейским странам удалось решить эту проблему, разработав на базе MPEG2 стандарт многопрограммного цифрового ТВ вещания DVB, нормирующий все операции на передающей стороне вплоть до подачи сигнала на вход СВЧ передатчика.
В стандарте DVB применяется каскадное помехоустойчивое кодирование. Внешний код — укороченный код Рида-Соломона (204, 188) с t = 8, обеспечивающий «безошибочный» прием (вероятность ошибки на выходе менее 10 - 10 ) при вероятности ошибки на входе менее 10 - 3. Внутренний код — сверточный с относительной скоростью 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 или 7/8 и длиной кодового ограничения К - 1, декодирование осуществляется по алгоритму Витерби с мягким решением. Вид модуляции — четырехпозиционная ФМ.
На приемной стороне декодер осуществляет все вышеописанные операции в обратном порядке, восстанавливая на выходе изображение, весьма близкое к исходному.
Основной областью использования цифрового телевидения стали системы непосредственного ТВ вещания в диапазоне 12 ГГц. В США уже функционирует первая такая система DirecTV/USSB, предоставляющая абонентам возможность приема более чем 170 ТВ программ. Производится внедрение методов цифровой обработки в европейских спутниковых системах.
Телевидение высокой четкости
Под телевидением высокой четкости (ТВЧ) понимают передачу изображения с числом строк, приблизительно вдвое превышающим показатель у существующих стандартов, и форматом кадра (отношение ширины кадра к его высоте) 16:9. Объем информации, содержащийся в каждом кадре ТВЧ изображения, возрастает в пять-шесть раз по сравнению с обычным телевидением. На ТВЧ изображении отсутствуют дефекты, свойственные принятым сегодня стандартам ТВ вещания, — недостаточная разрешающая способность, заметность поднесущей, перекрестные искажения сигналов яркости и цветности, мерцание изображения из-за недостаточно высокой частоты кадров, дрожание строк и т.д. ТВЧ обеспечивает существенное повышение качества ТВ изображения, приближая его восприятие к зрительному восприятию естественных, натуральных сцен и сюжетов. Такое радикальное улучшение качества изображения не может быть достигнуто ни модификацией существующих стандартных систем цветного ТВ, ни ТВ системами повышенного качества.
В США, Японии, европейских странах в последние пять-семь лет ведутся многочисленные разработки новых ТВ стандартов с улучшенным качеством изображения. Разработаны совместимые системы телевидения повышенного качества (ТВПК), в которых устранены наиболее характерные искажения ТВ сигнала, несколько увеличена разрешающая способность, введен формат изображения 16:9 (стандарты MAC, PAL-плюс). Эти системы нельзя отнести к ТВЧ, так как параметры разложения изображения не изменяются.
Среди систем ТВЧ с временным разделением наиболее известна и одно время даже претендовала на роль мирового стандарта японская система MUSE (Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding -кодирование с многократной субдискретизацией), предназначенная для передачи сигналов ТВЧ по спутниковому каналу с полосой 27 (24) МГц. Передача сигналов изображения в спутниковом канале осуществляется с помощью ЧМ, сигнала звукового сопровождения — методом четырехпозиционной ФМ. Основные характеристики сигнала MUSE:
Развертка...............................……… Чересстрочная с перемежением 2:1
Число строк исходного изображения .................... 1125
Частота полей, Гц .........................………............... 60
Формат изображения ..................…….................... 16:9
Разрешающая способность, пиксел:
--в канале яркости ........................…............ 1496
--в канале цветности ..................................... 374
Частота дискретизации, МГц …............................ 48,6
Полоса частот видеосигнала
по уровню — 3 дБ, МГц. ................……................8,1
Метод модуляции несущей ......…......................... ЧМ
Девиация частоты, МГц. ........……....................... 10,2
Полоса частот радиоканала, МГц ......................... 24
Необходимое отношение несущая - шум
на приеме. дБ .....................................…………...... 17
Число звуковых каналов ................………………. 2/4
Цифровая фазовая модуляция или фазовая манипуляция
Чтобы передавать данные с высокой скоростью, требуемой для цифрового спутникового ТВ, необходимо либо уменьшить число циклов на положение передаваемого сигнала, либо увеличить частоту передачи сигнала. Ясно, что увеличивать частоту передачи сигнала неразумно, поскольку существует ограничение ширины полосы пропускания канала. Существует также ограничение числа циклов, поскольку обычные демодуляторы, такие, как демодуляторы с фазовой автоподстройкой частоты, обладают ограниченной переходной характеристикой, и процесс захвата новой частоты может занять у них несколько циклов. В связи с тем, что каждую цифру необходимо передать не более, чем за один цикл, для захвата частоты просто недостаточно времени, поэтому следует признать, что применение FSK для спутникового ТВ было бы нецелесообразным, так как потребовало бы слишком широкой полосы частот. В этом случае нужно использовать цифровую систему передачи, которая позволяет увеличить скорость передачи данных без необходимости увеличения полосы частот. Сам модулирующий сигнал перед передачей можно сжать при помощи различных методов, но остается проблема, связанная с применением более эффективного метода модуляции, чем FSK (частотно фазовая манипуляция ). Таким методом может служить одночастотный вариант модуляции - цифровая фазовая модуляция, которую также называют фазовой манипуляцией (PSK). При данном методе изменяется фаза несущей, а не ее частота.
Фазовая модуляция (ФМ) имеет близкое отношение к частотной и хорошо подходит для многопозиционной цифровой передачи сигнала. Как и при ЧМ, анализ спектра является достаточно сложным и оба спектра оказываются похожими. Основной процесс фазовой манипуляции показан на рис. 2.4,а. Фаза несущей изменяется по цифровому сигналу сообщения. В данном примере сигнал двоичного 0 передается в качестве сигнала о сдвиге фазы несущей на 0°, а сигнал двоичной 1 представляет сдвиг фазы на 180°. Сдвиг фазы несущей на 180° можно осуществить путем ее умножения на -1 (инверсии). Поэтому если в сигнале сообщения для изменения бинарных положений 1 и 0 в положения -1 и +1 используется преобразование с отрицательной логикой, то двухфазовая PSK может осуществляться при помощи простого умножителя, как это показано на рис. 2.5,а. Изменение фазы, происходящее под воздействием сигнала сообщения, называется девиацией фазы, и ее величина может меняться при изменении чувствительности (крутизны характеристики) модулятора. В принципе,
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
