Цифровое ТВ и стандарты ТВ вещания

В развитии систем связи, ТВ и передачи данных за последние годы произошел переход от аналоговых систем к цифровому вещанию. Самый большой качественный скачок был сделан в развитии телевидения вследствие освоения цифровых методов обработки и передачи видеосигнала. Возрастающие требования к качеству телевизионного вещания (ТВ) и расширению функциональных возможностей систем прикладного телевидения приводят к необходимости использования цифровых методов при формировании, консервации и приёме ТВ сигналов.

Преимущества цифровых методов передачи ТВ сигналов по сравнению с аналоговыми заключаются в следующем:

- возможность широкого применения электронных запоминающих устройств, причём качество цифровых сигналов почти не зависит от времени их хранения;

- отношение сигнал-шум почти не зависит от числа выполняемых с цифровыми ТВ сигналами операций;

- выходной сигнал цифровых ТВ трактов не зависит от стабильности их коэффициентов усиления;

- в значительно меньшей степени проявляются нелинейные искажения;

- возможность применения методов электронно-вычислительной техники при кодировании, преобразовании и анализе ТВ изображения.

Однако без использования специальных процедур сжатия цифровой информации требуется существенное повышение пропускной способности каналов связи, увеличение емкости запоминающих устройств, а также применение сверхбыстродействующих устройств цифровой обработки.

Используемые в телевещании три канала связи – спутниковый, кабельный и наземный – существенно отличаются по характеру помех действующих в каналах вещания. Поскольку разработка новых цифровых стандартов базировалась на аналоговых системах ТВ, исходя из принципа совместимости, то необходимо рассмотреть основные характеристики стандартов аналогового ТВ.

Стандартом ТВ сигнала называют совокупность определяющих его основных характеристик, таких как способ разложения изображения, число строк и кадров, длительность и форма синхронизирующих и гасящих импульсов, полярность сигнала, разнос между несущими частотами изображения и звукового сопровождения и метод модуляции последней, параметры предыскажаюшей цепи звукового сигнала.

Для цветного телевидения добавляется метод передачи сигналов

цветности совместно с сигналом яркости. Для черно-белого телевидения в различных странах существует 10 стандартов, которые принято обозначать латинскими буквами В, D, G, Н, I, К, К1, L, М, N.

Независимо от стандарта общим принципом формирования изображения является принцип разбиения изображения на отдельные элементы и поэлементной передачи всего изображения в виде совокупности строк и кадров ( телевизионного растра.)

По способу передачи сигналов цветности различают три стандарта цветного телевидения: SЕСАМ, NTSC и РАL. Каждая из трех систем может применяться с любым из 10 стандартов черно-белого ТВ вещания, давая 30 возможных комбинаций. На практике применяются девять разновидностей РАL, шесть - SЕСАМ и один стандарт из группы NТSС.

Стандарты аналогового ТВ:

NTSC (National Television Standards Committee). Эта система была разработана в США и принята для вещания в 1953 г. Стандарт обеспечивает разрешение в 525 строк, обновляется с частотой 30 кадров в секунду (вернее, 60 полукадров (полей) с учетом чересстрочной развертки). Основной недостаток NTSC — высокая чувствительность к искажениям сигнала на уровне канала передачи. В настоящее время этот стандарт используется в большинстве стран Северной и Южной Америки и некоторых азиатских государствах.

PAL (Phase Alternation Line) — используемый практически во всем мире стандарт, принятый в 1967 г. Его главное преимущество перед американской разработкой — высокая стабильность информации об оттенке изображения. Сигнал имеет разрешение 625 строк при 25 кадрах в секунду (50 полей).

SECAM (Sequential Color With Memor) начали использовать в некоторых странах с 1969 г. Этот стандарт, как и PAL, имеет большое вертикальное разрешение (625 строк). При этом передача двух цветоразностных сигналов производится последовательно, а сигнал яркости — непрерывно, что позволяет получать устойчивый оттенок и стабильную насыщенность изображения.

Общую структуру ТВ сигнала рассмотрим на примере сигнала СЕКАМ На рис. 16.1. показан вид видеосигнала вместе со строчными синхроимпульсами. На рис. 16.2. показана форма ТВ сигнала вместе с кадровыми синхроимпульсами.

Рис.16.1

1. Видеосигнал несет информацию о яркостях передаваемых точек изображения – это то, что мы видим на экране телевизионного приемника.

2. Строчные и кадровые гасящие импульсы (СГИ и КГИ)предназначены для гашения лучей передающих трубок и кинескопа на время обратного хода разверток по строкам и кадрам соответственно. Это необходимо для того, чтобы светлые линии обратного хода не создавали помех на изображении в виде ряби от горизонтальных линий строчной развертки и наклонных линий по экрану от кадровой. Гасящие импульсы передаются в конце каждой строки и полукадра на уровне черного (рис.16.2).

Рис.16.2.

3. Строчные и кадровые синхронизирующие импульсы (ССИ и КСИ) предназначены для обеспечения синхронной (одновременной) работы развертывающих устройств не передающей и приемной стороне. Этим достигается привязка начала координат разверток по горизонтали и вертикали телевизора и передающего оборудования.

Это очень важные составляющие полного ТВ сигнала, поскольку отсутствие КСИ приведет к срыву кадровой синхронизации, где изображение будет бежать вверх или вниз, а отсутствие ССИ к срыву строчной синхронизации, где изображение будет бежать влево или вправо.

4. Врезки в КСИ обеспечивают нормальную работу строчной синхронизации во время действия КСИ. Отсутствие врезок приведет к искажению изображения в верхней части экрана за счет срыва строчной синхронизации во время действия КСИ, так как при одинаковом размахе синхроимпульсов во время действия КСИ ССИ передаваться не будут.

5. Уравнивающие импульсы предотвращают слипание строк четного и нечетного полукадра. Дело в том, что при через строчной развертке в каждом поле разворачивается 312,5 (целое число + половина) строк, причем, если нечетный полукадр начинается с начала строки, то четный с ее половины (рис.16.3).При этом меняется интервал между соседними строчными и кадровыми синхроимпульсами. Кроме того, в КСИ нечетного полукадра находится 3 врезки, а в КСИ четного полукадра – 2. Для выравнивания импульсной картины в четном и нечетном полукадрах применяют врезки двойной строчной частоты, а также вводят специальные уравнивающие импульсы двойной строчной частоты по 5 штук до и после КСИ, как показано на рис.16.2.

Системы SЕСАМ, NTSC и РАL были разработаны для наземных ТВ сетей, использующих амплитудную модуляцию (AM) несущей изображения.

При использовании аналоговых методов модуляции для передачи по волоконнооптическим линиям связи также может использоваться АМ. В то же время при передаче по спутниковым каналов, где основной является частотная модуляция (ЧМ), сигнал проходит через тракты с неравномерной амплитудной и нелинейной фазовой характеристикой, что приводит к перекрестным искажениям сигналов яркости и цветности, ухудшающим качество изображения.

К тому же из-за треугольного спектра демодулированного шума при ЧМ сигналы цветности оказываются в области повышенной спектральной плотности мощности шума, что снижает помехоустойчивость приема этих сигналов. Полное избавление от этого недостатков стало возможным только при применении цифровых методов передачи.

Однако в цифровых системах для передачи цветного ТВ изображения с высоким качеством возникла новая общая для всех систем ТВ проблема, а именно - большая скорость цифрового потока (около 200 Мбит/с), что значительно превышает пропускную способность как наземного ТВ канала вещания (полоса частот 8 МГц), так и спутникового ретранслятора с полосой пропускания 27...36 МГц.

В конце 80-х гг. был создан алгоритм цифрового сжатия, позволявший передать высококачественное изображение со скоростью 7...9 Мбит/с, изображение вещательного качества - со скоростью 3,5...5,5 Мбит/с и кинофильм (совокупность неподвижных изображений) со скоростью не более 1,5 Мбит/с.

На основе этого алгоритма Международная организация стандартизации приняла два стандарта обработки ТВ изображения: МРЕG1 для телевидения с невысокой разрешающей способностью и прогрессивной разверткой (компакт-диски, компьютерные игры, мультимедиа) и МРЕG2 для вещательного телевидения с чересстрочной разверткой.

Дальнейшим развитием МРЕG2 стал европейский стандарт цифрового ТВ вещания DVB (Digital Video Broadcasting – широковещательное цифровое видео и его модификации), содержащий нормы на параметры модуляции, кодирования и передачи по каналам связи.

Работы по проекту DVB (Digital Video Broadcasting - Циф­ровое видеовешание) начались в 1993 г. В результате для каждой физической среды передачи вещательного сигнала был разработан свой стандарт обработки и передачи транспортного потока, учитывающий ее специфику и, одновременно, максимально похожий на родственные стандарты. Стандарт спутникового вещания получил название DVB-S (satellite — спутник), эфирного (наземного) вещания— DVB-T (terrestrial — наземный), кабельного вещания DVB-C (cable—кабель), вещания на переносной приемник — DVB-H (hand-held —переносной).

В основе DVB лежит стандарт кодирования дви­жущихся изображений и звукового сопровождения MPEG-2. ( таблица 17.1).

В стандартах DVB помимо методов кодирова­ния и параметров транспортного потока, описанных в MPEG-2, определены: методы помехоустойчивого кодирования, ка­нального кодирования, модуляции несущих частот, передачи до­полнительной информации, защиты информации от несанкциони­рованного доступа.

Стандарты DVB обеспечивают условный доступ к передаваемым программам, что позволяет организовывать интерактивное ТВ вещание .

Для понимания параметров, указанных в таблице16.1. необходимо отметить, что первой операцией процесса цифрового кодирования аналогового ТВ сигнала является его дискретизация, которая представляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U(t) последовательностью отдельных во времени отсчётов этого сигнала.

Таблица 16.1.

Кроме сокращения данных, повышается информационная плотность результирующего цифрового потока путем использования эффективного математического кода для его описания.

MPEG кодеры сокращают следующие видео данные:

· сокращается временная избыточность (кодируется только разностная информация).

· сокращается пространственная избыточность путем исключения мелких деталей там где при просмотре сюжета это визуально не заметно.

· сокращается незначащая часть данных цветности.

В таблице указан ряд уровней, то есть форматов кодирования, обеспечивающих указанное разрешение в телевизионном растре и соответствующее сокращение количества передаваемых данных и уменьшение скорости цифрового потока.

Процесс сокращения данных в процессе MPEG кодирования производится следующим образом. Прежде всего, в оцифрованном ТВ сигнале последовательно создается ряд опорных кадров (I, Intra frame).

Кадры состоят из макроблоков, представляющих собой небольшие фрагменты изображения размером 16 × 16 пикселов. Процессор MPEG-кодера анализирует текущие кадры и ищет идентичные или очень близкие макроблоки, сравнивая базовый и последующие кадры. В результате сохраняются только данные о различиях между кадрами, называемые вектором смещения (vector movement code). Макроблоки, которые не содержат изменений, игнорируются, и количество данных для передачи, таким образом, значительно снижается.

Для снижения влияния ошибок при передаче данных последовательные макроблоки объединяют в независимые друг от друга разделы (slices). В свою очередь каждый макроблок состоит из шести блоков, четыре из которых несут информацию о яркости (Y), а остальные 2 блока несут информацию цветоразностных сигналов (U/V). Размер блоков, как правило, 8*8 пикселей. Блоки являются базовыми единицами, над которыми осуществляются основные математические операции кодирования, например, дискретно-косинусное преобразование (ДКП), являющееся частным случаем двумерного преобразования Фурье, позволяющий провести замену массива отсчетов изображения соответствующего фрагмента на массив коэффициентов, соответствующих амплитудам частотных составляющих Фурье.

Возможность дальнейшего уменьшения скорости передачи двоичных символов при помощи ДКП основана: во-первых, на том, что корреляционные связи между коэффициентами ДКП значительно меньше, чем между элементами исходного изображения; во-вторых, на неравномерном распределении мощности ТВ сигнала по частотным составляющим и; в-третьих, на ограниченной способности человеческого зрения воспринимать изменения и искажения мелкой структуры изображения.

Все эти факторы позволяют уменьшать количество передаваемой информации путём отбрасывания тех частотных составляющих, для которых коэффициенты F(U,V), получаемые при выполнении ДКП, оказываются меньше заданного порога. Однако отбрасываемая информация оказывается несущественной для зрительного восприятия, а возникающие изменения и искажения изображения не снижают или почти не снижают его субъективно-восприимчивого качества. Таким образом, использование ДКП совестно с принципом передачи данных о различиях между кадрами, создаёт возможность уменьшения скорости передачи двоичных символов и, следовательно, требуемой ширины полосы частот канала связи.