Приемные устройства цифровых телевизионных сигналов

Общие сведения о цифровых приемных устройствах. В переходный период кроме выпуска специализированных цифровых телевизоров предполагается дополнять аналоговые телевизоры, находящиеся в эксплуатации у большинства населения, специальными приставками (Set-Top-Box, буквально «ящик, устанавливаемый наверху»), восстанавливающими исходное изображение и звуковое сопровождение после цифровой компрессии. Подобные приставки часто называются декодерами или приемниками-декодерами (ПД). По функциональным возможностям их можно разделить на две большие группы - устройства профессионального назначения и абонентские приемные устройства. Кроме этого планируется выпуск «аналого-цифровых (гибридных) телевизоров «Digital TV Ready», в которых предусмотрено встраивание дополнительной платы для приема сигналов DVB-T.

Профессиональные декодеры и ПД применяются для декодирования компрессированных сигналов в студийных комплексах подготовки программ, для приема сигналов в спутниковых распределительных системах с целью использования при подготовке программ или для ввода в сети кабельного телевидения на головных станциях, для приема компрессированных сигналов, передаваемых по существующим синхронным и асинхронным сетям связи.

Для примера на рис. 8.38 приведена обобщенная схема профессионального ПД модульной конструкции [18]. Тракт обработки сигнала в целом соответствует структуре, определяемой стандартами DVB, но имеется большое число вспомогательных узлов и блоков.

В схеме ПД условно можно выделить три основных узла: входное устройство, декодер, выходную часть. Входной узел поддерживает различные типы интерфейсов для приема цифрового сигнала в желаемой транспортной среде. Транспортный поток может поступать на декодер либо с входного узла, либо непосредственно из транспортной сети через интерфейсы. Декодер выполняет демультиплексирование и декодирование элементарных потоков видео, звука, данных, служебной информации. Выходной узел формирует видео- и звуковые сигналы, потоки данных и может иметь различные интерфейсы.

Входное устройство для приема сигналов в полосе первой промежуточной частоты спутникового телевидения включает в себя тюнер, демодулятор и схемы коррекции ошибок. Тюнер преобразует принятый сигнал в два квадратурных сигнала J и Q, которые оцифровываются двойным АЦП и поступают на демодулятор QPSK. Демодулированный сигнал проходит последовательно декодер Витерби, восстановитель перемежения и декодер Рида-Соломона, в формате транспортного потока MPEG-2 поступает на вход узла декодера.

Принятый транспортный поток поступает на вход демультиплексора, который выделяет элементарные потоки отдельных компонентов из общего цифрового - потока. Если часть сервисов скремблирована, дескремблер, установленный перед демультиплексором, «открывает» соответствующие компоненты. Далее потоки распределяются по назначению. Элементарный поток служебной информации поступает на центральный процессор, элементарные потоки видео, звука и данных обрабатываются в соответствующих декодерах. Центральный процессор на основе служебной информации и установок пользователя управляет всеми узлами ПД, формирует необходимые сигналы для генератора синхросигналов и потоки данных пользователя через интерфейсы RS-232 и RS-422. Синхрогенератор, в свою очередь, осуществляет координацию работы интерфейса SDI (Serial Digital Interface - последовательный цифровой интерфейс), видеокодеров и графического процессора.

Рис. 8.38. Структурная схема профессионального приемника-декодера

Рис. 8.39. Структурная схема типового абонентского приемника-декодера (тракты данных показаны утолщенными линиями, управляющие сигналы - тонкими)

Рис. 8.40. Пример реализации тюнера и модуля входного интерфейса

Видеодекодер осуществляет декомпрессию потока видеоданных. Восстановленный видеосигнал поступает на кодеры аналогового композитного сигнала и формирователь SDI сигнала через коммутатор, который в интервале кадрового гашения вводит в сигнал информацию от процессора кадрового гасящего импульса (телетекст, сигналы цветовой синхронизации SECAM и т.п.). Блок «Видеокодер 1» формирует сигнал PAL, SECAM или NTSC, в «Видеокодере 2» этот же сигнал проходит через графический процессор, где на него накладываются графические изображения, которые необходимо отобразить (экранное меню приемника, параметры сигнала и т.д.). Выходные усилители формируют необходимые параметры аналогового сигнала.

Декодер звукоданных принимает поток звукоданных с выхода демультиплексора, осуществляет его декомпрессию и направляет восстановленный сигнал на ЦАП. В большинстве профессиональных ПД имеется возможность получать как цифровые, так и аналоговые звуковые сигналы.

Абонентские приемные устройства. Абонентское приемное устройство, в отличие от профессионального, имеет конкретную и ограниченную задачу - восстановить после цифрового сжатия исходное изображение и звуковое сопровождение и подать их в аналоговом виде на телевизионный приемник. Соответственно и структурная схема абонентского ПД значительно проще, чем профессионального, хотя сигнал проходит те же основные этапы обработки - это выделение в тюнере нужного канала, демодуляция, демультиплексирование, декодирование выбранных цифровых потоков, преобразование в аналоговую композитную форму в одном из выбранных стандартов цветности (рис. 8.39). В схеме можно условно выделить пять функциональных модулей: входного интерфейса, обработки сигнала MPEG, условного доступа, контроллера и выходной [13].

Модуль входного интерфейса выполняет очевидные функции выделения и демодуляции принимаемого сигнала. В зависимости от назначения приемного устройства он может быть выполнен в спутниковом, кабельном или эфирном вариантах, различающихся диапазоном входных частот и методом модуляции. На рис. 8.40 в качестве примера показана схема модуля для спутникового приема. Сигнал с малошумящего конвертора в полосе частот 0,95...2,15 ГГц преобразуется тюнером в более низкую промежуточную частоту, например, 480 МГц. Для облегчения фильтрации побочных составляющих в смесителе частота гетеродина выбирается обычно выше частоты сигнала, получающаяся при этом инверсия спектра компенсируется инвертированием цифрового сигнала. В качестве гетеродина используется генератор, управляемый напряжением (ГУН) с выхода схемы ФАПЧ, подстраивающий его частоту по опорному генератору приемника. Сигнал с выхода смесителя фильтруется высокоизбирательным фильтром на ПАВ и поступает на вход демодулятора QPSK. Как и в модуляторе, применяется квадратурная схема и раздельная обработка I и Q компонентов. После декодера Витерби, восстановителя перемежения, декодера Рида-Соломона и дескремблера на выходе модуля формируется транспортный поток MPEG-2.

Дальнейшая обработка транспортного потока осуществляется в микросхемах высокого уровня интеграции (БИС или СБИС - больших или сверхбольших интегральных схемах).

В приемниках первого поколения все основные функции выполнялись отдельными интегральными микросхемами (ИМС), каждая использовала собственное ОЗУ на отдельных микросхемах памяти, 8-или 16-битовый процессор имел относительно невысокую производительность. Появившиеся несколько позже приемники второго поколения обходились лишь тремя основными чипами - входного модуля, демультиплексора и MPEG-декодера, двумя ОЗУ. В приемниках третьего поколения функции демультиплексора и декодера удалось объединить в одной микросхеме (так называемая «одночиповая» модель), при этом и число ОЗУ сократилось до одного. Архитектура основной микросхемы такого приемника показана на рис. 8.41.

Рис. 8.41. Архитектура приемника-декодера 3-го поколения

Таким образом, все современные модели абонентских приемных устройств строятся на основе одной интегральной микросхемы MPEG-демультиплексора-декодера и ограниченного числа других узлов (тюнер, микросхемы памяти, блок питания).

Комбинированные телевизоры CDTV/DVB. Исходя из имеющихся в России технологических возможностей на телевизионных заводах предполагается организовать выпуск гибридных, или комбинированных, аналого-цифровых телевизоров, созданных на основе серийно выпускаемых моделей цветных телевизоров. Экономические расчеты показали, что подобный телевизор по цене будет существенно дешевле цифрового телевизора стандарта DVB-Т или комплекта из DVB-приставки и аналогового телевизора.

Как видно из упрощенной функциональной схемы комбинированного телевизора, данное устройство состоит из аналогового шасси типа Digital TV Ready («готового для DVB») и подключаемой к нему через соединитель платы DVB (рис. 8.42). Адаптация серийного шасси аналогового цветного телевизора заключается в установке нескольких соединителей для подключения плат расширения (на первом этапе - платы DVB, в дальнейшем - платы для Интернета, телефонных и кабельных модемов и т.д.), замены аналогового тюнера на цифровой (для обеспечения возможности приема программ DVB), повышения мощности блока питания по цепи +5 В, а также «прошивке» в память процессора управления телевизором специального программного обеспечения, которое допускает его работу совместно с дополнительными платами в составе единой микропроцессорной сети.

Рис. 8.42. Упрощенная функциональная схема комбинированного (гибридного) телевизора CDTV/DVB

Таким образом, шасси комбинированного телевизора имеет открытую архитектуру, позволяющую ее дальнейшее наращивание по согласованному программно-аппаратному интерфейсу.

Контрольные вопросы:

8.1. Поясните основные принципы передачи телевизионных сигналов по радиоканалу.

8.2. Каким способом в телевизионной системе передается сигнал звукового сопровождения?

8.3. Назовите важнейшие особенности системы цветного телевидения SECAM- III.

8.4. Нарисуйте структурную схему кодирующего устройства системы SECAM- III.

8.5. С какой целью в системе SECAM-III вводятся предыскажения цветоразностных сигналов перед их передачей по каналу связи?

8.6. Нарисуйте структурную схему приемного декодирующего устройства SECAM-III.

8.7. Как осуществляется цветовая синхронизация в системе цветного телевидения SECAM-III?

8.8. Расскажите об особенностях системы цветного телевидения NTSC.

8.9. Дайте общую характеристику системы цветного телевидения PAL.

8.10. Какие требования предъявляются к способам модуляции в цифровом телевидении?

8.11. В чем заключаются основные принципы квадратурной амплитудной модуляции?

8.12. Поясните особенности квадратурной фазовой манипуляции.

8.13. Как на практике реализуется модуляция типа OFDM?

8.14. Объясните принципы многоуровневой амплитудной модуляции с частично подавленными несущей и боковой полосой частот.

8.15. Изложите концепцию построения цифровых телевизионных систем.

8.16. Нарисуйте структурную схему передающего устройства стандарта цифрового наземного телевидения DVB-T.

8.17. Приведите структурную схему приемного устройства стандарта цифрового наземного телевидения DVB-T.

8.18. В чем заключается принцип иерархической передачи информации в стандарте цифрового наземного телевидения DVB-T?

8.19. Объясните особенности обработки данных и сигналов в стандарте DVB-T.

8.20. Изложите принципы внутреннего кодирования в стандарте цифрового наземного телевидения DVB-T.

8.21. Как осуществляются внутреннее перемежение и формирование модуляционных символов в стандарте DVB-T?

8.22. Назовите основные параметры стандарта DVB-T.

8.23. В чем заключаются конструктивные особенности современных телевизионных приемников?

8.24. Нарисуйте структурную схему аналого-цифрового цветного телевизионного приемника.

8.25. Расскажите об основных конструктивных особенностях приемных устройств цифровых телевизионных сигналов.

8.26. В чем заключаются основные принципы построения комбинированных (аналого-цифровых) телевизоров?