Тракт цифрового телевизионного вещания

Упрощенная структурная схема тракта представлена на рис. 2.1. Как и в аналоговом тракте, цифровой тракт получает сигнал от преобразо­вателя свет-сигнал и формирует па выходе сигнал для преобразователя сигнал-свет. Поэтому па входе и выходе тракта - аналоговые сигналы, а именно видеосигналы трек основных цветов R, G, В.

Рис. 2.1

Видеосигналы по-разному обозначены: «сигнал 1» и «сигнал 2», т. к. на самом деле эти сигналы очень сильно отличаются друг от друга. Сигнал 2 - это R GВ выходные сигналы тракта, обеспечивающие на экране телевизионного приемника изображение с заданными характеристиками. Параметры выходных сигналов - стандартизованы, заданы их величины (уровни), их форма (фронты и длительности импульсов), отношение сигнал/шум и т.д. Сигнал 1 - эго RGВ видеосигналы, полученные от трубок или ПЗС, их величины малы, зависят от условий съемки, режима работы оптики, ПЗС (или трубок), а кроме того содержат шумы, паразитные сиг­налы.

Обычно видеосигналы на выходе видеотракта (сигнал 1) искажены как иоздействием оптики, так и процессом преобразования свет-сигнал.

Преобразователь сигнала должен усилить, скорректи­ровать, преобразовать RGB сигналы так, чтобы в соответствии с выбран­ным стандартом эти сигналы могли быть поданы с его выхода на вход декодера, который и сформирует на выходе видеотракта стандарти­зованные аналоговые RGB видеосигналы.

Передающее и приемное устройства вместе с линией связи только обеспечивают доставку цифровых ТВ сигналов на вход декодера. В состав передающего устройства входит кодер ТВ канала и модулятор не­сущей частоты. Соответственно в приемное устройство входит демодуля­тор несущей и декодер ТВ канала. В кодере ТВ канала преобразуют циф­ровой ТВ сигнал так, чтобы его можно было использовать для модуляции несущей частоты, которую будут передавать по конкретному виду канала связи (спутниковое, кабельное, наземное вещание). Для этой цели в кодере канала производят сжатие цифрового сигнала, формирование цифрового потока (транспортного), введение защитных кодов. Декодер ТВ канала должен произвести обратное преобразование.

Преобразователь сигнала представляет собой не что иное, как видеотракт телекамеры, где обрабатывают видеосигналы, а именно:

- предварительно усиливают и корректируют аналоговые видеосиг­налы;

- преобразуют аналоговые сигналы в цифровую форму;

- корректируют цифровые видеосигналы;

- формируют из RGB цифровых видеосигналов компонентные и композитные цифровые сигналы цветного телевидения.

Предусмотрено и цифро-аналоговое преобразование выходных сиг­налов телекамеры, т, к. аналоговая форма удобна для визуального контро­ля по осциллографу. При необходимости аналоговые сигналы могут бытъ использованы для вещания в аналоговой системе.

До недавнего времени преимущества использовании цифровой фор­мы сигналов в телевидении было трудно реализовать из-за повышенных требовании к полосе пропускания каналов связи и к объему носителей дёля хранения ТВ изображений.

Однако технологии сжатия цифровых сигналов за короткое время своего развития позволили успешно преодолеть возникший барьер и в оп­ределенном смысле легли в основу цифрового ТВ.

Цифровой поток на выходе телекамеры имеет скорость 216…270 Мбит/сек,, состоит из 8-и или 10-и битных цифровых слои, которые назы­вают байтами. В цифровых словах зафиксирована информация о яркости и цветности элементов изображения, а также о начале и конце каждой стро­ки и каждого кадра. Значительная часть цифрового потока информация -избыточна и может быть сокращена, например, с 216 Мбит/сек до 2...15 Мбит/сек, Процедуру сжатия цифровых кадров на передающем конце и их разжатия в приемнике производят в кодере и в деко­дере.

Алгоритм устранения избыточности разработан Международной ор­ганизацией Moving Picture Expert Group (МРЕG-2). Используется в внутри-кадровое кодирование с применением Дискретного Косинусного Преобразования (ДКП) и межкадровое кодирование с применением Дифференциальной Импульсно - Кодовой Модуляции (ДИКМ). Сжатые изображения объединяют в группы, группы - в последовательности, образующие так называемый элементарный цифровой поток видеосигнала. Полученный поток видеосигнала входит в состав полной телевизионной программы, ко­торая должна содержать не только видео, нои аудиосигналы, информаци­онные данные, компьютерные программы к управляющую информацию.

В мультиплексор попадают цифровые сигналы трек составляющих ТВ программы (трех «приложений»): видео, аудио, дополнительной информации. Каждая из составляю­щие подвергается уплотнению и формирует свой «элементарный поток» (ЭП). Затем эти элементарные потоки «пакетируют» а из трек «пакетированных элементарных потоков» (ПЭП) создают (мультиплекси­руют) единый «транспортный» поток. Такой поток состоит из одинаковых по объему информации транспортных пакетов (каждый пакет- 188 байт).

В транспортном потоке содержится полная информация (видео» ау­дио, Дополнительная), а коды, добавленные в исходные элементарные по­токи в ходе их пакетирования, позволяют на приеме восстановить каждый из трех, исходных цифровых сигналов. Кроме то­го, в заголовки пакетов транспортного потока введены специальные временные метки, по которым производится синхронизация всех составляю­щих ТВ программы.

Следует отметить, что одинаковые малые транспортные пакеты «на­резают» из больших пакетов трех исходных пакетированных элементар­ных потоков! поскольку Малый цифровой пакет легче защитить от ошибок Передачи по линиям связи. Необходимый уровень защиты достигается по­следовательным использованием нескольких систем защитного кодирова­ния, рандомизация формы спектра, кодирование Рида-Соломона и конволюционное перемежение. В результате увеличивается длина транспортного пакет на 16 байт, т.е. каждый пакет содержит 204 байта.

Рассмотрим краткие характеристики перечисленных видов обработ­ки цифровой информации в ТВ тракте.

Рандомизация формы спектра (скремблирование) подразумевает введение псевдослучайной последовательности в Цифровой сигнал. Это уменьшает постоянную составляющую сигнала, позволял передавать его через трансформатор, а также увеличивает число переходов между низким и высоким уровнем напряжения, что облегчает синхронизацию на приеме.

Коды Рида - Соломона хорошо исправляют ошибки, подходят для исправления пакетных ошибок, компенсации потери данных и широко ис­пользуются не только для передачи по линиям связи, но и при записи на диск или ленту. Добавленные в этом случае 16 Байт (в каждый транспорт­ный пакет) могут исправить до 8 испорченных байт в каждом пакете.

Если впределах одного ТВ кадра возникают сильные искажения («пакет ошибок»), важно распределить ошибки по всему потоку данных так, чтобы в каждом транспортном пакете оказалась только часть «пакета ошибок». Для этой цепи используют конволюционное перемежение Форни. Устройство перемежения имеет 12 ответвлений, каждое со своей вели­чиной задержки. Переключатели подают и снимают сигналы (на передаче и приеме) с того или иного ответвления устройств перемежения и меняют свою позицию после передачи каждого байта информации. В результате передаваемые данные оказываются «разбросанными» по времени, но пред-сказуемым образом. Их порядок восстанавливают (в декодере защиты от ошибок),

Три рассмотренных вида защиты от ошибок называют «внешним ко­дированием». Но перед передачей сигнала по спутниковым, кабельным или наземным каналам связи применяют конволюционное или Витерби кодирование. Такое кодирование называют «внутренним». На передаче по­ток данных пропускают через цепочку регистров сдвига. С выходов реги­стров сигналы суммируют с входными данными. Образуются два цифро­вых потока с той же скоростью передачи, что и входной поток. Удвоенный выходной цифровой поток имеет 100% избыточности и обеспечивает широкие возможности по исправлению ошибок. Намеренно пропуская часть битов Витерби кодированного потока, можно уменьшить скорость его пе­редачи более чем вдвое. Такой вариант называют «пунктирным Витерби кодированием».

В передающем устройстве обработанный в кодере защиты от ошибок цифровой поток подают на модулятор. Тип модуляции Используют разный для разных линий связи. Для передачи по спутнико­вым и кабельным линиям связи применяют модифицированный вид квадратурной амплитудной модуляции. В этом случае формируют две сдвину­тые по фазе на 90 градусов несущие частоты и модулируют каждую по ам­плитуде цифровыми сигналами с ограниченным числом состояний (значе­ний кода). Суммарный сигнал даст конечный набор модуляционных состояний (в зависимости от модулирующего кода): 4, 8, 16, 32, 64, Такие, наборы называют "созвездиями», а тип модуляции – Quadrature Amplityde Modulation или сокращенно: QAM - 4 (8, 16, 32, 64). Когда модулирован­ный сигнал передают по широкополосной линии связи, например, исполь­зуют спутниковую связь (полоса частот 26...54 МГц), применяют QAM-4. Модуляция с большим числом в «созвездии» (QAM - 16, 32, 64) хорошо согласуется с передачей по кабельным линиям связи, где полоса переда­ваемых частот (около 8 МГц) заметно уже. Американская система цифро­вого наземного телевизионного вещании использует модуляцию типа QAM-8 и получила наименование: Advanced Television Systems Committee или сокращенно ATSC.

Европейская система цифрового наземного ТВ вещания названа DigitalVideo Broadcasting Terrestrial, сокращенно DVB-Т. В этой системе вещания модуляцию несущих частот производят! используя ортогональное Частотное разделение каналов с кодированием или Coded Ortogonal Frequency Division Multiplexing, сокращенно – COFDM. Такая система вещания многочастотна. В ней доступный для передачи частотный диапазон разделяется между большим количеством несущих, каждая из которых модулируется цифровым потоком с очень низкой скоростью передач. Число несущих частот может быть 2000 или. 8000. Спектр передаваемой полосы частот очень эффективно используется за счет близкого расположения частот несущих. Интерференция между несущими частотами: отсутствует, благодаря их взаимной ортогональности (фазы соседних частот сдвинуты на 90 градусов), т.е. спектр любой модулированной несущей не влияет на спектры других несущих частот.

В системе вещания COFDM каждая модулированная несущая имеет узкополосный спектр (1 кГц) и почти не подвержена влиянию задержанных сигналов при многолучевом приеме. Чтобы вызвать межсимвольную ин­терференцию в принимаемом сигнале, задержка отраженного (мешающе­го) сигнала должна быть очень большой (более 500 мкс). Но затухание сигнала COFDM на некоторых несущих частотах может вызвать ошибки передачи, В цифровом наземном вещании защищают сигнал от ошибок кодом Ватерби.

На рис. 2.1 показала процедура обработки цифрового сигнала, поступившего с линии связи на телевизионный приемник. В приемном устройстве сигнал проходит демодулятор и декодер защиты от ошибок, в результате чего восстанавливается исходный транспортный поток. Далее в демодуляторе формируют элементарные цифровые по­токи трех приложений: видео, аудио и дополнительной информации. Де­кодеры ТВ сигнала, звукового сигнала, сигнала дополнительной информации довершают формирование трех составляющих ТВ про­граммы.

Поиск по сайту: