Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики»

Уральский технический институт связи и информатики (филиал)

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Структурные схемы цифрового спутникового телевидения»

Выполнил: Чернов А.В.

группа ВЕ-01

Проверила: Баранова Е.Н.

Екатеринбург 2012



Оглавление

Введение

1. Теоретические сведения

2. Цифровое преобразование и сжатие видеосигналов

3. Цифровое преобразование и сжатие звуковых сигналов

4. Структурная схема спутниковой системы цифрового телевидения

5. Распределение частотных каналов в сетях кабельного телевидения

6. Модуляция и канальное кодирование

7. Канальное кодирование

Заключение

Библиография



Введение

Основной целью данной работы является рассмотрение и изучение таких вопросов как:

- цифровое преобразование и сжатие видеосигналов;

- цифровое преобразование и сжатие звуковых сигналов;

- структурная схема спутниковой системы цифрового телевидения;

- распределение частотных каналов в сетях кабельного телевидения;

- модуляция и канальное кодирование;

- канальное кодирование;

- система внешнего канального кодирования модулятора.

Цифровая технология в телевидении открывает новую эру не только в развитии телевизионного вещания, но и в значительной мере расширяет всю информационную структуру страны. Цифровые методы передачи позволяют: объединить цифровые потоки от разных источников; эффективно взаимодействовать различным системам связи между собой и с компьютерными сетями; а также предоставляют широкой пользовательской аудитории возможность доступа к глобальным и локальным информационным сетям и многое другое.

Разработки систем цифрового телевидения в современных условиях ведутся, как правило, группами высококвалифицированных специалистов различного профиля с тем, чтобы придать этим системам универсальный характер. В США созданный еще в 1980 гг. Консорциум "Большой Альянс" предложил полностью цифровую систему телевидения высокой четкости HDTV (High Definition Television) для вещания по наземным каналам, известную в литературе под названием ATSC (Advanced Television Systems Commettee). Для внедрения цифрового телевидения в глобальном масштабе общепризнанной является необходимость создания единого мирового стандарта.



1. Теоретические сведения

В настоящее время предложены и конкурируют два проекта: американский ATSC и европейский DVB (Digital Video Broadcasting). В 1999 г. Японией был предложен стандарт ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting), являющийся развитием DVB-T для мультимедийных систем передачи разнообразной информации.

Однако основой указанных проектов является MPEG-компрессия (MPEG - Moving Picture Expert Group), основные принципы которой разработаны группой специалистов стран Западной Европы, США, Японии и других стран.

Разработчики стандарта ATSC главной целью своего проекта поставили обеспечение качественных характеристик изображения, необходимых для телевидения высокой четкости. С учетом широкого распространения высококачественных сетей кабельного телевидения в США подобная цель оправдана.

В системе ATSC компрессированный цифровой поток сигналов (видео и аудио) модулирует по амплитуде несущую, образуя 8- или 16-уровневые радиосигналы с подавленной нижней боковой полосой (8-VSB или 16-VSB (Vestigial Side Band)). В кабельных и радиорелейных линиях связи используются сигналы 16-VSB, а в наземном вещании - 8-VSB. В стандарте ATSC предусматривается чересстрочная развертка с числом активных строк 1080, причем ведущие телевизионные компании США уже в конце 1998 г. начали передачи по этой системе.

Для спутникового цифрового ТВ-вещания специалистами США предложены две модификации систем: DSS (система В) и G1MPEG-2 (система С), но применяется модуляция QPSK (4 ФМ), как и в европейской системе DVB (A).

В Европе, в том числе и в России, значительный удельный вес в телевизионном вещании занимают сети наземного телевидения. Поэтому для Европы стандарт цифрового ТВ предусматривает три разновидности: DVB-S (Sattelite), DVB-C (Cable) и DVB-T (Terrestrial), т.е. для спутниковых, кабельных и наземных сетей телевизионного вещания соответственно. Необходимость разработки трех модификаций вызвана значительным различием условий распространения сигналов в космосе, кабеле и тропосфере. Наличие переотраженных от неоднородностей тропосферы сигналов, особенно в условиях большого города, требует применения специальных методов модуляции, нечувствительных к эхосигналам.

Для передачи цифровых сигналов DVB по наземным радиоканалам применяется ортогональная модуляция многих несущих COFDM (Coded Orthogonal Freguency Division Multiplexing). FDM - частотное уплотнение, при котором первоначальный цифровой поток разделяется на параллельные потоки, модулирующие множество несущих (рассматриваются две системы на 1705 и 6817 несущих).

C (coded) - это внешнее и внутреннее кодирование, а также перемежение с целью коррекции возникающих в канале ошибок.

O (orthogonal) означает, что несущие частоты взаимно ортогональны, т.е. кратны некоторой основной частоте.

В Европейском стандарте DVB телевидения высокой четкости (ТВЧ) предусматривается передача изображения при чересстрочном разложении на 1020 активных строк.

Применение модуляции COFDM в DVB-T предопределило целый ряд преимуществ этого стандарта по сравнению с ATSC. Проведенные в Австралии длительные сравнительные испытания выявили следующие преимущества DVB-T:

- возможность приема ТВ-программ на движущихся со скоростью до 300 км/час объектах, в том числе и в тоннелях;

- значительное уменьшение мощности передатчика - на 10...15 дБ (до 35 раз);

- возможность приема сигналов на простейшую комнатную антенну;

- обеспечение доступа в Интернет при организации обратного канала через сотовую телефонную сеть;

- существенное снижение помех аналоговым телевизионным каналам от сигнала DVB-T и его практическая нечувствительность к сигналам телевидения;

- способность системы DVB-T работать при равных уровнях прямого и отраженного сигналов, в то время как система ATSC удовлетворительно работает лишь при уровнях отраженного сигнала 15 дБ;

- возможность работы телецентров с перекрывающимися зонами уверенного приема в сети на одной частоте;

- существенное уменьшение капитальных вложений при реализации за счет использования имеющихся антенно-фидерных устройств;

- увеличение радиуса зоны уверенного приема до 100 и более км при мощности передатчика 10 кВт;

- регулируемая скорость передачи в пределах от 5 до 32 Мбит/с вместо 19 Мбит/с ATSC, что позволяет существенно увеличить пропускную способность систем.

Поэтому, кроме стран Европы (Великобритания, Испания, Нидерланды, Португалия, Финляндия, Швеция), стандарт DVB-T уже приняли Австралия, Израиль, Сингапур и некоторые другие, в том числе и Япония - в модернизированном варианте ISDB-Y. Кроме того, его рассматривают в качестве основного в Гонконге и некоторых странах Южной Америки.

2. Цифровое преобразование и сжатие видеосигналов

На рисунке 1 представлена схема компрессии цифрового видеосигнала в формате MPEG-2. На вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) поступают три составляющих видеосигнала - яркостная составляющая (Y) и две цветоразностных - красная (R-Y) и голубая (B-Y), а также синхронизирующие сигналы. Составляющие R-Y и B-Y выбраны потому, что глаз человека в меньшей степени реагирует на искажения цветовых тонов именно при таком варианте.

цифровое телевидение спутник канал кодирование

Рисунок 1. Структурная схема компрессии цифрового видеосигнала по методу MPEG: 1.- аналого-цифровой преобразователь (дискретизатор); 2.- вычитатель;3.- дискретно-косинусный преобразователь прямой; 4.- квантователь прямой;5.- кодер переменной длины; 6.- буфер; 7.- контроллер скорости; 8.- определитель вектора движения; 9.- компенсатор движения; 10.- сумматор:11.- квантователь инверсный; 12.- дискретно-косинусный преобразователь инверсный

Алгоритм сжатия устраняет имеющуюся в видеосигнале избыточность в виде мало различающихся фрагментов изображения в одном кадре (неподвижный фон, а также незначительные отличия между соседними и близкими кадрами). Таким образом, сжатие видео- и звуковых сигналов позволяет резко уменьшить избыточность в ТВ-сигнале.

При межкадровом кодировании через каждые 10 - 15 кадров выбираются опорные кадры (I - intra - кадры), которые считаются основными и кодируются независимо от других кадров. Остальные кадры микропроцессор сравнивает между собой и с опорными кадрами, и в результате сравнения вырабатываются сигналы различия на основе алгоритма предсказания с компенсацией движения. Эти операции выполняются в Блоках 2 (вычитатель), 8 (определитель вектора движения) и 9 (компенсатор движения). Вспомогательные кадры разделяются еще на два типа: предсказанные Р-кадры (Predictive), закодированные на основе предыдущих кадров (I или Р), и интерполированные В-кадры (Bidirectionally - predictive), закодированные на основе предыдущего и последующего кадров.

Таким образом, В-кадры сохраняют лишь самую энтропийную часть информации об отличиях от предыдущего и последующего изображений (I или Р).

Избыточность, имеющаяся в сигнале различия между тремя типами кадров (I, P, B), устраняется в блоках дискретно-косинусного преобразования (Блоки 3, 12).

Дискретно-косинусное преобразование (ДКП) - система внутрикадровой компрессии, используемая при компрессии MPEG-2. Для этого кадр предварительно разбивается на кадровые блоки площадью 8x8 и 16x16 пикселей. Затем каждый блок подвергается дискретно-косинусному преобразованию, в результате которого исходная матрица блоков трансформируется в матрицу частотных коэффициентов. Каждый коэффициент характеризует амплитуду определенной частотной составляющей кадра, причем коэффициенты в матрице располагаются по возрастанию частот в вертикальном и горизонтальном направлении. В этом случае матрица превращается в двухмерный частотный спектр кадра изображения в вертикальном и горизонтальном направлениях. Основная энергия будет концентрироваться вблизи нулевых частот. Амплитуда менее значимых высокочастотных составляющих, как правило, мала или равна нулю. Потеря их практически не ухудшает качество изображения. По алгоритму ДКП коэффициенты, не превышающие некоторого порогового значения, не передаются, что и приводит к желаемой компрессии.

Кодер переменной длины (Блок 5) осуществляет энтропийное кодирование: уменьшает коэффициент сжатия для наиболее информативных кадров(I-кадры) и, наоборот, увеличивает его для Р-кадров и, особенно, для В-кадров. Первоначальный цифровой поток с выхода схемы компрессии поступает на схему рандомизации (скремблирования), формирующую псевдослучайный цифровой сигнал, подвергаемый далее помехоустойчивому кодированию с помощью сверточных кодов и кодов Рида-Соломона. В наземных цифровых ТВ-системах используется еще решетчатое кодирование, позволяющее снизить влияние переотраженных сигналов на качество изображения.

Применяемое в системах цифрового телевизионного вещания многоступенчатое кодирование позволяет получить на входе демультиплексора MPEG-2 (на выходе радиоканала) вероятность ошибки 10-10...10-11, т.е. в приемном устройстве искажения будут появляться не чаще, чем одна ошибка за один час передачи.

3. Цифровое преобразование и сжатие звуковых сигналов

Каналы звукового вещания принято делить на три класса: высший (полоса частот 30 Гц…15 кГц), первый (50 Гц…10 кГц) и второй (100 Гц…6 кГц). Магистральные каналы вещания (и, соответственно, звукового вещания при передаче телевизионных программ) должны удовлетворять требованиям к каналу первого класса, т.е. полоса частот должна быть в пределах 50…10000 Гц, и отношению сигнал/шум для гипотетической наземной линии (не менее 57 дБ).

При передаче звуковых аналоговых сигналов по кабельным, радиорелейным и спутниковым каналам обычно принято объединять три типовых телефонных канала с полосой 0,3…3,4 кГц. Для передачи речи в цифровом виде принята частота дискретизации 8 кГц, и каждый отсчет кодируется восемью элементарными посылками, образуя цифровой поток 64 кбит/с. В стандарте MPEG-2 частота дискретизации звуковых сигналов может быть равна 32; 44,1 или 48 кГц. При цифровом сжатии весь частотный спектр звукового сигнала с помощью набора фильтров делится на 32 полосы. Используя свойство неравномерного распределения спектральной энергии звука выходные сигналы полос с малой спектральной энергией, число которых существенно больше, кодируются более короткими словами, чем достигается сжатие звукового цифрового потока.

В настоящее время для сжатого цифрового сигнала наибольшее распространение получил стандарт МЮЗИКАМ (или MPEG-1 Level II). При цифровой обработке звука могут быть использованы четыре режима работы: моно, когда обрабатывается один сигнал; стерео, когда два сигнала обрабатываются совместно в одном процессоре с использованием корреляции каналов А и В; сдвоенный моно (dual mono), при котором цифровой поток разделяется между двумя независимыми сигналами (например, звуковое сопровождение идет на двух языках); квазистерео (joint stereo), при котором низкочастотная часть спектра сигнала передается в режиме стерео, а высокочастотная - в режиме квазистерео, что позволяет несколько увеличить степень сжатия по сравнению со вторым режимом.

4. Структурная схема спутниковой системы цифрового телевидения

Цифровые потоки видео- и аудиосигналов различных телевизионных программ, потоки данных объединяются в мультиплексоре. В поток вводятся сигналы синхронизации, позволяющие различить их после демодулятора. В стандарте MPEG-2 различают три вида цифровых потоков: пакетный элементарный поток (ПЭП), программный поток (ПП) и транспортный поток (ТП). Пакетный элементарный поток относится к какому-то одному виду информации-сигналу изображения или звука, либо данным. Программный поток объединяет элементарные потоки, имеющие общую тактовую частоту, т.е. формируется при передаче п-телевизионных, m-радиовещательных и k-потоков данных. В стандарте предусмотрена возможность объединения до 16 потоков видео, 32 аудио и до 16 потоков данных. В каналах формируется транспортный поток, в котором присутствует пакет длиной 188 байт, из них 187- информационные и 1 байт синхронизации.

На рисунке 2 приведена упрощенная структурная схема спутниковой системы цифрового телевидения.

Рисунок 2. Упрощенная структурная схема спутниковой системы цифрового телевизионного вещания

Цифровой поток данных, сформированный из различных источников (телетекст, видеоинформационный и др.) поступает на мультиплексор. Для объединения и последующего разделения сигналов на вход мультиплексора поступают синхронизирующие сигналы (на схеме не показаны). Перед модулятором передатчика обычно устанавливается фильтр. Его назначение вызвано различными причинами. Для устранения межсимвольных искажений при демодуляции сигнала могут использоваться различные варианты фильтров Найквиста. Часто используют аппроксимации частотных характеристик фильтров, близких к фильтру с АЧХ вида «корень квадратный из спектра типа приподнятый косинус». Такие фильтры устанавливают как на передающей, так и на приемной стороне. Используют также фильтры, минимизирующие спектр радиосигнала, для уменьшения помех соседним радиоканалам.

В спутниковых каналах сигналы достаточно стабильны при спокойном состоянии тропосферы. Однако при возмущениях в ней опасно применять сигналы со сложными видами модуляции, поэтому, как правило, используют хорошо зарекомендовавшую не только в спутниковых каналах 4-позиционную фазовую манипуляцию) - в английской аббревиатуре - 4-ФМ.

Однако в последнее время появились попытки применить в спутниковых каналах сигналы с фазовой манипуляцией с увеличенным алфавитом сигналов - 8-ФМ (8-позиционные сигналы фазовой манипуляции), - что потребовало использования нового вида помехоустойчивых кодов-«турбокодов» . В начале 2002 г. развернуты работы нового стандарта DVB-S2, в основе которого лежит многопозиционная фазовая модуляция (8-ФМ, 16-ФМ или 16-КАМ) и методы турбокодирования.

Турбокодирование позволяет приблизиться к пределу Шеннона, при этом проигрыш в системе передачи колеблется от 0,27 до 0,5 дБ. С помощью турбокодов можно достичь величины вероятности ошибки по битам 1-10~5 при отношении энергии сигнала к спектральной плотности шума на выходе УПЧ-2, равном 0,7 дБ. Фактически турбокоды являются блочными кодами с большой длиной блока. Поскольку в демодуляторе на приемной стороне используется квазикогерентная обработка сигналов, то для устранения неопределенности фазы опорного колебания на приемной и передающей стороне дополнительно применяется дифференциальное кодирование и декодирование.

Кроме того, при квазикогерентном приеме в демодуляторе имеются устройства синхронизации, предназначенные для образования сигналов опорного колебания и тактовых импульсов.

Для повышения помехоустойчивости приема сигналы с выхода мультиплексора поступают на модулятор не непосредственно, а дважды дополнительно кодируются помехоустойчивым кодом (при использовании сигналов 4-ФМ обычно внутренний код - сверточный и внешний блоковый - Рида-Соломона, а при применении сигналов ФМ-8 используются уже упомянутые турбокоды) Для упрощения рисунка такие кодеры и декодеры не показаны.

Приемные станции могут быть трех видов: 1-профессиональные с цифровым декодером, 2-е преобразователями вида 4-ФМ/КАМ (4-ФМ - четырехпозиционная фазовая модуляция, КАМ-квадратурная амплитудно-фазовая модуляция с числом уровней 64 или 256 для кабельных сетей или для индивидуальных приемных устройств спутникового телевидения).

В первом типе станций сигнал после декодирования поступает в профессиональную студию либо в кабельную распределительную сеть телевизионных программ, или в бытовой интегрированный кабельный декодер, в котором выделяются также каналы телетекста и звукового вещания, во втором типе станций - на индивидуальный спутниковый ресивер-декодер. Разработаны бытовые и профессиональные спутниковые декодеры с весьма универсальными схемами. Профессиональные цифровые декодеры обычно рассчитаны на применение в любых конфигурациях стандартов и сигналов.

Многие западные фирмы настойчиво работают над созданием и усовершенствованием приемников цифрового телевидения. В частности, приемники-декодеры цифровых спутниковых ТВ программ фирмы Philips серии DVS 3961/31 и DVS 3962/31 предназначены для работы в головных станциях кабельного телевидения и рассчитаны на работу в стандартах NTSC, PAL, SECAM (в том числе и в российском варианте стандарта БЕСАМ).Блок предварительного усиления радиосигнала с модуляцией КАМ работает в расширенной полосе 950...2150 кГц. Программное обеспечение позволяет перенастраивать приемники на разные спутники. Приемники имеют встроенный считыватель-смарт-карту, соответствующий стандарту ISO 7816.

Структурная схема приемной индивидуальной установки цифровой спутниковой системы изображена на рисунке 3, в которую входит параболическая антенна с диаметром 0,6... 1,2 м, перед рефлектором которой помещается наружный блок (конвертер).

Рисунок 3. Структурная схема приемной индивидуальной установки спутниковой цифровой системы ТВ: 1.- поляризатор; 2.- МШУ; 3.- смеситель; 4.- первый гетеродин;5.- УПЧ наружного блока; 6.- УПЧ внутреннего блока; 7.- второй смеситель;8.- второй гетеродин; 9.- блок управления; 10.- полосовой фильтр; 11.- УПЧ 2.

В соответствии со структурной схемой рисунком 3, принятый антенной сигнал проходит через блок выбора поляризации, далее поступает в малошумящий усилитель, смеситель, на второй вход которого поступает сигнал гетеродина. После преобразования сигнал выделяется фильтром первой промежуточной частоты и далее усиливается УПЧ 1. Таким образом, в конвертере происходит преобразование частоты сигнала, принятого антенной в полосе частот 10,95... 11,7 ГГц или 11,7... 12,5 ГГц спутниковой системы диапазона Кu, в сигнал первой УПЧ в полосе 0,95... 1,75 ГГц или 0,95...2,05 ГГц и усиление этого сигнала. Кратко рассмотрим требования к конвертеру телевизионных сигналов и его техническим характеристикам.

Конвертер - это наиболее важный узел приемной установки. Его основные задачи: уменьшение общего коэффициента шума, осуществление широкополосного усиления, преобразование частоты и обеспечение сравнительно большого динамического диапазона, так как в противном случае могут возникать нелинейные искажения сигнала. Конвертер размещают в герметизированном корпусе и помещают в фокусе приемной антенны. Входящий в него волноводно-полосковый переход предназначен для обеспечения согласования входа малошумящего усилителя (МШУ) с поляризатором. Малошумящий усилитель имеет обычно три усилительных каскада. Каскады в качестве усилительных элементов содержат полевые арсенид галлиевые малошумящие транзисторы, выполненные по технологии ТВПЭ (транзисторы с высокой подвижностью электронов), имеющие малый коэффициент щума. Особенностью каскадов таких МШУ является отсутствие резисторов во входных цепях, поскольку наличие их вызвало бы увеличение коэффициента шума малошумящего усилителя.

Канализация сигнала во входную цепь и передача ее на вход последующего каскада осуществляется микрополосковыми линиями. Стационарный режим каскадов обеспечивается отдельными источниками питания через элементарные LC-фильтры низких частот. Благодаря принятым мерам удается получить коэффициент шума неохлаждаемого МШУ 0,7...1,0 дБ, при неравномерности АЧХ около 2 дБ, линейной ФЧХ и коэффициенте усиления около 25...35 дБ.

Фильтр смесителя выполняется по микрополосковой технологии. Потери преобразования смесителя с гетеродином составляют обычно 5...6 дБ (с учетом потерь, вносимых полосовым фильтром). УПЧ1 имеет широкую полосу пропускания и малые собственные шумы. Для усиления сигнала в УПЧ1 имеются обычно четыре резисторных каскада на биполярных транзисторах с включением усилительных элементов по схеме с общим эмиттером, коэффициент усиления УПЧ1 составляет обычно 30...35 дБ. Питание конвертера осуществляется по центральной жиле кабеля, соединяющего его с внутренним блоком. Длина соединительного коаксиального кабеля между конвертером и внутренним блоком может достигать нескольких десятков метров.

Внутренний блок цифровой приемной установки - ресивер -согласно схеме (рисунок 3) содержит дополнительный каскад УПЧ1, преобразователь и усилитель второй промежуточной частоты с полосой пропускания 27/36 МГц. Уровень выходного сигнала УПЧ2 составляет обычно 1 В. Гетеродин второго преобразователя частоты - перестраиваемый с шагом 10 кГц с синтезатором частот, работающим в полосе 0,95...2,15 ГГц + 480 МГц. Сигнал с выхода ресивера после демодуляции поступает на цифровой декодер. Структурная схема бытового цифрового приемника-декодера приведена на рисунке 4.

В демодуляторе производится преобразование высокочастотного модулированного сигнала в цифровой поток, который поступает на демультиплексор, разделяющий его на три составляющих: видео, аудио и поток данных. В этом же блоке осуществляется дескремблирование (устранение псевдослучайной последовательности кодирования, наложенной на сигнал в передатчике). Видеосигналы декодируются из стандарта MPEG в декомпрессированные цифровые сигналы в блоке 5, из которых после цифроаналогового преобразователя 6 выделяются исходные видеосигналы в виде составляющих яркостной (Y) и трех цветовых составляющих - красной (R), зеленой (G) и голубой (В).

Блок 6 осуществляет также функции преобразователя стандартов, т.е. на его выход в соответствии с желанием пользователя можно подключить телевизионный приемник, работающий в одном из трех стандартов аналогового телевизионного вещания -PAL, SECAM или NTSC. Имеется выход для подключения наземной сети телевещания. С выхода аудиодекодера 4, совмещенного с цифроаналоговым преобразователем, можно получить как аналоговые, так и цифровые сигналы. Микропроцессор 8 управляет работой блока 3 (демультиплексора-дескремблера) и выделяет телефонный сигнал в случае реализации интерактивной системы связи, а также образует интегрированные пакеты данных других служб, подводимые далее в блок 12. Микропроцессор имеет выход для подключения стандартного интерфейса RS-232. Модуль цифрового управления и инфракрасный датчик обеспечивают возможность дистанционного управления приемником-декодером.



Рисунок 4. Структурная схема бытового цифрового приемника: 1.- ресивер; 2.- демодулятор (прямое исправление ошибок); 3.- демультиплексор/дескремблер; 4.- аудио декодер MPEG-2; 5.- видео декодер MPEG-2; 6.- кодер системы цветного телевидения; 7.- модулятор; 8.- микропроцессор; 9.- модем; 10.- ИК датчик; 11.- модуль цифрового телевидения; 12.-пакеты данных формата MPEG-2; 13.- цифровое видео 4:2:2; 14.- SECAM/PAL; 15.- Y/C; 16.- R-G-B; 17.- аналоговое аудио; 18.- цифровое видео AES/EBU; 119.- RS 232; 20.- телефонная линия.

Цены на бытовые декодеры уже сейчас ниже 200 долл. при розничной торговле, но, учитывая большую конкуренцию на мировом радио рынке, следует полагать, что цены на бытовые цифровые телевизионные приемники будут снижаться с каждым годом.

Сегодня на российском рынке имеется большое количество ресиверов, предназначенных для приема сигналов телевидения в аналоговой, цифроаналоговой и цифровой форме. В переходный период от аналогового к цифровому телевидению покупателю этих приемников необходима информация об их технических и качественных показателях, полученная не только из описания прибора и инструкций по его использованию, но и на основании тестирования приемников на территории России в различных ее регионах. Журнал «Теле-Спутник» периодически публикует результаты испытаний ресиверов, выпускаемых известными фирмами. Тестирование аппаратов производится по таким показателям, как качество изображения и звука, удобство эксплуатации, сумма характеристик/цена и общее заключение по 4-бальной системе: «плохо», «удовлетворительно», «хорошо» и «отлично». В процессе тестирования обнаруживаются недостатки изделий как в техническом исполнении, так и программном обеспечении. Представляют интерес для российского покупателя результаты тестирования ресиверов французской фирмы Xsat, которая была выбрана телекомпанией «НТВ-Плюс» в качестве поставщика первой партии цифровых терминалов для приема платного пакета программ этой компании. Было тестировано три изделия фирмы: Xsat CD.TV200, Xsat CD.TV300, Xsat CD.TV350. Исследования проводились на спутниках в позиции 13 в.д., а также спутниках российской группировки. Результаты испытаний показали, что указанные приемники могут принимать программы и с других спутников. Как и во многих современных ресиверах поддержка DiSEqC-протокола позволяет управлять 2-4-входовыми переключателями и в сочетании в переключателем 0/12 В дает возможность строить сложную и разветвленную сеть приема. Качество изображения и звука соответствовали оценке - «удовлетворительно» и «хорошо», удобство эксплуатации - «хорошо». Приведем некоторые технические данные ресивера Xsat CD.TV.300.

Напряжение питания 187/242 В, 50 Гц, частотный диапазон второй ПЧ 950...2500 МГц, оперативная память 2 Мбит, перепрограммируемая память 1 Мбит, декодер звука MPEG-2 (Musicam), декодер изображения MPEG-2, автоматический поиск, имеется возможность ручного поиска.

Таблица 1. Основные технические данные ресиверов

Параметр	Тип
	DRS9400 VIA	ЕМ ТЕСН ЕМ300 PvR	Humax PvR-8000	Humax C1-5100 VA-5200 VACI-5300	Medio-Com VACI-Gold	XSAT CDTV410
Диапазон частот, ГГц	0,95...2,15	0,95...2,15	0,95...2,15	0,95...2,15	0,95...2,15	0,95...2,15
Уровень входного сигнала, дБВт	-55...-95	Нет данных	-55...-95	-55...-95	Нет данных	-55...-95
Скорость приема	2...45	1...45	1...45	1...31	2...45	2...30,5
Перекл. поляриз. В	13...19	13...19	13...18	13...18	Нет данных	13...18
Управление Гетеродина МШУ, кГц	0...22	20...24	18...26	18...26	22	22
Разрешение (пикселей)	780x576 ...352x288	720x576 (PAL)	720x576	720x576	720x576(PAL) 720x480(NTSC)	720x576
Питание, В (Гц)	176...264 (50... 60)	90...260 (50... 60)	90...250 (50... 60)	90...250 (50...60)	90...250 (50)	90...240 (50...60)
Габаритные размеры, мм	233x676x 60	340x260x 60	400x297x65	370x280x60	370x270x70	310x170x65
Масса, кг	0,95	1,5	3,5	2,8	2,7	1,3

Главным отличием современных спутниковых ресиверов является возможность приема только одних цифровых телевизионных программ либо комбинированных аналого-цифровых. Необходимость такой комбинации диктуется тем, что аналоговые системы телевидения будут функционировать до 2015 г. В таблице 1 приводятся основные технические данные ресиверов различных фирм, достаточно широко распространенных на рынке России и стран СНГ.

5. Распределение частотных каналов в сетях кабельного телевидения

Сложившиеся на территории России городские кабельные сети аналогового распределения ТВ-программ выполнены на базе коаксиального кабеля. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) на данном этапе используются на технологических линиях телецентров и операторов связи, а также на магистральных каналах междугороднего распределения ТВ-программ. Применение ВОЛС для домовой разводки кабельного телевидения с выходом на абонентские розетки в квартирах телезрителей в настоящее время по экономическим причинам оказывается неприемлемым из-за высокой стоимости оконечного устройства демодуляции оптической линии связи.

В отечественных сетях кабельного телевидения на коаксиальном кабеле для передачи сигналов аналогового телевидения в диапазонах ОВЧ и УВЧ используются частотно разнесенные каналы с полосой пропускания 8 МГц, частотная структура которых соответствует радиоканалу вещательного телевидения. При этом с целью увеличения числа передаваемых ТВ-программ в кабельных сетях также используются частотные интервалы диапазона ОВЧ: 110...174 МГц и 230...302 МГц, занятые в эфире невещательными службами связи. В этих частотных интервалах размещаются специальные каналы кабельного телевидения -- каналы С1, ... , С8 (111... 174 МГц) и каналы С9, ... , С17 (230...302 МГц), частотная структура которых соответствует радиоканалу вещательного телевидения.

Отметим, что в кабельных сетях для передачи сигналов аналогового телевидения в диапазоне УВЧ выделены каналы с 21 по 69 включительно, которым соответствует частотный интервал 470 ... 862 МГц. Кроме того, в зарубежных системах кабельного телевидения в диапазоне УВЧ используется также частотный интервал 302 ... 470 МГц, в котором при полосе пропускания радиоканала 8 МГц можно разместить (470 -302) МГц /8 МГц = 21 специальный ТВ-канал C18,..., С39 с частотной структурой радиовещательного телевидения.

Необходимо отметить, что существует обширный парк отечественных телевизоров, которые не могут принимать специальные каналы кабельного телевидения. Сегодня эти каналы, в основном, доступны для телезрителей, которые пользуются телевизорами иностранного производства.

Последующее увеличение числа ТВ-каналов достигается введением в эксплуатацию каналов IV и V диапазонов УВЧ. Это более дорогое техническое решение, т.к. в отечественных городских сетях проложены коаксиальные кабели с верхней рабочей частотой ~ 302 МГц, что достаточно для передачи радиосигналов ТВ-каналов во всем диапазоне ОВЧ, но не позволяет без замены коаксиальных кабелей освоить ТВ-каналы IV и V диапазонов УВЧ. Таким образом, освоение диапазона УВЧ ведет не к частичной модернизации существующих городских сетей кабельного телевидения, а по сути дела требует разработки новой существенно более широкополосной сети кабельного телевидения на базе коаксиального кабеля с верхней рабочей частотой не менее 960 МГц. При проектировании такой системы можно сразу предусмотреть возможность последующего перехода от аналогового метода передачи ТВ-сигналов к цифровым методам с информационным сжатием и также предусмотреть возможность интерактивного обмена информацией между телезрителями и головными станциями.

В качестве примера в таблице 2 показан план распределения частот в интерактивной системе кабельного телевидения фирмы "ADC Тelecommunications" при совместной передаче аналоговых и цифровых ТВ-сигналов. В этой системе частотный интервал 55 ... 862 МГц делится на аналоговую часть 55 ... 550 МГц -- для передачи аналоговых ТВ-сигналов и цифровую часть 550 ... 862 МГц -- для передачи цифровых ТВ-сигналов. Частотный интервал 5 ... 42 МГц используется для организации интерактивных каналов абонентов, по которым информация от телезрителей передается на головную станцию кабельной сети.

Таблица 2. Нумерация ТВ-каналов в диапазонах ОВЧ и УВЧ

Диапазоны Полоса частот, МГц Номера ТВ-каналов ОВЧ I диапазон 48 ... 68 1-й и 2-й II диапазон 76 ... 100 3,4 и 5 1-й специальный поддиапазон 110 ... 174 Специальные каналы: С1, ... С8 III диапазон 174 ... 230 6, ..., 12 2-й специальный поддиапазон 230 ... 302 Специальные каналы: С9, ..., С17 УВЧ 3-й специальный поддиапазон 302 ... 470 Специальные каналы: С18, ..., С39 IV диапазон 470 ... 582 21, ..., 34 V диапазон 582 ... 790 35, ..., 60 790 ... 862 61, ..., 69 862 ...958 70, ..., 81

6. Модуляция и канальное кодирование

При цифровом вещании со сжатием данных по кабельной сети передается групповой сигнал многопрограммного телевидения в виде транспортного потока стандарта МРЕG-2.

Транспортный поток MPEG-2 формируется в аппаратуре информационного сжатия ТВ-сигналов на телецентре и по соединительной линии подается на головную станцию кабельной сети. Кроме того, для этих целей могут использоваться также сигналы многопрограммного цифрового телевидения, принимаемые со спутниковых и эфирных линий связи.

Поскольку сети кабельного телевидения могут использоваться для распределения программ спутникового телевидения, желательно обеспечить их информационную совместимость, для чего необходимо, чтобы скорости передачи данных в кабельных и спутниковых каналах связи были близки по величине и позволяли передавать данные со скоростью, соответствующей иерархическому уровню МККТТ 34.368 Мбит/с, что обеспечит совместимость сети многопрограммного цифрового вещания с существующими сетями передачи данных. При такой скорости передачи в одном транспортном потоке можно передать 4 ТВ-программы с вещательным качеством изображения.

Радиоканалы коаксиальных линий связи характеризуются высоким отношением сигнал несущей/шум и высокой линейностью амплитудной характеристики, что позволяет использовать высокоэффективную по плотности передачи цифровой информации (бит/с)/Гц многоуровневую квадратурно амплитудную модуляцию (КАМ), которая по физическому принципу действия чувствительна к нелинейным искажениям и шумам радиотракта. (По этим причинам этот вид модуляции не удается использовать на существующих каналах спутниковой связи).

Вариант с 64-уровневой КАМ является универсальным, так как позволяет передавать сигналы многопрограммного цифрового телевидения по коаксиальным линиям с шириной радикала 8 МГц (отечественные кабельные системы) и 7 МГц (зарубежные кабельные системы).

Для отечественных кабельных линий большой интерес представляет вариант с использованием 32-уровневой КАМ. В этом случае обеспечивается необходимая информационная совместимость с каналами спутниковых линий связи, т.к. в радиоканале кабельной линии с полосой пропускания 7.90 МГц обеспечивается скорость передачи данных 34.367 Мбит/с. При этом полезная скорость передачи с учетом указанного помехоустойчивого кодирования составит 31.672 Мбит/с. Кроме того, при этом получается более простым и более дешевым модем КАМ и снижаются требования к линейным искажениям (неравномерности АЧХ и ГВЗ) и уровню отраженных эхо-сигналов радиотракта кабельной системы.

Во вновь проектируемых кабельных сетях возможен переход к 128- и 256-уровневой КАМ, за счет ужесточения норм на неравномерность АЧХ, ГВЗ и уровень отраженных эхо-сигналов в радиотракте новой кабельной сети. При этом в демодуляторах КАМ потребуется введение корректирующих устройств для юстировки перечисленных параметров.

7. Канальное кодирование

Целью канального кодирования является согласование параметров транспортного потока MPEG-2 с форматом передачи и техническими характеристиками каналов коаксиальных линий связи. При этом желательно выбрать такие методы канального кодирования, которые с некоторыми изменениями и дополнениями могли одновременно использоваться также в системах спутникового и эфирного цифрового ТВ-вещания со сжатием данных. При этом может быть обеспечена только частичная унификация методов канального кодирования, поскольку в названных системах цифрового вещания используются разные методы модуляции несущих из-за физических различий в условиях передачи радиосигналов. Тем не менее и в этих случаях достигается экономический эффект, т.к. возможность использовать одно и то же техническое решение в системах кабельного, спутникового и эфирного ТВ-вещания снижает общие затраты на разработку и внедрение унифицированных блоков для таких систем.

Указанный подход используется в стандартах DVB, для чего структурные схемы канальных кодеров кабельных, спутниковых и эфирных систем цифрового ТВ-вещания разделяются на две части -- систему внешнего и систему внутреннего канального кодирования модулятора. При этом для внешних канальных кодеров указанных модуляторов используется одна общая унифицированная структурная схема, а во внутреннем канальном кодере проводится специализированная обработка данных, в зависимости от используемого в модеме метода модуляции.



Заключение

Используемые сейчас структурные схемы по строения сети цифрового вещания предполагают, что аппаратура кодирования цифровых ТВ-программ с информационным сжатием данных входит в состав цифрового комплекса телецентра, а не цифровой аппаратуры у операторов наземных и спутниковых линий связи. Это весьма важный момент, несоблюдение которого удорожает внедрение системы цифрового вещания и к тому же ведет к снижению качества цифрового ТВ-изображения. Поясним эти моменты на примере 4-программной сети цифрового ТВ-вещания.

Для кодирования 4-х ТВ- программ с информационным сжатием потребуется 4 рабочих и, как минимум, 1 резервный кодер. Стоимость одного кодера с информационным сжатием по стандарту MPEG-2 составляет сегодня около $100 тыс., т.е. затраты на комплекс из 5 кодеров составят $500 тыс. Находясь на телецентре, такой комплекс обслуживает все цифровые каналы связи, по которым телецентр распределяет свои программы. В случае установки таких комплексов цифрового кодирования у операторов, например, эфирного, спутникового и кабельного телевидения, для распределения тех же самых программ телецентра потребуется, как легко подсчитать, $1.5 млн, и эта стоимость будет катастрофически возрастать с подключением к телецентру новых цифровых каналов связи.

Снижение качества цифрового изображения при установке кодеров информационного сжатия данных у операторов каналов связи объясняется тем, что в этом случае ТВ-сигналы проходят лишний процесс обработки в форме кодирования и декодирования по системе ЦТ СЕКАМ, что необходимо только для их передачи по соединительным линиям между телецентром и оператором связи. При этом вносятся присущие системе СЕКАМ искажения, некоторые из которых усиливаются при информационном сжатии видеоданных. Например, увеличивается заметность муаровых помех на изображении, если не приняты меры по увеличению степени подавления цветовых поднесущих в сигнале яркости при его информационном сжатии и др.

Данные проблемы исчезают при установке кодеров информационного сжатия на телецентре, поскольку в этом случае необходимые для информационного кодера входные сигналы формируются непосредственно от источников ТВ-сигналов телецентра, минуя тракт кодера СЕКАМ.

В настоящее время принципы построения системы цифрового телевидения, методы информационного сжатия и передачи видео- и звукоданных стандартизованы, а именно -- сжатие видео- и звукоданных регламентируется стандартом MPEG-2. Обработка данных при канальном кодировании, форматы передачи данных и методы модуляции при передаче цифровых ТВ-программ по спутниковым и кабельным каналам изложены в стандартах DVB.



Библиография

1. MPEG-2. Стандарты ISO/IC 13818 -- разделы 1,2 и 3. Сoding of moving pictures and associated audio. Разделы 1 -- systems, 2 -- Video, 3 -- Audio.

2. Джон Уоткинсон. Пособие для инженеров по цифровому сжатию. Перевод на русский язык ЗАО "Снелл и Уилкинс". Москва, 1997 г., с.64. Телефон для заказа книги: (095)-248-34-43.

3. Л.А. Севальнев. Передача цифровых телевизионных программ с информационным сжатием данных по спутниковым каналам связи. "Теле-Спутник", №7,1997 г., с. 64... 69.

4. "Кабельное телевидение". Под редакцией В.Б. Витевского. М., "Радио и связь", 1994 г.,196 с.

5. А.Лапшин. Системы кабельного телевидения. Широкополосная часть гибридной волоконно-коаксиальной сети. Европейский стандарт EN50083. "Теле-Спутник" №9 , 1997, c. 64...66.

Размещено на Allbest.ru

...