Цифровое телевизионное вещание

     Цифровое  телевизионное вещание 

     Цифровая телевизионная передача включает передачу движущегося изображения и стереофонического звука. В системе NIСАМ для того, чтобы уложиться в доступную полосу частот, необходимо сжимать оцифрованные звуковые данные. Точно так же обстоит дело и с цифровыми видеосигналами. Используются достаточно сложные способы, обеспечивающие доступность соответствующих полос. В Европе для цифрового телевизионного вещания приняты спецификации сжатия МРЕG-2 (Motion Picture Expert Group — группа экспертов по движущимся изображениям), известные как стандарты МР@МL (Main Profile at Main Level — основной профиль при основном уровне).

     По  сравнению с традиционной аналоговой системой цифровое телевизионное вещание имеет следующие преимущества:

     •  очень высокое качество изображения;

     •  большее число программ;

     •  пониженные требования к мощности передаваемого  сигнала;

     •  пониженные требования к отношению  сигнала к шуму;

     •  отсутствие повторных изображений.

     Пониженные  требования к мощности передаваемого сигнала означают меньшее взаимное влияние соседних каналов. 

     Преобразование  телевизионного изображения  в цифровую форму 

     Преобразование  в цифровую форму содержит как  элемент сканирование изображения, или кадра, строка за строкой и  выборку значений содержимого строки. Для сохранения качества изображения число выбранных значений в строке должно равняться числу пикселов; каждое выбранное значение (отсчет) представляет один пиксел. Число пикселов в телевизионном изображении определяется числом строк в изображении и форматом изображения. Система британского телевидения ПАЛ применяет 625 строк, 576 из которых являются «активными» в том смысле, что их можно использовать для передачи видеоинформации. Формат изображения выбирается равным 5:4, это соотношение наиболее приемлемо для операции декодирования видеосигнала, которая включает организацию элементов изображения в блоки и микроблоки.

     Разрешающие способности по вертикали и по горизонтали должны быть одинаковыми; число пикселов в строке можно  вычислить следующим образом

     576 * 5/4 = 720.

     Таким образом, каждая строка будет представлена 720 отсчетами, причем каждый отсчет будет  представлять один пиксел: отсчет 1 –  пиксел 1, отсчет 2 – пиксел 2 и т.д. (рис. 22.1).

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 22.1. Дискретизация изображения. 

     Процесс повторяется для второй, третьей  и т.д. строки до конца кадра, а  затем снова для следующего кадра  и т.д. Чтобы отсчеты осуществлялись точно в одних и тех же точках строки в пределах каждого кадра, частота выборки должна быть синхронна  с частотой строк. Поэтому частота выборки должна быть в точности кратна частоте строк.

     Если  каждый отсчет или группа отсчетов идентифицируется как пиксел или  группа пикселов, то отсчеты можно  реструктурировать, перегруппировывать или манипулировать ими по своему усмотрению, а потом обрабатывать и вновь собирать в исходном порядке.  
 

     Частота выборки 

     Полный  период одной строки полного видеосигнала составляет 64 мкс. Из них 12 мкс используются для импульса синхронизации его  передней и задней площадок; для  передачи видеоинформации остаются 52 мкс. Для 720 пикселов в строке частота выборки составляет

       
 
 

     Однако, поскольку частота выборки должна быть целым кратным частоты строк, Международный консультативный комитет по радиосвязи (МККР) рекомендует частоту выборки 13,5 МГц (864 х строчная частота).

     Для того чтобы избежать наложения спектров и других искажений, частота выборки должна быть не менее чем вдвое больше максимальной частоты в спектре аналогового входного сигнала. Для видеосигнала, имеющего в своем спектре максимальную частоту 6 МГц, необходима частота выборки не менее 2 • 6 = 12 МГц. Следовательно, выбранная частота 13,5 МГц достаточна. 
 

     Требования  к полосе 

     Цветное телевизионное вещание связано  с передачей трех сигналов: сигнала  яркости Y и двух цветоразностных сигнала Y – K (обозначается С_R) и Y—В (С_B). В системе аналогового телевидения эти сигналы передаются непосредственно с использованием амплитудной модуляции (наземное вещание) или частотной модуляции (спутниковое вещание). В цифровом телевизионном вещании эти три сигнала сначала преобразуются в потоки цифровых данных, а затем модулируются и передаются (рис. 22.2). Для сигнала яркости, который содержит наибольшие видеочастоты, используется максимальная частота выборки 13,5 МГц. Для сигналов цветности С_R и С_B, которые содержат меньшие частоты, можно использовать и меньшую частоту выборки. МККР рекомендует применять половину частоты, используемой для сигнала яркости, т. е. 0,5 • 13,5 = 6,75 МГц. Таким образом, для составляющих цветности выборке подвергается только половина пикселов (каждый второй пиксел). Общее число отсчетов в секунду составляет 13,5 млн. + 6,75 млн. + 6,75 млн. = 27 млн. За узлом выборки следует узел квантования, в котором каждый отсчет преобразуется в многобитовый код. Кодом минимального размера для адекватного представления изображения считается 8-битовый код, который дает 2⁸=256 дискретных уровней сигнала. Скорость передачи битов при таком кодировании составит

     27 млн. * 8 = 216 млн.битов в секунду  (216 Мбит/с).

     Для столь высокой битовой скорости нужна очень широкая полоса. Точная ширина полосы зависит от типа модуляции, используемой в передатчике. Например, в случае импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) требуется полоса 0,5*216=108 МГц. Ширину полосы можно уменьшить, применяя сложные способы модуляции, в частности, квадратурную фазовую манипуляцию (КФМн) и квадратурную амплитудную модуляцию (КАМ). Тем не менее полоса остается ограничивающим фактором для всех типов вещания: наземного, спутникового и кабельного. Поэтому необходимо применять средства сжатия данных и уменьшения числа битов. Эти средства позволяют уменьшить число битов, необходимое для кодирования изображения при сохранении его качества.

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 22.2. Цифровое ТВ-вещание: одна программа. 
 

     Качество  изображения 

     Качество изображения при цифровом телевизионном вещании ограничивают два фактора: полоса видеосигнала (или число пикселов на один кадр) и битовая скорость. При 720 пикселах на строку и 576 активных строках на кадр общее число пикселов на кадр составит

     720 * 576 = 414720.

     Для каждой пары пикселов требуется один период полного видеосигнала; поэтому  максимальная частота аналогового  видеосигнала составляет

     414720 * 25/2 = 5,18 МГц;

     При такой частоте сохраняется то же качество изображения, что и в  традиционном аналоговом вещании.

     Вторым  ограничением на качество изображения  является битовая скорость. При сжатии данных в соответствии со стандартом MPEG-2 для цифрового телевизионного вещания хорошего качества требуется битовая скорость на входе модулятора 15 Мбит/с. Меньшая битовая скорость приведет к ухудшению качества изображения. Для телевизионного вещания высокой четкости, использующего 1152 строки, требуется битовая скорость 60 Мбит/с для 1440 пикселов на строку и 80 Мбит/с для 1920 пикселов на строку. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Общая характеристика системы 

     На  рис. 22.3 представлены основные компоненты системы цифрового телевидения, осуществляющей вещание четырех  программ по одному ВЧ-каналу. Программы, содержащие сжатую видеоинформацию  и звук, вместе с пакетами служебных  данных мультиплексируются (уплотняются) в один битовый поток, называемый элементарным программным потоком (PES, programme elementary stream).

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 22.3. Цифровое ТВ-вещание: мультиплексирование 
 

     Элементарный  поток каждой программы мультиплексируется еще раз в общий битовый поток, называемый транспортным потоком. Элементарный программный поток содержит идентификационные данные, временную метку и специфическую программную информацию; эти составляющие потока позволяют распаковывать пакеты данных на стороне приемника по программам и кадрам для восстановления исходного изображения. Транспортный поток поступает в модулятор и затем передается по одному ВЧ-канал у 8 МГц. 
 

     Кодирование программ 

     Основные  компоненты системы кодирования  программ показаны на рис. 22.4. Сначала аналоговые видео- и звуковые сигналы подвергаются дискретизации на соответствующей частоте (13,5 МГц для Y и 6,75 МГц для С_R и С_B), а затем передаются на свои кодирующие устройства.

     

     Рис. 22.4. Кодирование программ. А –  кодирование видеосигналов по стандарту MPEG-2; Б – кодирование звуковых сигналов по стандарту MPEG-2. 

     Кодирующие  устройства удаляют несущественные или избыточные детали видео- и звуковых сигналов и выполняют операции уменьшения числа битов, формируя индивидуальные пакеты данных. Индивидуальные пакеты данных вместе со служебными пакетами данных передаются на мультиплексор, который формирует элементарный программный поток. Поскольку объем видеоинформации превышает объем звуковой или служебной информации, элементарный программный поток содержит больше пакетов видеоданных, чем пакетов звуковых или служебных данных (рис. 22.5).  

 

     Рис. 22.5. Структура элементарного программного потока. 

     Затем элементарные программные потоки объединяются в мультиплексоре и поступают  в модулятор для передачи. Тип применяемой модуляции определяется типом вещания: наземное, спутниковое или кабельное. 
 
 

     Кодирование видеоинформации 

     Кодирование видеоинформации состоит из трех основных этапов: подготовка видеоданных, их сжатие и квантование (рис. 22.6). На этапе подготовки данных исходные кодированные данные кадров организуются так, чтобы их было удобно сжимать. Сжатие видеоданных осуществляется в соответствии с международными стандартами, установленными системой МРЕG-2.

     

     Рис. 22.6. Кодирование видеоданных по стандарту МРЕG-2. А — удаление пространственной избыточности на основе ДКП. 

       По стандарту МРЕG-2 выполняются две основные операции сжатия: удаление временной избыточности и удаление пространственной избыточности. Удаление временной избыточности представляет собой межкадровое сжатие данных, при котором происходит сравнение двух последовательных видеокадров, удаление одинаковых областей и формирование разностей кадров для обработки. Удаление пространственной избыточности, называемое также внутрикадровым сжатием, исключает ненужные повторения содержимого конкретного видеокадра. Операции удаления выполняются на основе сложных математических выражений, называемых дискретным косинусным преобразованием (ДКП); отсюда происходит название этого способа: «сжатие данных на основе ДКП». За блоком сжатия данных стоит блок квантования, который обеспечивает дальнейшее битовое сжатие. Блок квантования преобразует коэффициенты ДКП в 8-битовые коды, образующие битовый поток данных. 
 

     Подготовка  видеоданных 

     Видеоинформация, поступающая на вход видеокадра, представлена последовательностью кодированных отсчетов сигнала яркости Y и сигналов цветности С_R и С_B; затем кадры этих сигналов перегруппировываются в блоки, макроблоки и вырезки. Сначала кадры Y , С_R и С_B делятся на ряд блоков пикселов (рис. 22.7). Каждый блок представляет собой матрицу 8х8 закодированных в цифровом виде отсчетов пикселов. Три компонента, представленных базовыми блоками, объединяются и образуют макроблок (таб. 22.1). Каждый макроблок состоит из четырех блоков яркости и двух блоков каждой составляющей цветности, С_R и С_B. Это дает так называемый формат 4:2:0. Затем макроблоки выстраиваются в том порядке, в каком они появляются на изображении, чтобы получить вырезку. Вырезка может состоять из одного или нескольких макроблоков. На этом этапе к каждой вырезке добавляются биты обнаружения ошибки. Если в ступени декодирования приемника обнаруживаются ошибки, то декодер игнорирует информацию, содержащуюся в данной вырезке, и переходит к следующей. Последовательность вырезок восстанавливает полный видеокадр (табл.22.1), содержащий все три составляющие изображения (Y , С_R и С_B) и готовый к следующему этапу кодирования видеоданных.