Индивидуальный прием телевизионных программ со спутников приобрел популярность в конце 80-х годов, когда появились недорогие малошумящие входные устройства на полевых транзисторах и стало возможным принимать сигналов с помощью небольшой антенны диаметром 80-120 см, устанавливаемой на балконе или стене дома. К середине 90-х годов в Европе можно было принимать таким образом до 50 ТВ программ с одной орбитальной позиции (например, со спутников Hot Bird в точке 13о в. д.
Прошло всего несколько лет, и сегодня с этих же спутников можно принимать уже сотни телевизионных программ. В нашей стране абоненты НТВ плюс вместо прежних пяти получают более 30 программ, и это далеко не предел.
Каким же образом удается передавать несколько ТВ программ в одном спутниковом канале, который ранее использовался для передачи одной единственной программы? Такой скачок в пропускной способности спутниковых ретрансляторов стал возможным в первую очередь благодаря переходу к цифровым методам формирования и обработки ТВ сигнала.
Цифровые методы находят все большее широкое применение в технике передачи сообщений. Разработка в 1992-1994 годах эффективных алгоритмов цифрового сжатия, известных как семейство стандартов MPEG, позволила решить задачу многопрограммного телевизионного вещания без заметного снижения субъективного качества изображения и звука.
Как происходит передача ТВ сигнала к абоненту в цифровой форме? В современной студии сигнал преобразуется в цифровой формат уже на выходе телекамеры, и все операции по его обработке, хранению, передачи осуществляется в цифровом виде. Наиболее распространенным способом преобразования обычного аналогового видеосигнала в цифровой формат является импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Кратко напомним, как она осуществляется. Аналоговый сигнал представляется дискретными (прерывистыми) отсчетами, взятыми через равные промежутка времени. Затем каждый отсчет квантуется - заменяется ближайшим из конечного числа разрешенных для передачи значений. В результате аналоговый сигнал преобразуется в набор импульсов разного, но разрешенного уровня (рис. 1). Следующий этап ИКМ преобразование - представление квантованного значения сигнала двоичным числом, соответствующим номеру уровня квантования. На этом этапе и преобразуется цифровой сигнал.
Цифровой видеосигнал с выхода телекамеры, цифрового видеомагнитофона или видеосервира поступает на вход кодера сжатия (компрессирования), работающего в стандарте MPEG-2, принятом Международной организацией по стандартизации в 1994 г.
Алгоритм, положенный в основу стандарта MPEG-2, включает определенный базовый набор последовательных процедур, показанный на упрощенной структурной схеме цифрового кодера (рис. 2). Алгоритмы разных производителей кодеров могут несколько различаться, при этом предусмотрена совместимость цифровых сигналов со всеми декодерами цифрового сжатия, находящийся в приемных устройствах, так как стандарт однозначно указывает декодеру, какой смысл приписывает тем или иным принимаемым потокам.
В стандарте MPEG-2 определено огромное число возможных сочетаний параметров обработки, охватывающие тем не менее широкий диапазон качественных показателей. По разрешающей способности в стандарте определены четыре уровня (level), по сложности используемого алгоритма обработки - пять профилей (profile). Для вещательных систем передачи рекомендован вариант MP@ML, где MP означает Main Profile (основной профиль), а ML - Main Level (основной уровень), допускающий формирование цифрового потока со скоростью видеоданных до 15 Мбит/с на программу.
Основу цифрового сжатия видеоинформации составляет устранение избыточности изображения благодаря подобию (корреляции) его строк и полей. Различают два вида избыточности: временную (два последовательных кадра изображения мало отличаются один от другого) и пространственную (значительную часть изображения составляют однотипные одинаково окрашенные участки).
Временная избыточность устраняется передачей вместо кадра изображения его отличий от предыдущего кадра. Простое вычитание для определения их различий было значительно усовершенствовано, когда заметили, что большая часть изменений, появляющихся на изображении, может быть интерпретирована как смещение малых областей изображения. Разбив изображение на небольшие блоки (16х16 элементов) и найдя их расположение в предыдущем кадре, можно для каждого блока найти набор параметров, показывающих направление и величину его смещения. Этот набор называют вектором движения. Например, при движении предмета по прямой достаточно передать лишь сигнал о его начальном и конечном положениях. По каналу связи передается толь вектор движения и относительно небольшая разность между текущим (в нашем примере это блок с начальным положением предмета или только его части) и предсказанным блоком (в нашем примере блок с той же частью предмета в конце движения).
Благодаря тому, что не передаются промежуточные положения предмета (или его части) уменьшается, естественно, полоса частот, необходимая для последовательной передачи движения предмета. Таким образом, на этом этапе устраняется пространственная избыточность в так называемую частотную область (т.е. оперируем с частотой), осуществляемому с помощью специальной математической операции - двухмерного дискретно-косинусного преобразования (ДКП). Следующий этап обработки заключается в адаптивном квантовании полученных двоичных чисел (коэффициентов). Набор коэффициентов каждого блока рассматривается как вектор, и процедура квантования производится над набором в целом (векторное квантование). Дополнительное устранение избыточности результирующего сигнала производится на этапе кодирования сообщения перед подачей его в канал связи.
Для оценки полученного сигнала в результате квантования (т. е. правильности проведенных операций для получения в мете приема передаваемого изображения) производится обратное квантование, обратное ДКП, суммирование, управление квантованием), который сравнивается в узле оценки движения с сигналом до вычитания. Полученные сведения о сигнале направляются в узел кодирования сообщения.
Составной частью в стандарт MPEG-2 входят алгоритмы передачи звуковых сигналов с цифровой компрессией, при этом используется те же принципы полосного кодирования звука, что и в стандарте MPEG-1 (уровни 1 и 2). Весь частотный спектр звукового сигнала разбивается на 32 полосы с помощью набора полосовых фильтров. Сжатие достигается благодаря тому, что выходные сигналы полос с малой спектральной энергией имеют малую амплитуду и потому могут кодироваться более короткими кодовыми словами. ((Кодовое слово - совокупность битов, рассматриваемых как целое при цифровой обработке.)) Используется так называемый психоакустический эффект, заключающийся в маскировке слабого звука близким по частоте более сильным звуком. Шумы квантования динамически приспосабливаются к порогу маскирования, и в канале передаются только те детали звучания, которые могут быть восприняты слушателем. Квантование в каждой полосе может осуществляться либо посредством измерений энергии сигнала этой полосы (уровень 1), либо с использованием внешнего спектрального анализа (уровень2). Представляя хороший компромисс, стандарт MPEG-1 уровень 2 (Musicam) получил наибольшее распространение в системах цифрового сжатия звука.
Качество передаваемого сигнала тем выше, чем больше скорость цифрового потока на выходе кодера. Стандарт предусматривает различные степени сжатия аудиоданных с выходной скоростью от 64 до 384 убит/с на стереопрограмму.
Системная часть стандарта MPEG-2 описывает объединение в единый цифровой поток отдельных потоков изображения, звука, синхронизации одной или нескольких программ. Эту операцию выполняет специальное устройство, называемое мультиплексором. Для передачи в среде с помехами формируется "транспортный поток", включающий средства для предотвращения ошибок и обнаружения утерянных пакетов. Он состоит из пакетов фиксированной длины (188 байт), содержащих стартовый байт, префикс (3 байта) и область телевизионных данных.
Перед подачей в канал связи сигнал подвергается дополнительному помехоустойчивому кодированию и поступает на модулятор. Эти операции не входят в стандарт MPEG-2 и в разных спутниковых системах могут в принципе выполняться различными способами но это бы лишало системы аппаратной совместимости. Европейским странам удалось решить эту проблему. На базе MPEG-2 были разработаны стандарты многопрограммного цифрового ТВ вещания для спутниковых и наземных кабельных и эфирных сетей (соответственно DVB-S, DVB-C, DVB-T), нормирующее все операции на передающей стороне вплоть до подачи сигнала на вход радиоканала.
В стандарте DVB-S (ETS 300 421) используется фазовая модуляция, скрембливароние сигнала (Умножение информационного цифрового потока на псевдослучайную последователь-ность, чтобы придать потоку случайный характер.) и каскадное помехоустойчивое кодирование с передачей данных для защиты от пакетных ошибок.
Скремблирование применяется для повышения устойчивости работы схемы тактовой синхронизации приемника и достижения равномерного спектра радиосигнала. После скремблирования транспортный поток подвергается помехоустойчивому кодированию внешним кодом (укороченным кодом Рида-Соломона (Код Рида-Соломона (по имени теоретиков кодирования) - блочный код, согласно ко-торому информационная цифровая последовательность разбивается на блоки опреде-ленной длины, а каждый такой блок дополняется проверочным символами, формирует-ся по определенным правилам.) с эффективностью кодирования 204/188), обеспечивающим "почти безошибочный" прием (вероятность ошибки на выходе менее 10-10) при вероятности ошибки на входе менее 2х10-4. Для защиты от пакетированных ошибок большой длительности применяется непрерывное сверточное перемежение - перестановка местами соседних байтов. Глубина перемежения составляет 12 байт.
Внутренний код - сверточный (Сверточный код - код, согласно которому результирующие символы (символ - дискретный сигнал, способ модуляции которого обеспечивает возможность его демодуляции) формируется непрерывной математической операцией свертки информационной последовательности.) с относительной скоростью 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 или 7/8 и длиной кодового ограничения К=7. Конкретное значение относительной скорости передачи выбирается с учетом мощности и ширины полосы частот используемого бортового ретранслятора. Выбор нужной скорости в декодере приемного устройства производится автоматически по наличию или отсутствию синхронизации.
Модуляция производится на промежуточной частоте 70 или 140 МГц. Стандарт DVB-S предусматривает применение четырехпозиционной фазовой модуляции 4-ФМ (англ. QPSK). Полученный на выходе модулятора цифровой стандартные устройства земной станции: повышающий преобразователь частоты, усилитель мощности, волноводный тракт - и через антенну излучается в сторону спутника.
При организации многопрограммного цифрового ТВ вещания важно правильно выбрать скорость передачи видео- и звукоданных, поскольку от этого непосредственно зависит качество ТВ изображения и звукового сопровождения. Субъективные экспертные оценки качества ТВ изображения показали, что для получения ТВ изображения со студийным качеством необходимо передавать видеоданные со скоростью 9…15 Мбит/с. Передача с качеством первичного распределения обеспечивается в диапазоне скоростей 7…9Мбит/с. Для обеспечения вещательного качества на экране бытового телевизора систем PAL или SECAM, достаточно скорости 4…7 Мбит/с (в зависимости от сюжета), при этом декодированный видеосигнал будет малопригоден для последующей обработки и повторного кодирования со сжатием. Нетрудно рассчитать, что в спутниковом канале с пропускной способностью 40 Мбит/с можно передавать 5-6 программ хорошего качества, соответствующего магистральным каналам подачи программ, или 8-10 программ с качеством бытового телевизора PAL или SECAM.
Хороший резерв увеличения пропускной способности каналов представляет собой метод статического мультиплексирования, основанный на использовании статических свойств последовательностей изображения. Специальная управляющая программа динамически перераспределяет общий ресурс пропускной способности между каналами таким образом, что каналам с высокой детальностью изображений и быстрым движениями выделяется большее число битов, чем каналам с более простыми движениями. В результате достигается то же качество изображения при средней скорости цифрового потока на 20..30% ниже, чем в каналах с жестким мультиплексированием.
Оригинал:
http://mini-soft.ru/it/mpeg2.php 
Технические основы цифрового спутникового вещания
Jan 31 2007, 08:24 PM
