Основы радиовещания и телевидения

Таким образом, яростный сигнал Е'Y формируется суммированием Е'R, Е'G, Е'B, взятых с весовыми коэффициентами lR,lG,lB, определяемыми относительным содержанием в яркостном сигнале сигналов основных цветов:

Е'Y = lR Е'R + lG Е'G + lB Е'B

Сигнал яркости в системах цветного телевидения формируется в соответствии с формулой

Е'Y = 0.3 Е'R + 0.59 Е'G + 0.11 Е'B

Использование яркостного сигнала в соответствии с данной формулой для формирования черно-белого изображения позволяет получить изображение с удовлетворительным воспроизведением градаций яркости участков передаваемой сцены различной цветности.

Как видно из формулы для воспроизведения цветного изображения при передаче по каналу связи кроме сигнала Е'Y достаточно дополнительно передать два из трех корректированных сигнала, например Е'R и Е'B, восстановив третий сигнал в приемнике. Такой способ передачи обладает определенной избыточностью, так как в сигналах Е'R и Е'B наряду с информацией о цветности заключена информация и о яркости. Поэтому, в современных системах цветного телевидения по каналу связи вместо данных сигналов передаются цветоразностные

E'R-Y = Е'R - Е'Y и E'B-Y = Е'B - Е'Y

При этом:

E'R-Y = 0.70 Е'R - 0.59 Е'G - 0.11 Е'B

E'B-Y = 0.89 Е'B - 0.30 Е'R - 0.59 Е'G

Как следует из приведенных соотношений, в приемнике можно восстановить сигнал

E'G-Y = - 0.51 E'R-Y - 0.19 E'B-Y

Особенностью цветоразностных сигналов является то, что они не несут информации о яркости. При передаче участков белого или серого (Е'R = Е'G = Е'B) цветоразностные сигналы равны нулю.

Формирование яркостного, цветоразностных сигналов и восстановление сигналов основных цветов производят с помощью резистивных делителей в соответствии с соответствующими весовыми коэффициентами.

В телевизионном приемнике сигналы основных цветов могут быть восстановлены непосредственно в электронном прожекторе цветного кинескопа.

Как уже отмечалось спектр частот цветоразностных сигналов может быть выбран меньшим по сравнению со спектром яркостного сигнала. Спектр частот цветоразностных сигналов может быть ограничен без заметного ухудшения качества цветного изображения: в стандартной системе 625/50/2:1 - до 1,5-2,0 МГц. Однако, даже если в упомянутой системе 625/50/2:1 спектры сигналов ограничить значениями ?Ymax = 6 МГц, ?(R-Y)max = 1,5 МГц, ?(B-Y)max = 0,5 МГц, потребуются дополнительные меры для передачи этих сигналов по стандартному радиоканалу с полосой 8 МГц. В наиболее используемых в настоящее время системах вещательного телевидения NTSC, PAL и SECAM по-разному решают задачу уплотнения телевизионного спектра.

Системы цветного телевидения с частотным уплотнением спектра.

Передача в стандартном радиоканале яркостного и цветоразностных сигналов основана на использовании линейчатости структуры спектра телевизионного сигнала.

Поскольку составляющие спектра сигнала являются гармониками частот горизонтальной m?X и вертикальной n?Y, разверток, в промежутках между гармониками яркостного сигнала можно разместить гармоники цветоразностных сигналов. Для того, чтобы составляющие цветоразностных сигналов, например, E'R-Y соответствовали середине интервалов гармоник яркостного сигнала, нужно, чтобы частота цветовой поднесущей ?С(R-Y) была бы нечетной гармоникой половины строчной частоты:

?С(R-Y) = [m+(m+1)] ?X/2 = (2m+1) ?X/2

Такой сигнал может быть принят черно-белым приемником. Цветоразностные сигналы, находящиеся в спектре яркостного сигнала, практически не влияют на качество черно-белого изображения.

Система цветного телевидения NТSС(National Television System Committee). Такая система основана на использовании одной поднесущей для передачи цветоразностных сигналов. В ней применяют квадратурную модуляцию -- сигналы E'R-Y и E'B-Y , имеющие сокращенную полосу частот по сравнению с сигналом Е'Y, модулируют поднесущие с частотой ?С, сдвинутые по фазе на угол ? = ?/2.

На выходе сумматора имеем:

Е'C = E'R-Y соs2??С t + E'B-Ysin2??С t

Сигнал Е'C может быть представлен в векторной форме (рис. 2,б).

Его модуль lЕ'C l = v (E'R-Y)2 + (E'B-Y)2 , угол ? = агсtg[(E'R-Y )/( E'B-Y)].

В соответствии с изменением цвета передаваемого участка изображения изменяются значения цветоразностных сигналов, что приводит к изменению Е'C. Изменение отношения сигналов E'R-Y и E'B-Y , как видно из выражения, приводит к изменению направления вектора. Изменение же этих сигналов при сохранении их соотношения приводит к изменению амплитуды сигнала, т.е. модуля Е'C.

Найдем положение некоторых характерных сигналов на векторной диаграмме. При E'R-Y = E'B-Y = 0, Е'C =0 - эта точка (начало координат векторной диаграммы) в зависимости от амплитуды яркостного сигнала, соответствует белому цвету, серому или черному. Таким образом, направление вектора Е'C(?) определяется цветовым тоном передаваемого участка изображения, его модуль - насыщенностью цвета. Полученная векторная диаграмма является вариантом диаграммы цветности.

Для того чтобы частота поднесущей была нечетной гармоникой половины строчной частоты, предусмотрена связь генератора с синхрогенератором.

Далее сформированный сигнал Е'C суммируют с яркостным Е'Y , включающим сигналы синхронизации, гашения и др..

Для выделения из полного видеосигнала сигналов цветности в телевизионных приемниках рассматриваемой системы используют синхронное детектирование. Видеосигнал с выхода видеодетектора телевизионного приемника подвергается фильтрации для подавления низкочастотных составляющих, лежащих вне спектра цветоразностных сигналов. Этим уменьшается проникновение значительной (низкочастотной) части сигнала яркости в канал цветности.

На второй их вход подается сигнал от местного генератора. При этом на выходе синхронного детектора образуется сигнал, являющийся произведением входных сигналов:

E''R-Y = UC E'R-Y соs2??С t соs2??С t + UC E'B-Ysin2??С t соs2??С t =

= E'R-Y + E'R-Y соs4??С t + E'B-Ysin4??С t ,

где постоянные множители перед слагаемыми приняты равными 1.

Второе и третье слагаемые -- высокочастотные составляющие, подавляемые фильтром низких частот (ФНЧ), первое слагаемое является цветоразностным сигналом E'R-Y. Цветоразностный сигнал E'B-Y формируется аналогично.

Непременным условием неискаженного формирования цветоразностных сигналов является равенство частот и фаз колебаний генераторов синхронного детектора приемника и балансного модулятора.

Для фазирования генераторов приемных устройств в полный телевизионный сигнал во время обратного хода по строкам добавляют высокочастотный сигнал цветовой синхронизации, частота и фаза которого равны частоте и фазе поднесущей балансного модулятора передающей стороны, а размах составляет 0,9 от амплитуды синхросигнала.

В телевизионном приемнике резонансным усилителем этот сигнал выделяется и используется для управления генератором частоты цветовой поднесущей ?С = 3.57954 МГц.

При необходимости для управления электронными прожекторами цветного кинескопа или модуляторами плазменной панели могут быть получены сигналы E'R, E'G, E'B. Сигнал яркости Е'Y выделяется при помощи полосового фильтра. Для наилучшего использования свойств цветового зрения в системе NTSС вместо цветоразностных сигналов используют Е'I и Е'Q, оси которых по векторной диаграмме (см. рис. 1,б) повернуты на 33°.

Цветоразностные сигналы, как было отмечено выше, могут передаваться в сокращенной полосе частот. С учетом рассмотренных ранее особенностей восприятия мелких деталей цветного изображения удается ограничиться полосами частот цветоразностных сигналов Е'I - 1,5 МГц, Е'Q - 0,5 МГц. Таким образом, крупные детали, которым соответствуют в сигнале частоты до 0,5 МГц, передаются тремя составляющими, более мелкие -- до 1,5 МГц, -- двумя, мелкие детали, которым соответствуют сигналы свыше 1,5 МГц -- только яркостной составляющей (черно-белыми). Спектр полного сигнала этой системы приведен на рис.2,б.

Учитывая, что каждому цветовому тону соответствует определенный фазовый угол ?, изменение его в тракте передачи сигнала может привести к цветовым искажениям. Следовательно, фазовая характеристика тракта передачи должна быть линейной.

Экспериментально установлено, что допустимые изменения фазового угла, при которых не происходит заметных изменений цветового тона, не превышают 5°.

Систему NTSC используют радиовещательные компании США, Японии и других стран.

Система цветного телевидения РАL (Рhase Аltегnаtiоn linе).

Эта система отличается от NTSC отсутствием влияния фазовых искажений на качество цветопередачи. Для этого используют квадратурную модуляцию с изменением фазы поднесущей от строки к строке для одного из цветоразностных сигналов. При этом

Е'C = H(t) Vсоs2??С t + Usin2??С t

где H(t) - функция коммутации, изменяющая свой знак от строки к строке.

Выражение для Е'С можно представить и в комплексной форме:

Е'С = U + јV

В соответствии с этим векторные диаграммы сигналов цветности в двух смежных строках Е'Ci и Е'C(i+1) имеют вид, представленный на рис. 4 пунктиром.

Для пояснения отсутствия влияния фазовых искажений на качество цветопередачи рассмотрим принцип обработки сигналов в кодере и декодере системы PAL.

Если в тракте передачи сигнала происходит сдвиг квадратурно- модулированого сигнала Е'С относительно исходного сигнала на угол ??, то в приемном устройстве соседних строк последовательно будут зафиксированы сигналы E'Ci и E'C(i+1).

Для последующей обработки сигналов цветности в приемнике необходимо, чтобы сигналы двух смежных строк существовали одновременно. Для этого используют запоминающее устройство на время передачи одной строки ТX (рис. 5,б). Такое устройство памяти может быть реализовано на дискретных элементах памяти, например линейке ПЗС или ультразвуковой линии задержки. Сигналы двух смежных строк в приемнике можно представить как

Если изменить полярность сигнала на противоположную (? = ? на рис. 5,а) и сформированный сигнал просуммировать с сигналом, то получим:

Сигнал указан на рис. 4 пунктиром. Именно этот сигнал далее подлежит синхронному детектированию. Вектор занимает положение на диаграмме, определяемое углом ?, т.е. независимо от фазового сдвига ?? восстанавливается истинное положение этого вектора; следовательно, в результате синхронного детектирования может быть реализована неискаженная передача цветового тона.

Использование рассмотренного метода обработки сигнала приводит к полной компенсации фазовых ошибок (погрешностей воспроизведения цветового тона). Остальные преобразования сигналов в передающей и приемной частях аналогичны преобразованиям в системе NTSC.

В системе NTSC, как было отмечено выше, для снижения видности проникающих в канал яркости сигналов цветности частота цветовой поднесущей выбиралась равной нечетной гармонике половины строчной частоты

?С = (2m+1) ?X/2

В системе РАL такой выбор частоты цветовой поднесущей совместно с изменением фазы сигнала V на ? = ? от строки к строке и от кадра к кадру привел бы к суммарному изменению фазы на 2 ?, что равносильно строгому сохранению фазы цветовой поднесущей на изображении. Механизмы компенсации цветовой поднесущей оказались бы неосуществимыми. В связи с этим в системе PAL частота цветовой поднесущей рассчитывается по формуле

?С = (m+1/4) ?X + ?Y/2

и равна 4,4336 МГц. Спектр полного сигнала этой системы приведен на рис.2,в.

Систему РАL используют радиовещательные компании Германии, Англии, Австрии, Финляндии, Австралии и других стран.

Система цветного телевидения SЕСАМ (Sequentieal couleur a memoire).

Данная система базируется на последовательной передаче двух цветоразностных сигналов с заменой их от строки к строке.

Восстановление сигнала в приемнике обеспечивается благодаря применению запоминающего устройства на время передачи одной строки. Выше было дано подробное обоснование возможности сокращения полосы частот цветоразностных сигналов за счет использования особенностей восприятия цвета мелких деталей изображения.

Очевидно, что эти особенности зрения могут позволить увеличивать размер деталей, передаваемых с цветовыми искажениями или даже в черно- белом варианте не только в горизонтальном, но и в вертикальном направлениях. В связи с этим возможно передавать полную информацию о цвете не в каждой строке, а через строку.

В системе SЕСАМ цветоразностные сигналы передаются поочередно: в одной строке - Е'R-Y, в другой -- Е'B-Y и т.д. Для этого электронный коммутатор, управляемый импульсами с частотой ?X/2, поочередно подключает к выходу источники сигналов DR и DB.

В приемнике оба сигнала могут быть восстановлены в каждой строке благодаря использованию устройства памяти на время ТX и электронного коммутатора.

Таким образом, если на входе устройства памяти будет сигнал Е'R-Y(DR), то на выходе - Е'B-Y (DB) и наоборот. Если коммутатор переключать с периодом строк, то на одном из его выходов постоянно будет сигнал Е'R-Y(DR), на другом Е'B-Y (DB). Предполагается, что цветовое содержание в двух соседних строках одинаково. Если проследить последовательность передачи информации о яркости и цветности каждого элемента изображения, то нетрудно убедиться в том, что полное цветное изображение передается за два кадра. Сигнал яркости Е'Y в полной полосе частот передают в каждой строке, чем обеспечивают четкость изображения как по горизонтали, так и по вертикали. Цветоразностные сигналы в системе SЕСАМ передаются с использованием частотной модуляции. Последовательная передача частотно-модулированных цветоразностных сигналов делает систему нечувствительной к упомянутым выше фазовым искажениям, а также приводит к отсутствию перекрестных искажений между цветоразностными сигналами благодаря разделению их во времени.

В качестве цветоразностных сигналов в системе SЕСАМ используют сигналы DR и DB, получаемые перемножением коэффициентов kR = -1.9 и kB = 1.5 соответственно на Е'R-Y и Е'B-Y. Выбор величины коэффициентов связан с улучшением совместимости и повышением помехоустойчивости системы. При частотной модуляции диапазоны девиации частоты во время передачи сигналов Е'R-Y и Е'B-Y различаются. Введением коэффициентов kR и kB позволяет выровнять диапазоны изменения сигналов, что облегчает оптимизацию частотного модулятора. Введение знака минус перед коэффициентом kR связано с особенностями статистических характеристик цветных изображений, которые приводят к преобладанию в сигнале Е'R-Y положительных компонентов, в то время как в сигнале Е'B-Y преобладают отрицательные компоненты.

Сигналы DR и DB подвергают низкочастотным пред искажениям за счет подъема высокочастотных составляющих спектра цветоразностных сигналов. Их осуществляют до модуляции (рис. 6). Вводимые пред искажения служат повышению отношения сигнал/помеха из-за увеличения глубины модуляции высокочастотной части сигналов.

Степень пред искажений строго нормируется, так как в приемных устройствах с ней должна быть взаимно согласована цепь коррекции, восстанавливающая исходное частотное распределение сигнала изображения. Цветоразностные сигналы в системе SЕСАМ ограничивают по спектру фильтром низких частот (ФНЧ) с полосой пропускания (0 - 1,5) МГц. Спектр обеспечивает в системе следующие параметры: затухание З дБ на частоте 1,3 МГц и З0 дБ на частотах свыше З МГц.

После частотной модуляции цветоразностных сигналов осуществляют высокочастотные пред искажения подъемом амплитуд боковых составляющих спектра сигнала относительно амплитуды цветовой поднесущей частоты ?СО.

Помехоустойчивость систем связи с частотной модуляцией тем выше, чем выше индекс модуляции (отношение девиации частоты к высшей частоте модулирующего сигнала). В рассматриваемой телевизионной системе увеличение индекса модуляции ограничивается возможностями расширения спектра цветовых сигналов. Это приводит к появлению недопустимых помех в яркостном канале (ухудшению совместимости). При этом высокочастотные пред искажения позволяют повышать помехоустойчивость системы без увеличения индекса модуляции.

При приеме частотно-модулированных сигналов помехи на выходе частотного детектора тем выше, чем больше отклонение частоты принимаемого сигнала от частоты поднесущей. Поэтому вводят высокочастотную предкоррекцию: частотно-модулированный сигнал цветности подвергается амплитудным пред искажениям с последующим ослаблением на приемной стороне.

Размах цветовой поднесущей на частоте ?СО устанавливают (23 ± 2,5)% от значения яркостного сигнала(от уровня гасящих импульсов до уровня белого). Это приводит к уменьшению заметности цветовой поднесущей при передаче черно-белых и малонасыщенных деталей изображения, поскольку сигналы DR и DB близки к нулю и девиация частоты минимальна.

В канале цветности приемника цветного телевидения яростный сигнал является помехой. В частотном диапазоне канала цветности энергия яркостного сигнала для большинства передаваемых сюжетов невелика. Рассматриваемая предкоррекция сводится к увеличению амплитуды сигналов цветности в те отрезки времени, когда размах яркостного сигнала превышает заданное пороговое значение (как правило, 70% номинальной амплитуды поднесущей). Для этого в цепь яркостного сигнала включается полосовой фильтр, с выхода которого сигнал управляет соответствующим модулятором в канале цветности. Такое относительное увеличение амплитуды сигналов цветности по отношению к яркостному сигналу приводит к уменьшению мешающего действия последнего в канале цветности.

В приемнике дополнительная амплитудная модуляция подавляется ограничителем частотно-модулированных сигналов. Точные значения этих частот для системы SЕСАМ были установлены исходя из условий их кратности частоте строчной развертки:

?СR = (4406,25 ± 2) кГц;

?СB = (4250,00 ± 2) кГц;

Переключение частот осуществляется электронным коммутатором.

В системе SЕСАМ после введения высокочастотных пред искажений перед суммированием сигнала цветности производят периодическое изменение его фазы на ?. Эти изменения производят через две строки на третью и в каждом поле, что приводит к снижению видности на изображении несущих частот сигнала цветности, попадающей в канал яркости.

В связи с поочередной передачей сигналов DR и DB в приемном устройстве в любой момент времени необходимо иметь информацию о цветности. Для этого в сигнал синхронизации вводят сигналы опознавания, передаваемые в течение интервала кадрового гасящего импульса (с 7-й по 15-ю строку нечетного поля и с 320-й по 328-ю - четного). Назначение этих сигналов сводится к установлению правильной фазы коммутатора декодирующего устройства приемника, а также к выключению канала цветности во время приема сигналов черно-белой программы. Во время передачи сигнала DR (красная строка) частота сигнала опознавания изменяется от

?СR до ?СR + ??

по линейному закону. Далее, до окончания активной части строки, частота сигнала остается неизменной.

Во время передачи сигнала DB(синяя строка) частота сигнала опознавания изменяется от

?СB до ?СB + ??

В приемнике сигналы цветовой синхронизации выделяются частотными детекторами и управляют работой коммутатора декодирующего устройства.

Систему цветного телевидения SEСАМ используют в России, Франции и других странах.

Временное уплотнение сигналов в системах цветного телевидения.

Разработка систем с временным уплотнением телевизионного сигнала в канале связи стимулировалась стремлением к улучшению качества изображения и звука, в первую очередь, за счет устранения перекрестных искажений яркость - цветность, введения высококачественного стереозвука, создания систем ТВЧ и др. Этому способствовала также разработка быстродействующих модулей цифровой строчной и кадровой памяти. Временное уплотнение сигналов используют в разработанной в Японии системе, базирующейся на кодировании с многократной субнайквистовой дискретизацией МUSE, а также европейских стандартах, использующих сжатие аналоговых компонентов МАС, С-МАС, D-МАС, D2-МАС, НD-МАС.

В настоящее время в связи с внедрением стандарта DVB данные системы практически не используются, поэтому нами рассматриваться не будут.

ЛЕКЦИИ 19-20 ПЕРЕДАЧА СИГНАПОВ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ ПО КАНАЛАМ СВЯЗИ. СТАНДАРТ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ DVB

DVB Project (Digital Video Broadcasting Project - Проект цифрового видеовещания) - это организация, занимающаяся разработкой стандартов в области цифрового телевидения для Европы. Она создана в 1993 году, и ее членами в настоящее время являются более 300 компаний, производящих оборудование для телевизионного вещания, занимающихся телевизионным вещанием и связью, научно-исследовательских организаций и т.д. Штаб-квартира DVB Project находится в Женеве (Швейцария).

Стандарты, подготавливаемые DVB Project, затем представляются на утверждение в европейские организации по стандартизации. Принятие стандартов позволяет унифицировать средства телевизионного вещания, элементную базу телевизионных приемников и другой аппаратуры. Это является необходимым условием успешного внедрения цифрового телевидения.

В результате работы DVB Project уже в 1994 году были выработаны основные положения стандарта DVB-C для кабельного телевизионного вещания и стандарта DVB-S спутникового телевизионного вещания.

Работа над стандартом наземного (т.е. обычного, эфирного) телевизионного вещания DVB-T (Terrestrial - наземный) была закончена позже, в 1996 году, так как в этом виде вещания внедрение цифрового телевидения столкнулось с наиболее серьезными сложностями.

В основе стандартов DVB лежит стандарт кодирования движущихся изображений и звукового сопровождения MPEG-2.

В стандартах DVB помимо методов кодирования и параметров транспортного потока, описанных в MPEG-2, определены также методы помехоустойчивого кодирования, канального кодирования, модуляции несущих частот, передачи дополнительной информации, защиты информации от несанкционированного доступа (условного доступа к программам) и другие аспекты цифрового телевизионного вещания.

При этом для всех видов телевизионного вещания общей основой являются использование методов MPEG-2 для сжатия изображения и звука, формирование транспортного потока на основе транспортного потока MPEG-2, кодирование с помощью кодов Рида-Соломона. Тем самым достигается значительная степень унификации.

Транспортный поток DVB.

Синтаксис транспортного потока DVB расширен по сравнению с транспортным потоком MPEG-2. Предусмотрены новые типы пакетов, имеющие свои особые идентификаторы (PID). В первую очередь рассмотрим расширенный набор таблиц PSI (Program Specific Information - программно-зависимой информации), содержащих информацию о передаваемых в транспортном потоке телевизионных программах, данных и т.д.

Транспортный поток MPEG-2 содержит три типа таблиц PSI, каждому из которых соответствует свой PID:

1. РМТ (Program Map Table - Таблица состава программ). PID этих таблиц определяется в PAT для каждой программы, передаваемой в транспортном потоке. РМТ содержит перечень всех составляющих данной программы (видео, звук, данные и др.) и значения PID пакетов, в которых передаются эти составляющие.

2. PAT (Program Association Table - Таблица объединения программ). PID=0.

PAT содержит данные о передаваемых в транспортном потоке программах и идентификаторы таблиц РМТ.

3. CAT (Conditional Access Table - Таблица условного доступа). PID=1.

CAT содержит PID пакетов с данными для условного доступа к программам (ключами для дескремблирования и др.).

В стандартах DVB предусмотрены еще 4 типа обязательных таблиц PSI:

1. NIT (Network Information Table - Таблица сетевой информации). PID =0х10 (общепринятая запись для числа в шестнадцатеричной форме, в десятичной форме равного 16). NIT содержит имя сети, к которой относится данный транспортный поток, и перечень остальных транспортных потоков с указанием спутниковых, кабельных или наземных каналов, по которым эти транспортные потоки передаются. Под сетью понимается совокупность транспортных потоков, передаваемых в одной системе доставки (например, одной вещательной компанией).

2. SDT (Service Description Table - Таблица описания служб) PID=0x11.

SDT содержит сведения о службах (видах сервиса), передаваемых в транспортном потоке.

3. EIT (Event Information Table - Таблица информации о событиях). PID=0x12. EIT содержит сведения о событиях, т.е. моментах начала и окончания отдельных программ. Эти сведения необходимы для работы электронного путеводителя по программам (EPG - Electronic Program Guide).

4. TDT (Time and Data Table - Таблица времени и даты): PID=0x14.

TDT содержит всемирное координированное время (UTC - Universal Time Coordinated), по которому может устанавливаться текущее время в приемнике.

Помимо этого, могут передаваться еще необязательные таблицы и таблицы NIT, EIT и SDT других транспортных потоков.

Перечисленные таблицы дают возможность пользователю не только выбирать программу в данном транспортном потоке, но и получать информацию о программах в других транспортных потоках данной сети, чтобы выбирать программу в них и переходить на нужный канал вещания.

Стандарты DVB допускают возможность вводить дополнительные, не описанные в стандарте, пакеты данных с особыми идентификаторами. В этих пакетах ведущая вещание телевизионная компания может передавать ключи к шифрам условного доступа, так называемые навигаторы или гиды (EPG -Electronic Program Guide), т.е. системы меню и таблиц для поиска нужной передачи и программирования времени включения телевизионного приемника для просмотра или записи выбранной передачи, а также другую информацию.

В последние годы в телевидении наблюдается возобновление интереса к эфирным каналам.

Использование сетей относительно маломощных передатчиков и ретрансляторов СВЧ-диапазона позволяет охватить телевизионным вещанием территории с различной плотностью застройки. Низкий уровень излучаемой мощности делает эти системы безопасными для здоровья населения. При этом стоимость развертывания такой сети в городских условиях оказывается существенно ниже стоимости строительства традиционных широкополосных кабельных сетей.

Большее распространение во многих странах получила система телевизионного вещания MMDS (Multichannel Microvave Distribution System), работающая в диапазоне 2,5...2,7 ГГц (для России и стран СНГ). В этом диапазоне размещается 24 канала по 8 МГц. Передача сигналов цифрового телевидения может осуществляться с применением 2-ФМ или 4-ФМ. Приемное оборудование включает небольшую антенну типа «волновой канал», параболическую или другого типа и конвертор ДМВ или MB диапазонов. Дальнейшая обработка сигнала в основном такая же, как в приемном тракте спутникового цифрового ТВ.

Хорошие перспективы имеют системы сотового телевидения, которые как и системы сотовой радиосвязи, основаны на использовании большого количества относительно маломощных передатчиков СВЧ-диапазона, каждый из которых обслуживает небольшую территорию.

Наличие в сети множества ячеек позволяет предлагать пользователям свой набор ТВ-программ в каждой их них, что выгодно отличает сеть сотового ТВ от существующих систем эфирного ТВ-вещания в метровом и дециметровом диапазонах.

К системам сотового телевидения относятся LMDS (Local Multipoint Distribution System - система местного многоточечного распределения), работающая в диапазоне частот 27,5...29,5 ГГц, и MVDS (Multipoint Video Distribution System - система многоточечного распределения видео), работающая в диапазоне частот 40,5...42,5 ГГц. Известны варианты таких систем и для работы в других частотных диапазонах: 24, 31 и 38 ГГц.

В полосе частот 2 ГГц с помощью этих систем можно передавать от 96 до 128 аналоговых ТВ-каналов или в несколько раз больше цифровых. При этом передача радиосигналов осуществляется на экологически безопасных уровнях мощности 100..300 мВт на канал.

Абонентское оборудование системы сотового телевидения во многом аналогично используемому для приема спутниковых каналов, но, благодаря более высокому уровню мощности принимаемого сигнала, приемные антенны меньше по размерам (диаметр около 150 мм для 40 ГГц и 250 мм для 28 ГГц) и дешевле. Так как антенна остронаправленная, то принимаются сигналы только того передатчика, на который она нацелена.

Перспективность новых методов ТВ-вещания нашла отражение в стандартах DVB. Методы передачи программ цифрового телевидения для частот выше 10 ГГц описаны в стандарте DVB-MS, который является развитием стандарта DVB-S для спутникового ТВ, а для частот ниже 10 ГГц - в стандарте DVB-MC, основанном на стандарте DVB-C для кабельного ТВ.

В цифровых телевизионных системах по каналам связи должен передаваться цифровой сигнал - транспортный поток DVB. Этот цифровой сигнал необходимо передавать в выделенной для данного канала связи полосе частот. При этом необходимо решать задачи модуляции несущего колебания цифровым сигналом и защиты от помех. Методы, используемые при передаче цифрового сигнала, существенно отличаются от традиционных методов передачи аналоговых сигналов.

Одним из главных требований к системам цифрового телевидения является использование существующих каналов телевизионного вещания. Невыполнение этого требования привело бы к необходимости менять сложившееся распределение частотных диапазонов по каналам, заменять передающие и приемные антенны, переходить к использованию более широкополосных передатчиков и радиочастотных трактов ТВ приемников. Скорость передачи двоичных символов на выходе кодера МРЕG-2 основного уровня основного профиля достигает 15 Мбит/с.

Максимальная эффективность использования полосы частот канала связи при передаче двоичного сигнала с простой амплитудной манипуляцией, когда амплитуда несущей может принимать два значения, составляет 1 (бит/с)/Гц. Следовательно, для передачи сигнала цифрового телевидения необходима полоса частот до 15 МГц, что превышает ширину полосы частот стандартных каналов телевизионного вещания (8 МГц в Европе и 6 МГц в США и Японии).

Поэтому для передачи сигналов цифрового телевидения, особенно если надо передавать сигналы нескольких программ обычной четкости в одном канале или сигнал ТВЧ, необходимо увеличивать эффективность использования полосы частот канала связи, что достигается применением более сложных методов модуляции несущей.

Другое важнейшее требование к системе цифрового телевидения -- обеспечение высокой помехоустойчивости.

Как известно, цифровая информация передается в виде двоичных символов -- единиц и нулей.

Из двоичных символов состоят кодовые комбинации (кодовые слова), каждая из которых может содержать информацию, например, о букве, цифре или, в случае цифрового телевизионного сигнала, о значении одного отсчета этого сигнала. В результате действия шумов и помех отдельные двоичные символы могут быть приняты с ошибкой. Интенсивность ошибок характеризуется их относительной частотой ?ош[ош/дв.символ], показывающей вероятность того, что принятый отдельный двоичный символ ошибочен. В англоязычной технической литературе эта величина обычно называется ВЕR (Вit Еrгor Rate -- частота ошибок на бит).

Отметим основные причины возникновения ошибок:

- действие шумов различной природы (тепловой шум, шум генерации-рекомбинации, фликкер-шум и т.д.), в основном проявляющееся во входных каскадах приемной аппаратуры;

- индустриальные и атмосферные помехи;

- помехи, создаваемые радиопередатчиками, работающими в этой же полосе частот в соседних местностях (интерференция);

-- многолучевое распространение радиоволн, возникающее из-за отражений от зданий и сооружений и от поверхности земли.

Ошибки могут быть одиночные и пакетные (групповые). Одиночные ошибки не зависят друг от друга. Пакетные ошибки искажают сразу несколько соседних двоичных символов. Например, вследствие действия достаточно продолжительной импульсной помехи несколько идущих подряд двоичных символов становятся равными нулю или единице.

Традиционными способами повышения помехоустойчивости являются увеличение мощности передатчика, выбор антенны с оптимальными для данного случая параметрами, уменьшение шумов в приемниках путем применения малошумящих полупроводниковых приборов или охлаждения входного каскада приемника, рациональное планирование использования радиоканалов на смежных территориях.

Однако все эти методы имеют ограничения, связанные с реальными техническими возможностями, конечной шириной доступного диапазона длин волн, стоимостью аппаратуры и т.д. В случае передачи цифровых сигналов значительное повышение помехоустойчивости может быть достигнуто путем применения кодов, исправляющих ошибки. Кроме того, выбранный метод модуляции также должен способствовать повышению помехоустойчивости.

Перемежение и скремблирование.

Одним из эффективных методов уменьшения влияния пакетных ошибок является перемежение или перемешивание. Данные, перед передачей по каналу связи, переставляются в заданном порядке, а в приемной части восстанавливается исходный порядок, т.е. выполняется деперемежение. При этом пакетная ошибка, возникшая в канале связи, превращается в набор рассредоточенных во времени одиночных ошибок, которые проще обнаруживаются и исправляются с помощью кодов, исправляющих ошибки.

Пример перемежения и деперемежения показан на рис.

Исходный цифровой сигнал представляет собой последовательность 4-разрядных двоичных слов, передаваемых бит за битом (рис.). Перемежение выполняется в пределах каждых 4 слов, т.е. в пределах отрезка цифрового сигнала, содержащего 16 бит. Числа показывают номера битов в этом отрезке. В результате перемежения биты переставляются (рис.). Биты, искаженные действием пакетной ошибки, отмечены звездочками. В результате деперемежения восстанавливается исходный порядок битов и искаженные биты рассредоточиваются.

Переставляться могут не только отдельные биты, но и группы битов, например, байты. В стандартах цифрового телевидения DVB перемежение выполняется в пределах пакетов транспортного потока после кодирования Рида - Соломона (см. далее), в результате которого размер пакетов увеличивается с 188 до 204 байтов. Каждый пакет разбивается на 12 групп по 17 байтов. Сначала передаются первые байты всех групп, т.е. байты с номерами 1, 18,...171, 188, затем -- вторые байты групп: 2, 19,...172, 189 и т.д. В конце передаются последние байты групп, имеющие номера 17, 34,...187, 204. Таким образом, в процессе перемежения различные байты смещаются на расстояния от 0 до 176 позиций в пределах пакета транспортного потока. В приемной части восстанавливается исходный порядок следования байтов.

Перемежение можно использовать и для шифровки передаваемого сигнала, так как восстановление правильного порядка символов возможно только при знании закона перестановки.

Термином скремблирование в стандарте МРЕG-2 называют изменение характеристик потока данных (видео, аудио или другой информации) с целью предотвращения несанкционированного получения этой информации в неискаженном виде. Дескремблирование это обратная операция, т.е. обратное изменение характеристик потока данных.

В цифровых системах передачи информации, в частности, в цифровом телевидении, для скремблирования к передаваемому цифровому сигналу добавляют мешающий сигнал, в качестве которого, как правило, используют псевдослучайные последовательности (ПСП).

Это последовательности чисел, в частности -- битов, которые обладают многими свойствами случайных сигналов. Нули и единицы в ПСП расположены вроде бы хаотически, но на самом деле каждая ПСП формируется в соответствии с алгоритмом, который можно описать небольшим количеством параметров.

При таком методе скремблирования каждый бит передаваемого цифрового сигнала складывается по модулю 2 с очередным битом ПСП. Правила суммирования по модулю 2 просты: 0 0 = 0; 1 0 = 1; 1 1 = 0. Из этих правил следует, что если какой-либо бит два раза сложить по модулю 2 с одним и тем же двоичным символом, то снова получим исходный бит. Поэтому для дескремблирования необходимо сложить по модулю 2 каждый бит скремблированного цифрового сигнала с тем же битом той же ПСП.

Следовательно, для дескремблирования в приемнике надо формировать точно такую же ПСП, какая использовалась для скремблирования в передающей части. Для этого в приемник тем или иным способом передаются параметры алгоритма формирования ПСП. Не получив эти параметры, невозможно дескремблировать принятый сигнал. Возможен и такой вариант ограничения доступа: алгоритм формирования ПСП известен, но неизвестно, какой именно участок ПСП используется для скремблирования. В этом случае в состав ключа к шифру должен входить указатель на начало используемого участка ПСП.

Скремблирование путем сложения по модулю 2 с ПСП применяется в DVB и в случаях, когда ограничение доступа не требуется, т.е. для бесплатных ТВ программ. Дело в том, что такое скремблирование приближает свойства передаваемого сигнала к свойствам шума. При этом энергия более равномерно распределяется по полосе частот передаваемого сигнала, что способствует более эффективному использованию канала связи и повышению помехоустойчивости. Соответственно, в приемнике всегда должно выполняться дескремблирование.

Коды, исправляющие ошибки.

Помехоустойчивое кодирование передаваемой информации позволяет в приемной части системы обнаруживать и исправлять ошибки. Коды, применяемые при помехоустойчивом кодировании, называются корректирующими кодами или кодами, исправляющими ошибки.

Если применяемый способ кодирования позволяет обнаружить ошибочные кодовые комбинации, то в случае приема изображения можно заменить принятый с ошибкой элемент изображения на предыдущий принятый элемент или на соответствующий элемент предыдущей строки или предыдущего кадра. При этом заметность искажений на экране телевизионного приемника существенно уменьшается. Такой способ называется маскировкой ошибки. Более совершенные корректирующие коды позволяют не только обнаруживать, но и исправлять ошибки. Как правило, корректирующий код может исправлять меньше ошибок, чем обнаруживать. Количество ошибок, которые корректирующий код может исправить в определенном интервале последовательности двоичных символов, например, в одной кодовой комбинации, называется исправляющей способностью кода.

Основной принцип построения корректирующих кодов заключается в том, что в каждую передаваемую кодовую комбинацию, содержащую k информационных двоичных символов, вводят р дополнительных двоичных символов, в результате чего получается новая кодовая комбинация, содержащая n = k + р двоичных символов. Такой код будем обозначать (n,k).

Доля информационных символов в нем характеризуется относительной скоростью кода, определяемой как:

R = k/n = k/k+p

Количество возможных кодовых комбинаций кода (n,k) равно 2n. Из них передаваться могут 2k кодовых комбинаций, называемых разрешенными. Остальные 2n - 2k кодовые комбинации являются запрещенными. Появление одной из этих запрещенных комбинаций в приемной части означает, что имеется ошибка.

Для оценки способности кода обнаруживать и исправлять ошибки используется понятие кодового расстояния (расстояния Хемминга). Кодовое расстояние между кодовыми комбинациями определяется как число двоичных разрядов, в которых эти комбинации различаются. Например, кодовое расстояние между кодовыми комбинациями 0001 и 0011 равно 1, а между комбинациями 0000 и 1111 равно 4.

Если разрешенные кодовые комбинации выбраны таким образом, что при изменении любого двоичного символа разрешенная кодовая комбинация переходит в запрещенную, то такой корректирующий код позволяет обнаруживать одиночные ошибки в отдельных кодовых комбинациях.

Одиночная ошибка переводит исходную кодовую комбинацию в кодовую комбинацию, отстоящую от нее на d= 1. Следовательно, для обнаружения одиночных ошибок необходимо, чтобы кодовое расстояние между любыми двумя разрешенными кодовыми комбинациями корректирующего кода было не менее 2. Для обнаружения r1 ошибок в кодовой комбинации необходимо, чтобы кодовое расстояние между двумя разрешенными кодовыми комбинациями удовлетворяло неравенству

d ? r1 +1

Один из самых простых и известных примеров помехоустойчивого кодирования - проверка на четность. В каждую кодовую комбинацию вводится один дополнительный двоичный символ хр, называемые контрольным или проверочным битом. Этот бит устанавливается равным 1, если сумма единиц в исходной кодовой комбинации равна нечетному числу, и равным 0 в противоположном случае. Данное правило выражается соотношением:

xp = х1 x2 ... xk

где х1,.... хk - двоичные символы исходной кодовой комбинации.

Если в приемной части системы один из двоичных символов кодовой комбинации принят с ошибкой, значение контрольного бита не будет удовлетворять равенству (2). Это несоответствие будет обнаружено специальной схемой и явится признаком того, что произошла ошибка.

Таким образом, проверка на четность позволяет обнаруживать одиночные ошибки, но не позволяет их исправлять. Данный метод широко применяется в вычислительной технике, где наличие хотя бы одного ошибочного бита недопустимо.

Для исправления одиночных ошибок необходимо, чтобы кодовое расстояние между любыми двумя разрешенными кодовыми комбинациями корректирующего кода было не менее 3. В этом случае принятая запрещенная кодовая комбинация заменяется ближайшей к ней разрешенной. Так как ошибки одиночные, то переданная разрешенная кодовая комбинация отстоит от принятой запрещенной кодовой комбинации на 1, а остальные разрешенные кодовые комбинации - не менее чем на 2. В этом случае ошибка надежно исправляется. В общем случае для коррекции r2 ошибок в кодовой комбинации кодовое расстояние d между любыми двумя разрешенными кодовыми комбинациями должно удовлетворять неравенству

d ? 2r2 + 1

Для увеличения кодового расстояния между разрешенными кодовыми комбинациями необходимо увеличивать число р контрольных символов в передаваемых кодовых комбинациях. Известно соотношение

dmin = p + 1 = n - k + 1

где dmin - минимальное кодовое расстояние между двумя разрешенными кодовыми комбинациями. Чтобы при этом относительная скорость кода не стала чрезмерно малой, необходимо в соответствии с (1) увеличивать и число k информационных символов в кодовой комбинации.

Построение кода с заданными n и k может осуществляться разными способами. Есть хорошо разработанные математические методы решения этой задачи и обширная литература. Для цифрового телевидения большое значение имеет возможность коррекции пакетных ошибок, искажающих сразу несколько соседних двоичных символов. Кроме того, при выборе кода для системы цифрового телевидения необходимо обеспечить по возможности простой метод декодирования, так как декодер должен быть в каждом телевизионном приемнике.

В современных системах цифрового телевидения для обеспечения помехоустойчивой передачи телевизионных сигналов по каналу связи используют коды Рида-Соломона. Чтобы получить некоторое представление об этих кодах посмотрим, какое место они занимают в классификации корректирующих кодов.

Корректирующие коды разделяются на блочные и сверточные (непрерывные). Блочные коды основаны на перекодировании исходной кодовой комбинации(блока), содержащей k информационных символов, в передаваемую кодовую комбинацию, содержащую n > k символов.

Дополнительные n-k символов зависят только от k символов исходной кодовой комбинации.

Следовательно, кодирование и декодирование осуществляются всегда в пределах одной кодовой комбинации(блока). В противоположность этому в сверх точных кодах кодирование и декодирование осуществляются непрерывно над последовательностью двоичных символов.

Блочные коды бывают разделимые и неразделимые. В разделимых кодах можно в каждой кодовой комбинации указать, какие символы являются информационными, а какие проверочными. В неразделимых кодах такая возможность отсутствует.

Следующая ступень классификации -- систематические коды. Они отличаются тем, что в них проверочные символы формируются из информационных по определенным правилам, выражаемым математическими соотношениями. Например, каждый проверочный символ хpj получается как линейная комбинация информационных символов

xpj = (b1j x1) (b2j x2) .... (bkj xk)

где b1j,...bkj - коэффициенты, принимающие значения 0 или 1; j = 1,2,...,n - k. Соотношение (2) для формирования контрольного бита проверки на четность является частным случаем (3).

Перейдем к знакомству с циклическими кодами. Пусть имеется кодовая комбинация а0а1а2...аn-1, где а0 - младший разряд кода. Соответствующий ей полином имеет вид

а0 + а1х + ... + аn-1хn-1

где х -- формальная переменная, вводимая только для получения записи кодовой комбинации в виде полинома.

Над полиномами, представляющими кодовые комбинации, определена математическая операция умножения.

Особенность этой операции по сравнению с общепринятой заключается в том, что коэффициенты при х всех степеней суммируются по модулю 2, а показатели степени х при перемножении суммируются по модулю n, поэтому хn = 1.

Циклические коды имеют следующее основное свойство. Если кодовая комбинация а0а1а2...аn-1 является разрешенной, то получаемая из нее путем циклического сдвига кодовая комбинация an-1а0а1а2...аn-2 также является разрешенной в данном коде. При записи в виде полиномов операция циклического сдвига кодового слова сводится к умножению соответствующего полинома на х с учетом приведенных ранее правил выполнения операции умножения.

Введем понятие производящего полинома. Производящим полиномом порядка (n-k) может быть полином со старшей степенью х равной (n-k), на который без остатка делится двучлен (1+хn). Разрешенные кодовые комбинации получаются перемножением полиномов порядка k-1, выражающих исходные кодовые комбинации, на производящий полином.

Циклический код с производящим полиномом g(х) строится следующим образом.

1. Берутся полиномы g(х), хg(х), х2 g(х),..., хk-1 g(х).

2. Кодовые комбинации, соответствующие этим полиномам, записывают в виде строк матрицы G, называемой производящей матрицей.

З. Формируется набор разрешенных кодовых комбинаций кода. В него входит нулевая кодовая комбинация, k кодовых комбинаций, указанных в п.1, а также суммы их всевозможных сочетаний.

Суммирование осуществляется поразрядно, причем каждый разряд суммируется по модулю 2. Общее число полученных таким образом разрешенных кодовых комбинаций равно 2k , что соответствует числу информационных разрядов кода.

Для построения декодера в первую очередь получают производящий полином h(х) порядка k для построения исправляющей матрицы Н:

h(x) = 1+ xn/g(x)

Строками исправляющей матрицы Н будут кодовые комбинации, определяемые полиномами h'(х), х h'(х), ... , хn-k-1 h'(х), где h'(х ) -- это записанный в обратном порядке полином h(х). Исправляющая матрица имеет n столбцов и n-k строк.

При декодировании принятая кодовая комбинация а0а1а2...аn-1 скалярно умножается на каждую строку исправляющей матрицы. Эта операция может быть записана в виде соотношения:

сj = (hj1a1) (hj2a2) ... (hjnan) ,

где hji - элементы j-той строки матрицы Н. Полученные n-k чисел сj образуют исправляющий вектор или синдром. Если ошибок нет, то все сj = 0. Если же при передаче данной кодовой комбинации возникла ошибка, то по тому, какие именно элементы исправляющего вектора отличны от нуля, можно сделать вывод о том, в каких разрядах принятой кодовой комбинации есть ошибка и, следовательно, исправить их.

Рассмотрим пример.

Построим циклический код с n = 7; k = 4. Для этого представим двучлен 1 + х7 в виде произведения:

1 + х7 = (1 +х)(1 + х2 +х3 )(1 +х+х3)

В обычной алгебре это равенство, конечно, не выполняется, но если использовать для приведения подобных вместо обычного сложения операцию суммирования по модулю 2, а при сложении показателей степеней операцию суммирования по модулю 7, то равенство окажется справедливым.

В качестве производящего многочлена возьмем 1 + х + х3. Умножаем его на х, х2 и х3 и получаем многочлены х + x2 + х4 ; х2 + х3 + х5; х3 + х4 + х6. Затем записываем производящую матрицу G, причем в каждой строке матрицы младший разряд кодовой комбинации расположен первым слева.

1 1 0 1 0 0 0

0 1 1 0 1 0 0

G = 0 0 1 1 0 1 0

0 0 0 1 1 0 1

Далее формируем набор из 16 допустимых кодовых комбинаций:

00000000,1101000, 0110100, 0011010, 0001101, 1011100, 0101110, 0010111, 1000110,0100011, 1111111, 1010001, 1000110, 0100011, 1001011.

В этих записях младшие биты слева, а старшие -- справа.

Перемножив первые два сомножителя в (4), получаем производящий многочлен для исправляющей матрицы: 1 + х + x2 + х4. Затем умножаем его на х и х2 и получаем еще две строки этой матрицы, которая в результате имеет такой вид (в отличие от матрицы G здесь младшие разряды соответствующих полиномов расположены справа):

0 0 1 0 1 1 1

Н = 0 1 0 1 1 1 0

1 0 1 1 1 0 0

Пусть принята кодовая комбинация 0001101, входящая в набор допустимых. Найдем скалярные произведения этой кодовой комбинации со всеми строками матрицы Н:

(0 0 0 1 1 0 1)(0 0 1 0 1 1 1) = 0000101 = 0;

(0 0 0 1 1 0 1)(0 1 0 1 1 1 0) = 0001100 = 0;

(0 0 0 1 1 0 1)(1 0 1 1 1 0 0) = 0001100 = 0.

Пусть теперь принята кодовая комбинация 0001100, в которой последний (старший) бит содержит ошибку. Скалярные произведения принятой кодовой комбинации на строки исправляющей матрицы имеют вид:

(0 0 0 1 1 0 0)(0 0 1 0 1 1 1) = 0000100 = 1;

(0 0 0 1 1 0 0)(0 1 0 1 1 1 0) = 0001100 = 0;

(0 0 0 1 1 0 0)(1 0 1 1 1 0 0) = 0001100 = 0.

Таким образом, получен синдром (1, 0, 0). Если ошибка оказывается в другом бите кодовой комбинации, то получается другой синдром.

Одним из важных достоинств циклических кодов является возможность построения кодирующих и декодирующих устройств в виде сдвиговых регистров с обратными связями через сумматоры по модулю 2.

Различные виды циклических кодов получаются с помощью различных производящих полиномов. Среди большого количества циклических кодов к числу наиболее эффективных и широко используемых относятся ВСН-коды.

Например, BCH -код (63, 44), используемый в системе спутникового цифрового радиовещания, позволяет исправить 2 или З ошибки, обнаружить 4 или 5 ошибок на каждый блок из 63 символов. Относительная скорость такого кода равна

R = 44/ 63 = 0,698.

Одним из видов ВСН-кодов являются коды Рида-Соломона. Эти коды относятся к недвоичным кодам, так как символами в них могут быть многоразрядные двоичные числа, например, целые байты. В Европейском стандарте цифрового телевидения DVB используется код Рида-Соломона, записываемый как (204, 188, 8), где 188 количество информационных байтов в пакете транспортного потока МРЕG-2, 204 -- количество байтов в пакете после добавления проверочных символов, 8 - минимальное кодовое расстояние между допустимыми кодовыми комбинациями.

Таким образом, в качестве кодовых комбинаций берутся целые пакеты транспортного потока, содержащие 188 х 8 = 1504 информационных бита, а добавляемые проверочные символы содержат 16 х 8 = 128 битов. Относительная скорость такого кода равна 0,92. Этот код