Основы радиовещания и телевидения

в DVB-T2) должно быть максимально простым. Соответственно, при разработке новых стандартов, по возможности, должны использоваться те же механизмы, что и в существующих стандартах.

Поэтому две ключевые технологии DVB-Т2 позаимствованы из стандарта DVB-S2. Это:

- cсистемная архитектура транспортных потоков, в первую очередь, инкапсуляция данных в низкочастотные Base Band (BB) пакеты.

- использование помехозащитного кода с низкой плотностью проверок на четность Low Density Parity Check Codes -LDPC.

Тестовая имитация работы помехозащиты на базе LDPC показала существенное повышение помехозащищенности по сравнению с защитой, используемой в DVB -T, то есть сверточным кодированием в сочетании с кодом Рида-Соломона. Выигрыш в уровне C/N за счет нового FEC может составлять до 3 дБ для типичного уровня ошибок и при одинаковой доле контрольных символов. По существу, это улучшение позволяет повысить пропускную способность канала примерно на 30% (например, за счет применения более высокого уровня констелляции).

При разработке DVB-Т2 проводились сравнения нескольких вариантов модуляции с одной или множественными несущими.

В результате был выбран вариант OFDM с защитными интервалами (GI-OFDM), который используется в DVB-T.

В GI-OFDM каждый символ передается на большом количестве ортогональных несущих, модулируемых одновременно по фазе и амплитуде. В частности, DVB-T предусматривает два режима -- 2К и 8К. Эти цифры отражают размерность БПФ (FFT), используемого для формирования сигнала с множественными несущими. Фактическое количество несущих, используемых для передачи данных, несколько меньше. Для защиты сигналов (то есть каждой несущей, используемой для передачи данного символа) от искажения в условиях многолучевого распространения введено дублирование конца каждого символа в защитном интервале, предшествующем передаче этого символа. Длина защитного интервала выбирается в зависимости от расчетной протяженности эфирного тракта и других параметров сети передачи. Более длинные защитные интервалы требуются в одночастотных сетях, где сигналы с соседних передатчиков могут приходить на приемник со значительным запаздыванием относительно основного сигнала. Защитный интервал представляет собой надстройку, съедающую долю транспортного ресурса.

В DVB-T эта надстройка может занимать до 1/4 общего объема передаваемых данных. Для возможности удлинить защитный интервал без увеличения его доли в общем объеме данных в DVB-Т2 были введены два новых режима - 16К и 32К - с соответствующем увеличением числа ортогональных несущих. В данном случае абсолютная величина защитного интервала сохраняется, но его доля в общем объеме снижается.

Таким образом, DVB-Т2 предлагает более широкий ряд размерностей БПФ и защитных интервалов. А именно:

* размерности БПФ: 1 К, 2 К, 4К, 8К, 16К, 32К;

* относительная длительность защитных интервалов: 1/128,1/32,1/16,19/256,1/8, 19/128,1/4.

Как уже отмечалось, в OFDM каждая несущая модулируется по фазе и амплитуде. Высшая модуляция стандарта DVB-T, 64 QAM, обеспечивает передачу 6 бит одним символом. Высшая модуляция в DVB-Т2 увеличена до 256 QAM, она позволяет передавать одним символом 8 бит.

Несмотря на то, что этот тип модуляции более чувствителен к ошибкам, обусловленным шумом, тестовая имитация показала, что LDPC FEC обеспечивает 30%-ное увеличение эффективности использования канала по сравнению с DVB-T при типовых условиях передачи. Появившиеся в DVB-Т2 новые режимы - 16К и 32К имеют значительно более крутой спад внеполосных составляющих, чем режим 2К.

В DVB-Т2 используется три каскада перемежений. Это практически гарантирует, что искаженные элементы, в том числе при пакетных ошибках, после деперемежения в декодере будут раскиданы по LDPC FEC-кадру. Это должно позволить кодеру LDPC выполнить восстановление.

В DVB-Т2 используется новаторская техника поворота констеляционного созвездия на определенный круговой угол. Такой поворот может существенно повысить устойчивость сигнала при типичных проблемах эфира. За счет поворота диаграммы на точно подобранный угол каждая точка созвездия приобретает уникальные координаты (u1 и u2), не повторяемые остальными точками.

Каждая координата точки обрабатывается в модуляторе отдельно, и они передаются в OFDM-сигнале отдельно друг от друга, замешиваясь с u2 и u1 другого символа (то есть u2 и u1 могут передаваться на разных OFDM-несущих и в разных OFDM-символах).

В приемнике u2 и u1 опять объединяются, формируя исходное констеляционное созвездие, сдвинутое по кругу. Таким образом, если одна несущая или символ будут потеряны в результате интерференции, сохранится информация о другой координате, что позволит восстановить символ, хотя и с более низким уровнем сигнал/шум. При использовании симметричного (не повернутого) констелляционого созвездия разнесение u2 и u1 смысла не имеет потому, что символ может быть распознан только по сочетанию двух координат. Каждая из них в отдельности имеет двойников, и уникально только их сочетание.

Тестовая имитация показала, что выигрыш в C/N за счет применения этой техники может доходить до 5 дБ.

Значительную долю расходов на передачу составляет стоимость электричества, питающего передатчики. OFDM - сигналы характеризуются относительно высоким отношением пиковой и средней мощностей. В связи с этим в DVB-Т2 включены две технологии, позволяющие снизить это отношение примерно на 20%. Речь о следующих двух технологиях:

- резервирование тона. В этом случае 1% несущих остается в резерве, не перенося никаких данных, но может использоваться передатчиком для введения сигналов, размазывающих пики.

- активное расширение констелляционного созвездия. В этом случае часть крайних точек созвездия отводится дальше от центра так, что это уменьшает пики сигналов. Так как изменения касаются только крайних точек, уводимых в область, свободную от других точек, это не оказывает существенного влияния на способность ресивера декодировать данные.

Стандарт также включает сигнализацию, необходимую для будущего применения частотно-временного деления на слоты (TFS -- Time Frequency Slicing). Хотя основная спецификация предусматривает прием без применения TFS, в сигнализацию включены отметки, которые позволят будущим ресиверам, оснащенным двумя тюнерами, работать с TFS-сигналами. Такой сигнал будет занимать несколько РЧ-каналов, и разные фрагменты каждой из услуг будут в общем случае передаваться на разных частотах. Ресивер будет скачками перестраиваться с канала на канал, собирая фрагменты данных, относящихся к принимаемой услуге. Это позволит формировать пакеты с размерами, значительно превышающими допустимые для одного РЧ-канала, что, в свою очередь, даст возможность выигрыша за счет статистического мультиплексирования значительного количества каналов и гибкости частотного планирования.

Лекции 29-30. Условный доступ к программам в DVB

Стандарты DVB обеспечивают условный доступ (Conditional Access - СА) к передаваемым телевизионным программам, что позволяет организовывать платное ТВ-вещание. Система условного доступа включает механизм скремблирования ТВ-программ - так называемый общий алгоритм скремблирования (CSA - Common Scrambling Algoritm), подсистему хранения данных о пользователях (Subscriber Management System - SMS) и подсистему шифровки и пересылки ключей, обеспечивающих правильное дескремблирование принимаемых программ пользовате-лям, внесшим соответствующую оплату (Subscriber Authorization System - SAS). Для SMS и SAS определены общие принципы построения. Конкретная реализация системы условного доступа определяется фирмами, ведущими ТВ-вещание и производящими аппаратуру.

Стандартизирован только алгоритм CSA, причем эта информация недоступна для простых пользователей, а его реализация скрыта внутри БИС скремблеров и дескремблеров, выпускаемых ограниченным числом фирм. Ключом для дескрем-блирования является 64-разрядное контрольное слово (КС). Оно время от времени, обычно через несколько секунд, изменяется в процессе передачи программы. Для разных элементарных потоков, входящих в транспортный поток (ТП), могут задаваться разные КС. Этот ключ в свою очередь зашифровывается с помощью ключа более высокого уровня - сеансового, который сменяется один раз в несколько недель или месяцев и также передается в цифровом потоке. Контрольные слова передаются в транспортном потоке в особых пакетах, называемых ЕСМ (Entitlement Control Message - сообщение управления предоставлением права). КС передаются зашифрованными, причем шифр в DVB не определен и может устанавливаться вещательной компанией.

Сеансовые ключи передаются в других пакетах, называемых EMM (Entitlement Management Message - сообщение управления предоставлением права). «Mana-gement» - управление более высокого уровня, чем «Control». EMM могут быть адресованы отдельному абоненту или группе абонентов. Для этого в начале EMM после заголовка есть поле адреса. EMM содержат также другую информацию по управлению условным доступом, в том числе о разрешении просмотра этим абонентом (абонентами) определенных программ в определенные сроки. Информация, передаваемая в EMM, также зашифрована, но иначе, чем КС. В соответствии со стандартом MPEG-2 идентификаторы пакетов ТП, содержащих ЕСМ, передаются в составе таблиц программ РМТ, а идентификаторы пакетов, содержащих EMM, - в составе таблиц условного доступа CAT.

Важной частью системы условного доступа являются абонентские карты, продаваемые вещательными компаниями. Абонентские карты относятся к смарт-картам (Smart Card), как и электронные кредитные карточки и т.п. Смарт-карта содержит микроконтроллер, имеющий ПЗУ и энергонезависимое ОЗУ (флэш-ЗУ). В соответствии со стандартом ISO 7816, смарт-карта имеет 8 контактов для подключения к цепям устройства, в которое она вставляется. Питание смарт-карты осуществляется от источника напряжения этого устройства, а обмен информацией производится в последовательной форме через два контакта (линия данных и линия тактовых импульсов). Протокол обмена информацией установлен указанным стандартом.

В абонентской карте ПЗУ микроконтроллера записаны алгоритмы дешифрации контрольных слов, сеансовых ключей и другой зашифрованной информации, а в энергонезависимом ОЗУ - сведения о программах, которые может принимать данный абонент, сроках, в течении которых это возможно, и другая информация.

Абонентская карта определяет адрес данного абонента, что дает возможность направлять информацию о предоставлении доступа индивидуально каждому абоненту.

DVB скремблер устанавливается обычно на выходе мультиплексера и скремблирует каждый компонент цифрового потока в соответствии с указаниями управляющего компьютера.

Текущее контрольное слово для скремблера и всей системы задает генератор КС. Документы DVB предъявляют жесткие требования к схеме генерации КС, так как оно непосредственно используется для скремблирования цифрового потока. Должна применяться техника, гарантирующая чисто случайный характер цифровой последовательности с минимальной детерминированностью. Предложены три критерия проверки случайной последовательности на криптографическую надежность:

1) она должна производить на наблюдателя впечатление совершенно случайной;

2) наблюдатель не должен быть в состоянии предсказать следующий бит, даже зная полностью алгоритм и устройство генерирующего прибора;

3) данная последовательность не должна воспроизводиться при повторном запуске генератора от того же входного сигнала.

Обычные ПСП удовлетворяют критериям (1) и (2) и не удовлетворяют критерию (3). Это не значит, что ПСП вообще непригодны для генерации КС, но любой ПСП алгоритм в первую очередь становится предметом атаки, и надо следить, чтобы последовательность не только казалась, но и была случайной.

Наилучший метод генерации случайных последовательностей - использование физических процессов (теплового шума, шумового диода) для воспроизведения Гауссова белого шума с плоским амплитудным спектром (например, ±1дБ в поло-се 100 Гц...120 кГц). Подавая шумовой сигнал на быстродействующий компаратор, получим истинно случайную цифровую последовательность, удовлетворяющую всем трем критериям.

Генератором ЕСМ формирует Сообщения Управления Доступом и передает их мультиплексору. В генераторе ЕСМ происходит зашифровка контрольного слова. Чтобы повысить общий уровень защищенности всей системы, эту функцию передали пластиковой карте с микросхемой, похожей по внешнему виду на абонентскую и имеющей те же степени защиты. Эта карта называется материнской.

Ввод сообщений EMM в мультиплексер осуществляет EMM инжектор. Это устройство получает информацию от системы авторизации абонентов SAS, которая, в свою очередь, связана с системой управления подпиской SMS. Первая система отвечает за авторизацию приемника абонента для приема выбранных программ, она хранит в базе данных системные адреса абонентов и ставит им в соответствие права доступа. Во второй системе накапливаются сведения об абонентах (имя, адрес, тип подписки, оплаченное время) и устанавливается связь этих сведений с системным адресом абонента (номером приемника, карточки или абонентского договора).

Приведенное здесь описание функционирования системы УД содержит только общие сведения и описывает процессы, примерно одинаковые для различных систем. Детальное описание алгоритмов и устройств компании-провайдеры услуг УД считают конфиденциальной информацией и не публикуют эти данные в открытой печати.

Один из вариантов построения дескремблера и других связанных с ним блоков телевизионного приемника, обеспечивающих условный доступ к принимаемым программам, показан на рис. 3.

Большая интегральная схема дескремблера содержит блок анализа транспортного потока (ТП), ЗУ для хранения нескольких идентификаторов пакетов (ЗУ PID), ЗУ для хранения контрольных слов (ЗУ КС), блок, в котором непосредственно осуществляется дескремблирование, интерфейс для связи с внешним микроконтроллером, и выходной интерфейс.

На вход БИС дескремблера поступает скремблированный ТП с блока коррекции ошибок. После дескремблирования ТП направляется на демультиплексор транспортного потока (ДМП ТП). Важно отметить, что внешний микроконтроллер выполняет только функции управления и связи с абонентской картой, а все операции по дескремблированию выполняются внутри БИС.

Блок анализа ТП содержит так называемые фильтры, которые обнаруживают в транспортном потоке пакеты с сообщениями условного доступа (ЕСМ и EMM). Данные из этих пакетов сохраняются в буферных ЗУ фильтров. Для выполнения указанной функции микроконтроллер загружает в фильтры идентификаторы пакетов, содержащих ЕСМ и EMM, относящиеся к выбранным программам, и адреса длиной 7 или 17 байтов, служащие для выделения сообщений EMM, адресованных этому абоненту или группе абонентов, в которую он входит. Одновременно из транспортного потока может выделяться несколько (по числу фильтров) различных ЕСМ и EMM, относящихся к разным элементарным потокам. Микроконтроллер считывает данные из буферов фильтров и пересылает их в абонентскую карту, где выполняется дешифровка сеансовых ключей, а с их помощью - контрольных слов. Это возможно только для тех программ, которые абонент оплатил, и следовательно, информация о разрешении доступа к которым содержится в абонентской карте.

При оплате абонентом новых программ информация об этом поступает в составе адресованных ему EMM и записывается в энергонезависимое ОЗУ абонентской карты. Тем самым обеспечивается доступ к просмотру этих программ. После расшифровки микроконтроллер записывает контрольные слова для выбранных программ в ЗУ КС. Кроме того, он записывает в ЗУ PID идентификаторы пакетов выбранных программ.

Эти идентификаторы извлекаются из таблиц программно-зависимой информации PAT и РМТ. Контрольные слова в ЗУ КС обновляются в процессе приема программы по мере их поступления в составе ЕСМ. Для каждого дескремблируемого потока, характеризуемого определенным идентификатором, записанным в ЗУ PID, в ЗУ КС записывается пара 64-битовых контрольных слов, одно из которых называется нечетным, а другое -четным. ЗУ КС содержит также контрольное слово «по умолчанию». В заголовке каждого пакета ТП есть 2-битовое поле скремблирования. Комбинация 00 означает, что пакет нескремблирован, 01 - скремблирован с использованием КС «по умолчанию», 10 - скремблирован с использованием четного КС и 11 -скремблирован с использованием нечетного КС. Если пакет скремблирован с помощью КС «по умолчанию», то он дескремблиру-ется вне зависимости от того, записан его идентификатор в ЗУ PID или нет. В других случаях дескремблируются только пакеты, идентификаторы которых есть в ЗУ PID, и притом с помощью соответствующих этим идентификаторам контрольных слов. Предусмотрена возможность выбора пакетов для дескремблирования по неполному совпадению их идентификаторов с записанными в ЗУ PID. Если пакет ТП успешно дескремблирован, то в его поле скремблирования устанавливается значение 00.

Помимо скремблирования пакетов ТП стандарт MPEG-2 и основанные на нем стандарты DVB предусматривают возможность скремблирования пакетизированного элементарного потока (ПЭП) до включения его в ТП. Заголовок ПЭП содержит двухбитовое поле, показывающее наличие и режим такого скремблирования. Дескремблирование на уровне ПЭП выполняется тем же дескремблером, что и для уровня ТП. Одновременное скремблирование на уровнях ПЭП и ТП не допускается.

Прием сигналов в нескольких системах УД.

Отсутствие унификации систем УД приводит к тому, что абонент, желающий принимать программы в нескольких вещательных сетях (например, программы со спутников Hot Bird в точке 13° восточной долготы), должен приобрести для каждой сети отдельный приемник или в лучшем случае отдельную абонентскую карточку (если сети по совпадению используют одну и ту же систему УД). В DVB с самого начала стандартизации была поставлена задача: дать возможность абоненту принимать программы в разных сетях на один приемник. Одно из первых решений было найдено путем организации вещания программ одновременно в нескольких системах УД, оно получило название Simulcrypt.

Для этого на передающей стороне устанавливают оборудование генерации и ввода ЕСМ и EMM для каждой из систем и вводят в транспортный поток соответствующее количество управляющих сообщений. При этом каждая программа вещает-ся на несколько популяций приемников с различными системами УД, а каждый приемник-декодер выбирает из цифрового потока ЕСМ и ЕММ сообщения, соответствующее встроенной в него системе УД, игнорируя все остальные. Система позволяет легко перевести вещание на другую систему УД в случае, например, вскрытия пиратами. Режим Simulcrypt удобен для абонента, но не для вещателя, поскольку неэффективно расходуется ресурс пропускной способности канала, снижается надежность системы УД(одновременное вещание означает для каждой системы такую устойчивость, которую имеет самая слабая из систем).

Второй путь, предложенный для приема в нескольких системах УД, заключается в том, чтобы выделить в приемнике-декодере все узлы, так или иначе имеющие отношение к УД, в отдельный модуль и сделать этот модуль сменным, легко вставляемым и удаляемым. За приемником остаются функции приема, демодуляции и декодирования MPEG-сигнала, а также возможность приема нескремблированных программ. Этот метод получил название Единый интерфейс(CI - Common Interface). Абонент, желающий принимать программы в разных системах УД, каждый раз при переходе в другую сеть заменяет модуль одной системы на модуль другой. Модуль соединяется с устройством-«хозяином» 68-контактным соединителем, по которому происходит весь обмен информацией УД. Абонентская карточка вставляется в модуль и заменяется вместе с ним.

Логически интерфейс состоит из двух частей. Первая переносит весь демодулированный сигнал к дескремблеру, находящемуся в модуле, и возвращает часть потока декодеру с дескремблированными компонентами, соответствующими выбранному сервису. Интерфейс допускает цепочечное соединение нескольких модулей CI, каждый из которых обрабатывает в цифровом потоке компоненты, скремблированные «своей» системой УД.

Вторая часть более сложная и выполняет функции командного интерфейса между модулем и терминалом-«хозяином».

Модуль может обращаться к ресурсам хозяина (модему, дисплею), не информируя его о своих намерениях. Через общий интерфейс также идет взаимодействие высокого уровня «человек-машина» между модулем и абонентом. Например, при запросе IPPV человек может реагировать с помощью пульта дистанционного управления на вопросы, задаваемые модулем, а модуль через модем может связываться с операционным центром сети, и терминал в этих диалогах не участвует. На более низком уровне диалога модуль может посылать на дисплей простые текстовые и графические сообщения. Гибкость CI позволяет расширять его функции для выполнения других задач.

Управление уд при смене среды вещания.

Одним из нерешенных вопросов условного доступа остается управление доступом при смене среды вещания («трансконтроль» по терминологии DVB). Выше упоминалось, что более 60% абонентов в Европе получают ТВ программы со спутников не непосредственно, а через сети кабельного телевидения. При этом оператор кабельной сети, естественно, стремится ввести свою систему условного доступа, которая позволила бы ему сохранять контроль над базой данных абонентов, управлять подключением к сети абонентских блоков и таким образом возмещать свои затраты. Передача управления доступом из одних рук в другие может происходить двумя путями:

- полное дескремблирование сигнала и повторное скремблирование в той же или иной системе УД - крайне неэкономичное решение, требующее установки на всех головных станциях сети дорогостоящего оборудования условного доступа;

- вместо того, чтобы размещать ЕСМ генераторы на всех головных станциях кабельной сети, их можно разместить на нескольких передающих станциях спутникового вещания, чьи программы транслирует кабельная сеть, и дать в спутниковом транспортном потоке дополнительные ЕСМ сообщения, которые затем ретранслируются в цифровой поток кабельной сети. EMM сообщения едины для всей кабельной сети. Их можно генерировать в одном месте и рассылать по головным станциям по низкоскоростным каналам связи. Подсчеты показывают, что это решение более экономичное. Вопросы трансконтроля пока не стандартизованы в DVB.

Приемные устройства. Телевизионный приемник.

Телевизионный приемник является универсальным устройством воспроизведения изображения и звукового сопровождения. Он обеспечивает прием цветных и черно-белых передач в метровом и дециметровом диапазонах, имеет устройство декодирования практически всех рассмотренных выше систем телевизионного вещания, вход для видеосигнала и др. Современный телевизор включает ряд сервисных устройств (дистанционное управление, вывод на экран информации о режимах, устройство связи с ЭВМ и др.). В телевизорах применяют интегральные микросхемы и большие гибридные интегральные микросборки с высокой степенью интеграции. Конструкция, как правило, носит модульный характер. Упрощенная структурная схема цветного телевизионного приемника приведена на рис.6. Высокочастотные сигналы с антенны поступают на входы электронных селекторов каналов метровых и дециметровых волн. В селекторе каналов осуществляются переключение диапазонов и перестройка телевизионных каналов в пределах диапазона. Селектор имеет связь с пультом дистанционного управления телевизором. Для обеспечения работы телевизора в различных условиях приема используют схемы автоматической регулировки усиления (АРУ) усилителя высокой частоты селектора. С выхода селектора каналов сигнал поступает на усилитель промежуточной частоты (УПЧ изображения). Промежуточная частота сигнала изображения 38,0 МГц, а звукового сопровождения - 31,5 МГц. Вторая промежуточная частота звукового сопровождения - 6,5 МГц (разностная частота между несущими ?нз и ?зв).

В системе SECAM поднесущая частота сигнала ER-Y составляет 4,406 МГц, EB-Y - 4,25 МГц. Сигнал с выхода УПЧ поступает на детектор видеосигнала и далее в канал яркости, где для установления временного соответствия между сигналом яркости и цветности включена линия задержки (х = 0,6...0,8 мкс). Это устройство служит для компенсации задержки сигналов цветности относительно сигнала яркости, образующейся за счет низкочастотной фильтрации и других преобразований сигналов в канале цветности. В канале яркости наряду с усилением сигнала изображения осуществляются его высокочастотная коррекция за счет увеличения коэффициента усиления на высоких частотах, введение гасящих импульсов во время обратного хода, привязка сигнала изображения к уровню черного (путем регулировки этого уровня устанавливается яркость изображения), ограничение предельного тока пучков кинескопа, режекция сигнала, подавляющая компоненты цветовых поднесущих в яркостном сигнале (при передаче черно-белых изображений схема режекции автоматически отключается, что увеличивает их четкость на экране кинескопа). Сигнал яркости отрицательной полярности E'Y подается на катод кинескопа.

В канал цветности сигнал изображения подается с одного из первых каскадов усиления яркостного канала. Во входных цепях канала цветности осуществляется обратная коррекция предыскажений цветоразностных сигналов. С выхода корректора цветоразностные сигналы поступают в прямой канал преобразования (коммутатор) и канал задержанного сигнала. Коммутатор и устройство задержки вместе с детекторами R-Y и B-Y формируют цветоразностные сигналы, которые после усиления подаются на модуляторы кинескопа. Для формирования сигнала E'G-Y используют матрицу G -Y. В канале цветности наряду с упомянутыми элементами используют ограничители, формирователи и другие схемы. Коммутатор синхронизируется генератором коммутирующих импульсов, который управляется сигналами схемы опознавания цвета. Использование в канале цветности двух линий задержки на ПЗС позволяет реализовать двухстандартный (SECAM/PAL) прием сигналов.

На элементах ПЗС реализуют и другие узлы приемника - полосовые и режекторные фильтры, частотные детекторы.

В канале синхронизации видеосигнал, поступающий из канала яркости на селектор синхросигналов, подвергается фиксации на уровне амплитуд синхроимпульсов и амплитудному ограничению на уровне селекции. Точность синхронизации определяется схемой фиксации и особенностями ограничителя сигнала изображения. Дальнейшее разделение кадровых и строчных синхросигналов осуществляется различными способами, наибольшее распространение среди которых нашли основанные на дифференцировании и интегрировании сигналов синхронизации. Сигналы опознавания для схемы цветовой синхронизации выделяются путем временной селекции, базирующейся на синхронизации кадровыми синхросигналами. Генераторы строчной и кадровой разверток (ГР fx, ГР?к), управляемые соответствующими синхросигналами, формируют токи, питающие отклоняющие катушки вертикального и горизонтального отклонения электронных пучков кинескопа. Для коррекции искажений растра, возникающих при больших углах отклонения электронных пучков (вследствие нарушения пропорциональности между значениями отклоняющего тока и углами отклонения), в генераторах развертки формируют дополнительные токи, добавляемые к токам развертки и компенсирующие указанные искажения растра. Для создания высокого напряжения главного анода кинескопа Ua = 22,5...25 кВ используют схему, связанную со строчным трансформатором, - умножитель напряжения (выпрямление импульсов обратного хода строчной развертки и импульсного напряжения, трансформируемого в высоковольтную обмотку).

Канал звукового сопровождения включает УПЧ звука (?зв = 6,5 МГц), частотный детектор, усилитель низкой частоты и динамический громкоговоритель.

Ряд задач, связанных с обработкой сигнала изображения, управлением телевизионным приемником и др. успешно решаются цифровыми методами.

Такие телевизоры относят к классу аналого-цифровых. Практически все современные телевизионные приемники, используемые в системах телевизионного вещания, относятся именно к этому классу устройств. Применение цифровых методов обработки и преобразования сигналов приводит к повышению качества формируемого изображения, реализации дополнительных функций, а также к возможности широкого использования больших интегральных микросхем, микропроцессоров, схем памяти и др. Цифровая обработка сигналов в телевизионном приемнике, т.е. на заключительном этапе формирования изображения, привела к созданию систем телевидения повышенного качества.

К числу дополнительных функций, реализуемых в таких телевизорах можно отнести:

* дистанционное управление;

* повышение помехоустойчивости;

* удвоение частоты полей (50/100 Гц);

* преобразование чересстрочной развертки в прогрессивную;

* цифровую развертку;

* автоматическую регулировку яркости и контрастности изображения;

* внутренние интерфейсы, реализующие блочную структуру;

* цифровые интерфейсы для обеспечения работы ЖК или ПП экранов;

* интерфейсы для подключения внешних устройств (компьютера, видеомагнитофона, фотоаппарата и др.);

* обработку сигналов звука;

* телетекст и др.

Управление устройствами, реализующими перечисленные функции, осуществляется микроконтроллером, включающим микропроцессор, микросхемы памяти, программируемые устройства, порты ввода/вывода и др. Функциональную схему аналого-цифрового приемника условно можно разделить на аналоговую и цифровую части. Основными элементами аналоговой части являются: на входе - селектор каналов, УПЧ изображения, УПЧ звука, на выходе - усилители Y, R-Y, B-Y и G-Y.

Цифровая часть включает следующие основные структурные элементы:

* центральный процессор (реализует управление всеми процессами цифровой части телевизора);

* видеопроцессор (осуществляет цифровую обработку сигналов изображения, в том числе преобразование полного цветного сигнала в сигналы яркости, цветности и синхронизации и др.);

* процессор разверток (формирование аналоговых или цифровых разверток, конверсия режимов развертки 50/100 Гц, изменение формата кадра - 4 : 3,16 :9, управление и реализация режима «картинка в картинке» и др.);

* аудиопроцессор (реализует различные режимы звукового сопровождения, такие, как монофонический, стереофонический, псевдостереозвука, различные режимы коррекции звуковоспроизведения и др.).

В аналого-цифровых телевизионных приемниках используют системы дистанционного управления. Такие системы включают пульт управления и приемник сигнала управления, который располагают непосредственно в телевизоре. Пульт состоит из клавиатуры, кодирующего устройства и передатчика, излучающего инфракрасный сигнал. Сигнал, принятый инфракрасным приемником телевизора, декодируется и поступает на соответствующее исполнительное устройство через интерфейсы выбора каналов, аналогового интегратора (регулировки контрастностью, яркостью, громкостью и другими параметрами изображения и звука).

Следует отметить, что известны различные концепции построения функциональных схем аналого-цифровых приемников. Различные фирмы используют и разрабатывают различные комплекты микросхем, это приводит к существенному различию структуры телевизоров. Общей тенденцией является постепенная замена аналоговых функциональных элементов цифровыми.

Следует учесть, что в телевизионном вещании используются не только различные способы передачи сигналов (спутниковое, кабельное и наземное вещание), но и различные стандарты (ATSC, DVB, ISDB). Это ограничивает степень унификации цифрового телевизионного приемника, однако, использование единых принципов кодирования цифровых сигналов изображения, основанных на стандарте MPEG-2, позволяет создать универсальную структуру цифрового приемника.

Основные элементы приемника-декодера системы цифрового вещания, используемого в качестве «приставки» к аналого-цифровому телевизору.

Модулированные высокочастотные сигналы (радиосигнал) поступают на вход канального декодера, который включает цифровой демодулятор и схему коррекции ошибок. На его выходе формируется цифровой транспортный поток, включающий пакеты нескольких мультиплексированных программ. В демультиплексоре транспортного потока формируются два потока цифровых сигналов (видео и звука), соответствующе выбранной программе. Сигналы изображения поступают на видео-декодер.

Сигналы звука, формируемые на выходе демультиплексора транспортного потока, поступают на аудио-декодер (MPEG-2). Формируются сигналы левого и правого звуковых каналов и в сумматоре сигнал монофонического канала.

Образованные сигналы каналов изображения и звука подаются на модулятор, на выходе которого формируется высокочастотный сигнал, соответствующий используемой системе аналогового телевидения.

Этот сигнал подается непосредственно на антенный вход телевизионного приемника.

В числе дополнительных элементов на схеме указан модуль условного доступа, с помощью которого идентифицируются пакеты программ, и проводится сопоставление с правами пользователя на прием той или иной программы (платное телевидение).

В необходимых ситуациях дальнейшая обработка сигналов выбранного канала прекращается.

Функциональные узлы, как элементы управления канальным декодером, кодером PAL, шина микропроцессора, элементы оперативной памяти видео- и аудио-декодеров, элементы временного согласования сигналов изображения и звука, микроконтроллер системы управления декодером и др. Рассмотренные элементы приемника-декодера могут быть интегрированы в единую конструкцию с аналоговым телевизионным приемником.

Разработка универсального и полностью цифрового телевизионного приемника возможна, но наряду с отдельными инженерными проблемами, она затрагивает экономические аспекты и интересы, как производителей, так и пользователей.

Лекции 31-32. Кинескоп

Для формирования черно-белого телевизионного изображения чаще всего используют электронно-лучевую трубку - кинескоп (рис.1). Основными элементами кинескопа являются электронный прожектор, формирующий электронный пучок, плотность тока которого изменяется под действием изменяющегося потенциала модулятора (управляющего электрода), система фокусировки и отклонения электронного пучка и слой люминофора, нанесенный на внутреннюю, практически плоскую или абсолютно плоскую поверхность колбы. Этот слой образует экран, на котором формируется телевизионное изображение.

В современных кинескопах используют электростатическую фокусировку электронного пучка. Для этого применяют трехэлектродные или более сложные системы, включающие термокатод, модулятор, ускоряющий электрод, аноды и фокусирующий электрод.

Модуляцию тока электронного пучка (яркости экрана) осуществляют изменением разности потенциалов между термокатодом и модулятором. С этой целью на модулятор подается сигнал изображения в положительной полярности или на катод - в отрицательной.

В качестве люминофоров используют силикаты, сульфиды, оксиды и фосфаты металлов цинка, кадмия, магния и т.д. с добавками активаторов (меди, серебра, марганца и др.) для обеспечения требуемой спектральной характеристики излучения.

Построение телевизионного растра, формируемого электронным пучком, осуществляется благодаря отклонению его с помощью магнитного поля, создаваемого двумя парами отклоняющих катушек, Пара строчных отклоняющих катушек служит для отклонения электронного пучка в горизонтальной плоскости, а пара кадровых обеспечивает отклонение его по вертикали. Строчные и кадровые отклоняющие катушки располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Основным достоинством электромагнитного отклонения является возможность получения больших углов отклонения более 110°, что приводит к созданию удобной конструкции колбы кинескопа.

Для увеличения контрастности и яркости изображения на люминофор с внутренней стороны наносят тонкое алюминиевое покрытие. Такой слой практически «прозрачен» для электронного пучка, вместе с тем световой поток, отраженный от алюминиевой пленки, приводит к существенному увеличению яркости изображения. Алюминиевое покрытие, таким образом, препятствует проникновению светового потока от люминофора внутрь колбы, который мог бы снизить контрастность формируемого изображения за счет отражения света от внутренних поверхностей колбы кинескопа в сторону экрана.

Заметное снижение контрастности мелких и средних деталей изображения возникает вследствие засветки участков изображения светом, претерпевающим полное внутреннее отражение от границы раздела стекло- воздух. Это снижает контрастность смежных деталей изображения.

Для существенного уменьшения рассмотренного явления увеличивают поглощение света в стекле, на которое наносится слой люминофора(используют дымчатое стекло). Использование в кинескопах дымчатого стекла уменьшает влияние на качество изображения внешней засветки. Световые лучи от внешних источников света 3 отражаются от слоя люминофора 4 и повышают яркость темных участков изображения, что приводит к снижению его контрастности.

В телевидении используется аддитивный метод формирования цветного изображения, который основан на сложении цветов. В цветном кинескопе возможность раздельного управления структурами R, G, В реализуется с помощью теневой маски. Конструкция кинескопа и его электронно-оптической системы обеспечивает сведение трех пучков в общей точке, лежащей в плоскости теневой маски. Мозаичный люминофор находится на некотором расстоянии от маски, что создает условия для возбуждения сигналами соответствующих элементов мозаичного экрана. Отклонение всех пучков осуществляется одновременно и непрерывно, в связи с чем необходимо обеспечить прерывание электронных пучков в отрезки времени перехода их с одной триады люминофоров на другую. Это и осуществляется с помощью маски. Высокие требования предъявляются к изготовлению узла электронных прожекторов. Сложность конструкции и существенное влияние ее на качество цветного изображения приводят к необходимости использования дополнительных устройств коррекции траекторий электронных пучков. Например, неточность установки электронных прожекторов приводит к возбуждению не только люминофора заданного цвета, но и части соседних. Это, естественно, снижает чистоту цвета. Для устранения подобных дефектов служат постоянные магниты чистоты цвета, имеющие форму кольца, которые устанавливают на горловину кинескопа.

Другим источником искажений является несведение электронных пучков в одно отверстие маски при отклонении их от оси трубки, что приводит к существенным искажениям в виде цветовых окантовок и искажениям цвета мелких деталей изображения.

Для устранения этих искажений используют устройство сведения электронных пучков - постоянные магниты статического и электромагниты динамического сведения, которые располагают на горловине кинескопа.

Другой разновидностью трехлучевого кинескопа является трубка с теневой маской, имеющей щелевые отверстия, штриховой мозаичный экран и электронные прожекторы, расположенные компланарно в одной плоскости.

Маска представляет собой пластину с вертикальными прорезями, которые располагаются в шахматном порядке, что служит увеличению механической прочности маски.

Экран такого кинескопа состоит из чередующихся по три (R, G, В) полосок люминофоров. Их последовательность обрата расположению электронных прожекторов. В таких кинескопах упрощаются условия сведения электронных пучков, так как средний пучок направлен вдоль оси кинескопа, что приводит к необходимости только горизонтального сведения; большая прозрачность маски (более 20%) приводит к увеличению яркости изображения, улучшается чистота цвета, так как погрешности, вызывающие вертикальные сдвиги пучков, не приводят к возбуждению соседних люминофоров. Перечисленные особенности позволяют индивидуально подбирать форму магнитного поля отклоняющей системы для каждого конкретного кинескопа с последующей фиксацией отклоняющей системы на горловине.

Жидкокристаллические, плазменные и автоэмиссионные экраны.

Внимание конструкторов телевизионной аппаратуры всегда привлекали устройства, имеющие вид плоской панели, обеспечивающие формирование изображений большого размера (диагональ экрана от метра до десятков метров).

К числу преобразователей такого типа можно отнести плоские экраны на жидких кристаллах, плазменные экраны, матричные экраны на светодиодах и др. Не все приборы названных типов удовлетворяют требованиям ТВ стандартов, но они широко используются в качестве компьютерных дисплеев, индикаторов различного вида, устройств мультимедиа, в видоискателях ТВ камер и фотоаппаратов.

Жидкокристаллические устройства воспроизведения изображений. Жидкокристаллические матрицы (ЖК) можно разделить на два типа: с пассивными и активными элементами. Матрицы с активными элементами формируют цветное изображение более высокого качества, поэтому они нашли широкое применение в устройствах воспроизведения изображений. Основным отличием матриц этого типа является наличие ключевых транзисторов, которые управляют работой каждого из (R, G, В) цветоделенных участков любого элемента изображения матрицы. С этим связано и название матриц этого типа: TFT-LCD (Thin Film Transistor - Liquid Crystal Display - матрица на базе ЖК элементов с тонкопленочными транзисторами).

Матрица является модулятором поступающего от внешнего источника светового потока в результате чего формируется изображение. Для управления прозрачностью среды, соответствующей каждому элементу матрицы, используется явление поляризации света. Конструкция матрицы включает две стеклянные подложки толщиной около 1 мм. Зазор между подложками составляет единицы микрометров; он строго соблюдается по всей площади матрицы, для чего конструкция матрицы включает специальные зарождающие элементы: шарики или цилиндры из твердого материала - спейсеры. Именно в этот зазор вводится ЖК материал, обладающий эффектом вращения плоскости поляризации света при приложении к полупрозрачным электродам, между которыми он находится, электрической разности потенциалов.

Эти электроды, а также электроды адресации и управления, наносятся на внутренние поверхности стеклянных подложек.

Естественно, вся конструкция с торцов герметизируется. На внешние поверхности подложек наклеиваются поляризационные фильтры с определенной ориентацией плоскости поляризации. Цветные светофильтры, устанавливаются на внутренней поверхности внешней стеклянной подложки.

Нетрудно видеть, что при формировании цветного изображения используется, как и в масочном кинескопе, метод пространственного смешения световых потоков. Каждая тройка (R, G, В) составляет один элемент изображения. Для формирования просвечивающего светового потока применяется равномерная флуоресцентная или другая подсветка, освещающая экран изнутри.

Рассмотрим более подробно механизмы взаимодействия элементов ячейки матрицы, модулирующей световой поток. Векторы плоскостей поляризации первого (от источника света) и второго поляризационных фильтров повернуты один относительно другого на 90. При прохождении через первый поляроид теряется половина светового потока. В отсутствии внешнего электрического поля ЖК материал поворачивает плоскость поляризации оставшейся части светового потока на 90 градусов, т.е. плоскость поляризации совпадает с плоскостью поляризации второго поляроида и свет практически без потерь проходит через него. Если между полупрозрачными электродами создать разность потенциалов, то можно реализовать условия, при которых плоскость поляризации проходящего через толщу ЖК материала не изменяется, и он будет полностью поглощаться во втором поляризационном фильтре. Таким образом, управляя разностью потенциалов между полупрозрачными электродами, можно осуществлять модуляцию проходящего светового потока. Для этого в матрицах рассматриваемого типа каждый элемент изображения включает тонкопленочные TFT транзисторы или диоды, а также емкости памяти, которые формируют ключевой управляющий элемент.

Рассмотренные элементы объединяются в матрицу.

Используют различные форматы топологии матричных ЖК дисплеев, а также разные варианты синтеза структуры электродов адресации.

Структура электродов адресации определяется выбранным вариантом топологии цветных фильтров.

В ЖК модуляторах активного типа, благодаря наличию в каждом элементе емкости памяти, в отличие от ЭЛТ, имеется возможность управления длительностью «свечения» каждого элемента изображения. Это позволяет существенно изменить временную структуру смены кадров. Для формирования полутонового изображения на экране ЖК матрицы может использоваться управление длительностью свечения элементов, т.е. широтно-импульсная модуляция (ШИМ) или более сложные технологии.

Как было отмечено, непосредственно ЖК-матрица является модулятором светового потока, создаваемого источником задней подсветки. В качестве таких источников используют электролюминесцентные панели или лампы, панели светодиодов, лампы накаливания и др.

Естественным путем увеличения размера изображения стало создание составных видеопанелей (рис.5). Такие экраны используют как устройства коллективного пользования (аудитории, концертные залы, стадионы и др.).

Плазменные устройства воспроизведения изображений.

Плоские плазменные панели (ПП) - PDP (Plasma Display Panel) широко используются как элементы ТВС, а также в телевизионных приемниках различного конструктивного выполнения. Как и в ЖК дисплеях, экран ПП представляет собой матрицу, включающую триады {R, G, В) элементов. Модель, раскрывающая процессы взаимодействия компонентов одного из цветовых элементов изображения (например, R) плазменной панели.

Принцип действия такого элемента основан на свечении люминофоров красного, зеленого и синего цвета при воздействии на них ультрафиолетового излучения, которое возникает при электрическом разряде в среде разряженного газа.

Люминофор каждой ячейки ПП покрывает заднюю и частично боковые стенки отдельных ячеек.

В конструкции плазменных панелей предусмотрено использование поверхностного разряда, который происходит между электродами, размещенными в одной плоскости. Этот разряд возникает под воздействием подводимого напряжения (на рис. 6 у верхних электродов). Эти электроды прозрачны для света. Электрический разряд приводит к ионизации газа и образованию плазмы.

Плазма, как известно, представляет собой частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

Плазма и является источником ультрафиолетового излучения. Вся конструкция плазменной панели заключена между двумя стеклянными пластинами. На внутренние поверхности этих пластин нанесена система полосковых электродов, слои диэлектрика, люминофоры и перегородки, отделяющие одну излучающую ячейку от другой. Пространство между пластинами заполнено рабочим газом, и вся конструкция герметизирована по периметру панели. Развертка изображения осуществляется под воздействием электрических сигналов, подводимых к электродам адресации. На экране матрицы формируется телевизионный растр.

Особенность формирования изображения на экране плазменной панели состоит в том, что яркость каждого элемента при возбуждении люминофора остается постоянной. Модуляция средней яркости свечения элемента (за время кадра) и, следовательно, формирование воспринимаемого наблюдателем полутонового изображения, осуществляется за счет изменения длительности свечения: наиболее «яркие» элементы светятся практически в течение всего времени кадра, в то время как «темные», - в течение очень короткого времени. Управление яркостью каждого элемента изображения осуществляется посредством изменения времени свечения соответствующей ячейки плазменной панели. Конструкция и элементы панели обеспечивают формирование изображения в широком угле зрения: по горизонтали до 160°.

К числу недостатков ПП относится достаточно высокое энергопотребление, которое возрастает с увеличением размера панелей.

Автоэмиссионные устройства воспроизведения изображений.

К числу устройств воспроизведения телевизионных изображений относятся плоские автоэмиссионные панели, в которых, как в кинескопах и плазменных панелях, используется явление электролюминесценции.

Возбуждение люминофоров в устройствах этого типа осуществляется электронами, генерируемыми автоэлектронными эмиттерами; с этим связано и название приборов такого типа - FED (Field Emission Display).

Плоская конструкция прибора между подложкой и стеклянной планшайбой содержит полосковые катоды с множеством эмиттеров игольчатого типа. Каждому из эмиттеров соответствует отверстие в управляющем электроде. В конструкции, указанной на рис. 6, на элемент изображения соответствующего цвета приходится 4 эмиттера. Путем изменения расстояния между эмиттерами и управляющими электродами устанавливается необходимая величина электрического поля, требуемого для возникновения автоэлектронной эмиссии. Изменяя разность потенциалов между эмиттерами и управляющими электродами осуществляют регулировку плотности тока, достигающего соответствующего люминофора. Полоски люминофоров (R, G, В) нанесены на стеклянную планшайбу. Нетрудно видеть, что, используя соответствующие переключения разности потенциалов между эмиттерами и управляющими электродами, можно осуществить коммутацию элементов телевизионного растра и возбуждение соответствующих участков поля изображения. Адресация электронных пучков на люминофоры соответствующих цветов осуществляется путем отпирания эмиттеров только одного цвета. Большинство приборов рассмотренного типа работают при разности потенциалов между катодами и анодом порядка 300-5000 В. Как видно, в приборе отсутствует необходимость отклонения электронных пучков, так как расстояние между эмиттерами и люминофорами порядка одного миллиметра и поэтому реализуется перенос электронов пучка от эмиттера к соответствующему участку люминофора непосредственно в электрическом поле. Таким образом, решаются проблемы не только обеспечения линейности развертки, но и совмещения цветоделенных изображений.

К числу основных достоинств приборов этого типа следует отнести высокую яркость воспроизводимого цветного изображения, большой угол диаграммы направленности излучения, малую инерционность.

Толщина панели 10 мм.

Проекционные устройства. Проекторы на ЖК модуляторах.

Принципы оптической проекции изображений применяют в проекторах, в качестве активного элемента в которых используют просветные ЖК матрицы, отражательные микрозеркальные панели и другие устройства в сочетании с мощными осветителями.

Известны различные оптические схемы и конструкции таких проекторов, однако основные из них по принципу построения могут быть отнесены к одному из трех типов:

* использующие полноцветные ЖК модуляторы высокого разрешения (рис. 7,а);

* построенные на трех ЖК модуляторах светового потока с последующим синтезом цветного изображения с помощью призматических светоделителей или оптической светоделительной системы на дихроических зеркалах (рис. 7,б);