уЧЕБНИК. Конспект лекций СанктПетербург 2005
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
11.2 Спутниковое телевизионное вещание Спутниковое телевизионное вещание – это передача через космический спутник – ретранслятор телевизионного изображения и звукового сопровождения от наземных станций к приемным. В сочетании с кабельными сетями ретрансляция через спутник является основным средством обеспечения многопрограммного высококачественного телевизионного вещания. В зависимости от организации спутниковое телевизионное вещание может осуществляться двумя способами: - фиксированной спутниковой службой ФСС. В этом случае передаваемые через КА телевизионные сигналы воспринимаются с высоким качеством наземными станциями. С этих станций через наземные ретрансляторы телевизионный сигнал доставляется индивидуальным потребителям. - Радиовещательной спутниковой службой РВСС. В этом случае ретранслируемые КА телевизионные сигналы принимаются непосредственно населением через индивидуальный и коллективный прием (с помощью кабельной сети). Система спутникового телевизионного вещания включает следующие подсистемы: - передающий телевизионный центр; - активный спутник – ретранслятор; - приемное оборудование. Современные технические средства позволяют сконцентрировать практически всю энергию передатчика КА на ограниченной территории, например, на территории одного государства. Часть территории, которую необходимо охватить вещанием при заданном уровне сигнала, называют зоной обслуживания. Ее вид и размеры зависят от диаграммы направленности передающей антенны спутника-ретранслятора. В спутниковом телевидении уровень излучаемого с космического аппарата сигнала принято характеризовать произведением мощности (в ваттах) 130 подводимого к антенне сигнала на коэффициент ее усиления (в децибелах) относительно изотропного (всенаправленного) излучателя. Эту характеристику называют эквивалентной изотропно – излучаемой мощностью (ЭИИМ) и измеряют в децибелах на ватт. Уровень сигнала в точке приема определяется плотностью потока мощности у поверхности Земли относительно потока мощности 1 Вт, проходящего через 1 м (дБ Вт/м ). В 1977 г проходила Всемирная административная радиоконференция по планированию радиовещательной спутниковой службы, на которой был принят Регламент радиосвязи. В нем указаны полосы частот метрового и дециметрового диапазонов, в которых должны работать радиопередающие средства телевизионного вещания. Для систем спутникового вещания выделены полосы частот, представленные в таблице. Два последних диапазона Ка и К почти не используются и пока считаются экспериментальными. Однако, вещание спутниковых телепрограмм в этих диапазонах позволит значительно уменьшить диаметр приемных антенн. Кроме того, информационная емкость, т.е. количество телевизионных каналов, которые можно разместить, этих диапазонов значительно выше. Основная проблема их освоения – экономическая, а именно проблема создания недорогих массовых индивидуальных приемников. Сформулированные в Регламенте радиосвязи основные положения, касающиеся систем непосредственного спутникового телевизионного вещания, сводятся к следующему: - В системах СНТВ используются спутники – ретрансляторы, расположенные на геостационарной орбите; - Для радиолиний Земля – Космос и Космос – Земля выделена фиксированная полоса частот; - Рекомендуется передача частотно-модулированного сигнала с предыскажениями; - Величина отношения сигнал/шум не должна быть меньше 14 дБ. - Плотность потока мощности в зоне обслуживания не должна превышать – 103 дБВт/м для индивидуального приема и – 111 дБВт/м для коллективного приема. - Для увеличения объема передаваемой информации рекомендуется двукратное использование рабочих частот, что возможно благодаря развязке по поляризации. Наименование диапазона Полоса частот ГГц L-диапазон 1.452 – 1.550 1.61 – 1.71 S-диапазон 1.93 – 2.70 C-диапазон 3.40 – 5.25 5.725 – 7.075 X-диапазон 7.25 – 8.40 Кu-диапазон 10.70 – 12.75 12.75 – 14.80 Ка-диапазон 15.4 – 26.5 27.0 – 50.2 К-диапазон 84 -86 131 - Приемную установку ТВ необходимо характеризовать коэффициентом добротности, который определяется как отношение коэффициента усиления антенны к суммарной шумовой температуре станции G/T. 11.3 Методы формирования и передачи спутниковых телевизионных сигналов Аналоговый метод Телевизионный сигнал, форма которого повторяет распределение яркости на пути развертки изображения, называется электрическим аналогом изображения или телевизионным аналоговым сигналом. Наземное телевизионное вещание осуществляется при помощи амплитудной модуляции АМ с частичным подавлением одной боковой полосы. Было бы очень удобно использовать этот же метод передачи и в системах СНТВ, поскольку представилась бы возможность непосредственно принимать сигналы со спутника на обычные телевизоры, не оснащенные дополнительными устройствами. Однако это невозможно из-за того, что мощность бортового передатчика при АМ должна быть недостижимо большой – единицы и десятки кВт. Кроме того, создавались бы большие помехи наземным службам радиосвязи. В системах СНТВ для передачи телевизионных сигналов используется частотная модуляция ЧМ. ЧМ отличается от других помехоустойчивых видов модуляции тем, что при сравнительно простых технических средствах приема реальная помехоустойчивость незначительно отличается от теоретической. Телевизионный сигнал характеризует совокупность его параметров: число строк, частота кадров, длительность и форма синхронизирующих импульсов, полярность сигнала, разнос между несущими частотами изображения и звукового сопровождения, метод кодирования сигналов цветности совместно с сигналом яркости. Совокупность значений этих параметров составляет стандарт телевизионного сигнала. В настоящее время используются три системы цветного телевидения, различающиеся способом кодирования сигналов цветности: SECAM, NTSC и PAL. Система SECAM – последовательная. Ее отличительным признаком является поочередная передача через строку двух цветоразностных сигналов на ЧМ поднесущей при непрерывной передаче сигнала яркости. Последовательная передача частотно-модулированных цветоразностных сигналов практически сводит на нет фазовые искажения, присущие системе NTSC, а также перекрестные искажения цветового тона. К недостаткам системы SECAM следует отнести то, что четкость цветов снижена вдвое, т.к. сигналы цветности передаются через строку, поэтому в телевизионном приемнике недостающий сигнал берется из предыдущей строки. Система NTSC – одновременная, с квадратурной модуляцией цветовой поднесущей. Ее особенностью является то, что оба цветоразностных сигнала 132 передаются одновременно в каждой строке развертки, причем без расширения полосы частот, занимаемой сигналом цветности в спектре ТВ сигнала. Это достигается применением квадратурной модуляции, при которой результирующий цветовой сигнал модулируется по амплитуде и манипулируется по фазе. Амплитуда сигнала характеризует насыщенность цвета, а фаза – цветовой фон. NTSC обеспечивает высокую четкость изображения, но обладает большой чувствительностью к фазовым искажениям, что приводит к зависимости цветового тона от амплитуды сигнала яркости. Система NTSC обеспечивает самое высокое качество цветного изображения, но требует высокого технического совершенства приемопередающей аппаратуры. Система PAL – одновременная, с квадратурной модуляцией цветовой поднесущей. Ее основное отличие от NTSC – изменение от строки к строке на 180 ° фазы цветоразностных сигналов. В ней фазовые искажения отсутствуют, поэтому не нарушается цветовой тон; достигается удвоение амплитуды вследствие разделения сигналов цветности; уменьшаются перекрестные искажения между сигналами яркости и цветности. Недостатком системы является снижение четкости изображения из-за усреднения сигнала цветности в двух соседних строках. Все перечисленные системы были разработаны для наземных телевизионных комплексов, использующих АМ несущей изображения. Т.к. в спутниковых каналах используется ЧМ, то непосредственное применение SECAM, NTSC, PAL становится затруднительным. Это связано с тем, что, во- первых, при прохождении ЧМ сигнала через тракты с неравной амплитудной и нелинейной фазовой характеристикой возникают перекрестные искажения сигналов яркости и цветности, значительно ухудшающие качество изображения. Во-вторых, при передаче ЧМ телевизионных сигналов необходимо учитывать, что энергетический спектр шумов на выходе частотного детектора имеет квадратичную зависимость от частоты. Поэтому у широкополосных телевизионных сигналов высокочастотные составляющие оказываются зашумленными более сильно, чем низкочастотные. Особенно неблагоприятно это сказывается на цветном ТВ сигнале, у которого цветовые поднесущие имеют большую частоту, чем несущая. В связи с вышеперечисленным, для того, чтобы осуществлять спутниковую трансляцию аналоговых сигналов, были созданы разнообразные методы повышения качества изображения. Для уменьшения перекрестных искажений и обеспечения одинаковой помехоустойчивости ТВ сигнала на всех частотах его спектра на передаче вводят линейные предыскажения, увеличивающие амплитуду высокочастотных составляющих, а в приемном устройстве восстанавливают исходный спектр сигнала. В результате обеспечивается безыскаженная передача и одинаковое отношение сигнал/помеха для всех спектральных составляющих. Одновременно с этим в спутниковых каналах применяют нелинейную обработку, которая заключается в ограничении размаха предыскаженного сигнала за счет отсечения узких выбросов, соответствующих крутым фронтам исходного сигнала. Ограничению подвергают только наиболее значительные 133 выбросы. В результате средний уровень сигнала и, соответственно, эффективная девиация частоты возрастают, что вызывает увеличение мощности полезного сигнала на выходе частотного демодулятора и возрастание помехоустойчивости. Аналоговый способ передачи телевизионного сигнала по спутниковым каналам является хотя и устаревшим, но все еще наиболее распространенным. В настоящее время происходит переход от аналогового вещания к цифровому. Промежуточным звеном является система уплотнения аналоговых компонент, называемая МАС (Мultiplexed Analogue Components). Цифро-аналоговый метод Цифро-аналоговая система МАС является компромиссом между аналоговым и цифровым методами передачи телевизионного сигнала по спутниковым каналам. Она позволяет получить улучшенное по сравнению с PAL, SECAM и NTSC изображение. Предложено несколько модификаций этой системы: A-MAC, B-MAC, C- MAC, D-MAC, D2-MAC – для телевидения повышенного качества (ТПК); HD- MAC и HD B-MAC – для телевидения высокой четкости (ТВЧ). Основные их различия заключаются в способе модуляции, количестве программ звукового сопровождения и цифровых данных, а также в значении частоты полей (50 или 60 Гц). Эти системы обеспечивают следующие улучшенные характеристики ТВ-вещания: - отсутствие перекрестных искажений сигналов яркости и цветности; - значительное снижение шумов в канале цветности, достигнутое благодаря его переводу в область низких частот; - передачу сигналов звукового сопровождения, синхронизации, телетекста и другой служебной и дополнительной информации в цифровой форме; - повышение разрешающей способности изображения за счет большей ширины полосы частот сигналов яркости и цветности. Во всех ныне используемых вариантах системы МАС используют временное разделение аналоговых составляющих яркости и цветности. При этом спектр исходного сигнала ужимается пропорционально выбранным коэффициентам компрессии. В связи с этим важнейшим параметром этой системы является коэффициент сжатия спектров составляющих цветного ТВ изображения. Все перечисленные выше преимущества сигналов с временным разделением аналоговых компонент послужили основанием для разработки на их основе систем, предназначенных для непосредственного спутникового вещания. В таких системах по одному спутниковому каналу связи передается следующая группа сигналов: аналоговые сигналы яркости и цветности; цифровые сигналы звукового сопровождения, синхронизации, служебных данных, телетекста и т.д. Рассмотрим принцип работы цифроаналогового метода на примере стандартов D-MAC и D2-MAC. Эти стандарты были предложены Францией и Германией, как версии, допускающие передачу сигналов как по спутниковым, 134 так и по наземным каналам связи с шириной полосы пропускания не менее 5 МГц. В настоящее время система D2-MAC одобрена Европейским радиовещательным союзом в качестве стандарта для непосредственного спутникового вещания, позволяющего распространять свои сигналы наземными системами связи с АМ и частично подавленной одной боковой полосой. В системе D2-MAC аналоговые сигналы яркости и цветности передаются в течение активной части строки в сжатом во времени виде, а цифровая часть сигнала, соответствующая звуку, синхронизации, телетексту и другим данным, объединена в пакеты, передаваемые в течение обратного хода по строке и по кадру, причем скорость передачи цифрового потока снижена в 2 раза. Структура строки сигнала, закодированного по системе D2-MAC, приведена на рис.11.1. Рис.11.1. Структура строки Начальный интервал активной части строки (около 17,2 мкс) занимает сжатая по времени в три раза цветовая компонента U или V, соответствующая цветоразностному сигналу ЕR-Y или ЕB-Y, причем каждая составляющая передается поочередно через строку. Следующий промежуток (около 34,4 мкс) отводится яркостной составляющей видеосигнала, сжатой по времени в 3/2 раза при кодировании, и, наконец, обратный ход (порядка 10 мкс) принадлежит цифровой информации, передаваемой с тактовой частотой 20,25 МГц в дуобинарном коде. Дуобинарное кодирование в два раза уменьшает требуемую ширину полосы для данной скорости передачи благодаря использованию трехуровневого сигнала на приеме вместо бинарного. Скорость передачи данных в системе D2-MAC – 10,125 Мбит/c, а в D-MAC – 20,250 Мбит/с. Между видеосигналом и цифровыми данными передается аналоговый импульс фиксации длительностью около 0,7 мкс с уровнем, составляющим половину размаха яркостного и цветоразностного сигналов. Изображение может передаваться в обычном формате с соотношением сторон кадра 4:3 или в расширенном формате 16:9. Поскольку формирование как цифровой, так и аналоговой части сигнала при кодировании осуществляется цифровым способом, полная строка сигнала D2-MAC соответствует 1296 периодам тактовой частоты 20,25 МГц. Из них: цветность яркость цифр. данные и синхронизация 348 696 такт Период фиксации 15 тактов Длит-ть строки 1294 такта 208 135 - 696 периодов отводится на яркость, - 348 периодов – на цветность, - 208 периодов занимают 105 бит цифровой части, - 15 периодов отводится на аналоговый опорный сигнал для фиксации уровня, - оставшиеся периоды занимают переходы между компонентами. Строчная синхронизация осуществляется с помощью 6 бит цифровой информации, передаваемой в начале каждой строки в виде определенного кодового слова или его инверсии (в зависимости от номера строки), а кадровая – с помощью слова 64 бита кадровой синхронизации, размещенного в 625-й строке. 11.4 Цифровое телевидение При переходе к цифровой форме представления и передачи телевизионных сигналов операции обработки, записи и передачи сигнала производятся в цифровом виде. Все цифровые сигналы обрабатываются по единой технологии. Повышается стабильность параметров оборудования, которое работает в бесподстроечном режиме. Тем самым обеспечивается значительное повышение качества телевизионного изображения, особенно при цифровой видеозаписи с применением электронного монтажа. Качество цифровой видеозаписи чрезвычайно важно для создания фондовых и архивных материалов, а также для длительного хранения. Внедрение единого стандарта цифровой видеозаписи значительно расширяет номенклатуру спецэффектов. Это и селективная обработка участков кадра, и электронный монтаж из фрагментов нескольких кадров, замена объектов в кадре, геометрические преобразования изображений и т.п. значительно расширяет возможности оператора при монтаже телепрограмм. Цифровая техника открывает совершенно новые возможности в художественном оформлении телевизионных программ. Т.о., внедрение цифровых методов существенно обогащает технологию телевизионного вещания, делает ее исключительно гибкой и высокопроизводительной. Повышается качество передачи сигналов телевизионных программ по линиям связи благодаря значительному ослаблению эффекта накопления искажений и применению кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки передачи. Можно выделить ряд общих принципов построения систем и устройств цифрового телевидения и охарактеризовать основные процессы, происходящие в тракте, обобщенная структурная схема которого приведена на рис.11.2. На вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый телевизионный сигнал. В кодирующем устройстве телевизионный сигнал преобразуется в цифровую форму и поступает на передающее устройство, которое состоит, в общем случае, из кодера канала и устройства преобразования сигнала. Пройдя через канал связи, цифровой сигнал поступает в приемник, состоящий из устройства обратного преобразования сигнала в аналоговый. Кодер и декодер канала обеспечивает защиту от ошибок в канале 136 связи. В устройствах преобразования характеристики цифрового сигнала согласуются с характеристиками канала связи. Передающее устройство Передающее устройств Приемное устройство Рис.11.2. Обобщенная структурная схема тракта ЦТВ Непрерывный аналоговый телевизионный сигнал несет информацию об отдельных элементах изображения и может принимать любое значение. В цифровом телевизионном сигнале каждому элементу изображения соответствует группа импульсов, принимающих только два значения – «0» или «1». Отсюда следует, что главным преимуществом цифровой формы представления – высокая защищенность от искажений и шумов. Это обусловлено тем, что на приемной стороне обнаруживается только факт передачи импульса в заданный момент времени не зависимо от его формы. Решить такую задачу легче, чем обеспечить неискаженную передачу формы аналогового сигнала. Главным недостатком цифрового телевидения является необходимость значительно более широкой полосы пропускания канала связи по сравнению с аналоговым. Это объясняется тем, что скорость передачи цифрового сигнала, измеряемая числом двоичных символов в секунду (бит/c), довольно велика. Для обеспечения высокого качества цифрового кодирования телевизионного сигнала при f гр = 6 МГц необходимо передавать более 12 млн отсчетов в секунду, а каждый отсчет передается с помощью 8 импульсов, т.е. по каналу передается ∼ 100 млн символов в сек (100 Мбит/с). Следовательно, требуется ширина полосы канала ∼ 100 МГц. В аппаратно-студийных комплексах АСК предусматривается раздельное кодирование сигналов яркости и цветности. Исходя из того, что для получения телевизионных изображений высокого качества нужно иметь полосу частот сигнала яркости ∼ 6 МГц, частота дискретизации должна незначительно ТВ сигнал Цифровой Кодер ТВ сигнала Кодер канала Устройство преобразования сигнала Канал связи Устройство преобразования сигнала Декодер канала Декодер ТВ сигнала Аналоговый Аналоговый ТВ сигнал ТВ сигнал Цифровой ТВ сигнал 137 превышать 12 МГц, а ее номинальное значение должно выбираться с учетом необходимости получения ортогональной структуры отсчетов на телевизионном изображении, т.е. частота дискретизации должна быть кратна частоте строк. С другой стороны она должна быть, по возможности, низкой, чтобы не увеличивать скорость передачи. Наименьшее кратное частоте f стр (625) = 15625 Гц и f стр (525) = 15734 Гц соответствует значению частоты 2,25 МГц. Поэтому для дискретизации сигналов яркости подходят частоты 11,25; 13,5 и 15,75 МГц, кратные 2.25 МГц (множители 5, 6 и 7). Из них выбрана частота дискретизации 13,5 МГц. Для обеспечения высокого качества изображения частота дискретизации цветоразностных сигналов должна составлять 6-7 МГц. С учетом необходимости образования общего цифрового потока выбранная частота дискретизации цветоразностных сигналов равна половина частоты дискретизации сигнала яркости, т.е. 6.75 МГц. Этот стандарт цифрового кодирования условно обозначается соотношением 4:2:2, что отражает соотношение частот дискретизации сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов. Суммарная скорость цифрового потока при стандарте кодирования 4:2:2, получаемая путем объединения потоков сигнала яркости (13,5 ×8 = 108 Мбит/c) и двух цветоразностных сигналов R – Y и B – Y (6,75 ×8×2 = 108 Мбит/c), равна 216 Мбит/с. Для получения еще более высокого качества изображения необходим стандарт с использованием широкополосных сигналов основных цветов R, G, B (или сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов) с частотой дискретизации не ниже 13,5 МГц для каждого из них (условное обозначение 4:4:4). Скорость цифрового потока при этом составит 13,5 ×8×3 = 324 Мбит/c. Таким образом, создается иерархия (семейство) совместимых стандартов цифрового кодирования, обеспечивающих три основных уровня качества: - высшее – на выходе студийных камер до кодирующего устройства (4:4:4); - промежуточное – после кодирующего устройства (4:2:2); - низшее – на выходе видеомагнитофонов (2:1:1). Требование совместимости решается простым переходом от одного стандарта к другому. Например, переход от 4:4:4 к 4:2:2 получается простым отбрасыванием каждого второго отсчета цветоразностных сигналов. Аналогично переход от 4:2:2 к 4:4:4 заключается в восстановлении недостающих отсчетов цветоразностных сигналов и т.п. Как при непосредственном,, так и при раздельном кодировании полного телевизионного сигнала цифровые сигналы получаются чрезвычайно широкополосными и передавать их по существующим линиям связи практически невозможно. Поэтому центральной проблемой в цифровом телевидении является уменьшение в несколько раз требуемой скорости передачи сигналов. Она решается путем устранения имеющейся в телевизионном сигнале избыточности и применения эффективных методов модуляции. Различают статистическую, визуальную (физиологическую) и структурную избыточность телевизионного сигнала. 138 Статистическая избыточность вызвана корреляционными связями и предсказуемостью между элементами сигнала в одной строке, в смежных строках и соседних кадрах. Эта избыточность может быть устранена без потери информации, а исходные данные могут быть полностью восстановлены. Визуальная избыточность заключается в той части информации, которая не воспринимается глазом человека. Например, цветовая разрешающая способность зрения в 4 раза ниже, чем яркостная. Ее можно устранить с частичной потерей данных, мало влияющих на качество изображения. Структурная избыточность определяется законом разложения телевизионного изображения и связана со способом передачи телевизионного сигнала. Например, передаются постоянные по форме сигналы гашения, которые нет необходимости передавать в цифровом потоке. Устранение этих сигналов позволяет уменьшить объем цифрового потока ∼ на 23%. Для борьбы с помехами, приводящими к неверному распознаванию символов цифрового сигнала (к ошибкам передачи) в состав тракта цифрового телевидения включается кодер канала – устройство защиты от ошибок. При этом для передачи по каналу используется помехоустойчивое кодирование, которое требует введения в цифровой сигнал избыточных символов. Современные методы помехоустойчивого кодирования позволяют при введении малого числа избыточных символов значительно уменьшить вероятность ошибочного приема символа. Цифровой телевизионный сигнал с уменьшенной избыточностью должен передаваться с высокой достоверностью. Защита его от искажений актуальна как в условиях телецентра, так и на линиях связи. Коррекция ошибок заключается в восстановлении поврежденной информации цифровыми методами, а маскирование ошибок – в замене поврежденной информации предыдущими или проинтерполированными данными. Таким образом, основные преимущества перехода к цифровой форме представления и передачи телевизионных сигналов заключаются в следующем: - возможность большого числа обработок сигнала с сохранением высокого качества изображения; - высокое качество передачи телевизионных сигналов по цифровым линиям связи большой протяженности; - возможность просмотра ТВ программ любого существующего стандарта; - высокое качество записи и воспроизведения изображения; - высокая стабильность тракта, возможность длительной бесподстроечной работы. Самой главной проблемой, которая мешала внедрению цифрового способа передачи, является очень большой объем информации, который необходимо обрабатывать в режиме реального времени. Для этого необходима очень высокая скорость передачи и широкая полоса частот канала связи. Поэтому нужно стремиться к уменьшению скорости передачи до приемлемого значения без ущерба качеству изображения с помощью устранения избыточности, т.е. сжатия передаваемой информации. Современные методы сжатия телевизионного сигнала позволяют избавиться от избыточности с помощью 139 межкадрового и внутрикадрового кодирования. Окончательный результат сжатия зависит как от степени избыточности оригинала, так и от характеристик аппаратуры, используемой для кодирования. На практике необходимо найти разумный компромисс между результатом кодирования, т.е. сжатием с достаточным качеством, и аппаратной сложностью реализации. |