Спутниковое ТВ

Следующий этап обработки заключается в адаптивном квантовании полученных коэффициентов. Набор коэффициентов каждого блока рассматривается как вектор, и процедура квантования производится над набором в целом (векторное квантование). Оценка показывает, что описанная процедура сжатия близка к теоретическому пределу сжатия информации по Шеннону.

Амплитудная избыточность исходного сигнала устраняется на этапе кодирования сообщения перед подачей его в канал связи. Не все значения вектора движения и коэффициентов блока равновероятны, поэтому применяется статистическое кодирование с переменной длиной кодового слова. Наиболее короткие слова присваиваются событиям с наибольшей вероятностью. Дополнительная компрессия достигается кодированием в виде самостоятельного символа групп нулей.Отличительной чертой стандартов MPEG1 и MPEG2 является их гибкость. Они могут работать с параметрами разложение изображения 525 строк при 30 кадрах в секунду и 625 строк при 25 кадрах в секунду, пригодны для форматов изображения 4:3, 16:9 и др., допускают усовершенствование кодера без изменений в уже остановленных декодерах.

Для спутниковою телевидения более перспективным, безусловно, является MPEG2, рассчитанный на обработку входного сигнала с чересстрочной разверткой и различными скоростями цифрового потока (4...10 Мбит/с и более), каждой из которых соответствует определенная разрешающая способность. По этому параметру в стандарте определены четыре уровня: низкий (на уровне бытового видеомагнитофона), основной (студийное качество), телевидение повышенной четкости с 1440 элементами на строку и полное ТВЧ с 1920 элементами. По сложности используемого алгоритма обработки стандарт содержит четыре профиля: простой - согласно вышеописанному алгоритму; основной - с добавлением двунаправленного предсказания; улучшенный основной - с улучшением либо отношения сигнал/шум, либо пространственного разрешения и перспективный - с возможностью одновременной обработки цветоразностных сигналов.

Можно рассчитать, что в спутниковом канале с пропускной способностью 20...25 Мбит/г можно передать четыре-пять программ хорошего качества, соответствующего магистральным каналам подачи программ, или 10. .12 программ с качеством, соответствующим видеомагнитофону стандарта VHS.

Составной частью в стандарты МРЕG1 и МРЕG2 входят алгоритмы передачи звуковых сигналов с цифровой компрессией, позволяющие уменьшить скорость цифрового потока в шесть-восемь раз без субъективного ухудшения качества звучания. Один из широко используемых методов получил название MUSICAM.

Исходным сигналом является ИКМ последовательность, полученная стробированием исходного звукового сигнала с тактовой частотой 48 кГц и преобразованием в цифровую форму с точностью 16 бит/отсчет. Признано, что такой цифровой сигнал соответствует качеству звучания компакт-диска (CD-quality). Для эффективного использования спектра необходимо снизить максимальную скорость цифрового потока. Новая техника кодирования использует свойства человеческого восприятия звука, связанные со спектральным и временным маскированием. Шумы квантования динамически приспосабливаются к порогу маскирования, и в канале передаются только те детали звучания, которые могут быть восприняты слушателем. Эта идея реализуется в кодере. Здесь с помощью блока фильтров происходит разделение сигнала на 32 парциальных сигнала, которые квантуются в соответствии с управляющими сигналами психоакустической модели человеческого слуха, использующей оценку порога маскирования для формирования этих управляющих сигналов. На выходе кодера из парциальных отсчетов формируется набор кодовых слов, объединяемый далее в кадр заданной длительности. Выходная скорость кодера в зависимости от требований качества и числа программ в канале может составлять 32, 48, 56. 64, 80, 96, 112, 128, 160 или 192 Кбит/с на монопрограмму. Скорость 32 Кбит/с соответствует обычному речевому каналу, 48 Кбит/с - наземному AM вещанию. При скорости 256 Кбит/с на стереопару не только обеспечивается качество компакт-диска, но и имеется значительный запас на последующую обработку.

Системная часть стандарта MPEG2 описывает объединение в единый цифровой поток отдельных потоков изображения, звука, синхронизации, данных одной или нескольких программ. Для передачи в среде с помехами формируется "транспортный" поток, включающий средства для предотвращения ошибок и обнаружения утерянных пакетов. Он содержит пакеты фиксированной длины (188 байт), содержащие стартовый байт, префикс (3 байта) и область полезных данных.

Перед подачей в канал связи сигнал подвергается дополнительному помехоустойчивому кодированию и поступает на модулятор. Эти операции не входят в стандарт MPEG и в разных спутниковых системах могут выполняться различными способами, что лишает эти системы аппаратурной совместимости. Европейским странам удалось решить эту проблему, разработав на базе MPEG2 стандарт многопрограммного цифрового ТВ вещания DVB, нормирующий вес операции на передающей стороне вплоть до подачи сигнала на вход СВЧ передатчика.

В стандарте DVB применяется каскадное помехоустойчивое кодирование. Внешний код - укороченный код Рида-Соломона (204.188) с t=8, обеспечивающий "безошибочный" прием (вероятность ошибки на выходе менее 10-10) при вероятности ошибки на входе менее 10-3. Внутренний код - сверточный с относительной скоростью 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 или 7/8 и длиной кодового ограничения К=7, декодирование осуществляется по алгоритму Витерби с мягким решением. Вид модуляции - четырехпозиционная ФМ.

На приемной стороне декодер осуществляет все вышеописанные операции в обратном порядке, восстанавливая на выходе изображение, весьма близкое к исходному.

Основной областью использования цифрового телевидения. как ожидается, станут системы непосредственного ТВ вещания в диапазоне 12 ГГц. В США уже функционирует первая такая система DirecTV / USSB, предоставляющая абонентам возможность приема более чем 170 ТВ программ. Планируется внедрение методов цифровой обработки в европейских спутниковых системах.

Телевидение высокой четкости

Под телевидением высокой четкости (ТВЧ) понимают передача изображения с числом строк, приблизительно вдвое превышающим тот показатель у существующих стандартов, и форматом кадра (отношение ширины кадра к его высоте) 16:9. Объем информации содержащийся в каждом кадре ТВЧ изображения, возрастает в пять-шесть раз по сравнению с обычным телевидением. На ТВЧ изображении отсутствуют дефекты, свойственные принятым сегодня стандартам ТВ вещания, - недостаточная разрешающая способность, заметность поднесущей, перекрестные искажения сигналов яркости и цветности, мерцание изображения из-за недостаточно высокой частоты кадров, дрожание строк и т.д. ТВЧ обеспечивает существенное повышение качества ТВ изображения, приближая его восприятие к зрительному восприятию естественных, натуральных сцен и сюжетов. Такое радикальное улучшение качества изображения не может быть достигнуто ни модификацией существующих стандартных систем цветного ТВ, ни ТВ системами повышенного качества.

В США, Японии, европейских странах в последние пять-семь лет ведутся многочисленные разработки новых ТВ стандартов с улучшенным качеством изображения. Разработаны совместимые системы телевидения повышенного качества (ТВПК), в которых устранены наиболее характерные искажения ТВ сигнала, несколько увеличена разрешающая способность, введен формат изображения 169 (стандарты МАС, PAL-плюс). Эти системы нельзя отнести к ТВЧ, так как параметры разложения изображения не изменяются.

Среди систем ТВЧ с временным разделением наиболее известна и одно время даже претендовала на роль мирового стандарта японская система MUSE (Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding -кодирование с многократной субдискретизацией), предназначенная для передачи сигналов ТВЧ по спутниковому каналу с полосой 27 (24) МГц. Передача сигналов изображения в спутниковом канале осуществляется с помощью ЧМ сигнала звукового сопровождения - методом четырехпозиционной ФМ. Основные характеристики сигнала MUSE:

Развертка Чересстрочная с перемежением 2:1

Число строк исходного изображения 1125

Частота полей 60 Гц

Формат изображения 16:9

Разрешающая способность, пиксель

· в канале яркости

1496

· в канале цветности

374

Частота дискретизации 48,6 МГц

Полоса частот видеосигнала

· по уровню -3 дБ

8,1 МГц

Метод модуляции несущей ЧМ

Девиация частоты 10,2 МГц

Полоса частот радиоканала 24 МГц

Отношение несущая-шум на приеме 17 дБ

Число звуковых каналов 2/4

Япония достаточно далеко продвинулась в деле внедрения ТВЧ. Разработано необходимое студийное оборудование, поступили в продажу ТВ приемники, ведутся регулярные передачи в стандарте MUSE через вещательный спутник BS-3.

Разработка стандарта ТВЧ в Европе проводилась с 1986 г. в рамках научно-технической программы "Эврика". Новый стандарт HD-МАС (High Definition МАС - МАК высокой четкости) основан на ранее разработанном D(D2)-МАС/packet и совместим с ним. Снижение роли стандартов МАС в спутниковом вещании ставит под сомнение и перспективы широкого внедрения HD-МАС.

В ближайшее время ожидается принятие национального стандарта ТВЧ в США, пригодного для использования, как в наземных, так и в спутниковых системах.

Принятие каждой группой стран своего собственного стандарта ТВЧ может затруднить международный ТВ обмен, как это произошло уже в прошлом со стандартами черно-белого ТВ и системами цветного телевидения. В последнее время под эгидой Международного союза электросвязи предпринимаются усилия по созданию единого мирового стандарта ТВЧ. Уже согласованы базовые параметры ТВЧ сигнала: формат изображения 16:9, колориметрические характеристики, световые параметры, пределы значений скорости передачи видеоданных 0,8...1,2 Гбит/с для чересстрочной развертки и 2...3 Гбит/с при прогрессивном разложении, число элементов в активной части строки и т.п.

Серьезной проблемой в ТВЧ вещании является поиск методов распределения сигналов. Существующие распределительные сети не располагают пропускной способностью, достаточной для передачи значительного числа высокоскоростных сигналов, поэтому на передающей стороне сигнал подвергают дополнительной обработке, имеющей целью сократить объем информации без заметного ухудшения качества изображения.

Разработанные в рамках стандарта MPEG-2 методы цифровой компрессии полностью применимы к ТВЧ и позволяют уже сегодня передать ТВЧ сигнал со скоростью цифрового потока 20…30 Мбит, что примерно соответствует пропускной способности спутникового ВЧ ствола с полосой пропускания 27... 36 МГц.

Засекречивание ТВ сигнала

Телевизионные сигналы со спутника в принципе могут быть приняты любым желающим в пределах обширной территории независимо от желания передающей стороны. Однако в некоторых случаях телекомпания - владелец программы заинтересована в предотвращении несанкционированного приема, например, при передаче программ платного телевидения, деловых телеконференций или для ограничения территории, на которой можно принимать данную программу по условиям авторского права. Наиболее широко применяемый метод ограничения доступа - засекречивание передаваемых программ таким образом, чтобы сделать прием невозможным без специального декодера, предоставляемого владельцем программы. На практике используется восемь систем кодирования для PAL/SECAM, четыре для NTSC и шесть для сигнала МАС.

Основные требования к системе засекречивания - она должна быть недорогой, надежной и "прозрачной". Первое требование очевидно и означает, что стоимость декодера не должна существенно влиять на стоимость всей приемной установки. Высокая надежность предполагает, что сигнал невозможно расшифровать простой переделкой приемника и требуется специальное устройство - декодер, который, по крайней мере, не может быть изготовлен в домашних условиях и содержит ключ или специальную карту, защищенные от копирования. Обычно приходится искать компромисс между надежностью системы засекречивания и ее стоимостью. Прозрачность системы означает, что качество сигнала после кодирования/декодирования не должно ухудшаться.

Простейший способ засекречивания - искажение синхросигнала так, что стандартный ТВ приемник не может восстановить нормальное изображение, оно появляется на экране в виде отдельных сегментов. Информация о синхросмеси передается в сигнале в скрытой форме и обнаруживается декодером, который восстанавливает стандартные синхроимпульсы. Более высокая надежность достигается добавлением инвертирования части сигнала, смещением его уровня. Еще более сложный путь - сдвиг во времени отдельных строк изображения, или рассечение строк и перестановка местами рассеченных частей, или перестановка местами строк.

В одной из первых использовавшихся в Европе систем вместо строчного синхроимпульса подставлялся пакет синусоидальных колебаний с частотой 2,5 МГц, применялись также различные варианты инвертирования изображения. Разновидность этого метода под названием Irdeto/Luscrypt используется при кодировании программы RTL-4 на спутнике Astra. Схожий результат получается при передаче цифровых звуковых сигналов в интервале обратного хода луча, используемой Европейским вещательным союзом в системе "Евровидение". Цифровой пакет нарушает структуру строчного синхроимпульса и сбивает работу амплитудного селектора, поэтому на приеме необходимо специальное устройство регенерации синхросмеси.