Цифровое вещательное телевидение. Базовые основы

Содержание 1. Принципы цифрового кодирования телевизионного сигнала. Общие принципы построения системы цифрового телевидения 1.1. Дискретизация 1.2. Квантование телевизионного сигнала 2. Международные стандарты цифрового преобразования телевизионных сигналов 3. Преобразование звуковых сигналов в цифровую форму 4. Способы обработки и передачи цифровых телевизионных стгналов 5. Особенности передачи сигналов цифрового телевидения по эфирным каналам связи 6. Концепции стандартов DVB-T и DVB-T2 7. Задача сжатия информации и пути её решения 8. Телевидение. Принцип получения телевизионного изображения 9. От диска Нипкова до цифрового телевидения 10. Общие сведения о структуре эфирного телевизионного вещания

Заключительная статья из цикла материалов о цифровом телевидении. Вначале будут рассмотрены общие принципы построения систем цифрового ТВ, а затем приведены ссылки на ранее опубликованные материалы по обозначенной теме.

Принципы получения изображения, которое можно передать на расстояние, а также способы кодирования динамической картинки для целей телевизионного вещания были рассмотрены статье «Аналоговое телевидение как базовая основа цифрового ТВ».

Не за горами то время, когда аналоговое телевидение со всеми присущими ему искажениями станет частью истории, поскольку наземные, спутниковые и кабельные системы передачи, по которым происходит доставка телевизионных программ телезрителям, постепенно переходят на цифровые методы.

Пришла пора познакомиться со способами оцифровки изображения для передачи в эфир в современном формате цифрового ТВ. Как и предыдущий материал, данная статья не предназначена для телевизионных инженеров. Это — скорее, ликбез по «цифре» для самого широкого круга читателей.

Поскольку статья, всё же, о российском цифровом телевидении, то начнём с терминологии.

ГОСТ Р 52210-2004. «Телевидение вещательное цифровое. Термины и определения» [1] (Национальный стандарт Российской Федерации) сухо разъясняет нам:

«

1. Цифровое вещательное телевидение (digital broadcast television): Вещательное телевидение, в котором используют технические средства для формирования, передачи и приема цифровых телевизионных сигналов.

2. Цифровое телевизионное вещание (digital television broadcasting); ЦТВ: Составляющая цифрового вещательного телевидения, предназначенная для передачи телевизионных программ и служебной информации потребителю.

Примечание: Под служебной информацией понимают метаданные, данные потребителя и т.д.

»

Не густо для понимания физических процессов и алгоритмов, задействованных в аналого-цифровом преобразовании движущегося телевизионного изображения. Вначале разберёмся с основными положениями цифрового представления телевизионного и звукового сигналов.

1. Принципы цифрового кодирования телевизионного сигнала. Общие принципы построения системы цифрового телевидения

Системы цифрового телевидения могут быть двух типов. В системах первого типа, полностью цифровых, преобразование передаваемого изображения в цифровой сигнал и обратное преобразование цифрового сигнала в изображение на телевизионном экране осуществляются непосредственно в преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения информация передается в цифровой форме.

В цифровых телевизионных системах второго типа аналоговый телевизионный сигнал, получаемый е датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается всей необходимой обработке, передаче или консервации, а затем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются существующие датчики аналоговых телевизионных сигналов и преобразователи свет-сигнал в телевизионных приемниках. В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый телевизионный сигнал, затем он кодируется, то есть преобразуется в цифровую форму. Это преобразование представляет собой комплекс операций, наиболее существенными из которых являются дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.

Строго говоря, дискретизированный и квантованный телевизионный сигнал уже является цифровым. Однако цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом числе уровней квантования. Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, то есть каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня квантования) будет преобразован в кодовую комбинацию символов «0» или «1».

В этом и состоит третья, заключительная операция по преобразованию аналогового телевизионного сигнала в цифровой, называемая операцией кодирования. Данный способ преобразования получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Для примера на рис. 1.1 г показан результат преобразования фрагмента исходного аналогового телевизионного сигнала U_(t) в последовательность комбинаций двоичного трехразрядного кода. [2, с. 20]

1.1. Дискретизация

Первой операцией процесса цифрового кодирования аналогового телевизионного сигнала является его дискретизация, которая представляет собой замену непрерывного аналогового сигнала U_(t) последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная дискретизация с постоянным периодом, в основе которой лежит теорема Найквиста-Котельникова.

Ортогональная структура дискретизации изображения с шагом дискретизации, удовлетворяющим условиям теоремы Найквиста-Котельникова, характеризуется заметной избыточностью в разрешающей способности системы по диагональным направлениям. Устранить эту избыточность путем уменьшения числа отсчетов (то сеть, уменьшая частоту дискретизации) нельзя, так как при этом ухудшится четкость изображения в самых важных направлениях: по горизонтали и вертикали.

Более совершенная кадрово-шахматная структура, несмотря на свои достоинства, в вещательном телевидении не используется.

В вещании практическое применение получила фиксированная ортогональная структура, отсчеты которой расположены на телевизионном экране вдоль вертикальных линий периодично по строкам, полям, кадрам.

Позволяя суммировать соседние поля чересстрочного разложения без потери разрешающей способности по горизонтали и вертикали, ортогональная структура дискретизации идеальна для выполнения различных интерполяций в преобразователях стандартов, аппаратуре видеоэффектов, устройствах сокращения избыточности информации. Это обстоятельство явилось основным при выборе ортогональной структуры для базового стандарта цифрового кодирования.

Ортогональная структура отсчетов получается при выборе частоты дискретизации, кратной частоте строк. При этом следует учитывать, что в телевизионном вещании еще долго будут использоваться основные стандарты разложения 625/50 и 525/60. В связи с этим параметры цифрового кодирования телевизионного сигнала необходимо согласовывать с двумя стандартами разложения.

Для дискретизации телевизионных сигналов подходят частоты 11,25; 13,5 и 15,75 МГц, кратные 2,25 МГц (множители 5, 6 и 7). Из них выбрана частота 13,5 МГц, поскольку это значение является единственным, которое обеспечивает перечисленные выше требования. Оно дает возможность получить 864 отсчета в строке с разложением на 625 строк и 858 отсчетов при разложении на 525 строк.

1.2. Квантование телевизионного сигнала

Квантование представляет собой дискретизацию телевизионного сигнала не во времени, а по уровню сигнала U_(t) (см. рис. 1.1 в).

Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчеты, называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала U_(t) уровнями квантования на отдельные области значений, называемые шагами квантования, образуют шкалу квантования. Обычно используется линейная шкала квантования, при которой размеры зон одинаковы.

В современных системах цифрового телевидения, как правило, применяется равномерное квантование прошедших гамма-коррекцию сигналов с числом двоичных разрядов АЦП n=8, что дает число уровней квантования N_КВ = 256. При этих условиях шумы квантования на изображении незаметны.

На выходе АЦП полученный номер уровня квантования представляется в виде двоичного числа, то есть кодируется (оцифровывается). Обычно используется прямой двоичный код. Значения цифрового сигнала представляются числами от 00000000 до 11111111 в порядке нарастания их величины. Фактически используются не все 256 уровней 8-разрядного квантования (от 0 до 255), а несколько меньше.

Для аналого-цифрового преобразования видеосигнала предложено выделить только 220 уровней, а уровню черного и номинальному уровню белого поставить в соответствие уровни 16 и 235. Таким образом, предусматривается запас в 16 уровней «снизу» и 20 уровней «сверху» при положительной полярности видеосигнала. Это различие учитывает неодинаковость восприятия возникающих помех дискретизации на черном и белом.

Особые назначения имеют 0-й и 255-й уровни квантования. С помощью соответствующих им кодов передаются сигналы синхронизации.

При квантовании цветоразностных сигналов также предусматриваются резервные зоны – по 16 уровней квантования сверху и снизу. На АЦП поступают не сами цветоразностные сигналы Е’_R-Y и Е’_B-Y, а компрессированные цветоразностные сигналы, формируемые в соответствии с соотношениями:

E’_CR=0,713·E’_R-Y; E’_CB=0,564·E’_B-Y

причем значения сигналов Е’_CR и Е’св изменяются в диапазоне от -0,5 В до 0,5 В.
Коэффициенты компрессии взяты из условия, чтобы амплитуды цветоразностных сигналов, равные единице, достигались при передаче испытательных цветовых полос с 75%-ной яркостью.

Так как цветоразностные сигналы являются двуполярными, и максимальные отклонения от нулевого значения в положительную и отрицательную сторону примерно одинаковы, 128-й уровень квантования должен соответствовать нулевому значению этих сигналов. Старший бит в цифровом цветоразностном сигнале показывает полярность аналогового цветоразностного сигнала.

На рис. 1.10 показано соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования для обычного тестового изображения в виде восьми цветных полос.

В состав цифрового телевизионного сигнала согласно Рекомендации ITU-R ВТ 601 входят синхросигналы. Перед началом активного участка каждой строки в конце строчного гасящего импульса передается синхросигнал начала активной строки НАС (SAV – Start Active Video), а после окончания активного участка каждой строки в начале строчного гасящего импульса передается синхросигнал конца активной строки КАС (EAV – End Active Video).

Каждый из синхросигналов НАС и КАС содержит 4 байта. Первый байт состоит из восьми двоичных единиц, что соответствует десятичному числу 255 (в шестнадцатеричной записи FF). При использовании 10-разрядного квантования вместо числа 255 используется число 1023. Следующие два байта равны 0 (в шестнадцатеричной записи 00). Четвертый байт служит для передачи собственно синхронизирующей информации, которая позволяет идентифицировать первое и второе поля, полевые интервалы гашения, начало и конец интервала строки.

Бόльшая часть длительности строчного гасящего импульса между синхросигналами НАС и КАС, а именно 280 периодов тактовых импульсов из 288, остается свободной, и в этом интервале можно передавать различную информацию, например, преобразованные в цифровую форму сигналы звукового сопровождения.

Подробнее в статье: «Стандарты видео в цифровом телевидении»

2. Международные стандарты цифрового преобразования телевизионных сигналов

Цифровое кодирование ТВ изображений стандартной четкости

• Широкоформатное вещательное телевидение стандартной четкости

Стандарты компонентных видеосигналов

• Стандарт 4:2:2
• Стандарт 4:4:4
• Стандарты 4:1:1 и 4:2:0
• Стандарт 3:1:1 и формат CIF

Цифровое телевидение высокой четкости

• Стандарты ТВЧ в России
• Цифровое кодирование ТВ изображений повышенной (EDTV) и высокой (HDTV) четкости

URL: https://SNEG5.com/nauka/tehnika-i-tehnologii/standarty-cifrovogo-tv.html

Подробнее в статье: «Стандарты звука в цифровом телевидении»

 

3. Преобразование звуковых сигналов в цифровую форму

Особенности аналого-цифрового преобразования звуковых сигналов

• Цифровой звуковой сигнал AES/EBU
• Аппаратная реализация AES/EBU5

URL: https://SNEG5.com/nauka/tehnika-i-tehnologii/aes-ebu.html

Подробнее в статье: «Как формируется цифровой телевизионный сигнал»

 

4. Способы обработки и передачи цифровых телевизионных сигналов

Формирователи цифровых телевизионных сигналов

Особенности передачи цифровых сигналов по линиям связи

• Особенности передачи высокочастотных сигналов по коаксиальному кабелю

Цифровые интерфейсы передачи видео и звуковых данных

• Параллельный видеоинтерфейс
• Последовательные видеоинтерфейсы SDI, SDTI и FC

• SDI
• SDTI
• FC (Fibre Channel)

Передача дополнительных данных

URL: https://SNEG5.com/nauka/tehnika-i-tehnologii/cifrovoj-tv-signal.html

Подробнее в статье: «Кодирование и передача сигналов цифрового ТВ»

5. Особенности передачи сигналов цифрового телевидения по эфирным каналам связи

Перемежение и скремблирование

Коды, исправляющие ошибки

• Проверка на четность
• Коды Рида-Соломона
• Свёрточное кодирование
• Каскадное кодирование

Способы модуляции, применяемые при передаче сигналов цифрового телевидения по радиоканалу

• COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
• Квадратурная амплитудная модуляция (QAM)
• Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK)

URL: https://SNEG5.com/nauka/tehnika-i-tehnologii/kodirovanie-cifrovogo-tv.html

Подробнее в статье: «Цифровое телевидение стандартов DVB-T и DVB-T2»

6. Концепции стандартов DVB-T и DVB-T2

Концепции стандарта DVB-T

Концепция стандарта DVB-T2

• Формирование передаваемых пакетов данных
• Сервисные возможности системы стандарта DVB-Т2
• Сравнительная оценка систем стандартов DVB-Т и DVB-T2
• Основные устройства цифрового передающего аппаратурного комплекса

• Кодеры цифрового сжатия
• Мультиплексоры
• Гибридные телевизионные передатчики
• Описание обобщенной структурной схемы цифрового телевизора

URL: https://SNEG5.com/nauka/tehnika-i-tehnologii/dvb-t-dvb-t2.html

Подробнее в статье: «Практическое использование видеокомпрессии в телевидении»

7. Задача сжатия информации и пути её решения

MPEG

• MPEG-1
• MPEG-2
• MPEG-4

• MPEG-4 AVC (H.264)

• H.265/HEVC
• MPEG-7

RVC-1.2 и другие способы компрессии аудиовидеоданных

URL: https://SNEG5.com/nauka/tehnika-i-tehnologii/mpeg.html

Подробнее в статье: «Аналоговое телевидение как базовая основа цифрового ТВ»

8. Телевидение. Принцип получения телевизионного изображения

Вещательное телевидение

• Общие сведения

• Понятие развертки
• Переменная составляющая и форма импульсов
• Синхронизация
• Полоса частот и подавление НБП
• Полярность модуляции

• Стандарты систем телевидения

• Диапазон волн
• Стандарты метрового диапазона
• Стандарты дециметрового диапазона

Основные параметры стандарта вещательного ТВ в России в соответствии с ГОСТ 7845-92

• Назначение составных частей полного ТВ сигнала (ПТВС)

• Строчные к кадровые гасящие импульсы
• Строчные и кадровые синхронизирующие импульсы
• Врезки в КСИ
• Уравнивающие импульсы
• Измерительные и вспомогательные сигналы
• Параметры сигналов I-IV – по ГОСТ 18471, параметры сигнала V – по приложению 1 настоящего стандарта
• Сигналы полевой цветовой синхронизации (SECAM)

• Постоянная составляющая

Выводы

URL: https://sneg5.com/nauka/tehnika-i-tehnologii/televidenie.html

Подробнее в статье: «Изобретение телевидения. История и современность»

9. От диска Нипкова до цифрового телевидения

• Борис Розинг

Краткая история телевидения в XX веке

• Механическое телевидение
• Диск Нипкова
• Электронное телевидение
• Начало ТВ-вещания в СССР
• 625 или 819?
• Да будет цвет!
• Телевидение шагнуло в космос
• Телевидение высокой четкости
• Предпосылки цифрового телевидения

URL: https://SNEG5.com/nauka/tehnika-i-tehnologii/izobretenie-televideniya.html

10. Общие сведения о структуре эфирного телевизионного вещания

С учетом географических и демографических особенностей России сигналы телевизионных программ передаются абонентам (телезрителям) в основном с помощью наземной телевизионной передающей сети, состоящей из программных телецентров, работающих с радиотелевизионными передающими станциями (РТПС). Телецентры представляют собой комплексы радиотехнической аппаратуры, помещений и служб, необходимых для создания телевизионных программ. Кроме того, в состав передающей сети входит большое количество телевизионных ретрансляторов, оборудованных как мощными радиопередатчиками (мощность свыше 1 кВт), так и радиопередатчиками малой мощности (до 1 кВт).

Основным назначением телевизионных ретрансляторов является обеспечение более равномерного покрытия густонаселенной территории в отдельных регионах страны телевизионным вещанием. Телевизионные ретрансляторы требуются, как правило, в двух случаях: во-первых, вне зоны уверенного приема основной мощности РТПС и, во-вторых, внутри зоны в местах, в которых по географическим причинам сигнал основной станции ослаблен и не обеспечивает удовлетворительного качества приема. В состав современной телевизионной сети нашей страны входят также около 100 млн. телевизоров.

В РФ для организации телевизионного и звукового радиовещания с частотной модуляцией (ЧМ) были выделены определенные полосы частот (48,5…230 и 470…960 МГц), согласованные с международным планом радиочастот, принятым в 1961 г. Стокгольмской Радиоконференцией для систем аналогового вещания.

С целью классификации выделенная для телевизионного вещания в стране область частот электромагнитных колебаний условно разбита на пять частотных диапазонов, в которых может быть размещено 73 радиоканала:

I диапазон 48,5… 66 МГц (радиоканалы 1 и 2);
II диапазон 76… 100 МГц (радиоканалы 3… 5);
III диапазон 174… 230 МГц (радиоканалы 6… 12);
IV диапазон 470… 582 МГц (радиоканалы 21… 34);
V диапазон 582… 960 МГц (радиоканалы 35… 82). [2, с. 341]

Следует заметить, что между вторым и третьим радиоканалами расположена полоса частот, отведенная для ОВЧ ЧМ вещания (звуковое вещание в области очень высоких частот, что соответствует метровому диапазону волн, с частотной модуляцией), равная 7 МГц (66… 73 МГц).

Номинальные значения несущих частот изображения и звука в различных радиоканалах вещательного телевидения I – V частотных диапазонов приведены в табл. 6.1.

Частоты f_н, f_в, ограничивающие полосу любого дециметрового канала, и частота несущей изображения f0из радиоканала могут быть определены по номеру канала N_к из следующих соотношений:

f_н=470+ (N_К – 21)·8=302+8N_К, МГц

f_н=470+ (N_К – 20)·8=310+8N_К, МГц

f_{0 из}=470+ (N_К – 21)·8+1,25=303,25+8N_К, МГц

Выбор нижней границы I диапазона определяется тем, что для упрощения конструкции телевизионных приемников и снижения частотных искажений при выделении полного телевизионного сигнала из радиосигнала необходимо, чтобы несущая частота изображения в несколько раз превышала максимальную частоту спектра модулирующего телевизионного сигнала/шума – 6,25 МГц. Кроме этого, частотный диапазон примерно до 40 МГц практически полностью занят для целей радиовещания и радиосвязи и других радиослужб. Верхняя граница V частотного диапазона ограничена длинами радиоволн, на которых начинают сказываться значительное их поглощение в атмосфере и влияние се неоднородностей — дождя, тумана и т.д. [2, с. 342]

Каждый радиоканал предназначается для передачи сигналов изображения и звукового сопровождения одной телевизионной программы. Ширина полосы частот радиоканала определяется используемым телевизионным стандартом, то есть соответствует 8 МГц.

Региональная конференция радиосвязи по планированию цифровой наземной радиовещательной службы в отдельных частях Регионов 1 и 3, куда входит Россия, проведенная под эгидой МСЭ в 2004 году, с учетом совместного использования радиоэлектронных средств цифрового телевещания е техническими средствами аналогового отвела под телевещание полосы радиочастот 174… 230 МГц и 470… 862 МГц, то есть, начиная с шестого метрового телевизионного канала частотного плана, применяемого для аналогового вещания (см. табл. 6.1).

Поэтому 6 июня 2005 г. Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) РФ выделила данные полосы радиочастот непосредственно для цифрового наземного телевизионного вещания на территории России.

При переходе на цифровой стандарт для организации многопрограммного эфирного телевещания требуется меньшее количество радиоканалов. В связи с этим 16 марта 2012 года решением ГКРЧ для телевещания на территории РФ в стандарте DVB-Т2 приняты к использованию радиочастоты метрового (174… 230 МГц) и дециметрового диапазонов частот (470… 790 МГц) на 6…12 и 21…60 каналах соответственно (всего 47 радиоканалов).

Международная стандартизация тракта передачи в наземном цифровом телевизионном вещании основывается на модели канала, предусматривающего сохранение существующих наземных радиоканалов е номинальными полосами частот 6; 7 и 8 МГц (концепция 6, 7 и 8).

Особо следует отметить, что перевод наземной телевизионной передающей сети в цифровой стандарт вещания потребует внесения ряда поправок в методику планирования передающей сети телевизионного вещания. В первую очередь, это касается размеров зон обслуживания.

В результате обобщения данных теоретических расчетов и экспериментальных исследований, установлено, что качественные показатели воспроизводимых телевизионных изображений при одних и тех же размерах зон обслуживания в значительной степени зависят от стандарта вещания (аналоговый или цифровой). Фактически зоны обслуживания телевизионным вещанием будут различными в зависимости от того, осуществляется ли прием аналогового сигнала или цифрового. [2, с. 343]

Цифровые сигналы более защищены от помех, чем аналоговые. Поэтому для приема телевизионного сигнала в цифровом стандарте требуются более низкие значения напряженности электромагнитного поля, чем для приема аналогового. Однако прием сигналов аналогового телевещания возможен на значительных расстояниях за пределами зон гарантированного обслуживания, тогда как одна из особенностей работы цифровой телевизионной системы — так называемый пороговый характер приема. Это означает, что даже при незначительном уменьшении напряженности электромагнитного поля ниже определенного порога прием телевизионных программ быстро прекращается. [2, с. 344]