В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Максим Махк
Главный конструктор АСУ "Радиан"
Методы и стандарты сжатия и передачи телевизионного сигнала столь разнообразны и многочисленны, что только их перечисление заняло бы несколько страниц. В связи с этим из рассмотрения умышленно исключены стандарты и системы телевидения, неактуальные в настоящее для использования на территории Российской Федерации
В постановлении Правительства РФ от 2 декабря 2003 г. о принятии европейского стандарта DVB для использования в цифровом телевизионном вещании на территории Российской Федерации из рассмотрения исключены стандарты цифрового ТВ, принятые в США (АТSС) и Японии (ISDB). Поэтому в статье не будет идти речь об этих стандартах.
Во-вторых, в связи с неопределенностью окончательного стандарта HDTV: 10801 (1920х1080), 30 кадр/с или 720р (1280х720), 60 кадр/с, автор статьи не касается характеристики стандартов телевидения высокой четкости (HDTV).В-третьих, в статье не будут рассматриваться стандарты, регламентирующие передачу сигнала с разрешением менее 720х576 точек и с кадровой частотой, отличной от 25 кадр/с, что соответствует стандартам PAL и SECAM.
Международный стандарт MPEG-2
Некомпрессированные цифровые видео- и аудиосигналы имеют большой размер. В среднем для передачи одной программы требуется битовая скорость 270 Мбит/с. Для кодирования и компрессии видео- и аудиосигналов выбран международный стандарт MPEG2 (Motion Picture Ехреrt Group version 2), который может сжать ТВ-программу размером 270 Мбит/с до 5-6 Мбит/с при сохранении такого же качества. Сжатие до 4 Мбит/с и менее тоже возможно, но здесь уже будет компромисс между качеством и размером потока.
Метод компрессии телевизионного сигнала в стандарте MPEG-2 (ISO/IEC 13818-2) определяет семейство взаимосогласованных и совместимых сверху вниз цифровых стандартов сжатия телевизионных сигналов, описываемых параметрами "уровня" и "профиля".
Для передачи цифрового телевидения вещательного (стандартного) качества в стандарте MPEG-2 определен основной профиль МL (Main Level) 720х576.
Стандартом MPEG-2 задаются профили:
Кроме того, существует не определенный стандартом, но активно используемый в практике профиль 422Р.
Метод сжатия видеосигнала записывается парой аббревиатур, кодирующих "уровень" и "профиль". Так, например, запись "МР@МL" означает "Main Profile" и "Маin Level", а запись "422Р@МL" - использование профиля 422 с "Маin Level" и т.п.
Алгоритм работы кодера MРEG-2
Чтобы понять процесс разделения стандартов сжатия на профили, необходимо пояснить алгоритм работы кодера MPEG2.
Телевизионный сигнал представляет собой совокупность сигнала яркости Y и двух цветоразностных сигналов U и V.
Вариации их значений допускают 256 градаций (от 0 до 255 - для Y и от -128 до 127 - для U/V), что в двоичном исчислении соответствует 8 битам, или 1 байту. Теоретически каждый элемент кадра имеет собственные значения YUV, т. е. требует 3 байтов. Такое представление, когда и яркость, и сигналы цветности имеют равное число независимых значений, обычно обозначают как 4:4:4. Поскольку зрительная система человека менее чувствительна к цветовым пространственным изменениям, чем к яркостным, можно без видимой потери качества сократить число цветовых отсчетов в каждой строке вдвое.
Именно такое представление, обозначаемое как 4:2:2, было принято в вещательном телевидении. При этом для передачи полного значения телевизионного сигнала в каждом отсчете кадра достаточно 2 байтов (чередуя через отсчет независимые значения U и V). Более того, для целей потребительского видео признано допустимым уменьшение вдвое и вертикального цветового разрешения, т. е. перейти к представлению 4:2:0. Это уменьшает приведенное число байтов на отсчет до 1,5.
Все поступающие на вход кодера кадры телевизионного изображения в процессе кодирования заменяются сжатыми изображениями трех типов: I-кадрами (intra frames), Р-кадрами (predicted frames) и В-кадрами (bi-directional frames). I-кaдры несут полноценное неподвижное изображение и вдобавок используются для построения Р-и В-кaдров. Р-кадры, то есть "предсказуемые", строятся на базе последнего (с точки зрения приемника) принятого I- или Р-кадра. Правда, если они сильно друг от друга отличаются (например, произошла смена плана), то Р-кадр кодируется как I-кадр. Последовательности I-, Р-, В-кадров объединяются в фиксированные по длине и структуре группы кадров - GОР (Group of Pictures). Каждая GОР обязательно начинается с I-кaдра и с определенной периодичностью содержит Р-кадры. Ее структуру описывают как М/N, где М - общее число кадров в группе, а N - интервал между Р-кадрами. Например, GОР 15/3 имеет следующий вид: IBBPBBPBBPBBPBB.
Здесь каждый В-кадр восстанавливает- по окружающим его Р-кадрам (в начале и конце группы - по I и Р), а в свою очередь каждый Р-кадр - по предыдущему Р- (или I-) кадру. В то же время I-кадры самодостаточны и могут быть восстановлены независимо от других, но являются опорными для всех Р- и тем более В-кaдров группы. Следовательно, у I и Р наименьшая степень компрессии, а у В - наибольшая.
Ориентировочно по размеру типичный Р-кадр составляет 30-35%, а В-кадр - 12-15% от I-кадра.
В результате МРЕG-последовательность IPPP (GОР 4/1) обеспечивает двукратное уменьшение требуемого потока данных (при том же качестве) по сравнению с последовательностью только из I-кадров, а использование ООР 15/3 позволяет достичь четырехкратного сжатия.
В простом профиле "Simple Profile" осуществляется только компенсация движения и предсказание по одному направлению (Р-кадры). В основном профиле "Маin Profile" предсказание выполняется по двум направлениям, т. е. допускаются В-кaдры.
Нестандартизованный профиль 422Р отличается от "Маin Profile" использованием вместо представления 4:2:2 YUVпредставления 4:2:0.
Разделение исходного цифрового потока видеоданных
В масштабируемых профилях осуществляется разделение исходного цифрового потока видеоданных на несколько частей по различным критериям. В масштабируемом профиле по отношению сигнал/шум SNR Sсаlаblе Profile поток разделяют на две части. Первая из них - основной сигнал - несет информацию с пониженным отношением сигнал/шум (более грубая дискретизация). Но эта часть защищается более устойчивым к помехам передачи алгоритмом (и, следовательно, требующим больше битое), принимается в сильных шумах и позволяет даже при неблагоприятных условиях восстановить ТВ-изображение (хотя и с пониженным отношением сигнал/шум). Менее защищенная вторая часть - так называемый дополнительный сигнал - при неустойчивом приеме просто отбрасывается. При устойчивом приеме он позволяет дополнить основной сигнал и повысить отношение сигнал/шум до исходного значения. Данный профиль используют при организации вещания для приема телевидения в движущемся транспорте.
Пространственно масштабируемый профиль Spatially Sсаlable Profile еще более усложняет схему кодирования. В нем поток разделится уже на три части - по критерию разрешения. Первая часть - основной сигнал - обеспечивает устойчивую к помехам информацию о6 изображении стандартного разрешения (625 строк, из них активных - 576). Вторая часть дополняет информацию до изображения высокой четкости (1250 строк, 1152 активных). И наконец, декодирование третьего сигнала позволяет повысить отношение сигнал/шум.
Профиль НР - высший: он включает в себя все функции предыдущих, но использует YUV-представление не в формате 4:2:0, а в формате 4:2:2, то есть передает цветоразностные сигналы в два раза чаще (в каждой строке, в каждом элементе строки).
Интерфейсы для передачи цифрового телевидения
Цифровые ТВ-системы со сжатием данных по стандарту МРЕG-2 используют специальные форматы передачи данных и соответствующие им интерфейсы. Не продуманные по техническим характеристикам и выбранные по критерию наименьшей стоимости входные интерфейсы кодера МРЕG-2 могут нанести непоправимый урон качеству ТВ-изображения у телезрителей, поскольку эти интерфейсы стоят на входе системы сжатия данных и вносимые ими искажения не удается устранить в последующих функциональных узлах кодеров MPEG2.
Цифровые входные интерфейсы
Наилучшим решением является применение для входного стыка кодера МРЕG-2 компонентных видеосигналов (аналоговых или цифровых), обработка которых может быть начата без каких-либо преобразований и перекодирований.
Объясняется это тем, что в стандарте MPEG-2 исходными сигналами для информационного кодирования ТВ-изображения являются компонентные цифровые сигналы яркости Y и цветоразностные сигналы синего Cb и красного Cr, прошедшие аналоговую обработку и цифровое кодирование в формате 4:2:0 или 4:2:2 согласно рекомендациям ITU-R ВТ.601 и ITU-R ВТ.656. При этом если источник ТВ-сигнала телецентра является цифровым и соответствует указанным рекомендациям, то достаточно осуществить прямую подачу цифрового потока источника ТВ-сигнала на вход кодера MPEG2. Для этой цели рекомендован последовательный цифровой интерфейс SDI (serial digital interface) со скоростью передачи видеоданных (Y, Сr; Cb) 270 Мбит/с, формат передачи которых регламентируется стандартом.
Аналоговые входные интерфейсы
Использование цифрового интерфейса SDI для подключения кодера MPEG2 к источнику ТВ-сигнала оказывается не всегда возможным. Во-первых, потому, что в настоящее время основная масса ТВ-оборудования на телецентрах работает с аналоговыми композитными сигналами систем ВЕСАМ или РАС и необходимые цифровые компонентные сигналы У, Сг, СЬ отсутствуют. Во-вторых, даже при полной замене аналогового оборудования систем
ВЕСАМ или РАС на цифровое компонентное оборудование еще долгое время придется пользоваться архивными аналоговыми видеозаписями. Таким образом, ясно, что на этапе перехода от аналогового к цифровому ТВ-вещанию необходимы также аналоговые интерфейсы для подключения кодера MPEG2 к источникам ТВ-программ.
В аналоговом интерфейсе производятся следующие операции: композитный видеосигнал систем ВЕСАМ или РАС декодируется на компонентные составляющие - сигнал яркости и два сигнала цветности (красный и синий).
Эти три компонентных видеосигнала оцифровываются, и полученные видеоданные объединяются в соответствии с форматом передачи данных SDI. Потеря качества ТВ-изображения возникает на этапе декодирования видеосигналов ВЕСАМ или РАС.
Для системы ВЕСАМ эта потеря качества вызвана невозможностью полного отделения спектра сигнала яркости от спектра цветовых поднесущих. Существует только один метод такого разделения - в декодере устанавливается фильтр нижних частот, который ограничивает полосу сигнала яркости с 6 до 3 Мгц. Спектр поднесущих при этом подавляется, но одновременно снижается четкость ТВ-изображения. Вот почему при любой возможности надо избегать использования аналогового интерфейса видеосигнала системы ВЕСАМ, несмотря на законодательно закрепленный за этой системой статус российского стандарта цветного телевизионного вещания.
Декодер системы PAL
Декодер системы РАС позволяет при использовании гребенчатого фильтра произвести полное разделение спектров сигнала яркости и цветности без сокращения ширины спектра сигнала яркости. Однако необходимо иметь в виду, что гребенчатые фильтры используются только в дорогих профессиональных декодерах. В дешевых декодерах РАL разделение спектров производится так же, как и в декодерах SЕСАМ, с помощью фильтра нижних частот и уменьшения ширины спектра сигнала яркости до 3 МГц. Поэтому декодеры РАL без гребенчатого фильтра применять для аналогового интерфейса кодера MPEG-2 не следует.
Выходные интерфейсы
В настоящее время стандартизованы три вида интерфейсов для передачи транспортных потоков MPEG-2: синхронный параллельный интерфейс (международная аббревиатура SPI - synchronous раrallel interface), синхронный последовательный интерфейс (SSI - synchronous serial interface) и асинхронный последовательный интерфейс (ASI - asynchronous serial interfaсе). Эти виды цифровых интерфейсов используются для соединений аппаратуры телевизионных комплексов, работающих по стандартам MPEG.
Синхронный параллельный интерфейс SPI применяется для параллельной передачи данных транспортного потока MPEG-2 при разных скоростях потока. В передающей части интерфейса осуществляется преобразование последовательной байтовой структуры транспортных пакетов в параллельную форму с последующей передачей данных в приемную часть интерфейса по 8 соединительным линиям данных.
Синхронный последовательный интерфейс SSI предназначен для передачи транспортных потоков MPEG2 по коаксиальным и волоконно-оптическим линиям связи для однонаправленной передачи транспортного потока из точки А в точку В по локальным линиям связи. Для организации сетей передачи данных этот интерфейс не используется.
Асинхронный последовательный интерфейс ASI предназначен для передачи транспортных пакетов MPEG-2 по коаксиальным и многомодовым волоконно-оптическим линиям связи для однонаправленной передачи транспортного потока по соединительным линиям. Для организации сетей связи этот интерфейс не используется. Скорость передачи данных по линии связи равна 270 Мбит/с, и она не меняется при изменении скорости транспортного потока на входе интерфейса. С этой целью в передаваемый транспортный поток вводятся дополнительные фиктивные байты.
При передаче видеосигналов по каналам распределительных сетей кабельного телевидения используются решения АТМ-сетей синхронной (SDH) и плезиохронной (PDH) цифровых иерархий, а также сетей, работающих на основе протокола IP. Если сети АТМ и IP являются пакетными технологиями, обеспечивающими теоретически любую скорость, разумеется, ниже максимальной допустимой для каждой конкретной реализации технологии, то сети стандартов SDH и PDH имеют жестко регламентированный набор скоростей.
Система плезиохронной цифровой иерархии (PDH) определяет стыки для скоростей 2,048 Мбит/с (Е1), 8,448 Мбит/с (Е2), 34,368 Мбит/с (Е3) и 140 Мбит/с (Е4) в соответствии со стандартом 6.703 ITU-Т, но стыки Е2 и Е4 не получили широкого распространения и крайне редко встречаются в системах связи.
Системы синхронной цифровой иерархии (SDH) определяют стыки для скоростей 2,048 Мбит/с, 34,368 Мбит/с, 51 Мбит/с (STM-0) как мультиплексируемые в основные потоки технологии SDH, имеющие скорость 155 Мбит/с (STM-1), 622 Мбит/с (STM-4), 2,4 Гбит/с (STM-16), 10 Гбит/с (STM-64).
Цели применения кодеров MPEG-2
Спектр кодирующего оборудования довольно разнообразен и включает в себя оборудование как для непосредственного цифрового вещания, так и для межстудийного обмена в цифровом виде, передачи аналоговых телевизионных сигналов от студий к вещательным аналоговым передатчикам по цифровым линиям связи. Разнообразие применения кодеров MPEG2 определяет набор требований, предъявляемых к оборудованию кодирования и мультиплексирования сигналов телевидения в цифровом виде. В зависимости от того, в каких целях будет использоваться кодирующее оборудование, могут потребоваться различные входные и выходные интерфейсы, а также разные методы компрессии видеосигнала.
Межстудийный обмен
Межстудийный обмен или передача видеоматериалов, предполагающих дальнейшую обработку и/или нелинейный масштаб, требует использования метода кодирования 422Р@ML имеющего минимально возможный параметр GОР и представляющего последовательность I-кадров (без Р-и В-кадров). Данный метод не обеспечивает значительной степени сжатия видеосигнала и может потребовать пропускной способности канала передачи 30-50 Мбит/с. Для передачи видеосигналов с такими скоростями целесообразно использовать кодирующее оборудование, обеспечивающее интерфейсы с высокоскоростными сетями пакетной передачи данных: IР в локальных сетях, построенных на технологиях 100 Мбит/с и 1 Гбит/с Ethernet и имеющих доступ к соответствующим магистральным сетям; стыки АТМ, Е3 PDH и SDH или SТМ-0 системы SDH.
Непосредственное вещание DVB-S, DVB-T, DVB-C
Европейский стандарт DVB определен для телевизионного вещания в разных средах передачи. Для каждой транспортной среды разработан стандарт обработки и передачи транспортного потока, учитывающий ее специфику, но при этом максимально унифицированный со стандартами для других сред передачи. Для упрощения взаимного обмена программами параметры обработки выбраны таким образом, чтобы пропускная способность и число передаваемых программ во всех случаях оставались 6ы примерно одинаковыми. Документ для спутникового вещания получил сокращенное наименование DVB-S (Satellite - спутниковый), для сетей кабельного телевидения - DVB-С (Саblе - кабельный), для наземного (эфирного) телевидения - DVB-T (Terrestrial - наземный). Для каждой среды передачи также определены методы модуляции: DVB-S - модуляция QPSK; DVB-Т - модуляция COFDM; DVB-С - модуляции 16, 32, 64, 128, 256 QАМ.
Для непосредственного цифрового вещания необходим метод сжатия видеосигнала, дающий максимальный коэффициент сжатия видеопотока. По этой причине для непосредственного телевизионного вещания используются кодеры, реализующие метод МР@МL с максимальным значением GОР (обычно около 15) и кодированием цвета 4:2:0. Сравнительные тесты, согласно рекомендациям ITU, основываются на субъективной оценке группы наблюдателей, просматривающих цифровое ТВ-изображение после кодирования со скоростью 2, 3, 4 и 5 Мбит/с. В результате для всех скорoстей в равной степени оказался лучше профиль кодирования 4:2:0.
Условно говоря, предпочтительнее использовать профили, обеспечивающие кодирование цвета 4:2:0 при скоростях, меньших 10 Мбит/с, а 4:2:2-при скоростях выше 10 Мбит/с. Для непосредственного вещания сейчас используются скорости потоков от 4,5 до 6 Мбит/с, что делает использование профилей с кодированием цвета 4:2:2 бессмысленным.
Мультиплексоры транспортных потоков
Стандарт DVB описывает транспортный поток, объединяющий несколько видеопрограмм перед поступлением на модулятор. Для объединения нескольких программ в единый поток используются мультиплексоры транспортных потоков. Данный вид оборудования часто производит статистическое мультиплексирование, обеспечивающее выигрыш в экономии требуемой скорости передачи (полосы пропускания), основанный на особенностях кодирования видеосигнала. Эти особенности связаны с тем, что в разные моменты времени поток данных с выхода кодера имеет разную скорость полезной информации в зависимости от наличия/отсутствия быстро меняющихся фрагментов. При мультиплексировании более чем 6-7 программ в единый поток "статистический мультиплексор" дает выигрыш в 5-10%,а при мультиплексировании 20 и более программ выигрыш может доходить до 20-30%.
Формирование собственных транспортных потоков
Для формирования собственных транспортных потоков используются ремультиплексоры (Transport Strеam Рrоcesor - процессоры транспортного потока). Ремультиплексор выделяет из приходящих транспортных потоков (1-7) нужные сервисы и комбинирует их в новые транспортные потоки, изменяя при этом соответствующим образом таблицы служебной информации. Основным параметром ремультиплексора считается выходная скорость транспортного потока, которая у большинства моделей составляет 55-60 Мбит/с.
В системах с условным доступом ремультиплексор также выполняет функцию скремблирования транспортного потока.
Для стыка с модуляторами, обеспечивающими передачу цифрового сигнала потребителю, необходимо при выборе кодера обратить внимание на наличие интерфейса ASI или RS-422/V.35, более актуального для стыка со спутниковыми модемами систем DVB-S.
Вещание по IP
Двумя доминирующими сегодня IP-технологиями при обеспечении мультисервисных услуг являются xDSL и доставка контента до абонента по волокну через Ethernet. Появились также предложения, обеспечивающие мультисервисные услуги через Ethernet по каналам xDSL.
Отличие систем IP-решений от общепринятых технологий доступа"последней мили" заключается в том, что передача данных идет не только в прямом, как и в общепринятых системах распределения ТВ-программ, но и в обратном направлении. Отличительной особенностью сетей IР-протокола, используемых при передаче данных, по сравнению с сетями других видов является сравнительно невысокая стоимость их реализации. Обмен данными на основе lР-протокола поддерживается практически всеми персональными компьютерами, находящимися в эксплуатации у населения, и многими серийно выпускаемыми абонентскими приставками. Достоинства технологий IP-протокола обуславливают их достаточно высокую популярность у операторов кабельного телевидения. Эти же обстоятельства определяют возрастающее внимание производителей оборудования распределительных сетей КТВ к необходимости обеспечения поддержки сетевых решений IP-протокола выпускаемой аппаратурой. Широкополосное IP требует каналов с пропускной способностью около 4 Мбит/с и более, чтобы распространять высококачественное видео.
Одним из подмножеств протокола IP является протокол IР-мультивещания (IP Multicast). Этот протокол существенно повышает эффективность передачи за счет того, что позволяет передавать один поток данных или видео на группу адресов. Таким образом, отпадает необходимость тиражировать поток отдельно для каждого получателя, благодаря чему и экономится передающая полоса.
Uni-вещание (Uni-cast) заключается в том, что каждому абоненту посылается индивидуальный независимый поток видео или данных. Приложения "ТV по IP" используют, в зависимости от требований на передачу, как uni-вещательные, таки мультивещательные способы передачи.
Создавая сети на основе использования протоколов IP и Ethernet, нельзя забывать, что оба эти протокола не гарантируют доставку. При перегрузке системы они допускают задержку или потерю данных. Если для систем передачи данных эта особенность не является существенной, то использование протоколов более высокого уровня (например, ТСР) позволяет через некоторое время повторить утерянный фрагмент данных.
Для телевидения в сетях IP повторение фрагмента бессмысленно, так как время его изображения уже прошло и зритель в момент потери части видеоданных увидит стоп-кадр. По этой причине, создавая сети на основе технологии IP и Ethernet, необходимо тщательно просчитывать нагрузку на сеть и не допускать перегрузок сети трафиком.
Требования к кодерам MPEG-2, используемым для вещания по IP с помощью методов сжатия, аналогичны используемым в системах DVB, за исключением выходных стыков, которые должны поддерживать IP и Ethernet, причем последний в стандартах 100 Мбит/с и 1 Гбит/с.
Программы аналогового ТВ через цифровые каналы
Одной из актуальных задач, стоящих перед вещателями, является распространение программ аналогового ТВ через цифровые каналы в связи с повсеместной заменой аналоговых систем передачи на цифровые, а также организация канала между студией и телевизионным аналоговым передатчиком. Особенностью современных цифровых технологий связи, в первую очередь SDH (ВОЛС и цифровых РРЛ) и РОН (цифровых РРЛ), является распространение двух типов пользовательских стыков: Е1 (2048 кбит/с) и Е3 (34368 кбит/с) по рекомендации ITU-Т 6.703. Очевидно, что скорость 2048 кбит/с стыка Е1 недостаточна для передачи ТВ-программы вещательного качества, а скорость 34368 кбит/с избыточна. Выходом из сложившийся ситуации может быть использование кодеров и декодеров MPEG-2, позволяющих передавать ТВ-программу по 3-4 потокам Е1.
Требования к кодерам MPEG-2 для решения этой задачи аналогичны используемым в системах DVB, но желательным является наличие в составе кодера"инверсного мультиплексора", обеспечивающего корректную передачу высокоскоростного потока телевизионной программы через несколько низкоскоростных каналов 2048 кбит/с (Е1).
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #7, 2005
Посещений: 29207
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
