В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Алексей Зотов
Доцент Тамбовского ГТУ
В мировом масштабе преодолены в основном все принципиально мыслимые "камни преткновения" для триумфального развития цифрового телевидения. Уже не являются препятствием проблемы сжатия телевизионного сигнала, помехозащищенности систем, их проектирования, технологии и производства. Современные цифровые технологии обладают неограниченными возможностями по обработке, передаче и хранению огромных объемов информации, которую могут хранить практически неопределенное время. Есть все основания утверждать, что на данном этапе — со всей своей вычислительной мощью, созданной интеллектом "искусственной цивилизации", — встают вопросы обучения владению цифровым телевидением на всех трех его магистральных направлениях — наземном, спутниковом, кабельном. Тенденция перехода к "цифре" подтверждается официально соответствующими документами.
Для процесса обучения все это значит максимальное ускорение подготовки телевизионных кадров. К этому призывают и по существу обязывают "Глобальное информационное общество", "Образовательный центр" и другие масштабные объединения. В русле этих обязательств должен идти и любой формируемый ситуационный пункт цифровой подготовки. Тем более что подготовка специалистов может опираться на признанный в международном плане фундаментальный отечественный вклад в развитие цифрового телевизионного вещания. Уже и "ТВЧ не завтра, а сегодня" (М.И. Кривошеее).
Телевидение как наука, как реальность, как явление вышло за пределы глобального масштаба и приобрело космическое значение со своими законами, условиями существования и связи. По существу, это автономная телевизионная цивилизация, созданная интеллектуальной мощью земного разума. Очевидно, что к ее изучению, исследованию, сохранению и использованию следует подходить с самых общих, космологических позиций, по-философски, признавая следующее: мы знаем (о телевидении) крайне мало, но нельзя не удивляться тому, как много мы знаем.
И достойно еще большего удивления, что столь скудные знания делают нас столь могущественными.
Понятие "цивилизация" предполагает наличие "центров" направлений, к которым в данном конкретном случае следует отнести цифровые системы:
Однако общего между ними неизмеримо больше, чем различий, их перечисление физически невозможно. В то же время рассмотрение раздельно друг от друга столь связанных функционально систем будет искусственным, окажется разорван естественный смысл цифрового телевидения в целом. Достаточно удобным выходом из положения может быть использование аппарата математической логики с ее упорядоченной структурой, внутренней связью и способностью к внешним контактам. Тогда обобщенная модель всех трех систем будет представлена в виде так называемой упорядоченной тройки - кортежа D:
где {tj} - множество составляющих элементов дискретизации во времени; {t2} - множество элементов квантования по уровню; {t3} - множество элементов кодирования сигнала. S={si}, 1=1,2,
где: {sj} - манипуляционный код с фазовой манипуляцией (ФМн); {s2} -манипуляционный код с квадратурной амплитудной ма
нипуляцией (КАМ-16), C={ci}, 1=1,3, где: {С|} - радиальные системы; {с2} - древовидные системы; {с3} - кольцевые системы.
В упорядоченной тройке, как и в любом кортеже, указывается "первый", то есть ведущий объект, в интересах которого формируется множество. Таким ведущим может быть любой из множества в зависимости от решаемой задачи. Принимая за "первый" наземное цифровое телевидение (Т), выражение (1) принимает вид:
где {Т} - множество, символизирующее ведущую роль или необходимость в данной комбинации наземного телевидения, если даже системы S и С будут временно опережать. Следует отметить, что второй член множества (2) выражен упорядоченной парой <S,C> - спутникового и кабельного телевидения. В самом выражении (2) упорядоченная пара может быть, в свою очередь, преобразована в интересах "первого". Тогда выражение (2) примет вид:
то есть двуместное множество, один из элементов которого {Т} - "первый", два других - независимые друг от друга пары, но оба завязанные на Т.
В соответствии с обозначенными приоритетами и высокой степенью общности наземного цифрового телевизионного вещания с другими системами стандарт DVB-T следует рассматривать, как логически более значимый в данных условиях. Упорядоченная тройка предельно масштабных цифровых систем - кортеж охватывает телевидение в целом:
В целом во временном и пространственном масштабах это действительно является своеобразной телевизионной цивилизацией.
Среди всех систем цифрового наземного телевизионного вещания система DVB-T развивается наиболее динамично. Из-за универсальности и многофункциональности ее приняли в качестве национального стандарта многие страны мира. В соответствии с официально значимыми источниками [1] передающая часть системы с DVB-T с учетом адаптации потока данных к радиоканалу представлена на рис. 1.
На схеме выделяются две части:
Первая подсистема описывается в соответствии с европейским стандартом EN300144 (Digital Video Broadcasting, DVB). Сами передаваемые данные представляют собой информацию об изображении и звуковом сопровождении. Стандартом определено условие передачи информации - данные должны быть закодированы в виде транспортного пакета именно в стандарте MPEG-2. В нем предусматривается четыре уровня пространственного разрешения четкости [2]:
Транспортный поток (Transport Scream - TS) - это пакетированный элементарный поток нескольких ТВ-программ. Данные перераспределяются в пакеты TS с фиксированной длиной 188 байт и со своей структурой заголовка - стартовой структурой пакета в 4 байта (рис. 2).
Элементарными потоками (ES) называются потоки данных на выходах кодера. В блоках (пакетизаторах) данные распределяются по пакетам с заголовками определенной структуры, так называемые пакетированные элементарные потоки (PES - Packet Elementary Scream). В каждом пакете содержатся данные по
кадру или другой структурной единице.
Вторая подсистема обеспечивает формирование выходного потока с соответствующими параметрами. Структурная схема внутреннего видеокодера MPEG-2 представлена на рис. 3.
Описываемая схема аккумулирует достаточно сложные процессы, составляющие кодер видеоинформации -один из центральных преобразователей цифрового телевидения. В обобщенном виде его работу можно представить следующим образом. Входной сигнал разлагается на блоки 8x8 пикселей, над которыми осуществляется дискретно-косинусное преобразование (ДКП) с получением так называемых коэффициентов квантования (Кв). Далее следует кодирование с переменной длиной кодового слова (КПДС), мультиплексор (Мп), буферное запоминающее устройство (БЗУ). Весь этот тракт управляется с помощью блока управления коэффициентом сжатия изображения (У КС).
Одновременно входной сигнал с квантователя (Кв) подается на блок оценки движения (ОД). В целях предсказания кадра (Пр) осуществляется своего рода обратная связь: декванто-вание (Кв-1) - обратное дискретно косинусное преобразование (ДКП-1 ) -суммирование ДКП-1 и предсказываемого кадра (ЗУПр). После оценки движения (ОД) сигнал с предсказываемого кадра (Пр) подается на вход дельта-блока, с одной стороны, и на блок кодирования с переменной длиной кодового слова (КПДС) - с другой. В КПДС выполняется формирование выходного сигнала, который после БЗУ поступает на выход. КПДС и коэффициенты ДКП кодируются с помощью таблиц кодов. Таким образом, кодируемый сигнал управляется как по входу, так и по выходу.
Примечание. Синтаксисы транспортного и программного потоков позволяют обеспечивать условный (ограниченный по паролю) доступ к передаваемой информации, но непосредственно в стандарте MPEG-2 средства этой задачи не определены.
Аналогично в стандартах MPEG не описано построение кодера, а лишь определен синтаксис потока данных на его входе.
Система DVB-T в силу ее использования в наземном окружении должна удовлетворять многочисленным требованиям, из которых можно выделить следующие:
Выполнение этих требований оказалось возможным благодаря применению системы модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex - частотное уплотнение с ортогональными несущими).
Система DVB-T должна обеспечивать подавление типичных для наземного телевидения эхо-сигналов в условиях многолучевого распространения радиоволн. Именно эта задача ставилась перед DVB-T на первый план и была блестяще выполнена благодаря применению системы модуляции OFDM 
с групповым спектром несущих.
В системе OFDM для передачи сигналов используется большое количество несущих колебаний с обеспечением цифровой ортогональности. Из всего множества несущих выделено два стандарта - 2к и 8к, где к=210=1024. Стандарты при этом приобретают вид:
2k=2x1024=2048;
8k=8x1024=8192.
Практически число несущих ограничено: 2к=1705 и 8к=6817, что, во-первых, связано с тем, что часть несущих не используется, а во-вторых, между соседними полосами должен оставаться некоторый зазор.
При столь большом числе несущих автоматически повышаются требования к проектированию и реализации систем. К ним относятся:
Выполнение этих и других требований не является простой лишь количественно усложненной задачей. На рис. 4 представлен групповой спектр несущих OFDM, где отражены ортогональные несущие.
По определению ортогональные несущие - это функции x(t) и y(t), которые на отрезке (tj^) представляют скалярное произведение, равное нулю, то есть
Дискретные сигналы x(t), y(t) с N отсчетами будут ортогональными каждый при условии:
Таким образом, для вычисления одного значения Х(к) необходимо выполнить порядка 2N умножений и 2N-2 сложений действительных чисел. Для вычисления N значений Х(к) надо выполнить 2N2 умножений и N(2N-2) сложений действительных чисел. При этом требуется еще X(k) и WN2n запоминающих устройств для хранения.
При выполнении обратного ДКП требуется выполнять и вещественные и мнимые части, поэтому число операций над Х(к) увеличивается вдвое. В целом для вычисления двумерного прямого и обратного преобразований требуется N2M2 вычислений для каждой несущей.
Для прямого и обратного преобразования Фурье разработаны быстрые и эффективные алгоритмы. Дело в том, что спектры всех субканалов перекрываются между собой, но их разделение между собой обеспечивается не полосовой фильтрацией, а специальной обработкой модулирующих данных в основной полосе частот. В модеме осуществляется прямой синтез группового спектра OFDM с использованием сигнального процессора по алгоритму обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ). Кроме того, при практической реализации модулятора спектр сигнала OFDM формируется на некоторой промежуточной частоте, после чего конвертируется в полосу радиоканала. В демодуляторе приемника OFDM используется прямое БПФ.
Разложение в ряд и преобразование Фурье периодического сигнала представляется в виде суммы гармонических функций или комплексных экспонент с частотами, соответствующими арифметической прогрессии. В представлениях самого Фурье (1807 г.) ряд -это любая функция, воспроизводящая свои значения, которая может быть представлена в виде суммы синусов и (или) косинусов различных частот, умноженных на некоторые коэффициенты. Если функция не является периодической и площадь под ее графиком конечна, она может быть выражена в виде интеграла от суммы синусов и (или) косинусов, умноженных на некоторую весовую функцию. Такое представление называется преобразованием Фурье. Для обеспечения разложения в ряд сигнал длительностью в один период должен удовлетворять следующим условиям (условия Дирихле):
Вычисление дискретного преобразования Фурье (ДПФ) связано с необходимостью выполнения большого числа операций. Так, для вычисления одного коэффициента ДПФ требуется выполнить N комплексных умножений и сложений. На расчет этих операций потребуется 2N пар, число которых возрастает пропорционально размерности ДПФ. Процесс вычислений значительно упрощается при использовании БПФ.
При реализации БПФ применяется деление последовательности отсчетов -прореживание, то есть понижение частоты в целое число раз. Прореживание может быть по времени и по частоте.
Рисунок О 8-точечное БПФ с прореживанием по частоте:
а) с помощью двух 4-точечных ДПФ;
б) условное обозначение "бабочки" БПФ; в) структурная схема
В основу вычислений положена исходная последовательность
Формула (6) для вычисления ампли туд гармоник является линейной комбинацией отсчетов сигнала. При этом линейный масштаб времени связан только с множителем 1/Т перед опера тором суммирования. Обычно опериру ют номерами отсчетов и спектральных гармоник без привязки к действительному масштабу времени и частоты, поэтому множитель 1/Т удаляют, считая частоту дискретизации Т=1 (в формуле (6) она уже удалена). Удаляют обычно и множитель 1/N, считая N=const=1, что также сделано в формуле (6).
БПФ с прореживанием по времени (decimation in time, DIT) выполняется при условии, что N не является простым числом и не может быть разложено на множители. Пусть N - четное число. Следуя логике преобразования, из выражения (6) выделяются два слагаемых, соответствующих элементам исходной последовательности с четными и нечетными номерами:
После определенных преобразований имеем:
где Y и Z - специальные функции преобразования.
Процесс для 8-точечного преобразования представлен на рис. 5.
Каждый блок имеет два входных и два выходных сигнала. Один из входных сигналов Z(0)...Z(3) умножается на комплексную экспоненту
суммируется со входным сигналом Y(0)...Y(3), формируя тем самым выходной сигнал Х(0)...Х(7).
Каждое из двух ДКП размерностью N/2 требует №/4 операций умножения-сложения. Кроме того, при вычислении каждый спектральный коэффициент Z(k) умножается на экспоненциальный комплексный множитель
что добавляет еще N/2 операций. Всего получается 2N2/4+N/2=N(N+1)/2.
Это значит, для массива, состоящего из N точек и требующего порядка N2 операций умножения-сложения, те же вычисления с помощью БПФ будут порядка N(N+1)/2.
Пример 1. Определить выигрыш при обычном преобразовании и при БПФ и при условии, что N =4.
Решение. При БПФ:
N(N+1)/2=4(4+1)/2=10.
При обычном: N2=42=16.
Выигрыш 16/10=1,6.
Наибольшее ускорение вычислений достигается при N2=2k, когда последовательность делится на две части, пока не получится двухэлементная последовательность. Эта последовательность рассчитывается без использования операций умножения, достаточно вычислить сумму и разность двух отсчетов. Число требуемых при этом операций умножения-сложения оценивается соотношением Nlog2N.
Пример 2. Определить выигрыш в сокращении числа операций умножения-сложения при обычном преобразовании и БПФ для N =1024.
Решение.
При обычном: №=10 242=220.
При БПФ:
N/log2N=1024/log21024= = 1024/log2210=1024/10=102.4.
Выигрыш составляет более чем в сто раз.
Метод прореживания по частоте (decimation in frequency, DIF) реализуется также при прямом преобразовании Фурье. В данном случае при четном N исходная последовательность принимает вид:
Процесс вычисления 8-точечного дискретного преобразования Фурье представлен на рис. 6.
Следует отметить, что для получения алгоритма обратного БПФ достаточно в приведенных формулах поменять знак в показателях комплексных компонент и добавить на выходе (или входе) деление на два (используемый коэффициент прореживания).
Рисунок I Обобщенная функциональная схема приемопередатчика OFDM
Возможен обобщенный подход к вычислению алгоритмов БПФ с прореживанием по времени и по частоте.
Функциональная схема OFDM
Аналоговые информационные сигналы видео- и аудиоканалов и данные поступают на вход соответствующих блоков, где производится раздельное кодирование и сжатие. Кодирование - это представление сведений символами или группой символов, выполняемое по определенным правилам. Другими словами, это операция отождествления символов или групп символов одного кода (буквы) символами или группами символов другого кода (точки, тире). Особое значение кодирование имеет в информации для уменьшения избыточности сообщений, повышения помехоустойчивости, сжатия частотного спектра сигналов. Сжатие определяет собой процесс уменьшения и (или) устранения несущественных данных. Большинство стандартов кодирования основано на использовании схожих методов сжатия видеоданных.
Кодированные, сжатые и разделенные на три цифровых потока сигналы поступают на блоки формирования программного потока и мультиплексора. Для разделения цифровых потоков на приемной стороне к мультиплексору подводятся опорные и синхронизирующие импульсы. В мультиплексоре формируется транспортный поток путем разбиения программного потока на отдельные пакеты.
Входной поток в виде цифровых под-потоков поступает на помехоустойчивый кодер, где осуществляется кодирование и перемежение (рис. 7).
При перемежении производится изменение мест размещения байтов в защищенном от ошибок транспортном потоке. Перемежение в синхронизирующие байты не вводится, поэтому на приемной стороне можно произвести обратное перемежение. При перемежении длинные пакетные ошибки распределяются по разным кодовым словам, легко обнаруживаются и исправляются.
В формирователе кодов осуществляется квадратурно-амплитудная манипуляция (QAM) несущих. Вставка пилот-сигнала обеспечивает синхронизацию и некоторые другие функции. После преобразования из последовательной в параллельную форму осуществляется обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ). В результате образуется п поднесущих. На передающей стороне далее осуществляются:
В заключение следует отметить, что если в международном плане преодолены принципиально мыслимые трудности и действительно налицо задел для нового телевизионного века, то в процессе подготовки кадров еще все впереди. В первую очередь, надо осмыслить масштабность, глобальность проблемы, которая обозначена краеугольными камнями: системами DVB, масштабами MPEG, модуляцией OFDM, преобразованиями Фурье, в особенности его быстрым преобразованием.
Ближайшее будущее обучения -огромная телевизионная цифровая "цивилизация".
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #4, 2008
Посещений: 15156
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
