Глава 9. Спутниковое телевидение

  Спутниковое телевидение – область техники связи, занимающаяся вопросами передачи телевизионных программ от передающих земных станций к приёмным с использованием искусственных спутников земли (ИСЗ)

в качестве активных ретрансляторов. Система телевизионного вещания через спутники - это глобальная система передачи информации. Телевизионная информация, передаваемая по спутниковым каналам в аналоговой форме, в настоящее время передается и в цифровой, которая вытесняет аналоговые системы. Спутниковое вещание является сегодня самым экономичным, быстрым и надёжным способом передачи ТВ сигнала высокого качества в любую точку обширной территории. К преимуществам СТВ относятся также возможность приёма сигнала неограниченным числом приемных установок, высокая надежность ИСЗ, небольшие затраты и их независимость от расстояния между источником и потребителем.

 

   9.1. Принципы построения спутниковых систем

   Большинство спутников-ретрансляторов движется по так назы­ваемой геостационарной орбите (рис.9.1). Эта орбита эллиптическая и ха­рактеризуется она тем, что если находящиеся на ней спутники движутся с угловыми скоростями, равными угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси, то с поверхности Земли они кажутся неподвижны­ми, "висящими" на одном месте, в одной точке. С геостационарного спутника Земля «видна» под телесным углом ≈ 18º в виде окружности, ограниченной пределами ± 80º по широте и 160º по долготе с центром на экваторе, что представляет максимальную зону обслуживания одним ИСЗ. В зоне ± 80º по широте проживает практически всё население Земли. Так как расстояние от движущегося по геостационарной орбите спутника до Земли почти в три раза больше диаметра Земли, то спутник "видит" сразу около 40% земной поверхности.

  

Рис.9.1. Расположение геостационарной орбиты.

 

  В состав спутниковой системы передачи ТВ-вещания (ССТВ) входят: наземная передающая телевизионная станция (ПТС), приёмо-передатчик (ретранслятор) на ИСЗ и приёмная станция.

  Для ТВ-вещания предусмотрены два вида спутниковой связи: фиксированная спутниковая служба (ФСС) и радиовещательная спутниковая служба (РВСС).

Фиксированная спутниковая служба – служба радиосвязи между наземными станциями, расположенными в определённых фиксированных точках земной поверхности. Примером такой службы является сеть станций «Орбита». Наземные станции этой сети принимают через ИСЗ программы из Москвы и по ТВ-каналам передают их на ближайший телецентр, который в метровом или дециметровом диапазоне волн доводит эти программы до местных телезрителей. При такой системе мощность передатчиков на спутнике-ретрансляторе может быть минимально необходимой, а наземная приёмная аппаратура – довольно сложной. Такие системы применяют как для передачи национальных программ с большими территориями, так и для международного обмена программами.

  При большом числе приёмных станций на сравнительно небольшой территории экономически оправданно усложнить ретранслятор ИСЗ и одновременно упростить наземные приёмные станции. Примерами таких систем являются распределительные системы «Экран» и «Москва». Такие системы экономически выгодно использовать для работы на кабельную сеть или радиорелейную линию (РРЛ).

  ФСС регламентируется определёнными правовыми положениями. 

  Радиовещательная спутниковая служба – служба радиосвязи, в которой сигналы, передаваемые космическими станциями, предназначены для непосредственного приёма населением на упрощённые, достаточно дешёвые устройства, с выхода которых сигнал поступает на обычные телевизоры. При этом возможны два вида приёма в РВСС: индивидуальный и коллективный.

  Индивидуальный приём в РВСС – приём излучений ИСЗ с помощью простой бытовой аппаратуры с небольшими антеннами.

  Коллективный приём в РВСС – приём излучений ИСЗ с помощью приёмных устройств, предназначенных для использования группой населения в одном месте.

  При использовании РВСС определено, что к ней относятся радиосигналы (передаваемые или ретранслируемые космическими станциями), предназначенные для непосредственного приёма населением – непосредственное телевизионное вещание (НТВ).

  Для осуществления НТВ необходимо, чтобы излучаемый с ИСЗ сигнал соответствовал параметрам сигнала, на который рассчитаны телевизоры: диапазону волн, виду модуляции, уровню сигнала в месте приёма и т.д. В метровом и дециметровом диапазонах это технически неосуществимо. Так, например, на 3-м частотном канале (несущая частота изображения f_0из = 93,25 МГц) для нормальной передачи сигнала на спутнике-ретрансляторе необходимо было бы развернуть параболическую антенну диаметром D = 500 метров и иметь источник питания мощностью не менее 1000 Вт. При трансляции сигнала

на 37 частотном канале (f_0из = 599,25 МГц) диаметр антенны должен быть

D = 60 метров. Поэтому для целей спутникового телевещания используются сантиметровый (10 см …1 см) и миллиметровый (10 мм …1 мм) диапазоны волн. Эти диапазоны волн соответствуют частотам (3…30) ГГц

и (30…300) ГГц.

   Вследствие значительной общности схемных и конструктивных решений,

а также элементной базы в отечественной и зарубежной литературе принято объединять эти два диапазона, а также дециметровый диапазон

(100 см …10 см), которому соответствуют частоты (300 … 3000) МГц, под термином СВЧ, или «микроволновый» диапазон.

  Территория России разбита на пять вещательных зон, каждая из которых охватывает территорию двух часовых поясов. Международными службами предусмотрено пять позиций (точек стояния) ИСЗ на орбите ТВ-вещания. При этом вся Россия оказывается охваченной спутниковым вещанием.

   Диапазоны частот для ТВ-вещания.

На участке ИСЗ – Земля для ФСС выделены следующие полосы частот (ГГц):

         2,5 – 2,69; 3,4 – 4,2; 4,5 – 4,8; 10,7 – 11,7; 12,5 – 12,75.

Для РВСС отведены полосы частот (ГГц):

                        0,62 – 0,79; 11,7 – 12,5.

  В перечисленных выше частотных диапазонах ТВ-вещание сосуществует с другими радиослужбами. Для целей только ТВ-вещания выделены диапазоны частот:

                        37,5 – 42,5 ГГц и 81 -86 ГГц.

  Для передачи сигналов ТВ-вещания с Земли на ИСЗ выделены другие полосы частот (ГГц):

                        5,7 – 6,4; 14,0 – 14,5; 17,3 – 81,1.

  Диапазон частот в спутниковой связи записывают дробью, где в числителе указывается частота сигнала, излучаемая с ИСЗ, а в знаменателе – наземной станции в радиолинии Земля – ИСЗ. При этом частота излучения со спутника выбирается ниже частоты, излучаемой с Земли на ИСЗ. Это объясняется тем, что при излучении с Земли в сторону ИСЗ сигнал имеет большее затухание, чем при передаче сигнала в обратном направлении (чем выше частота, тем больше затухание сигнала). Большее затухание на трассе Земля – ИСЗ легко компенсируется увеличением мощности радиопередающего устройства наземной станции.

  Спутниковые системы РВСС работают в диапазоне 11,7 – 12,5 ГГц. В этом диапазоне 800 МГц расположено 40 каналов и оставлены защитные поля на нижнем и верхнем концах диапазона, обеспечивающие надёжную защиту для служб, использующих смежные диапазоны (рис.9.2).

Рис.9.2. Распределение каналов спутникового ТВ-вещания в диапазоне

11,7 – 12,5 ГГц

 

  Ширина полосы частот, отводимая для каждого канала, составляет 27 МГц, разнос между центральными (средними) частотами равен 19,18 МГц. Каналы нумеруются с 1-го по 40-й. Средняя частота первого канала f_СР.1 = 11727,48 МГц, средняя частота сорокового канала f_СР.40 = 12475,5 МГц. Значение любого из сорока каналов можно определить из выражения

                   F_N = 11727, 48 +19, 18·N (МГц), где N = 0 …. 40

  Для повышения помехозащищённости каналов ТВ-вещания предусмотрено использование прямой и обратной круговой поляризации, обеспечивающей снижение взаимных помех на 10 – 20 дБ. Нечётные каналы имеют прямую (правостороннюю) поляризацию, чётные – обратную (левостороннюю) поляризацию. Прямая поляризация соответствует вращению вектора Е по часовой стрелке, если смотреть с ИСЗ на Землю. Обратная поляризация – против часовой стрелки. Однако в целях ослабления помех соседние каналы на одном спутнике обычно не задействуют.

 

  9.2. Основные функции спутников-ретрансляторов телевизионного

                                                       вещания.

  Спутники на геостационарной орбите обеспечивают приём информации со станций, находящихся на Земле, и передачу ее абонентам – при­ёмным

устройствам. В этой системе они играют роль станции повторения (ретранслятора). Такие спутники выполняют следую­щие основные функции:

· принимают сигналы (в отведённом диапазоне частот), пере­даваемые со станции на Земле в направлении спутника;

· усиливают принятые сигналы;

· преобразовывают частоту принятых сигналов в частоту сигна­лов,

предназначенных для передачи в направлении “Спутник – Земля”;

· ретранслируют преобразованные и усиленные сигналы многочисленным наземным приемным устройствам только на отведённую территорию.

Антенны спутника-ретранслятора.

  В отличие от наземных станций, имеющих в своем составе одну антенну,

на борту современных спутников устанавливают несколько приёмных и передающих антенн. Антенны спутника-ретранслятора должны иметь:

· высокий коэффициент усиления, что позволяет созда­вать на

     обслуживаемой земной территории необходимую для каче­ственного

     приёма плотность потока мощности.

· острую диаграмму направленности и низкий уровень боковых лепестков, в результате чего уменьшаются вза­имные помехи между соседними

спутниками и другими системами связи.

  Для реализации требуемых свойств на спутнике устанавливает­ся несколько параболических антенн больших размеров. Данные дистанционных измерений параметров ретранслятора, а также данные контроля и управления передаются либо через специальные рупорные, либо через большие параболические антенны.

  Во время запуска и вывода спутника на орбиту для передачи ко­манд

управления и контроля применяется штыревая всенаправленная антенна, так как другие антенны в этот момент находятся в нераскрытом состоянии.

  Антенны современных спутников устанавливаются на индивидуальные поворотные устройства, что дает возможность по команде с Земли поворачивать каждую антенну независимо друг от друга на некоторый угол. Так, в российском спутнике «ГАЛС - 16Р» каж­дая из трёх антенн может индивидуально

поворачиваться на угол в пределах ± 8°. Кроме этого, имеются две антенны, установленные на общую платформу, которые вместе можно повернуть

на такой же угол. Такая конструкция позволяет обслуживать поочерёдно большие территории, расположенные в разных временных поясах, что для России очень важно.

Приёмно-передающий блок спутника-ретранслятора

  Приёмно-передающий блок спутника вместе с антеннами пред­ставляет собой спутниковый ретранслятор (транспондер). Это главная часть передающей

системы. Для того чтобы создать зону обслуживания, которая наилучшим образом соответствова­ла бы конфигурации обслуживаемой территории, большинство спутников имеют несколько ретрансляторов и антенн с узкими диа­граммами направленности.

  Ретрансляторы в спутниковых системах связи обычно выполня­ются в виде отдельных частотных «стволов». Каждый «ствол» содержит тракт обработки сигнала и усилитель с ограниченной пиковой мощностью. Упрощённая структурная схема одного ствола (луча) типового ретранслятора приведена на рис.9.3. Здесь показаны са­мые важные, имеющие принципиальное значение, узлы.

Рис.9.3. Упрощённая структурная схема одноствольного ретранслятора:

1-приёмная антенна; 2-входное малошумящее устройство; 3-усилитель;

4-смеситель; 5-гетеродин; 6-усилитель мощности; 7-волноводный тракт;

                                             8-передающая антенна.

 

В рассматриваемой схеме осуществляется только одно преоб­разование

частоты сигналов приёма в частоту сигналов передачи. В некоторых ретрансляторах используется двойное преобразова­ние частоты. Принимаемые СВЧ-сигналы преобразуются в сигналы про­межуточной частоты и обрабаты­ваются: усиливаются, ограничиваются, фильтруются, а затем пе­редаются на Землю абонентам (приёмным устройствам). Но в современных спутниках, например, «ГАЛС - 16Р», используется только одно преобразование.

 

  9. 3. Приёмные спутниковые антенны

  Из оптики известно, что расходящиеся световые лучи от точечного источника света, помещённого в фокусе вогнутого параболического зеркала, собираются таким зеркалом в пучок параллельных лучей. На этом основано действие прожектора. На основании принципа взаимности известно также, что приходящие параллельные световые лучи на поверхность вогнутого параболического зеркала после отражения от поверхности собираются в точке фокуса.

  Аналогично работают и параболические зеркала для радиоволн. Эти зеркала делаются либо из листового металла, либо из металлической сетки. Однако они не могут создать столь высокую направленность, какая получается для световых лучей. Геометрические размеры отражающих зеркал для световых лучей в огромное число раз больше длины волны световых волн, составляющих сотни микрометров. Явление дифракции у краёв зеркала, т.е. огибание границ зеркала световыми волнами практически не наблюдается. Создать параболическое зеркало для радиоволн (пусть даже миллиметровых) с таким же соотношением линейных размеров зеркала к длине радиоволны практически невозможно. На практике размеры параболоида лишь в несколько сотен раз больше длины радиоволны. Поэтому у краёв зеркала наблюдается довольно сильное явление дифракции (т.н. «затекание» радиоволн). Лучи радиоволн огибают края зеркала и расходятся в стороны; поэтому получить достаточно узкую диаграмму направленности (ДН) без боковых и задних лепестков не удаётся. Чем больше соотношение между линейными размерами зеркала и длиной волны, тем меньше влияние дифракции и тем лучше направленность параболической антенны.

  Ухудшение направленности на радиочастотах происходит ещё и потому, что фокусом зеркала может быть только одна точка, а излучатель радиоволн, помещённый в фокусе, обычно имеет определённые размеры.

  Применяются два основных типа параболических зеркал: параболоид и параболический цилиндр. Зеркало в виде параболоида позволяет создать луч, узкий как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Однако оно очень сложно в изготовлении, т.к. поверхность зеркала не должна отклоняться от поверхности правильного параболоида вращения более чем на 5 % от длины волны.

  Гораздо проще по устройству зеркало в виде параболического цилиндра (вернее, в виде вырезки из параболического цилиндра). Такое зеркало создаёт узкую ДН в одной плоскости и широкую – в другой. Разработано достаточно большое количество конструкций параболических цилиндров, применяемых в радиолокации, спутниковом телевидении и радиорелейной связи.

  Разработаны также отражатели, выполненные в виде зеркал двойной кривизны: верхняя часть зеркала является параболоидом, а нижняя часть представляет собой плавно сопряжённую с этим параболоидом вырезку из обычного цилиндра. Такие отражатели иногда называются «параболоид-бочка» (рис.9.4).

   

  Рис. 9.4. Профиль параболического отражателя двойной кривизны

 

  Такая конфигурация позволяет сместить облучатель из фокуса вниз по фокальной плоскости, что исключает эффект «тени» от облучателя, а это особенно важно при работе в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн. Зеркала двойной кривизны широко применяются в спутниковых приёмных антеннах и в радиолокации.

  Существуют также конструкции сферических и сферо-параболических зеркал, которые действуют почти так же, как и параболические отражатели, но при определённом расположении облучателя относительно зеркала.

  Электромагнитные волны, распространяясь в свободном пространстве, наводят в антенне токи, которые подаются во входные каскады радиоприём­ных устройств. Антенны, предназначенные для приёма телевизионных сигналов от спутников-ретрансляторов, принимают электромагнитные волны СВЧ-диапазона (длина волны 1...3 см) весьма малой мощности, ко­торая практически соизмерима с уровнем мощности естественных шумов и помех. Поэтому такие антенны должны иметь:

- большой коэффициент усиления;

- низкую шумовую температуру;

- остронаправленную (“игольчатую”) диаграмму направленности;

- малый уровень боковых лепестков;

- большую эффективную отражающую поверхность.

  Приведенным условиям в полной мере удовлетворяют параболические (зеркальные) антенны, получившие наиболее широкое распространение в спутниковых ТВ-системах.

  В соответствии с принципом взаимности такие антенны могут быть как передающими, так и приёмными. В качестве собирающей или отражающей поверхности используется внутренняя по­верхность параболоида вращения.

  К наиболее распространенным типам антенн для приема спут­никового телевизионного вещания относятся:

- антенна с передним питанием (осесимметричная) – прямофокусная

(рис.9.5а);

- антенна, с передним питанием (неосесимметричная) - офсет­ная

  (рис.9.5б);

- двузеркальная осесимметричная антенна – антенна Кассегрена

  (рис.9.5в);

   - двузеркальная офсетная (неосесимметричная) – антенна Грегори

(рис.9.5г).

г)

в)

б)

а)

Рис.9.5. Наиболее распространенные типы параболических антенн.

  Как видно, наиболее существенная часть, отличающая один тип антенны от другого, – это положение облучателя по от­ношению к основному зеркалу.

   Основное зеркало представляет собой параболоид. Для работы в диапазоне СВЧ очень важно качество отражающей поверхности, которая для принимаемых электромагнитных волн должна быть зеркальной. Любая поверхность, способная отражать электромагнитные волны, будет зеркальной для длин волн много больших, чем размер неоднородностей отражающей поверхности. Однако для параболоидной поверхности, принимающей и отражающей электромагнит­ные волны диапазона 10,5..12,5 ГГц, необходимо более высокое качество поверхности, так как влияние неоднородностей здесь ска­зывается дважды - при падении волн на поверхность и при отра­жении их от поверхности. Поэтому размеры неоднородностей не должны превышать λ / 15... λ / 20. Для высоко­качественных антенн требования к поверхности еще более строгие и размер неоднородностей у них не превышает λ / 25. От качества поверхности параболоида, точности его формы зависят ширина диаграммы направленности антенны, её коэффициент усиления, уровень боковых лепестков и шумовые параметры.

   Антенны с передним питанием - прямофокусные, осесимметричные.

  Антенна с передним питанием, прямофокусная, осесимметричная имеет отражающую зеркальную поверхность параболического типа, в фокусе которой находится облучатель. Параболическая поверхность определяет параметры и качество прямофокусной антенны.

  Для максимального использования поверхности параболоида необходимо, чтобы в его раскрыве было рав­номерное по амплитуде распределение электромагнитного поля. Для этого необходимо удалять от поверхности парабо­лоида точечный облучатель, а так как он всегда должен разме­щаться в фокусе, то необходимо увеличивать фокусное расстояние или, по-другому, уменьшать угол раскрыва параболоида. Если угол раскрыва меньше 90°, то фокус находится вне параболоида и с уменьшением угла раскрыва поверхность отражателя “освещается” все равномернее. С другой стороны, при этом увеличивается часть излучаемой облучателем энергии, которая "переливается" за края параболоида и рассеивается в свободном пространстве. В результате появляются боковые и задние лепестки ДН. Рассеивание энергии снижает направленные свойства антенны, а равномерное освещение поверхности па­раболоида повышает коэффициент использования площади рас­крыва. Здесь определенно существует компромисс между длиной фокусного расстояния и площадью раскрыва (апертурой) пара­болоида. Это искомое значение лежит в интервале (0,3...0,4) F/ D (где F – фокусное расстояние, D – диаметр антенны), и коэффициент исполь­зования поверхности раскрыва антенны при этом составляет 0,5...0,7. Для антенн со смещенным облучателем (офсетных) опти­мальное отношение F/ D (D - малая ось эллипса, принимаемая за условный диаметр) лежит в пределах 0,5...0,6. Меньшее значение соответствует антеннам меньшего размера. Приведенное значение данного отношения и есть искомый компромисс между снижением действующей поверхности антенны и потерями энергии за счёт её "перелива".

  Двузеркальные осесимметричные антенны (антенны Кассегрена).

  Двузеркальные осесимметричные антенны – антенны Кассегре­на – в силу своих достоинств нашли широкое применение в совре­менных спутниковых и наземных передающих станциях. Использу­ются они и для приёма.

  Так как поверхность параболоида освещается отражёнными от поверхности контррефлектора электромагнитными волнами, на­правленными на него облучателем, то «освещение» пара­болоида (основного зеркала) будет таким, каким создает его облучатель через контррефлектор (рис.9.6.). Поэтому для «освещения» контррефлектора нужен облучатель больших размеров, чем для антенн с передним питанием.

  Антенны Кассегрена имеют следующие преимущества перед ан­теннами с передним питанием.

  Как известно, для максимального использования площади раскрыва антенны необходимо обеспечить равномерное «освещение» поверхности параболоида, что, как видно из предыдущих суждений, у антенн с передним питанием получить довольно сложно, а у антенн Кассегрена получается относительно просто. Для этого изменяют (модифицируют) форму контррефлектора таким образом, чтобы некоторая часть энергии, попадавшая до модификации на центральную область основного зеркала (параболоида), перераспределялась бы к его краям и распределение электромаг­нитного поля по амплитуде в раскрыве антенны было бы близко к равномерному.

  Так как размеры контррефлектора достаточно велики по срав­нению с длиной волны, то оказывается возможным получить быстрый спад излучаемой энергии за краями основного зеркала и обеспечить тем самым малый её «перелив».

                      

             Рис.9.6. Принцип работы антенны Кассегрена:

1 – параболическая поверхность, 2 - контррефлектор, 3 – облучатель.

 

  Поэтому воз­никающие фазовые искажения компенсируются изменением формы основного зеркала так, чтобы за счет изменения длины пути, про­ходимого электромагнитными волнами, поле в раскрыве антенны стало бы синфазным.

  Особенно удобны для применения антенны Кассегрена, когда необходимо вести передачи на разных частотах. Это значит, что, если зер­кало антенны необходимо «освещать» поочерёдно различными облучателями, которые имеют разные размеры и конст­рукцию, необходимо менять эти облучатели. У антенн с передним питанием замена облучателя – весьма трудоёмкий процесс, особенно когда антенна уста­новлена на высоте, а у антенн Кассегрена всё получается намного проще. Если, например, имеются несколько типов облу­чателей пригодных для «освещения» одного и того же контррефлектора, то их поочерёдно можно помещать в центр параболоида. В то же время может быть необходима и замена контррефлектора. Тогда создаётся единая конструкция (контррефлектор-облучатель, жестко соединённые друг с другом), которую при необ­ходимости можно снять и установить другую, если имеется достаточно большое отверстие в центре отражателя. Отверстие не уменьшает эффективную поверхность антенны, так как эта её часть скрывается контррефлектором.

  У антенн Кассегрена более глубокий (короткофокусный) па­раболоид, т.е. более короткая антенна, поэтому выгодно использовать её в различных климатических условиях совместно с обтекате­лем. Обтекатель антенны - это радиопрозрачная пленка или кожух. Он служит для защиты внутренней поверхности параболоида и облучателя от атмосфер­ных осадков и крепится впереди антенны. У антенн с непосредст­венным передним питанием фокус параболоида удалён от поверх­ности и, следовательно, нужен в этом случае обтекатель гораздо больших размеров.

  Неосесимметричные (офсетные) антенны. 

  У антенн Кассегрена контррефлектор – вспомогательное зеркало, а у прямофокусных (осесимметричных) антенн – облуча­тель и конструктивно связанный с ним малошумящий усилитель-конвертор с узлом крепления закрывают центральную часть основного зеркала, т. е. наиболее важную его область. Наличие в поле излучения антенны конструкций, поддерживающих облучатель (при сравнимых их геометрических размерах с длиной волны), и самого облучателя приводит к дополнительному рассеянию энергии и, как следствие, к уменьшению эффективной площади раскрыва, снижению усиления антенны и появлению боковых лепестков в диаграмме направленности, что особенно проявляется у неболь­ших антенн, диаметр которых меньше одного метра.

  Перечисленные недостатки можно почти полностью исключить, применив неосесимметричную (офсетную) антенну рис.9.7.

  Как видно, зеркало в этом случае является усечённым параболо­идом. Такое несимметричное усечение параболоида позволяет значительно снизить теневое влияние облучателя и реакцию зеркала на облучатель за счёт расположения облучателя вне зоны интенсивного поля зеркала. В то же время смещённый в фокальной плоскости первичный облу­чатель по-прежнему находится в фокусе теоретического парабо­лоида. Однако он не попадает в основной лепесток диаграммы на­правленности излучения, так как вообще не закрывает поверхность зеркала. Благодаря этому параметры офсетной антенны очень хо­рошие, кроме наличия небольшого недостатка - появления у нее перекрестной поляризации электромагнитных волн из-за неосесимметричной конструкции.

   

  Рис.9.7. Конструкция антенн со смещённым облучателем

                         1 – основное зеркало, 2 – облучатель.

 

  Кроме того, конструкция офсетной антенны позволяет устанав­ливать два облучателя-конвертора, располагая их в вертикальной фокальной плоскости. Это даёт возможность вести приём со спутников, нахо­дящихся на соседних позициях геостационарной орбиты. Следует отметить еще одно положительное свойство офсетных антенн, дающее им преимущества перед прямофокусными, и особенно важное для пользователей в северных широтах: офсетные и прямофокусные антенны под разными углами места "смотрят" на ИСЗ. Выпадающий зимой снег и другие осадки накапливают­ся в зеркале прямофокусной антенны и могут быть причиной помех, сильного затухания полезного сигнала и даже порой могут привести к прекращению приема. Этого не слу­чается при применении офсетных антенн, так как выпадающие осадки легко соскальзывают с поверхности зеркала или вообще не попадают на нее.

  Из-за большого количества функционирующих спутников, постоянно находящихся на геостационарной орбите, предъявляются жёсткие требования к диаграммам направленности как передающих, так и приёмных антенн. Это приводит к необходи­мости замены широко распространенных двузеркальных антенн Кассегрена и приёмных прямофокусных антенн на классические - офсетные.

 

  9.4. Принципы построения индивидуальных радиоприёмных

                          устройств спутникового телевидения

  Все радиоприёмные устройства (РПрУ) спутникового телевидения построены по супергетеродинной схеме. Индивидуальное радиоприёмное устройство состоит из двух частей: наружного блока, который располагается непосредственно на антенне, и внутреннего блока – спутникового телевизионного приёмника (ресивера), устанавливае­мого возле телевизора. На рис.9.8. приведена структурная схе­ма РПрУ для приёма телевизионного вещания через спутники-ретрансляторы.

Рис.9.8. Структурная схема наземного радиоприёмного устройства.

 

  Функциональная схема индивидуального приёмного устройства РВСС показана на рис. 9.9.

Рис. 9.9. Функциональная схема индивидуального приёмного устройства

 

  Такое конструктивное и схемное построение спутниковых РПрУ обусловлено диапазоном частот, в котором работают спутниковые системы. Объясняется это следующими соображениями.

1. Диапазон частот 11,7 – 12,5 ГГц соответствует диапазону волн

 2,5 – 2,56 см. Создать в этом диапазоне директорные антенны технически невозможно. Наиболее эффективной антенной в этом диапазоне волн является зеркальная антенна (параболоид), имеющая большой коэффициент усиления и очень узкую («игольчатую») диаграмму направленности (ДН). Чем больше отношение диаметра раскрыва параболоида к длине волны, тем более остронаправленной формируется ДН и тем больше коэффициент усиления антенны. Зеркальные антенны достаточно просты в производстве и относительно дёшевы.   

2. В качестве линий передачи электромагнитной энергии в этом диапазоне могут использоваться только волноводы. Применение других видов линий передачи, в том числе и коаксиального фидера, невозможно, так как электромагнитные колебания в диапазоне СВЧ в коаксиальных фидерах быстро затухают. Однако волноводы в изготовлении достаточно дороги и использование их в бытовых системах спутникового телевидения весьма сложно.

3. Из курса «Радиоприёмных устройств» известно, что на входе приёмника всегда имеется некоторое соотношение сигнал/шум, определяемое отношением мощности полезного сигнала к мощности шумов:

                                     γ = (Р_С / Р_Ш)_ВХ

Это соотношение не остаётся постоянным от входа до выхода приёмника. При распространении полезного сигнала по линии передачи полезный сигнал затухает в силу естественных потерь мощности. В то же время к входным шумам добавляются флуктуационные и тепловые шумы линии передачи. В результате на выходе линии передачи, т.е. уже на входе собственно приёмника соотношение сигнал / шум ухудшается. Тем более это соотношение ухудшается на выходе линейной части приёмника. В результате увеличивается коэффициент шума и уменьшается чувствительность РПрУ. 

Конвертор спутникового радиоприёмного устройства.

  Одним из способов уменьшения коэффициента шума, и, следовательно, повышения чувствительности РПрУ, является усиление принятого сигнала сразу же после антенны. Устройства, выполняющие эту функцию, называются «антенными усилителями». Конструктивно антенные усилители размещаются как можно ближе к антенне. В спутниковых РПрУ антенные усилители располагаются в облучателе параболоида и носят название «малошумящих усилителей» (МШУ). Малошумящий усилитель конструктивно объединяется с поляризатором и первым преобразователем частоты. Такой усилительно-преобразовательный блок называется «конвертором» (рис.9.9).

  Конвертор решает следующие задачи:

· осуществляет поляризационную селекцию принимаемых от спутника-ретранслятора сигналов;

· осуществляет защиту радиоприёмного устройства по зеркальному каналу;

· производит усиление по мощности сигналов, принятых на высокой

частоте;

· производит первое преобразование частоты принятых сигналов;

· производит предварительное усиление преобразованных сигналов на первой промежуточной частоте.

  Сигнал, принятый от ИСЗ параболической антенной, поступает на поляризатор (П). Поляризатор пропускает на вход конвертора сигнал только определённого вида поляризации. В состав конвертора входит малошумящий усилитель (МШУ), смеситель (СМ) с гетеродином (Г) и усилитель первой промежуточной частоты (УПЧ). В типовом конверторе принятый антенной сигнал усиливается в двух- или трёхкаскадном транзисторном МШУ, затем его частота понижается в первом преобразователе частоты до промежуточной частоты в диапазоне 950 – 1750 МГц.

  РПрУ для приёма сигналов ТВ-веща­ния через спутники-ретрансляторы выполняется по супергетеро­динной схеме с двойным преобразованием частоты. Это обеспечи­вает хорошую избирательность по соседнему спутниковому каналу, практически полное подавление сигналов зеркального канала и сигналов обратного излучения гетеродина. Первое преобразова­ние частоты, как уже было сказано, выполняется во внешнем блоке (конверторе). Первая промежуточная частота преобразованных сиг­налов (точнее, полоса частот) выбирается здесь доста­точно высокой (950...1750 МГц), чтобы частота первого гетеродина и частоты зеркальных сигналов не попадали в полосу частот сигна­лов со спутника. Первый гетеродин не перестраивается. Он генери­рует сигнал одной фиксированной частоты, и преобразование осу­ществляется в полосе частот Δ f = 800 МГц. Для преобразования в более широкой (∆f = 1200 МГц) полосе частот используются два гетеродина.

  Первое преобразование частоты принятых сигналов мо­жет осуществляться как при линейной поляризации (вертикальной или горизонтальной), так и круговой поляризации. Электромагнитные волны круговой поляризации предвари­тельно преобразуются в волны линейной поляризации. Можно одновременно вести обработку сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации при наличии во внешнем блоке двух конверторов на входе демодулятора (рис.9.10).

Рис. 9.10. Структурная схема конвертора для одновременного приёма

     сигналов горизонтальной и вертикальной поляризации

1-приёмная антенна; 2-облучатель; 3-блок наведения на спутник;

4-поляризатор; 5-блок управления поляризатором; 6-полосовой фильтр

СВЧ; 7-волноводно-полосковый переход; 8-малошумящий усилитель

сигналов СВЧ; 9-первый смеситель; 10-первый гетеродин; 11,12-усилители

 сигналов первой промежуточной частоты (ПЧ); 13-усилитель сигналов пер-

вой ПЧ по мощности; 14-коаксиальный кабель, соединяющий внешний блок

с внутренним.

 

   Антенна. Приёмные антенны СВЧ-диа­пазона для спутникового телевизионного вещания применяются в основном двух видов: фазированные антенные решетки (ФАР) и параболические антенны. Наиболее широкое применение на­шли параболические антенны. Внут­ренняя поверхность параболоида вращения металлическая или ме­таллизированная, предназначенная для приема и отражения (пере­излучения) падающих на неё электромагнитных волн и направления их в точку фокуса, где размещается облучатель.

  Облучатель служит для приёма отражённых от зеркала электромагнитных волн, преобразования их в электрические сигналы и направления их в волновод. При спутниковом телевизионном вещании приём электро­магнитных волн, имеющих как линейную, так и круговую поляризацию. Поэтому к облучателю присоединяется волновод круг­лого сечения, в котором могут распространяться электромагнитные волны любой поляризации.

  Поляризацией называется физическая характеристика излучения, описывающая направленность векторов-моментов электрического поля, распространяющейся электромагнитной волны.

  Поляризатор служит для выбора электромаг­нитных волн только одной (вертикальной или горизонтальной) по­ляризации и направления их в волновод. Важ­нейшей характеристикой переключателя является величина поля­ризационного затухания, т.е. показатель того, в какой мере про­никают электромагнитные волны нежелательной поляризации на выход. Типовое значение затухания составляет 30...50 дБ. В системе индивидуального приёма выбор электромагнитных волн одной или другой поляризации осуществляется:

- механическим способом - поворотом на 90° магнитной петли или

электрического зонда;

- электромагнитным способом - подачей опре­делённого напряжения на

  обмотку феррита, вдоль которого распространяется электромагнитная вол-

на. Этим управляет электронная схема, кото­рая находится в ресивере,

и выбор электромагнитной волны соответствующей поляризации происхо-

дит одновременно с выбором частотного канала (телевизионной программ

мы).

  Антенно-фидерная система, кроме указанных элементов, может содержать систему дистанционного наведения на ИСЗ, называемую позиционером.

  Полосовой фильтр СВЧ. Его назначение – защита входа МШУ конвертора от внешних помех и защита облучателя от проникновения сигналов комбинационных частот первого гетеродина в эфир, что может стать причиной появления помех для других РПрУ.

   Волноводно-полосковый переход служит для подачи на вход первого каскада малошумящего усилителя наведенной в нём ЭДС. Для этого в широкую плоскость волновода пря­моугольного сечения на определённом расстоянии от края вставля­ется электрический штырь, в котором наводится ЭДС сигнала, который затем подаётся на вход малошумящего усилителя.

  Малошумящий предварительный усилитель. Основное тре­бование к этому усилителю – обеспечить максимальное усиление сигнала по мощности, что обеспечивает уменьшение коэффициента шума. МШУ обычно выполняется двух- или трёхкаскадным. Ко­эффициент шума типового МШУ не превыша­ет 1,2 дБ, но есть и такие, у которых он составляет не более 0,6 дБ. Однако конверторы с очень низким коэффициентом шума отно­сительно дороги.

  Первый преобразователь частоты. Имеет в своём составе смеситель, первый гетеродин и предварительный усилитель сигналов промежуточных частот (ПУПЧ). Функциональная схема первого преобразователя частоты (ПрЧ) показана на рис.9.11.

Рис. 9.11. Функциональная схема первого преобразователя частоты.

  

  Принимаемые со спутников электро­магнитные волны СВЧ - диапазона наводят в зонде, находящемся в прямоугольном волноводе, электрические сигналы этих же час­тот, которые затем усиливаются и в первом смесителе преобразо­вываются в сигналы диапазона частот 950...1750 (2150) МГц. Ши­рина полосы частот после первого преобразования, как видно, составляет 800 (1200) МГц и поэтому все 40 выделенных частотных телевизионных каналов в нём помещают­ся. Выбор телевизионного канала осуществляется из этого диапазона частот. Расстояние по частоте между несущими частотами соседних каналов составляет 19,18 МГц.

  Первый гетеродин генерирует сигнал одной фиксированной частоты. Основное требование к нему – обеспечение высокой стабильности частоты генерируемого сигнала. Однако его неста­бильность не лучше ± 1,0 МГц. Для приёма цифровых многопрограммных передач нестабильность частоты гетеродина внешнего устройства должна быть не хуже ± 0,35 МГц. На практике приём цифровых передач ведётся с обычными кон­верторами, у которых нестабильность частоты гетеродина достига­ет ± 1,0 МГц. Учитывая, что первый гетеродин находится на от­крытом воздухе (размещён на антенне) и подвержен влиянию больших колебаний температуры, применяются конструктивные меры для уменьшения нестабильности: термостабилиза­ция, герметизация, применение диэлектрических резонаторов и т.п.

  Приём сигналов СВЧ диапазона 10,7... 11,7 ГГц или 11,7... 12,75 ГГц осуществляется переключени­ем гетеродинов.

  Усилитель сигналов промежуточных частот обеспечивает усиление по напряжению (а последний его каскад – и по мощности) преобразованного сигнала. Для качественного телевизион­ного изображения необходимое усиление порядка (50 ÷ 60) дБ в такой широкой полосе частот с одним каскадом получить трудно, поэтому предварительный УПЧ (ПУПЧ) выполня­ется обычно трёхкаскадным. Это последний функциональный узел конвертора. К нему высокочастотным коаксиальным кабелем подключается внутренний блок – спутниковый телевизион­ный приёмник (ресивер).

  При наличии двух конверторов на­ружный блок с ресивером соединяется двумя коаксиальными ка­белями. Удельное затухание сигнала в кабеле не должно превышать 0,3 дБ/м. Однако затухание сигнала в нём неравномерно по всему диапазону: наибольшее затухание сигнала происходит в верхней части частотного диапазона 950...2150 МГц. Поэтому при большой длине кабеля для компенсации затухания могут применяться специ­альные усилители-корректоры, у которых усиление растёт с увеличением частоты. Таким образом, производится вырав­нивание передаточной характеристики конвертора.

  Блок управления наведением антенны на спутник (позиционер) даёт воз­можность ориентировать антенну на различные спутники. Исполнительным узлом поворота зеркала является актуатор. Датчиком положения (по­зиции) антенны служит электронная оптопара или герконовое реле. Импульсы с него подаются на сравнивающее устройство, на кото­рое также подаются импульсы управления от запоминающего уст­ройства, расположенного в ресивере. В случае несовпадения ко­личества импульсов появляется сигнал рассогласования и подаёт­ся команда на поворот антенны. В запоминающее устройство могут быть предварительно занесены позиции спутников, ретранслирую­щие телевизионные и радиовещательные программы. Иногда для ориентирования антенны используется супермоут. В отличие от актуатора, он не имеет ограничений при пово­роте антенны вокруг своей оси. Он рассчитан на небольшие ветровые нагрузки и используется в конструкциях с небольшими антеннами (до 130 см в диа­метре).

  Питание конвертора. Постоянное напряжение +12 В подаётся по центральному проводу коаксиального кабеля из ресивера. В конверторе это напряжение преобразуется в двуполярное. Основное требование к питающему напряжению – его высокая стабильность.

Ресивер спутникового радиоприёмного устройства.

  Структурная схема ресивера показана на рис.9.12.

   

Рис. 9.12. Структурная схема спутникового телевизионного ресивера:

1 – устройство переключения (выбора) сигналов поляризации; 2 – полосовой фильтр перестраиваемый (или неперестраиваемый); 3 – предварительный усилитель первой промежуточной частоты 950... 1750 (2150) МГц; 4 – второй гетеродин; 5 – второй смеситель; 6 – полосовой фильтр сигналов второй ПЧ; 7 – усилитель сигналов второй ПЧ; 8 – полосовой фильтр, переключаемый на полосу 27 или 36 МГц, или регулируемый; 9 – амплитуд­ный ограничитель; 10 – широкополосный частотный демодулятор; 11 – каскад АПЧГ; 12 – каскад АРУ; 13 – узел управления выбором поляризации; 14 – блок выбора частотного канала (программы); 15 – блок управления полосой фильтра; 16 – индикатор грубой настройки на выбранный канал; 17 – блок включения АПЧГ; 18 – индикатор точной настройки на выбранный канал.

  После усиления в предварительном УПЧ на первой промежуточной частоте сигнал из конвертора поступает на вход внутреннего блока, называемого

«ресивером». В ресивере сигнал усиливается на первой промежуточной частоте (в УПЧ-1), после чего производится второе преобразование частоты.

Значение второй ПЧ вы­бирается, исходя из требований защиты от помех по зеркальному ка­налу второго гетеродина. Выбор частот­ного канала (телевизионной программы) осуществляется с блока управления пере­стройкой частоты второго гетеродина и одновременной перестройкой включённого на его входе полосового фильтра, который отфильтровывает сигналы других частотных каналов, также поступающих на вход, но являю­щиеся уже помехой. Перестраиваемый полосовой фильтр на входе ресивера определяет избиратель­ность по соседнему каналу.

  В качестве второй промежуточной частоты выбирается либо

f_ПР2 = 479,5 МГц (Европейский стандарт), либо f_ПР2 = 612 МГц (стандарт США). После второго преобразования производится основное усиление сигнала на второй промежуточной частоте (в УПЧ-2). С выхода УПЧ-2 усиленный на второй промежуточной частоте сигнал подаётся на демодулятор (ДЕМ). В качестве демодулятора обычно используют частотные детекторы с обратной связью по частоте. Такие демодуляторы позволяют продетектировать малые по уровню ЧМ-сигналы.

  В современных системах спутникового ТВ-вещания предусмотрена частотная модуляция комплексным ТВ-сигналом. Комплексный модулирующий ТВ-сигнал состоит из видеосигнала с сигналом дисперсии и частотно-модулированной поднесущей звукового сопровождения. Необходимость введения в комплексный модулирующий сигнал сигнала дисперсии объясняется следующим.

  Для осуществления электромагнитной совместимости спутниковых систем связи с наземными радиосистемами важна не только полная мощность сигнала, принимаемого от ИСЗ, но и распределение спектральной мощности этого сигнала по частоте. При передаче ТВ-сигналов методом частотной модуляции имеются явно выраженные максимумы в спектре сигнала. Они обусловлены наличием в ТВ-сигнале длительное время не изменяющихся сигналов. Это уровни синхроимпульсов, гасящих импульсов, а также сигналов изображения с постоянной яркостью. С целью ослабления таких участков спектра применяют искусственное рассеяние мощности сигнала по спектру, называемое дисперсией сигнала. Для этого несущая дополнительно модулируется по частоте сигналами треугольной формы с частотой 25 Гц.

  На приёмной стороне возникает обратная задача – убрать сигнал дисперсии, так как при его наличии возможно нарушение синхронизации кадровой развертки. Кроме того, сигнал дисперсии проявляется на изображении в виде штрихов, для подавления которых применяются схемы фиксации уровня чёрного.

   После демодулятора видеосигнал поступает на компенсатор дисперсии (КОМП. ДИСП.). Сигнал дисперсии исключается из видеосигнала с помощью схем фиксации уровня.

  На выходе демодулятора получается сигнал изображения в стандарте PAL или SECAM совместно с сигналами звукового сопровождения на несущей

звука. Из сигналов цветности выделяются видеосигналы основных цветов Е_R, Е_G , Е_B или ЦРС E_{R – Y}, E_{G – Y}, E_{B – Y} в декодирующем устройстве (ДК). Эти сигналы через универсальный разъём «SCART» подаются на вход ТВ-приёмника. Для телевизоров ранних поколений, не имевших такого разъёма, ресивер снабжают «ремодулятором» – устройством, которое формирует стандартный ТВ-сигнал в метровом или дециметровом диапазоне.

  Второй преобразователь частоты.

  Второй преобразователь частоты имеет в своём составе второй смеситель, второй гетеродин и усилитель сигналов второй промежуточной частоты.

Функциональное и конструктивное построение преобразователя зависит от функций, выполняемых ресивером. Он должен:

· выбирать частотные каналы из полосы частот Δ f = 800 МГц;

· иметь высокую избирательность по соседнему спутниковому частотному каналу;

· обеспечить усиление сигналов второй промежуточной частоты

не менее 80 дБ.

  Структура ресивера во многом определяется величиной промежуточной частоты (ПЧ). В общем случае сигналы из диапазона 950... 1750 МГц второй преобразователь конвертирует в сигналы второй ПЧ, величина ко­торой может быть любой: 70; 134,2; 479,5; 612 МГц или регулируемой. В более поздних моделях из-за применения демодуляторов с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) значение второй ПЧ в странах Европы выбрано 479,5 МГц, что равно 25-кратному значению несущей (25·19,18 МГц) спутникового частотного канала. В странах американского конти­нента значение второй ПЧ выбрано 612 МГц.

  Усилитель сигналов второй ПЧ представляет собой широкополосный резистивный усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ). Чаще всего его выполняют двух-трёхкаскадным, с глубокой отрица­тельной обратной связью, обеспечивающей равномерное усиление во всей полосе частот.

  Гетеродин второго преобразователя охвачен цепью автоматической подстройки частоты (АПЧ). Применение АПЧ здесь необходимо, так как для эффективной работы демодулятора стабильность частоты первого гетеродина, расположенного во внешнем блоке, как уже говорилось, недостаточна

(± 1,0 МГц). АПЧ используется для обеспечения более высокой стабильности второй промежуточной частоты, на которую настраивается "нулевая" частота дискриминатора. Сигнал рассогласования с частотного демодулятора подаётся на варикап, включённый в высокочастот­ный контур гетеродина, и изменяет ёмкость контура в сторону уменьшения ошибки при отклонении частоты.

  Автоматическая регулировка усиления (АРУ) выравнивает уро­вень сигнала внутри диапазона частот 950... 1750 (2150) МГц при приёме сигналов с различными уровнями от различных спутников. Для этого сигнал с выхода частотного демодулятора дополнитель­но детектируется, усиливается и с некоторой постоянной времени (задержкой) подаётся на входы усилительных каскадов второй ПЧ. Выравнивание уровня сигнала регулируется изменением коэффициентов усиления этих каскадов.

  Полосовой фильтр перед демодулятором предназначен для подавления сигналов комбина­ционных частот, возникающих при ограничении сигнала, и определяет ширину частотной полосы канала приёма. При приёме со спутников частотная полоса фильтра выбирается переключателем: 27 МГц, 36 МГц или может быть регулируемой плавно или ступенчато.

  Широкополосный частотный демодулятор.

  Он предна­значен для преобразования принимаемого широкополосного час­тотно-модулированного сигнала, несущего информацию, в ампли­тудный сигнал с более узкой частотной полосой, без изменения его первоначального спектра.

  Частотные демодуляторы характеризуются демодуляционным порогом, т.е. порогом помехоустойчивости, который яв­ляется важным параметром ресивера. От демодуляционного порога зависит чувствительность ресивера, т.е. то минимальное значение отношения сигнал/шум на входе демодулятора, при котором принимается изображение удовлетворительного каче­ства.

  Частотные демодуляторы определяют также ширину частотной полосы и амплитуду выходного сигнала. Для демодуляции принятого со спутника и многократно преобра­зованного частотно-модулированного сигнала можно применять различные типы демодуляторов. Демодулятор должен иметь:

· высокую линейность амплитудно-частотной характеристики, при которой сохраняется спектр демодулированного по­лезного сигнала и исключается появление искажений;

· необходимую ширину полосы частот;

· низкий демодуляционный порог, от которого зависит величина отношения сигнал/шум на выходе (при заданной частотной полосе на входе), что определяет качество принимаемого видеоизображе­ния и звука в аналоговой системе.

  Частотный демодулятор (рис.9.13) состоит из:

· амплитудного ограничителя и полосового фильтра с полосой пропускания 27 или 36 МГц (или регулируемой). Он включается на входе дискриминатора для подавления сигналов комбинационных частот, образующихся при ограничении амплитуды частотно-модулированной несущей до требуемого уровня;

· дискриминатора с амплитудно-частотной характеристикой вы­сокой линейности;

·  ФНЧ для подавления высокочастотных составляющих, лежа­щих выше выбранной его частоты среза.

Рис. 9.13. Структурная схема частотного демодулятора:

1 - амплитудный ограничитель; 2 - полосовой фильтр; 3 – частотный дискриминатор; ФНЧ - фильтр низких частот видеосигнала; УПЧ – усилитель второй промежуточной частоты; ФПЧ – фильтр промежуточной частоты.

 

  В типовых демодуляторах средняя частота полосового фильтра ПЧ и "нулевая" частота дискриминатора всегда совпадают. Они настраиваются точно на немодулированную несущую, частота которой при приёме в аналоговой системе в ранних моделях может быть равной 70 МГц или 134,26 МГц, а в более поздних – 479,5 или 612 МГц.

  При появлении на входе дискриминатора немодулированной не­сущей напряжение на его выходе равно нулю. Если на вход дис­криминатора подаётся частотно-модулированная несущая, то при отклоне­нии её частоты в любую сторону от "нулевой" на его выходе появ­ляется напряжение, пропорциональное отклонению (девиации) частоты, соответствующей полярности и амплитуды.

  Максимально возможная амплитуда на выходе зависит от ши­рины и крутизны выходной амплитудно-частотной ха­рактеристики дискриминатора.Ширина полосы частот дискриминатора определяется рас­стоянием на частотной оси между горбами характеристики. Для работы выбирается только её линейный участок. В общем случае полоса частот дискриминатора должна быть равна или немного превышать удвоенную девиацию частоты несущей.

Выходное напряжение дискриминатора не должно зависеть от амплитуды ЧМ-несущей, подаваемой на его вход, так как это увели­чивает нелинейные искажения выходного сигнала и снижает помехо­устойчивость демодулятора. Однако в частотных дискриминаторах такая зависимость реально существует и проявляется весьма замет­но, чего нельзя допускать. Поэтому типовые демоду­ляторы имеют высокоэффективный амплитудный ограничитель для ограничения амплитуды модулированной несущей, если она превышает установленный уровень. Это обеспечивает подачу на вход дискриминатора несущей только определённого уровня.

 

                          Контрольные вопросы:

1.  Что такое геостационарная орбита ИСЗ? Почему спутники-

  ретрансляторы необходимо выводить на такую орбиту?

2.  Почему в спутниковом телевидении используют только сантиметровый и миллиметровый диапазоны волн?

3.  Какие антенны применяются для приёма сигналов спутникового

ТВ-вещания? Объясните необходимость применения именно таких

антенн.

4.  Объясните принцип работы параболических антенн различной конструкции. Достоинства и недостатки прямофокусных и офсетных антенн.

5.  Объясните принцип работы и достоинства антенн Кассегрена и антенн двойной кривизны.

6.  Начертите упрощённую функциональную схему спутникового РПрУ и поясните назначение элементов этой схемы.

7.  Почему в спутниковых ТВ-приёмниках применяется двойное преобразование частоты?

8. Объясните, почему спутниковые РПрУ разделяются на наружный и внутренний блоки.

9. Объясните назначение конвертора, начертите его функциональную схему и поясните назначение элементов этой схемы.

10. Объясните назначение ресивера и по функциональной схеме объясните назначение его элементов.

11. Что такое поляризация электромагнитных волн? Объясните назначение поляризатора в конверторе спутникового РПрУ.

12.  Объясните назначение и принцип работы АРУ в ресивере.

13.  Объясните назначение и принцип работы АПЧГ в ресивере.

14.  Объясните назначение малошумящего усилителя в конверторе.

 

Глава 10. Цифровое телевидение

   10.1. Общие сведения.

  В течение длительного времени в радиоэлектронике и технике связи использовались преимущественно аналоговые сигналы. С их помощью удавалось решать достаточно сложные проблемы, имеющие место в радиосвязи, радиолокации, телевидении и т.д. Аналоговые сигналы сравнительно просто можно генерировать, усиливать, преобразовывать и обрабатывать с помощью электронных устройств непрерывного действия – ламповых и транзисторных приборов.

  Аналоговый (непрерывный) сигнал U(t) определён для любого значения времени t и может принимать любое значение в пределах некоторого диапазона U_{C min} ÷ U_{C max} . Такой сигнал является аналогом некоторого физического процесса и, как правило, представляется в виде напряжения. Например, напряжение электрического сигнала на выходе преобразователя «свет-сигнал» (передающей телевизионной трубки) пропорционально яркости развёртываемых элементов изображения.

  В начале 60-х годов 20 века стали разрабатываться радиотехнические системы, основанные на обработке дискретных сигналов. Эти системы позволяют располагать в интервалах времени между отсчётами одних дискретных сигналов отсчёты других дискретных сигналов. В результате появилась возможность по одному каналу связи передавать несколько сообщений, осуществляя многоканальную связь с разделением каналов по времени. Такие системы получили название каналов связи с временным уплотнением.

  Дальнейшим развитием техники получения и обработки дискретных сигналов являются цифровые радиотехнические системы. Наиболее существенное влияние на разработку цифровых систем оказало развитие микросхемотехники. Широкое внедрение цифровой обработки сигналов в радиотехнике было обусловлено увеличением дальности связи и требованием высокой её помехоустойчивости. Цифровые методы приобрели также первостепенное значение в обработке, преобразовании и хранении телевизионных сигналов изображения, аудиосигналов и пр.

  Цифровое телевидение – это область телевизионной техники, в которой операции формирования, обработки, консервации и передачи ТВ-сигнала осуществляются при преобразовании его в цифровую форму.

  Цифровой сигнал может быть получен в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) «свет-сигнал» или с выхода аналоговых ТВ-датчиков. В последнем случае преобразование аналогового ТВ-сигнала в цифровой осуществляется в кодирующем устройстве ТВ-системы.

  По сравнению с аналоговым телевидением, цифровое телевидение представляет собой более высокую ступень развития ТВ-техники.

  Преимущества цифровых методов обработки и передачи ТВ-изображения заключаются в следующем:

· высокая стабильность параметров ТВ-систем;

· значительное увеличение надёжности и технологичности ТВ-систем;

· возможность применения методов электронно-вычислительной техники при обработке, преобразовании и анализе ТВ-изображения;

· расширение номенклатуры преобразований сигнала с целью создания видеоэффектов, геометрических преобразований изображения и т.п.;

· возможность практически неограниченного числа перезаписей фрагментов изображения при формировании программ;

· возможность хранения видеоинформации длительное время без ухудшения его качества;

· реализация сложных сервисных программ по управлению ТВ-устройствами;

· возможность осуществления достаточно сложных процедур анализа изображений (например, в системах распознавания образов);

· высокая экономичность цифровых устройств и решение ряда задач, практически невыполнимых на базе аналоговой техники, например, простоты перестройки (перепрограммирования) цифровых устройств на реализацию других функций;

· принципиальная возможность устранения накопления шумов путём восстановления формы импульсов в каскадных системах, например, связных, ретрансляционных, спутниковых и других.

   Одной из основных причин внедрения цифрового вещания является тот факт, что аналоговый сигнал по мере его распространения в любой среде претерпевает существенные искажения, не компенсируемые на приёмной стороне. Одним из таких значимых значений, характеризующих качество сигнала, является отношение сигнал/шум (C/N).

                        

Рис.10.1. Зависимость соотношения сигнал/шум в зависимости

            от расстояния для цифрового и аналогового сигнала.

 

  Для цифрового  сигнала характерна та особенность, что его качество остаётся неизменным при снижении уровня входного сигнала (что эквивалентно снижению C/N) до некоторого минимального значения, именуемого порогом (пороговым значением по тому или иному критерию). Однако следует заметить, что сам исходный сигнал в аналоговом виде более высокого качества в сравнении с цифровым, что понятно из самого его физического смысла. Но это различие невелико как по объективным, так и по субъективным показателям.

  Однако при всех перечисленных достоинствах цифровое телевидение имеет один главный недостаток: необходимость значительного расширения полосы частот, занимаемых информационными сигналами, по сравнению с аналоговым телевидением.

  Цифровые методы обработки и передачи ТВ-сигналов могут применяться во всём ТВ-тракте, начиная от преобразователя «свет-сигнал» и заканчивая преобразователем «сигнал-свет», или только в его отдельных звеньях, например, в аппаратно-студийном комплексе (АСК) или в отдельных узлах приёмных устройств. Применение аналого-цифровых методов обработки ТВ-сигналов в АСК позволяет осуществить высококачественное преобразование и анализ видеоизображения, реализовать эффективное управление ТВ-устройствами, которое практически невозможно достигнуть в аналоговых АСК.
  Применение цифровых методов обработки при передаче ТВ-сигналов по магистральным линиям значительно повышает помехозащищённость этих линий и улучшает качество передачи информации на большие расстояния.

  Выбор соответствующего стандарта кодирования цифрового сигнала позволяет создать общую систему для обмена ТВ-программами в международном масштабе и устранить необходимость преобразования (транскодирования) ТВ-стандартов.

 

   10.2. Цифровое представление электрических сигналов.

  В тракте ТВ-системы аналоговый сигнал подвергается обработке: усилению, кодированию, передаче по каналу связи, декодированию и т.п. В результате этого к исходному сигналу добавляются помехи различного происхождения, а сам сигнал претерпевает разнообразные искажения. Всё это приводит к изменению формы исходного сигнала. Поскольку и сам сигнал, и помехи носят случайный характер, то восстановить исходную форму аналогового сигнала можно только с погрешностями.

  В отличие от аналоговых, цифровые сигналы принимают строго определённые значения. Чаще всего используются цифровые сигналы, принимающие всего два значения: «есть сигнал» или «нет сигнала» на определённом интервале времени Т (тактовом интервале). Для их обозначения используются две цифры: наличие сигнала обозначается цифрой «1», а отсутствие – «0» (рис.10.2).

           

                Рис.10.2. Виды сигналов: а) аналоговый; б) цифровой.

 

  Для неискажённого приёма сообщений надо безошибочно восстановить исходную последовательность единиц и нулей. В отличие от аналогового, цифровой сигнал, искажённый помехами, можно восстановить с большей точностью. Для этого нужно на каждом тактовом интервале принять решение о наличии «1» или её отсутствии.

  При переходе от аналогового сигнала к цифровому осуществляется три специфических преобразования (рис.10.3).

· дискретизация сигнала по времени;

·  квантование сигнала по уровню амплитуд;

·  кодирование (оцифровка).

  Подобное представление сигналов называется аналого-цифровым преобразованием .

         

               Рис.10.3. Аналого-цифровое преобразование сигнала:

      а) аналоговый; б) дискретизированный; в) квантованный; г) цифровой.

 

  Рассмотрим подробнее эти преобразования.

   Дискретизация сигнала.

  Под дискретизацией понимают процесс представления (замену) во времени непрерывного сигнала дискретной последовательностью отсчётов (выборок), следующих с некоторым временным интервалом Dt = T_Д, и по которым с заданной степенью точности можно вновь восстановить исходный сигнал. Наиболее распространённой является равномерная дискретизация, когда соседние отсчёты сигнала отстоят друг от друга на одинаковый интервал времени Т_Д (рис.9.1), называемый периодом дискретизации (интервалом дискретизации). Число отсчётов сигнала в секунду называется частотой дискретизации:

                                         F_Д = 1 / T_Д

  Для того чтобы восстановить исходный непрерывный сигнал из дискретизированного с малыми искажениями (погрешностями), необходимо рационально выбрать шаг (интервал) дискретизации. Поэтому при преобразовании аналогового сигнала в дискретный обязательно возникает вопрос о величине шага дискретизации. Совершенно очевидно, что точность восстановления аналогового сигнала по последовательности его отсчётов зависит от величины интервала дискретизации Т_Д. Чем он короче, тем меньше будет отличаться функция u ( t ) от плавной кривой, проходящей через точки отсчётов. Однако с уменьшением интервала дискретизации Т_Д возрастает сложность и объём обрабатывающей аппаратуры. С другой стороны, при большом интервале дискретизации возрастает вероятность искажения или потери информации при восстановлении аналогового сигнала.

  Оптимальная величина интервала дискретизации определяется теоремой академика В.А.Котельникова (теоремой отсчётов).

  Смысл теоремы В.А. Котельникова заключается в следующем. Произвольный сигнал, спектр которого ограничен некоторой высшей частотой F_В, может быть полностью восстановлен по последовательности своих отсчётных значений, следующих с интервалом времени 

                                         Т_Д  = 1 / 2F_B.

  Другими словами, частота дискретизации

                                          F_Д = 1 /T_Д = 2F_B

должна быть не менее чем в два раза больше верхней частоты спектра аналогового сигнала. Это объясняется тем, что спектр дискретизированного сигнала имеет периодический характер: кроме низкочастотной части спектра, занимающей полосу частот от 0 до F_B, спектр имеет ещё и высокочастотные компоненты (рис.10.4).

б)

а)

в)

           

Рис.10.4. Спектры сигналов:

а) спектр аналогового сигнала; б) спектр сигнала после дискретизации

при F_Д > 2F_В; в) спектр сигнала после дискретизации при F_Д < 2F_В.

 

  Низкочастотная часть спектра полностью идентична спектру исходного аналогового сигнала. Каждая высокочастотная компонента состоит из двух боковых полос: верхней (ВБП) и нижней (НБП). Форма ВБП подобна форме низкочастотной части спектра сигнала, сдвинутой по оси частот на одну из частот ряда F_Д, 2F_Д, 3F_Д, …. Форма НБП – зеркальное отображение соответствующей ВБП относительно частоты сдвига рассматриваемой высокочастотной компоненты.

  Если частота дискретизации будет меньше 2F_В, то произойдёт наложение друг на друга двух соседних высокочастотных компонент (рис.10.3в). Это приводит к искажениям сигнала, устранить которые при последующей обработке невозможно. Поэтому частоту дискретизации необходимо выбирать из условия F_Д > 2F_В.

  Кроме этого условия, в цифровом телевидении частоту дискретизации сигнала стремятся выбрать кратной частоте строк, т.е.

                                        F_Д = kf_с ,

где k – целое число; f_с – частота строк.

  При таком выборе частоты дискретизации оказывается, что отсчёты сигнала занимают фиксированное положение относительно начала строки. Этим отсчётам соответствуют точки на экранах ТВ-преобразователей, координаты которых располагаются в углах прямоугольной решётки (рис.10.5). Таким образом, дискретная структура сигнала по времени оказывается жёстко связанной с пространственной дискретизацией изображения. Такая структура дискретизации называется ортогональной.

б)

а)

 

 

  Рис.10.5. Пространственные структуры дискретизации изображения:

а – ортогональная структура дискретизации;

б – шахматная структура дискретизации.

 

  Существуют и другие способы дискретизации ТВ-изображения (например, шахматная). На практике оказывается, что при достаточно высокой частоте дискретизации ортогональная структура позволяет получить более высокое качество изображения. Поэтому этой структуре отдаётся предпочтение.

  Из проведённых рассуждений следует, что частоту дискретизации цифровой ТВ-системы определяют параметры развёртки и видеосигнала.

В настоящее время в мире существует десять стандартов ТВ-вещания и три системы цветного телевидения: NTSC, PAL и SECAM. Стандарты отличаются друг от друга совокупностью параметров. Американский стандарт развёрток 525/60 определяет частоту полей 60 Гц, число строк в кадре 525, частоту строк f = 15734,26573 Гц. Все прочие стандарты ТВ-вещания по параметрам развёртки относят к европейскому стандарту: 625/50 с частотой полей 50Гц, числом строк в кадре 625 и частотой строк f = 15625 Гц. Верхняя граничная частота спектра видеосигнала в американском стандарте соответствует

F_В = 4,2 МГц, а верхняя граничная частота спектров европейского стандарта составляет F_В = 6,0 МГц.

  Фирмы, разрабатывающие современные системы цифрового телевидения, стремятся создавать такую аппаратуру, которая могла бы сопрягаться с различными стандартами ТВ-вещания. Это позволяет создать универсальную систему ТВ-вещания в международном масштабе.

  Учитывая всё сказанное выше и руководствуясь требованиями, предъявляемыми к частоте дискретизации, можно сделать следующие выводы:

1. Искажения сигнала при его воспроизведении будут отсутствовать в любом стандарте ТВ-вещания, если частота дискретизации будет

F_Д ³ 12 МГц;

2. Условие ортогональности структуры дискретизации будет выполнено

независимо от стандарта ТВ, если частота дискретизации составит

F_Д = 13, 5 МГц. Эта частота соответствует 864-й гармонике частоты

строчной развёртки стандарта 625/50 и 858-й гармонике строчной

частоты стандарта 525/60.

  Длительность активной части цифровой строки выбирается такой, чтобы в ней укладывалось 720 отсчётов сигнала независимо от стандарта. Очевидно, что в стандартах SECAM и PAL расстояние по времени между дискретами будет равно 0,074 мкс.

  Квантование сигнала.

   Квантование сигнала – это замена мгновенных значений дискретного сигнала ближайшими значениями из набора фиксированных уровней (рис.10.6). 

        

Рис. 10.6. Квантование дискретного сигнала:

· - дискретные отсчёты сигнала;

× - квантованные отсчёты сигнала.

 

  Фиксированные уровни, к которым «привязываются» отсчёты сигнала, называются уровнями квантования. Расстояния между соседними уровнями называют шагом квантования. Разница между дискретным отсчётом сигнала и соответствующим ему квантованным отсчётом называют ошибкой квантования .

  Процесс квантования осуществляется следующим образом. Между уровнями квантования располагают условные значения напряжения, называемые порогами квантования. Если истинное значение дискретного сигнала меньше соответствующего порога квантования, то это значение округляется до ближайшего нижнего уровня квантования. Если же истинное значение сигнала выше рассматриваемого порога, – значение сигнала округляется до ближайшего уровня, расположенного выше данного порога. От того, как будут расположены пороги квантования между уровнями квантования, зависит максимальная ошибка. Например, если пороги квантования совместить с уровнями квантования, то ошибка квантования может быть равна шагу квантования. Минимальная среднеквадратическая ошибка квантования получается, если пороги квантования располагаются посередине между уровнями квантования.

Ошибки квантования, рассматриваемые как дискретная функция времени, называют шумами квантования . Шумы квантования на изображении проявляются по-разному и зависят от характера передаваемого сюжета. В мелких деталях изображения шум квантования проявляется в форме случайной шумовой составляющей яркости. При передаче крупных деталей изображения помехи квантования проявляются в виде ложных контуров: плавные изменения яркости превращаются в ступенчатые. Заметность ложных контуров уменьшается с увеличением числа уровней квантования. Исследования показали, что ложные контуры перестают восприниматься, если шум квантования не превышает 0,5 – 1% от размаха сигнала, что соответствует числу уровней квантования, лежащем в диапазоне 128 – 256 (2⁷ – 2⁸). Поэтому количество разрядов при квантовании ТВ-сигнала в двоичном исчислении выбирают обычно равным 7 – 8.

  Для уменьшения заметности шумов квантования наряду с увеличением числа уровней квантования используют неравномерное квантование. Экспериментальные исследования показали, что неравномерная шкала квантования позволяет уменьшить число уровней квантования вдвое по сравнению с линейной шкалой без ухудшения качества изображения. Это объясняется особенностями восприятия изменений яркости сюжетов зрением человека.

  Перед квантованием сигналов их максимальный размах приводят к стандартной величине. Эта операция называется компрессией сигнала. Компрессия сигнала осуществляется, потому что при работе с реальными сюжетами размах сигналов изображения может оказаться довольно большим, значительно превышающим динамический диапазон работы квантователя. Превышение уровня входного сигнала верхней границы динамического диапазона приводит к нелинейным искажениям сигнала, устранить которые в дальнейшем практически невозможно.

 

   Цифровое кодирование телевизионного сигнала.

  Заключительной операцией по преобразованию аналогового сигнала в цифровой является операция, называемая кодированием. Цифровое кодирование (оцифровка) – это преобразование дискретного квантованного сигнала в кодовую комбинацию стандартных символов. Наиболее распространённый способ кодирования – представление квантованного отсчёта сигнала в двоичном коде. Группа элементарных символов «1» и «0», передающая значение одного отсчёта, называется кодовым словом.

  В цифровых системах передачи информации в качестве элементарного символа «1» полагается импульсный сигнал длительностью, равной тактовому интервалу Т, а в качестве символа «0» – отсутствие сигнала в тактовом интервале. Такой метод кодирования получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Он стал классическим, универсальным и применяется при обработке и передаче информации.

  Сигнал ИКМ можно представить либо последовательным, либо параллельным кодом. Последовательный код предполагает поочерёдную передачу разрядов каждого кодового слова по одной цепи или каналу связи, а параллельный – одновременную передачу всех двоичных символов кодового слова, причём, каждый разряд передаётся по своей, отдельной цепи.

  Пример сигналов ИКМ в последовательном коде приведён на рис. 10.7.

б)

а)

   

                       Рис.10.7. Цифровое кодирование сигнала:

а – дискретный квантованный сигнал; б – цифровой сигнал (сигнал с ИКМ).

 

  При передаче цифрового сигнала последовательным кодом первым передаётся младший разряд кодового слова. Время, затрачиваемое на передачу

кодового слова в последовательном коде, составляет N×T , где N – число разрядов кодового слова, Т – длительность тактового интервала.

  Время передачи цифрового сигнала в параллельном коде равно длительности тактового интервала.

  По каналам связи цифровые сигналы обычно передаются последовательным кодом, а обработка цифрового сигнала в аппаратно-студийном комплексе (АСК) и в цифровом ТВ-приёмнике осуществляется в параллельном коде.

  Устройство цифрового кодирования.

  В связи с тем, что в области вещательного телевидения до сих пор ещё не существует таких источников ТВ-сигнала, которые формировали бы сигнал в непосредственно цифровой форме, необходимо преобразовывать аналоговые сигналы в цифровую форму.

  Цифровые системы в зависимости от вида преобразования аналоговых сигналов в цифровые бывают двух видов:

· Системы с преобразованием ПЦТС в цифровую форму (системы с непосредственным кодированием);

· Системы с преобразованием составляющих ПЦТС в цифровую форму (системы с компонентным кодированием).

  Системы первого вида привлекательны тем, что они позволяют перевести аппаратно-студийный комплекс (АСК) на цифровые принципы обработки. Однако при этом возникают определённые трудности при выполнении ряда специальных студийных операций (монтаж видеозаписи, реализация специальных видеоэффектов и т.п.).  

  В системах с компонентным кодированием осуществляется раздельное цифровое кодирование отдельных составляющих (компонент) ТВ-сигнала.

В качестве компонентных составляющих можно использовать сигналы основных цветов Е_R, Е_G, Е_B или сигнал яркости Е_Y и цветоразностные сигналы Е_R-Y, Е_B-Y. Системы этого вида позволяют получить высокое качество изображения (отсутствуют перекрёстные искажения между составляющими ТВ-сигнала, поскольку они обрабатываются раздельно); исключаются проблемы, связанные с преобразованием стандартов цветного телевидения; упрощается режиссёрская обработка сигнала в АСК и т.п.

  В настоящее время используются системы с компонентным цифровым кодированием. Компонентное кодирование можно осуществить, подвергая цифровой обработке мультиплексированные (последовательно следующие друг за другом) аналоговые составляющие ТВ-сигнала. В этом случае требуется всего один АЦП, преобразующий поступающие на него компоненты Е_Y (t), E_{R -Y}(t), E_{B -Y} (t) в цифровую форму. Однако более прогрессивный способ компонентного кодирования основан на параллельной цифровой обработке сигналов основных цветов с последующим формированием мультиплексированного цифрового выходного сигнала Е^Ù_Y, Е^Ù_R-Y, Е^Ù_{B -Y}.

  Функциональная схема устройства компонентного цифрового кодирования второго вида показана на рис. 10.8. 

 

Рис.10.8. Функциональная схема устройства компонентного цифрового

                                                    кодирования

КУ – кодирующее устройство; АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

М – матрица; БЦО – блок цифровой обработки; К – коммутатор;

Мх – мультиплексор.

 

  В состав этого устройства входят кодирующее устройство сигнала изображения (КУ) и мультиплексор (Мх).

Кодирующее устройство имеет три входа, на которые поступают аналоговые сигналы основных цветов Е_R(t), Е_B(t), Е_G(t) из блока камерного канала. Каждый из входных сигналов в АЦП независимо от других преобразуется в цифровой сигнал (Е^Ù_R, Е^Ù_B, Е^Ù_G).

  Сформированные цифровые сигналы обрабатываются в блоках цифровой обработки (БЦО). Цифровая реализация операций над сигналами в БЦО в своей основе имитирует соответствующую обработку в аналоговых ТВ-системах. В этих же блоках устраняется информационная избыточность цифрового сигнала.

Матрица (М) служит для формирования цифрового сигнала яркости Е^Ù_Y и двух цветоразностных цифровых сигналов Е^Ù_{R -Y} , Е^Ù_{B -Y}.

Коммутатор  направляет эти сигналы либо в АСК для режиссёрской обработки и видеозаписи, либо в мультиплексор.

АСК (аппаратно-студийный комплекс) – комплекс оборудования для производства ТВ-передач с использованием сигналов от собственных и внешних источников.

Оборудование АСК выполняет следующие функции:

· формирование сигналов текстовой и графической информации от устройств ТВ-буквопечати, заставок, испытательных таблиц и т.п. (так называемая дополнительная информация);

· обработка видеосигналов от собственных передающих камер;

· создание управляемого режиссёром готового комбинированного изображения из разнообразных источников (видеозапись, телекинопроекторы, собственные ТВ-камеры, внестудийные средства ТВ-вещания) с применением разнообразных художественных эффектов и средств перехода от одного изображения к другому;

· контроль изображений и сигналов;

· формирование звукового сопровождения телепередач;

· синхронизация различных источников ТВ-изображения и приёмно-передающей аппаратуры.

  Все операции по обработке сигналов в АСК должны решаться в цифровой форме, без промежуточных АЦП и ЦАП.

Мультиплексор (Мх) объединяет сигналы изображения, звука, дополнительной информации и синхронизации в объединённый (мультиплексированный) ТВ-сигнал в параллельном коде.

10.3. Сжатие видеосигналов

 Первичная видеоинформация всегда избыточна. Поэтому преобразование её в цифровой формат приводит к необходимости передачи по каналам связи очень большого объёма информации. Для решения этой задачи требуются каналы связи с очень широкой полосой пропускания. Поэтому при разработке цифровых систем перед специалистами стояла задача сокращения объёма передаваемой информации. Это задача получила название «сжатие» («компрессия») информации.

Самое высокое качество у некомпрессированного цифрового видеосигнала, но для этого необходимо передавать очень большое количество данных (десятки Мб/сек). Эффективное сжатие видеоинформации основано на двух основных идеях:

· подавление несущественных для визуального восприятия мелких деталей пространственного распределения отдельных кадров;

· устранение временной избыточности в последовательности этих кадров.

Соответственно говорят о пространственной и временной компрессии.

 

 

  Способы сокращения избыточности цифрового сигнала.

  При использовании параллельного кода количество разрядов передаваемого слова N определяет число проводов, по которым передаётся цифровой сигнал. При последовательном коде большое количество разрядов кодового слова требует высоких скоростей передачи информации. Скорость передачи информации определяется количеством элементарных символов (бит), передаваемых за 1 секунду. При первоначальной обработке сигнала в АСК используется параллельное кодирование. При этом кодируется вся информация без исключения. Передача информации в таком первоначальном виде, как уже говорилось, требует очень высокой скорости обработки и, кроме того, весьма широкополосного канала связи. Поэтому в цифровом телевидении стремятся по возможности сократить разрядность передаваемых слов. Эта операция носит название «сжатие информации». Однако простое уменьшение разрядности приводит к ухудшению ТВ-изображения и, следовательно, недопустимо.

В настоящее время существует ряд способов по сокращению величины N. Они связаны со специальной обработкой сигнала, называемой кодированием цифрового сигнала.

   Под кодированием цифрового сигнала в общем случае понимается замена одной кодовой комбинации новой кодовой комбинацией в соответствии с определёнными правилами с целью решения ряда инженерных задач: сокращение избыточности цифрового сигнала, повышение скрытности и помехозащищённости передачи и т. п.

  Одним из способов сокращения избыточности (разрядности) цифрового сигнала является кодирование с предсказанием . Наличие сильных корреляционных* связей между близко расположенными элементами пространственной дискретизации изображения позволяет не передавать полную информацию о каждом элементе.

( * Корреляция – статистическая зависимость между явлениями или процессами. Корреляционная зависимость отличается от функциональной тем, что в ней возможные последствия каких-либо событий могут быть измерены лишь приблизительно. Таким образом, при корреляционной зависимости переменная величина соответствует изменениям другой величины лишь с определённой степенью вероятности, называемой коэффициентом корреляции. Корреляционный анализ применяется в радиоастрономии, радиолокации, гидроакустике, сейсмологии и т.д. при решении задач обнаружения слабых, замаскированных шумами сигналов. Он используется также для определения спектральных характеристик сигналов и выявления их идентичности, что необходимо в ряде исследований, связанных с измерением очень слабых сигналов.)

 

  Можно ограничиться передачей ряда элементов, а остальные элементы предсказать, т.е. вычислить их с помощью специальных технических устройств. Однако предсказание сигнала по предыдущим отсчётам всегда будет нести некоторую ошибку е(nТ). На рис.10.9 показана структурная схема системы передачи цифрового сигнала, использующая метод предсказания.

Рис.10.9. Структурная схема передачи цифрового сигнала, использую-

                     щая метод предсказания: ПС-1, ПС-2 – предсказатели

 

  Чтобы сформировать сигнал ошибки, на передающем конце системы устанавливается устройство предсказания ПС-1. Чаще всего используются линейные предсказатели. В этом случае предсказанное значение отсчёта U'(nT) определяется как

                                         _L

                         U'(nT) = Σ a_k ·U{(n – k)T},

                                             k=1

где a_k – постоянные коэффициенты, величина которых определяется

     особенностями сигнала U(nT), поступающего на вход преобразова-

     теля; 

     U{(n – k)T} – предыдущие отсчёты сигнала, по которым осуществля-

      ется предсказание;                         

     L – количество отсчётов, используемых для предсказания.

  Чтобы сформировать сигнал ошибки e(nT), из сигнала U(nT) вычитается предсказанный сигнал U'(nT).

  На приёмной стороне имеется предсказатель ПС-2, аналогичный предсказателю ПС-1. Поскольку процедуры предсказания на приёмной и передающей сторонах идентичны, предсказанные отсчёты сигнала U''(nT) могут быть использованы для восстановления значения сигнала, поступающего на вход системы передачи цифрового сигнала. Для этого к вычисленным отсчётам U''(nT) добавляют переданный по каналу связи сигнал ошибки.

  В рассмотренной системе предсказания по каналу связи передаётся сигнал ошибки e(nT), который изменяется в значительно меньшем диапазоне по сравнению с сигналом U(nT), а значит, и количество разрядов, необходимое для передачи этого сигнала, оказывается меньшим.

  При кодировании с предсказанием вычисляется разность между истинным и предсказанным значением отсчёта. Затем эта разность квантуется по уровню. От точности предсказания зависит среднее число бит, необходимых для передачи разностной информации. Предсказание может быть экстраполяционным. В этом случае (его часто называют «предсказанием вперёд») по предшествующим значениям отсчётов ТВ-сигнала оцениваются последующие отсчёты. Интерполяционное (двунаправленное) предсказание означает, что оценка среднего по положению отсчёта ТВ-сигнала выполняется по известным значениям предшествующих и последующих отсчётов. Такое предсказание наиболее точно оценивает текущие отсчёты. Однако стремление к точности приводит к возрастанию объёма вычислений и, соответственно, памяти, необходимой для реализации этой точности.

  Другой способ предсказания – межкадровое «предсказание вперёд». В этом случае текущий отсчёт оценивается по отсчёту с теми же координатами, но предыдущего кадра. Это очень эффективный метод предсказания для неподвижных изображений. Ситуация усложняется, когда изображение содержит движущиеся объекты или изменяется в целом. В этом случае отсчёты, принадлежащие однотипным элементам изображения, от кадра к кадру будут смещаться. Возникает разностная информация, даже если в остальном никаких изменений не происходит. Этот эффект можно ослабить, если ввести компенсацию движения. Для этого необходимо определить векторы перемещения движущихся частей изображения при последовательном переходе от кадра к кадру. Векторы движения позволяют определить положение кодируемого отсчёта в новом кадре (скомпенсировать его перемещение) и, таким образом, сохранить высокую точность предсказания.

  Известен ещё один способ сокращения избыточности информации, который носит название кодирования с преобразованием. Он основан на спектральном преобразовании цифрового сигнала.

  Известно, что дискретному периодическому сигналу соответствует дискретный периодический спектр (рис.10.10).       

  

                      Рис.10.10. Спектр периодического сигнала

а – дискретный периодический сигнал; б – спектр дискретного периодического сигнала; Т_С – период следования сигнала; F_Д – частота дискретизации.

 

  Телевизионный сигнал может рассматриваться как квазипериодический с периодом, равным длительности строки Т_С.

   Между отсчётами сигнала U(nT) и спектром этого сигнала S(k∆f) существует взаимно-однозначное соответствие. Эта связь устанавливается прямым и обратным преобразованием Фурье. Поэтому вместо отсчётов сигнала по каналу связи можно передать отсчёты дискретных составляющих спектра. Но передавать все составляющие спектра нет необходимости, потому что по составляющим спектра, примыкающим к нулевой частоте, практически можно восстановить весь спектр. Следовательно, по каналу связи достаточно передавать только эти составляющие.

  Структурная схема системы передачи цифрового сигнала, использующей этот принцип, изображена на рис.10.11.

            

Рис.10.11. Структурная схема передачи цифрового сигнала,

             использующая метод кодирования с преобразованием:

1 – преобразователь; 2 – селектор; 3 – квантователь и кодер; 4 – канал свя-

зи; 5 – декодер; 6 – блок обратного преобразования.

  Преобразователь (1) – осуществляет вычисление спектральных составляющих S(k∆f) дискретного сигнала U(nT).

  Селектор (2) – производит фильтрацию спектральных составляющих S(k∆f), значимых для рассматриваемого класса изображения.

  Квантователь и кодер (3) – осуществляют квантование и кодирование отфильтрованных спектральных составляющих.

   На приёмной стороне после декодирования и обратного преобразования восстанавливается дискретный сигнал U(nT).

  Описанная система кодирования позволяет уменьшить число кодовых слов, передаваемых по каналу связи и одновременно с этим уменьшить разрядность этих слов. Это связано с особенностью спектра периодического дискретного сигнала. Во-первых, в этом спектре количество спектральных составляющих на интервале частот 0 ÷ F_Д равно количеству отсчётов сигнала на интервале времени Т_С. А так как составляющие спектра в диапазоне от

F_Д / 2 до F_Д  могут быть восстановлены по составляющим спектра интервала частот 0 ÷ F_Д / 2, то количество спектральных составляющих, подлежащих передаче, оказывается в два раза меньше, чем количество отсчётов сигнала на интервале времени Т_С. Во-вторых, наибольшими по уровню оказываются составляющие спектра S(k∆f), расположенные в окрестности нулевой частоты. Эти составляющие в основном определяют дискретный сигнал U(nT). Поэтому составляющие малого уровня могут не передаваться. Для передачи оставшихся составляющих шаг квантования может быть увеличен, т.к. уровень их достаточно велик и, следовательно, разрядность кодового слова можно уменьшить.

  В рассмотренных алгоритмах работы предсказателя и преобразователя используются сигналы, полученные в точках пространственной дискретизации, которые расположены вдоль телевизионной строки (рис.10.5). На практике используются более сложные системы кодирования (так называемые двумерные системы). В таких системах операции преобразования и предсказания осуществляются по сигналам, полученным в точках пространственной дискретизации, расположенным внутри небольшой поверхности. Выбор формы поверхности и её размеров зависят от назначения ТВ-системы и характера передаваемого изображения.

 

  10.4.  Стандарт сжатия движущихся изображений MPEG -2

  В 1988 году для разработки методов сжатия и восстановления цифрового видеосигнала была организована специальная группа экспертов – Motion Pictures Expert Group (MPEG). Результатом исследований этой группы явилось создание международных стандартов для сжатия цифрового телевизионного сигнала, также получивших название MPEG. Специально для кодирования сигналов вещательного телевидения был разработан стандарт MPEG-2 . Он позволяет получить высокую чёткость ТВ изображения, обеспечивая 576 активных строк в кадре и 720 отсчетов в активной части строки (горизонтальная четкость). Применение этого стандарта в вещательном телевидении позволяет значительно снизить объём передаваемых в единицу времени видео- и звуковых данных и за счёт этого передавать несколько цифровых программ в полосе частот одного стандартного радиоканала эфирного, кабельного или спутникового телевизионного вещания. Например, в системах спутникового телевизионного вещания сжатие ТВ-сигнала в стандарте MPEG-2 позволяет передавать по одному каналу до пяти цифровых программ, при профессиональном качестве видеосигнала.

  Концепция сжатия видеосигналов в MPEG достаточно проста – определить, какая именно информация в потоке повторяется хотя бы в течение какого-то отрезка времени и принять меры к исключению дублирования этой информации. Наиболее ценное достоинство MPEG-кодирования, особенно удобное для передачи по различным сетям, – возможность гибкой настройки качества изображения в зависимости от пропускной способности сети. Это и сделало MPEG-2 фактическим стандартом для приёма/передачи цифрового телевидения по различным сетям.

  Невозможно однозначно оценить качество кодирования какими-либо приборами и измерениями. Единственный критерий здесь – способность человека воспринимать сжатую информацию. Поэтому правила сжатия видеоданных при MPEG-кодировании вырабатывались на основе модели восприятия человеком видеоизображений (HVS - Human Visual Sense).

Избыточность изображения, согласно HVS, определяется по трём основным критериям: временная, пространственная и цветовая.

  Устранение временной избыточности изображения, учитывающее тот факт, что в пределах коротких интервалов времени большинство фрагментов сцены оказываются неподвижными или незначительно смещаются по полю.
Устранение пространственной избыточности изображения путём подавления мелких деталей сцены, несущественных для визуального восприятия человеком.
Устранение цветовой избыточности изображения путём использование более низкого цветового разрешения при YRB-представлении изображений (Y — яркостный сигнал, R и B — цветоразностные сигналы). Опытным путём установлено, что глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета по сравнению с изменениями яркости.

Техника сжатия кодированных изображений основывается на сокращении этих видов избыточности. Основная идея сжатия MPEG состоит в том, что из всего потока полностью передаются только избранные (опорные) кадры, для остальных же передаются их изменения по отношению к опорным. Действительно, в подвижном изображении от кадра к кадру в большинстве случаев меняется только его часть. Например, при выступлении диктора в «Новостях» меняется только его мимика. Полная же смена кадра происходит относительно редко, только когда очередной кадр нельзя восстановить как изменение предыдущего (в этом случае проще передать сам кадр).
По этой причине в MPEG определены три типа кадров:

I -кадры  (Intra frames);
P -кадры (Predictive frames);
B - кадры (Bidirectional frames).

I-кадры несут полноценное неподвижное изображение и, кроме того, используются для построения P- и B-кадров. I-кадры играют роль опорных при восстановлении остальных изображений и размещаются последовательно через каждые 10-15 кадров. Только некоторые фрагменты изображений, которые находятся между I-кадрами, претерпевают изменения, и именно эта разница сохраняется при сжатии. P-кадры, то есть "предсказанные", строятся на базе последнего принятого I- или P-кадра. Если же предсказанный Р-кадр сильно отличается от предыдущего (например, произошла смена плана), то он кодируется как I-кадр.
   Для удобства кодирования видеоданных весь видеопоток разбивается на группы изображений называемые GOP (Group of Pictures). Например, группа из 10 кадров строится так, как показано на рис. 10.12.

  Все типы кадров группируются в последовательности. Таким образом, при частоте 25 кадров в секунду, новый I-кадр приходит максимум через

10х(1/25)=0,4 секунды. Вместе с ним восстанавливается полная идентичность передаваемого и принимаемого изображения.

 

                           

                                    . Группы (GOP) видеопотока.

Рис.10.12. Группы (GOP) видеопотока

 

  На этом рисунке показаны:

   I – Intra-кадры, которые обычно называются «опорными» и содержат всю информацию об изображении. Без этих кадров MPEG- последовательности быть не может в принципе. При компрессии I-кадров происходит удаление только пространственной избыточности.

  P – Predictive-кадры, " предсказанные" кадры, при формировании которых используется метод предсказания изображения на следующем кадре с учётом компенсации движения от последнего I- или P-кадра перед формируемым. P-кадр также служит для дальнейшего предсказания изображения. P-кадр создаётся с помощью межкадровой компрессии, уменьшающей как пространственную, так и временную избыточность. Изображение P-кадра вычитается из следующего изображения, эта разница кодируется и вместе с вектором движения добавляется к сжатым данным. Вектор движения представляет собой двумерный вектор, показывающий смещение координат восстанавливаемого объекта в текущем кадре, по сравнению с координатами объекта в предыдущем кадре.

   B – Bi-directional-кадры, «двунаправленные» кадры. Они названы так потому, что хранят наиболее существенную информацию  окружающих их I- и P-кадров. B-кадры имеют наивысшую степень компрессии, но требуют предыдущего и последующего изображения для компенсации движения объектов на изображении.

  Такую структуру MPEG-потока обычно описывают в виде дроби M/N, для которой M сообщает общее число кадров в GOP, а N - каким по счету будет очередной P-кадр после предыдущего. Таким образом, GOP- последовательность, изображённая на рис.10.12, может быть записана как 10/3.

  

  10.5. Принципы кодирования изображений

  При преобразовании цветового ТВ-сигнала из аналоговой в цифровую форму согласно рекомендации МСЭ-Р (Международного Союза Электросвязи) используются частоты дискретизации и формируются цифровые потоки, приведенные в табл.10.1.

                                                                                                  Таблица 10.1. 

           Некоторые основные показатели при кодировании ТВ-сигнала

Компоненты и пара- метры сигнала	Обозначения	Частоты дискретизации и ско-        рости передачи
Сигнал яркости	Y	13,5 МГц (8 бит×13,5= 108 Мбит/с)
Цветоразностный сигнал R – Y	CR	6,75 МГц (8 бит×6,75 = 54 Мбит/с)
Цветоразностный сигнал B- Y	CB	6,75 МГц (8 бит×6,75 = 54 Мбит/с)
Полное число отсчётов     в секунду	S	13,5 + 6,75 + 6,75 =       =27 М-отсчётов/с
Требуемая полоса частот канала	BN	135 МГц

 

  Эти данные показывают, что в результате аналогово-цифрового преобразования цветового ТВ-сигнала результирующие потоки битов и требуемые для их передачи полосы частот очень велики, и потому требуется сокращение избыточности (сжатие сигнала). Общепринятым методом сжатия в настоящее время являются алгоритмы стандарта МРЕG-2, позволяющие снизить скорость передачи кодированного сигнала до 5 ÷ 10 Мбит/с.

  Структурная схема кодирующего устройства показана на рис.10.13.

 

 

   

                      Рис.10.13. Структурная схема кодера изображений

 

  В кодере MPEG-2 вначале обрабатываются фрагменты изображения

(блоки) размером 8 × 8 пикселей, несущие информацию о яркости или цветности. Яркостные блоки объединяются в макроблоки, состоящие из четырёх блоков и имеющих размер 16 × 16 пикселей. Если с каждым макроблоком связаны по одному блоку цветоразностных сигналов (С_R и С_B), то такой формат цветовой дискретизации обозначается 4:2:0. Если же число цветовых блоков равно четырём (по два блока для каждого из цветоразностных сигналов С_R и С_B), то имеет место формат цветовой дискретизации 4:2:2. Смежные макроблоки группируются вместе и образуют слайс (вырезку из данных массива).

  Первичной кодированной единицей изображения является кадр, состоящий из группы слайсов, составляющих активную область изображения. Для сокращения пространственной избыточности в пределах одного кадра при кодировании создаётся I -кадр, содержащий всю информацию, необходимую для декодирования изображения. В случае сбоя в работе или помех в канале передачи I -кадры позволяют возобновить процесс правильного декодирования. Для повышения степени сжатия I -кадры передаются примерно один раз в 12 кадров. В остальное время передаются Р-кадры и В -кадры, значения которых предсказуемы: для Р -кадров – исходя из значений, предшествующих I- и Р -кадров, а для В -кадров – исходя из значений предшествующих и последующих I-кадров и P-кадров.

  Чтобы декодер мог правильно восстановить информацию, требуется передавать также дополнительную служебную информацию. Для этого каждый кадр снабжается заголовком, а ряд взаимосвязанных I -, Р- и В-кадров объединяется в группу кадров ( GOP ), которая также снабжается заголовком. Полученная структура данных называется элементарным потоком данных. В последовательности GОР вначале следуют I- и Р-кадры, а затем В-кадры (рис.10.12), которые реконструируются декодером из ранее принятых I- и Р-кадров. Поскольку последовательность передачи кадров не совпадает с последовательностью их воспроизведения, то на уровне пакетированного элементарного потока добавляются временные метки декодирования (DTS) и представления (PTS), которые несут информацию о необходимых моментах времени декодирования и отображения кадров.

  Таким образом, в процессе кодирования создаётся сложная шестиуровневая иерархическая структура: блок – макроблок – слайс – кадр – группа кадров – последовательность кадров (рис.10.13).

     

             Рис.10.13. Иерархическая структура кодирования МРЕG-2

 

  10.6. Компенсация движения и дискретно-косинусное преобразование

  Эффективное сжатие видеоинформации основано на двух основных идеях: подавление несущественных для визуального восприятия мелких деталей пространственного распределения отдельных кадров и устранения временной избыточности в последовательности этих кадров. Соответственно говорят о пространственной и временной компрессии. 

  Пространственная компрессия использует экспериментально установленную малую чувствительность человеческого восприятия к искажениям мелких деталей изображения. Глаз быстрее замечает неоднородность равномерного фона, чем искривление тонкой границы или изменение яркости и цвета малого участка. Из математики известно два эквивалентных представления изображения: привычное человеку пространственное распределение яркости и цвета и так называемое частотное распределение, связанное с пространственным дискретно-косинусным преобразованием (ДКП). Теоретически они равнозначны и обратимы, но сохраняют информацию о структуре изображения совершенно по-разному: передачу плавных изменений фона обеспечивают низкочастотные (центральные) значения частотного распределения, а за мелкие детали пространственного распределения «отвечают» высокочастотные коэффициенты. Это позволяет использовать следующий алгоритм сжатия. Кадр разбивается на макроблоки размером 16х16 (размеру 720х576 соответствует 45х36 макроблоков в кадре), каждый из которых ДКП переводит в частотную область. Затем соответствующие частотные коэффициенты подвергаются квантованию (округлению значений с задаваемым интервалом). Если само по себе ДКП не приводит к потере данных, то квантование коэффициентов, очевидно, вызывает огрубление изображения. Операция квантования выполняется с переменным интервалом – наиболее точно передаётся низкочастотная информация, в то время как многие высокочастотные коэффициенты принимают нулевые значения. Это обеспечивает значительное сжатие потока данных, но приводит к снижению эффективного разрешения и возможному появлению незначительных ложных деталей (в частности, на границе блоков). Очевидно, что чем более грубое квантование используется, тем больше степень сжатия, но и тем ниже качество результирующего сигнала.  

  Временная компрессия использует высокую избыточность информации в изображениях, разделённых малым интервалом. Действительно, между смежными изображениями обычно меняется только малая часть сцены – например, происходит плавное смещение небольшого объекта на фоне фиксированного заднего плана. В этом случае полную информацию о сцене нужно сохранять выборочно – только для опорных изображений. Для остальных достаточно передавать только разностную информацию: о положении объекта, направлении и величине его смещения, о новых элементах фона (открывающихся за объектом по мере его движения). Причём, эту разностную информацию можно формировать не только по сравнению с предыдущими изображениями, но и с последующими (поскольку именно в них по мере движения объекта открывается часть фона, ранее скрытая за объектом). Математически наиболее сложным элементом является поиск смещающихся, но мало изменяющихся по структуре макроблоков (16х16) и определение соответствующих векторов их смещения. Однако это элемент наиболее существенен, так как позволяет существенно уменьшить объём требуемой информации. Именно эффективностью выполнения этого "интеллектуального" элемента в реальном времени и отличаются различные MPEG-кодеры.

 

  10.7. Профили и уровни стандарта MPEG -2

  Нормы стандарта МРЕG-2 для кодирования ТВ-сигнала образуют семейство систем с упорядоченными свойствами унифицированности и совместимости. Каждому семейству систем соответствуют различные сочетания параметров кодированного сигнала. Такие группы параметров, объединяющие показатели качества сжатого сигнала и требуемых скоростей передачи, получили название профилей и уровней МРЕ G -2.

  Профиль – это определённый поднабор полного синтаксиса МРЕG-2, или инструментальный набор (например, формат цветовой дискретизации 4:2:2; использование только I/P -кадров при предсказании; дискретно-косинусное преобразование – ДКП).

  Каждый более высокий профиль является более сложным и последовательно добавляет дополнительные возможности к предыдущему профилю. Однако для пользователя это улучшение качества влечёт определённую плату за сложность декодера.

Каждый профиль МРЕG-2 предлагает набор инструментальных средств для сжатия, которые все вместе составляют определённую систему кодирования.

  Простой профиль – это профиль, в котором используется наименьшее число функциональных операций по компрессии видеоданных. В нём при компрессии используется компенсация движения изображения и гибридное дискретно-косинусное преобразование.

  Основной профиль содержит все инструментальные средства простого профиля плюс ещё одно, называемое двунаправленным предсказанием. Для той же самой скорости передачи он обеспечивает максимальное качество по сравнению с простым профилем, но требует больших аппаратных затрат. Декодер основного профиля декодирует изображения, кодированные с параметрами основного и простого профилей. Аналогично обратная совместимость имеет место для всех профилей.

  Масштабируемые профили добавляют инструментальные средства, которые позволяют улучшать или шумовые параметры (масштабируемость по соотношению сигнал/шум), или разрешающую способность (пространственная масштабируемость) за счёт обмена одних показателей на другие. Основной смысл этого профиля – повышение устойчивости цифрового телевидения и сохранение работоспособности при неблагоприятных условиях приёма. Операция масштабирования позволяет в рассматриваемом случае повысить устойчивость системы за счёт некоторого снижения требований к допустимому уровню отношения сигнал/шум в воспроизводимом ТВ-изображении.

При масштабировании поток видеоданных разделяют на две части. Одна из них несёт наиболее значимую часть информации – её называют основным сигналом. Вторую часть, несущую менее значимую информацию, называют дополнительным сигналом. Декодирование только одного основного сигнала позволяет получить ТВ-изображение с пониженным отношением синал/шум. Одновременное декодирование основного и дополнительного сигналов повышает отношение сигнал/шум до исходного значения. Помехоустойчивое кодирование требует введения дополнительных бит, что увеличивает общий поток информации. Задача упрощается, когда более мощная защита применяется только к части информации и тем самым соблюдается баланс между уровнем потока видеоданных и степенью их защиты. При неблагоприятных условиях приёма (например, при низкой напряжённости электромагнитного поля, при приёме на комнатную антенну и т.п.) сохраняется возможность устойчивого декодирования более защищённого основного сигнала, а неустойчиво воспринимаемый дополнительный сигнал просто отключается. Это ведёт к некоторому росту уровня шума, зато система остается работоспособной.

  Высокий профиль включает все инструментальные средства более низких профилей плюс способность одновременного кодирования цветоразностных сигналов.

Профессиональный профиль  является разновидностью высокого профиля и специально предназначен для оптимизации видеомонтажных операций в студийных центрах за счёт сокращения времени задержки из-за прохождения больших групп кадров.

  Характеристики профилей МРЕG-2 приведены в табл.10.2.

 

 

                                                                                                  Таблица 10.2.  

                                Характеристики профилей МРЕG-2

 

Профиль	Характеристика	Формат цветовой дискретизации
Простой	Без двунаправленных кадров	Только 4:2:0
Основной	Без масштабируемости	Только 4:2:0
Масштабируемый по соотношению сигнал/шум	Масштабируемый по соотношению сигнал/шум	Только 4:2:0
Пространственно- -масштабируемый	Пространственно- -масштабируемый	Только 4:2:0
Высокий 4:2:2 (профессиональный 4:2:2)	Масштабируемый в пространстве и времени	4:2:2 и 4:2:0

 

Уровень – это определённый набор ограничений, накладываемых на параметры сигнала изображения и соответствующего ему передаваемого потока битов в пределах конкретного профиля (например, максимальный размер изображения, частота кадров, максимальная скорость битов, максимальный размер буфера декодера). Уровни связаны с исходным форматом сигнала изображения, обеспечивая ряд значений его потенциального качества – от низкой (ограниченной) чёткости до высокой чёткости.

  Низкий уровень определяет формат изображения, составляющий четверть обычного формата, определённого рекомендацией МСЭ (Международного Союза Электросвязи). Низкому уровню соответствует новый класс качества ТВ-изображения, которое вводится в стандарте MPEG-2, – телевидение ограниченной чёткости. В этом случае в кадре ТВ-изображения содержится 288 активных строк (в два раза меньше, чем в телевидении обычной чёткости)

на 352 отсчёта в строке.

  Основной уровень  соответствует формату кадра 576 активных строк на 720 отсчётов в строке. Это соответствует кодированию сигналов телевидения обычной чёткости.

  Высокий-1440 уровень имеет формат высокой чёткости с 1440 отсчётами в строке.

  Высокий уровень имеет формат высокой чёткости с 1920 отсчётами в строке.

  В обоих «высоких» уровнях кадр ТВ-изображения содержит 1152 активные строки (вдвое больше, чем в телевидении обычной чёткости).

  Численные характеристики уровней MPEG-2 приведены в табл.10.3.

                                                                                                       Таблица 10.3.  

                       Численные характеристики уровней MPEG-2

Уровень	Формат кадра	Скорость битов в потоке на выходе кодера, не более    Мбит/с
Низкий	352 × 288	4
Основной	720 × 576	15
Высокий -1440	1440 × 1152	60
Высокий	1920 × 1152	80

 

Комплект инструментальных средств МРЕG-2 принято подразделять на ряд комбинаций (согласованных точек) профилей и уровней. В настоящее время в стандарте МРЕG-2 пять профилей и четыре уровня. Качество изображения и сложность его обработки характеризуются сочетанием профиля и уровня, что обычно отражается в виде таблицы (табл.10.4).

                                                                                                     Таблица 10.4.

                                Профили и уровни стандарта МРЕG-2 

Уровни	Простой (SP) (основной без В-кадров) 4:2:0	Основной (МР) (В-кадры) 4:2:0	Масштаби- руемый  по с/ш (SNR) 4:2:0	Простран- ственно масштабируемый (Spatial) 4:2:0	Профессиональный (НР) 4:2:2
Высокий  (HL) 1920×1152	×	80 Мбит/с	×	×	100 Мбит/с
Высокий- -1440 (H-14) 1440×1152	×	60 Мбит/с	60 Мбит/с	60 Мбит/с	80 Мбит/с
Основной (МL) 720×576	15 Мбит/с	15 Мбит/с	15 Мбит/с	15 Мбит/с	20 Мбит/с
Низкий (LL) 352×288	×	15 Мбит/с	4 Мбит/с	4 Мбит/с	×

  Примечание: × - недопустимая комбинация.

  

  Форматы цветовой дискретизации.

  Известно, что телевизионный цветовой сигнал изображения представляет собой совокупность сигнала яркости Е_Y и двух цветоразностных сигналов  

Е_{R – Y} и E_{B – Y} . (В международной системе стандартизации эти сигналы обозначаются соответственно Y,U и V). Вариации их значений допускают 256 градаций (от 0 до 255 для Y, и от –128 до +127 для каждого сигнала U и V), что в двоичном исчислении соответствует 8 битам, или 1 байту. Теоретически каждый элемент кадра имеет собственные значения YUV, т.е. требует для представления в виде электрического сигнала трёх байт. Такое представление, когда и сигналы яркости, и сигналы цветности имеют равное число независимых значений, обычно обозначают как 4:4:4. Однако зрительная система человека менее чувствительна к цветовым пространственным изменениям, чем к яркостным. Установлено, что без видимой потери качества число цветовых отсчётов в каждой строке можно уменьшить вдвое. Именно такое представление, обозначаемое как 4:2:2, было принято в вещательном телевидении. При этом для передачи полного значения телевизионного сигнала изображения в каждом отсчёте кадра вполне достаточно 2 байт (если делать отсчёты независимых значений сигналов U и V поочерёдно). 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 байт на отсчёт одного кадра до 1,5.

  Таким образом, формат 4:2:2 означает, что частота горизонтальных отсчётов цветоразностных сигналов сокращена в два раза по сравнению с отсчётами сигналов яркости, а формат 4:2:0 означает, что частота как горизонтальных, так и вертикальных отсчётов цветоразностных сигналов сокращена в два раза по сравнению с отсчётами сигналов яркости.

10.8. Принципы кодирования звуковых сигналов

В основе сжатия звуковых сигналов лежит та же идея, что и при сжатии видеосигналов – исключить лишнюю информацию. По мнению специалистов, в естественном («несжатом») звуке передается много избыточной информации, не воспринимаемой человеческим слухом. Исследования показали, что наблюдается явление маскирования звуков. В частности, например, если сначала подать достаточно громкий звук на частоте 1000 Гц, то более тихий звук на частоте 1100 Гц уже не будет фиксироваться слухом. Кроме того, наблюдается явление ослабления чувствительности человеческого слуха в течение 100 мс - после возникновения сильного звука. Эти и другие особенности слуха используются при создании устройств кодирования звуковых сигналов.

  Существует два международных стандарта кодирования и сжатия звука: МРЕG-1 и МРЕG-2. Система многоканального кодирования звука со сжатием по стандарту МРЕG-2 является расширением одноканальной стереозвуковой системы МРЕG-1 и обладает с ней прямой и обратной совместимостью. Прямая совместимость означает, что многоканальный декодер МРЕG-2 может декодировать моно- и стереосигналы системы МРЕG-1. Обратная совместимость означает, что декодер МРЕG-1 может воспроизводить определённую содержательную часть информации системы МРЕG-2. Для того чтобы обеспечивать прямую и обратную совместимости, кодер и декодер МРЕG-2 содержат в качестве составных элементов кодера и декодера системы МРЕG-1, что показано на рис.10.14.

 

 

                           Рис.10.14. Структурная схема кодека звука

   В стандарте MPEG-2 кодирование производится в широком диапазоне частот дискретизации звукового сигнала 16; 22,05; 24; 32; 44,1 или 48 кГц. При цифровом сжатии весь частотный спектр звукового сигнала с помощью набора фильтров делится на 32 полосы. Используя свойство неравномерного распределения спектральной энергии звука выходные сигналы полос с малой спектральной энергией, число которых существенно больше, кодируются более короткими словами, тем самым достигается сжатие звукового цифрового потока.

  Таким образом, структурная схема цифровой системы ТВ-вещания можно представить в следующем виде (рис.10.15):

     Рис. 10.15. Структурная схема цифровой системы ТВ-вещания

                           Контрольные вопросы:

1. Каковы достоинства и недостатки методов обработки и передачи

ТВ-изображений?

2. Какие операции осуществляются над сигналом при преобразовании его из аналоговой в цифровую форму?

3. Что понимается под дискретизацией аналогового сигнала?

4. Что называется периодом дискретизации?

5. Как выбирается частота дискретизации, исходя из требования отсутствия искажений сигнала?

6. Что такое ортогональная система дискретизации ТВ-сигнала?

7. Что называется квантованием дискретного сигнала?

8. Что такое шаг квантования?

9. Дайте определение ошибки квантования.

10. Что называется цифровым кодированием ТВ-сигнала?

11. Начертите структурную схему передачи цифрового сигнала при использовании метода предсказания отсчётов сигнала. Поясните её работу.

12. Почему при цифровом способе передачи ТВ-сигнала необходимо производить сжатие информации?

 

 

                         Список литературы

1. В.Ф.Самойлов, Б.П.Хромой Телевидение, «Связь», М.1975.

2. В.Ф.Самойлов, Б.П.Хромой Основы цветного телевидения, «Радио и связь», М., 1982.

3. К.Т.Колин, Ю.В.Аксентов, Е.Ю.Колпенская Телевидение, «Радио и связь», М., 1987.

4. С.А.Седов Индивидуальные видеосредства, Справочное пособие, «Наукова думка», Киев, 1990.

5. В.А.Виноградов Устройство и ремонт современных цветных телевизоров, «КОРОНА принт», СПб, 1999.

6. В.И.Лузин, Н.П.Никитин, А.А.Шестаков, Ю.Г.Стефанович, В.Г.Исаков Основы телевизионной техники, «СОЛОН-Пресс», М., 2003.

7. Р.Е.Быков, В.М.Сигалов, Г.А.Эйссенгардт Телевидение, «Высшая школа», М., 1988.

8. В.И.Нефёдов Основы радиоэлектроники и связи, «Высшая школа», М., 2002.

9. Ю.Б.Зубарев, М.И.Кривошеев. И.Н.Красносельский Цифровое телевизионное вещание. Основы. Методы. Системы. М., НИИР, 2001.

 

 

 

 

                                                                        

⇐ Предыдущая12345678

Поделиться: