СТАНДАРТ ЦИФРОВОГО СЖАТИЯ MPEG-1

MPEG-1, MPEG-2 и другие

Документация MPEG-1 была опубликована первой и описывала стандарты кодирования с серьезными ограничениями на цифровые потоки — до 1, 5 Мбит/с. Разрешающая способность была ограничена величиной до 352Ѕ288 отсчетов (в видеостандарте PAL). Для кодирования звука допускалось использование сигналов стерео с потоками до 192 Кбит/с. Такая величина потока была выбрана в основном потому, что в аудиовизуальных системах предполагалось использование компакт-дисков (VideoCD). Для воспроизведения MPEG-1 на компьютерах сначала применялись специальные платы (MPEG-декодеры), а затем с этим начали справляться и программы (начиная с процессоров Pentium не ниже 166 МГц или PowerMac 120, 166 МГц).

MPEG-2, поддерживающий чересстрочную развертку и позволяющий кодировать стандартное видео с потоками от 3 до 15 Мбит/с и даже сигналы телевидения высокой четкости с потоками от 15 до 30 Мбит/с. Значительно расширены в MPEG-2 и возможности по кодированию звуковых сигналов, а также добавлена поддержка многоканальных систем объемного звучания. Но главной отличительной особенностью формата MPEG-2 следует считать возможность передачи данных с переменной скоростью (Variable Bit Rate, VRB), что позволяло значительно улучшить общее качество картинки, поскольку для статической сцены с небольшими изменениями в кадре можно было снижать поток, а на сложных сценах с большим количеством деталей и быстрым движением — увеличивать его так, чтобы общий поток при этом практически не менялся. По причине того, что стандарты MPEG имеют иерархическую структуру, декодер MPEG-2 может декодировать сигналы MPEG-1, но не наоборот.

MPEG-4, Поскольку MPEG-1 перестал удовлетворять пользователей, а MPEG-2 предъявлял высокие требования к производительности системы воспроизведения, да и вообще MPEG-кодеки отличались высокой чувствительностью к потерям пакетов при передаче по сетям, ибо имели высокую взаимозависимость кадров (особенно при двунаправленном кодировании),

Что касается передачи видео по сетям, то возможности реализации этого в рамках MPEG-стандарта заложены в так называемом системном уровне.

Транспортный поток является альтернативой программного потока, и здесь используются пакеты постоянной длины с многоуровневой коррекцией ошибок. И хотя стандарты MPEG не требуют этого в явном виде, принято защищать такой пакет от ошибок посредством добавления к единице записи (пакету в 187 байт) 16 избыточных байт, которые служат для проверки. Системный уровень предоставляет также таблицы распределения программ, где перечисляются все передаваемые элементарные потоки и вещательные службы, к которым эти потоки относятся. А поскольку службы могут пользоваться различными источниками тактовых импульсов, то предусматривается их независимое тактирование.

СТАНДАРТ ЦИФРОВОГО СЖАТИЯ MPEG-1

· MPEG означает Motion Pictures Experts Group (Группа экспертов по движущимся изображениям)

· Полное название группы - ISO/IEC JTCI/SC29/WG11

· Группа создана в 1988 г. для выработки международного стандарта движущихся изображений и звуковых сигналов до скорости порядка 1, 5 Мбит/с с целью записи на CD-ROM с качеством бытового стандарта VНS. Исходные скорости - 270 (360) Мбит/с.

· Ограничения, определяющие область применения:

· размер изображения по горизонтали < 768 пикс.;

· размер изображения по вертикали < 576 строк;

· частота кадров < 30 Гц;

· развёртка прогрессивная (в ТВ системах стандартного качества - черезстрочная);

· число макроблоков < 396 (для ТСЧ надо иметь (720: 16) х (576: 16) = 1620 макроблоков /кадр );

· скорость цифрового потока < 1, 856 Мбит/с.

СТАНДАРТ ЦИФРОВОГО СЖАТИЯ MPEG - 2

· Стандарт MPEG-2 принят в 1996 г., дополнен в 1997 г. и получил индекс ISO/IEC 13818.

· Стандарт MPEG-2 значительно улучшен по сравнению с MPEG-1, имеется возможность

· обработки черезстрочных изображений, набор уровней и профилей, масштабируемый синтаксис, системный уровень с программным и транспортным потоками, новые средства кодирования звука и др.

· Стандарт MPEG-2 значительно сложнее MPEG-1 (кодер примерно на 50%), охватывает более широкий круг применений, включая вещательное телевидение. MPEG-2 может использоваться и для ТВЧ, поэтому были прекращены работы над стандартом MPEG-3, для систем ТВЧ.

· Стандарт MPEG-2 называется “Информационные технологии - Обобщённое кодирование движущихся изображений и сопровождающей звуковой информ.»

• В MPEG-2, совместимом с MPEG-1 используются трёхуровневые системы кодирования звука. Различие между стандартами начинается при переходе от двухканального звука к многоканальному звуку (5+1).

• Одной из разновидностей многоканального звука является многоязычное звуковое сопровождение. Оно может осуществляться:

• либо передачей отдельного цифрового потока для каждого языка,

• либо добавлением нескольких (до7) языковых каналов 64 кбит/с к многоканальному потоку 384 кбит/с.

• В дополнение к основному режиму с частотами дискретизации 32, 44, 1 и 48 кГц в MPEG-2 введён низкочастотный режим (Low Sampling RATE) с пониженными вдвое частотами дискретизации: 16, 22, 05 и 24 кГц. Это позволяет субъективно повысить качество звучания речевого сигнала. Отбрасывание верхних частот почти не влияет на качество речи, а высвобождающиеся ресурсы битов используются кодером для более точной передачи нижней части спектра.

MPEG4

Кодирование звука

• Кодирование как натуральных, так и сентизированных

• В MPEG-4 сохранён синтаксис MPEG-2 AAC.

• Скорости 2-4 кбит/с (частота дискретизации 8 кГц) и 416 кбит/с (16 кГц) с параметрическим кодированием.

• Кодирование речи (6-24 кбит/с) - используется CELP.

• Синтезированная речь - передаются фонемы (звуки букв, двух и трёх их комбинаций, смех, кашель).

Имитация звуков музыкальных инструментов

22 Виды сигналов и помех в телекоммуникационных системах и их математические модели

При аналоговом представлении сигналов сообщение описывается функциями времени. Функция непрерывного аргумента s(t)задается на некотором непрерывном интервале времени, причем значения функции определены для всех t на этом интервале времени, за исключением моментов разрыва непрерывности.

Сообщение в аналоговой форме может описываться одной функцией s(t), или упорядоченной совокупностью функций (векторная функция):

Дискретно–аналоговое представление сообщения, осуществляемое путем дискретизации аналогового сигнала, описывается упорядоченной совокупностью величин s_к (t_к), где к = 1, 2 … n, каждая из которых может иметь любое значение в моменты t_к:

Цифровой сигнал образуется путем округления значений s_к(t_к)до некоторого значения внутри интервала и преобразования в цифровую форму. Переход от непрерывной шкалы координат сообщения к шкале фиксированных (квантованных) значений называют квантованием. На рис представлены процессы преобразования сигналов из аналогового в квантованный.

Аналоговый сигнал. Дискретизированный (дискретно-аналоговый) сигнал. Квантованный (цифровой) сигнал.

Аддитивной называется помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее воздействие аддитивной помехи определяется суммированием с полезным сигналом. Аддитивные помехи воздействует на приемное устройство независимо от сигнала и имеют место даже тогда, когда на входе приемника отсутствует сигнал.

Мультипликативной называется помеха, мгновенные значения которой перемножаются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее действие мультипликативных помех проявляется в виде изменения параметров полезного сигнала, в основном амплитуды. В реальных каналах электросвязи обычно имеют место не одна, а совокупность помех.

Под искажениями понимают такие изменения форм сигнала, которые обусловлены известными свойствами цепей и устройств, по которым проходит сигнал. Главная причина искажений сигнала – переходные процессы в линии связи, цепях передатчика и приемника. При этом различают искажения: линейные и нелинейныевозникающие в соответствующих линейных и нелинейных цепях. В общем случае искажения отрицательно сказываются на качестве воспроизведения сообщений и не должны превышать установленных значений (норм).

23 Определение понятия «канал» в теории связи в зависимости от рассматриваемых сечений при связи «точка-точка», связь с понятиями модели OSI, концептуальные модели каналов (что учитывается, для чего предназначена), основные математические модели физических и информационных (в первую очередь двоичных) каналов.

Канал связи — система технических средств и среда распространения сигналов для односторонней передачи данных (информации) от отправителя (источника) к получателю (приёмнику). В случае использования проводной линии связи, средой распространения сигнала может являться оптическое волокно или витая пара.

Рис. Амплитудно-частотная характеристика.

Полоса пропускания - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0, 5. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Знание полосы пропускания позволяет получить с некоторой степенью приближения тот же результат, что и знание амплитудно-частотной характеристики. Как мы увидим ниже, ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи.

Затухание определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. Таким образом, затухание представляет собой одну точку из амплитудно-частотной характеристики линии. Часто при эксплуатации линии заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.

Затухание обычно измеряется в децибелах дБ, и вычисляется по следующей формуле:

А = 10 log10 Рвых /Рвх,

где Рвых ~ мощность сигнала на выходе линии, Рвх - мощность сигнала на входе линии.

Пропускная способность линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду - бит/с, а также в производных единицах, таких как килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д.

Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как амплитудно-частотная характеристика, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (то есть те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком. Если же значимые гармоники выходят за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал будет значительно искажаться, приемник будет ошибаться при распознавании информации, а значит, информация не сможет передаваться с заданной пропускной способностью.

25 Принципы построения и структурные схемы многоканальных систем

Технология

Мультиплексирование с разделением по частоте (FDM, Frequency Division Multiplexing) предполагает размещение в пределах полосы пропускания канала нескольких каналов с меньшей шириной. Наглядным примером может послужить радиовещание, где в пределах одного канала (радиоэфира) размещено множество радиоканалов на разных частотах (в разных частотных полосах).

Основные применения

Используется в сетях мобильной связи (см. FDMA) для разделения доступа, в волоконно-оптической связи аналогом является мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM, Wavelength Division Multiplexing) (где частота — это цвет излучения излучателя), в природе — все виды разделений по цвету (частота электромагнитных колебаний) и тону (частота звуковых колебаний).

Основные применения

беспроводные TDMA-сети, Wi-Fi, WiMAX;
канальная коммутация в PDH и SONET/SDH;
пакетная коммутация в ATM, Frame Relay, Ethernet, FDDI;
коммутация в телефонных сетях;
последовательные шины: PCIe, USB.

CDMA (англ. Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением) — технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разные ПСП. Наибольшую известность на бытовом уровне получила после появления сетей сотовой мобильной связи, её использующих, из-за чего часто ошибочно исключительно с ней (сотовой мобильной связью) и отождествляется.

В CDMA (Code Division Multiple Access) для каждого узла выделяется весь спектр частот и всё время. CDMA использует специальные коды для идентификации соединений. ^[1] Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются посредством применения широкополосного кодо-модулированного радиосигнала — шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал в едином широком частотном диапазоне. В результате работы нескольких передатчиков эфир в данном частотном диапазоне становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, приёмник, настроенный на аналогичный код, может вычленять из общей какофонии радиосигналов ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику. В явном виде отсутствует временное или частотное разделение каналов, каждый абонент постоянно использует всю ширину канала, передавая сигнал в общий частотный диапазон, и принимая сигнал из общего частотного диапазона. При этом широкополосные каналы приёма и передачи находятся на разных частотных диапазонах и не мешают друг другу. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладывается друг на друга, но, поскольку их коды модуляции сигнала отличаются, они могут быть дифференцированы аппаратно-программными средствами приёмника.

При кодовой модуляции применяется техника расширения спектра с множественным доступом. Она позволяет увеличить пропускную способность при неизменной мощности сигнала. Передаваемые данные комбинируются с более быстрым шумоподобным псевдослучайным сигналом с использованием операции побитового взаимоисключающего ИЛИ (XOR). На изображении ниже показан пример, демонстрирующий применение метода для генерации сигнала. Сигнал данных с длительностью импульса Tb комбинируется при помощи операции XOR с кодом сигнала, длительность импульса которого равна (зам: ширина полосы пропускания пропорциональна , где = время передачи одного бита), следовательно ширина полосы пропускания сигнала с данными равна и ширина полосы пропускания получаемого сигнала равна . Так как много меньше , ширина полосы частот получаемого сигнала намного больше, чем таковая оригинального сигнала передаваемых данных. Величина называется фактором распространения или базой сигнала и определяет в известной мере верхний предел числа пользователей, поддерживаемых базовой станцией одновременно.

Типы диодов по назначению

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала

Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

Параметрические

Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.

Умножительные

Настроечные

Генераторные