
- •Тема 3.2 Цифровая телевизионная система
- •3.2.1 Общие принципы
- •3. 2..2 Структурная схема цифровой телевизионной системы
- •3.2.3 Преобразование аналогового телевизионного сигнала в
- •3.2.4 Передача цифровых телевизионных сигналов по каналам связи.
- •3.2.4 Цифровая фильтрация телевизионного сигнала
- •3.2.6 Формирование потоков цифрового тв сигнала
- •3.2.7 Канальное кодирование
- •3.2.8 Цифровые способы модуляции
- •3.2.9 Система dvb
- •3.2.10 Приёмное устройство для кабельного и спутникового тв -вещания по стандартам dvb
- •3.2.11 Цифровое телевидение и компьютерные технологии
- •3.3 Телевизионный контроль и измерения
- •3.3.1 Методы и критерии оценки качества телевизионных изображений
- •3.3.2 Контроль качества изображений в аналоговых телевизионных
- •3.3.2.1. Субъективный контроль качества изображений
- •Шкала сравнения
- •3.3.2.2 Контроль качества изображений с помощью испытательных строк
- •3.3.3. Контроль качества изображений в цифровых
- •3.3.3.1 Требования к контролю качества работы цифровых
- •3.3.3.2 Основные параметры контролируемые в цтв
- •3.3.3.3 Контроль качества изображений в цифровых телевизионных системах
- •3.3.3.4. Испытательные таблицы для контроля качества работы цтв
3.2.8 Цифровые способы модуляции
Свойства цифрового сигнала, не позволяют передавать такой сигнал по каналу связи непосредственно, т.е. «в первичной полосе частот» из-за слишком высокой скорости передачи, оцениваемой в сотни мегабит в секунду. Кроме того, существующие сети ТВ вещания (спутниковые, кабельные или наземные), как правило, построены по принципу частотного уплотнения. Поэтому сигнал, предназначенный для передачи по таким сетям, должен быть точно ориентирован в принятой системе организации частотных каналов . Следует также иметь в виду, что передаваемый сигнал должен быть энергетически сосредоточен в определенной ограниченной области спектра. Как правило, несущей (модулируемой) частотой является гармонический сигнал. Изменяемыми параметрами в таком случае могут быть его амплитуда, частота и фаза. Если модулирующий сигнал имеет цифровую природу и изменяется дискретно, принимая фиксированные значения, то понятие «модуляция» иногда заменяется понятием «манипуляция».
Передаваемый сигнал, таким образом, в результате манипуляции можно представить в следующей форме:
U(t) = (Амплитуда) cos[2π( Чacmoma)t + (Фаза)].
Использование для передачи сигналов цифрового телевидения различных видов манипуляции, как известных, так и относительно новых, позволяет одновременно увеличить количество передаваемой информации в единиц времени, сократить используемую полосу частотой повысить
279
помехоустойчивость ТВ системы.
В цифровом телевидении может применяться амплитудная манипуляцию (AMн), в иностранной, литературе применительно к цифровому сигналу называемая ASK (Amplitude Shift Keying); частотная манипуляцию (ЧМн), ее обозначаю также FSK (Frequency Shift Keying), и фазовая манипуляцию (ФМн), англоязычное обозначение PSK (Phase Shift Keying).
На рисунке 3 иллюстрируется принцип работы каждого из применяемых видов манипуляции для двухпозиционного модулирующего сигнала, т.е. когда каждое состояние сигнала передает один бит информации ,а также даны графики, поясняющие изменение сигнала во времени.
Амплитудная манипуляция имеет спектр частот который показан на
рисунке 3. при передаче одного символа. Если модулирующим сигналом
является сигнал, в котором каждый символ передается не двумя, а большим количеством возможных его значений, то количество информации, передаваемое с каждым символом, возрастает. Такие значения обычно выбираются равными 4, 16, 32, 64, 128 и т.д., т.е. как ряд 2n, где n — число возможных состояний передаваемого или модулирующего сигнала во время передачи одного символа.
Эта эффективность оценивается величиной, измеряемой в битах в секунду на один герц (бит/с/Гц). Такая размерность показывает, что в данном случае оценивается скорость потока, приходящаяся на единицу частоты.
Чем выше количество информации, переносимое одним символом, тем выше число возможных состояний, которое может принять изменяемый в процессе модуляции параметр модулируемого сигнала (виды модуляции с большим числом таких состояний называют многопозиционными, и соответственно тем выше эффективность использования частотного спектра. Однако, чем большее число состояний может принимать модулирующий сигнал, тем меньше существует отличий в параметрах этих состояний, а значит, демодуляция такого сигнала в условиях помех может стать затруднительной. Поэтому эффективность использования частотного спектра обычно связана с возможно достижимым отношением сигнал/помеха, и при выборе этих параметров необходим компромисс.
Ухудшение условий приема на отдельных частотах — распространенное явление, особенно в спутниковом или наземном телевизионном вещании. Такие ухудшения (замирания) обычно возникают внезапно, их природа связана с распространением радиоволн. Они возникают обычно на определенных частотах, и в этом смысле широкополосные виды модуляции имеют преимущество, так как при затруднении передачи сигнала на определенных частотах спектра потери информации оказываются меньше.
Следует отметить также, что в условиях мобильного приема на частоту принимаемого сигнала оказывает также влияние относительная скорость взаимного перемещения передатчика и приемника. Этот эффект, известный как эффект Доплера, накладывает определенные ограничения на допустимое значение этой скорости. Так, например, для европейской системы цифрового телевидения это значение составляет приблизительно 150 км/ч .
Рассмотрим подробнее применение отдельных видов модуляции для передачи
280
информации в цифровом телевизионном вещании.
Вид
манипуляции
Временная
диаграмма
Состояние
Рисунок 3.74 - Схема манипуляции двухпозиционном модулирующем
сигнале
Амплитудная
манипуляция
( АМп),
спектр сигнала UАМ,
модулируемого по амплитуде, состоит
из спектральной составляющей Uнес
, соответствующей несущей частоте и
двум частей - UНБ
и UВБ
, симметрично расположенных относительно
несущей ( Рисунок 3.75 )
а – векторное и б - спектральное представление
Рисунок 3.75 - Принцип амплитудной манипуляции ( модуляции )
При амплитудной манипуляции обе эти симметричные спектры несут одинаковую информацию, так как повторяют Фому спектра модулирующего сигнала. Такая информационная избыточность в современном телевидении
устраняется частичной подавлением одной боковой полосы частот. Этот способ передачи, называемой амплитудной модуляцией с одной боковой полосой (ОБП ), иностранной литературе обозначается аббревиатурой VSB – АМ.
281
Подавление одной боковой полосы частот сигнала после амплитудной модуляции приводит к сокращению спектра передаваемого сигнала, и, следовательно, к повышению эффективности передачи информации, хотя и несколько ухудшается помехоустойчивость передачи.
Такой способ модуляции использован в американской системе цифрового ТВ вещания АТSС.
Частотная манипуляция (ЧМн) осуществляется путем дискретного изменения частоты несущей при постоянной ее амплитуде.
Фазовая манипуляция ( ФМн) и иностранной литературе ( РSК ) или (ВРSК ) заключается в дискретном изменении фазы несущей. В простейшем случае несущая может иметь два значения фазы - 0 и 180°. В приемнике может осуществляться как когерентное детектирование, требующее фазовой синхронизации приемника с передатчиком, так и более простое некогерентное детектирование. В последнем случае часто применяют относительную фазовую манипуляцию, при которой фаза несущей для каждого принятого символа сравнивается не с некоторой абсолютной начальной фазой, а с фазой несущей для предыдущего принятого символа.
Для повышения эффективности использования полосы частот канала связи применяется многопозиционная ФМн . Пример соответствия фазы несущей передаваемому трехразрядному двоичному коду для восьмипозиционной ФМн приведен на рисунке 3.76. Сдвиг между дискретными значениями фазы несущей равен 450 . Эффективность использования полосы частот в такой системе повышается в три раза по сравнению с простой двухпозиционной ФМн, так как на несущей одновременно передаются три двоичных символа.
Рисунок 3. 76 - Восьмипозиционная фазовая манипуляция
Следующий вид модуляции, часто применяемый для передачи цифровых сигналов - многопозиционная квадратурная амплитудная манипуляция (КАМн), в иностранной литературе QАМ. При КАМн передаваемый сигнал модулирует и амплитуду, и фазу несущего колебания. Это происходит одновременно и независимо.
Такой вид модуляции можно пояснить с помощью векторной диаграммы, на которой в декартовой системе координат с вертикальной осью Q и горизонтальной осью I изображают положение конца вектора промодулированного сигнала. Набор точек, показывающих возможное положение конца вектора сигнала на плоскости IОQ, часто называют созвездием. Каждая точка характеризуется своим сочетанием амплитуды и фазы сигнала, поэтому соответствующий каждой точке символ переносит информацию в количестве
282
I = log2N ,
где I — число битов информации, передаваемое каждым символом; N— число возможных «позиций» вектора, или точек на векторной диаграмме.
Нетрудно заметить, что при модуляции 4-QAM амплитуда сигнала не меняется, и такой случай полностью эквивалентен четырех позиционной фазовой манипуляции (4-PSK или QPSK).
Векторные диаграммы сигнала для способов модуляции 4-QAM, 16-QAM, 32-QAM и 64-QAM также показаны на рисунок 3.77.
Способ модуляции QAM способен обеспечить более высокую помехоустойчивость передачи информации..
Многопозиционная квадратурная амплитудная модуляция успешно применяется, например, в кабельных каналах, где можно значительно увеличить число позиций модуляции, так как при передаче по кабелю обеспечивается достаточно высокое отношение сигнал/помеха.
Рисунок 3.77 - Векторная диаграмма сигнала при различных видах
квадратурной амплитудной манипуляции
Один из современных методов передачи цифровых сигналов по радиоканалам - ортогональное частотное мулътиплексирование. В англоязычной технической литературе такая модуляция называется OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). Сущность этого метода поясняется
рисунок 3
Поток данных
Рисунок 3 .78 - OFDM
283
В стандартном канале телевизионного вещания, имеющем шурину полосы частот ∆FK выделяют N несущих частот, отстоящих друг от друга на равные частотные интервалы ∆f. Числа у оси частот показывают номера несущих от 0 до N-1. Общий поток передаваемых цифровых данных, имеющий скорость передачи двоичных символов Qo, разделяют на N параллельных подпотоков, каждый из которых имеет скорость передачи двоичных символов Q= Qo/N.
Каждый подпоток передается на своей несущей, например, с использованием КАМн. Таким образом, в одном канале телевизионного вещания получается N узкополосных подканалов. Количество несущих в соответствии со стандартом DVB-T может быть равно 6817 (∆f= 1116 Гц) или 1705 (∆f= 4464 Гц).
Модуляция и демодуляция выполняются с помощью ДПФ. Выбор частотных интервалов между несущими осуществляется так, чтобы соседние несущие колебания были ортогональны на отрезке времени, в течении которого передается один символ. Это позволяет избежать взаимного влияния соседних подканалов.
Данный метод передачи имеет следующие достоинства:
равномерное распределение энергии по полосе частот канала связи;
возможность передавать наиболее важную часть информации (синхронизацию, НЧ - составляющие сигнала яркости) на тех участках полосы частот, где меньше всего уровень помех от соседних каналов, а области полосы частот канала, соответствующие несущим изображения и звука обычного телевизионного вещания вообще не использовать;
так как каждый из подканалов является узкополосным, то уменьшается влияние отраженных сигналов при многолучевом приеме.
Последнее свойство особенно важно, так как многолучевой прием создает значительные сложности для цифрового телевизионного вещания в городах. При использовании OFDM длительности интервалов времени, в течении которых передаются отдельные символы, увеличиваются и становятся больше, чем времена задержек отраженных сигналов, благодаря чему обеспечивается безошибочный прием.
В современных системах передачи цифровых сигналов, в том числе в системах цифрового телевидения, при модуляции несущей осуществляют дополнительное кодирование информации, например, с использованием решетчатых кодов с целью повышения помехоустойчивости. При этом число возможных состояний несущей после модуляции превышает число символов, которые должны быть переданы. То есть вводится дополнительная избыточность, обеспечивающая повышение помехоустойчивости. Такую модуляцию, совмещенную с кодированием, называют кодированной модуляцией (Coded modulation). В частности, сочетание помехоустойчивого канального кодирования с OFDM называют COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex).
Таким образом, при передаче сигналов цифровой системы телевидения по радиочастотным каналам связи используются две ступени помехоустойчивого кодирования. На первой ступени, называемой внешней, осуществляется кодирование цифровой информации с помощью кодов Рида-Соломона. На второй
284
ступени, называемой внутренней, используется канальное кодирование, совмещенное с модуляцией. В результате достигается требуемая помехоустойчивость.
Тесты для самопроверки
В процессе передачи информации в цифровом телевидении подвергается
Модуляции
Кодированию
Выпрямлению
Преобразованию
2 Существуют коды, корректирующие ошибки, бывают
1 Информационные
2 Видео
3 Внешние и внутренние
4 Фазовые
3 В дискретном изменении изменяется уровень амплитуды несущей,
называется манипуляция
Фазовая
Частотная
Квадратичная
Амплитудная
4 В дискретном изменении изменяется частота несущей
называется манипуляция
Фазовая
Частотная
Квадратичная
Амплитудная
5 В дискретном изменении изменяется фаза несущей называется
1 Фазовая
2 Частотная
3 Квадратичная
4 Амплитудная
6 В дискретном изменении изменяется уровень амплитуды несущей и
фаза несущей, называется манипуляция
1 Фазовая
2 Частотная
3 Квадратичная
4 Амплитудная
Литература
Джакония В.Е. и др. Телевидение: Учебник для вузов; под ред. В.Е.
Джаконии 4-ое изд. Стереотип. – М .: Горячая линия- Телеком, 2007. -616
с .91…92, 303…320.
2 Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие.- М.:
«Горячая линия - Телеком », 2001.-224с.: с.162…168.
285
САМОСТОЯТЕЛЬНОЕ ЗАНЯТИЕ
После изучения лекции студент должен знать : алгоритм формирования радиосигнала в ТВ системе DVB-T , принцип работы приставки для приема DVB
Уметь : нарисовать схемы системы DVB-T и структурную схему приставки для приема DVB.
План ( логика ) изложения материала
3.2.9 Система DVB
3.2.10 Приёмное устройство для кабельного и спутникового ТВ -вещания по стандартам DVB
3.2.11 Цифровое телевидение и компьютерные технологии