7.5.3. Телевизионные системы с уплотнением во времени

Рассмотренные выше системы передачи цветного ТВ изображения NTSC, PAL, SECAM имеют общий признак – они изначально должны были удовлетворять требованиям совместимости с системой черно-белого телевидения. Вместе с тем, попытки избавить их от некоторых характерных недостатков привели к использованию принципа последовательной во времени передачи сигналов цветного ТВ изображения. Проводимые в этом направлении исследования имели целью улучшить цветопередачу, в особенности, в условиях плохого приема, улучшить качество передачи многоканального звукового сопровождения, снизить уровень перекрестных искажений между сигналами яркости и цветности.

В 1980 г. способ передачи ТВ сигнала под названием MAC (Multiplexed Analogue Components) был представлен в Великобритании фирмой IBA (Independent Broadcasting Authority). Идея тогда заключалась в разработке единой для всей Европы системы спутникового ТВ вещания . Стандарт MAC позволяет получить улучшенное изображение на экране телевизора по сравнению с системами PAL, SECAM, NTSC, но требует несколько большей полосы частот — она определяется спектром сжатой яркостной компоненты и достигает значения 8,4 МГц. А с учетом высокочастотных предыскажений, вводимых на передающей стороне, полоса пропускания радиоканала для приема сигнала D2-MAC без потери четкости должна составлять не менее 10 МГц.

В зависимости от выбранного способа передачи звука и данных различают стандарты В-МАС, С-МАС, D-MAC, D2-MAC, Е-МАС для телевидения повышенного качества и HD-MAC и HDB-MAC для телевидения высокой четкости (ТВЧ). Остановимся подробнее на стандарте D2-MAC, получившем в свое время широкое распространение.

Система D2-MAC заняла достойное промежуточное место на пути к внедрению цифрового ТВ вещания. По сравнению с традиционными аналоговыми системами PAL, SECAM и NTSC для системы D2-MAC характерны следующие признаки:

• отсутствуют перекрестные искажения сигналов яркости и цветности;

• значительно снижены шумы от ЧМ канала в сигнале цветности благодаря его переводу в область низких частот;

• сигналы звукового сопровождения, синхронизации, телетекста и другой слу­жебной и дополнительной информации передаются в цифровой форме;

• повышена четкость изображения за счет более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности.

Осциллограмму строки ТВ сигнала в системе D2-MAC (рис. 7.8) можно разделить на две части: аналоговую и цифровую. Аналоговые сигналы яркости и цветности передаются в течение активной части строки в сжатом во времени виде, а цифровая часть сигнала ( звук, синхронизация, телетекст и др.) объединена в пакеты, передаваемые в течение обратного хода по строке и по кадру. Рассмотрим структуру сигналов, передаваемых на одной ТВ строке в системе D2-MAC, показанную на рис. 7.8.

Рис. 7.8. Осциллограмма строки ТВ сигнала в системе D2-MAC

Начальную часть строки, составляющую около 17,2 мкс, занимает один из цветоразностных сигналов, которые передаются поочередно через строку. Далее следует яркостная составляющая видеосигнала, которая занимает около 34,4 мкс. Эти аналоговые сигналы имеют одну особенность по сравнению с обычными – они передаются в сжатом во времени виде: цветоразностные сигналы сжимаются в 3 раза, а сигнал яркости – в 1,5 раза.

Сжатие аналогового сигнала осуществляется стробированием с некоторой тактовой частотой (6,75 МГц для цветоразностных компонент и 13,5 МГц для яркостной составляющей). Полученные сигналы накапливаются в запоминающем устройстве, после чего происходит их ускоренное считывание с более высокой тактовой частотой (20,25 МГц). Цифровые данные передаются в так называемом дуобинарном (трехуровневом) коде. В отличие от бинарного (двухуровневого), в нем логической единице соответствует импульс положительной или отрицательной полярности. Логическому нулю соответствует импульс нулевой амплитуды. Применение такого кодирования в два раза снижает требуемую ширину полосы пропускания для данной скорости передачи данных, которая составляет 10,125 Мбит/с. Обратный ход, в течение которого передаются цифровые данные, занимает интервал порядка 10 мкс. Тактовая частота также составляет 20,25 МГц. Между цифровыми данными и цветоразностным сигналом передается аналоговая площадка для фиксации уровня длительностью около 0,7 мкс и со значением сигнала, равным 0,5 максимального размаха яркостного и цветоразностного сигналов.

Следует отметить, что в стандарте D2-MAC поддерживаются два формата экрана: 4:3 и 16:9. Также предусмотрено три вида звукового сопровождения:

1) высококачественный стереофонический звук: 40...15000 Гц (два канала, частота дискретизации 32 кГц);

2) высококачественный монофонический звук: 40...15000 Гц (четыре канала, частота дискретизации 32 кГц);

3) монофонический звук среднего качества: 40...7000 Гц (восемь каналов, частота дискретизации 16 кГц).

Поэтому телезритель при приеме в системе D2-MAC может выбрать один из нескольких вариантов звукового сопровождения: стерео или моно, на том или ином языке.

Рис. 7.9. Схема кодирования сигнала в системе HD-MAC

В начале 90-х годов была предложена другая система ТВ вещания из семейства MAC – система HD-MAC, ориентированная на стандарт телевидения высокой четкости, со следующими основными характеристиками: 1125 строк разложения, частота полей 50 Гц при чересстрочной развертке. Формат кадра 16:9.

Особенность системы заключается в том, что она использует свойство зрения хуже замечать мелкие детали в быстро движущихся изображениях. На этом и основано сокращение количества информации, передаваемой на приемную сторону.

Чтобы сигнал мог быть передан по обычным спутниковым ТВ каналам, как это возможно для других систем, 1250-строчное изображение должно быть преобразовано в 625-строчное. Кодер выполняет это преобразование, но делает его адаптивным к движению. При этом ТВ кадр разделяется на отдельные фрагменты, которые после выполненной «оценки» движения передаются в приемное устройство с различной дискретностью во времени. Это позволяет уменьшить передаваемую информацию и ограничить полосу частот сигнала изображения.

Структурная схема кодера в системе HD-MAC показана на рис. 7.9. Кодирование изображения осуществляется по трем «каналам»: Малоподвижные части изображения кодируются так, что передаются с частотой полей 12,5 Гц (длительность поля 80 мс), однако с полной вертикальной четкостью 1250 строк. В областях с более быстрым движением объектов в кадре частота полей выбирается 25 Гц (40 мс) и в областях кадра, где движение оказывается интенсивным, частота полей равна 50 Гц (20 мс) и вертикальная четкость – 625 строк.

Детектор движения, имеющийся в кодирующем устройстве, анализирует изображение, разделяет его на фрагменты и выбирает необходимый режим кодирования. Эта дополнительная информация передается в приемное устройство во время кадрового гасящего импульса в виде специального вспомогательного сигнала DATV (Digital Assisted Television) со скоростью 20,25 Мбит/с с помощью дуобинарного кода. Приемник декодирует принятые сигналы и после обратной обработки восстанавливает исходный сигнал, соответствующий вертикальной четкости 1250 строк. Информация об изображении передается как последовательность отсчетов изображения, следующих с частотой дискретизации 20,25 МГц. Минимально необходимая полоса частот составляет, таким образом, 10,125 МГц. При передаче такого сигнала по спутниковому каналу полосой в 27 МГц требуется определенная нелинейная предкоррекция, позволяющая поднять уровень высокочастотных составляющих при передаче.

Упрощенный декодер системы HD-MAC не выделяет сигнал DATV из гасящего импульса, поэтому расшифровывает передаваемый сигнал исходя из существующего стандартного 625-строчного растра, т.е. в данном случае может воспроизводиться 625-строчный «аналог» передаваемого многострочного изображения. Передача звука и дополнительной цифровой информации в системе HD-MAC не отличается от остальных систем семейства MAC.

7.6. Перспективы развития систем

цифрового телевизионного вещания [5]

7.6.1. Возможности интерактивной сети

ТВ вещания

В соответствии с принятой в России концепцией развития вещательного телевидения ближайшее будущее вещательного телевидения – это цифровая многопрограммная система ТВ вещания [23]. Такая система будет интерактивной, потому что большинство услуг, предоставляемых системой ТВ вещания населению, могут быть реализованы только в интерактивной системе.

Интерактивной ТВ системой называют систему, возможности которой позволяют организовать диалоговый обмен информацией между телезрителем и центром подготовки ТВ программ [23]. Международный союз электросвязи определяет интерактивные службы как службы, позволяющие пользователю реагировать в реальном или квазиреальном масштабе времени на характер и содержание предоставляемых услуг передачей соответствующих сообщений в пункты расположения поставщиков услуг [23]. Соответственно, структура интерактивных систем предусматривает не только наличие прямого канала для передачи ТВ программ и дополнительной информации, что характерно для традиционного понятия вещательной ТВ системы, но также наличие обратного канала передачи сообщений или . другой информации в обратном направлении, т.е. от телезрителей к источникам ТВ программ [23].

Появление интерактивных ТВ систем значительно расширяет возможности ТВ вещания, открывается возможность использования системы вещательного телевидения в ряде новых качеств, в роли информационно-справочной системы, а также для получения ряда других услуг. Перечень этих услуг варьируется в зависимости от технических особенностей той или иной системы и потребностей пользователей сети. Эти услуги принято объединять в пять основных групп, по важности, по значимости для пользователя и по сложности реализации [23]:

A. Услуги, связанные с программами вещания или дополняющие программы. Сюда входят, например: электронный путеводитель по программам, различные описания передаваемых программ, телемагазин, услуга «видео почти по заказу» и т.д.

Б. Вспомогательные данные и сигналы. К этой группе относятся задачи опознавания достоверности объявлений, подтверждение различных сообщений, передача сигнала записи на домашний видеомагнитофон, навигационная информация и т.д.

B. Услуги с применением прямого интерактивного канала. К этим услугам относится передача газет, образовательных программ, викторины, игры, в том числе и в реальном времени, телетекст.

Г. Услуги приемника при его загрузке информацией по прямому каналу. К таким услугам относятся также игры, но при помощи телевизора с соответствующим программным обеспечением, передача информации с компакт-дисков, передача каталогов библиотеки аудио и видеозаписей, хранящихся у поставщика услуг (провайдера), передача информации, адресованной, например, для принтера.

Д. Услуги для отдельных индивидуумов или групп пользователей. Примером таких услуг является дистанционное образование, аудио- и видеоконференции, услуга «видео по заказу», банковские операции, передача данных и т.д.

Следует заметить, что границы между перечисленными группами, как и сам перечень услуг, не являются жесткими.

В настоящее время в ряде западных стран накоплен опыт многолетней коммерческой эксплуатации интерактивных ТВ систем. Этот опыт позволил выделить ряд наиболее востребованных услуг, а также наметить прогноз их развития с учетом роста возможностей сети ТВ вещания и, как следствие, увеличить степень «интерактивности» за счет совершенствования характеристик обратного канала. За каждой услугой закрепились определенные названия или обозначения. Ниже приведен ряд важнейших из них с указанием основных признаков.

Pay-per-Channel (PpC) – плата за канал:

• содержание программ и их последовательность определяются распространителем;

• потребитель платит за возможность получения всего предлагаемого выбора программ, т.е. за весь канал целиком;

• отсутствие канала обратной связи «получатель – распространитель программ».

Pay-per-View (PpV) – плата за просмотр:

• потребитель оплачивает только отдельную просмотренную передачу, например, по тарифу, зависящему от времени просмотра:

• содержание программ и их последовательность во время вещания определяются распространителем программ;

• требуется узкополосный канал обратной связи, например, телефонный, между получателем и распространителем программ для ежемесячного сбора данных.

Near-Video-on-Demand (NVoD) – «видео почти по заказу»:

• общий перечень предлагаемых программ определяется распространителем;

• список программ передается со сдвигом во времени в виде нескольких «копий» таким образом, что в течение нескольких минут, например каждые 15 мин, зритель может дождаться начала списка;

• зритель просматривает список и делает выбор по своим интересам и материальным возможностям;

• используется специальная приставка к телевизионному приемнику.

Interactive Video-On-Demand (IVoD) – интерактивное «видео по заказу»:

• общий перечень предлагаемых программ определяется распространителем;

• потребитель сам решает, в какое время и какой список ему лучше всего заказать, сам составляет себе программу;

• потребитель может сделать запись предлагаемого списка.

Videogames – видеоигры:

• предлагаемые игры и их очередность определяются распространителем программ;

• потребитель платит фактически за использование программного продукта («Downloading»).

Services-on-Demand (SoD) – сервис по заказу:

• содержание и объем предложений определяются распространителем;

• потребитель может за определенную сумму заказать товары и услуги, а также информацию, например: заказ товаров, книг, банковские услуги, учебное телевидение.

При всех вариантах применения интерактивных средств мультимедиа центральную роль играет дополнительный элемент, приставка к телевизору – Set-Top-Box. Он имеет следующие основные функции:

1) переключает обычные телевизионные программы;

2) осуществляет MPEG-декодирование и цифро-аналоговое преобразование программ мультимедиа;

3) осуществляет связь с источником ТВ программ, к которому подключен потребитель;

4) включает устройство для расчета оплаты услуг.

Стоимость приставки (Set-Top-Box) в настоящее время снижается и для некоторых моделей лежит в пределах 300 долл. США. Set-Top-Box берет на себя функции, свойственные персональному компьютеру, связывая при этом телевизионный приемник, телефон и источник программ.

Перечисленные услуги (рис. 7.10) различаются между собой, в основном, степенью интерактивности. При этом происходит постепенное формирование служб и услуг с наиболее высоким уровнем интерактивности.

Рис. 7.10. Эволюция интерактивных служб

Таким образом, службы и услуги, предоставляемые интерактивной сетью ТВ вещания, могут различаться:

1) уровнем интерактивности;

2) использованием различных информационных сетей;

3) степенью использования цифровой техники.

В настоящее время в США и странах Европы, а также в России, действует ряд систем интерактивного телевидения. Такие системы, успешно прошедшие испытания, например, в Орландо (США), а также в ряде городов Германии, достаточно убедительно доказали свою способность предоставить населению целый ряд новых услуг, увеличить экономическую эффективность и усилить способность наращивать возможности, гибко реагируя на требования формирующегося рынка такого рода услуг.

7.6.2. Общие сведения о системе телетекст [9]

Телетекст — это новый вид ТВ-вещания, предназначенный для передачи телезрителю дополнительной информации. Эта информация имеет текстовый или графический характер и осу­ществляется путем уплотнения сигналов во время действия кадрового гасящего импульса.

Информация телетекста передается в цифровом виде, одно­временно с ТВ-сигналом. Информация телетекста разбивается на страницы, имеет оглавление и тематические разделы, напри­мер расписание движения транспорта, прогноз погоды, курсы валют, телефоны, реклама, кино и т. д.

Принятая информация выводится на экран по желанию зрителя и может отображаться отдельно или совместно с при­нимаемой программой.

Так как в системе SECAM в составе КГИ передаются сигналы цветовой синхронизации в интервале 7-15 или 320-328 строк, а также служебные импульсы для различных телевизионных измерений, то число строк, отводимых для си­стемы в пределах КГИ телетекста, ограничено. Общее же количество строк для передачи информации может быть любым. От этого будет зависеть время циклического повторения жур­нала, число страниц которого может достигать нескольких со­тен. В мире существует несколько различных систем телетек­ста. Формат страницы телетекста в зависимости от выбранной системы может быть различным, например 24 ряда буквенно-цифровых или графических знаков по 40 знаков в каждом ряду. В принятой у нас английской системе WST .(World System Teletext) страница телетекста составляет 29. рядов зна­ков по 40 знаков в ряду.

При формате 24х40 страница телетекста, будет .содержать соответственно 960 знаков. Знаки на экране индуцируются в любом из 7-8 цветов в виде набора элементов матрицы (знако­места). Каждое знакоместо описывается одним байтом, кото­рый передается в телевизионной строке. Для передачи одного ряда текста в ТВ-строке требуется передать 40 байтов (320 бит) информации.

Для правильной работы декодера телетекста, который при­нимает и обрабатывает сигналы телетекста, необходимо пере­дать в каждой строке еще 5 байт служебной информации. Таким образом, в активной части ТВ-строки, называемой стро­кой данных, передается 45 байт информации, что соответству­ет 45х8=360 бит или 360 импульсам сигнала данных телетек­ста.

Скорость передачи сигнала в пределах активной части строки (52 мкс) должна быть равна 360 : (52х 10^-6) = 6,9276 Мбит/с. Она установлена равной 6,9375 Мбит/с, т. е. явля­ется 444-й. гармоникой строчной частоты. Средняя же скорость передачи полезной информации определяется числом строк данных, применяемых в системе телетекста.

Например, при использовании только одной строки в каж­дом поле ТВ-сигнала она равна 320бит х 50 Гц = 16 Кбит/с. Для передачи одной страницы телетекста объемом 960 байт со скоростью 16 кбит/с требуется время, равное 0,48 с.

В этом случае максимальное время ожидания нужной стра­ницы журнала телетекста, состоящего из 100 страниц, соста­вит 48 с. В действующей системе телетекста используется несколько свободных строк в КГИ, поэтому время ожидания необходимой страницы сокращается. В кодирующем устройстве (рис. 7.11.) сигнал, телетекста поступает на буферное запомина­ющее устройство, которое необходимо для того, чтобы согласо­вать отличающиеся по скорости процессу поступления информации телетекста и ее считывание в короткие промежутки времени, выбранные для передачи строк, т. е. сигналы пакетов подвергаются временному уплотнению.

Рис. 7.11. Структурная схема кодирующего устройства сигнала телетекста

Счетчик строк вырабатывает специальный импульс-бланк, длительность и временное положение которого соответствуют длительности и временному положению строки телетекста. В течение времени действия бланка происходит считывание дан­ных телетекста, которые хранятся в буферном запоминающем устройстве. В кодирующем устройстве завершается процесс уплотнения сигнала телетекста, который затем поступает на суммирующее устройство, в котором происходит суммирование сигнала телетекста с ПЦТС. На приемной стороне полный видеосигнал + уплотненный сигнал телетекста поступают на декодирующее устройство. На рис. 7.12 показана упрощенная структурная схема декодирующего устройства телетекста. На вход декодера телетекста поступает, сигнал ТВ + ТТ. входной видеопроцессор производит выделение данных теле­текста и синхронизирующие импульсы.

В устройстве выбора страницы сравнивается номер страницы, выбранной пользователем с помощью пульта ДУ, и стра­ницы, передаваемой в сигнале. При их совпадении осуществля­ется запись данных в оперативное запоминающее устройство ОЗУ. При необходимости воспроизведения информации данные из ОЗУ поступают на знакогенератор, формирующий сигналы R, G, В, которые затем поступают на коммутатор.

Рис. 7.12. Упрощенная блок-схема декодера телетекста

Коммутирующее устройство в зависимости от команды с пульта управления обеспечивает или коммутацию сигналов R, G, В телетекста, или сигналов ТВ-программы, или сигналов телетекста и ТВ-программы одновременно.

На рис. 7.13 показана структура строки (строки данных) в системе телетекста.

Первые два байта предназначены для синхронизации такто­вого генератора в декодере и представляют собой комбинацию единиц и нулей 10101010.

Третий байт (иногда называется кодом сигнала) всегда равен 11100111 и необходим для разбивки принимаемого потока данных на байты с последующей побайтовой обработкой информаций.

Рис. 7.13. Структура строки данных телетекста в системе WST

Можно также сказать, что третий байт осущест­вляет синхронизацию по байтам.Четвертый и пятый байты несут информацию о номере журнала (3 бита) и номере ряда (5 бит). Это так называемая адресная группа (см. рис. 6.4), которая носит название пре­фикс пакета данных.

В ней могут быть записаны номера журналов с 1-го по 8-й и номера рядов с 0 по 23-й, где 0-й ряд — самый верхний и является заголовком страницы.

На рис. 7.14 видно, что информационные биты чередуются с битами защиты от ошибок, т. е. защищены так называемым помехоустойчивым кодом Хэмминга.

Остальные 40 байт составляют непосредственно знаковую информацию, одной строки телетекста.

На каждый знак расходуется 8 бит, семь из которых ис­пользуются непосредственно для кодирования .знака, а восьмой бит служит для повышения помехоустойчивости, которая осу­ществляется благодаря операции проверки на четность. С этой целью восьмой бит в слове принимает значение «1» при чет­ном числе единиц в слове и «О» — при нечетном. Таким образом, передаваемое слово всегда содержит нечетное число единиц. При проверке на четность в декодирующем устройстве любой байт, содержащий четное число единиц, считается оши­бочным и отбрасывается. Их место занимают байты, принятые верно в предшествующем цикле приема, или поврежденный знак просто гасится. Конечно, при наличии двойных ошибок этот способ не дает результатов, т. е. ошибки не обнаружива­ются и знак на экране искажается.

Рис. 7.14. Структура адресной части сигнала текста: и — информационный бит; з — бит защиты

Можно говорить о совме­стимости ТВ-сигнала и сигнала телетекста в том случае, если при наблюдении ТВ-изображения на экране не заметна помеха от цифрового сигнала.