2963

Цифровая техника открывает совершенно новые возможности в художественном оформлении телевизионных программ. Таким, образом, внедрение цифровых методов существенно обогащает технологию телевизионного вещания, делает ее исключительно гибкой и высокопроизводительной. Повышается качество передачи сигналов телевизионных программ по линиям связи благодаря значительному ослаблению эффекта накопления искажений и применению кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки передачи /2/.

Существенным недостатком систем цифрового телевидения является необходимость значительно более широкой полосы пропускания канала по сравнению с аналоговым /3/.

Системы цифрового телевидения могут быть двух типов:

1)Аналоговый телевизионный сигнал преобразуется в цифровую форму только для цифровой обработки сигнала (например, в преобразователе телевизионных стандартов, корректоре искажений и др.), для консервации сигналов телевизионной программы или передачи их по каналам связи, а затем снова трансформируются в аналоговую форму. При этом используются существующие телевизионные станции и парк телевизионных приемников.

2)Преобразование передаваемого изображения в цифровой сигнал и цифрового сигнала в изображение на приемной стороне производится непосредственно в преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет, Во всех звеньях линии связи телевизионная информация передается в цифровой форме.

В настоящее время находят применение системы цифрового телевидения первого вида. В будущем преимущественное развитие получат системы цифрового телевидения второго вида /1/.

Обобщенная структурная схема цифрового тракта преобразования ТВ сигнала приведена на рисунке 3.

Передающее устройство

Канал

связи

Приѐмное устройство

Рис. 3 - Обобщенная структурная схема цифрового тракта преобразования ТВ сигнала.

21

Тракт цифрового телевидения является многоканальным. Одновременно с сигналом изображения транслируют один или несколько сигналов звукового сопровождения, сигналы синхронизации, а так же сигналы дополнительной информации (например, сигналы телетекста, неподвижного изображения, точного времени, контрольных частот и т.п.). Сигналы дополнительной информации передают методом временного уплотнения, обычно в свободных от передачи видеоинформации интервалах ТВ сигнала во время гашения обратных ходов разверток. Все эти сигналы на передающей стороне объединяют в единый цифровой поток, а на приемной стороне - разъединяют.

Рассмотрим процессы преобразования сигналов в тракте цифрового телевидения более подробно. Подлежащий преобразованию и передаче аналоговый телевизионный сигнал поступает на вход кодирующего устройства (кодера), состоящего из нескольких функциональных блоков: блока аналоговой обработки (БАО), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и блока цифровой обработки (БЦО). Общее назначение кодера - сформировать цифровой ТВ сигнал /3/.

Структурная схема кодирующего устройства приведена на рисунке 4. Сущность предварительной аналоговой обработки заключается в подготовке входного ТВ сигнала к аналого-цифровому преобразованию. Эта обработка, осуществляемая в БАО, включает ряд операций: согласование динамических диапазонов ТВ сигнала и АЦП, фиксация уровня гасящих импульсов ТВ сигнала разделение ПЦТС на яркостной и цветоразностные сигналы. Необходимо отметить, что многие из этих функций могут быть выполнены и цифровыми способами. Однако применение аналоговой обработки упрощает

Рис. 4 - Структурная схема кодирующего устройства: АТВС - аналоговый телевизионный сигнал; АЗС - аналоговый звуковой сигнал; ЦТВС - цифровой телевизионный сигнал; ЦЗС - цифровой звуковой сигнал;

22

БАО - блок аналоговой обработки; АЦП - аналого-цифровой преобразователь ; БЦО - блок цифровой обработки; БУ – блок уплотнения (объединения);

CГ - синхрогенератор; КТС - кодер ТВ сигнала;

КСЗС - кодер сигнала звукового сопровождения; КСДИ - кодер сигнала дополнительной информации.

требования к последующим устройствам аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования и цифровой обработки. Реализовать значительную часть операций аналоговыми методами в настоящее время пока технически проще.

Подготовленный для преобразования аналоговый ТВ сигнал поступает на АЦП, который выполняет три операции дискретизацию, квантование и предварительное кодирование.

Дискретизация - замена аналогового сигнала последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. При кодировании ТВ сигнала чаще всего применяют равномерную дискретизацию, имеющую постоянный период.

Квантование - замена полученных в результате дискретизации мгновенных значений отсчетов ближайшими значениями из набора отдельных фиксированных уровней. Квантование представляет собой дискретизацию ТВ сигнала по уровню.

Кодирование - преобразование квантованных по уровню значений отсчетов в соответствующие им стандартизованные последовательности кодовых комбинаций символов. Каждая кодовая комбинация представляет собой совокупность (группу) символов (цифр), соответствующих некоторому числу в заданной системе счисления. В простейшем случае таким числом может быть порядковый номер уровня квантования, до которого округлен передаваемый в это время отсчет /2/.

Аналогичные преобразования аналогового сигнала звукового сопровождения осуществляются в кодере сигнала звука (КСЗС).

После этого три вида цифровых информационных сигналов - телевизионный, звуковой и дополнительной информации - вместе со служебным, сигналом синхронизации объединяются (уплотняются) в общий цифровой сигнал (поток) ТВ программы в блоке БУ. Операцию реализуют методом временного разделения каналов.

Далее объединенный цифровой сигнал поступает на передающее устройство, состоящее в общем случае из кодера каналов (КК) и устройства преобразования сигнала. Под каналом здесь следует понимать не только линию связи, но и другие звенья тракта, в которых сигнал обрабатывается и корректируется (видеомагнитофоны, корректоры временных искажений и др.).

Кодирующее устройство канала предназначено для защиты цифрового ТВ сигнала от возможных помех в канале, приводящих к искажению символов и,

23

следовательно, неверному их распознаванию (ошибкам передачи). Главная операция, выполняемая кодером канала, - помехоустойчивое кодирование. Наиболее распространенным методом такого кодирования является введение в

цифровой сигнал избыточных символов, используемых для выполнения контрольных и проверочных операций. Необходимо отметить, что введение в

цифровой сигнал относительно малого числа избыточных символов позволяет снизить вероятность ошибочного приема на несколько порядков. Кодер канала часто называют кодером защиты от ошибок.

Помехозащищенность передачи цифрового ТВ сигнала зависит от вида модуляции и кода, применяемых для передачи информации по каналу связи, алгоритма декодирования сигнала в декодере канала и ряда других факторов /З/ Устройство преобразования сигнала (УЛС) осуществляет, согласование

характеристик цифрового сигнала с каналом связи.

На приемной части тракта цифрового телевидения осуществляются операции, обратные производимым на передающей стороне. В декодере канала (Д) с помощью переданных избыточных символов производится контроль правильности приема цифровой информации и исправление ошибок передачи. Затем из объединенного цифрового сигнала ТВ программы выделяются сигналы синхронизации с помощью синхроселектора (СС), которые управляют работой синхрогенератора (СГ). Выходные сигналы синхрогенератора используются для разделения суммарного цифрового потока по каналам. После разделения в блоке разделения (БР) цифровой ТВ сигнал, цифровые сигналы звукового сопровождения и дополнительной информации поступают на соответствующий декодер. Декодеры ТВ и звукового сигналов имеют идентичную структуру и содержат блок цифровой обработки (БЦО), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и блок аналоговой обработки (БАО).

В БЦР лишенный избыточной информации цифровой сигнал преобразуется в исходную цифровую форму. После, в ЦАП восстанавливается аналоговая форма сигнала. Затем в БАО производится нелинейная, линейная фазовая и линейная частотная коррекция. Выходной полный телевизионный сигнал формируется кодером системы цветного телевидения/3/.

Таким образом, на выходе декодеров ТВ и звукового сигнала получают аналоговые сигналы. На выходе декодера дополнительной информации в зависимости от ее назначения сигнал может быть аналоговым или цифровым.

Начало активного цифрового спутникового телевизионного вещания (ЦСТЗВ) относится к середине 1996 г. К этому времени был сформирован ряд цифровых пакетов и началось производство цифровых приемников.

Одним из ключевых вопросов развития ЦСТВ являются конструкция, режимы работы и особенно стоимость цифрового приемного оборудования. В настоящее время именно цена и выполняемые функции цифрового спутникового приемника стали определяющими для владельцев цифровых пакетов и фирм производителей оборудования. Стоимость всех остальных компонентов приемного комплекса - рефлектора, облучателя, конвертора и др. - значительно ниже и практически не влияет на стоимость всего цифрового оборудования.

24

Напротив, аналоговые спутниковые приемники высокого качества сейчас гораздо более доступны, чем 10 - 15 лет назад, прежде всего, благодаря их стандартизации и большим производственным объемам.

Создание и внедрение открытых стандартов, определяющих конструкцию и производство цифровых приемников - только первый шаг для снижения издержек. Без MPEG-2, который стал синонимом всего «цифрового телевизионного», цифровое спутниковое телевидение не достигло бы настоящего успеха. Однако это только начало, так как во всем мире существуют несовместимые цифровые видеостандарты. Потенциальный успех MPEG-2, DVВ и других перспективных стандартов может быть достигнут только при условии их взаимной совместимости.

При создании открытого стандарта становится решаемой проблема производства универсального цифрового приемника, что сделает цифровое вещание более доступным. Существенным недостатком первых версий цифровых приемников является то, что они разрабатывались под определенные платные пакеты телепрограмм и не принимали нешифрованные каналы.

Первой проблему приема этих каналов решила небольшая немецкая фирма Mascom, которая на базе спутникового приемника Media Master фирмы Nokia разработала программное обеспечение и выпустила модель Mascom 9500S, который может по праву считаться первым приемником, не привязанным к конкретному пакету и претендующим на определенную универсальность /1/.

3.3 ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЦИФРОВЫХ СПУТНИКОВЫХ ПРИЕМНИКОВ

Спутниковый приемник телевизионных сигналов, наряду с антенной и конвертором, является составной частью приемной установки (СТВ). Он предназначен для дальнейшего преобразования сигнала первой промежуточной частоты, поступающего с конвертора, во вторую промежуточную частоту, а также демодуляции с последующим формированием из выделенных сигналов изображения и звука телевизионного НЧ-сигнала и радиосигнала с амплитудной модуляцией в стандарте наземного телевидения.

Общепринятой для приемных установок СТВ в настоящее время является схема с двойным преобразованием частоты: первая промежуточная частота выбрана равной 0,95-1,75 ГГц, при этом гетеродин конвертора имеет фиксированную настройку, а канал выбирают перестройкой второго гетеродина, т.е. в приемнике /4/.

Цифровые спутниковые приемники существенно отличаются от аналоговых моделей. Рассмотрим базовую структурную схему. представленную на рис.5.

После того, как выделенный сигнал проходит цепи демодуляции, он преобразуется в информационный поток в виде цифровых пакетов и поступает в устройство исправления ошибок. В демулътиплексоре производится

25

разделение информационного потока на два канала: аудио и видео. Декодер поддерживает самые различные форматы и имеет большое количество выходов: цифровое видео, аналоговое видео, цифровое аудио, аналоговое аудио, RGB - выход и др.

Управление работой демультиплексора осуществляет макропроцессор, обрабатывая команды пользователя, переданные через блок управления (пульт дистанционного управления иди модуль приемника).

Рис. 5 - Обобщенная структурная схема цифрового приѐмника

В цифровом приемнике нет понятия «плохое качество изображения» - качество картинки на экране телевизора при использовании профессиональной и бытовой аппаратуры одинаково высокое. В том случае, если уровень ошибок превышает предельно допустимый, изображения на экране телевизора не будет, так как не смогут работать алгоритмы восстановления. Развитие цифровых приемников происходит с достаточно большой интенсивностью, хотя со времени принятия стандарта MPEG-2 прошло всего несколько лет. Разработчики и изготовители приемного спутникового оборудования координируют свои усилия для упрощения конструкции и снижения себестоимости. Следствием этого был выпуск в 1997 г. цифровых приемников уже третьего поколения.

Конечной целью совместных усилий является создание модульной архитектуры приемника, которая состояла бы из универсальных чипов, применяемых не только в спутниковом телевидении, но и в системах MMDS -вещания, цифровых кабельных сетях и других видах телекоммуникаций. Ключ к успеху модульного подхода лежит в оптимальном разделении субблоков и организации связи между ними при помощи универсального, гибкого интерфейса и программного обеспечения.

Цифровые приемники первого поколения имели большое количество чипов, каждый из которых был ответственен за независимые задачи: коррекцию ошибок, демодуляцию, демультиплексирование цифрового потока, обработку данных (центральный процессор) MPEG-2 - декодирование видео и аудиосигналов (рис.6). В этих моделях использовались дорогостоящие

26

динамические оперативные запоминающие устройства (DRAM) с произвольным порядком выборки. Все используемые чипы имели достаточно большие размеры и стоимость (около 55 % стоимости всего устройства). Слабым местом этих конструкций был центральный процессор с 8 - или 16 - разрядной шиной данных /1/.

Приемники второго поколения (1996 г.), были разработаны с использованием уже всего трех чипов, которые осуществляют все функции обработки сигнала.

Структурная схема цифрового приемника второго поколения приведена на рис.7. Дополнительный четвертый чип обеспечивает прием цифровых программ кабельного ТВ. Спутниковый (или кабельный) модуль осуществляет демодуляцию сигнала и коррекцию ошибок. Центральный процессор встроен в следующий чип, который обеспечивает управление информационными потоками, дешифровку и контроль периферийных устройств и памяти. Последний чип coдержит MPEG-2 видео - и аудиодекодер. Еще одной особенностью этой конструкции стало уменьшение числа DRAM, а 32-битный центральный процессор имеет более высокое быстродействие /1/.

Третье поколение цифровых приемников (1997 г.) основано только на двух чипах. Структурная схема такого приемника приведена на рисунке 8. Первый модуль выполняет специфические задачи аналого-цифрового преобразования, демодуляции и коррекции ошибок. Объединение следующих двух чипов в один стало отличительной чертой приемника третьего поколения. Он содержит центральный процесс, контроллер ввода-вывода, процессор информационных потоков, МРЕG-2 видео и аудиодекодер. Уменьшено также число модулей оперативной памяти: один SDRAM объемом 16 Мбайт уверено обслуживает модифицированный чип. Следует добавить, что скорость работы центрального процессора увеличена с 45 до 150 млн. операций в секунду /1/.

27

Рис. 6 - Структурная схема приѐмника первого поколения Таким образом, в настоящее время типичный цифровой спутниковый

приемник выполняет демодуляцию принятого сигнала и декодирование сжатого по технологии MPEG-2 сигнала. Имеется также возможность организации посредством модема обратного канала через последовательный порт RS-232, a минимальный объем оперативной - памяти составляет 1 Мбайт. Через этот же разъем можно подключиться к персональному компьютеру и поменять версию программного обеспечения /1/.

Анализ приведенных выше структурных схем цифровых спутниковых приемников позволяет сделать вывод о том, что развитие схемотехнических решений шло по пути увеличения быстродействия центрального процессора и уменьшения числа чипов. Очевидно, что дальнейшее развитие технологии производства СБИС приведет к снижению цены на чипы последовательно, к снижению цены на цифровые спутниковые приѐмники.

Спутниковый приемник должен обеспечивать три вида выходных сигналов:

-НЧ видеосигнал размахом IB с возможностью переключения полярности и сигнал звука для подачи на соответствующие входы телевизора;

-АМ-сигнал в стандарте наземного телевидения в одном из каналов дециметрового диапазона;

-полный демодулированный сигнал /4/.

28

DRAM 4B

DRAM 16MB

Рис. 7 - Структурная схема цифрового приѐмника второго поколения

Существуют еще несколько параметров, присущих только цифровым системам. В первую очередь это относится к возможности осуществлять одно или многопрограммный прием на одной частоте.

Single Channel Pet Carrier (SCPG) - способ передачи, при котором каждая программа модулирует отдельную несущую. Этот способ по сравнению с МСРС более энергоемок. Он используется в тех случаях, когда трансляционные точки разных программ географически разнесены. Частотное мультиплексирование таких программ происходит уже в антенно-фидерной линии спутникового бортового ретранслятора.

Multi Channel Pet Carrier (MCPC) - передача нескольких разных программ на одной несущей. При этой системе передачи сначала производится временное мультиплексирование элементарных потоков, составляющих разные передачи, а затем полученный групповой транспортный поток модулирует одну несущую. Этот способ передачи позволяет более эффективно, чем при использовании SCPC - передачи, использовать полосу пропускания транспондера, так как управляются защитные интервалы между несущими.

29