2963

Program Identification (PID) - код определяющий местонахождение определенного элементарного потока в общем транспортном потоке.

Некоторые приемники, предназначенные для приема определенного пакета, не умеют считывать PID-коды из таблицы и пользуются готовыми кодами и, следовательно, не могут принимать ничего, кроме своего пакета.

Наиболее существенный минус такого подхода - неспособность принимать каналы Free To Air, достоинство - некоторая защищенность от приема других платных трансляций. Кроме того, такие приемники требуют доработки программного обеспечения при любом изменении длины элементарных потоков, входящих в состав пакета.

Другими специфические характеристиками цифрового приемника являются тактовая частота процессора, а также объем оперативной и перепрограммируемой памяти /3/.

Существенным недостатком, присущим многим европейским цифровым приемникам, является их жесткая ориентация на прием со спутников Astra, Eutelsat Hot Bird. Эта ориентация проявляется таким образом, что в приемниках или просто не предусмотрена возможность занесения в память каналов, передаваемых с других спутников, или можно запомнить только 1-2 канала. В более новых разработках ограничения на прием, связанные с возможностями программного обеспечения, постепенно исчезают, и все больше внимания уделяется вопросам скремблирования, организации условного доступа и методам персональной идентификации /1/.

Рассмотрим основные технические характеристики цифровых спутниковых приемников (табл.3).

Таблица 3 - Основные технические характеристики спутниковых приемников

4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИФРОВОГО СПУТНИКОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ

Индивидуальный прием телевизионных программ со спутников приобрел популярность в конце 80-х годов, когда появились недорогие малошумящие входные устройства на полевых транзисторах и стало возможным принимать сигнал с помощью небольшой антенны диаметром 80…120 см, устанавливаемой на балконе или стене дома. К середине 90-х годов в Европе

31

можно было принимать, таким образом, до 50 ТВ программ с одной орбитальной позиции (например, со спутников Hot Bird в точке 13 в.д.).

Прошло всего несколько лет, и сегодня с этих же спутников можно принимать уже сотни телевизионных программ. В нашей стране абоненты НТВ-плюс вместо прежних пяти получают более 30 программ, и это далеко не предел.

Каким же образом удается передавать несколько ТВ программ в одном спутниковом канале, который ранее использовался для передачи одной – единственной программы? Такой скачок в пропускной способности спутниковых ретрансляторов стал возможным в первую очередь благодаря переходу к цифровым методам формирования и обработки ТВ сигнала.

Цифровые методы находят все более широкое применение в технике передачи сообщений. Разработка в 1992 – 1994 годах эффективных алгоритмов цифрового сжатия, известных как семейство стандартов MPEG, позволила решить задачу многопрограммного телевизионного вещания без заметного снижения субъективного качества изображения и звука.

Передача ТВ сигнала к абоненту в цифровой форме производится следующим образом: в ТВ студии сигнал преобразуется в цифровой формат уже на выходе телекамеры, и все операции по его обработке, хранению, передаче осуществляется в цифровом виде. Наиболее распространенным способом преобразования обычного аналогового видеосигнала в цифровой формат является импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Она реализуется следующим образом: аналоговый сигнал представляется дискретными (прерывистыми) отсчетами, взятыми через равные промежутки времени. Затем каждый отсчет квантуется – заменяется ближайшим из конечного числа разрешенных для передачи значений. В результате аналоговый сигнал преобразуется в набор импульсов разного, но разрешенного уровня. Следующий этап ИКМ преобразования – представление квантованного значения сигнала двоичным числом, соответствующим номеру уровня квантования. На этом этапе и образуется цифровой сигнал.

Цифровой видеосигнал с выхода телекамеры, цифрового видеомагнитофона или видео сервера поступает на вход кодера сжатия (компрессии), работающего в стандарте MPEG-2, принятом Международной организацией по стандартизации в 1994 г.

Алгоритм, положенный в основу стандарта MPEG-2, включает определенный базовый набор последовательных процедур, показанный на упрощенной структурной схеме цифрового кодера (рис.9). Алгоритмы разных производителей кодеров могут несколько различаться, при этом предусмотрена совместимость цифрового сигнала со всеми декодерами цифрового сжатия, находящимися в приемных устройствах, так как стандарт однозначно указывает декодеру, какой смысл приписывается тем или иным принимаемым потокам.

В стандарте MPEG-2 определено ограниченное число возможных сочетаний параметров обработки, охватывающее тем не менее широкий диапазон качественных показателей. По разрешающей способности в стандарте определены четыре уровня (level), по сложности используемого алгоритма

32

обработки – пять профилей (profile). Для вещательных систем передачи рекомендован вариант MP@ML, где МР означает Main Profile (основной профиль), а ML – Main Level (основной уровень), допускающий формирование цифрового потока со скоростью видеоданных до 15 Мбит/с на программу.

Основу цифрового сжатия видеоинформации составляет устранение избыточности изображения благодаря подобию (корреляции) его строк и полей. Различают два вида избыточности: временную (два последовательных кадра изображения мало отличаются один от другого) и пространственную (значительная часть изображения составляет однотипные одинаково окрашенные участки).Временная избыточность устраняется передачей вместо кадра изображения его отличий от предыдущего кадра. Простое вычитание для определения их различий было значительно усовершенствовано, когда заметили, что большая часть изменений, появляющихся на изображении, может быть интерпретирована как смещение малых областей изображения. Разбив изображение на небольшие блоки (16х16 элементов) и найдя их расположение в предыдущем кадре, можно для каждого блока найти набор параметров, показывающий направление и величину его смещения. Этот набор называют вектором движения, а всю операцию – предсказанием с компенсацией движения. Например, при движении предмета по прямой достаточно передать лишь сигнал о его начальном и конечном положениях. При этом отпадает необходимость передачи сигналов, определяющих промежуточные положения этого предмета. По каналу связи передается только вектор движения и относительно небольшая разность между текущим (в нашем примере это блок с начальным положением предмета или только его части) и предсказанным блоком (в нашем примере блок с той же частью предмета в конце движения).

Благодаря тому, что не передаются промежуточные положения предмета (или его части) уменьшается, естественно, полоса частот, необходимая для последовательной передачи движения предмета. Таким образом, на этом этапе устраняется пространственная избыточность – разностный сигнал подвергается преобразованию из пространственной в так называемую частотную область (т.е. оперируем с частотой), осуществляемому с помощью специальной математической операции – двумерного дискретно-косинусного преобразования (ДКП). Следующий этап обработки заключается в адаптивном квантовании полученных двоичных чисел (коэффициентов). Набор коэффициентов каждого блока рассматривается как вектор, и процедура квантования производится над набором в целом (векторное квантование). Дополнительное устранение избыточности результирующего сигнала производится на этапе кодирования сообщения перед подачей его в канал связи.

33

цифровой обработке). Используется так называемый психоакустический эффект, заключающийся в маскировке слабого звука близким по частоте более сильным звуком. Шумы квантования динамически приспосабливаются к порогу маскирования, и в канале передаются только те детали звучания, которые могут быть восприняты слушателем. Квантование в каждой полосе может осуществляться либо посредством измерений энергии сигнала этой полосы (уровень ), либо с использованием внешнего спектрального анализа (уровень ). Представляя хороший компромисс между качеством и сложностью, стандарт MPEG-1 Уровень (Musicam) получил наибольшее распространение в системах цифрового сжатия звука. Качество передаваемого сигнала тем выше, чем больше скорость цифрового потока на выходе кодера. Стандарт предусматривает различные степени сжатия аудиоданных с выходной скоростью от 64 до 384 Кбит/с на стерео программу.

Системная часть стандарта MPEG-2 описывает объединение в единый цифровой поток отдельных потоков изображения, звука, синхронизации одной или нескольких программ. Эту операцию выполняет специальное устройство, называемое мультиплексором. Для передачи в среде с помехами формируется «транспортный поток», включающий средства для предотвращения ошибок и обнаружения утерянных пакетов. Он состоит из пакетов фиксированной длины (188 байт), содержащих стартовый байт, префикс (3 байта) и область телевизионных данных.

Перед подачей в канал связи сигнал подвергается дополнительному помехоустойчивому кодированию и поступает на модулятор. Эти операции не входят в стандарт MPEG-2 и в разных спутниковых системах могут в принципе выполняться способами, но это бы лишало системы аппаратурной совместимости. Европейским странам удалось решить эту проблему. На базе MPEG-2 были разработаны стандарты многопрограммного цифрового ТВ вещания для спутниковых и наземных кабельных и эфирных сетей (соответственно DVB-S, DVB-C, DVB-T), нормирующие все операции на передающей стороне вплоть до подачи сигнала на вход радиоканала.

В стандарте DVB-S (ETS 300 421) используются фазовая модуляция, скремблирование сигнала и каскадное помехоустойчивое кодирование с перемежением данных для защиты от пакетных ошибок. Скремблированием называют умножение информационного цифрового потока на псевдослучайную последовательность, чтобы придать потоку случайный характер.

Скремблирование применяется для повышения устойчивости работы схемы тактовой синхронизации приемника и достижения равномерного спектра радиосигнала. После скремблирования транспортный поток подергается помехоустойчивому кодированию внешним кодом (укороченным кодом РидаСоломона с эффективностью кодирования 204/188), обеспечивающим «почти безошибочный» прием (вероятность ошибки на выходе менее 10-10) при вероятности ошибки на входе менее 2х10-4. для защиты от пакетированных ошибок большой длительности применяется непрерывное сверточное

35

перемежение – перестановка местами соседних байтов. Глубина перемежения составляет 12 байт. Код Рида-Соломона (по именам теоретиков кодирования) – блочный код, согласно которому информационная цифровая последовательность разбивается на блоки определенной длины, а каждый такой блок дополняется проверочными символами, формируемыми по определенным правилам.

Внутренний код – сверточный с относительной скоростью 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 или 7/8 и длиной кодового ограничения К=7. Конкретное значение относительной скорости передачи выбирается с учетом мощности и ширины полосы частот используемого бортового ретранслятора. Выбор нужной скорости в декодере приемного устройства производится автоматически по наличию или отсутствию синхронизации. Сверточный код – код, согласно которому результирующие символы (символ – дискретный сигнал, способ модуляции которого обеспечивает возможность его демодуляции) формируются непрерывной математической операцией свертки информационной последовательности.

Модуляция производится на промежуточной частоте 70 или 140 МГц. Стандарт DVB-S предусматривает применение четырехпозиционной фазовой модуляции 4-ФМ (англ. QPSK). Полученный на выходе модулятора цифровой сигнал 4-ФМ далее проходит через все стандартные устройства земной станции: повышающий преобразователь частоты, усилитель мощности, волноводный тракт – и через антенну излучается в сторону спутника.

При организации многопрограммного цифрового ТВ вещания важно правильно выбрать скорость передачи видео- и звукоданных, поскольку от этого непосредственно зависит качество ТВ изображения и звукового сопровождения. Субъективные экспертные оценки качества ТВ изображения показали, что для получения ТВ изображения со студийным качеством необходимо передавать видеоданные со скоростью 9…15 Мбит/с. передача с качеством первичного распределения обеспечивается в диапазоне скоростей 7…9 Мбит/с. Для обеспечения вещательного качества, соответствующего ТВ изображения на экране бытового телевизора систем PAL или SECAM, достаточно скорости 4…7 Мбит/с (в зависимости от сюжета), при этом декодированный видеосигнал будет малопригоден для последующей обработки и повторного кодирования со сжатием. Нетрудно рассчитать, что в спутниковом канале с пропускной способностью 40 Мбит/с можно передать 5 – 6 программ хорошего качества, соответствующего магистральным каналам подачи программ, или 8 – 10 программ с качеством бытового телевизора PAL

или SECAM.

Хороший резерв увеличения пропускной способности каналов представляет собой метод статистического мультиплексирования, основанный на использовании статистических свойств последовательностей изображений. Специальная управляющая программа динамически перераспределяет общий ресурс пропускной способности между каналами таким образом, что каналам с высокой детальностью изображений и быстрыми движениями выделяется большее число битов, чем каналам с более простыми изображениями. В

36

результате достигается то же качество изображения при средней скорости цифрового потока 20…30 % ниже, чем в каналах с жестким мультиплексированием.

5. МЕТОДЫ РЕТРАНСЛЯЦИИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРОГРАММ СПУТНИКОВОГО ТВ

5.1 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РЕТРАНСЛЯЦИИ

Источником телевизионного сигнала, который подлежит ретрансляции передатчиками, размещенными на ИСЗ, и последующему приему телезрителями, является телепорт - наземный комплекс, в котором сосредоточены передатчики и антенны для канализации сводного объема информации (в том числе телевизионных программ) к спутнику. Телевизионные программы телепорт получает по кабельным линиям или по наземным телевизионным каналам от студий, телевизионных компаний или других арендаторов системы спутниковой ретрансляции.

Информацией, подлежащей ретрансляции, модулируется несущая частота и излучается антенной по линии «Земля-Космос», для которой выделены специальные диапазоны частот, например, для спутников «Галс» эта частота лежит в диапазоне 17,404...17,884 ГГц. Передача производится с помощью узконаправленных антенн телепорта, диаметр которых достигает 4...5 метров. Благодаря узкой диаграмме направленности антенны, нацеленной на геостационарный спутник, обеспечивается значительный поток мощности, и принятые антеннами спутника сигналы оказываются практически свободными от помех. Этому способствует также узкая диаграмма направленности приемной антенны спутника, диаметр которой составляет 1,2...1,5 метра.

В составе полного телевизионного сигнала сигнал яркости передается с частотной модуляцией в отличие от наземного телевидения, которое использует амплитудную. Частотная модуляция обеспечивает лучшую помехоустойчивость по сравнению с амплитудной, что гарантирует более высокое качество ретрансляции сигнала. Однако значительно более широкая полоса частот, которую занимает частотно-модулированный сигнал, не позволяет использовать частотную модуляцию сигнала яркости в наземном телевидении, где используются сравнительно узкие диапазоны метровых и дециметровых волн по сравнению с сантиметровым диапазоном.

Приемная антенна спутника, нацеленная на антенну земного передатчика, принимает сигнал, который далее преобразуется аппаратурой спутника на другую несущую частоту линии «Космос-Земля» и усиливается по мощности, после чего с помощью своей передающей антенны излучается обратно на Землю. В принципе передающая антенна геостационарного спутника могла бы облучать более 60 % поверхности соответствующего полушария Земли. Такова потенциальная зона видимости ИСЗ (зоной видимости спутника называется часть поверхности Земли, с которой ИСЗ виден под углом места больше

37

некоторого минимального значения). Однако по целому ряду причин облучать всю зону видимости для ретрансляции телевидения нецелесообразно. Значительная часть поверхности Земли занята океанами. Нет смысла обслуживать редкие корабли, находящиеся в плавании. В крайнем случае, трансконтинентальные трассы, которые размещены в сравнительно узких коридорах океана, могут обслуживаться специально предназначенными спутниками. Чем шире диаграмма направленности передающей антенны, тем меньше плотность потока мощности, излучаемой в одном направлении. Поэтому для обеспечения необходимой напряженности электромагнитного поля для приема сигнала при широкой диаграмме направленности передающей антенны пришлось бы увеличивать мощность спутникового передатчика. Это требует увеличения мощности источников питания, то есть поверхности солнечных батарей. В результате увеличится масса спутника, что потребует увеличить мощность ракеты-носителя, чтобы обеспечить вывод ИСЗ на геостационарную орбиту. Необходимо также учитывать протяженность территории государства по долготе, так как для разных населенных пунктов наиболее подходящее время оказывается разным. Если для западных регионов страны обеспечить прием телевизионных передач в дневное время, то в восточных эти передачи будут приниматься глубокой ночью. В таких условиях вместо одного ИСЗ с широкой диаграммой направленности передающей антенны целесообразно использовать несколько спутников с узкими диаграммами или оборудовать спутник несколькими антеннами, которые будут обслуживать ограниченные территории, сдвинутые по долготе и со сдвигом по времени. Нет также необходимости излучать сигнал в пределах всей зоны видимости по широте. Таким образом, наиболее разумно сформировать ограниченные зоны обслуживания протяженной территории, оснастив один или несколько спутников антеннами, диаграммы направленности которых обеспечат излучение сигнала в пределах необходимых зон обслуживания. Кроме упомянутых причин сужения зон обслуживания относительно зоны видимости существуют международные соглашения, частично ограничивающие зоны обслуживания территориями своих государств. Таким образом, передающая антенна спутника обладает ограниченной шириной диаграммы направленности. Бортовые антенны относятся к типу остронаправленных и формируют на поверхности Земли заранее заданные зоны облучения.

Прием сигнала со спутника на Земле осуществляется также узконаправленными антеннами, что соответствует их высокому коэффициенту усиления. Узконаправленные антенны позволяют в процессе передачи сконцентрировать мощность в пределах узкого луча диаграммы направленности, а в процессе приема абсорбировать сигнал большей мощности.

В системах ФСС принятый антеннами наземных станций сигнал после необходимых преобразований передается местным телецентрам для включения в их программы. В индивидуальных установках непосредственного приема принятый сигнал преобразуется в более низкую (промежуточную) частоту, которая необходима для дальнейшей его обработки, осуществляются усиление,

38

выделение сигналов цветности и звукового сопровождения и частотное детектирование сигнала яркости. Далее следует амплитудная модуляция промежуточной частоты сигналами яркости и синхронизации. Затем подмешиваются ранее выделенные сигналы цветности и звукового сопровождения. В результате образуется полный цветовой телевизионный сигнал, пригодный для подачи на антенный вход стандартного бытового телевизора. Очевидно, что промежуточная частота приемного устройства должна находиться в пределах частотного диапазона, на который рассчитаны телевизоры.

5.2 СОСТАВ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА

Термин «Телевидение» происходит от корней двух английских слов «tele» и «vision», которые означают зрение на расстоянии. Для преодоления больших расстояний в телевидении используется радио. Сначала изображение и звуковое сопровождение телевизионной программы преобразуются в электрические сигналы, которые затем с помощью радиоволн излучаются в пространство. В точке приема осуществляется обратное преобразование принятых по радио электрических сигналов в видимое изображение и слышимый звук. Таким образом, в телевидении, как и в звуковом радиовещании, используются телевизионные радиопередатчики и телевизионные радиоприемники, которые в быту называют телевизорами.

Изображение любых предметов всегда существует целиком и с помощью объектива спроецировано на мишень телевизионной передающей электроннолучевой трубки.

В принципе передать сразу все изображение можно, но для этого пришлось бы использовать огромное количество передатчиков, равное числу элементов изображения, а для высокого качества размеры этих элементов должны быть очень малы. Так, изображение на экране современного телевизора содержит более полумиллиона элементов. Поэтому в телевидении используется принцип поочередной передачи сигнала от каждого элемента изображения одним передатчиком.

Все изображение как бы разбивается на тоненькие горизонтальные строчки и постепенно осматривается строка за строкой сверху вниз, образуя целый кадр. Затем все повторяется вновь. При передаче движущихся изображений каждый последующий кадр отличается от предыдущего, как в кино, и смена кадров во избежание мельканий должна происходить достаточно быстро. Такой процесс разложения изображения каждого кадра по строкам (по горизонтали) называется строчной разверткой, а от строки к строке (по вертикали) с поочередной сменой кадров - кадровой разверткой.

Телевизионная камера похожа на фотоаппарат, где вместо фотопленки используется мишень передающей трубки. Мишень покрыта мельчайшими зернами светочувствительного вещества, которые заряжаются падающим светом. Сильнее освещенные зерна заряжаются сильнее, а там, где не было

39

засветки, нет и заряда. Для развертки изображения на мишень направляется электронный луч, отклоняемый системой, в катушки которой поступают пилообразные токи строчной и кадровой разверток. Обегая мишень, электронный луч разряжает образованные на ее зернах заряды. В результате ток луча изменяется соответственно зарядам каждой точки мишени, т.е. изображению, которое было на нее спроецировано. Так формируется сигнал изображения, называемый видеосигналом, который после модуляции высокой частотой передатчика излучается в пространство передающей антенной.

В точке приема располагается приемная антенна и телевизионный приемник, который настраивают на высокую частоту передатчика. В приемнике сигнал усиливается и преобразуется в исходный видеосигнал, который поступает на приемную электронно-лучевую трубку - кинескоп. Экран кинескопа покрыт люминофором, который светится под воздействием облучения электронным лучом. Электронный луч кинескопа должен отклоняться по строкам и по кадрам точно в таком же порядке, как и в передающей трубке, иначе изображения не получится. Для этого к видеосигналу на передающей стороне подмешаны строчные и кадровые синхронизирующие импульсы. В результате на экране кинескопа образуется точно такое же изображение как - то, что было спроецировано на мишень передающей трубки.

Таким образом, в наземном телевидении видеосигнал черно-белого изображения или сигнал яркости цветного смешивается с гасящими и синхронизирующими импульсами и модулирует по амплитуде несущую частоту канала изображения, а сигнал цветности в цветном телевидении модулирует по частоте две поднесущие. Спектры сигналов яркости и цветности совмещаются. Сигнал звукового сопровождения телевизионной передачи модулирует по частоте несущую частоту канала звука. Принципы передачи и приема звукового сопровождения общеизвестны и в дополнительных разъяснениях не нуждаются.

Структура сигнала, который передается спутниковым ретранслятором, в значительной мере отличается от сигналов наземного телевидения.

Используемая в наземном телевидении амплитудная модуляция несущей сигналом яркости, которая обеспечивает неплохое качество картинки в условиях сравнительно сильного сигнала, когда расстояние между передатчиком и приемником обычно невелико и не превышает 100 км, непригодна для приема сигнала из космоса на расстояниях десятков тысяч километров. Самые разные виды помех, - импульсные, гладкие, шумовые, накладываются на слабый сигнал, поражают изображение и срывают синхронизацию телевизионных приемников. Поэтому одной из мер ослабления воздействия помех на сигнал является переход с амплитудной модуляции на частотную. Как известно, в приемниках частотной модуляции сигнал после предварительного усиления подвергается ограничению по амплитуде. Поэтому помехи, превышающие по амплитуде порог ограничения, срезаются, и сигнал от них очищается. Применение частотной модуляции сигнала яркости в системах спутникового телевидения приводит к тому, что обычный бытовой

40