Учебники / Цифровое телевизионное вещание под редакцией Г. В. Мамчев, 2014
.pdf
Оглавление |
|
|
Стр. |
Предисловие ................................................................................................... |
7 |
Введение ......................................................................................................... |
8 |
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЦИФРОВОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ |
|
ТЕЛЕВИЗИОННОГО И ЗВУКОВОГО СИГНАЛОВ ............................ |
20 |
1.1. Принципы цифрового кодирования телевизионного Сигнала ....... |
20 |
1.2. Преобразование звуковых Сигналов в цифровую форму ............... |
43 |
Контрольные вопроСы............................................................................... |
47 |
2. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВЫХ |
|
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ .......................................................... |
48 |
2.1. Формирователи цифровых телевизионных Сигналов ..................... |
48 |
2.2. Особенности передачи цифровых Сигналов по линиям Связи ....... |
49 |
2.3. Согласование параметров Сигнала С характериСтиками канала |
|
Связи ..................................................................................................... |
52 |
2.4. Формирующие фильтры .................................................................... |
56 |
2.5. Цифровые интерфейсы передачи видео- и звуковых данных ....... |
57 |
Контрольные вопрОСы ............................................................................... |
68 |
3. ПРАКТИЧЕСКОЕИСПОЛЬЗОВАНИЕВИДЕОКОМПРЕССИИ |
|
В ТЕЛЕВИДЕНИИ................................................................................... |
70 |
3.1. Задача Сжатия информации и пути ее решения .............................. |
70 |
3.2. Международный Стандарт кодирования С информационным |
|
Сжатием МPEG-2 ................................................................................ |
80 |
3.2.1. Профили и уровни Стандарта кодирования МPEG-2 ............. |
80 |
3.2.2. Компрессия видеоданных ......................................................... |
87 |
3.2.3. Кодируемые кадры .................................................................... |
94 |
3.2.4. Компенсация движения ............................................................. |
97 |
3.2.5. ИСпользование ДКП в Стандарте кодирования МPEG-2 ....... |
100 |
3.2.6. Сжатие звукоданных ................................................................. |
108 |
3.2.7. Алгоритмы Сжатия звукоданных кодерами различных |
|
уровней ....................................................................................... |
114 |
3.2.8. Реализация цифрового многоканального звука, |
|
поддерживаемая Стандартом МPEG-2 ..................................... |
119 |
3.2.9. Формирование транСпортного потока данных в уСтройСтвах |
|
кодирования МPEG-2 ................................................................ |
124 |
3.2.10. Качество телевизионных изображений при кодировании |
|
по Стандарту МPEG-2 .............................................................. |
135 |
3.3. Стандарт предСтавления медиа-объектов МPEG-4 ........................ |
140 |
3.3.1. Описание Сцены в Стандарте МPEG-4 ..................................... |
140 |
3.3.2. Принципы ДОСтавки потоков данных ...................................... |
142 |
3.3.3. Кодирование визуальных образов ........................................... |
144 |
4 |
ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕIЦАНИЕ |
|
|
3.3.4. Кодирование звуковых объектов ............................................. |
149 |
|
3.3.5. Профили и уровни стандарта МPEG-4 .................................... |
155 |
|
3.3.6. Идентификация и заIЦита интеллектуальной собственности. 161 |
|
|
3.4. Стандарт кодированного представления визуальной информации |
|
|
Н.264/АУС или МPEG-4 Part 10 ....................................................... |
162 |
|
3.4.1. Структура стандарта видеокомпрессии Н.264 ........................ |
162 |
|
3.4.2. Базовый профиль ........................................................................ |
168 |
|
3.4.3. Основной профиль ..................................................................... |
175 |
|
3.4.4. Расширенный профиль .............................................................. |
181 |
|
3.4.5. Масштабируемое видеокодирование Н.264/АУС SVC ......... |
185 |
|
3.4.6. Многоракусное видеокодирование Н.264/АУС МУС ........... |
188 |
|
3.4.7. Транспортный механизм стандарта Н.264 .............................. |
190 |
|
3.4.8. Кодек стандарта Н.264 ............................................................... |
192 |
|
3.5. Стандарт описания мультимедийной информации МPEG-7 ......... |
194 |
|
3.5.1. ОБIЦие сведения о стандарте МPEG-7 ..................................... |
194 |
|
3.5.2. Основные части стандартаМРЕG-7 ......................................... |
195 |
|
3.5.3. Описание главных функций стандарта МPEG-7 .................... |
196 |
|
3.5.4. Области применения стандарта МPEG-7 ................................ |
197 |
|
3.6. Стандарт описания среды мультимедийного контента МPEG-21 |
199 |
|
3.6.1. ОБIЦие сведения о стандарте МPEG-21 ................................... |
199 |
|
3.6.2. Основные части стандарта МPEG-21 ...................................... |
199 |
|
3.6.3. Устойчивая ассоциация идентификации и описания |
|
|
цифровых объектов, обусловленная применением стандарта |
|
|
МPEG-21 ..................................................................................... |
200 |
|
Контрольные вопросы ............................................................................... |
201 |
4. |
ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО |
|
|
ТЕЛЕВИДЕНИЯ ПО ЭФИРНЫМ КАНАЛАМ СВЯЗИ ...................... |
203 |
|
4.1. Основные требования к системам передачи сигналов цифрового |
|
|
телевидения по радиоканалам ........................................................... |
203 |
|
4.2. Перемежение и скремблирование ..................................................... |
205 |
|
4.3. Принцип кодирования, испраВЛЯЮIЦего ошибки ............................ |
207 |
|
4.3.1. Коды, испраВЛЯЮIЦие ошибки .................................................. |
207 |
|
4.3.2. Коды Рида-Соломона ................................................................. |
210 |
|
4.3.3. Сверточное кодирование ........................................................... |
215 |
|
4.3.4. Алгоритм декодирования Витерби .......................................... |
217 |
|
4.3.5. Каскадное кодирование ............................................................. |
218 |
|
4.3.6. Основные принципы турбокодирования ................................. |
220 |
|
4.4. Способы модуляции, применяемые при передаче сигналов |
|
|
цифрового телевидения по радиоканалу .......................................... |
223 |
|
4.5. Стандарт цифрового наземного телевидения DVB-Т ..................... |
235 |
|
4.6. Основные положения нового стандарта цифрового наземного |
|
|
телевидения DVB-T2 .......................................................................... |
262 |
|
4.6.1. Концепция стандарта DVB-Т2 .................................................. |
262 |
Оглавление |
5 |
|
|
4.6.2. Формирование передаваемых пакетов данных ...................... |
264 |
|
4.6.3. Архитектура системы DVB-T2 ................................................. |
268 |
|
4.6.4. Описание структурной схемы обработки информации |
|
|
на передающей стороне системы DVB-T2 .............................. |
269 |
|
4.6.5. Сервисные возможности системы DVB-T2 ............................ |
282 |
|
4.6.6. Сравнительная оценка систем DVB-T и DVB-T2 .................. |
283 |
|
4.7. Стандарт цифрового телевещания для мобильных терминалов |
|
|
DVB-H ................................................................................................. |
284 |
|
Контрольные вопросы ............................................................................... |
295 |
5. |
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕЙ |
|
|
АППАРАТУРЫ СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО НАЗЕМНОГО |
|
|
ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ DVB-T/T2 ...................................... |
298 |
|
5.1. Основные устройства цифрового передающего аппаратурного |
|
|
комплекса ............................................................................................ |
298 |
|
5.1.1. Кодеры цифрового сжатия ........................................................ |
298 |
|
5.1.2. Мультиплексоры ........................................................................ |
302 |
|
5.1.3. Гибридные телевизионные передатчики ................................. |
303 |
|
5.1.4. Конструктивные особенности цифровых телевизионных |
|
|
передатчиков .............................................................................. |
306 |
|
5.2. Методы измерений и испытаний основных параметров |
|
|
цифровых телевизионных радиопередатчиков ............................... |
309 |
|
5.2.1. Описание измерительного оборудования ............................... |
309 |
|
5.2.2. Измерения основных параметров радиопередатчиков .......... |
311 |
|
5.3. Конструкция цифрового телевизионного приемника .................... |
316 |
|
5.3.1. Описание обобщенной структурной схемы цифрового |
|
|
телевизора ................................................................................... |
316 |
|
5.3.2. Конструктивные особенности селекторов каналов |
|
|
для цифровых телевизоров ....................................................... |
319 |
|
5.3.3. Устройство СОFDМ-демодуляторов ....................................... |
322 |
|
5.3.4. Особенности функционирования транспортного |
|
|
демультиплексора цифрового телевизора ............................... |
327 |
|
5.3.5. Практическое использование декодеров МPEG-2 ................. |
327 |
|
5.3.6. Система управления цифровым телевизионным |
|
|
приемником ................................................................................ |
329 |
|
5.4. Принципы построения абонентских цифровых |
|
|
приставок-декодеров .......................................................................... |
334 |
|
5.5. Комбинированные телевизоры СDТV/DVВ-типа ........................... |
336 |
|
Контрольные вопросы ............................................................................... |
339 |
6. |
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАЗЕМНОЙ СЕТИ |
|
|
ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ ......................................................... |
341 |
|
6.1. Общие сведения о структуре эфирного телевизионного |
|
|
вещания ............................................................................................... |
341 |
6 |
ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕrцАНИЕ |
|
|
6.2. Особенности распространения радиоволн, используемых |
|
|
для наземного телевизионного веrцания .......................................... |
344 |
|
6.3. Применение одночастотных сетей цифрового телевидения .......... |
349 |
|
6.4. Принципы функционирования синхронной региональной сети |
|
|
эфирного цифрового телерадиовеrцания ......................................... |
355 |
|
6.4.1. Архитектура двухуровневой синхронной сети |
|
|
телерадиовеrцания ...................................................................... |
355 |
|
6.4.2. Использование технологии разнесенного приема |
|
|
в синхронной сети телерадиовеrцания ..................................... |
356 |
|
6.5. Расчет моrцности телевизионных радиопередатчиков ................... |
358 |
|
6.6. Определение минимальной напряженности электромагнитного |
|
|
поля для сетей цифрового телевизионного веrцания ...................... |
361 |
|
6.7. Оценка медианных значений напряженности электромагнитного |
|
|
поля для сети цифрового телевизионного веrцания ........................ |
364 |
|
Контрольные вопросы ............................................................................... |
369 |
7. |
ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ ПО СПУТНИКОВЫМ, |
|
|
КАБЕЛЬНЫМ И ИНТЕРНЕТ-СЕТЯМ .................................................. |
370 |
|
7.1. Принципы функционирования спутниковых сетей |
|
|
телевизионного веrцания ................................................................... |
370 |
|
7.2. Цифровые стандарты спутникового телевизионного веrцания ..... |
372 |
|
7.3. Типовые структуры систем кабельного телевидения ..................... |
375 |
|
7.4. Стандарты цифровых систем кабельного телевидения .................. |
387 |
|
7.5. Архитектура мультисервисных систем IР-типа .............................. |
395 |
|
7.6. Особенности организации телевизионного веrцания в сети |
|
|
Интернет .............................................................................................. |
402 |
|
Контрольные вопросы ............................................................................... |
407 |
8. |
СИСТЕМЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ДОСТУПА В ЦИФРОВОМ |
|
|
ТЕЛЕВИЗИОННОМ ВЕЩАНИИ .......................................................... |
409 |
|
8.1. Необходимость ограничения доступа к программам веrцания ..... |
409 |
|
8.2. Принципы построения телевизионных систем с ограниченным |
|
|
доступом .............................................................................................. |
41 О |
|
8.3. Алгоритм скремблирования для систем с ограниченным |
|
|
доступом.... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... |
416 |
|
8.4. Особенности эксплуатации систем с ограниченным доступом .... |
418 |
|
8.5. Маркирование телевизионных программ цифровыми водяными |
|
|
знаками ................................................................................................ |
420 |
|
Контрольные вопросы ............................................................................... |
422 |
Заключение ..................................................................................................... |
423 |
|
Библиографический список .......................................................................... |
428 |
|
Список сокраrцений ....................................................................................... |
433 |
|
Предисловие
Главной особенностью технической политики в области телевизион
ного вещания в Российской Федерации является запланированный переход
на цифровое вещание в государственном масштабе.
Переход на цифровое телевизионное вещание вносит существенное изменение в рынок труда в области телекоммуникаций и в систему органи зации учебного процесса в образовательных учреждениях высшего про фессионального образования, обусловленные федеральным государствен ным образовательным стандартом третьего поколения.
Обучение бакалавров профиля «Цифровое телерадиовещание» на правления подготовки 210700 - «Инфокоммуникационные технологии и
системы связи» предполагает глубокое усвоение с учетом компетентност
ного подхода следующих вопросов:
•основные положения цифрового представления и обработки теле
визионного и звукового сигналов;
•особенности функционирования устройств кодирования с инфор
мационным сжатием видео- и аудиоданных;
•базовые принципы помехоустойчивого кодирования видео- и ау
диоданных и передачи сигналов цифрового телевидения по раз
личным каналам связи;
•основные характеристики систем цифрового телевизионного веща
ния первого и второго поколений;
•конструктивные особенности цифровой телевизионной приемопе-
редающей аппаратуры;
•принципы формирования наземной сети телевизионного вещания.
•способы ограничения доступа к программам вещания;
К сожалению, специальной учебной литературы, доступной для сту
дентов, в которой нашла бы отражение современная техника цифрового
телевизионного вещания, явно недостаточно. Данное издание призвано восполнить имеющийся пробел.
Содержание учебного пособия отвечает современным достижениям науки и техники - как отечественной, так и зарубежной.
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день в мире около двух миллиардов телевизоров, те
лефонных линий - 800 млн., то есть примерно в два раза меньше, а в раз вивающихся странах соотношение телевизоров и телефонных линий со ставляет даже 1О: 1. В настоящее время количество телевизоров сравнимо только с числом абонентов мобильной связи. Следовательно, телевидение является доминирующей составляющей в информатизации мирового со общества.
В первом десятилетии двадцать первого века аналоговое телевидение
со всеми присущими ему искажениями станет частью истории, поскольку
наземные, спутниковые и кабельные системы передачи, по которым про
исходит доставка телевизионных программ телезрителям, постепенно пе
реходят на цифровые методы.
Зачем нужно цифровое телевидение? Опыт, накопленный в телевизи онном вещании, показал, что телевидение, переходя в цифровую эру, спо
собно предоставить ряд новых возможностей при сохранении экономиче
ской эффективности. В целом, применение цифровых методов обработки,
передачи и консервации телевизионных сигналов по сравнению с аналого
выми дает ряд следующих преимуществ.
1. Передача телевизионного сигнала в двоичной форме по линии связи с
помехами позволяет значительно увеличить помехоустойчивость пере
дачи.
2. Передача телевизионного сигнала в двоичной форме по многозвенной
линии связи позволяет производить многократную регенерацию и
скремблирование цифрового сигнала в промежуточных пунктах, осуще ствлять цифровую коррекцию искажений и подавление Флуктуационных
и периодических помех в промежуточных пунктах и таким образом пре дотвращает накопление помех вдоль всей линии. Поэтому качество изо
бражения в цифровой телевизионной системе практически полностью
определяется качеством сигнала, созданного на телевизионном центре, и
почти не зависит от сложности и протяженности линий связи. Другими
словами, цифровая телевизионная система обеспечивает прозрачную пе
редачу видеосигналов. В данном случае под прозрачностью понимается
неизменность сигналов источника, когда сохраняются первоначальное
качество видеоматериала и его способность к дальнейшей обработке.
3. Решение проблемы устранения искажений из-за многолучевости и, как
следствие, повышение качества приема на стационарные, подвижные и
портативные телевизионные приемники.
ВВЕДЕНИЕ |
9 |
4. Цифровые системы открывают широкие возможности обработки теле визионного сигнала в цифровой форме для устранения в нем статисти ческой и физиологической избыточности перед передачей по каналу связи, то есть обеспечивают высокую степень сжатия видеоинформации СС 216 Мбит/с до 1,5 ... 3 Мбит/с), что позволяет уже сейчас передавать в стандартном радиоканале с полосой пропускания 8 МГц сигналы вось
мидесяти телевизионных программ в наземном телевизионном вещании
и более 1О программ через один ствол спутникового канала связи или одну программу телевидения высокой четкости СТВЧ), а также большие потоки данных при сохранении высокого качества передачи. Соответст
венно, уменьшаются удельные затраты на телеканал по аренде спутни
кового оборудования.
5. Будут использованы более низкие, по сравнению с аналоговыми систе
мами, мощности передачи. Например, зона покрытия черырехкиловатт
ного цифрового передатчика эквивалентна зоне, которую обеспечивает
двадцатикиловаттный аналоговый радиопередатчик. В данном случае
справедливо отметить не только реальную экономию электроэнергии,
но и значительное уменьшение отрицательного влияния высоких значе
ний напряженности электромагнитного поля на окружающую среду.
6. Обеспечение высококачественного приема на переносные телевизион- ные приемники. В ряде случаев прием аналоговых телевизионных сиг
налов при эфирном вещании вообще невозможен. Так, например, мно
гие десятилетия предпринимались попытки осуществлять прием теле
визионных сигналов в железнодорожных поездах. На линиях с электри
ческой тягой Са таких сегодня большинство) принимать эфирные пере
дачи с приемлемым качеством практически невозможно из-за срыва
синхронизации при следовании вдоль железнодорожного полотна с
мелькающими опорами и значительными помехами от контактной сети.
Установлено, что только цифровой метод передачи и приема телевизи
онных сигналов позволит кардинально решить эту задачу.
7. Допускается более широкая унификация аппаратуры телевизионных и
других стволов линий связи с целью создания однотипных коммути рующих, корректирующих и других устройств.
8. Обеспечивается гибкость передачи, которая позволяет плавно изменять
скорость передачи цифровой информации в канале связи при соответст
вующем изменении качества декодированного изображения, адапти руемость к требованиям конкретного потребителя.
9. Сравнительно легко реализуются операции по уплотнению телевизион
ного канала дополнительной информацией. Упрощается аппаратура для
передачи одновременно с видеосигналом сигналов звукового сопрово
ждения, звукового вещания, контрольных частот, сигналов точного
времени, сигналов телеигр, телегазет и ряда других видов информации. Таким образом, обеспечивается возможность введения новых служб вещания, развлечений, образования, бытового обслуживания.