Учебники / Цифровое телевизионное вещание под редакцией Г. В. Мамчев, 2014

Таблица 3.4

Иерархия многоканальных звуковых систем согласно Рекомендации BS.775

Учитывая широкое распространение в мире системы Dolby Pro Logic

и совместимость ее с обычным стереоканалом, разработчики звукового

стандарта МPEG-2 заложили в алгоритм формирование стереосигнала в таком виде, как его формирует указанная система. Владельцы декодера Dolby Pro Logic могут теперь получить многоканальный сигнал двумя спо­

собами: либо непосредственно с выхода декодера МPEG-2, либо подав

комбинированный стереосигнал (stereo downmix) на вход декодера Pro Logic, который выделит из него многоканальный сигнал (рис. 3.18, 6). Со­ ответствующий интерфейс определен в стандарте IEC61937, оН основан на линейной передаче звукоданных с И:КМ и скоростью до 1536 кбит/с.

Таким образом, в соответствии с форматом пространственного зву­ ка на стороне передачи формируются пять звуковых сигналов (см.

рис. 3.18):

•левый L (несет, в основном, информацию о левой фронтальной части зву­ кового поля первичного помещения, например, телевизионной студии);

Основные улучшения можно свести к следующим моментам [29]:

1. Улучшено разрешение по частоте благодаря использованию 1024 час­ тотных полос по сравнению с 576 в алгоритме Уровня III. При этом короткие блоки имеют длину всего 256 отсчетов, что обеспечивает эффективную об­ работку быстрых изменений звукового сигнала. Переключение произво­

дится по результатам анализа поведения входного сигнала во времени.

2. В Основном профиле применена оптимальная схема предсказания назад, обеспечивающая более высокую эффективность отработки измене­

ний основного тона.

3. Применен более гибкий алгоритм кодирования в режиме joint stereo, как в режиме кодирования по интенсивности, так и в режиме «сум­

ма-разность».

4. Применен улучшенный код Хаффмана, кодирование четверками

частотных линий применяется очень часто, что дополнительно сокращает

расход бит.

Структурная схема звукового кодера формата ААС основного про­ филя приведена на рис. 3.19. Новым элементом по сравнению с уровнем III

можно считать функцию управления шумами во временной области (TNS - Temporal Noise Shaping), позволяющую формировать огибающую шума во

временн6й области по предсказанию в частотной области. Устройство

осуществляет фильтрацию сигнала с выхода ДКП набором из нескольких переключаемых фильтров и квантование полученных групп отсчетов. Ко­ эффициенты квантования передаются в общем цифровом потоке декодеру,

который перераспределяет огибающую шума в реконструируемом сигнале с учетом спектрального распределения энергии сигнала. Это полезно при быстрых изменениях уровня звукового сигнала, когда кодер не успевает

переключить блок фильтров на обработку коротких блоков и возникают

искажения в виде пред-эхо.

Еще один новый механизм повышения эффективности кодирования

звука - адаптивное предсказание текущего кадра по предшествующему, ши­

роко используемое в кодировании изображения. Оно чаще используется в

технике кодирования речи и более эффективно при низких скоростях потока.

3.2.9. Формирование транспортного потока данных в устройствах кодирования MPEG-2

Структура транспортного потока

Системная часть стандарта МPEG-2 регламентирует порядок форми­ рования единого (транспортного) потока данных из множества элементар­

ных потоков. Транспортный поток МPEG обозначается аббревиатурой

МPEG-TS (Transport Stream), описывается стандартом ISO 13818-1 и может использоваться не только в цифровом телевидении, но и для передачи те­ левизионных сигналов в Интернете. Транспортный поток является бай­ товым, то есть наименьшая структурная единица потока - байт, а не бит.

Обобщенная функциональная схема образования транспортного потока

данных методом мультиплексирования одного видео и одного звукового

элементарных потоков иллюстрируется рис. 3.20. Из рис. 3.20 видно, что после сжатия звуковой и видеоинформации на выходах соответствующих кодеров формируются элементарные потоки (ES - Elementary Stream) дан­

ных. Каждый из элементарных потоков поступает на вход соответствую­

щего формирователя nакетированного элементарного потока (PES - Packetized Elementary Stream). В результате на его выходе образуется раз­ деленная во времени последовательность пакетов. Причем любой PES- пакет содержит кодированные байты только одного элементарного потока данных. РЕS-пакеты состоят из заголовка и следующего за ним пакета данных переменной длины (достаточно большой - до 64 кбаЙт). Длина РЕS-пакетов не фиксируется стандартом, так как данные пакеты не пред­ назначены для использования в качестве самостоятельной единицы. Заго­ ловок РЕS-пакетов начинается со стартового кода объемом три байта, за­ тем следует код идентификации объемом в один байт, который обеспечи­

вает распознавание до 16 видео и 32 аудиопрограмм. Причем каждая из

этих 48 программ может иметь «данные пользователя». Эта информация

предназначена для обеспечения адресуемости потока данных. Кроме того, заголовок РЕS-пакетов может содержать метки времени декодирования

и/или воспроизведения, а также ряд флагов, несущих информацию о за­ шифрованности сигнала, о дополнительной коррекции ошибок.

Из всех подаваемых на вход мультиплексора РЕS-пакетов, соответст­

вующих, например, телевизионным сигналам нескольких программ, фор­

мируется транспортный поток данных. Процесс создания транспортного потока из нескольких РЕS-пакетов называется мультиплексированием. В

зависимости от того, пакеты скольких телевизионных программ находятся

в транспортном потоке, различают одноnрограммный транспортный по­

ток SPTS (Single Program Transport Stream) и многоnрограммный транс­ (Multi Program Transport Stream). Создание SPTS

осуществляется формирователем РЕS-пакетов, а МPTS - мультиплексором РЕS-пакетов. МPTS содержит полную информацию, необходимую для пе­

редачи абонентским устройствам, и может быть подан на модулятор пере-

Рис. 3.20. Функциональная схема формирователя транспортного потока данных в устройствах кодирования MPEG-2

Рис. 3.21. Структура заголовка пакета транспортного потока MPEG-2

датчика. Кроме РЕS-пакетов, на мультиплексор, образующий транспорт­

ный поток, подаются сигналы синхронизации в виде временных меток и

различные другие цифровые данные, например, телетекст, коды доступа и

т.д. Транспортный поток предназначен для использования в устройствах

хранения информации, в системах передачи, то есть в средах с вероятност­

ным воздействием шумов, с возможностью возникновения потерь. Пакеты

транспортного потока имеют фиксированную длину в 188 байт, из которых

4 байта выделяются на заголовок и 184 байта - на полезные данные. Это мо­ гут быть видео или звукоданные, данные пользователя или пустые байты

(1111 1111), называемые сmаффuнгом. Каждый пакет переносит данные

только одного вида. Такой размер пакета транспортного потока был выбран

для совместимости с ранее широко применяемым на сетях связи стандартом

асинхронной передачи данных АТМ. Структура заголовка пакета транс­ портного потока МPEG-2 показана на рис. 3.21 [14].

Первый байт заголовка - байт синхронизации - содержит зарезерви- рованное кодовое число Ох47, легко опознаваемое демультиплексором. Та­ ким образом, синхробайт представляет собой число 47 в шестнадцатерич­

ной форме или 0100 О111 в двоичной, что соответствует числу 71 в деся­

тичной системе счисления. Синхробайт используется в декодере для обес­

печения синхронизации пакетов.

шестнадцатеричных цифр, больших девяти, символ В обозначает одинна­ дцать). Использование шестнадцатеричной системы счисления обусловле­

но тем, что она очень просто соотносится с двоичной системой, в которой

работают система цифрового телевидения: одна шестнадцатеричная цифра

соответствует четырем двоичным разрядам. Число в шестнадцатеричной

записи сопровождается буквой h (hexadecimal - шестнадцатеричный) или начинается со знаков Ох. Так как заголовки транспортных пакетов следуют с интервалом в 188 байт, то это упрощает определение начала пакета. Да­ лее идут три однобитовых флага (ошибки передачи, начала пакета PES и приоритетной передачи) и 13-битовый идентификатор типа пакета PID

(Packet Identifier или Program Identification Number, то есть идентификатор

программ), указывающий на принадлежность пакета тому или иному пото­

ку данных, то есть он опознает пакеты, принадлежащие одному элемен­

тарному потоку. PID служит основным признаком, по которому демульти­

плексор сортирует приходящие РЕS-пакеты на приемной стороне. Други­ ми словами PID является «цифровым позывным» РЕS-пакета, входящего в состав транспортного потока. Из общего числа 8192 возможных значений PID 16 выделены на общесистемные цели, номер 8191 закреплен за стаф­ финговыми байтами, остальные могут назначаться пользователями произ­

вольно для отдельных компонент своих программ.

Еще один байт в заголовке транспортного потока содержит три необ-

ходимых указателя:

двухбитовый указатель скремблирования - свидетельствует о наличии или отсутствии скремблирования транспортного потока; двухбитовый индикатор наличия полей адаптации в нагрузке транс­

портного пакета.

Поле адаптации занимает часть области полезных данных и служит для

ввода управляющих и вспомогательных сигналов, передаваемых не в каж­

дом транспортном пакете. Поле адаптации может также использоваться для передачи данных пользователя, в этом случае оно разбивается на секции.

Значение указателя наличия полей адаптации Ох1 означает, что поле

адаптации отсутствует и в пакете транспортного потока передаются дан­

ные видео или звука; Ох2 присваивается пакету, в котором часть области

полезных данных занимает поле адаптации, остальное занято стаффингом;

индикатор, установленный на Ох3, свидетельствует об одновременном на­ личии и поля адаптации, и полезных данных. Отметим, что заголовки па­ кета транспортного потока и поля адаптации не скремблируются.

Четырехбитовый счетчик непрерывности (СС - Continuity Counter) -

это поле заголовка, которое содержит порядковый номер пакета данного

РШ. Счетчик пакетов транспортного потока циклический, увеличивает свое значение на единицу до 15 при поступлении каждого следующего пакета, после чего он обнуляется. Это значит, что после значения СС = 15 порядко­ вый номер счетчика становится равным единице. Счетчик непрерывности очень удобно использовать декодером приемного устройства для анализа

целостности транспортного потока и принятия мер по замене потерянных

пакетов или по маскированию ошибок, которые могут возникнуть из-за по­

тери части пакетов транспортного потока. Действительно, если после пакета с СС = 1 получен пакет с СС = 5, то это означает, что пакеты с СС = 2, 3, 4

утеряны при передаче (например, из-за помех в канале связи).

Область полезных данных пакета транспортного потока значительно меньше, чем обычная длина РЕS-пакета, поэтому последний для укладки в транспортные пакеты должен разрезаться. Стандарт определяет, что первый байт РЕS-пакета должен обязательно совпадать с первым байтом области

Рис. 3.22. Структура потоков данных в устройствах кодирования MPEG-2

полезных данных пакета транспортного потока, а конец РЕS-пакета - с кон­

цом одного из последующих транспортных пакетов. В случае, если данные

одного PES-пакета заканчиваются в середине пакета транспортного потока, то оставшееся место заполняется байтами дополнительной информации.

Структуры элементарного потока данных (а), РЕS-пакетов (6) и паке­ тов транспортного потока (в) представлены на рис. 3.22.

Таблицы программно-зависимой информации

Вся информация, необходимая декодеру для обработки принятого циф­

рового потока и выделения нужных компонент программы, сосредоточена в

данных управления (их еще называют метаданными), передаваемых в полях

адаптации непосредственно после четырехбайтных заголовков пакетов транспортного потока МPEG-2.

Метаданные организованы в виде нескольких таблиц, содержащих

сведения о составе программ и идентификаторах их компонентов, которые называются таблицами программно-зависимой информации PSI (Program

Specific Information).

Каждая из них передается в транспортном потоке в пакетах с опреде­

ленным PID. Кроме того, все таблицы имеют контрольную сумму (каждая свою), поэтому всегда можно определить, правильно передана таблица или нет. Во всех таблицах есть поля с информацией и дескрипторы, то есть

особым образом структурированные данные описательного характера.

Алгоритм действий декодера МPEG-2 цифрового телевизора при про­

чтении таблиц PSI поясняется рис. 3.23 [14].

Первая таблица, пакеты которой находит декодер МPEG-2 в потоке­

Таблица объединения программ (РАТ - Program Association Table). Табли­ ца РАТ имеет по умолчанию PID = О и включает информацию о програм­ мах, передаваемых в данном потоке, и идентификаторы, относящиеся к

этим программам. Каждый такой PID, в свою очередь, определяет для вы­

бранной программы Таблицу состава программы (РМТ - Program Мар Та­ ble), в которой перечислены все компоненты, входящие в данную про-