3. Пристрій кодування звуку

Кодування звуку полягає в розщеплюванні звукової смуги на 32 піддіапазони рівної ширини (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Принципова схема кодування звуку.

Частоти звукового сигналу, що потрапляють всередину кожного піддіапазону, піддаються дискретизації і перетворяться в багатобітовий код. Можливі три частоти вибірки: 32, 44,1 і 48 кГц. Інформація про прийняту частоту вибірки включається в частину звукового пакету, який управляє. Стискування звукової інформації здійснюється за допомогою спеціальних алгоритмів, які видаляють частину звукових даних, не знижуючи якості звуку; ця операція називається маскуванням. При маскуванні використовуються дві особливості слуху людини: 1) слабкий звук стає нечутним через гучний звук на близькій частоті; 2) слабкі високі частоти маскуються гучнішими низькими частотами. Крім того, людський слух має кінцеву роздільну здатність по частоті, внаслідок чого звуки в деякому діапазоні частот сприймаються як однакові. Звукове маскування виконується за допомогою перетворення Фур’є. Звукові сигнали поступають на процесор швидкого перетворення Фур’є (ШПФ), який розкладає звуковий спектр по частотних коефіцієнтах, використовуваних для визначення рівнів квантування різних піддіапазонів. Квантовані піддіапазони разом з необхідною інформацією управління і виявлення помилок поступають на мультиплексор для формування звукового пакету МРЕG-2, показаного на рис. 1.17.

Рис. 1.17. Пакет звукових даних.

Відлікам в піддіапазонах передують заголовок, циклічний надлишковий код (ЦНК), дані про розміщення бітів і масштабування. Заголовок несе інформацію про синхронізацію і систему; біти ЦНК використовуються для корекції помилок; дані про розміщення бітів визначають роздільну здатність вибірки, а біти масштабування несуть інформацію про масштабні коефіцієнти. Допоміжні дані відносяться до центрального і оточуючого звуку Долбі. Кодування за стандартом МРЕG-2 забезпечує двоканальне стереозвучання|, а також до п'яти кана­лів| відеовіщання з|із| бітовою швидкістю 64—256 кбіт/с.

Пакет службових даних є|з'являється| третій складовій елементарного програмного потоку (РES —programme elementary stream) цифрового теле­бачення|. Він містить|утримує| службові і програмні дані. Званий так­ож| приватним пакетом даних, він містить|утримує| серед інших керуючих дан­их| специфічну інформацію про програму, необхідну для іденти­фікації| каналу і вибору відповідних відео-| і звукових пакетів з числа інших мультиплексованих| програм.

Елементарний програмний потік (рис.1.18) містить заголовокі пакет відео-|, звукових або службових даних. Довжина пакету даних зазвичай|звично| рівна 2 КБ (2048 байтів), але|та| може досягати і 64 КБ. Заголовок містить |утримує|інформацію|, необхідну для ідентифікації і визначення пакету, включаючи:

• стартовий код (24 біта), зокрема, 000001 (шістнадцятковий);

• ідентифікаційний код PES (8 бітів), наприклад, відео-|, звукового або приватного пакету;

• код довжини пакету (16 бітів);

• код управління скремблюванням (2 біти).

Рис. 1.18. Пакет даних PES

Заголовок може містити |утримувати|точку часу уявлення|вистави|, яка звіщає | інформацію про час, коли кадр має бути відображений|відображувати|, звуковий фрагмент — почутий або титр — вставлений. Ці тимчасові мітки важливі|поважні| для синхронізації звукових і відеоданих.

Рис. 1.19. Мультиплексування програм.

На рис. 1.19 показана блок-схема пристрою|устрою| для двопрограмного мультиплексування|. Спочатку пакети відео-|, звукових і службових даних кожної програми мультиплексуються| для утворення елементарних програмних потоків РES1 і РES2. Потім два елементарні програмні потоки мультиплексуються|, щоб|аби| отримати|одержувати| транспортний потік. Таким чином, транспортний потік містить|утримує| індивідуальні пакети кожної програми, які ідентифікуються за спеціальною інформацією про програму, що міститься|утримується| в пакеті службових даних. Потім транспортний потік поступає|надходить| в кодуючий пристрій|устрій| каналу, де вводиться|запроваджує| пряма ко­рекція| помилок, і далі в модулятор і передавач, який може бути пе­редатчиком| лінії зв'язку Земля|грунт|-супутник для супутникового телебачення, ефірним передавачем для наземного телебачення або підсилювачем для ка­бельного| телебачення. Модульованому транспортному потоку, як і в випадку| одного аналогового каналу, відводиться|відводить| смуга 8 МГц. У одному транспорт­ном| потоці може міститися|утримуватися| до чотирьох різних програм без зменшення|шкоди| якості зображення. Транспортний потік МРЕG-2 складається з послідовності 188-байтових пакетів даних. Кожен пакет містить 4-байтовий заголовок, за яким йдуть 184 байти відео-, звуковій або службовій інформації, званим корисним навантаженням (рис. 1.20).

Заголовок починається із стандартного 1 - байтового слова синхронізації (шістнадцятковий код 47), яке визначає для пакету послідовність входження в синхронізм. Заголовок (рис. 22.21) надає необхідну інформацію для розпаковування різних програм і відтворення вибраного елементарного програмного потоку на приймальній стороні. Перелік бітів заголовка і їх призначення представлені в табл.1.2.

Таблиця 1.2. Вміст заголовка транспортного потоку MPEG-2

Поле	Біти	Призначення
Слово синхронізації	8	Стартова послідовність заголовка Шістнадцятковий код 47
Індикатор помилки	1	Вказує помилки на попередніх етапах
Індикатор початку блоку корисного навантаження	1	Вказує початок корисного навантаження
Пріоритет	1	Вказує транспортний пріоритет
Ідентифікатор пакету	13	Вказує вміст пакету
Управління скремблюванням	2	Вказує тип скремблювання яке використовується
Прапор поля адаптації	1	Вказує наявність поля адаптації
Прапор корисного навантаження	1	Вказує наявність корисних даних в пакеті
Лічильник звязності	1	Веде облік скорочених порцій PES

Рис. 1.21. Структура заголовка транспортного потоку.

Транспортні пакети коротші за пакети елементарного програмного потоку, довжина яких зазвичай складає 2 КБ (2048 байт), тому пакети РES слід ділити на блоки даних по 184 байти для забезпечення відповідності з пакетом транспортного потоку. Один пакет РЕS розподіляється по декількох пакетах транспортного потоку. Оскільки довжина пакету РES в байтах не кратна 184, останній транспортний пакет (який містить залишок пакету РES) буде тільки частковий заповнений. Незаповнена частина транспортного пакету займається полем адаптації, довжина якого рівна різниці між 184 байтами і залишком РES (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Розміщення пакетів РES: пакети РES розподіляються по декількох пакетах транспортного потоку.

Окрім виконання цієї функції заповнення, поле адаптації служить еталоном програмної синхронізації (РСR — programme clock reference), який використовується на приймальній|усиновленій| стороні для синхронізації базових синхроімпульсів 90 кГц| і є|з'являється| засобом|коштом| для вимірювання|виміру| тимчасових міток програми (РTS — programme time stamp|).

Цифрові сигнали, особливо сигнали з високим рівнем стискування, потребують ефективного виявлення і виправлення помилок. У цифровому телебаченні інтенсивність помилок в бітах має бути порядку 10^-10 — 10^-12, що еквівалентне від 0,1 до 10 помилкових бітів за одну годину передачі. Канал передачі з такою низькою інтенсивністю помилок в бітах називають квазібезпомилковим каналом. Щоб виконати такі строгі умови, доводиться робити певні запобіжні засоби, які гарантують, що помилки, викликані фізичним середовищем передачі, будуть виявлені і, якщо це можливо, скоректовані. У цьому полягає призначення блоку прямої корекції помилок (ПКП)

Перед використанням прямої корекції помилок ІС ПКП виконує так зване розосередження енергії, яке полягає в скремблюванні даних для досягнення рівномірного розподілу енергії по каналу. Щоб забезпечити дескремблювання даних в початкову форму, використовують псевдовипадкове двійкове скремблювання, аналогічне скремблюванню при передачі стереозвуку по системі NICAM.ПКП має три етапи:

• зовнішнє кодування (код Ріда-Соломона|);

• згортальне перемеження|:

• внутрішнє кодування (згортальне).

Внутрішнє кодування (третій етап) не потрібне для кабельного телебачення|. На приймальній|усиновленій| стороні все ці три етапи звертаються|обертаються| (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Згортання етапів кодування.

Зовнішнє кодування використовує код виявлення і виправлення помилок Ріда-Соломона| (РС). При цьому кодуванні не коректуються пакети помилок|, тобто помилки в суміжних бітах. Перемеження дозволяє подолати|здолати| це обмеження|; воно видаляє|знищує| один від одного суміжні біти перед передачею. Якщо середовище|середа| передачі вносить довгі пакети помилок, то на приймальній|усиновленій| стороні помилки віддаляються один від одного шляхом звернення|звертання|перемеження| до поступле­ння на декодер зовнішнього коду. Код РС, вибраний для цифрової телевізійної| передачі, — це код 204:188, в якому до пакетів транспортного потоку додано|добавляти| 16 додаткових байтів (рис. 1.24). Зовнішній кодер РС може виявляти і виправляти 16 байтів помилок в 204-байтовому пакеті.

Рис. 1.24. Транспортний пакет з бітами прямої корекції помилок.

Нарешті, вже згадане раніше внутрішнім кодуванням є інший тип згортального кодування, який володіє більшою здатністю виправлення помилок. Повний (100%) пристрій згортального внутрішнього кодування формує два одночасних вихідних бітових потоки, X і Y, кожен з яких повторює початковий потік даних. Бітові потоки X і Y модулюються і передаються. Хоча цей спосіб забезпечує дуже ефективне виправлення помилок, він по суті подвоює вимоги до ширини смуги каналу. Надмірність можна понизити, використовуючи спосіб, званий проколюванням, відповідно до якого тільки одинз двох одночасних бітів потоків X і Y вибирається для модуляції. Використовується чергування бітів X і Y в межах певного співвідношення, званого відношенням проколювання. Високе відношення проколювання збільшує ефективність корекції помилок ціною зменшення пропускної спроможності каналу. Мовна компанія залежно від потужності передавача, розміру антени і бажаної якості може вибрати відношення проколювання 3/4 або 2/3.

Кінцеве|скінченне| зменшення бітової швидкості здійснюється за допомогою сучасних| способів модуляції. Звичайна|звична| частотна модуляція, при якій логічний 0 і логічна 1 представляються двома різними частотами вкрай|надто| неефективна відносно вимог до бітової швидкості і діапа­зону| робочих частот.

У цифровому телебаченні використовуються три типи модуляції:| відносна квадратурна фазова маніпуляція (ВКФМн) для супутнико­вого| телебачення, квадратурна амплітудна модуляція для кабельного телебачення і кодоване ортогональне частотне ущільнення (СОFDM —coded orthogonal frequency division multiplexing|) для наземного цифрового телебачення.

У супутниковому цифровому телемовленні застосовується такий же вид модуля­ції| (ВКФМн), що і в системі NIСАМ. Чотири значення фази, 45°|, 135°|, 225°| і 315°|, формуються двома несучими з|із| однаковою частотою, розташованими| під прямими кутами|рогами| один до одного. Кожна фаза використовується для представлення комбінації з|із| двох бітів. Для роботи звичайної|звичної| КФМн потрібний еталонний фазовий кут|ріг|. У ВКФМн як еталонний фазовий кут|ріг| використовується попередня фаза, причому кожна зміна| фази представляється 2-бітовою комбінацією.Фазову маніпуляцію можна поліпшити шляхом збільшення числа фазових кутів від 4 для квадратурної фазової маніпуляції (КФМн, або 4-ФМн) до 8 або 16 для 8-ФМн і 16-ФМн відповідно. У разі кодування 8-ФМн та, що несе може мати один з восьми різних фазових кутів (рис. 1.25). причому кожен вектор представлятиме одну з восьми 3-бітових комбінацій. Квадратурна амплітудна модуляція (КАМ) є розширенням ФМн, в тому розумінні, що несе для збільшенні числа бітів в уявленні змінюється як по амплітуді, так і по фазі.

Рис. 1. 25. Векторна діаграма для 8-ФМн

Наприклад, кодування 16- КАМ збільшують бітову ширину модуляції до 4, як показано на рис. 1.26,а. Використовуються 12 різних фазових несучих векторів чотири з яких мають по дві амплітуди, що робить можливим 4-бітове уявлення. На рис. 1.26,б зображені всі можливі несучі фазові кути і амплітуди для 16-ФМн; таку діаграму називають зоряною картою. У кабельному цифровому телемовленні використовується цифрова модуляція більшвисокого порядку|ладу|, 64-КАМ|, в якій кожне поєднання значень несучої фази і амплітуди представляє|уявляє| одну з 64 можливих 6-бітових комбіна­цій|. Зоряна карта для кодування 64-КАМ| показана на рис. 1.27.

Рис. 1.26.а — векторна діаграма для 16-КАМ; б — зоряна карта для 16-ФМн.

Рис. 1.27 Зіркова карта для 64-КАМ

Не дивлячись на|незважаючи на| свою високу ефективність, кодування 64-КАМ| при використанні| для наземного віщання страждає від завмирань і багатопроменевої інтерференції. У аналогових системах завмирання і багатопроменева інтерфе­ренція| викликає|спричиняють| погіршення зображення. У цифрових системах, особливо коли зміна фази на відбитому шляху|колії| складає 180°| по відношенню до прямого шляху|колії|, можливе серйозне погіршення і навіть повне|цілковите| зникнення зображення. Цього можна уникнути, використовуючи модуляцію з|із| декількома такими, що несуть, звану ортогональним частотним ущільненням (ОFDМ).

Оскільки цифровийсигнал кодується із застосуванням прямої корекції помилок, цей процес модуляції називають кодованим ортогональним частотним ущільненням (COFDM).

Спосіб COFDM включає розподіл високошвидкісного послідовного бітового потоку по великому числу близько розташованих індивідуальних несучих частот, рознесених по доступній смузі; та, що кожна несуча передає тільки частину загального бітового потоку. Несучі обробляються (або модулюються) одночасно протягом регулярних інтервалів часу. Набір несучих оброблюваних на кожному інтервалі, називають символом СОРОМ. Внаслідок великого числа що несуть тривалість символу COFDM суттєво більший, ніж тривалість одного біта в початковому бітовому потоці. Хай, наприклад, число модулюючих бітів дорівнює 500, причому кожен з них використовується протягом 0,1 мкс для обробки (модуляції) 500 піднесучих з метою формування символу COFDM. Тоді тривалість символу COFDM складе приблизно 0,1 ∙ 500 = 50 мкс. Велика тривалість символу дозволяє приймачу чекати, поки не прийдуть всі відбиті сигнали, і лише після цього провести оцінку і обробку сигналу. Таким чином, відбиті коливання, що приходять в цей період часу, покращуватимуть шлях прямої передачі. Можливе подальше його поліпшення за допомогою введення перед символом захисного інтервалу (званого також захисною смугою), під час якого приймач чекає перед тим, як почати оцінку несучих.

Відстань між тими, що несуть вибирається рівною 1/ , де — тривалість| модулюючого символу. На рис. 1.28 показаний частотний спектр несучої.

Рис. 1.28. Частотний спектр однієї несучої COFDM.

При використанні несучих виходить плоский час­тотний| спектр з|із| паразитними бічними|боковими| пелюстками на кожному його краю (рис. 1.29). Введення|вступ| захисного інтервалу покращує частотний спектр, зменшуючи вторинні|повторні| бічні|бокові| пелюстки.

Рис. 1.29. Частотний спектр набору несучих СОFDМ.

Набір несучих формованих ОFDМ, дуже нагадує те, що виходить в алгоритмі швидкого перетворення Фур’є (ШПФ), яке проводить розкладання безперервного коливання на частотні складові.

Рис. 1.30. Поступання сигналу на кристал ШПФ.

Для отримання безперервного коливання, яке можна застосувати для модуляції ПВЧ-не­сучої, над несучими СОFDМ виконується зворотне швидке перетворення Фур’є (ЗШПФ). На приймальній|усиновленій| стороні сигнал від ПВЧ- демодулятора поступає|надходить| на кристал ШПФ для отримання|здобуття| початкових|вихідних| несучих СОFDМ (рис. 1.30).

Плоский частотний спектр зменшує вимоги до потужності еквівалентного| ізотропного випромінювача (ПЕІВ) цифрового телевізійного приймача| приблизно на 20 дБ| (у 100 разів) в порівнянні з аналоговим наземним телебаченням при якому потужність несучої концентрується у вузькій смузі навколо|навкруг| тієї, що несе зображення, що піднесуть кольори|цвіт|, ЧМ-звуку і звуку NIСАМ (рис. 1.31). Енергія, яка передається несучими СОFDМ, більш рівномірно розподілена по всьому спектру.

Рис.1.31. Розподіл енергії при аналоговому наземному телебаченні

Окрім поліпшення якості прийому є додаткова перевага, яка полягає у високій стійкості по відношенню до завмирань і багатопроменевої інтерференції. Це дає підставу мовним компаніям використовувати одночастотну мережу по всій країні. При аналоговому телебаченні ідентичний сигнал від сусіднього передавача викличе повторне зображення. Але при цифровому наземному телебаченні його неможливо буде відрізнити від сигналу, передаваного іншим передавачем, також як і відбиті коливання. Якщо сторонні сигнали поступлять під час захисного інтервалу, то будуть знехтувані.

Для цифрового наземного телебачення європейська система DVB базуєт­ся| на модуляції COFDM з 8K (8192) або 2К| (2048) несучих з довжиною| символу ( ) 896 і 224 мкс відповідно. Ефективне число несу­чих|, тобто фактичне число несучих, які можна використовувати для модуляції COFDM, складає 6818 для режиму 8К| і 1706 для режиму 2К|. Решта несучих використовується для захисного інтервалу і як неперервні| і розсіяні |неуважні|пілот-несучі|. Безперервні пілот-несучі| передають параметри конкретної передачі, а розсіяні |неуважні|пілот-несучі |використовуються| як еталонні несучі.

Мультиплекс транспортного потоку передає дві або більше програми, кожна з яких містить декілька елементарних програмних потоків. Інформація про різні компоненти програми і про те, як вони співвідносяться один з одним, міститься в бітах даних спеціальної програмної інформації (СПІ) усередині пакету службових даних. СПІ складається з декількох таблиць, які містять всю інформацію, необхідну для налаштування і вибору програми. Існують чотири основні таблиці.

• Таблиця розміщення програм (РАТ — programme allocation table) встановлює зв'язок між програмою і програмним ідентифікатором (PID) пакетів, що несуть карту програм.

• Таблиця карти програм (РМТ — programme map table) указує програмні ідентифікатори елементарних потоків, складових програму.

• Таблиця умовного доступу (САТ— conditional access table)містить дані управління доступом.

• Приватна таблиця містить приватну інформацію.

Зміна програм або запінг (швидка зміна телеглядачем програми, що проглядається, за допомогою пульта дистанційного керування) є тому набагато тривалішою операцією в порівнянні з аналоговим телебаченням; процес синхронізації і ідентифікації займає більш за одну секунду залежно від того, де відбувається зміна: усередині або зовні каналу.

Розділ 2. Принципи побудови цифрових телевізійних приймачів