Беляев Ю.В., Галочкин Ю.И. Цифровое телевидение

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.16. Квантование с переменной длиной

Высокочастотная информация может допускать более высокий уровень

ошибок квантования, поэтому ей присваиваются более низкие уровни

квантования.

Весовые ( масштабные) множители квантования затем модифицируются,

чтобы учесть битовую скорость на выходе процессора ДКП. Если имеется грубая

деталь изображения и большинство коэффициентов ДКП равны или близки к

нулю, т. е. несущественны, процессор ДКП формирует короткую строку

коэффициентов, что вызывает минимальные требования к битовой скорости и

полосе. Однако блок с более тонкими деталями изображения будет представлен

длинной строкой коэффициентов, а это предъявляет более высокие требования

к битовой скорости и полосе, которые могут выйти за установленные границы.

Чтобы избежать этого, используется кодирование с переменной длиной ( рис.

1.16). Такое кодирование обеспечивает динамическое изменение весовых

коэффициентов квантования в зависимости от битовой скорости, возникающей

в самом процессоре ДКП. Квантованные биты поступают сначала в буферную

память, а затем передаются с постоянной скоростью в кодирующее устройство

передачи. Если битовая скорость увеличивается и буфер начинает

переполняться, то запускается блок управления битовой скоростью, уровень

квантования уменьшается, и битовая скорость данных снижается. Другими

словами, выходная битовая скорость поддерживается постоянной.

Сравнение векторов. Действительное число битов, требуемое для

представления каждого отсчета, можно дополнительно уменьшить, используя

кодированные двоичные последовательности , такие, например, как при

неравномерном кодировании или векторном кодировании. При

неравномерном кодировании укорачиваются длинные последовательности

одинаковых чисел, например, последовательность 3, 3, 3, 3, 3, 3 заменяется на

6, 3 ( число 3, повторенное шесть раз). Векторное кодирование является

разновидностью кодирования с предсказанием, при котором квантованная

группа пикселов, например матрица 8x8, представляется кодовым вектором.

Вектор, математически представляющий блок пикселов , сравнивается с

набором векторов , заранее загруженных в ПЗУ. Выбирается вектор с

наилучшим соответствием, который и передается должным образом. На

приемной стороне переданный вектор вновь преобразуется в первоначальный

блок на основе таблицы преобразования , которая содержит тот же набор

векторов и соответствующие им изображения.

1.7. Устройство кодирования звука

Кодирование звука заключается в расщеплении звуковой полосы на 32

поддиапазона равной ширины (рис. 1.17). Частоты звукового сигнала, попада-

ющие внутрь каждого поддиапазона, подвергаются дискретизации и преоб-

разуются в многобитовый код. Возможны три частоты выборки: 32, 44,1

и 48 кГц. Информация о принятой частоте выборки включается в управляю-

щую часть звукового пакета. Сжатие звуковой информации осуществляется с

помощью специальных алгоритмов, которые удаляют часть звуковых данных,

не снижая качества звука; эта операция называется маскированием. При

маскировании используются две особенности слуха человека: 1) слабый звук

становится неслышимым из-за громкого звука на близкой частоте; 2) слабые

высокие частоты маскируются более громкими низкими частотами. Кроме то-

Рис. 1.17. Принципиальная схема кодирования звука

го, человеческий слух имеет конечную разрешающую способность по частоте,

вследствие чего звуки в некотором диапазоне частот воспринимаются как

одинаковые. Звуковое маскирование выполняется с помощью преобразования

Фурье. Звуковые сигналы поступают на процессор быстрого преобразования

Фурье ( БПФ), который раскладывает звуковой спектр по частотным

коэффициентам, используемым для определения уровней квантования

различных поддиапазонов. Квантованные поддиапазоны вместе с необходимой

информацией управления и обнаружения ошибок поступают на мультиплексор

для формирования звукового пакета MPEG-2, показанного на рис. 1.18.

Отсчетам в поддиапазонах предшествуют заголовок, циклический избыточный

код (ЦИК), данные о размещении битов и масштабировании . Заголовок несет

информацию о синхронизации и системе; биты ЦИК используются для

коррекции ошибок; данные о размещении битов определяют разрешающую

способность выборки, а биты масштабирования несут информацию о

масштабных коэффициентах. Вспомогательные данные относятся к

центральному и окружающему звуку Долби . Кодирование по стандарту

MPEG-2 обеспечивает двухканальное стереозвучание, а также до пяти каналов

видеовещания с битовой скоростью 64 – 256 кбит/с.

Рис. 1.18. Пакет звуковых данных

1.8. Пакет служебных данных

Пакет служебных данных является третьей составляющей элементарного

программного потока (programmer elementary stream - PES) цифрового теле-

видения. Он содержит служебные и программные данные. Называемый также

частным пакетом данных, он содержит среди других управляющих данных

специфическую информацию о программе, необходимую для идентификации

канала и выбора соответствующих видео- и звуковых пакетов из числа других

мультиплексированных программ.

1.9. Структура элементарного программного потока

Элементарный программный поток ( рис. 1.19) содержит заголовок и

пакет видео-, звуковых или служебных данных. Длина пакета данных обычно

равна 2 кб (2048 байтов), но может достигать и 64 кб. Заголовок содержит

информацию, необходимую для идентификации и определения пакета,

включая:

• стартовый код (24 бита), в частности, 000001 (шестнадцатеричный);

• идентификационный код PES (8 битов), например, видео-, звукового

или частного пакета;

• код длины пакета (16 битов);

Рис. 1.19. Пакет данных PES

• код управления скремблированием (2 бита).

Заголовок может содержать метку времени представления, которая сооб-

щает информацию о времени, когда кадр должен быть отображен, звуковой

фрагмент — услышан или титр — вставлен. Эти временные метки важны для

синхронизации звуковых и видеоданных.

1.10. Мультиплексирование программ

На рис. 1.20 показана блок-схема устройства для двухпрограммного

мультиплексирования . Сначала пакеты видео-, звуковых и служебных данных

каждой программы мультиплексируются для образования элементарных

программных потоков PES1 и PES2. Затем два элементарных программных

потока мультиплексируются , чтобы получился транспортный поток. Таким

образом, транспортный поток содержит индивидуальные пакеты каждой

программы, которые идентифицируются по специальной информации о

программе, содержащейся в пакете служебных данных. Затем транспортный

поток поступает в кодирующее устройство канала, где вводится прямая кор-

рекция ошибок, и далее в модулятор и передатчик, который может быть пе-

редатчиком линии связи «земля-спутник» для спутникового телевидения ,

Рис. 1.

. Мультиплексирование программ

ным передатчиком для наземного телевидения или усилителем для кабельного

телевидения. Модулируемому транспортному потоку, как и в случае одного

аналогового канала, отводится полоса 8 МГц. В одном транспортном потоке

может содержаться до четырех различных программ без ущерба качеству

изображения.

1.11. Структура пакетов транспортного потока

Транспортный поток MPEG-2 состоит из последовательности 188-

байтовых пакетов данных. Каждый пакет содержит 4-байтовый заголовок, за

которым следуют 184 байта видео-, звуковой или служебной информации,

называемой полезной нагрузкой (рис. 1.21). Заголовок начинается со

стандартного 1- байтового слова синхронизации ( шестнадцатеричный код 47),

которое определяет для пакета последовательность вхождения в синхронизм.

Заголовок ( рис. 1.22) предоставляет необходимую информацию для

распаковки различных программ и воспроизведения выбранного

элементарного программного потока на приемной стороне. Перечень битов

заголовка и их назначение представлены в табл. 1.

Транспортные пакеты короче пакетов элементарного программного по-

тока, длина которых обычно составляет 2 кб, поэтому пакеты PES следует де-

лить на блоки данных по 184 байта для обеспечения соответствия с пакетом

транспортного потока. Один пакет PES распределяется по нескольким пакетам

транспортного потока. Поскольку длина пакета PES в байтах не кратна 184,

последний транспортный пакет (который содержит остаток пакета PES) будет

только частично заполнен. Незаполненная часть транспортного пакета

занимается полем адаптации, длина которого равна разности между 184 бай-

тами и остатком PES (рис. 1.23). Кроме выполнения этой функции заполнения

поле адаптации служит эталоном программной синхронизации (programmer

clock reference - PCR), который используется на приемной стороне для

синхронизации базовых синхроимпульсов 90 кГц и является средством для

измерения временных меток программы (PTS — programmer time stamp).

Рис. 1.21. Пакет данных транспортного потока

Рис. 1.22. Структура заголовка транспортного потока

Таблица 1

Содержание заголовка транспортного потока MPEG-2

Поле Биты

Назначение

Слово синхронизации 8 Стартовая последовательность заголовка,

шестнадцатеричный код 47

Индикатор ошибки 1 Указывает ошибки на предыдущих этажах

Индикатор начала блока полезной

нагрузки

1 Указывает начало полезной нагрузки

Приоритет 1 Указывает транспортный приоритет

Идентификатор пакета 13 Указывает содержимое пакета

Управление скремблированием 2 Указывает тип используемого скрембли-

рования

Флаг поля адаптации 1 Указывает наличие поля адаптации

Флаг полезной нагрузки 1 Указывает наличие полезных данных в

пакете

Счетчик связности 1 Ведет счет сокращенных порций PES

Рис. 1.23. Размещение пакетов PES: пакеты PES распределяются по нескольким

пакетам транспортного потока

1.12. Прямая коррекция ошибок

Цифровые сигналы, особенно сигналы с высоким уровнем сжатия,

нуждаются в эффективном обнаружении и исправлении ошибок. В цифровом

телевизионном вещании интенсивность ошибок в битах должна быть порядка

-10

- 10

-12

, что эквивалентно 0,1-10 ошибочным битам за один час передачи.

Канал передачи со столь низкой интенсивностью ошибок в битах называют

квазибезошибочным каналом. Чтобы выполнить столь строгие условия,

приходится предпринимать определенные предупредительные меры, которые

гарантируют, что ошибки, вызванные физической средой передачи, будут

обнаружены и, если это возможно, скорректированы. В этом заключается

назначение блока прямой коррекции ошибок (ПКО).

Перед использованием прямой коррекции ошибок ИС ПКО выполняет

так называемое рассредоточение энергии, которое заключается в

скремблировании данных для достижения равномерного распределения

энергии по каналу. Чтобы обеспечить дескремблирование данных в исходную

форму, используют псевдослучайное двоичное скремблирование, аналогичное

скремблированию при передаче стереозвука по системе NICAM. ПКО имеет

три этапа:

• внешнее кодирование (код Рида-Соломона);

• сверточное перемежение;

• внутреннее кодирование (сверточное).

Внутреннее кодирование (третий этап) не требуется для кабельного теле-

видения. На приемной стороне все эти три этапа обращаются (рис. 1.24)