Тоискин В.С., Красильников В.В., Петренко В.И. Основы радиосвязи и телевидения: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

211

от 0

до 180

.На рис. 4.21 условно показаны сигналы в блоке задерж-

ки.

- U

Вычитатель

Рис. 4.21. Векторная диаграмма работы линии задержки

Из рисунка видно, что на выходе сумматора составляющие

подавля-

ются, а составляющие

удваиваются. На выходе вычитателя наоборот со-

ставляющие

удваиваются, а составляющие U

подавляются. Поэтому уже

на выходе блока задержки системы PAL составляющие

и U

полностью

разделяются, что исключает появление перекрестных искажений в после-

дующих цепях канала. Эта особенность - важнейшее преимущество системы

PAL по сравнению с NTSC. Блок задержки системы PAL иногда называют

демодулятором с линией задержки.

Изменение фазы вектора

приводит к тому, что фазовые ошибки Δ

двух соседних строк m и m+1, одинаковые по величине, имеют разные знаки.

После прохождения линии задержки и сложения сигналов цветности устра-

няются, как показано на рис. 4.22, фазовые ошибки, возникающие до линии

задержки.

R-Y

B-Y

Рис. 4.22. Компенсация фазовых искажений в системе PAL

Система PAL малочувствительна к асимметрии полосы пропускания

канала цветности, поэтому нет надобности прибегать к использованию осей

и Q (как в NTSC).

212

Удвоение сигналов на выходе линии задержки, кроме того, увеличи-

вает помехоустойчивость приема сигналов цветности примерно на 3 дБ.

Итак, в системе PAL благодаря коммутации на передающей стороне

фазы одной цветовой поднесущей и использования в приемнике блока за-

держки допустимые фазовые погрешности в большинстве цепей канала

цветности могут быть существенно увеличены по сравнению с

каналом

NTSC. Для нормальной работы системы PAL блок задержки должен быть

выполнен с высокой точностью и обеспечивать стабильность своих парамет-

ров во всех условиях работы приемника. Уменьшение чувствительности к

фазовым искажениям в системе PAL достигается за счет усреднения сигна-

лов цветности в двух соседних строках, что приводит к понижению верти-

кальной четкости в

два раза по сравнению с NTSC.

213

5. Перспективные стандарты и системы передачи

изображений

5.1. Системы улучшенного качества

Внедрение любой новой системы телевидения не совместимой со ста-

рой заставляет решать проблемы обновления парка телевизионных прием-

ников, находящихся в эксплуатации у населения. Поэтому были созданы пе-

реходные телевизионные стандарты, обеспечивающие улучшенные, по срав-

нению с традиционными системами, параметры звука и изображения. В то

же время программы, передаваемые в этих стандартах

, можно просматри-

вать на экранах обычных телевизоров, правда, в большинстве случаев, до-

полненных соответствующим декодером. Большое распространение улуч-

шенные стандарты получили в спутниковом телевидении, где декодеры для

них встраиваются в приемники спутниковых программ. Рассмотрим наибо-

лее распространенные из этих стандартов.

Система MAC. Стандарт MAC (Multiplexing Analogue Components –

временное уплотнение аналоговых компонент) был разработан и принят в

начале восьмидесятых годов. Разработка и внедрение стандарта МАС явля-

ется частью европейского проекта EUREKA-95, цель которого - создание

единого стандарта и разработка полного комплекта оборудования ТВЧ как

для профессиональных, так и для бытовых целей. В проекте принимают уча-

стие многие европейские фирмы, включая

такие, как ITT, Philips, Thomson,

Siemens, Nokia, институты и организации. Стандарт является переходным

между устаревшими аналоговыми стандартами и полностью цифровым ме-

тодом передачи телевизионного сигнала. Существует несколько разновидно-

стей этого стандарта, различающихся способом передачи звука и данных (

B-

MAC, C-MAC, D-MAC, D2-MAC, E-MAC для телевидения повышенного каче-

ства и

HD-MAC, HDB-MAC для телевидения высокой четкости).

В настоящее время наибольшее распространение в спутниковом теле-

видении получил стандарт

D2-MAC. В этом стандарте видеосигнал передает-

ся в аналоговом виде, причем сигналы яркости и цветности передаются от-

дельно и сжатые по времени. Звук и данные (сигналы синхронизации, теле-

текста и служебные) передаются в цифровом виде. Стандарт обладает сле-

дующими улучшенными характеристиками, по сравнению с традиционными

аналоговыми системами:

отсутствие перекрестных искажений сигналов

яркости и цветности;

значительно снижены шумы в канале цветности, за счет перевода его в

область низших частот;

удалось повысить разрешающую способность изображения за счет бо-

лее широкой полосы частот сигналов яркости и цветности;

поддерживается два формата экрана - 4:3 и 16:9.

Предусмотрено три различных вида звукового сопровождения:

214

1. Высококачественный стереофонический звук с диапазоном вос-

производимых частот 40-15000 Гц (2 канала);

Высококачественный монофонический звук с диапазоном вос-

производимых частот 40-15000 Гц (4 канала);

Монофонический звук среднего качества с диапазоном воспро-

изводимых частот 40-7000 Гц (8 каналов).

Телезритель при приеме программы в стандарте D2-MAC может вы-

брать один из нескольких вариантов звукового сопровождения: стерео или

моно, на том или ином языке.

Система PALplus. PALplus – аналоговая телевизионная система,

обеспечивающая улучшенное качество при воспроизведении цветного изо-

бражения телевизором с форматом 16:9. Разработана эта система консор-

циумом ряда западноевропейских стран. На стандарт PALplus перешли боль-

шинство стран Западной Европы вещавших в системе PAL. Основной целью

разработки системы PALplus было устранение потерь вертикальной четкости

при передаче широкоэкранных фильмов и сохранение совместимости с

обычными телевизорами PAL. При воспроизведении на экране телевизора с

форматом кинескопа 4:3 широкоэкранного фильма верхняя и нижняя части

экрана остаются черными. В результате число строк, приходящихся на изо-

бражение, уменьшается, т. е. ухудшается вертикальная четкость.

Система PALplus обеспечивает вертикальную четкость 576 строк. Для

просмотра программ системы PALplus телевизор с форматом 16:9 должен

иметь соответствующий декодер PALplus. На обычном

же телевизоре фор-

мата 4:3 работающем в системе PAL, программа будет выглядеть обычным

образом.

Российские специалисты разработали усовершенствованную широко-

экранную систему SECAM, обеспечивающую демонстрацию широкоэкран-

ных фильмов телевизорами формата 16:9 аналогичную системе PALplus.

Кроме этого предполагается устранить недостатки стандарта СЕКАМ, по-

зволяющие увеличить четкость изображения по горизонтали более чем на

25%. Усовершенствованную систему СЕКАМ предполагается использовать

в широкоэкранном российском ТВ стандарте.

Стандарт цифрового телевидения MPEG-2. Хотя рассмотренные

выше стандарты и обеспечивают более качественные характеристики изо-

бражения и звука, чем системы PAL, SECAM, NTSC, наиболее высокие по-

казатели имеют полностью цифровые стандарты. Основной проблемой при

реализации цифровых стандартов является необходимость обработки и пе-

редачи большого количества видеоинформации. Одним из решений этой

проблемы является разработка и использование различных способов сжатия

исходной

, предназначенной для оцифровки видеоинформации.

В 1988 году для разработки методов сжатия и восстановления цифро-

вого видеосигнала была организована специальная группа экспертов –

Motion Pictures Expert Group (MPEG). Результатом исследований этой груп-

215

пы явилось создание международных стандартов для сжатия цифрового те-

левизионного сигнала, также получивших название MPEG.

Специально для кодирования сигналов вещательного телевидения был

разработан стандарт MPEG

-2. Он позволяет получить высокую четкость ТВ

изображения, обеспечивая 576 активных строк в кадре и 720 отсчетов в ак-

тивной части строки (горизонтальная четкость). Применение этого стандарта

в вещательном телевидении позволяет значительно снизить объем переда-

ваемых в единицу времени видео - и звуковых данных и за счет этого пере-

давать несколько цифровых программ в

полосе частот одного стандартного

радиоканала эфирного, кабельного или спутникового телевизионного веща-

ния. Например, в системах спутникового телевизионного вещания сжатие

ТВ сигнала в стандарте MPEG-2 позволяет передавать по одному каналу до

пяти цифровых программ при профессиональном качестве видеосигнала.

Телевидение высокой четкости. Со времени появления трех основ-

ных систем цветного телевидения PAL, SECAM и NTSC происходило посто-

янное совершенствование телевизионной аппаратуры с одной стороны и

возрастание требований к качеству телевизионного изображения с другой.

Качество изображения, которое обеспечивали три рассмотренные выше сис-

темы, перестало устраивать как производителей ТВ аппаратуры, так и теле-

зрителей. Строчная структура изображения была

явно заметна, особенно на

телевизорах с большим экраном. Это привело к возникновению идеи созда-

ния системы телевидения, обеспечивающей качество изображения, сопоста-

вимое с качеством кинофильма - телевидения высокой четкости (ТВЧ).

Для устранения недостатков, присущих обычному телевидению, раз-

рабатывают новые системы телевизионного вещания на 1000…2000 строк с

форматом кадра

k = 16 : 9 = 1,78, высококачественным стереозвуковым со-

провождением, включая временное уплотнение (разделение) сигналов ярко-

сти и цветности, увеличение разрешающей способности по яркости и цвет-

ности по вертикали и горизонтали при числе элементов изображения

(1,5…6)

⋅ 10

(вместо 0,3 ⋅ 10

в стандартной системе на 625 строк). Такое

изображение будет пригодно для воспроизведения на большом экране.

Для передачи такого большого объема видеоинформации без сжатия

необходимая полоса частот одного ТВ канала будет более чем в 30 раз шире,

чем в традиционных ТВ системах. Подобная широкополосная система, на-

зываемая максимальной, вряд ли могла быть реализована.

Поэтому в разных

странах были проведены разработки так называемых минимальных широко-

форматных систем с повышенной четкостью. Было создано несколько сис-

тем с изображением форматом 16:9, числом строк около тысячи и частотами

кадровой развертки 50/60 Гц.

В Японии с 1989 года проводятся регулярные трансляции ТВЧ, а

большинство японских фирм, производящих электронную технику, освоили

выпуск телевизоров

ТВЧ. В японской системе изображение форматом 16:9

разлагается на 1125 строк с частотой полей 60 Гц.

216

Широкое распространение ТВВЧ получило и в США, особенно в се-

тях кабельного телевидения. По некоторым источникам, в этой стране ис-

пользуется 18 вариантов ТВВЧ. В конце 1996 года Федеральной комиссией

связи США (FCC) принят цифровой стандарт цветного ТВЧ (HDTV

- High

Density TV

). Основанная на этом стандарте система ТВ призвана заменить

систему NTSC. Новая система с разложением на 1000 строк позволяет в

стандартном ТВ канале системы NTSC передавать одновременно 2 програм-

мы в стандарте HDTV или 4 программы с разложением на 625 строк. Пере-

дача программ в системе NTSC будет продолжаться еще некоторое время,

пока старые телевизоры, находящиеся в эксплуатации, не будут

заменены

телевизорами, поддерживающими новую систему.

Были разработаны следующие системы телевидения нового стандарта

качества (ТНСК):

а)

несовместимая на 1125 строк с чересстрочной разверткой на 60 по-

лей в 1 с и форматом кадра 5:3 ( Компания

NHK, Япония);

б)

совестимая на 1250 строк с прогрессивной разверткой на 50 кад-

ров в 1 с и форматом кадра 16:9 (проект «Эврика-95», ряд стран Западной

Европы);

в)

совместимая на 1050 строк с чересстрочной разверткой на 60 по-

лей в 1 с и форматом кадра 16:9 (США). Системы на 1125 и 1250 строк

предназначены для передачи сигналов в телевизоры непосредственно от

геостационарных спутников связи в диапазоне 12 ГГц (метод непосредст-

венного приема телевидения – НТВ).

Система на 1050 строк предназначена для передачи сигналов в теле-

визоры по действующим широкополосным наземным

линиям связи и до-

полнительному узкополосному каналу связи (2 - канальная система). Ниже

представлена структурная схема такой системы.

На рис. 5.1 представлена структурная схема совместимой системы

ТНСК, предложенная В. Е. Гленном и К. Г. Гленн (Нью-Йорк, Технологиче-

ский институт). Рассмотрим некоторые моменты работы. Передаваемая сце-

на через полупрозрачное, нейтральное зеркало проецируется на обычную

камеру цветного телевидения 1, рассчитанную на стандартную систему

NTSC (525 строк при 60 полях в 1 с) с чересстрочной разверткой 2:1 и фор-

матом кадра 4:3. Полученный в кодере 2 сигнал

U1 излучается радиопе-

редатчиком 3 как базовый сигнал

и принимается на телевизоры с разверт-

кой на 525 строк. Одновременно она проецируется на одну передающую

трубку 4 с разверткой на 1050 строк (с прогрессивной разверткой), с часто-

той кадров 15 Гц и с форматом 5:3. После усилителя 5 видеосигнал

U2 по-

ступает на радиопередатчик 6, излучается как дополнительный сигнал

принимается телевизорами системы ТНСК. Спектр видеосигнала

U2 имеет

ширину 3 МГц (сигнал яркости в стандартной системе NTSC на 525 строк

имеет ширину спектра 4 МГц) и содержит информацию о яркости мелких

деталей изображения.

217

1:20 U2

а)

U2 U3 Ey





+Ey



U5 Ey



1125/2:1/5:3

б)

4 5

1050/15/1:1/5:3

525/30/2:1/4:3

7 8 9

1050/15/1:1/5:3

525/30/2:1/4:3

Рис. 5.1. Структурная схема совместимой системы ТНСК: а – передающей части;

б – приемной части

Телевизор принимает оба сигнала со стандартами 1050/15 и 525/30 от

радиопередатчиков 3 и 6, здесь 7 – радиоканал и видеодетектор. Сигнал U2

поступает на цифровой пространственный фильтр 8 и далее на преобразова-

тель развертки 9, на выходе которого сигнал

U4 имеет чересстрочную раз-

вертку на 1125 сток и формат кадра 5:3 (это сигнал яркости мелких деталей

) и далее он поступает на слагатель 13.

На входе блока 10 (стандартный радиоканал, видеодетектор, декодер)

сигналы U5 представляют собой стандартные сигналы на 525 строк



, E



r-y



b-y

, которые подаются на преобразователь развертки 11. Этот преобразова-

тель содержит устройство памяти на кадр. На выходе устройства 11 сигналы

U6 (E

-y,

b-y

) имеют чересстрочную развертку на 1125 строк. Составляю-

щая

в сигнале U6 подается на слагатель 13, на выходе которого образу-

ются сигналы

E

+ E



, обозначенные U7. Сигнал U7 и два цветоразностных

сигнала из U6 подаются на матрицу 12, на выходе которой образуются сиг-

налы

r

, E



, E

b

на 1125 строк с чересстрочной разверткой 2 : 1, подаваемые

на кинескоп 14. В преобразователе развертки 11 при считывании сигнала на

1125 строк формат кадра преобразуется из 4:3 в 5:3.

218

5.2. Цифровое эфирное телевидение

Цифровые ТВ сигналы несут гораздо больше информации, чем анало-

говые, а занимают всего лишь часть их стандартной частотной полосы. Циф-

ровые телевизионные сигналы могут надежно передаваться при более низ-

кой мощности несущей, и приниматься с полным разрешением даже при

плохих условиях приема сигнала. Более того, сигналы цифрового телевиде-

ния могут принадлежать

к различным стандартам и форматам изображения –

от обычного до изображения высокой четкости. Звуковое сопровождение по

качеству может варьироваться от качества, эквивалентного компакт-диску до

самого современного 3-мерного звукового сопровождения в стандарте

“Dolby Surround”. Ко всему вышеперечисленному стоит добавить возмож-

ность параллельной передачи дополнительной информации. Еще одной важ-

ной особенностью цифрового ТВ является

возможность организации обрат-

ного канала, то есть интерактивность. Пользователь (телезритель) получил

возможность участвовать в процессе подбора телепрограмм, а в некоторых

системах даже непосредственного участия в теле-шоу.

В начале 70-х годов при Европейском вещательном союзе (EBU) и в

МККР в 1972 и 1974 годах соответственно были созданы специальные ис-

следовательские группы по цифровому

телевидению. В их задачу входила

координация работ по согласованию технических требований к будущим

системам цифрового вещания и разработка путей их практической аппара-

турной реализации. Опытные образцы цифровой техники тех лет были чрез-

вычайно громоздки, а для трансляции требовались очень широкополосные

каналы. (Согласно Рекомендации CCIR-601 скорость цифрового потока

цветной картинки студийного качества составляет

270 Мбит/с). Однако, если

вместо полной последовательности передавать только ключевые (опорные)

сцены и информацию об изменении этого исходного изображения от кадра к

кадру, то цифровой поток видеоданных при этом можно сжать раз в 50, при-

чем практически без потери качества картинки. В середине 70-х годов, почти

одновременно в ряде стран (в

том числе и в СССР) были разработаны алго-

ритмы устройств компрессирования видеосигналов и созданы их действую-

щие прототипы, наглядно продемонстрировавшие возможность сжатия в не-

сколько раз потока данных сигнала. Например, советские ученые еще в 1982

году продемонстрировали аппаратуру, позволяющую передавать цифровой

телевизионный сигнал в полосе частот всего 34 МГц. Однако на элементной

базе

тех лет и приемная, и передающая части цифрового тракта получались

чрезвычайно сложными и дорогими, имели низкую надежность, и поэтому

практическое использование цифровая компрессия в телевидении не нашла.

В 1991 году специальной группе MPEG, созданной Международным

союзом телекоммуникаций ITU для разработки алгоритмов кодирования ви-

деосигналов, удалось найти очень удачный и эффективный алгоритм

PEG-1.С помощью

MPEG-1 цветная картинку с уровнем качества VHS

(Video Home System) и стереозвуковым сопровождением удавалось cжать до

219

скоростей порядка 1,5 Мбит/с. В 1993 году разрабатывается более совер-

шенный алгоритм цифрового компрессора видеосигнала, известный как

MPEG-2. Этот стандарт, опубликованный в 1994 году, дает возможность бо-

лее эффективно “упаковывать” высококачественное цветное изображение

вещательного качества в цифровой поток со средней скоростью 3 Мбит/с. В

принципе, MPEG-2 позволяет передавать телевизионные сигналы как с

большими (до 15

Мбит/с), так и с меньшими скоростями (начиная с 1,5

Мбит/с) цифрового потока, при этом качество изображения напрямую связа-

но с величиной скорости передачи данных. Благодаря более совершенному

алгоритму обработки видеоизображения, даже при низкой скорости потока

картинка MPEG-2 все равно получается значительно лучшей, чем может

обеспечить аппаратура MPEG-1 при тех же условиях.

Разработка

эффективного алгоритма сжатия была хотя и необходи-

мым, но все же недостаточным условием для появления цифрового ТВ. Ведь

сигнал нужно было передать по каналу связи. Наиболее просто эта проблема

решается в каналах спутникового ТВ, у которых широкая полоса частот в 27

МГц и практически нет отраженных сигналов. В столь хороших условиях,

даже относительно простая в аппаратной реализации квадратурно-фазовая

манипуляция QPSK (Quaternary Phase Shift Keying), используемая в системе

цифрового спутникового телевидения DVB-S (Digital Video Broadcasting-

Satellite), обеспечивает прекрасные результаты.

Суть этого метода заключается в фазовой манипуляции (то есть моду-

ляции с фиксированными дискретными значениями изменяемого параметра)

несущей частоты спутникового канала. При этом фаза несущей в соответст-

вии с поступающим на вход

модулятора цифровым сигналом DVB принима-

ет одно из 4 фиксированных значений (+45, -45, +135 и -135 градусов отно-

сительно начального значения фазы). Для обнаружения и коррекции оди-

ночных и групповых (пакетных) ошибок в передаваемой программе транс-

портный поток данных дополнительно кодируется помехоустойчивым кодом

Рида - Соломона с перемежением битов. Так как все основные компоненты и

технологии, применяемые в

DVB-S, были известны и хорошо “обкатаны” к

началу 90-х годов (QРSK-модуляция, к примеру, с 80-х годов широко ис-

пользовалась в цифровой телефонии), эта система была разработана и освое-

на в рекордно короткие сроки. Передачи по системе DVB-S начались спустя

всего 2 года после опубликования стандарта MPEG-2. Пионером внедрения

стала Германия, где еще в

мае 1996 г. компания DF1 начала регулярные

трансляции своих программ в стандарте DVB-S. Несколько позже, во Фран-

ции начались трансляции цифрового телевидения Canal Plus. Эти программы

также были платными, но французы охватили своим вещанием не только

Францию, но и Испанию, Италию, Бельгию с примкнувшим к ней Люксем-

бургом, Скандинавию, а также Польшу и еще целый ряд

стран. Сегодня ау-

дитория цифрового телевидения DVB-S в Европе насчитывает уже десятки

миллионов зрителей (в том числе и в России) и продолжает расти. Ведь по-

220

мимо улучшенного качества картинки DVB-S позволила значительно увели-

чить количество принимаемых программ, поскольку в полосе частот одного

аналогового канала можно передавать сразу несколько цифровых сигналов.

Стоимость самого простого цифрового приемника-приставки к телевизору

STB/DVB-S доступна. Правда, сегодня большая часть цифровых спутнико-

вых каналов являются платными. В России платным цифровым телевещани-

ем занимается “

НТВ+”.

В 2000 году во многих других европейских государствах начались

опытные передачи наземного ТВ в стандарте DVB-T: в Германии, Нидер-

ландах, Финляндии, Англии, Франции, Италии и Дании.

В России работы по внедрению наземного цифрового телевидения

ведутся уже 3 года. Более того, уже начались опытные передачи по европей-

ской системе DVB-T. Летом 2000 года запущен цифровой передатчик

Нижнем Новгороде, а зимой - в Санкт-Петербурге. На будущий год, плани-

руется начало цифрового вещания в Москве, где выделен 32-й канал. Инте-

ресно, что значительная часть оборудования для экспериментов, включая

кодер MPEG-2 и передатчик цифрового телевизионного сигнала, разработа-

на российскими учеными и изготовлена на отечественных предприятиях. Зе-

леноградский НИИ “Научный

центр” при участии МНИТИ (Московский на-

учно-исследовательский телевизионный институт) должен разработать и из-

готовить отечественный цифровой приемник-приставку к телевизору. А на

Санкт-Петербургском телевизионном “Заводе им. Козицкого” совместно с

МНИТИ начались работы по созданию гибридного аналого-цифрового теле-

визора, который наряду с программами обычного вещательного телевидения

сможет также принимать

и передачи наземного цифрового. Серийный вы-

пуск таких аппаратов может начаться уже в ближайшие год-два.

Переход на цифровое телевизионное вещание предполагает замену

аналогового сигнала цифровым с сохранением существующего стандарта

разложения растра, поэтому он может быть воспроизведен любым цветным

и черно-белым телевизором при помощи внешней STB-приставки. С учетом

этого,

а также еще целого ряда других технических факторов, европейский

стандарт DVB-T был выбран в качестве основы для отечественной системы

цифрового телевидения, и экспериментальное вещание в России будет про-

водиться именно по этой системе.

Ориентировочной датой окончательного перехода к стандарту DVB-T

всех членов Евросоюза называется 2015 год.

5.3. Стандарт наземного цифрового телевидения ATSC

Стандарт цифрового телевидения ATSC (Advanced Television Systems

Committee) описывает систему, спроектированную с целью передачи высо-

кокачественного изображения, звука, а также дополнительных данных в по-

лосе частот 6 МГц, соответствующей ширине канала аналогового телевиде-

ния NTSC. Структура и параметры радиосигнала системы NTSC позволяют