Расчет линии связи для системы телевидения

В этом пункте кратко опишем структурные схемы станций.

Рассмотрим простейшую земную станцию, предназначенную для приема однонаправленной информации -- одноствольную приемную ЗС. Сигналы, излучаемые ИСЗ, принимаются (рис. 1.4.1,а) антенной 1 ЗС, перехватывающей электромагнитное излучение и преобразующей его в электрическое напряжение. Далее принятый сигнал усиливается малошумящим входным устройством 2, содержащим малошумящий усилитель, смеситель, предварительный усилитель промежуточной частоты. Необходимые для преобразования частоты колебания формируются гетеродинным трактом 3. Основное усиление сигнала осуществляется в усилителе промежуточной частоты УПЧ 4, в состав которого входит фильтр (или фильтры), формирующий полосу пропускания, оптимальную для приема сигнала (полоса либо близка к полосе ствола, если принимаемый сигнал занимает весь ствол, как при приеме программ телевидения, многоканальных телефонных сообщений с временным многостанционным доступом и т.п., либо составляет лишь часть полосы ствола, например при приеме телефонных сигналов в системе с частотным многостанционным доступом). За усилителем следуют демодулятор 5, выделяющий передаваемое сообщение, и оконечное каналоформирующее оборудование 6. Например, при приеме программ телевидения в устройстве 6 могут осуществляться регенерация синхросмеси, выделение канала звукового сопровождения, рассекречивание сигналов и т.п. Принятая информация поступает по наземной соединительной линии 7 к потребителю программ (или на телевизор, если это станция индивидуального приема). В современных приемных устройствах часто применяют двукратное преобразование частоты.

Рис. 1.4.1. Упрощенные структурные схемы одноствольной приемной (а) и многоствольной приемопередающей (б) ЗС, а также бортового ретранслятора КС (в).

Комплекс 8 служит для наведения антенн на ИСЗ; в него входят привод, перемещающий антенну, и аппаратура наведения, управляющая его движением. В простых приемных станциях антенна обычно неподвижна (имеется лишь механизм неоперативной первоначальной ориентации) или имеет механизм установки в несколько фиксированных положений (позиционер).

Более сложные земные станции, предназначенные для дуплексной связи и работающие в нескольких стволах ИСЗ, строятся по более общей схеме (рис. 1.4.1,б), где 1 -- антенна с комплексом наведения, используемая обычно одновременно для приема и передачи; 2 -- фильтр разделения приема и передачи; 3 -- малошумящий усилитель; 4 -- устройство сложения (фильтр сложения) сигналов передатчиков различных стволов; 5 -- устройство разделения (фильтр разделения) принимаемых сигналов различных стволов; 6 -- передающее устройство ствола; 7-- приемное устройство ствола; 8 -- каналообразующая аппаратура ствола; 9 -- аппаратура соединительной линии. На схеме не показаны резервные комплекты и переключатели на резервные комплекты, обычно имеющиеся на ЗС.

Рассмотрим основные элементы радиотехнического комплекса космической станции, входящего в систему спутниковой связи. Этот комплекс состоит из двух основных частей -- антенн и бортового ретранслятора.

На борту современных связных ИСЗ обычно устанавливают несколько приемных и передающих антенн. Это объясняется необходимостью сформировать различные зоны обслуживания с целью привести в соответствие излучение антенн с размещением земных станций на поверхности Земли, чтобы не рассеивать энергию бесполезно на те районы, где она используется. Высокая направленность приемных и передающих антенн ИСЗ способствует также уменьшению взаимных помех с другими системами связи - спутниковыми и наземными, повышает эффективность использования геостационарной орбиты.

Сигнал, принятый антенной КС, поступает на входное малошумящее устройство 1 (рис. 1.4.1,в), в качестве которого на ИСЗ применяют смесители, усилители на малошумящих ЛБВ или транзисторах. Принятый сигнал усиливается на частоте приема, промежуточной частоте и частоте передачи. В современных ИСЗ часто осуществляется не двух-, а однократное преобразование частоты, непосредственно с входной в выходную, при этом усилитель ПЧ отсутствует.

В схеме могут применяться устройства разделения, коммутации, объединения сигналов (коммутатор на рис. 1.4.1,в), цель которых - подать сигналы, адресованные тем или иным ЗС, на передающие антенны с соответствующей зоной обслуживания. Перспективны системы с быстродействующей переориентацией узкого луча антенны (с коммутацией луча), что позволяет осуществлять связь со многими ЗС через остронаправленные антенны, не увеличивая числа антенн на борту ИСЗ, многократно использовать полосу частот.

На рис. 1.4.1,е не показаны резервные элементы и устройства переключения на резерв; эти схемы обычно достаточно сложны, поскольку степень резервирования различна для разных элементов тракта в зависимости от их надежности, важности для жизнеспособности ИСЗ, срока службы.

В некоторых случаях на космической станции выполняется более сложная обработка сигналов, например преобразование вида модуляции, регенерация сигналов, передаваемых в дискретной форме.

2. Принципы построения систем спутникового цифрового ТВ вещания

2.1 Методы формирования и передачи сигналов телевидения и звукового вещания

Стандарты сигналов спутникового ТВ вещания.

Стандартом ТВ сигнала называют совокупность определяющих его основных характеристик, таких как способ разложения изображения, число строк и кадров, длительность и форма синхронизирующих и гасящих импульсов, полярность сигнала, разнос между несущими частотами изображения и звукового сопровождения и метод модуляции последней, параметры предыскажающей цепи звукового сигнала и др. Для цветного телевидения добавляется метод передачи сигналов цветности совместно с сигналом яркости. В спутниковом вещании традиционно используются стандарты формирования ТВ сигнала, сложившиеся в наземном телевизионном вещании. Для черно-белого телевидения существует 10 стандартов, которые принято обозначать латинскими буквами В, D, G, Н, I, К, Kl, L, М, N.

По способу передачи сигналов цветности различают три системы цветного телевидения: SECAM, NTSC и PAL. Каждая из трех систем может применяться с любым из 10 стандартов черно-белого ТВ вещания, давая 30 возможных комбинаций. На практике применяются девять разновидностей PAL, шесть - SECAM и один стандарт из группы NTSC.

Системы SECAM, NTSC и PAL были разработаны для наземных ТВ сетей, использующих амплитудную модуляцию (AM) нecущей изображения, и не очень пригодны для спутниковых канатов где основной является частотная модуляция (ЧМ). При прохождении ЧМ сигнала через тракты с неравномерной амплитудной и нелинейной фазовой характеристикой возникают перекрестные искажения сигналов яркости и цветности, ухудшающие качество изображения. К тому же из-за треугольного спектра демодулированного шума при ЧМ сигналы цветности оказываются в области повышенной спектральной плотности мощности шума, что снижает помехоустойчивость приема этих сигналов

Во многих странах проводились поиски новых методов формирования ТВ сигнала, свободных от указанных недостатков Наилучших результатов ожидали от цифровых методов передачи. Однако для передачи цветного ТВ изображения с высоким качеством скорость цифрового потока должна составлять более 200 Мбит/с, что значительно превышает пропускную способность типового ствола спутникового ретранслятора с полосой пропускания 27.. .36 МГц. В качестве компромисса для первого поколения европейских систем непосредственного телевизионного вещания был разработан и принят комбинированный цифроаналоговый стандарт с поочередной передачей на периоде активной части строки сжатых во времени аналоговых сигналов яркости и цветности, получивший название MAC (Multiplexing Analogue Components -- уплотнение аналоговых компонент). Сигналы звукового сопровождения, синхронизации, служебная и дополнительная информация передаются в цифровой форме. В зависимости от выбранного способа передачи звука и данных различают стандарты В-МАС, С-МАС, D- и D2-MAC. Подробнее об этом будет рассказано ниже.

В конце 80-х гг. был создан алгоритм цифрового сжатия, позволявший передать высококачественное изображение со скоростью 7...9 Мбит/с, изображение вещательного качества -- со скоростью 3,5...5,5 Мбит/с и кинофильм (совокупность неподвижных изображений) со скоростью не более 1,5 Мбит/с. На основе этого алгоритма Международная организация стандартизации приняла два стандарта обработки ТВ изображения: MPEG1 для телевидения с невысокой разрешающей способностью и прогрессивной разверткой (компакт-диски, компьютерные игры, мультимедиа) и MPEG2 для вещательного телевидения с чересстрочной разверткой. Дальнейшим развитием MPEG2 стал европейский стандарт цифрового ТВ вещания (DVB), содержащий нормы на параметры модуляции, кодирования и передачи по каналам связи.

Передача ТВ сигналов в цифровой форме со сжатием

Создание эффективного алгоритма цифровой обработки ТВ сигнала стало возможным на основе достижений теории зрения и техники сверхбольших интегральных схем (СБИС). Алгоритм, положенный в основу стандартов MPEG, включает определенный базовый набор последовательных процедур, показанный на упрощенной структурной схеме цифрового кодера (рис. 2.1.).

Рис. 8.2. Упрощенная структурная схема цифрового кодера

В качестве исходного используется компонентный ТВ сигнал RGB, затем он матрицируется в сигнал YUV; дискретизация, как и в цифровом стандарте «4:2:2», осуществляется с тактовыми частотами 13,5 МГц для сигнала яркости и 6,75 МГц для цветоразностных сигналов. На этапе предварительной обработки удаляется информация, затрудняющая кодирование, но несущественная с точки зрения качества изображения. Обычно используется комбинация пространственной и временной нелинейной фильтрации.

Основная компрессия достигается благодаря устранению избыточности ТВ сигнала. Различают три вида избыточности -- временную (два последовательных кадра изображения мало отличаются один от другого), пространственную (значительную часть изображения составляют однотонные одинаково окрашенные участки) и амплитудную (чувствительность глаза неодинакова к светлым и темным элементам изображения).

Временная избыточность устраняется передачей вместо кадра изображения его отличий от предыдущего кадра. Простое вычитание кадров было значительно усовершенствовано, когда заметили, что большая часть изменений, появляющаяся на изображении, может быть интерпретирована как смещение малых областей изображения. Разбив изображение на небольшие блоки (16 х 16 элементов) и определив их расположение в предыдущем кадре, можно для каждого блока найти набор параметров, показывающий направление и значение его смещения. Этот набор называют вектором движения, а всю операцию -- предсказанием с компенсацией движения. По каналу связи передаются только вектор движения и относительно небольшая разность между текущим и предсказанным блоком. На этом этапе устраняется пространственная избыточность -- разностный сигнал подвергается преобразованию из пространственной в частотную область, осуществляемому с помощью двумерного дискретно-косинусного преобразования (ДКП). ДКП преобразует блок изображения из фиксированного числа элементов в равное число коэффициентов. Это дает два преимущества. Во-первых, в частотной области энергия сигнала концентрируется в относительно узкой полосе частот (обычно на НЧ) и для передачи несущественных коэффициентов достаточно небольшого числа битов. Во-вторых, разложение в частотной области максимально отражает физиологические особенности зрения.

Следующий этап обработки заключается в адаптивном квантовании полученных коэффициентов. Набор коэффициентов каждого блока рассматривается как вектор, и процедура квантования производится над набором в целом (векторное квантование). Оценка показывает, что описанная процедура сжатия близка к теоретическому пределу сжатия информации по Шеннону.

Амплитудная избыточность исходного сигнала устраняется на этапе кодирования сообщения перед подачей его в канал связи. Не все значения вектора движения и коэффициентов блока равновероятны, поэтому применяется статистическое кодирование с переменной длиной кодового слова. Наиболее короткие слова присваиваются событиям с наибольшей вероятностью. Дополнительная компрессия достигается кодированием в виде самостоятельного символа групп нулей.

Отличительной чертой стандартов MPEG1 и MPEG2 является их гибкость. Они могут работать с параметрами разложения изображения 525 строк при 30 кадрах в секунду и 625 строк при 25 кадрах в секунду, пригодны для форматов изображения 4:3, 16 9 и др , допускают усовершенствование кодера без изменений в уже установленных декодерах.

Для спутникового телевидения более перспективным, безусловно является MPEG2, рассчитанный на обработку входного сигнала с чересстрочной разверткой и различными скоростями цифрового потока (4...10 Мбит/с и более), каждой из которых соответствует определенная разрешающая способность. По этому параметру в стандарте определены четыре уровня: низкий (на уровне бытового видеомагнитофона), основной (студийное качество), телевидение повышенной четкости с 1440 элементами на строку и полное ТВЧ с 1920 элементами. По сложности используемого алгоритма обработки стандарт содержит четыре профиля:

простой - согласно вышеописанному алгоритму; основной - с добавлением двунаправленного предсказания;

улучшенный основной - с улучшением либо отношения сигнал-шум, либо пространственного разрешения;

перспективный - с возможностью одновременной обработки цветоразностных сигналов.

На рис. 2.2. показаны соответствующие этим градациям максимальные значения разрешающей способности и скорости цифрового потока.

Рис. 2.2. Уровни и профили стандарта MPEG2: ТВЧ - телевидение высокой четкости; х - сочетание не используется.

Используемые алгоритмы позволяют гибко варьировать параметры сигнала в пределах одной градации шкалы рис. 2.2. В качестве примера на рис. 2.3 приведена зависимость качества изображения от, скорости цифрового потока (информационной) в режиме «основной уровень - основной профиль», наиболее употребительном сегодня в спутниковом телевидении.

Можно рассчитать, что в спутниковом канале с пропускной способностью 20...25 Мбит/с можно передать четыре-пять программ хорошего качества, соответствующего магистральным каналам подачи программ, пли 10...12 программ с качеством, соответствующим видеомагнитофону стандарта VHS.

Рис. 2.3. Зависимость качества изображения с цифровой компрессией от скорости цифрового потока.

Составной частью в стандарты MPEG1 и MPEG2 входят алгоритмы передачи звуковых сигналов с цифровой компрессией, позволяющие уменьшить скорость цифрового потока в шесть-восемь раз без субъективного ухудшения качества звучания. Один из широко используемых методов получил название MUSICAM.

Исходным сигналом является ИКМ последовательность, полученная стробированием исходного звукового сигнала с тактовой частотой 48 кГц и преобразованием в цифровую форму с точностью 16 бит/отсчет. Признано, что такой цифровой сигнал соответствует качеству звучания компакт-диска (CD-quality). Для эффективного использования спектра необходимо снизить максимальную скорость цифрового потока. Новая техника кодирования использует свойства человеческого восприятия звука, связанные со спектральным и временным маскированием. Шумы квантования динамически приспосабливаются к порогу маскирования, и в канале передаются только те детали звучания, которые могут быть восприняты слушателем. Эта идея реализуется в кодере. Здесь с помощью блока фильтров происходит разделение сигнала на 32 парциальных сигнала, которые квантуются в соответствии с управляющими сигналами психо - акустической модели человеческого слуха, использующей оценку порога маскирования для формирования этих управляющих сигналов. На выходе кодера из парциальных отсчетов формируется набор кодовых слов, объединяемый далее в кадр заданной длительности. Выходная скорость кодера в зависимости от требований качества и числа программ в канале может составлять 32, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 160 или 192 кбит/с на монопрограмму. Скорость 32 кбит/с соответствует обычному речевому каналу, 48 кбит/с -- наземному AM вещанию. При скорости 256 кбит/с на стереопару не только обеспечивается качество компакт-диска, но и имеется значительный запас на последующую обработку.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8