Цифровое телевидение

Введение

      В мировой практике наметилось три основных пути построения сети многопрограммного ТВ вещания.

    Первый путь - это создание систем кабельного ТВ различной емкости с подачей на них ТВ сигналов нескольких десятков программ путем приема от ближайших ТВ передатчиков или передачи по радиорелейным, кабельным и спутниковым линиям связи. Предполагается также создание специальных ТВ программ, в том числе платных.

     Второй путь - это внедрение спутниковых систем непосредственного ТВ вещания в диапазоне 12 ГГц с установкой дополнительного приема - передающего устройства для подачи стандартного ТВ сигнала на вход телевизора.

     Третий путь - это развитие наземного телевидения при реализации систем сотового телевидения с низким уровнем излучения электромагнитных волн. Системы сотового телевидения работают по следующему принципу: в пределах зоны телевещания устанавливают сеть радио передатчиков (базовых станций - БС) с радиусом действия 5…6 км. Специальные устройства, установленные на базовых станциях, улавливают сигналы различных программ с разных спутниках связи и ретранслируют их абонентам, которые имеют возможность в среднем до 100 ТВ программ.

  Можно выделить два основных направления изменений  телевизионного стандарта: переход  от одновременной передачи яркостного и цветоразностных сигналов к последовательной их передачи и увеличение числа строк в кадре и элементов изображения в строке. Реализация второго направления  связана с необходимостью сжатия спектра телевизионных сигналов для обеспечения возможности его передачи по каналам связи с приемлемой полосой частот.

  Примерами гибридных телевизионных систем могут служить японская система  телевидения высокой чёткости MUSE и западноевропейские система семейства MAC. В передающей и приёмной частях всех этих систем сигналы обрабатываются цифровыми средствами, а в канале связи сигналы передаются в аналоговой форме. Системы ТВЧ MUSE и HD-MAC имеют формат изображения 16:9, число строк в кадре 1125 и 1250, частоту кадров 30 и 25 Гц, соответственно. С помощью цифрового кодирования исходная полоса частот сигналов этих сигналов этих систем, превышающая 20 МГц, сжатием примерно до 8 МГц. Это позволяет передавать эти сигналы с частотной модуляцией (ЧМ) по спутниковым каналам связи, имеющим ширину полосы 27 МГц. В то же время, широко развитая сеть наземного телевизионного вещания, включающая УКВ-передатчики, кабельную сеть и другую технику, не позволяет передавать и принимать сигналы указанных систем телевидения, так как рассчитана на ширину полосы частот одного канала, равную 6…8 МГц. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Описательная  часть

1. Этапы развития цифрового телевидения

    Цифровое  телевидение – это отрасль  телевизионной техники, в которой  передача, обработка и хранение  телевизионного сигнала осуществляются  в цифровой форме.

  Применение  методов и средств цифрового телевидения – это развития телевизионной техники, обеспечивающая ряд преимуществ по сравнению с аналоговым телевидением:

  - повышение  помехоустойчивости трактов передачи  и записи телевизионных сигналов;

  - уменьшение  мощности передатчиков ТВ-вещания;

  - существенное  увеличение числа телевизионных  программ, передаваемых в том  же частотном диапазоне;

  - повышение  качества изображения и звука  в телевизионных приёмниках с  обычным стандартом разложения;

  - создания  телевизионных систем с новыми стандартами разложения изображения (телевидение высокой чёткости – ТВЧ);

  - расширение  функциональных возможностей студийной  аппаратуры, используемой при подготовке  и проведении телевизионных передач;

  - передача  в телевизионном сигнале различной  дополнительной информации, превращение телевизионного приёмника в многофункциональную информационную систему;

  - создание  интерактивных телевизионных систем, при пользовании которыми зритель  получает возможность воздействовать  на передаваемую программу.

  Эти преимущества обусловлены как самими принципами, присущими цифровому телевидению, так и наличием разнообразных алгоритмов, схемных решений и мощной технологической базы для создания соответствующих устройств.

  В своём  развитии цифровое телевидение прошло ряд этапов. На каждом этапе сначала выполнялись научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, создавались экспериментальные устройства и системы, а затем принимались стандарты, как правило, международные, которые должны выполняться всеми организациями, ведущими телевизионное вещание и выпускающими видеопрограммы, и всеми фирмами-производителями аппаратуры. Принятие стандартов – важнейшая составляющая развития любой технологии.

  Международные стандарты принимаются в первую очередь Международной организацией по стандартизации (ISO – International Organization for Standartization), созданной в 1947 г. Для разработки стандартов в какой-либо области техники ISO создаёт рабочие группы. Пример такой группы – MPEG (Motion Picture Expert Group), занимающаяся стандартами для цифрового телевидения.

  Первый  этап развития цифрового телевидения  – использование цифровой техники  в отдельных частях телевизионной  системы при сохранении обычного стандарта разложения и аналоговых каналов связи. Наиболее важным достижением  было создание полностью цифрового студийного оборудования. На современных телестудиях сигналы передающих камер преобразуются в цифровую форму, и вся дальнейшая их обработка и хранение в пределах телецентра осуществляются цифровыми средствами. Это позволяет в значительной степени реализовать указанные выше преимущества цифрового телевидения. На выходе студийного оборудования телевизионный сигнал преобразуется в аналоговую форму и передаётся по обычным каналам связи.

  Другое  направление использования цифровой техники, характерное для первого этапа развития цифрового телевидения – введение цифровых блоков в телевизионные приёмники с целью повышения качества изображения или расширения функциональных возможностей. Примерами таких блоков могут служить цифровые фильтры для разделения яркостного и цветоразностных сигналов, для уменьшения влияния шумов на изображение и для подавления эхо-сигналов, возникающих при отражении радиоволн от поверхности Земли и различных объектов.

  Второй  этап развития цифрового телевидения  – создание гибридных аналого-цифровых телевизионных систем с параметрами, отличающимися от принятых в обычных стандартах телевидения.

  Третьим этапом развития цифрового телевидения  можно считать создание полностью  цифровых телевизионных систем.

  Первые  предложения по полностью цифровым системам телевидения появились в 1990 г. В основе этих проектов лежали достижения в методах и техники эффективного кодирования и сжатия изображений. Работы в этой области проводились  не только с целью создания цифровых телевизионных систем, но и для таких применений, как видеотелефон и видеоконференции, запись видеопрограмм на цифровые лазерные компакт-диски, компьютерная графика, видеосредства мультимедиа и др.  

  Для сжатия неподвижных изображений широко используется стандарт JPEG (Joint Picture Expert Group). Методы сжатия движущихся изображений и сигналов звукового сопровождения описаны в стандартах MPEG-1 и MPEG-2 (MPEG – Motion Picture Expert Group). Стандарт MPEG-1, ориентированный в основном на запись кинофильмов и видеопрограмм на компьютерные лазерные диски с возможностью воспроизведения изображения и звука с помощью обычного персонального компьютера, был окончательно утверждён к декабрю 1993 г. Стандарт MPEG-2, предназначенный для систем телевизионного вещания как с обычным стандартом разложения, так и с увеличенным числом строк (ТВЧ), был утверждён в ноябре 1994 г.

  Главными  особенностями нового поколения  телевизионных систем являются:

- существенное  сужение полосы частот цифрового  телевизионного сигнала, достигаемое  с помощью эффективного кодирования, то есть сокращения избыточности изображений, и позволяющее передавать 4 и более программ телевидения обычной  чёткости  или 1-2 программы ТВЧ по стандартному телевизионному каналу с шириной полосы частот 6…8 МГц;

- единый подход к кодированию и передачи телевизионных сигналов с различной чёткостью изображения: видеотелефон и другие системы с уменьшенной чёткостью, телевидение обычной чёткости, ТВЧ;

        - интеграция с другими видами  информации  при передачи  по  цифровым сетям связи;

        - обеспечение защиты передаваемых  телевизионных программ и другой  информации от несанкционированного  доступа, что даёт возможность  создавать системы платного ТВ-вещания.

Кратко рассмотрим назначение основных частей системы.

Структурная схема цифровой телевизионной системы показана на рис. 1 
 
 
 
 
 

Рисунок 1- Структурная  схема цифровой телевизионной системы 

      Источник аналоговых телевизионных сигналов формирует яркостный сигнал Е’_Y  и цветоразностные сигналы Е’_R-Y, E’_B-Y      , которые поступают на АЦП, где преобразуются в цифровую форму. В следующей части системы, называемой  кодером изображения или кодером видео, осуществляется эффективное кодирование видеоинформации с целью уменьшения скорости передачи двоичных символов в канале связи. Как будет показано далее, эта операция является одной из наиболее важных, так как без эффективного кодирования невозможно обеспечить передачу сигналов цифрового телевидения по стандартным каналам связи.

   Сигналы звукового сопровождения также  преобразуется в цифровую форму. Звуковая информация сжимается в кодере звука. Кодированные данные изображения и звука, а также различная дополнительная информация объединяются в мультиплексоре в единый поток данных. В кодере канала выполняется ещё одно кодирование передаваемых данных, имеющие целью повышение помехоустойчивости. Полученным в результате цифровым сигналом модулируют несущую используемого канала связи.

   В приёмной части системы осуществляется демодуляция  принятого высокочастотного сигнала  и декодирование канального кодирования. Затем в демультиплексоре поток данных разделяется на данные изображения, звука и дополнительную информацию. После этого выполняется декодирование данных. В результате на выходе декодера изображения получаются яркостный и цветоразностные сигналы в цифровой форме, которые преобразуются в аналоговую форму в ЦАП и подаются на монитор, на экране которого воспроизводится изображение. На выходе декодера звука получаются сигналы звукового сопровождения, также преобразуемые в аналоговую форму. Эти сигналы поступают на усилители звуковой частоты и далее на динамики.

   Системы цифрового телевидения могут  быть двух типов. В системах первого  типа, полностью цифровых, преобразование передаваемого изображения в  цифровой сигнал и обратное преобразование цифрового сигнала в изображение на ТВ экране осуществляются непосредственно преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения информация передаётся в цифровой форме. В цифровых ТВ системах второго типа аналоговый ТВ сигнал, получаемый с датчиков, преобразуется в цифровую форму, подвергается всей необходимой обработке, передаче или консервации, а затем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются существующие датчики аналоговых ТВ сигналов и преобразователи свет-сигнал в ТВ приёмниках. В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый  ТВ сигнал, затем он кодируется, т.е. преобразуется в цифровую форму. Это преобразование представляет собой комплекс операций, наиболее существенными из которых являются дискретизация, квантование и непосредственно кодирование.

   Строго  говоря, дискретизированный и квантованный ТВ сигнал уже является цифровым. Однако цифровой сигнал в такой форме  по помехозащищённости мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом числе уровней квантования. Для увеличения помехозащищённости сигнала его лучше всего преобразовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня квантования) будет преобразован в кодовую комбинацию символов «0» или «1». В этом и состоит третья, заключительная операция кодирования. Данный способ преобразования получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

     Одна  из важнейших областей применения компьютеров в телевидении – системы редактирования и монтажа видеоматериалов и подготовки телевизионных программ.

       Система нелинейного монтажа  содержит один или несколько  цифровых видеомагнитофонов (ВМ) для хранения исходных материалов  и конечного продукта. Центром системы является высокопроизводительный ПК или рабочая станция (компьютер, по производительности и объёму ЗУ значительно превосходящий обычные ПК), имеющий монитор с экраном, обеспечивающим высококачественное отображение нескольких кадров и различной вспомогательной информации.

   Фрагменты телевизионных программ, подлежащие редактированию и монтажу, вводятся в компьютер с помощью специальной  платы ввода/вывода (платы «захвата»  видеосигналов), сжимаются и записываются на жёсткие магнитные диски (НМД). Для сжатия обычно применяется метод Motion JPEG, в соответствии с которым каждый кадр кодируется независимо от других кадров. Это даёт возможность индивидуального доступа к отдельным кадрам. Операция сжатия в реальном времени выполняется аппаратными средствами в плате компрессии/декомпрессии и видеоэффектов.

   Хранение  редактируемых материалов на диске  даёт возможность быстро находить и  переставлять в произвольном порядке  фрагменты изображения и отдельные  кадры, составляя нужную видеопрограмму. При этом процесс монтажа значительно ускоряется и возникают новые возможности, недоступные ранее применявшихся системах. Схема внутриквартирной разводки изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема  внутриквартирной разводки

Ка́бельное телеви́дение (англ. Community Antenna Television, CATV — букв. телевидение с общей антенной) — модель телевизионного вещания (а также иногда и FM-радиовещания), в которой телесигнал распространяется посредством высокочастотных сигналов, передаваемых через проложенный к потребителю кабель. Кабельное телевидение противопоставляется обычному наземному и спутниковому телевещанию.

Долгое время  основой кабельных телесетей  является коаксиальный кабель. Успешное развитие технологий оптической передачи данных привело к внедрению оптического волокна в сети кабельного телевидения в виде так называемых гибридных, или волоконно-коаксиальных сетей (англ. HFC — hybrid fibre-coaxial), в которых сочетаются коаксиальные и волоконно-оптические кабели.

Традиционно аналоговая технология кабельного телевидения успешно осваивает цифровые способы передачи данных, как в традиционном направлении к клиентам (DVB — цифровое телевидение), так и двусторонние (DOCSIS), интерактивные. 
 

1.2 Эксплуатационные  действия операторов кабельного  телевидения

Эксплуатационные действия оператора кабельного телевидения ОАО   

« Уфанет » располагает  круглосуточной диспетчерской службой  и службой технической поддержки, автоматизированной системой приема и  обработки сервисных заявок, системой сетевого мониторинга. Обслуживающий персонал выполняет профилактические работы как по обслуживанию программного и аппаратного обеспечения, так и по техническому обслуживанию ВОЛС. Эксплуатационный персонал выполняет следующие основные функции: текущий ремонт ВОЛС, изменение параметров кабеля, контроль герметичности ОК.

Эксплуатационно-технические  требования к ВОЛС

    Техническое состояние и эксплуатационное обслуживание кабельных линий должно обеспечить бесперебойное высококачественное действие сооружений связи, их максимальную долговечность. Кабели, кабельная арматура, оборудование, устройства защиты и другие сооружения по своим механическим и электрическим характеристикам должны соответствовать действующим государственным стандартам ГОСТ, а при их отсутствии  ведомственным ОСТ или техническим условиям. Все сооружения и устройства должны удовлетворять требованиям охраны труда, техники безопасности и промсанитарии.

Организация технического обслуживания ВОЛС

    Основой технической эксплуатации является техническое обслуживание. Эксплуатационно-техническое обслуживание ВОЛС предусматривает выполнение эксплуатационным персоналом следующих основных функций: охранная работа; техническое обслуживание и профилактика; контроль за техническим состоянием; ремонт; аварийно-восстановительные работы; реконструкция; измерение параметров; защита ОК с металлическими покровами от внешних влияний; контроль герметичности ОК, содержащихся под избыточным давлением

Техническое обслуживание ВОЛС обеспечивает:

• бесперебойное действие всех обслуживаемых сооружений, а также подготовку их к работе в особо сложных условиях;
• содержание всех сооружений в пределах действующих норм и технических условий, а также всемерное улучшение их технического состояния;
• четкое выполнение действующих правил, руководств и инструкций по вопросам технической эксплуатации;
• повышение рентабельности предприятий, систематическое снижение трудовых и материальных затрат на содержание обслуживаемых сооружений;
• внедрение новой техники, передовых методов и научной организации труда;
• ведение эксплуатационно-технического учета;
• проведение разъяснительной работы по обеспечению сохранности линейных сооружений.

Персоналом осуществляется технический надзор над всеми  сооружениями, устраняются выявленные неисправности. При заявки на плохое качество, выполняют тестирование выходных спектров сигнала и помех усилителей при изменении частотного каналов. Принимает меры службы технической поддержки по устранению неисправности. Выполняют тестирование сигнала от источника оконечного оборудования с учетом различных коммутаций волокон. При необходимости системный администратор и оператор, обслуживающий цифровую сеть выезжают к заказчику, где с помощью ноутбука выполняют тестирование сети.

        Техническая эксплуатация должна  обеспечивать соответствие качественных  показателей каналов связи электрическим нормам. Улучшение системы эксплуатации достигается максимальной автоматизацией всех процессов обслуживания с использованием средств диагностики повреждений, централизованным обслуживанием головной станции.

Для обеспечения  выявления характера места повреждения на станциях используется система оптической и акустической сигнализации. Различают аварийную сигнализацию, которая требует немедленного вмешательства обслуживающего персонала и быстрого устранения повреждения, и неаварийную, которая отмечает повреждения, не влияющие в данный момент на общую работоспособность всей станции.

В автоматических телефонных станциях на каждом стативе  размещается плата сигнализации, фиксирующая различные повреждения, и комплект сигнальных ламп. Аварийные сигналы сопровождаются непрерывным звонком, а неаварийные- прерывистым. На обслуживаемых координатных АТС предусмотрено возможность автоматической передачи сигналов о повреждениях через свободную соединительную линию на вышестоящую станцию, где эти данные печатаются на рулоне бумаги. Квазиэлектронные и другие перспективные АТС не требуют вмешательства обслуживающего персонала в случае повреждения. Аварийная сигнализация срабатывает только при выходи из строя важнейших блоков. При включении программы автоматической диагностики можно обнаружить блок или плату, где произошел отказ.

Профилактические  работы проводятся по заранее разработанному плану, где указывается вид профилактики, время и длительность ее проведения.

Капитальный ремонт осуществляется при значительном износе оборудования силами ремонтной бригады. При этом полностью заменяются отдельные изношенные блоки и приборы, а так же некоторые кабели и монтажные провода.

Поэтому наряду с профилактическим используют статистический метод эксплуатации. Он заключается в организации непрерывного сбора информации о качестве работы отдельных устройств, путем тестирования оборудования. На основе  этой информации проводятся анализ состояния оборудования и принимаются меры по повышению качества его работы. Важнейшей задачей эксплуатации КТВ является обеспечение высокого качества обслуживания абонентов и эффективного использования оборудования каналов. Для этого организуется контроль за нагрузкой и качеством работы АМТС и УАК с целью получения данных о степени загруженности приборов, линий и каналов, их исправности, качестве установления соединений, выявление мест возникновения перегрузок. Контроль за нагрузкой может быть плановым и вне плановым.

Главная задача текущего обслуживания оборудования АМТС – оперативное устранение повреждения, выявляемых в ходе контроля. Устранение повреждений производится заменой неисправных приборов или плат резервными.

Оператор технического обслуживания головной станции осуществляет контроль за работой устройств ввода/вывода каналов передачи данных, устраняет выявленные повреждения, ведет учет и обработку данных о качестве работы обслуживаемого оборудования.

Оператор сопровождения  ПО осуществляет контроль за функционированием  ПО узла, подготавливает и вносит коррекции  в ПО, составляет рекламации изготовителю, ведет учет внесенных коррекций в программное обеспечение и техническую документацию.

Оператор технического обслуживания кабельного телевидения  обеспечивает круглосуточный контроль за работоспособностью и качеством  работы, ведет учет всех сбоев и повреждений, проводит, по возможности, их устранение, выполняет комплекс работ.  
 
 

1.3 Основные функции  контроля качества

Большой объем  технических средств, используемых в процессе ТВ вещания, требует непрерывного контроля за его качеством. Широко распространенным средством постоянного контроля является наблюдение ТВ изображения на экранах мониторов. Мониторы включаются во всех узловых точках тракта телецентра, начиная от ТВ камеры и кончая выходом на радиопередатчик или на междугородную линию связи.

В эксплуатационных условиях быструю оценку качества изображения  и тракта передачи производят с помощью  испытательных таблиц. Если изображение  таблицы соответствует установленным  нормам, то гарантируется номинальное  качество при наблюдении реальных сюжетов. Таблицы содержат элементы, с помощью которых можно судит об искажениях сигналов и иметь представление о соответствующих изменениях параметров отдельных звеньев трактов.

Однако наиболее широко используется не контроль самих  параметров изображения, а измерения характеристик технических средств, обеспечивающих передачу и прием ТВ сигналов и определяющих в конечном счете качественные параметры ТВ изображения. При этом очень важно определить, какой участок тракта вносит искажения. Для этого в интервалах КГИ передаются измерительные сигналы для контроля основных параметров элементов тракта в процессе передачи. Такой контроль производится в течение всего времени работы ТВ линии связи.

Во время передачи измерительных сигналов электронные  лучи кинескопов в ТВ приемниках погашены с помощью КГИ, поэтому помех приему изображения не создается. Передаваемые измерительные сигнала не оказывают влияние и на качество синхронизации в ТВ системе, поскольку они размещаются между уровнями белого и черного во временном интервале между ССИ. Требовании, предъявляемые к основным параметрам ТВ трактов передачи, непосредственно нормируются для гипотетической эталонной цепи, которая представляет собой кабельное или радиорелейную линию связи протяженностью 2500 км с двумя переприемами по видеочастоте.

Частотная характеристика канала связи для передачи ТВ сигналов эквивалентна частотной характеристики ФНЧ с частотой среза, равной максимальной частоте спектра ТВ сигнала. Форма  осциллограммы измерительного импульса на выходе канала всегда имеет искажения, вызванные не только искажениями в полосе пропускания канала, но и ограничением спектра измерительного импульса в канале связи. При этом не всегда легко оценить искажения, созданные каналом в полосе его пропускания. Измерительные импульсы должны обладать ограниченным спектром частот, соответствующим рабочей полосе пропускания канала связи.

Для оценки линейных искажений ТВ сигнала, обусловленных  его прохождением через тракт  передачи, дополнительно к переходной характеристики измеряется неравномерной АЧХ тракта. На практике неравномерность АЧХ оценивают с помощью опорных прямоугольных импульсов и пакетов синусоидальных колебаний, наблюдаемых на экране осциллографа в пункте выделения измерительных сигналов. Размах синусоидальных колебаний измеряют на каждой из указанных частот и сравнивают с импульсами.

Линейность амплитудной  характеристики ТВ тракта на практике приближенно оценивают по измерительному сигналу ступенчатой формы, содержащему  пять ступенек одинаковой величины пользованием осциллографического способа. При наличии нелинейности размах отдельных ступенек будет отличаться от номинального значения 0,14 В. Критерием нелинейности является отношением наименьшего размаха ступеньки к наибольшему. Погрешность измерения амплитудной характеристики по ступенчатому каналу составляет 5-10 %.

Влияние яркостного сигнала на сигнал цветности проверяется  с помощью ступенчатого сигнала  с наложенными на него синусоидальными  колебаниями условной поднесущей 4,43 МГц с равными амплитудами. Нелинейность амплитудной характеристики тракта передачи сигнала приводят к дифференциальному усилению сигналов цветности в динамическом диапазоне от уровня черного до уровня белого, а так же к фазовым сдвигом поднесущей, зависящим от уровня яркостного сигнала.

Измерение расхождения  во времени сигналов яркости и  цветности. Данный вид измерений  производится с помощью составного синусквадратичного импульса. При наличии  расхождения искажаются границы отличающихся по цвету яркости участков изображения.

Различие усиления сигнала яркости и цветности  проверяется путем сравнения  размахов импульсов. В этом случае импульс  является опорном, его размах соответствует  уровню белого. Одной из основных причин различия является неравномерность АЧХ в области частоты 4,43 МГц, где размещен спектр сигналов цветности. Допустимое различие усиления находится в пределах + 3 дБ.