Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Спутниковое телевидение. 2

Содержание.

Аннотация…………………………………………………………………………………………............2

Введение………………………………………………………………………………………..................3

1. Орбиты спутников ТВ вещания……………………………………………………………................4

2. Диапазон частот спутникового телевизионного вещания …………………......................................4

3. Принцип построения спутниковых систем связи………………………………….............................7

4. Спутниковое телевизионное вещание…………………………………………………….................10

5. Стандарты MPEG…………………………………………………………………………...................11

6. Методы передачи сигналов телевидения……………………………………………….....................14

7. Оборудования для приема спутникового телевидения……………………………...........................21

Заключение…………………………………………………………………………………….................22

Список литературы...................................................................................................................................22

Аннотация.

Целью данной работы является раскрытие основных компонентов спутникового телевидения, рассмотреть методы передачи сигналов , принцип построения спутниковых систем связи ,выделить преимущества, которыми обладает спутниковое телевидение .

По данной работе можно сделать такие выводы : в последнее время спутниковые системы связи становятся важнейшей движущей силой в развитии телевизионного вещания, а переход к цифровому вещанию становится возможным после методов эффективного сжатия телевизионных сигналов соответствующих стандартов.

Введение.

Спутниковое телевидение уже давно заняло некую нишу в нашей «телевизионной» жизни. С помощью спутниковой антенны мы имеем возможность наслаждаться нашими любимыми телепрограммами, фильмами, а также смотреть массу новых телеканалов в высоком качестве. Прошел тот период, когда приходилось смотреть не качественную картинку, когда «снежило изображение» или звук был не разборчивым, и приходилось вслушиваться в содержимое, чтобы помять смысл фразы.Спутниковое телевидение пришло в наш дом уже очень давно. Спутниковые антенны начали устанавливать более чем 10 лет назад, и в тот период времени это было некой роскошью, потому что стояло больших денег. На сегодняшний день это уже стало обычной, и доступной покупкой, как, например, покупка мобильного телефона.

Спутниковое телевидение обладает целым рядом преимуществ и достоинств:

прежде всего, это высококачественное изображение, без помех и неполадок, благодаря используемым технологиям сжатия передаваемого сигнала;
возможность смотреть спутниковое телевидение где угодно – в городе, на даче или в загородном коттедже;
высокое качество звука.

А основное отличие спутникового вещания от других традиционных способов (эфирное, кабельное) - это цифровое качество и огромное количество телевизионных и радио каналов. Так как спутники находятся на расстоянии более 36 000 км от Земли - это позволяет создавать зону вещания, покрывая сразу несколько регионов, а порой и несколько стран .

1.Орбиты спутников ТВ вещания.

Как известно из истории развития спутникового вещания, все многообразие орбит космических аппаратов, различающихся высотой, формой и наклонением к плоскости экватора, для целей спутникового телевизионного вещания (СТВ) исчерпывается лишь двумя: наклонной эллиптической орбитой типа «Молния» и геостационарной орбитой. Объяснением появления и существования ТВ вещания с эллиптической орбиты может служить относительная маломощность ракет того времени (1965 г.) и возможность обслуживания ТВ вещанием приполярных областей, что для СССР (и до сих пор для России) весьма актуально по географическим условиям. Однако необходимо иметь одновременно несколько спутников на такой орбите для эстафетной передачи программы, обязательную компенсацию доплеровского эффекта в точке приема. Громоздкие следящие системы в антеннах делают в настоящее время этот способ весьма неэффективным по сравнению с СТВ на стационарных (геоцентрических) орбитах. Если запустить спутник на круговую орбиту высотой 35800 км, лежащую в плоскости экватора, и заставить его двигаться в сторону вращения Земли, то период его обращения будет равен 24 ч, а сам спутник - стационарен относительно поверхности Земли.

Рис.1. Расположение спутников на разных орбитах.

Это позволяет осуществлять через спутник непрерывное круглосуточное вещание и использовать земные приемные установки с простыми неподвижными антеннами, не требующими автоматического слежения за положением спутника (в противоположность «Молнии»). Зона видимости (обслуживания) геостационарного спутника охватывает почти треть поверхности Земли, при этом полярные районы обслуживаются плохо, так как спутник виден в этих районах под малыми углами места , к земной поверхности. Угол места - это угол в вертикальной плоскости между направлением на спутник касательной к поверхности Земли в месте приема. Очевидно, что угол места определяется широтой точки наблюдения на Земле и разницей долгот точки стояния спутника и точки наблюдения. Практически принято, что минимальное значение угла места земных станций приема в пределах зоны обслуживания должно составлять не менее3...5° для частот связи меньше 4 ГГц, а для диапазонов выше 10 ГГц ---- не менее 7...10°. Положение луча приемной антенны на Земле в пространстве характеризуется двумя углами - азимутом а и углом места (возвышения). Азимут --это угол между направлениями из места приема на север и на спутник, отсчитанный по часовой стрелке.

Принципиальная возможность успешного приема сигнала от выбранного спутника для земных станций определяется достаточно большим углом места расположения спутника к земной поверхности. При малых углах появляется дополнительное ослабление сигналов в атмосфере Земли. Повышенный уровень шумов и ухудшение условий приема возникают из-за отражения сигнала от поверхности Земли и деталей рельефа.

2. Диапазон частот спутникового телевизионного вещания

При определении диапазонов частот для спутникового ТВ вещания необходимо учитывать большое число различных факторов, таких как ослабление радиоволн в атмосфере Земли, простота аппаратурной реализации антенн и приемных установок, возможность локализации СВЧ излучения бортовыми антеннами и др. Однако наиболее важными и определяющими являются требования электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими радиослужбами. В соответствии с этим выбирается и ограничивается уровень излучаемого со спутника сигнала и уровень сигнала в точке приема. Первый характеризуется произведением мощности (в ваттах) передатчика на коэффициент усиления (в децибелах) бортовой антенны относительно изотропного излучателя. Эта характеристика называется эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью , дБВт. Уровень сигнала в точке приема характеризуется плотностью потока мощности (ППМ) у поверхности Земли относительно потока мощности 1 Вт . При создании практически любой национальной системы спутникового ТВ вещания не удается локализовать ее действие только внутри обслуживаемой зоны. Часть мощности ТВ сигнала, излучаемого со спутника, попадает на территорию определенных стран и может создать помеху их телевизионным или другим радиослужбам. Кроме того, стремление к увеличению числа систем и числа ретранслируемых ТВ программ приводит к повышению плотности размещения спутников на геостационарной орбите и увеличению вероятности взаимных помех между ними. В этих условиях чрезвычайно важной и практически необходимой является международная координация спутниковых систем, предусматривающая плановое и координируемое использование геостационарной орбиты и частот каналов, а также регламентацию ряда параметров спутников и приемных установок, влияющих на ЭМС с другими службами. В зависимости от организации спутниковое ТВ вещание может осуществляться двумя службами. Фиксированная спутниковая служба (ФСС) рассчитана на профессиональный прием спутниковых ТВ сигналов среди других прочих наземными станциями в заранее зафиксированных пунктах. С этих станций через наземные ретрансляторы ТВ сигнал доставляется другим телецентрам и индивидуальным потребителям. Действует ограничение ППМ < =-111 дБВт/м2 для ясной погоды на краю зоны обслуживания. Применяется вертикальная и горизонтальная поляризация. Мощность ретрансляторов в стволе 20...50 Вт. Радиовещательная спутниковая служба (РСС) рассчитана на непосредственный прием населением ретрансляционных через спутник телевизионных и звуковещательных программ, причем прием может быть как индивидуальный, так и коллективный (через кабельную сеть). При этом ограничение ППМ в диапазоне 12 ГГц существенно слабее (103 дБВт/м2), что позволяет организовать прием сигналов на более простые и экономичные антенны и приемники. Применяется левая и правая круговая поляризация при большой мощности ретрансляции в стволе, как правило, более 200 Вт. Полосы частот фиксированной и радиовещательной служб определены Регламентом радиосвязи в 1977 в 1988 гг. а приведены в табл. 1 для всего земного шара.

Рисунок 2. Таблица 1.

Согласно решениям Всемирной Административной конференции по радиосвязи 1977 г. для этого выделены районы: Район 1 (Европа, Африка, Азиатская часть C1-II и Монголия); Район 2 (Северная и Южная Америка); Район 3 (Азия без СНГ, Австралия и Океания). Из данных таблицы видно, что и четкая задача непосредственного ТВ приема зрителем на индивидуальную приемную установку успешнее может быть осуществлена РСС в диапазоне 12 ГГц, где гораздо больше может быть размещено ТВ каналов, меньше ограничения ППМ и размеры приемных антенн в среднем составляют 0,6.. .0,9 м при высокой избирательности в пространстве. Весь опыт Европейского спутникового непосредственного ТВ вещания (СНТВ) подтверждает это, поскольку большая плотность населения в западных странах; высокий уровень жизни и разнообразный этнический состав населения ориентируют развитие спутникового ТВ вещания на свободный выбор пользователем разнообразных программ вещания со спутников. В настоящее время наибольший коммерческий успех СНТВ также обусловлен в диапазоне 12 ГГц, так как совершенные приемные установки позволяют жителю Европы принимать на персональную антенну размером 0,75 м не только национальные программы, но и по своему выбору любые информационные, развлекательные, спортивные и пр., предоставляемые ему интернациональным региональным спутниковым вещанием. Как правило, национальные программы вещания в Европе в диапазоне 12 ГГц организуются на мощных стволах спутников ретрансляторов (около 200 Вт) в рамках службы РРС. Однако все большее число стран Европы, в том числе и Россия. в кооперации эксплуатируют национальные системы СНТВ также и в службе ФСС с учетом прогресса приемной техники и совершенствования бортовой аппаратуры спутников, позволяющей добиваться в направленном пучке излучения необходимой ППМ в зоне обслуживания и принимать программу СНТВ на антенну 0,4.. .0,6 м, обычную для Европы. В настоящее время подавляющая часть ретрансляторов, обслуживающих Район 1 в системе РСС и ФСС работают в диапазоне Кu (12 ГГц) и размещаются на спутниках Аstra, Еutelsat, Siгius, «Горизонт» и др. Число стволов (транспондеров) составляет десятки на один спутник, некоторые находятся в резерве или ждут коммерческих предложений. Размещаемые на спутнике ретрансляторы могут относиться (и также одновременно) к диапазону Кu и С, к службам РСС и ФСС , излучать аналоговые или цифровые ТВ программы . Этот огромный прогресс спутникового вещания контролируется Международным союзом электросвязи под эгидой ООН. Технические вопросы, связанные с использованием частот и выбором позиций спутников на орбитах, разрешаются в Международных консультативных комитетах по радио (МККР) и по регистрации часто (МКРЧ) . Начиная с 1977 г., когда был принят Регламент радиосвязи для трех Районов, для каждой страны закреплены плановые позиции спутника на орбите и плановые частоты пользования с соответствующими зонами обслуживания. На специальной сессии ВАКР 1988 г. были зафиксированы места спутниковых позиций для действующих систем, а для новых предусмотрены зоны обслуживания только в пределах национальных границ каждой страны. Соответственно в настоящее время в мире используются как плановые каналы согласно ВАКР 1977 г. (около 13 %), так и координируемые согласно ВАКР 1988 г. Согласно плану РСС, принятому ВАКР-77, для непосредственного телевизионного вещания (СНТВ) в диапазоне Кu в Районе 1 выделяется полоса частот 11,7...12,5 ГГц, а также присваиваются угловые позиции на орбите спутников, обслуживающих национальные территории. Эта полоса частот разбита на 40 каналов с частотной модуляцией несущей. Разнос между несущими частотами принят равным 19,18 МГц с полосой частот (номинальной) для каждого ТВ сигнала 27 МГц. Очевидно, что на одну зону обслуживания из одной точки геостационарной орбиты нельзя вести передачу на соседних каналах. Несущая частота канала в МГц,

где n -номер канала.

f = 1170,30 + 19,18n

Рисунок 3. Порядок присвоения частот каналов в РСС.

Для уменьшения интерференционных помех между каналами применяется левосторонняя и правосторонняя круговая поляризации соседствующих несущих (рис. 3). По плану РСС ТВ вещание на одну зону осуществляется по четырем-шести частотным каналам, разнесенным друг от друга на четыре канала. Например, для одной из зон СНГ в точке орбиты 230 в.д. выделены каналы 27, 31, 35, 39. В свою очередь, для РСС предусмотрен угловой разнос между соседними по орбите спутниками, равный 60. Таким образом, ВМС при многократном использовании одних и тех же перекрывающихся полос частот обеспечивается благодаря пространственной избирательности узконаправленных земных приемных антенн (т.е. угловому разносу спутников), пространственной избирательности бортовых антенн (разнос зон обслуживания), различию по поляризации (круговая с левым или правым вращением). В план РСС включены только зоны обслуживания для территории одного государства (или его части ) . При составлении Плана РСС-1977 предполагалось на границе зоны ограничение ППМ на уровне -103 дБ•Вт/м2, что позволяет вести непосредственный прием ТВ программ спутникового вещания на простые установки индивидуального приема с добротностью G/Т = = б дБ/К, (где G усиление антенны, Т температура станции) и шириной луча антенны 20 (диаметр антенны 0,9 м). При этом достигается достаточное отношение ЧМ несущей к шуму = 14 дБ, обеспечивающее высококачественное воспроизведение ТВ сигнала на выходе приемника. В современных приемниках снижением шумовой температуры можно добиться такого же приема на антенну существенно меньшего диаметра (0,4 м) и ,тем самым , значительно расширить зону непосредственного спутникового приема за пределы национальной территории. Изначально согласно Плану РСС (ВАКР-1977 г.) предполагалось для Районов 1,3 необходимая ширина волосы частотного канала ретранслятора спутника (ствола) 27 МГц (Район 2 24 МГц) с расширением до 36 МГц (соответственно 32 МГц - Район 2), в котором передаются методом ЧМ цветной телевизионный сигнал со звуковым сопровождением на ЧМ поднесущей и дополнительными ЧМ несущими звуковещательных программ. Однако допускаются и иные виды модуляции (например, цифровая) или другие виды передаваемых сигналов ,например, вместо телевидения несколько каналов звукового вещания высокого качества до 8-10 при условии, что уровень помех, создаваемых в других системах, не превышает плановый. Распределение ТВ сигналов через спутники ФСС получило распространение раньше чем в РСС и приобрело более широкие масштабы, несмотря на дорогостоящие приемные установки, в которых осуществляется многофункциональный прием различных сигналов (телевидение, телефония, дискретные сигналы данных, изображения газетных полос) . Это объясняется несколькими причинами. Спутники ФСС вследствие известных ограничений обладают меньшей мощностью и поэтому дешевле. На них из-за меньшего энергопотребления и массы можно расположить большое число стволов и благодаря этому передавать из одной точки орбиты одновременно много программ, что удобно и зрителям, и организаторам системы вещания. В отличие от РСС, где спутники могут излучать на территорию каждой страны не более пяти программ на частотах Плана РСС, в системе вещания ФСС в некоторых полосах частот (3,400.. . 4,200; 10,9...11,2; 11,45...11,7 ГГц) спутники при соответствующей координации в МККР и МККЧ могут иметь как узкие, так и региональные и глобальные зоны обслуживания. Они могут располагаться в любой точке геостационарной орбиты, для которой удалось добиться координации (т.е. удовлетворительных взаимных помех с ранее заявленными и действующими спутниковыми системами). Другие полосы частот ФСС (4,5...4,8; 11,2...11,45; 10,7... ...10,95 ГГц) согласно Плану ФСС ВАКР-88 г. отводятся на обслуживание национальных территорий подобно тому, как это принято в Плане РСС 1971 г. При этом в Плане-88 зафиксированы позиции спутников на орбите, указаны частоты каналов ТВ вещания и вводится ограничение ППМ на краю зоны обслуживания в условиях доходя -120 дБ•Вт/м2. Полоса частот канала ФСС составляет от 30 до 72 МГц из-за многофункциональности сигналов передачи. В заключение следует отметить, что ограничения ППМ в планируемых и координируемых участках диапазона ФСС, существующие с 1988 г., с прогрессом приемной техники позволяют современным и средствами с малошумящими приемными установками преодолеть это различие в уровнях сигнала спутников ФСС (ППМ -120 дБ •Вт/мг) и РСС (ППЛ/I -103 дБ•Вт/м2) и осуществлять непосредственный прием ТВ сигналов от спутников ФСС на недорогие и сравнительно небольшие антенны диаметром 0,9.. .1,5 м, доступные индивидуальному абоненту.

3.Принцип построения спутниковых систем связи.

Спутниковая сеть связи (рисунок 4) включает в себя:

-космический сегмент, состоящий из нескольких спутниковых ретрансляторов;

-наземный сегмент, (центр управления орбитальными спутниками, шлюзовые станции);

- абонентский сегмент (абонентские терминалы);

-интерфейсы сопряжения шлюзовых станций с наземными сетями связи.

С целью обеспечения отсутствия взаимных помех систем спутниковой связи использование частот и расположение спутниковых ретрансляторов регламентируется Международным консультативным комитетом по радио и Международным комитетом по регистрации частот. Диапазоны частот, выделенные под типы связи (см. рисунок 4) представлены в таблице 2.

Космический сегмент включает спутниковую группировку, состоящую из нескольких спутниковых ретрансляторов, равномерно размещенных на орбитах. Космические аппараты (КА) включают:

- центральный процессор;

-радиоэлектронное оборудование бортового радиотрансляционного комплекса;

- антенные системы;

- системы ориентации и стабилизации;

- двигательные установки;

-система электропитания (аккумуляторы и солнечные батареи).

Рисунок 4.Структура систем спутниковой связи.

Рисунок 5. Таблица 2.

Количество спутников в орбитальной группировке определяется из соображений полного охвата обслуживаемой территории. Например, для низкоорбитальной группировки с орбитой 1000 км и при скорости спутника 7 км/с время видимости спутника составляет 14 минут; после этого спутник «уходит» за линию горизонта и, для обеспечения непрерывности связи, на смену ему должен приходить следующий, за ним – третий и т.д. Т.о. количество спутников будет определяться отношением периода обращения спутника вокруг Земли к периоду нахождения спутника в зоне видимости. С увеличение высоты орбиты увеличивается время видимости спутника, соответственно, уменьшаются требования к численности орбитальной группировки, однако, из-за увеличения дальности связи требуется более сложное и дорогостоящее оборудование. Численность орбитальной группировки определяется компромиссом между стоимостью и объёмом оказываемых услуг и простотой и стоимостью подвижного спутникового терминала.

Обеспечение связи абонента, находящегося в зоне видимости одного спутника, с абонентом, находящимся в зоне видимости другого спутника, организуется посредством связи между спутниковыми ретрансляторами (по цепочке, пока информация не дойдёт до спутникового ретранслятора второго абонента). В некоторых системах эту функцию выполняют шлюзовые станции, транслирующие информацию с одного спутника на другой.

Наземный сегмент включает:

-центр управления системой;

- центр запуска КА;

- центр управления связью;

- шлюзовые станции.

Центр управления системой осуществляет слежение за КА, расчёт их координат, сверку и коррекцию времени, диагностику бортовой аппаратуры, передачу командной информации и т.д. функции управления осуществляются на основе телеметрической информации, получаемой от каждого КА группировки. Благодаря использованию территориально разнесённых контрольно-измерительных станций центр управления системой с достаточно высокой оперативностью выполняет: контроль запуска и точность вывода КА на заданную орбиту, контроль состояния каждого КА, контроль и управление орбитой каждого КА, разрешение нештатных ситуаций, вывод КА из состава орбитальной группировки.

Центр запуска КА определяет программу запуска, осуществляет сборку ракеты-носителя, установку полезной нагрузки КА, предстартовую проверку; после запуска ракеты-носителя - траекторные измерения на активном участке полёта, которые передаёт в центр управления системой для корректировки последующей траектории.

Центр управления связью планирует использование ресурса спутника, посредством шлюзовых станций контролирует и управляет связью. В нормальных условиях работы орбитальной группировки связь со шлюзовой станцией и пользовательскими терминалами осуществляется автономно. В нештатных ситуациях (неработоспособность КА, оборудования спутникового ретранслятора или шлюзовой станции) центр переходит в режим поддержания связи с повышенной нагрузкой, или проводит реконфигурирование сети.

Абонентский сегмент определяется номенклатурой предоставляемых спутниковой системой связи услуг: связь абонентов спутниковой сети с абонентами спутниковой сети, пейджинговых и сотовых сетей, определение местоположения (координат) абонентов.

Абонентское оборудование разделяют на переносные спутниковые терминалы (весом до 700 г) и мобильные терминалы (весом порядка 2,5 кг). Спутниковые телефоны оборудованы антенной, не требующей ориентации на спутниковый ретранслятор. При установлении связи (что занимает порядка 2 с) система автоматически определяет свободный канал и закрепляет его за абонентом на период сеанса связи. Как правило, в телефонах используется временное или частотное уплотнение каналов, хорошо зарекомендовавшее себя в сотовой связи. Некоторые спутниковые телефоны способны работать с сотовыми сетями связи (устанавливается соответствующая SIM-карта).

4. Спутниковое телевизионное вещание.

Спутниковое телевидение – это множество каналов, большой выбор фильмов на любой вкус, детские, новостные, развлекательные, познавательные, спортивные передачи.

Спутниковое телевидение подразделяется на аналоговое и цифровое. На сегодняшний день аналоговое телевидение не способно в полной мере удовлетворить потребности современного человека: качество сигнала страдает, количество каналов периодически сокращается, существует проблемы с необходимым оборудованием (его попросту уже не выпускают). Ориентироваться на аналоговое спутниковое телевидение не имеет смысла. Цифровой формат вещания – это несколько тысяч каналов различных тематик на всех языках мира и отличное качество изображения и звука. Телезрители могут видеть в открытом доступе более 650 каналов с различных спутников.

Современные спутники имеют геостационарную орбиту. Это означает, что угловая скорость движения спутника равна скорости вращения земли по величине и направлению. Это значит, что относительно любой точки на земле, спутник "висит" неподвижно. Высота, на которой висит спутник, равна примерно 36 тысячам километров. Благодаря постоянному положению спутника, для приёма сигнала с него не надо перестраивать антенну. В течение всей своей жизни спутник будет находиться в одном и том же направлении от вас. Число мест на геостационарной орбите, где сегодня обитают спутники телевизионного вещания, ограничено. Сегодня таких мест около четырёхсот. В каждом месте, в каждой точке, могут висеть сразу несколько спутников, даже более десяти. Чтобы спутники не мешали друг другу помехами, их частоты вещания, зоны обслуживания и рабочие каналы выбираются, разбрасываются в определённых диапазонах. Сегодня спутники регулярно выводятся на орбиту и сводятся с неё. Это связано не только с истечением срока службы спутников, который колеблется от пяти до семи лет, но и с моральным старением оборудования, а также с поломками.

Кроме геостационарных спутников, могут использоваться ещё и так называемые низколетящие спутники. Разница между ними в том, что при применении низколетящих спутников связь организуется по принципу цепочки. Над землёй летают сотни спутников, сообщающихся между собой. При приёме данных с низколетящих спутников не обязательно иметь огромную параболическую антенну. Хватит и такой, что используется в сотовых телефонах, так как спутники излучают сигналы на очень высокой частоте. Преимущества использования низколётных спутников очевидны - в космос можно запустить восемь сотен сателлит, которые не будут мешать друг другу и будут равномерно распределять между собой всю полосу каналов, спутники висят низко, покрывают малую площадь большой мощностью передатчиков, а значит, с них можно принимать сигнал на маленькую антенну. Работать с низколетящими спутниками дороже, и пока что предпочтение отдаётся геостационарным. На каждом спутнике работают десятки передатчиков мощностью сотни ватт. Так как спутник сигналом покрывает достаточно большую площадь земли (пятно диаметром 2000 - 3000 км), то уровень сигнала в разных точках приёма различен и невысок.

Спутник (в применении к спутниковому телевидению) - это управляемый с Земли космический аппарат, выполняющий функции телевизионного ретранслятора, то есть принимает телевизионный направленный сигнал с Земли и транслирует его в виде на поверхность неким «пучком».

Для обеспечения трансляции на каждом спутнике имеется определенное число передатчиков ("транспондер"). Число транспондеров у вновь запускаемых спутников постоянно растет. Спутниками, а значит и транспондерами, владеют определенные корпорации (например , EUTELSAT или INTELSAT). Транспондеры сдаются в аренду вещательным компаниям, чьи программы (каналы) мы с вами и смотрим. Сдача транспондера в аренду не обязательно производится на постоянное время. Существует много транспондеров, по которым днем идет один канал, а вечером или ночью другой.

Таким образом, на спутнике с 10 - 20 транспондерами может идти 20 - 30 каналов.

5. Стандарты MPEG.

Аббревиатура MPEG расшифровывается как "Moving Picture Coding Experts Group", дословно - "Группа экспертов по кодированию подвижных изображений". MPEG ведет свою историю с января 1988 года, она была создана Международной организацией стандартов (International Standards Organization или сокращенно ISO) и Международной электротехнической комиссией (International Electro-Technical Commission или сокращенно IEC). Группа была образована для создания стандартов кодирования подвижных изображений и аудио информации. Начиная с первого собрания в мае 1988 года группа начала расти и выросла до необычайно плотной группы специалистов. Обычно, в собрании MPEG принимают участие около 350 специалистов из более чем 200 компаний. Встречи проводятся около трех раз в году. Большая часть участников MPEG - это индивидуальные специалисты, занятые в тех или иных научных и академических учреждениях. Это из области истории. Теперь о практике. На сегодняшний день MPEG разработаны следующие стандарты и алгоритмы:

MPEG-1 (ноябрь 1992) - стандарт кодирования, хранения и декодирования подвижных изображений и аудио информации;
MPEG-2 (ноябрь 1994) - стандарт кодирования для цифрового телевидения;
MPEG-4 - стандарт для мультимедиа приложений: версия 1 (октябрь 1998) и версия 2 (декабрь 1999);
MPEG-7 - универсализованный стандарт работы с мультимедиа информацией, предназначенный для обработки, фильтрации и управления мультимедиа информацией. Не является новым стандартом кодирования, а представляет собой лишь переработанный и измененный набор инструментов для работы с мультимедиа данными.

По порядку.

1) Рассмотрим комплект MPEG-1 (ISO/IEC 11172-3). Этот комплект, в соответствии со стандартами ISO, включает в себя три алгоритма различного уровня сложности: Layer (уровень) I, Layer II и Layer III. Общая структура процесса кодирования одинакова для всех уровней. Вместе с тем, не смотря на схожесть уровней в общем подходе к кодированию, уровни различаются по целевому использованию и внутренним механизмам (что во многом определяет степень схожести алгоритмов, "вышедших" из MPEG-1). Для каждого уровня определен свой формат записи бит-потока и свой алгоритм декодирования. Алгоритмы MPEG основаны в целом на изученных свойствах восприятия звуковых сигналов слуховым аппаратом человека (то есть кодирование производится с использованием так называемой "психоакустической модели").

Комплект MPEG-1 предусмотрен для кодирования сигналов, оцифрованных с частотой дискретизации 32, 44.1 и 48 КГц. Как было указано выше, комплект MPEG-1 имеет три уровня (Layer I, II и III). Эти уровни имеют различия в обеспечиваемом коэффициенте сжатия и качестве звучания получаемых потоков. Layer I позволяет сигналы 44.1 КГц / 16 бит хранить без ощутимых потерь качества при скорости потока 384 Кбит/с, что составляет 4-х кратный выигрыш в занимаемом объеме; Layer II обеспечивает такое же качество при 194 Кбит/с, а Layer III – при 128 (или 112). Выигрыш Layer III очевиден, но скорость компрессии при его использовании самая низкая (надо отметить, что при современных скоростях процессоров это ограничение уже не заметно). Фактически, Layer III позволяет сжимать информацию в 10-12 раз без ощутимых потерь в качестве.

Кратко об алгоритме кодирования. Входной цифровой сигнал сначала разбивается на частотные подполосы. Дальнейший процесс зависит от Layer'a.

В случае Layer III сигнал раскладывается на частотные составляющие в каждой полосе (косинусное преобразование, MDCT). Дальнейшая обработка сигнала нацелена на упрощение сигнала с целью переквантования коэффициентов спектра. Полученный спектр очищается от заведомо неслышных составляющих – низкочастотных шумов и наивысших гармоник, то есть фактически фильтруется. На следующем этапе производится значительно более сложный психоакустический анализ слышимого спектра частот. Это делается в том числе с целью выявления и удаления «замаскированных» частот (частот, которые не воспринимаются слуховым аппаратом в виду их приглушения другими частотами), резких всплесков и проч. После всех этих манипуляций из цифрового аудио сигнала исключается больше половины информации. Кроме этого, базируясь на том, что человеческое ухо способно различать направление звучания только средних частот, то в случае, когда кодируется стерео сигнал, его можно превратить в совмещенный стерео (joint stereo). Это значит, что фактически происходит отделение верхних и нижних частот и их кодирование в моно варианте (средние частоты остаются в режиме стерео). Далее, в случае появления, например, «тишины» в одном из каналов, «пустующее» место заполняется информацией либо повышающей качество другого канала, либо просто не поместившейся до этого. В довершение ко всему проводится сжатие уже готового бит-потока упрощенным аналогом алгоритма Хаффмана (Huffman), что позволяет также значительно уменьшить занимаемый потоком объем.

В случае Layer II идея упрощения сигнала остается той же, однако переквантованию подвергаются не коэффициенты MDCT, а амплитудный сигнал в каждой частотной подполосе.

В июле 2001 компании Coding Technologies и Tomson Mulimedia анонсировали продолжение кодека MP3 (MPEG-1 Layer III) - MP3 Pro. Этот кодек представляет собой доработанный вариант MP3. Подробнее об этом кодеке можно прочесть в обсуждении вопроса о существующих аудио кодеках.

2) Стандарт MPEG-2 был специально разработан для кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения, поэтому на рассмотрении MPEG-2 мы бы не останавливались, если бы в апреле 1997 этот комплект не получил «продолжение» в виде алгоритма MPEG-2 AAC (MPEG-2 Advanced Audio Coding – продвинутое аудио кодирование, ISO/IEC 13818-7). Стандарт MPEG-2 AAC стал результатом кооперации усилий института Fraunhofer, компаний Sony, NEC и Dolby. MPEG-2 AAC является технологическим приемником MPEG-1. Поскольку между опубликованием MPEG-2 AAC и его стандартизацией прошло достаточно времени, свет увидели несколько разновидностей этого алгоритма: Homeboy AAC, AT&T a2b AAC, Astrid/Quartex AAC, Liquifier AAC, FAAC (Freeware Audio Coder), Mayah AAC, PsyTEL AAC, QuickTime AAC, Sorenson и другие (некоторые из этих кодеров даже не полностью соответствовали стандарту - например, Astrid/Quartex и HomeBoy AAC). Процесс стандартизации AAC был достаточно длинным, поэтому многие из приведенных кодеров первоначально были (а, многие, и до сих пор) не совместимы между собой в формате выходного потока.

Спутниковое телевидение. 2 📙 Реферат → 🆔 262254