Техническое описание DVB-T2

DVB-Т2 принципиально отличается как архитектурой системного уровня (МАС-уровня — Media Access Control), так и особенностями физического уровня, вследствие чего приёмники DVB-T несовместимы с DVB-T2.

В DVB-T2 используется OFDM модуляция с большим количеством поднесущих, обеспечивающая устойчивый сигнал. Подобно DVB-T, DVB-T2 предусматривает большое количество различных режимов, это делает DVB-T2 очень гибким стандартом. Для выполнения коррекции ошибок в DVB-T2 применяется такое же кодирование, которое было выбрано для DVB-S2. Сочетание кодирования с низкой плотностью проверок на чётность (LDPC) и кодирования Боуза-Чоудхури-Хоквингема (BCH) обеспечивает очень устойчивый сигнал и превосходное качество в условиях с высоким уровнем шумов и помех.

В 2009 году консорциум DVB выпустил новый стандарт наземного эфирного цифрового телевидения, который называется DVB-T2. Эта спецификация позволяет получить более высокую полезную скорость передачи в стандартной полосе эфирного ТВ вещания в среднем на 30…60 %, по сравнению с предшественником DVB-T. Величина выигрыша зависит от конкретных режимов модуляции и варианта построения вещательной сети. Максимальный такой выигрыш будет достигнут в одночастотных сетях.

Модификация DVB-T2 является идеальным решением, предоставляющим высокий уровень устойчивости сигнала и обеспечивающая необходимое увеличение пропускной способности, при сохранении существующей инфраструктуры антенн. У DVB-T2 имеется несколько существенных отличий от DVB-T. Например, для инкапсуляции видеопотока может применяться не только транспортный поток MPEG-2, но и транспортный поток общего назначения (GTS- generic transport stream). В GTS используется переменный размер пакета вместо фиксированного, применяемого в MPEG-2. Это позволяет снизить объѐ м передаваемой служебной информации и сделать адаптацию транспортного потока (ТП) к сети более гибкой. Кроме ТП, могут также передаваться любые другие цифровые потоки. Таким образом, по сравнению с DVB-T, отсутствует привязка к какой-либо структуре данных на транспортном уровне. Использование помехозащитного кода с низкой плотностью проверок на чѐ тность (LDPC- Low density Parity Check Codes) вместе с новыми размерностями быстрого преобразования Фурье (FFT- Fast Fourier transform) и защитными интервалами, а также с новыми режимами распределения пилот-сигналов позволяют адаптивно оптимизировать параметры в зависимости от характеристик конкретного канала. 28) Одночастотная сеть (SFN) – сеть передающих станций, в которой вещание осуществляется на одной частоте. Данная технология позволяет использовать множество передатчиков, работающих на одной частоте и покрывающих смежные области. При этом использование одного частотного канала происходит без существенного взаимного влияния передатчиков друг на друга из-за технологических особенностей системы DVB-T.

29) Пакеты Т2-MI (DVB-T2 Modulator Interface), которые описывают транспортный уровень, имеются только на выходе модулятора, но не излучаются в эфир. Для случаев, когда несколько репитеров принимают DVB-T2 сигнал с основного передатчика и ретранслируют его в общую вторую сеть, а именно одночастотную сеть (SFN), они вещают с синхронизированных во временной области ретрансляторов. Этот случай изображѐ н на рис.1. Существует 2 типа ретрансляторов: - регенеративные ретрансляторы, т.е. происходит демодуляция DVB-T2 сигнала, заново модулируется принятый транспортный поток в форму восстановленного DVB-T2 сигнала для последующей передачи в эфир; - ретрансляторы со сдвигом, т.е. они сдвигают частоту, амплитуду, осуществляют временную задержку и передают принятый DVB-T2 сигнал в эфир без полной перемодуляции. Основной передатчик на частоте f1Приѐ мники на частоте f1SFN ретрансляторы (репитеры) на частоте f2Постройки в тени от основного передатчика

Рис.1 SFN с ретрансляцией от основного передатчика.

В этой ситуации ретрансляторы не имеют доступа к содержимому T2-MI пакетов, которые передавались в эфир с основного передатчика на физическом уровне DVB-Т2. Поскольку физический уровень сигнала определяется основным передатчиком, только по синхронизации данных на ретрансляторе можно определить время излучения сигнала. Расчѐ т времени осуществляется путѐ м обработки специального пакета транспортного потока (TS)- Т2-MIP (DVB-T2 Modulator Information Packet), который содержится в излучаемом в эфир сигнале DVB-T2. Напомним, что T2-MIP- это совместимый с MPEG-2 TS-пакет, состоящий из 4 байт заголовка и 184 байтов данных. Этот пакет TS декодируется в демодуляторе 3 каждого ретранслятора для извлечения требуемого времени распространения текущего суперкадра сигнала DVB-T2.. Основываясь на этой информации, и на знании о времени прихода текущего принятого суперкадра, каждый ретранслятор вычисляет то необходимое время задержки суперкадра, по истечении которого суперкадр будет передан в эфир в требуемое время. Эта версия спецификации Т2-MI определяет только пакет Т2-MIP, идущий в транспортном потоке, который аналогичен пакету, использующемуся в сетях DVB-T. Среди существующих спецификаций нет эквивалента для таких механизмов синхронизации сетей для обеспечения сервиса в таких сетях, как например GSE. На рис.2 изображена схема построения таких сетей. Отметим также, что вставка Т2-MIP осуществляется в шлюз Т2, и эта часть определяет структуру кадра и суперкадра Т2, и, следовательно, временную взаимосвязь пакетов транспортного потока TS с физическим уровнем модуляции. МодуляторМодуляторМодуляторВыделениеT2-MIPВыделениеT2-MIPВставкаT2-MIPШлюзT2Восстановление эквивалента T2-MI (включая расчѐ т времени)Информация о таймингахMUXEncEncSl etc.

Рис.2 Общая архитектура эфирного распределения T2-MIP в SFN подсети. При этом условии предполагается, что приѐ мник и ретранслирующая станция будут разбивать входящий DVB-T2 сигнал на составляющие части так, чтобы он мог быть максимально похож на эквивалент T2-MI сигнала на модуляторе ретранслятора. Это необходимо для того, чтобы каждый ретранслятор излучал в эфир максимально идентичный сигнал на каждой станции в одночастотной сети. 4

Для одночастотных сетей введен новый режим MISO (multiple input single output – много входов - один выход), который позволяет достичь до 60% выигрыша в полосе пропускания. Нынешний опыт эксплуатации одночастотных сетей показал, что даже при сложении синхронизированных сигналов, результирующий спектр COFDM подвержен искажениям (в форме " провалов" огибающей несущих COFDM). В результате, для компенсации этих " провалов", то есть сохранения требуемого отношения S/N (сигнал-шум), необходима более высокая мощность передатчиков. Режим MISO позволяет избежать этих недостатков. Передатчики в одночастотной сети в режиме MISO излучают не в точности один и тот же сигнал. Благодаря этому при сложении сигналов с разных передатчиков отсутствуют значительные " провалы" огибающей, и к тому же, не требуется увеличение мощности передатчиков. Дополнительная стадия обработки, известная как обработка MISO, позволяет начальным коэффициентам в частотной области быть обработанными модифицированным кодированием Alamouti, которое делит сигнал T2 между двумя группами передатчиков на одной частоте таким образом, что эти две группы не интерферируют друг с другом. Все символы сигнала DVB-T2 могут быть подвергнуты MISO обработке на уровне ячеек. Предполагается, что все DVB-T2 приѐ мники могут принимать такие обработанные сигналы. Обработка MISO состоит из взятия входной ячейки данных и получения двух ячеек данных на выходе, каждая из которых направляется на 2 группы передатчиков. Измененное кодирование Alamouti используется для того, чтобы произвести два набора ячеек данных, за исключением того, что кодирование не поддерживает символ преамбулы P1 и для сигнала произведена соответствующая обработка пилотов. Новый алгоритм обработки сигнала значительно улучшает перекрытие (покрытие) диапазона частот в одночастотных сетях небольшого размера. В новой системе DVB-T2 усложнена система перемежения, в неѐ вводится перемежение по времени, что позволяет увеличить устойчивость сигнала к импульсным помехам, которые характерны для городской местности. Информация перемежается не только внутри одного символа модуляции, но и внутри одного суперкадра. Такая схема перемежения требует от абонентского устройства наличие большой оперативной памяти, где при обратном преобразовании (de-interleaving), необходимо хранить блок временного перемежения, или TI-блок. Такая схема перемежения также улучшает работу устройств в одночастотной сети.

Для уменьшения отношения пиковой мощности к средней мощности (PAPR) в новом стандарте предлагаются два способа – ACE (Active Constellation Extension – расширение активного созвездия) и TR (Tone Reservation – резервирование тона). Чем меньше значение PAPR, тем выше КПД передатчика по мощности и тем меньший запас по мощности 5

необходимо делать при расчѐ те энергетики передатчика. Оба способа могут использоваться одновременно, однако первый предпочтительнее для созвездий с меньшим количеством векторов (QPSK), второй – с большим (QAM). У каждого способа есть и свои недостатки, например, использование АСЕ приведет к снижению отношения сигнал/шум на входе приемного устройства, а применение TR вызовет небольшое уменьшение ѐ мкости канала, поскольку предполагает использование части несущих для передачи специальных корректирующих сигналов. Эти схемы улучшения энергетических показателей позволяют лучше рассчитать и спроектировать одночастотные сети в проблемных районах, таких как районы с городской застройкой или районы с гористым рельефом.

30)

31) Стандарт MPEG-2 появился в 1994 году и получил широкое

распространение как основной стандарт сжатия в таких применениях как

DVD, цифровое спутниковое телевидение, компьютерные приложения,

связанные с видеозахватом и позже – в цифровых телевизионных системах

безопасности и в телевидении высокой четкости.

Стандарт описывает лишь битовый поток. Техническая и программная

реализация этого стандарта у различных производителей оборудования и

программного обеспечения может существенно отличаться.

Основу алгоритма MPEG-2 составляют следующие методы:

- внутрикадровое кодирование: блочная структура кадра, дискретное

косинусное преобразование, нелинейная таблица квантования, формат

изображения 4: 2: 0, 4: 2: 2, 4: 4: 4, поддержка произвольного размера кадра.

- межкадровое кодирование: кадровая структура

видеопоследовательности, использование кадров трех типов,

использование векторов движения.

Стандарт обладает высокой гибкостью, которая обеспечивается

большим количеством (методов) инструментов, используемых при

кодировании, а также большим количеством настраиваемых параметров.

Для упрощения работы со стандартом в различных приложениях

предусмотрены понятия профилей и уровней.

Профили определяют набор используемых инструментов кодирования и,

следовательно, эффективность работы алгоритма, которая выражается в

степени сжатия и качестве сжатого видеопотока. Вместе с тем, профиль

определяет и общую сложность алгоритма, а также требования к ресурсам.

Уровень обычно определяет разрешение, частоту кадров и скорость

битового потока.

Сочетание профилей и уровней дает возможность выбрать наиболее

удобную реализацию алгоритма для конкретного использования. Например,

сочетание при кодировании главного профиля и главного уровня может

быть применено в обычном цифровом телевидении (DVD и спутниковое

вещание), сочетание главного профиля и высокого уровня – в телевидении

высокой четкости.

Таблица сочетаний профилей и уровней приведена на рис.3.10. Как

видно из таблицы, стандартом предусмотрены четыре уровня с

фиксированным разрешением. Однако, это не значит, что другие варианты

форматов не используются. Может быть практически любой формат вплоть

до разрешения 16К х 16К.

Для удобства изучения алгоритма MPEG-2 его обычно

рассматривают как иерархическую структуру:

- Видеоряд,

- группа кадров,

- кадр,

- срез,

- макроблок,

- блок.

Видеоряд рассматривается как конечная или непрерывная

видеопоследовательность, обладающая некоторыми исходными и

неизменными параметрами. К таким параметрам можно отнести формат

кадров и их скорость, формат представления цвета, ограничения по

битовому потоку. То есть, видеоряд определяет профиль и уровень

алгоритма, тем самым, накладывая определенные требования к аппаратной

и программной части кодера и декодера. Здесь же обычно присутствует

таблица квантования и пользовательские данные. В качестве примера

видеоряда можно привести файл с фильмом (конечная

видеопоследовательность) и поток видеоданных со спутникового ресивера.

Группа кадров (Group of Pictures, GOP) представляет собой

наименьшую независимую структуру кодирования в

видеопоследовательности. С точностью до группы кадров возможен

произвольный доступ к видеопоследовательности. Связанная с группой

кадров информация включает в себя временной код, флаг закрытого

состояния и пользовательскую информацию.

Кадр – это основная структура кодирования. С кадром связаны

следующие параметры: время, тип кадра, признак инициализации буфера,

разрешение векторов движения и их порядок и пользовательские данные.

Используемый в алгоритме метод межкадрового сжатия использует

четыре типа кадров [ватолин]:

- I-кадры (Intra)– кадры, сжатые независимо от других кадров;

- Р-кадры (Predicted)– сжатые с использованием ссылки на один

предыдущий кадр;

- В-кадры (Bidirection)– сжатые с использованием ссылки на два кадра

(предыдущий и последующий);

- DC-кадры – независимо сжатые с большой потерей качества.

Используются только при быстром поиске.

На рисунке 3.9 показана группа кадров и входящие в нее отдельные

кадры различных типов. Группа кадров ограничена двумя I-кадрами, между

которыми расположены в определенном порядке P и B-кадры.

I-кадры кодируются аналогично кадрам JPEG. В варианте алгоритма,

где имеются только I-кадры видеопоследовательность превращается в

M-JPEG. I-кадры могут использоваться для произвольного доступа,

поскольку им не требуется дополнительная информация. I-кадры имеют

самую низкую степень сжатия.

P-кадры кодируются с использованием прошлых I и P-кадров.

Например, кадр, который следует сразу за I-кадром, использует

неизменную информацию из этого I-кадра и дополняет ее своей

межкадровой разностью. Если за этим P-кадром следует еще один Р-кадр, то

он в свою очередь берет неизменную информацию из предыдущего P-кадра

(который в свою очередь использовал неизменную информацию I-кадра) и

дополняет ее своей межкадровой разностью.

В-кадры используются как интерполяция между предыдущим и

последующим кадрами как I так и Р типа.

Частота I-кадров выбирается исходя из требований на время к

произвольному доступу и надежности передачи потока видеоданных.

Соотношение P и B-кадров выбирается исходя из требований к величине

компрессии и мощности вычислительных средств. Следует отметить, что

для распаковки В-кадров требуется информация о последующих за ним

кадрах. Поэтому порядок кодирования и декодирования изменяется.

Обычно для распаковки всей группы кадров требуется задержка,

соответствующая времени воспроизведения этой группы кадров. По этой

причине передача видеопотока с использованием кодирования и

декодирования MPEG-2 происходит с некоторой постоянной задержкой.

Срез представляет собой горизонтальную полосу шириной 16 строк

изображения. Срез можно считать неким аналогом строки в цифровом

представлении сжатого видеосигнала. Ширина 16 строк определяется тем

фактом, что при кодировании изображения используется блочная структура.

Основным назначением среза является обеспечение дополнительной

синхронизации данных, как аналога строчной синхронизации. Поэтому

основной связанной со срезом информацией является вертикальная позиция

(номер среза по вертикали).

Макроблок – это структура, из которых строится срез изображения а

впоследствии и само изображение. Смысл макроблока заключается в том,

что он является наименьшей структурой цветного изображения. Макроблок

состоит из отдельных блоков размером 8 х 8 элементов, к которым

применяется ДКП. Но блоки не содержат в себе информацию о цветном

изображении, поэтому над ними появляется дополнительная структура в

виде макроблока.

Тип макроблока зависит от структуры цветного изображения.

Например, при наиболее часто используемом формате цветности 4: 2: 0

(прореживание цветоразностных сигналов в два раза по каждой координате),

макроблок будет состоять из одного блока сигнала U (8 х 8 элементов),

одного блока сигнала V (8 х 8 элементов) и четырех блоков сигнала яркости

Y (также размером 8 х 8 элементов каждый). В результате получается

макроблок, содержащий квадрат 16 х 16 элементов цветного изображения.

Как одна из основных структур кодирования макроблок имеет

большое количество связанной информации: тип макроблока, масштаб

квантования, вектора движения.

На уровне макроблока принимается решение о формировании

межкадровой разности и вычисление векторов компенсации движания. Для

предсказания движения используется информация от предыдущего,

последующего или одновременно с этих обоих кадров. Для каждого из

макроблоков в В-кадре выбираем один из макроблоков, определенных

векторами движения с предыдущего, последующего кадра, или средний от

этих двух. При этом минимизируется ошибка между двумя кадрами,

определяемая векторами движения, которая затем и кодируется.

Блок – минимальная структура изображения, к которому

применяется ДКП. На уровне обработки блоков алгоритм MPEG-2

напоминает JPEG. Последовательность действий включает в себя:

- дискретное косинусное преобразование,

- квантование,

- зигзаг-сканирование,

- групповое кодирование (RLE),

- кодирование Хаффмана.

На рис. 3.11. представлена последовательность действий алгоритма

от формирования макроблока до появления битового потока.

Следует отметить также еще некоторые особенности алгоритма

MPEG-2, используемые на практике:

- поддержка чересстрочной развертки. В этом случае изменяется

порядок зигзаг-сканирования,

- использование нелинейной таблицы квантования и различных

матриц квантования для I, P и B-кадров,

- поддержка полупиксельной точности при формировании векторов

движения,

- двухуровневая защита от ошибок при потоковой передаче данных.

На уровне видеоряда восстановление сигнала происходит при смене группы

кадров, т.е. при появлении ближайшего I-кадра. На уровне кадра

восстановление происходит при появлении очередного среза.

32) Телеви́ дение высо́ кой чёткости, сокр. ТВЧ (англ. High-Definition Television, сокр. HDTV, HD), телевидение в высо́ ком разреше́ нии — разновидность телевизионных вещательных стандартов, основанных на стандартах разложения изображения, превышающих по разрешающей способности как телевидение стандартной чёткости, так и телевидение повышенной чёткости. Действующие системы ТВЧ также основаны на цифровых технологиях передачи изображения и многоканального звука, использующих компрессию передаваемых данных.

Термин «высокая чёткость» появился в 1930-е годы. Именно тогда в телевидении произошёл качественный скачок: стали применяться полностью электронные системы, позволившие отказаться от механического сканирования с разрешением 15—200 строк. Среди основных разработчиков новой технологии — Владимир Зворыкин, эмигрировавший в США в 1919 году. Со временем изменялось и само понятие высокой чёткости: британская система «А» с 405 строками разложения, запущенная BBC в 1936 году, считалась тогда телевидением высокой чёткости, по сравнению со 180-строчной системой, действовавшей в Германии^[1]. В СССР в 1950 году в наградных документах группы разработчиков термин «телевидение высокой чёткости» упоминался применительно к современной системе на 625 строк^[2].

В 1949 году во Франции началось вещание по системе «E», использующей 819 строк (из них 737 видимых) при соотношении сторон экрана 4: 3. Эта система считается первым в мире стандартом чёрно-белого ТВЧ, однако её использование было ограничено лишь несколькими французскими телеканалами, и с переходом на цветное телевещание во Франции в 1965 году был принят общеевропейский стандарт разложения 625/50. Кроме неудобства кодирования цвета, 819-строчная система, как и большинство последующих систем ТВЧ, занимала слишком широкую полосу частот в эфире — до 11 МГц^[2]. Попытки создать телевидение высокой чёткости возобновились в 1970-х годах, когда стандартное телевидение по качеству изображения и размерам экрана приблизилось к своему потолку. Создание стандартов ТВЧ началось в марте 1972 года во время очередного заседания 11-й исследовательской комиссии МККР, на котором также была утверждена первая международная программа по разработке методов цифровой компрессии ТВ-сигнала^[3]. Стоит отметить, что системы телевидения высокой чёткости с самого начала разрабатывались не только для передачи высококачественного изображения на расстояние, но и для нужд кинематографа, как стандарт для возможных электронных носителей киноизображения^[4].

Первая аналоговая система ТВЧ была продемонстрирована японской телекомпанией NHK в июне 1978 года и основывалась на количестве строк, равном 1125 при чересстрочной развёртке и соотношении сторон экрана 5: 3^[5]. С 1989 года после запуска спутника «Juri BC-3» на территории Японии велось регулярное вещание в этом стандарте ТВЧ в диапазоне 12 ГГц^[6]. С конца 1980-х годов началось бурное развитие стандарта NHK, который в 1990 году был предложен МККР в качестве международного вещательного, но не был принят по многим причинам, в том числе из-за малой пригодности аналогового способа передачи сигнала высокой чёткости^[6]. Такой стандарт, с соотношением сторон экрана 16: 9 и 1035 активными строками занимал при передаче полосу частот 30 МГц.

В противовес японской системе был предложен западноевропейский стандарт «Эврика-95» (англ. Eurica 95, в рамках проекта агентства EUREKA^[7]), использующий чересстрочную развёртку на 1250 строк при полукадровой частоте 50 Гц^[6]. Этот стандарт применялся в системах наземного вещания HD-MAC, оказавшихся недостаточно устойчивыми^[1]. Итогом противоборства стало принятие двухсистемного стандарта на 1125 строк, пригодного как для стран, использующих полевую частоту 60 Гц, так и для стран, поддерживающих 50-герцевую развёртку^[8]. Прорыв в распространении ТВЧ произошёл после принятия специальной комиссией МККР в августе 1999 года единого мирового цифрового стандарта телевидения высокой чёткости, основанного на предшествующих аналоговых^[9]. Разложение на 1125 строк с разной полукадровой частотой перекочевало в цифровое ТВЧ, приняв новое обозначение 1080i, учитывающее количество активных строк^[10]. В начале 2000-x годов, одновременно с широким распространением плазменных и жидкокристаллических дисплеев, началось бурное распространение новых телесистем. С этого времени в США, Австралии и Японии ведётся вещание фильмов и телепередач в цифровых стандартах ТВЧ по платным кабельным и спутниковым каналам. Регулярное вещание в Европе началось 1 января 2004 года с запуском спутникового канала Euro-1080 (HD-1) ^[11]. Российская телекомпания НТВ-Плюс начала пробное вещание в стандарте высокой чёткости 1 декабря 2006 года^[12], а с апреля 2007 года транслирует первый в России пакет каналов HD. С середины 2000-х годов начались работы по международной стандартизации наземного вещания по стандартам высокой чёткости.