Канальное кодирование и декодирование.

Введение

 

Цифровое эфирное телевидение постепенно приходит на смену аналоговому, и на то есть очень важные причины:

· экономия радиочастотного ресурса (в полосе 8 МГц для аналогового телевидения можно передать один канал, в то время как для цифрового – 10 и более стандартного качества SD; организация одночастотных сетей);

· цифровое телевидение обеспечивает более высокое качество картинки (отсутствие муаров, искровых помех, перекрестных помех из-за передачи сигнала яркости и цветности в одном канале, защищенность от переотражений, возможность обработки без потери качества);

В России в 2005 году было принято решение о внедрении европейского стандарта цифрового телевидения DVB (Digital Video Broadcasting). В соответствии с Федеральной целевой программой «Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009-2015 годы», утвержденной постановлением правительства от 2 декабря 2009 года, в России началось построение наземной сети цифрового телевизионного вещания DVB-T.

Правительством РФ и комиссией по развитию телерадиовещания государственной компании ФГУП РТРС 7 июня 2011 года было принято решение о переходе на второе поколение цифрового наземного телевидения DVB-T2.

В данном реферате будут рассмотрены принципы функционирования цифрового наземного телевидения DVB-T/T2 и построение сетей наземного эфирного вещания.

 

Общие принципы построения систем цифрового телевидения.

Канал передачи данных

Помехи

ИИ

КИ

КК

М

ФК

ПИ

ДИ

ДК

ДМ

Обобщенная структурная схема системы цифрового телевидения включает в себя источник информации (ИИ), кодер источника (КИ), кодер канала передачи данных (КК), модулятор (М), физический канал передачи данных (ФК), демодулятор (ДМ), декодер канала передачи данных (ДК), декодер информации (ДИ), получатель информации (ПИ). На физический канал воздействуют различные помехи.

 

 

Работа системы цифрового телевидения включает в себя три фундаментальных процесса: кодирование – декодирование источника информации, кодирование – декодирование в канале передачи данных, модуляция-демодуляция на входе и выходе физического канала.

На передающей стороне все виды обработки информации служат цели преобразования их в сигналы, наиболее подходящие для передачи по физическому каналу конкретного типа. На приемной стороне производятся обратные операции, направленные на восстановление информации в исходный вид с минимально возможными искажениями.

Рассмотрим суть процессов, изображенных на рисунке выше.

1. Кодирование источника предназначено для устранения избыточности информации.

2. Кодирование в канале подразумевает внесение дополнительной избыточности в сигнал, которая в дальнейшем позволит на приемной стороне восстановить исходный сигнал даже если в нем будут возникать ошибки в процессе передачи.

3. Модуляция преобразует сигнал к виду, удобному для передачи в физическом канале связи. Сложные виды модуляции так же позволяют более плотно упаковать передаваемые данные.

4. Демодуляция – процесс, обратный модуляции.

5. Декодирование в канале передачи данных позволяет, используя внесенную избыточность при кодировании в канале передачи, восстановить часть испорченных при передаче в физическом канале данных.

6. Декодер информации распаковывает сжатые в КИ данные.

Опишем реализацию этих процессов в стандартах DVB-T/T2.

 

Кодер информации.

1. Постановка задачи.

Поставим целью передачу изображения стандартной четкости (SD) с разрешением 720х576, частотой кадров 25 в секунду и глубиной цвета 32 бита. Видеокамера формирует при съемке видео стандартный цифровой поток SD-SDI со скоростью 270 Мбит в секунду. Прежде чем передавать такой объем информации по каналу связи надо уменьшить ее объем, сократив избыточность.

2. Кодирование видео: основные идеи.

Исходное видео

На блок-схеме изображены основные этапы, которые проходит изображение при сжатии.

Определение ключевого кадра для текущего кадра

Компенсация движения ключевого кадра к текущему

Получение разницы между текущим кадром и ключевым

Применение ДКП к остатку

Кодирование квантованных коэффициентов ДКП

Сжатое видео.

 

Сжатие видеоизображения можно разделить на два больших класса: внутрикадровое и межкадровое.

Внутрикадровое кодирование – это сжатие изображения с использованием информации только о текущем кадре. Межкадровое кодирование – сжатие с использованием информации о других кадрах последовательности.

Для выполнения внутрикадрового кодирования используется стандарт сжатия статичных изображений JPEG (Joint Photographic Experts Group - Объединённая группа экспертов по фотографии).

При сжатии изображение преобразуется из цветового пространства RGB в YCbCr. Следует отметить, что стандарт JPEG никак не регламентирует выбор именно YCbCr, допуская и другие виды, однако спецификация JFIF (JPEG File Interchange Format, предложенная в 1991 году специалистами компании C-Cube Microsystems, и ставшая в настоящее время стандартом де-факто) предполагает использование преобразования RGB->YCbCr.

После преобразования RGB->YCbCr для каналов изображения Cb и Cr, отвечающих за цвет, может выполняться «прореживание» (subsampling), которое заключается в том, что каждому блоку из 4 пикселов (2х2) яркостного канала Y ставятся в соответствие усреднённые значения Cb и Cr (схема прореживания «4:2:0»). При этом для каждого блока 2х2 вместо 12 значений (4 Y, 4 Cb и 4 Cr) используется всего 6 (4 Y и по одному усреднённому Cb и Cr).

Далее яркостный компонент Y и отвечающие за цвет компоненты Cb и Cr разбиваются на блоки 8х8 пикселов. Каждый такой блок подвергается дискретному косинусному преобразованию (ДКП). ДКП - одно из ортогональных преобразований, вариант косинусного преобразования для вектора действительных чисел. Применяется в алгоритмах сжатия информации с потерями. По сути, при использовании ДКП определяется спектральная функция для изображения. Основная часть энергии концентрируется в нижней части спектра, соответственно несколько первых коэффициентов ДКП будут существенно отличаться от остальных по величине. Полученные коэффициенты ДКП квантуются (делятся на определенное значение) и пакуются с использованием кодирования серий и кодов Хаффмана. Для этого оценивается вероятность появления символов и наиболее часто встречающимся символам присваиваются короткие кодовые последовательности, а редким – длинные.

Основная идея межкадрового кодирования состоит в том, что вместо передачи двух последовательных кадров передается первый и разница между первым кадром и вторым, что, в силу схожести соседних кадров, позволяет сильно сократить информацию о втором кадре. Кадр, передаваемый полностью, называют ключевым. По сути, достаточно передать один ключевой кадр, а все остальные – разностные. На деле необходимо периодически повторять передачу ключевого кадра, так как в случае утери одного из кадров последовательности дальнейшее изображение восстановить не удастся.

Ключевой кадр (I-кадр) подвергается внутрикадровому кодированию. Расстояние между соседними ключевыми кадрами называется GOP (Group of Pictures – группа изображений). Применяются GOP – последовательности длиною от 25 до 100 кадров. Кадры между ключевыми называют предсказательными. Предсказательные кадры делятся на P- и B-кадры.

Р-кадры образуются вычислением разницы между предыдущем I- или P-кадром и текущим кадром. B-кадр образуется путем вычисления разницы с предыдущим I- или Р-кадром и последующим I- или Р-кадром.

Для еще большего снижения количества передаваемой информации в межкадровом кодировании используют компенсацию движения.

Представим что нам необходимо передать видео с игрой в бильярд. Стол и окружение статично, двигаются только шары. Тогда разница между двумя соседними кадрами будет представлена в виде старого и нового положения движущегося шара.

Но при этом движущийся шар на втором кадре выглядит так же как и на ключевом и в предсказательном кадре не требуется передавать информацию о старом и новом положении бильярдного шара, а достаточно передать вектор его перемещения. В этом и заключается суть компенсации движения.

Далее информация о разностном кадре подвергается ДКП, квантуется и пакуется с использованием кодирования серий и кодов Хаффмана.

3. Кодирование звука: основные идеи.

Так как человек на разных частотах воспринимает звуковые колебания с разной чувствительностью, то при кодировании звука решили прибегнуть к разбиению звукового диапазона на 32 участка. Эти полосы кодируются с помощью ДКП с различным качеством в соответствии с чувствительностью человеческого уха в данной полосе частот. После этого оставшаяся информация обо всех блоках подвергается энтропийному кодированию по типу кодов Хаффмана.

Некомпрес-сированный цифровой сигнал

Фильтр №1

Фильтр №2

Фильтр №32

ДКП+квант.

ДКП+квант.

ДКП+квант.

Энтро-пийное коди-рование

 

Использование перечисленных методов позволяет сжать скорость исходного SD-SDI потока с 270 Мбит/с до 2-5 Мбит/с в зависимости от степени сжатия информации.

Канальное кодирование и декодирование.

Любой канал передачи подразумевает стороннее воздействие на сигнал (помехи), вследствие чего на приемной стороне информация может быть принята с ошибками. Для того, чтобы эти ошибки можно было устранить, на этапе канального кодирования вводится дополнительная избыточность, которая при декодировании позволит восстановить исходный сигнал.

В стандарте DVB-T2 используются два типа кодирования: БЧХ и LDCP. Оба метода относятся к циклическим методам кодирования.

Для применения этих кодов необходимо определить длину выходной последовательности символов. В DVB-T2 такую последовательность называют BB-кадром. Длина BB-кадра после канального кодирования может принимать значения 16200 бит и 64800 бит. Структура кадра показана ниже.

Здесь n – длина выходного блока информации, k – длина входного блока информации.

Длина последовательности проверочных символов LDPC (скорость LDCP-кодирования) определяется настройками в центре формирования сигнала и принимает значения от 1/2 до 5/6 длины выходной последовательности.

Проверочные символы БЧХ (код Боуза — Чоудхури — Хоквингема) занимают 160 или 192 бита и позволяют исправить до 10 или до 12 ошибок в исходном BB-кадре. Значения символов определяются путем сложения по модулю два некоторых символов входной последовательности. В декодере выполняется та же операция с добавлением проверочного символа. Если результат нулевой, то принятая последовательность верная. БЧХ коды становятся эффективны при большой длине входной последовательности символов, т. к. с ростом ее длины растет и кодовое расстояние

LDPC-код – код с низкой плотностью проверок на четность. Каждый символ проверочного слова вычисляется путем сложения по модулю два некоторых символов входной последовательности, но применяется другая схема выборки символов входного потока (в отличии от БЧХ). LDPC-коды наиболее эффективно проявляют себя при распределенных ошибках, поэтому они используются совместно с битовым перемежением.

Каскадное применение кодов БЧХ и LDPC позволяет получить энергетический выигрыш порядка 9 дб, что можно использовать для увеличения дальности канала связи или для увеличения пропускной способности канала.

БЧХ и LDPC коды являются блочными кодами и основаны на кодах Хэмминга. Коды Хэмминга применяются к блокам входной последовательности, длительностью 4 бита, при этом формируется 3 проверочных бита. Таким образом кодовая скорость для кода Хэмминга 4/7, а минимальное кодовое расстояние Хэмминга (число отличающихся разрядов) между двумя разрешенными символами 3. Это значит что с помощью данной кодировки можно обнаружить 2 ошибки в передаваемой последовательности и исправить одну. Проверочные биты формируются по следующему правилу:

х₁ х₂ х₃ = с₁

х₂ х₃ х₄ = с₂

х₁ х₂ х₄ = с₃

На приемной стороне выполняется проверка:

х₁’ х₂’ х₃’ c₁’ = s₁

х₂’ х₃’ х₄’ с₂’ = s₂

х₁’ х₂’ х₄’ c₃’ = s₃

, где символ с апострофом означает возможность приема с ошибкой.

Слово (S₁,S₂,S₃) образует синдром ошибки. Возможны 8 вариантов кодов синдромов:

Код синдрома
Ошибка	нет	c3	с2	х4	c1	х1	х3	х2

 

 

Модуляция и демодуляция.

 

В DVB-T2 используется COFDM-модуляция, что переводится как «кодированное одноканальное многочастотное мультиплексирование». По сути, COFDM – гибрид модуляции и мультиплексирования.

COFDM-сигнал состоит из 1705, 3409, 6817, 13633, 27 841 несущих, расположенных в полосе 8МГц. Это определяется размером дискретного преобразования Фурье, используемого для формирования сигнала, соответственно есть несколько режимов FFT: 2К, 4К, 8К, 16К, 32К. Такая высокая плотность несущих достигается за счет относительно большой длительности модуляционных символов (за счет чего лепестки спектра каждой несущей довольно узки). Так, например, в режиме 32К длительность OFDM-символа составляет 3,584 мс. Соседние несущие располагаются друг от друга на расстоянии DF=1/T, где Т – длительность OFDM-символа. Благодаря использованию НЧ-фильтра межсимвольные искажения соседних несущих сводятся к минимуму.

Каждая несущая OFDM-символа модулируется с помощью QAM или QPSK модуляции.

QPSK – квадратурная фазовая модуляция. В DVB-T2 используется двухпозиционная QPSK для передачи информации о параметрах канала связи (тип модуляции для передачи данных, скорость LDPC-кодирования, информация о передатчике и т.п.). Данный вид модуляции более помехоустойчивый, чем QAM, но обеспечивает меньшую скорость передачи данных (каждый 2-QPSK-символ несет только 1 бит информации), поэтому он не используется для передачи данных.

4-QPSK

QAM – квадратурная амплитудная модуляция. В DVB-T2 возможно использование 16-, 64- и 256-позиционной квадратурной амплитудной модуляции. Данный вид модуляции менее помехоустойчив в отличии от QPSK, но обеспечивает значительно большую скорость передачи данных (например, 64-QAM-символ несет в себе 6 бит информации против 1 бита для 2-QPSK).

16-QAM

Использование режима FFT 32K и модуляции 256-QAM позволит обеспечить скорость передачи данных почти log₂(256)*27841 @ 222Kбит за OFDM-символ или около 62 Мбит/c. При скорости LDPC-кодирования 5/6 скорость информации, поступающей от кодера источника может достигать примерно 51Мбит/c.

Поворот сигнального созвездия и перемежение несущих.

Как видно из рисунков сигнальных созвездий выше, каждой проекции на ось символа соответствует несколько символов. Это значит, что при потере одной из координат исходный символ восстановить не удастся. Это можно избежать используя поворот сигнального созвездия. Тогда можно добиться появления у каждого символа уникальных координат. В этом случае при потере одной координаты символ можно будет восстановить. Конечно для того, чтобы не потерять обе координаты одновременно их нельзя передавать вместе. Для этого их разносят по различным несущим (перемежение).

Защитные интервалы.

QAM-модуляция очень восприимчива к фазовым искажениям, которые могут возникать в условиях многолучевого приема сигнала. При этом приемник принимает несколько версий сигнала, сдвинутых друг относительно друга на доли секунды. Сумма двух таких сигналов исказит фазу QAM – символа, что приведет к неверной декодировке.

Для избегания таких ситуаций вводится защитный интервал. В приемнике декодер блокируется на определенный промежуток времени от начала приема нового символа, за это время все версии принимаемого сигнала приходят в одно состояние (один и тот же символ).

Защитные интервалы могут принимать значения 1/4,1/8, 1/16, 1/32, 1/128 и др. от длительности символа.

Одночастотные сети в режиме SISO.

SISO - аббревиатура, означающая режим работы сети вещания. Дословно она переводится как: «один вход, один выход»,- т. е. этот режим вещания подразумевает работу одной версии исходного сигнала на приемник.

 

Для покрытия большой территории раньше, в аналоговом вещании, применялись несколько ТВК. Каждый передатчик, транслирующий одну и ту же программу, в пределах региона занимал отдельный канал. То необходимо было делать для того, чтобы избежать интерференции и повторов на приемнике, которые возникали бы при работе передатчиков на одной частоте.

С приходом цифрового телевидения необходимость в этом отпала. Так как модуляционные символы имеют довольно большую длительность, то при синхронизации работы передатчиков на одной частоте в пределах довольно большой территории модуляционные символы будут получать небольшое относительное расхождение по времени. Фазовых искажений при этом можно избежать с помощью введения защитных интервалов (как и защита от многолучевого приема), а интерференционные искажения должны покрываться помехоустойчивым кодированием. Защитные интервалы в этом случае определяют максимальное расстояние между передатчиками одночастотной сети вещания.

Одночастотные сети в режиме MISO.

MISO – «много входов, один выход». Данный режим подразумевает одновременный прием на одну антенну нескольких разных версий сигнала одновременно. Работа данного метода реализована на основе модифицированного алгоритма Аламоути.

Если зоны двух передатчиков, работающих в одночастотной сети, перекрываются, то для улучшения качества приема в зоне перекрытия организуются две версии полезного сигнала. Каждый передатчик передает свою версию сигнала: один – исходную (не модифицированную), второй – измененную. Для получения измененной версии сигнала последовательность OFDM-символов разбивается на четные (С₀) и нечетные символы (С₁), второй передатчик передает их в измененном виде: - С₁^*,С₀^* (а первый С₀,С₁).

При этом в зоне перекрытия будет приниматься сигнал:

, где h_i – коэффициент передачи сигнала от i-го передатчика,

r_k – принимаемый сигнал.

С помощью не сложных математических преобразований из принимаемых сигналов легко восстановить исходный:

В реальных условиях на приемник кроме полезных сигналов r_k также воздействуют шумы. В этом случае приемник принимает решение о том какие значения должны принимать сигналы и исходя из ближайших значений.

 

Заключение.

При использование всего потенциала современных технологий можно добиться полосы пропускания 50Мбит/с при передаче сигнала в полосе 8 МГц с помощью DVB-T2 технологий. Это позволяет, при средней скорости SD-потока одного вещательного канала 3 Мбит/с, передавать в полосе одного телевизионного вещательного канала до 16 видеопотоков.

Таким образом переход на цифровое телевидение поможет сократить занимаемы вещательным телевидением частотный диапазон в десятки раз (с учетом использования одночастотной модуляции).

Единственный недостаток цифрового телевидения - сложность и дороговизна оборудования для формирования цифрового потока, что может привести к уходу с рынка небольших телевизионных студий и маленьких филиалов рекламных агенств.

 

Использованные источники.

1. Серов А. В.: «Эфирное цифровое телевидение DVB-T/H». 2010 г.

2. Сорокин: курс лекций на тему «Кодирование информации».

3. Ресурс: ru.wikipedia.org

4. А.В. Рашич: «СЕТИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА WiMAX». 2011 г.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: