|
Реферат: Cкремблирование и дескремблирование линейного сигнала (Радиоэлектроника)
Министерство науки и образования Украины
Запорожский национальный технический университет
Кафедра радиотехники
Курсовая работа
по дисциплине "Системы передачи информации"
Выполнил ст. гр. РП 711
Мирошниченко А.Ю.
Руководитель
Завьялов С.Н
2003
Задание на проект.
Рассмотреть принципы скремблирования и дескремблирования линейного
сигнала.
Реферат
В данной работе рассмотрены принципы скремблирования и
дескремблирования линейного сигнала.
Рассмотрены методы и схемы кодирования сигнала с использованием
скремблирования, что позволяет разровнять его спектр и тем самым снизить
уровень излучаемых помех, а также сократить возможные периоды отсутствия
изменений сигнала в линии, что важно для повышения надежности
синхронизации.
Содержание
Задание на проект. 2
Реферат 3
Содержание 4
1. Способы кодирования сигнала для уменьшения излучаемых помех при его
передаче по витой паре проводов 5
1.1. Скремблирование полярностей импульсов 5
1.2. Двубинарное кодирование 8
2. Передача данных с использованием скремблера-дескремблера 12
2.1.Генераторы псевдослучайных битовых последовательностей 12
2.2. Скремблер и дескремблер с неизолированными генераторами
псевдослучайных битовых последовательностей 13
2.3. Скремблер-дескремблер с изолированными генераторами псевдослучайных
битовых последовательностей 15
2.4. Скремблер-дескремблер с неизолированными генераторами — улучшенный
вариант 15
Список литературы 19
1. Способы кодирования сигнала для уменьшения излучаемых помех при его
передаче по витой паре проводов
1.1. Скремблирование полярностей импульсов
Передача сигнала по линии сопровождается излучением энергии в
окружающее пространство. Наибольшему влиянию со стороны активной линии
подвержены соседние линии многожильного кабеля. Это влияние проявляется в
том, что в них появляются помехи, обусловленные в основном индуктивными и
емкостными паразитными связями между линиями.
Энергия передаваемого по линии сигнала сосредоточена в некоторой
спектральной полосе. Для уменьшения влияния на соседние линии желательно
как можно более равномерно распределить энергию в этой полосе, без
выраженных спектральных пиков. Если это условие выполнено, то источник
сигнала можно грубо представить в виде бесконечно большого числа
генераторов разной частоты, причем каждый генератор имеет бесконечно малую
мощность. Результирующий сигнал помехи имеет характер шума.
Однако если источник формирует сигнал, близкий к периодическому, или,
тем более, периодический, то на соседние линии вместо широкополосного шума
действуют несколько сигналов или даже один сигнал, близкий по форме к
синусоидальному. Так как основная энергия сигнала уже не распределена, а
сосредоточена в нескольких или одной пиковой спектральной составляющей, то
амплитуда помех может превысить допустимую. Таким образом, для уменьшения
амплитуды помех, наводимых на соседние линии, следует по возможности
исключить из передаваемого сигнала выраженные периодические компоненты.
Эти компоненты могут появляться, например, в сигналах AMI, Tl или MLT-
3 при передаче длинной последовательности лог. 1, как показано затененными
областями на рис. 1.
В этих областях невооруженным глазом просматриваются прообразы
синусоидальных сигналов, несущих основную энергию. Периоды сигналов AMI и
Т1 при передаче длинной последовательности лог. 1 равны двум битовым
интервалам. Период сигнала MLT-3 равен четырем битовым интервалам.
Длинные последовательности лог. 1 можно «разрушить» применением
cкpeмблиpoвaния, т.е. особой шифрации данных, после которой любые исходные
последовательности выглядят как случайные (см. п. 2.4). Для восстановления
исходных данных приемник должен выполнить обратную операцию
(дескремблирование). При этом необходима синхронная работа шифратора и
дешифратора, что несколько усложняет задачу.
Предлагаемое в патенте США № 5.422.919 решение также предусматривает
разрушение периодического сигнала при передаче длинной последовательности
лог. 1, но выполняется оно иначе. Скремблируются не данные, а полярности
передаваемых по линии импульсов. В зависимости от значения некоторого
псевдослучайного бита выбирается либо положительная, либо отрицательная
полярность. Приемник безразличен к полярности импульса и реагирует только
на его наличие. Поэтому для восстановления данных приемнику не нужно знать
вид псевдослучайной последовательности, использованной при шифрации
полярностей! Иными словами, осуществляется некое «скремблирование без
последующего дескремблирования» (что на первый взгляд представляется
лишенным смысла). В итоге упрощается аппаратура, предназначенная для
уменьшения излучаемых помех.
[pic]
Рис. 1. Временные диаграммы передачи данных DATA с использованием различных
кодов;
RND — сигнал на выходе генератора псевдослучайной последовательности битов
Чтобы перейти к существу вопроса, рассмотрим временные диаграммы,
приведенные на рис. 1, более подробно.
Код NRZ (в данном случае он обозначен как NRZ(L)) отображает лог. 0 и
лог. 1 соответственно низким и высоким уровнями напряжения. В коде AMI лог.
0 отображается отсутствием напряжения, а лог. 1 — положительным или
отрицательным импульсом, причем полярности соседних импульсов чередуются.
Код TI отличается от AMI длительностью импульса.
В коде NRZ(I) любой фронт сигнала несет информацию о том, что
примыкающий к нему справа битовый интервал соответствует лог. 1. Если
фронта нет, то битовый интервал отображает лог. 0.
Код MLT-3 можно получить из кода NRZ(I) следующим образом. В
интервалах, где код NRZ(I) принимает нулевое значение, код MLT-3 также
должен быть нулевым. Положительные импульсы кода NRZ(I) должны
соответствовать знакочередующимся импульсам кода MLT-3. При этом не имеет
значения, какую полярность имеет первоначальный импульс.
Схема преобразования кода NRZ(L) в коды NRZ(I) и MLT-3 приведена на
рис. 2,а. Каждый из двух последовательно соединенных D-триггеров включен в
режиме делителя частоты. На выходе Q первого триггера формируется код
NRZ(I). На входы передатчика подаются сигналы «+» и «-», которые
преобразуются соответственно в положительные и отрицательные импульсы
трехуровнего сигнала MLT-3.
[pic][pic][pic][pic]
Рис. 2. Упрощенные схемные решения:
а — формирователь кодов NRZ(I), MLT-3;
б — формирователь кода RND(MLT-S) с псевдослучайным чередованием
полярностей импульсов;
в — формирователь кода RND(T1) с псевдослучайным чередованием полярностей
импульсов;
г — дешифратор кода MLT-3 или RND(MLT-3)
Строго говоря, в эту и последующие схемы нужно ввести компенсирующие
элементы для предотвращения некорректных ситуаций — так называемых «гонок»
или «состязаний» сигналов. Пример гонки: из-за того, что второй триггер
изменяет состояние и опрашивается под действием одного и того же сигнала
NRZ(l), на выходах «+» и «-» элементов И в процессе переключения триггера
будут наблюдаться кратковременные ложные импульсы. Но на эти «мелочи»
сейчас не будем обращать внимания, чтобы не усложнять рисунки и не потерять
основную идею реализации скремблирования полярностей импульсов.
Схема, показанная на рис. 2.б, отличается от предыдущей тем, что на D-
вход второго триггера (первый триггер не показан) подается псевдослучайная
последовательность битов RND. При RND = 1 в момент формирования
положительного фронта сигнала NRZ(I) выбирается положительная полярность
импульса в линии, при RND = 0 — отрицательная. Последовательность битов RND
синхронизирована сигналом CLK и формируется, например, генератором на
основе сдвигового регистра с логическими элементами Исключающее ИЛИ в цепях
обратных связей. Такое решение приводит к случайному чередованию
полярностей импульсов кода RND(MLT-3) в отличие от их регулярного
чередования в коде MLT-3. Схема формирования сигнала RND(Tl), показанная на
рис. 2, в, построена аналогично и отличается наличием дополнительного
логического элемента И, предназначенного для укорочения положительных
импульсов кода NRZ(I).
Схема, представленная на рис. 2, г, позволяет дешифрировать коды MLT-3
или RND(MLT-3), т.е. преобразовывать их в обычный код NRZ(L). На выходе
приемника формируются положительные импульсы «+» и «-», которые
соответствуют разнополярным входным сигналам. Приемник также формирует
синхросигнал CLK, например, с помощью генератора с фазовой автоподстройкой
частоты.
Логический элемент ИЛИ суммирует импульсы «+» и «-», так что их
первоначальная полярность не учитывается. В этом, пожалуй, и заключена
основная предпосылка создания рассмотренного решения: полярность импульсов
в линии может быть произвольной, так как приемник не обращает на нее
внимания. А если это так, то можно случайным образом распределить
полярности передаваемых импульсов и тем самым подавить периодические
составляющие сигнала. Единственное ограничение состоит в том, что для
исключения постоянной составляющей сигнала в линии среднее число
положительных и отрицательных импульсов в любом достаточно большом
интервале времени должно быть одинаковым. Это условие в данном случае
выполнено.
Таким образом, закон, по которому данные скремблировались
передатчиком, остается неизвестным приемнику!
Предлагаемый метод применим и к другим трехуровневым кодам, таким как
B3ZS, B6ZS, HDB3.
Рассмотренные схемные решения позволяют простыми средствами уменьшить
уровень помех, излучаемых на соседние витые пары проводов кабеля.
1.2. Двубинарное кодирование
Еще одно решение задачи уменьшения уровня излучаемых помех основано на
применении двубинарного кодирования.
В схеме, показанной на рис. 3, потребитель данных находится на
некотором удалении от оптоволоконной линии связи. Для приема данных
потребителю выделена витая пара проводов в многожильном кабеле
(рассматриваем только одно направление передачи). На выходе интерфейса FDDI
(Fiber Distributed Data Interface — распределенный интерфейс передачи
данных по волоконно-оптическим каналам) данные представлены кодом NRZ(I) и
сопровождающим его синхросигналом CLK (см. рис. 1).
Проблема заключается в том, что непосредственная передача сигнала
NRZ(I) со скоростью 125 Мбит/с по витой паре проводов создает повышенный
уровень помех на соседних жилах кабеля. Ситуация усугубляется в отсутствие
полезных данных, когда передается заполняющая паузу непрерывная
последовательность лог. 1. Эта последовательность соответствует частоте
сигнала NRZ(I), равной половине скорости передачи данных или 62,5 МГц. На
этой частоте сигнал легко преодолевает паразитные емкостные и индуктивные
связи и наводится на соседние провода кабеля. Поэтому следовало бы
применить какой-либо дополнительный способ кодирования для снижения частоты
сигнала в отсутствие данных и разравнивания его спектра при наличии данных.
Рассмотренное далее трехуровневое двубинарное кодирование DBM (duobinary
modulation) и включение заграждающего фильтра позволяют в значительной мере
снизить уровень излучаемых помех. По способу построения код DBM во многом
схож с описанными в п. 1.1 кодами MLT-3 и RND(MLT-S).
[pic]
Рис. 3.Схема высокоскоростной передачи данных в двубинарном коде с
использованием витой пары проводов
Как показано на рис. 3, код NRZ(I) с выхода интерфейса FDDI
преобразуется шифратором в код DBM. Сигнал с выхода шифратора проходит
через заграждающий R-L-C-фильтр, разравнивающий спектр сигнала, передатчик
и по линии связи (витой паре проводов) поступает в приемник. Приемник
выделяет из него синхросигнал CLK и данные, представленные в коде DBM
Дешифратор кода DBM формирует коды NRZ(I) и NRZ(L). Скорость передачи
данных во всем тракте постоянна и равна 125 Мбит/с.
Шифратор двубинарного кода (рис. 4) содержит инвертор, логический
элемент Исключающее ИЛИ (XOR), тактируемый элемент Т задержки, дешифратор
DC со структурой 2x4, элемент ИЛИ, электронные ключи SW1-SW3 и два
источника Ш и U2 постоянного напряжения. Временные диаграммы формирования
кода DBM показаны на рис. 5.
Входной сигнал А инвертируется и поступает на первый вход элемента
XOR. Сигнал Z с выхода этого элемента задерживается на один период сигнала
CLK (например, с помощью D-триггера) и подается на второй вход элемента
XOR. Дешифратор DC в зависимости от сочетания сигналов Z и Е формирует
сигнал на одном из четырех выходов. При Z = Е = 0 сигнал G = 1 замыкает
ключ SW3, поэтому на выход W шифратора поступает отрицательное напряжение
от источника U2. При Z ? Е сигнал J = 1 замыкает ключ SW1, на выход
шифратора поступает нулевое напряжение. При Z = Е = 1 сигнал F - 1 замыкает
ключ SW2, на выход шифратора поступает положительное напряжение от
источника Ш.
[pic]
Рис. 4. Схема шифратора двубинарного кода DBM и структура заграждающего
фильтра
[pic]
Рис. 5.Временные диаграммы формирования двубинарного кода DBM
Процесс шифрации удобно проследить с помощью диаграммы состояний,
приведенной на рис. 6.
Шифратор может находиться в одном из четырех состояний Q1-Q4. Если,
например, шифратор пребывает в состоянии Q1, то при поступлении на вход А
сигнала лог. 1 на его выходе W формируется положительное напряжение +1 В
(величина условная). Этот факт отражен обозначением «Лог. 1 =+1 В» около
двунаправленной связи между узлами Q1 и Q4. В этой ситуации шифратор
переходит в состояние Q4.
|[p|
|ic|
|] |
|Ри|
|с.|
|6.|
|Ди|
|аг|
|ра|
|мм|
|а |
|со|
|ст|
|оя|
|ни|
|й |
|ши|
|фр|
|ат|
|ор|
|а |
|дв|
|уб|
|ин|
|ар|
|но|
|го|
|ко|
|да|
|DB|
|M |
Если шифратор находится в состоянии Q1, то при поступлении на вход А
сигнала лог. 0 на его выходе W формируется нулевое напряжение 0 В. Этот
факт отражен обозначением «Лог. 0 = 0 В» около двунаправленной связи между
узлами Q1 и Q2. В данной ситуации шифратор переходит в состояние Q2.
Переходы между состояниями Q2 и Q3 возможны при поступлении на вход А
сигналов лог. 1, но эти переходы сопровождаются выдачей отрицательного
напряжения (-1 В) на выход W. Переходы между состояниями Q3 и Q4 возможны
при поступлении на вход А шифратора сигналов лог. 0.
Из диаграммы состояний следует, что если на вход А подана
последовательность лог. 0, то шифратор последовательно переходит из
состояния Q1 в состояние Q2 и обратно либо из состояния Q3 в состояние Q4 и
обратно. Эти ситуации внешне неразличимы, так как на выходе шифратора в
любом случае сформировано нулевое напряжение. Если на вход А подана
последовательность лог. 1, то шифратор последовательно переходит из
состояния Q1 в состояние Q4 и обратно либо из состояния Q2 в состояние Q3 и
обратно. Эти ситуации различаются полярностью выходного напряжения.
Если на вход А подана последовательность ...010101..., то шифратор
последовательно циклически проходит все состояния в направлении по часовой
или против часовой стрелки в зависимости от начальных условий. Нулевые биты
отображаются нулевым напряжением, единичные — попеременно положительным и
отрицательным.
В общем случае данные кодируются следующим образом. Нулевые биты (А =
0) отображаются нулевым напряжением (W = 0 В), единичные — положительным
или отрицательным в соответствии со следующими правилами:
Правило 1. При нечетном числе нулевых битов между двумя единичными
(например, в коде ...10001...) полярности импульсов, отображающих единичные
биты, взаимнообратны (...-000+...или...+000-...).
Правило 2. При четном числе нулевых битов между двумя единичными
(например, в коде ...1001...) полярности импульсов, отображающих единичные
биты, одинаковы (...-00-... или ...+00+...).
Правило 3. В группе единичных битов (...111...) сигналы имеют
одинаковую полярность (...+++... или ...---...).
В соблюдении приведенных правил можно убедиться при сопоставлении
временных диаграмм сигналов А и W на рис. 8.11. Из этих диаграмм также
следует, что при передаче непрерывной последовательности лог. 1 (DATA =
11... 1) частота основной гармоники сигнала NRZ(I) равна половине скорости
передачи данных или 62,5 МГц. При этих же условиях частота основной
гармоники сигнала DBM равна четверти скорости передачи данных или 31,25
МГц. (Интересующие нас области временных диаграмм выделены серым фоном.)
Амплитуда этой гармоники достаточно высока по сравнению с остальными,
поэтому без заметного искажения формы сигнала ее можно несколько снизить с
помощью заграждающего фильтра.
Заграждающий фильтр настроен на частоту 31,25 МГц. Значения емкости и
индуктивности удовлетворяют соотношению LC = 2,6 х 10-17. Например, при
L=2,6 мкГн С=10 пФ. Резонансный импеданс цепи R1-L-C равен ZF = L/R1C.
Коэффициент подавления сигнала на резонансной частоте равен (Zp + R2)/R2 и
может регулироваться выбором параметров фильтра.
Двубинарное кодирование с фильтрацией выходного сигнала позволяет
сместить его энергетический спектр в область более низких частот по
сравнению с другими решениями. Так, 78 % энергии сигнала сосредоточено в
полосе частот ниже 30 МГц, а 90 % энергии — в полосе частот ниже 42,6 МГц.
Напомним, что скорость передачи данных составляет 125 Мбит/с!
Дешифратор двубинарного кода (см. рис. 3) можно выполнить по схеме,
приведенной на рис. 2, г. Эта схема нечувствительна к полярности импульсов
и в равной мере применима для дешифрации кодов MLT-3, RND(MLT-3) и DBM.
2. Передача данных с использованием скремблера-дескремблера
Скремблирование может выполняться с различными целями. Наиболее
распространенная цель — защита передаваемых данных от несанкционированного
доступа. Для ее достижения разработано множество методов кодирования и
схемных решений. Но нас интересует иная задача, связанная с
«разравниванием» спектра сигнала и повышением надежности синхронизации
приемника с источником передаваемых по линии данных. Применительно к этой
задаче цель скремблирования состоит в исключении из потока данных длинных
последовательностей лог. 0, лог. 1 и периодически повторяющихся групп
битов. Для этого необходимо преобразовать данные так, чтобы они выглядели
как случайные, т.е. лишенные какой-либо видимой закономерности.
2.1.Генераторы псевдослучайных битовых последовательностей
Скремблеры и дескремблеры обычно построены на основе генераторов
псевдослучайных битовых последовательностей. Пример такого генератора
приведен на рис. 7. Генератор выполнен на основе кольцевого сдвигового
регистра RG с логическим элементом Исключающее ИЛИ (XOR) в цепи обратной
связи. Если в исходном состоянии в регистре присутствует любой ненулевой
код, то под действием синхросигнала CLK этот код будет непрерывно
циркулировать в регистре и одновременно видоизменяться. В качестве выхода
генератора можно также использовать выход любого разряда регистра.
В общем случае в М-разрядном регистре обратная связь подключается к
разрядам с номерами М и N (М > N). Выбор оптимального значения N для
заданного М — непростая задача. К счастью, она уже решена. Вариант таблицы
выбора N приведен на рис. 7. Таблица описывает ряд генераторов различной
разрядности. Каждый генератор формирует последовательность битов с
максимальным периодом повторения, равным 2M- 1. В такой последовательности
встречаются все М-разрядные коды, за исключением нулевого. Этот код
представляет собой своеобразную «ловушку» для данной схемы: если бы нулевой
код появился в регистре, дальнейшая последовательность битов была бы также
нулевой. Но при нормальной работе генератора попадания в ловушку не
происходит.
Последовательность максимальной длины обладает следующими свойствами:
В полном цикле (2M - 1 тактов) число лог. 1 на единицу больше, чем
числолог. 0. Добавочная лог. 1 появляется засчет исключения состояния, при
котором врегистре присутствовал бы нулевой код.Это можно интерпретировать
так, что вероятности появления на выходе регистралог. 0 и лог. 1
практически одинаковы.
[pic]
Рис. 7. Генератор псевдослучайной битовой последовательности максимальной
длины:
а — схема; б — таблица для выбора промежуточной точки подключения обратной
связи
В полном цикле (2M-1 тактов) половина серий из последовательных лог. 1
имеет длину 1, одна четвертая серий -длину 2, одна восьмая — длину 3 и т.д.
Такими же свойствами обладают и серии из лог. 0 с учетом пропущенного лог.
0. Это говорит о том, что вероятности появления «орлов» и «решек» не
зависят от исходовпредыдущих «подбрасываний». Поэтому вероятность того, что
серия из последовательных лог. 1 или лог. 0 закончится при следующем
подбрасывании, равна 1/2 вопреки обывательскому пониманию «закона о
среднем».
Если последовательность полногоцикла (2M-1 тактов) сравнивать с этой
же последовательностью, но циклически сдвинутой на любое число тактов W (W
не является нулем или числом, кратным 2M-1), то число несовпадений будет на
единицу больше, чем число совпадений.
Наиболее распространены две основные схемы построения пар «скремблер-
дескремблер»: с неизолированными и изолированными генераторами
псевдослучайных битовых последовательностей. Рассмотрим эти схемы и их
модификации.
2.2. Скремблер и дескремблер с неизолированными генераторами
псевдослучайных битовых последовательностей
В схеме, приведенной на рис. 8.14, скремблер и дескремблер выполнены
на основе рассмотренных генераторов псевдослучайных битовых
последовательностей. Оба генератора имеют одинаковую разрядность и
однотипную структуру обратных связей. Все процессы, протекающие в системе
передачи данных, синхронизируются от тактового генератора (на рисунке не
показан). Этот генератор размещен на передающей стороне системы и может
принадлежать источнику данных либо скремблеру. В каждом такте на вход
скремблера подается очередной бит передаваемых данных SD, а в сдвиговом
регистре RGI накопленный код продвигается на один разряд вправо.
Если предположить, что источник данных посылает в скремблер длинную
последовательность лог. 0, то элемент XOR1 можно рассматривать как
повторитель сигнала Y1 с выхода элемента XOR2. В этой ситуации регистр RG1
замкнут в кольцо и генерирует точно такую же псевдослучайную
последовательность битов, как и в рассмотренной ранее схеме (см. рис. 7).
Если от источника данных поступает произвольная битовая последовательность,
то она взаимодействует с последовательностью битов с выхода элемента XOR2.
В результате формируется новая (скремблированная) последовательность битов
SCRD, по структуре близкая случайной. Эта последовательность, в свою
очередь, продвигается по регистру RG1, формирует поток битов на выходе
элемента XOR2 и т.д.
[pic]
Рис. 8. Система передачи данных, в которой скремблер и дескремблер содержат
неизолированные генераторы псевдослучайных битовых последовательностей
Скремблированная последовательность битов SCRD передается по линии и
поступает в дескремблер. С помощью генератора с фазовой автоподстройкой
частоты (этот генератор на рисунке не показан) из входного сигнала
выделяется тактовый сигнал. Под управлением тактового сигнала биты SCRD
продвигаются в регистре RG2, а в приемник данных поступают
дескремблированные данные RD.
Потоки данных RD и SD совпадают с точностью до задержки передачи по
линии. Действительно, в установившемся режиме в сдвиговых регистрах RG1 и
RG2 присутствуют одинаковые коды, так как на входы этих регистров поданы
одни и те же данные SCRD, а тактовая частота, по сути, общая. Поэтому Y2 =
Y1, и, с учетом этого, RD = SCRD ? Y2 = SD ? Y1 ? Y2 = SD ? Y1 ? Yl = SD ?
0 = SD.
Рассмотренная система передачи данных не требует применения какой-либо
специальной процедуры начальной синхронизации. После заполнения сдвигового
регистра RG2, как было показано, генераторы псевдослучайных битовых
последовательностей работают синхронно (их состояния всегда одинаковы). При
появлении одиночной ошибки в линии синхронизация временно нарушается, но
затем автоматически восстанавливается, как только правильные данные вновь
заполнят регистр RG2. Однако в процессе продвижения ошибочного бита по
сдвиговому регистру RG2, а именно, в периоды его попадания сначала на
первый, а затем на второй вход элемента XOR3 сигнал Y2 дважды принимает
неправильное значение. Это приводит к размножению одиночной ошибки — она
впервые появляется в сигнале RD в момент поступления из линии и затем
возникает еще два раза при последующем двукратном искажении сигнала Y. Еще
один недостаток рассмотренной системы передачи данных связан с тем, что
существуют некоторые неблагоприятные кодовые ситуации, с которыми скремблер
«не справляется».
2.3. Скремблер-дескремблер с изолированными генераторами псевдослучайных
битовых последовательностей
В схеме, приведенной на рис. 9, генераторы псевдослучайных битовых
последовательностей включены так, что они изолированы от каких-либо
нежелательных внешних воздействий. Генераторы, как и в предыдущей схеме,
работают синхронно, поэтому скремблирующий Z1 и дескремблирующий Z2 сигналы
одинаковы. Ошибка в линии не размножается дескремблером, так как она не
попадает в сдвиговый регистр RG2. Недостаток этой схемы — отсутствие
самосинхронизации генератора псевдослучайной битовой последовательности
дескремблера (напомним, что в предыдущей схеме такая синхронизация
имеется).
[pic]
Рис. 9. Система передачи данных, в которой скремблер и дескремблер содержат
изолированные генераторы псевдослучайных битовых последовательностей
2.4. Скремблер-дескремблер с неизолированными генераторами — улучшенный
вариант
Рассмотрим улучшенный вариант скремблера-дескремблера, построенного на
основе двух одинаковых генераторов псевдослучайных последовательностей
битов, рис. 10. Улучшение состоит в устранении упоминавшихся в п. 2.2
неблагоприятных кодовых ситуаций. В отличие от схемы, приведенной на рис.
8, применены средства коррекции состояний генераторов для устранения
нежелательных последовательностей битов.
[pic]
Рис. 10. Система передачи данных, в которой скремблер и дескремблер
содержат неизолированные генераторы псевдослучайных битовых
последовательностей (улучшенный вариант)
Скремблер содержит сдвиговый регистр RG1 с логическими элементами
Исключающее ИЛИ (XOR1 и XOR2) в цепи обратной связи, а также два двоичных
счетчика.
Счетчик лог. 0 устанавливается в нуль всякий раз, когда
скремблированный сигнал данных SCRD = 1. Если SCRD = 0, то содержимое
счетчика увеличивается на единицу по фронту сигнала CLK1. При накоплении
заданного числа единиц (например пяти) счетчик автоматически
устанавливается в нулевое состояние и формирует импульс SET установки в
единицу некоторого разряда (или группы разрядов) сдвигового регистра. Таким
образом, счетчик лог. 0 служит детектором цепочек лог. 0 заданной длины.
При обнаружении такой цепочки корректируется код в сдвиговом регистре.
Счетчик лог. 1 построен симметрично. Он устанавливается в нуль всякий
раз, когда скремблированный сигнал данных SCRD = 0. Если SCRD = 1, то
содержимое счетчика увеличивается на единицу по фронту сигнала CLK1. При
накоплении заданного числа единиц (например пяти) счетчик автоматически
устанавливается в нулевое состояние и формирует импульс RESET установки в
нуль некоторого разряда (или группы разрядов) сдвигового регистра. Счетчик
лог. 1 служит детектором цепочек лог. 1 заданной длины.
Дескремблер построен аналогично. Он дополнительно содержит схему
выделения синхросигнала CLK2 из скремблированного сигнала SCRD. Эта схема
может быть выполнена на основе петли фазовой авто подстройки частоты PLL
(Phase Locked Loop).
Система передачи данных функционирует следующим образом. Источник
данных формирует синхронный битовый поток SD и соответствующий синхросигнал
CLK1. Этот поток проходит через логический элемент XOR2. На второй вход
этого элемента поступает последовательность скремблирующих битов SC1.
Суммарный (скремблированный) поток SCRD передается по линии и поступает в
дескремблер.
После заполнения регистра RG2 информация в нем в точности совпадает с
той, которая присутствует в регистре RG1. В дальнейшем все изменения
информации в этих регистрах происходят синхронно, так как на их входы
подается один и тот же сигнал SCRD (разумеется, с учетом задержки передачи
по линии связи). Благодаря этому, SC2 = SC1. Логический элемент XOR4
формирует сигнал принимаемых данных RD, который повторяет исходный сигнал
SD. Это следует из того, что
RD = SCRD ? SC2 = SCRD ? SC1 = SD ? SC1 ? SC1 = SD.
Уточним роль счетчиков лог. 0 и лог. 1, о которых уже кратко
упоминалось. Предположим, что эти счетчики исключены из схем скремблера и
дескремблера. Схема остается работоспособной при условии, что поток SD не
содержит некоторых опасных последовательностей сигналов. Рассмотрим эти
последовательности.
При работе системы не исключено, что поступающие от источника данные
SD таковы, что логический элемент XOR2 скремблера в М последовательных
тактах сформирует сигнал лог. 0 (М — разрядность сдвигового регистра).
Тогда сдвиговый регистр RG1 (а синхронно с ним и регистр RG2) заполнится
нулевыми битами. Если после этого источник сигнала начнет передавать
длинную последовательность лог. 0, то на обоих входах логического элемента
XOR2 будут постоянно присутствовать нулевые сигналы, сигнал SCRD также в
течение длительного времени будет оставаться нулевым, что крайне
нежелательно.
Аналогичная ситуация возможна и после случайного заполнения сдвигового
регистра единичными битами. При последующей передаче длинной
последовательности сигналов SD = 1 на выходе логического элемента XOR2
поддерживается сигнал лог. 1, который в каждом такте записывается в
регистр, подтверждая его состояние «Все единицы».
Введение счетчиков позволяет исключить возможность заполнения регистра
RG1 одинаковыми битами (лог. 0 или лог. 1). Поэтому нет опасности фиксации
уровня сигнала в линии при последующей выдаче источником данных длинной
последовательности лог. 0 или лог. 1. Но это, к сожалению, не означает, что
задача получения гарантированно изменяющегося сигнала SCRD решена
«полностью и окончательно». Действительно, теоретически можно преднамеренно
синтезировать сколь угодно длинную последовательность сигналов SD,
совпадающую или противофазную последовательности сигналов SC1, какой бы
сложной она ни была (ведь ее можно заранее вычислить, зная структуру
скремблера и его начальное состояние). В результате такого синтеза получим
неизменный сигнал SCRD на протяжении любого желаемого интервала времени!
Точно так же можно было бы синтезировать периодический сигнал SCRD вида
010101... для создания максимального уровня перекрестных помех в соседних
проводах многожильного кабеля (например с целью тестирования системы). Но
так как начальное состояние регистра RG1 источнику данных не известно, на
практике такой синтез невозможен.
Вероятность случайного формирования нескремблируемых
последовательностей битов источником данных зависит от разрядности
скремблера и может быть небольшой, но с ней нельзя не считаться при
проектировании телекоммуникационных устройств.
Список литературы
1. С.М. Сухов, А.В. Бернов, Б.В. Шевкопляс - Синхронизация в
телекомуникационных системах. Анализ инженерных решений. - М.: Эко-Трендз,
2003г. - 272с.: ил.
Реферат на тему: HDTV - телевидение высокой четкости
Реферат
по курсу «Основы телевидения»
«HDTV – телевидение высокой четкости»
2002г.
Содержание:
. Часть 1: HDTV – телевидение высокой четкости
1. Начало HDTV
2. Раннее телевидение
3. Решение проблемы формата
4. Преимущества цифровой передачи
5. Стандарты цифрового телевидения
6. Наследие старого телевидения
7. Проблемы формата
8. Угол зрения
9. Проблема передачи сигнала
10. Проблема просмотра
. Часть 2: Компрессия сигнала в HDTV
1. Немного истории
2. Стандарт кодирования MPEG-2
3. Компрессия видеоданных
4. Кодирование кадров
5. Компенсация движения
6. Дискретно-косинусное преобразование
7. Профессиональный профиль стандарта MPEG-2
http://www.zdnn.ru/?ID=176641 - talkback#talkbackНачало HDTV
Всего 60 лет назад сама идея передачи изображения и звука на огромные
расстояния казалась абсурдной. Но человечество поверило в нее, а затем
овладело ею. Мы создали гигантскую индустрию и продолжаем питать ее своими
ожиданиями и огромным количеством рекламных долларов. В недавнем
исследовании в ответ на вопрос, каково величайшее изобретение ХХ века,
около 50% всех опрошенных жителей США назвало телевидение.
7 сентября 1927 года в мастерской на чердаке своего дома на Грин-Стрит в
Сан-Франциско молодой изобретатель по имени Фило Тэйлор Фернсуорт (Philo
Taylor Farnsworth) продемонстрировал нетерпеливым инвесторам свое
изобретение. Ему удалось передать по радио изображение толстой белой линии,
нанесенной на стеклянную пластину, в устройство с маленьким круглым
экраном. Он поворачивал стекло, и принимаемое изображение линии
одновременно меняло свое положение. Эта демонстрация и блестяще
организованная подготовка к ней позволили Фернсуорту опередить всех, кто
занимался той же проблемой, и положили начало судебной баталии с компанией
RCA за право на патент, которую Фернсуорт в конечном счете выиграл.
Первые телепередачи Фернсуорта велись самодеятельными эстрадниками из
маленькой студии в Филадельфии и передавались маломощным передатчиком на
короткое расстояние для живших в миле от студии первых телевизионных
инженеров-владельцев опытных устройств.
Фернсуорт и его помощники изготовили несколько прототипов и первые
коммерческие приемники, но настоящим производством и распространением
телевизоров занялись компании типа RCA и Philco. Эти первые устройства в
деревянных корпусах выглядели как маленькие гардеробы с оконцем в волшебный
мир. Постепенное совершенствование технологии этих черно-белых телевизоров
привело к более крупным и четким изображениям, а где-то в 50-х появились
средства передачи цветных сигналов — это было первое и единственное
принципиальное изменение технологии и конструкции телевизора. Но сигнал
продолжал передаваться с тем же разрешением (около 400 строк на кадр), тем
же слабым звуком и тем же прямоугольным форматом изображения.
Раннее телевидение.
Формат традиционного телевизионного экрана восходит к раннему
кинематографу. Его ввел человек по имени У.К.Л. Диксон (W.K.L. Dickson),
работавший в конце XIX века в лаборатории Томаса Эдисона. Диксон
сконструировал кинокамеру, называемую Kinescope (ее разновидность до сих
пор применяется для переноса видео на пленку). Диксон использовал
специальную пленку с размером кадра 1 х 3/4 дюйма, что дает отношение длины
к ширине 4:3. Когда индустрия приняла этот формат в качестве стандарта,
кино- и телевизионные изображения соответствовали друг другу независимо от
размеров экрана. И так продолжалось довольно долго.
Но в 50-х все переменилось Голливуд почувствовал угрозу со стороны
телевидения, вдруг ставшего популярным. Люди, увлекавшиеся рок-н-роллом,
перестали ходить в кино, а проводили семейные вечера у телеэкрана. Тогда
владельцы студий собрали своих инженеров и сказали: «Сделайте что-нибудь
большое!» — так появились форматы типа Cinerama, Cinemascope и VistaVision.
Форматов с красивыми названиями много, но все они шире, чем 4х3. Съемка
фильмов (а теперь и видео) в этих форматах создает для операторов более
широкие композиционные возможности, и мир в этих фильмах выглядит более
естественным.
Решение проблемы формата
При трансляции по телевидению широкоформатных фильмов без искажения часть
визуальной информации по краям теряется. Например, если в конце комнаты
воркуют любовники, то зрителю остаются только их голоса. Эта проблема
решается двумя способами. Изображение можно «втиснуть» в ширину телеэкрана,
и тогда его верхняя и нижняя части не используются (эффект почтового
конверта).
HDTV изменит эту ситуацию, и можно будет увидеть фильмы в оригинальном
формате 16х9, которые до сих пор могли смотреть только в «сплюснутой»
версии.
Преимущества цифровой передачи
Кроме очевидных преимуществ формата, сам способ формирования цифрового
изображения высокой четкости также несет в себе существенные преимущества.
Цифровой сигнал не ослабляется при передаче на расстояние, как аналоговый
сигнал. Поэтому если он принимается вообще, то принимается без искажений.
Цифровой сигнал не подвержен помехам, характерным для работы нецифрового
оборудования, таким как тени, «туман» или «снег». Передается же цифровой
сигнал в компрессированном виде, что намного сужает требуемую полосу
пропускания канала. В цифровом телевидении применяется схема компрессии
MPEG-2 — та же, что и на DVD.
Любая компрессия — это компромисс. Самое высокое качество у
некомпрессированного цифрового видео, но для этого необходимо передавать
невероятное количество данных (эквивалентное примерно 27 дискетам в
секунду). Такую пропускную способность можно обеспечить только в локальной
сети. Чтобы передавать цифровой сигнал по существующим каналам, изображение
с разрешением примерно вчетверо выше по сравнению с обычным нецифровым
компрессируется в соотношении 55:1. Но это незаметно, так как алгоритм MPEG-
2, хотя и не идеален, но достаточно хорош: он «знает», что компрессирует. В
этом алгоритме используются особенности восприятия глазом оттенков цветов и
движения. В каждом кадре MPEG-2 учитывает ровно столько деталей, чтобы не
было заметно никаких искажений. Кроме того, шифратор сравнивает соседние
кадры и передает только те участки изображения, которые изменились или
переместились. В результате качественно отснятая сцена выглядит
естественно.
«Чудо компрессии» позволяет не только передавать в эфир превосходное
изображение. Благодаря запасу полосы пропускания, появляется возможность
передавать цифровое аудио 5.1, то есть настоящий окутывающий звук (surround
sound),
Важнейшим компонентом HDTV служит совсем крошечная деталь... скромный
пиксел. В аналоговом телевидении элементы изображения, из которых состоит
красная, зеленая и синяя компоненты, представляют собой вертикальные
прямоугольники. В HDTV они квадратные, как на компьютерных мониторах, и
более, чем в четверо меньше пикселов аналогового ТВ, так что мелкие детали
получаются намного четче, что позволяет разглядеть каждую пору на коже
кинозвезды.
Стандарты цифрового телевидения
Аналоговое телевидение формата NTSC обеспечивает 720 строк (линий пикселов)
по вертикали на 486 строк (колонок пикселов) по горизонтали. HDTV дает
гораздо более четкое, резкое изображение с большим цветовым насыщением, так
как его разрешение составляет 1920 строк по вертикали на 1080 строк по
горизонтали.
В настоящее время существует 18 разных стандартов цифрового телевидения
(если в такой «стандартизации» вообще есть смысл). Пять из них определяются
как HDTV: 1125-, 1080-, и 1035-строчные с чередованием строк (i) и 720- и
1080-строчные с последовательными строками (p). Однако бытовой телевизор
HDTV обязан отображать один из сигналов 720p или 1080i в формате 16:9.
Практически все разрабатываемые сегодня телевизоры HDTV воспроизводят оба
формата, а телевещательные компании будут транслировать свои передачи в
одном из них. У каждого из этих форматов много своих особенностей, и их не
следует сравнивать, так как по существу это разные системы. У 1080i более
высокое горизонтальное разрешение, зато у 720p нет полукадровых искажений.
Эти искажения могут сказываться как на качестве воспроизведения объектов на
экране, так и на качестве шифрования сигнала MPEG-2. Чтобы лучше понять
разницу, сопоставим все это с обычным телевизором.
Наследие старого телевидения
В общем случае обычное аналоговое изображение на HDTV-телевизоре будет
выглядеть лучше. Однако производство телепередач остается нецифровым,
поэтому, чтобы вещать их по новой технологии, необходимо выполнить
преобразование в соответствии со спецификациями HDTV. Этот процесс
называется ап-конверсией. В стандартном телевидении луч пробегает по экрану
со скоростью 30 кадров в секунду. Каждый из этих кадров делится на два
поля, так что всего отображается 60 полей в секунду. В этих полях
чередуются четные и нечетные строки, что дает «чересстрочную» развертку,
характерную для современных телевизоров. Но хотя такое чередование кадров
создает эффект более плавного движения по сравнению с последовательной
разверткой, оно может стать причиной размытого изображения, теней и
искажений.
В HDTV-телевизоре эти 60 полей ап-конвертируются в изображение с
последовательной разверткой. Это означает, что строки передаются
последовательно одна за другой без всякого наложения полей. Именно так
отображается информация на мониторе компьютера. При более низком разрешении
в 480p такой формат, возможно, уже следует называть форматом не высокой, а
«повышенной четкости» изображения. В некоторых цифровых телевизорах
возможен другой процесс ап-конверсии, в котором аналоговое изображение
преобразуется в 1080 чередующихся строк, или 1080i. При этом используется
т.н. метод удвоения строк. Так что когда во время дневных передач вам
предлагают посмотреть пример «цифрового» телевидения, то на самом деле это
не HDTV, а аналоговое изображение с удвоением строк.
Проблемы формата
К сожалению, до сих пор не существует единого мирового стандарта HDTV. Все
вроде бы согласны, что кадр такого изображения должен состоять из примерно
тысячи строк, а экран телевизора — быть широким (отношение ширины к высоте
не 4:3, как у обычного телевизора, а 16:9, поскольку большинство
современных кинофильмов имеет именно такую размерность). В связи с этим
американская организация под названием Гильдия режиссеров (Guild оf
Directors) ратует за размерность 18:9, однако соотношение
HDTV японцы придумали еще в 1964 году, когда вещательная компания NHK
решила, что пора прокладывать путь для телевидения следующего поколения. В
основе этого решения лежали неприязнь ко всему иностранному (стандарт
телевидения в Японии — NTSC, то есть американский) и эксцентричная задача
добиться «мирового превосходства в телевидении». После неудачной попытки
самим изобрести телевидение и разработать толковый способ организации
вещания в цвете стремление стать зачинателями следующего этапа в развитии
телевещания казалось японцам вполне естественным.
В 80-х NHK предложила стандарт HDTV, который, по ее расчетам, должен был
ознаменовать начало новой телевизионной эры. Однако европейские компании
приняли его в штыки, заявив, что японское предложение о частоте полукадров
— шестьдесят в секунду — несовместимо с существующими системами PAL и
SECAM, основанными на развертке с частотой пятьдесят полукадров в секунду.
Вместо японского стандарта европейцы предложили свою систему HD-MAC,
основанную на стандарте для спутникового телевидения (МАС).
Американская же федеральная комиссия по связи (FCC) утвердила стандарт,
согласно которому картинка ТВЧ формируется из 1080 горизонтальных строк при
развертке шестьдесят полукадров в секунду и формате 16:9. Европейцы же
предлагали формировать изображение из 1225 строк.
Угол зрения
Для правильного восприятия фильма (то есть для обеспечения эффекта
присутствия) особенно важен угол обзора.
Иными словами, если вы сидите на правильном расстоянии от телевизора (при
размерности экрана 16:9 это расстояние равно утроенной высоте экрана), угол
охвата зрением должен составлять тридцать градусов. Между тем мы обычно
смотрим телевизор 4:3, находясь на расстоянии от восьми до десяти высот
экрана, и угол зрения при этом составляет от силы десять градусов. В
пределах этого сектора мы очень хорошо видим все детали изображения, а
движение воспринимаем плохо. За пределами сектора наблюдается обратная
картина: реакция на движение заметно улучшается, зато способность различать
детали падает. Без движений, отмечаемых периферийным зрением, сцены
выглядят искусственными.
Следовательно, для создания максимального эффекта присутствия необходим
такой угол охвата зрением, чтобы различать все детали в середине и отмечать
движение по краям экрана периферийным зрением. Этот угол составляет те
самые тридцать градусов, о которых говорилось выше. Так что дальнейшее
увеличение ширины экрана нецелесообразно. Вот почему киношники отказались
снимать панорамные фильмы (размерность кадра порядка 25:9).
На практике все гораздо сложнее: в домашних условиях, когда мы сидим на
расстоянии трех метров от телевизора, ширина его экрана, необходимая для
обеспечения угла охвата в тридцать градусов, должна быть около 2,8 метра.
Ни один телевизор трехметрового экрана не имеет — создать картинку такого
размаха способен лишь видеопроектор. И на ней будут заметны все огрехи
обычного телевизионного сигнала. Эту проблему и позволяет решить HDTV.
Проблема передачи сигнала
Но мало отснять HDTV-программу — нужно еще передать ее потребителю. Одно из
условий, поставленных американской FCC, состояло в том, чтобы обладатели
обычных телевизоров могли смотреть программы HDTV. Для выполнения этого
требования HDTV-сигнал нужно втиснуть в полосу частот шириной 6 мГц
(стандартная полоса для одного телеканала). А это на первых порах оказалось
очень сложно, поскольку HDTV-сигнал содержит больше информации, чем обычный
телевизионный. Настолько больше, что решение так и не было найдено вплоть
до появления сжатия видеоданных.
Проблема просмотра
Для того, чтобы воспользоваться всеми преимуществами HDTV, необходимо
сидеть от экрана на расстоянии, равном его высоте, умноженной на три. А это
недоступно большинству владельцев даже самых последних моделей телевизоров.
Предел для диагонали экрана телевизора 16:9 составляет 36 дюймов. Высота
такого экрана примерно 40 см. Значит, для получения максимального эффекта
присутствия необходимо сидеть приблизительно в полутора метрах от экрана.
Конечно, есть плазменные и проекционные телевизоры с экраном более метра в
диагонали, но они стоят очень дорого. Так что лишь немногие смогут
насладиться HDTV в полном объеме, даже если передачи появятся в эфире. Еще
хуже обстоит дело с домашним HDTV-кинотеатром. Видеомагнитофонов, способных
записывать сигнал HDTV, нет и не предвидится. Однако на выставке CES 2000,
проходившей в Лас-Вегасе в начале этого года, были представлены прототипы
DVD для HDTV и устройство записи цифрового телевизионного сигнала на хард-
диск, в принципе совместимое с HDTV. Более того, FCC постановила прекратить
с 2006 года трансляции в США передач в NTSC и заменить их на HDTV.
У Европы в общем и у России в частности, где никто и не заикается о
трансляциях HDTV-программ, таких проблем не существует. Вам не нужен HDTV-
аппарат, поскольку нет программ, которые по нему можно было бы смотреть.
Компрессия сигнала в HDTV.
Как уже отмечалось ранее в HDTV в качестве основного стандарта кодирования
используется MPEG-2. Рассмотрим его подробнее.
Немного истории
Стандарт MPEG-2 был специально разработан для кодирования ТВ сигналов
вещательного телевидения. Он позволяет получить полную четкость
декодированного ТВ изображения, соответствующую Рекомендации 601 МККР. (При
скорости передачи видеоданных 9 Мбит/с качество ТВ изображения
соответствует студийному).
С принятием стандарта MPEG-2 работы по компрессии видеоданных перешли в
область практической реализации. На данный момент можно назвать, по крайней
мере, десяток фирм, которые выпускают для продажи кодеры и декодеры по
стандарту MPEG-2. Наиболее известны из них Philips, Panasonic, Page Micro
Technology, CLJ Communi-cation, Wegener Communications, Scientific-Atlanta,
NTL, Segem Group и др.
В октябре 1995 г. через спутник Pan Am Sat начато 20-канальноеТВ вещание по
стандарту MPEG-2, осуществляемое на территории Скандинавии, Бельгии,
Нидерландов, Люксембурга, Ближнего Востока и Африки. В этой сети будет
использовано более миллиона декодеров MPEG-2.
На стандарт MPEG-2 ориентированы и создаваемая сейчас 100-канальная система
непосредственного телевизионного вещания (НТВ) Канады, и 150-канальная
система НТВ оператора спутника "Эхостар", а также 10-канальная система НТВ
Австралии, как и системы НТВ других стран.
В Российской Федерации телекомпания ВГТРК ввела в эксплуатацию
четырехканальную систему НТВ по стандарту MPEG-2. Другие российские
телекомпании также планируют начать НТВ по этому стандарту. Например РАО
"Газпром" создает систему цифрового вещания в России по стандарту MPEG-2 c
использованием спутников "Горизонт" и "Ямал". Здесь по одному стандартному
каналу будет передаваться от трех до восьми ТВ программ. К созданию системы
привлечены многие известные зарубежные фирмы. Вот некоторые из них: NEC,
Vistek, Fuba, Scientific Atlanta и др.
Стандарт кодирования MPEG-2
Даже в рамках одного стандарта, как показывает практика, передача сигналов
телевидения - и цифровое здесь не исключение, ведется на разных уровнях
качества. То же самое можно сказать и о телевизионных приемниках. Жесткие,
а главное узкие допусковые интервалы, не жизненны, поскольку лишают систему
гибкости, приспосабливаемости к разным условиям функционирования с
ориентацией на различные слои потребителей. При этом любая перспективная
система должна иметь резервы для перехода на более высокие уровни качества.
Эти и многие другие соображения и требования легли в основу очень важного
документ: ISO/IEC 13818-2.
В этом документе определено, что стандарт MPEG-2 - это целое семейство
взаимносогласованных совместимых цифровых стандартов информационного сжатия
телевизионных сигналов с различной степенью сложности используемых
алгоритмов.
Градации качества ТВ изображения для вещательных систем в стандарте ISO/IEC
13818-2 устанавливаются введением четырех уровней для формата разложения
строк ТВ изображения и пяти профилей для форматов кодирования сигналов
яркости и цветности. Общая идеология построения стандарта поясняется
таблицей.
|ПРОФИЛИ, УРОВНИ, СОГЛАСОВАННЫЕ ТОЧКИ |
|Высокий | |80 | | |100 |
|1920 | | | | | |
|отсчетов | | | | | |
|1152 | | | | | |
|строки | | | | | |
|(активных| | | | | |
|) | | | | | |
|Высокий | |60 | |60 |80 |
|уровень | | | | | |
|1440 | | | | | |
|отсчетов | | | | | |
|1152 | | | | | |
|строки | | | | | |
|(активных| | | | | |
|) | | | | | |
|Основной |15 |15 |15 | |20 |
|уровень | | | | | |
|720 | | | | | |
|отсчетов | | | | | |
|576 | | | | | |
|строки | | | | | |
|(активных| | | | | |
|) | | | | | |
|Низкий | |4 |4 | | |
|уровень | | | | | |
|352 | | | | | |
|отсчета | | | | | |
|288 | | | | | |
|строки | | | | | |
|(активных| | | | | |
|) | | | | | |
| |Простой |Основной |Профиль |Специальный |Высший |
| |профиль |профиль |с |масштабируемы|профиль |
| |без B |без B |масштабируемы|й |B кадры |
| |кадров |кадров |м |профиль |формат |
| |формат |формат |отношением |B кадры |4:2:0 |
| |4:2:2 |4:2:0 |с/ш |формат 4:2:0 |или 4:2:2|
| | | |B кадры | | |
| | | |формат 4:2:0 | | |
Примечание: не отмеченные профили и уровни не определены как согласованные
точки (нестандартизованы). Все цифровые параметры даны в Мб/с.
Расположенный в нижней части таблицы уровень называется "низким уровнем" и
ему соответствует новый класс качества ТВ изображения, которое вводится в
стандарте MPEG-2 - телевидение ограниченной четкости. В этом случае в кадре
ТВ изображения содержится 288 активных строк (в два раза меньше, чем в
телевидении обычной четкости) и каждая строка дискретизируется на 352
отсчета.
Кодирование сигналов телевидения обычной четкости выполняется в
соответствии с основным уровнем, т.е. с форматом разложения на 576 активных
строк в кадре, которые кодируются с использованием 720 отсчетов на строку.
Высокий-1440 и высокий-1920 предусматриваются для кодирования сигналов
телевидения высокой четкости (ТВЧ). В обоих "высоких" уровнях кадр ТВ
изображения содержит 1152 активные строки (вдвое больше, чем в телевидении
обычной четкости). Эти строки дискретизируются соответственно на 1440 или
1920 отсчетов.
В стандарте используются 5 профилей, которым соответствует 5 наборов
функциональных операций по обработке (компрессии) видеоданных. Некоторые из
теоретически возможных наборов функциональных операций по компрессии
видеоданных на этапе создания стандарта не были включены в таблицу. Они
могут быть введены и стандартизованы в дальнейшем, если будет доказана их
необходимость или полезность.
Профиль, в котором используется наименьшее число функциональных операций по
компрессии видеоданных, назван простым профилем. В нем при компрессии
видеоданных используется компенсация движения изображения и гибридное
дискретно-косинусное преобразование.
Следующий профиль назван основным профилем. Он содержит все функциональные
операции простого профиля и одну новую: предсказание по двум направлениям.
Эта новая операция, естественно, повышает качество ТВ изображения.
Следующий за основным назван профилем с масштабируемым отношением
сигнал/шум. Термин "масштабирование", в данном случае, означает возможность
обмена одних показателей системы на другие. Этот профиль к функциональным
операциям основного профиля добавляет новую - масштабирование. Основная
идея - повышение устойчивости цифрового телевидения и сохранение
работоспособности при неблагоприятных условиях приема. Операция
масштабирования позволяет в рассматриваемом случае повысить устойчивость
системы за счет некоторого снижения требований к допустимому уровню
отношения сигнал/шум в воспроизводимом ТВ изображении.
При масштабировании поток видеоданных разделяют на две части. Одна из них
несет наиболее значимую часть информации - ее называют основным сигналом.
Вторую часть, несущую менее значимую информацию, называют дополнительным
сигналом. Декодирование только одного основного сигнала позволяет получить
ТВ изображение с пониженным отношением сигнал/шум. Одновременное
декодирование основного и дополнительного сигналов повышает отношение
сигнал/шум до исходного значения.
И все же, что можно извлечь из идеи деления потока данных на более и менее
значимые части? А все дело в защите системы от ошибок. Помехоустойчивое
кодирование требует введения дополнительных бит, что повышает общий поток
информации. Задача упрощается, когда более мощная защита применяется только
к части информации и тем самым соблюдается разумный баланс между уровнем
потока видеоданных и степенью их защиты. При неблагоприятных условиях
приема (например, при низкой напряженности радиополя, при приеме на
комнатную антенну и т.п.) сохраняется возможность устойчивого декодирования
более защищенного основного сигнала, а неустойчиво воспринимаемый
дополнительный сигнал просто отключается. Как уже сказано, это ведет к
росту уровня шума, зато система остается работоспособной.
Не так уж редки ситуации, когда сигналы приходится передавать по каналам с
ограниченной пропускной способностью. Деление потока видеоданных на два,
позволяет использовать и "плохие" каналы, ограничивая передачу основным
сигналом.
Следующий, четвертый профиль назван специально масштабируемым профилем.
Здесь, естественно, сохранены все операции предшествующего профиля и
добавлена новая - разделение потока видеоданных по критерию четкости ТВ
изображения. Этот профиль обеспечивает переходы между нынедействующими
системами и телевидением высокой четкости. С этой целью видеоданные сигнала
ТВЧ разделяются на три потока. Первый - это основной (значимый) поток
видеоданных, например, по стандарту разложения на 625 строк. Второй поток
несет дополнительную информацию об изображении с числом строк до 1250.
Одновременное декодирование первого и второго потоков видеоданных позволяет
получить телевизионное изображение высокой четкости, но с пониженным
отношением сигнал/шум. В третьем потоке сосредоточена менее значимая
информация, его декодирование позволяет повысить отношение сигнал/шум в
видеоканале до уровня, принятого в ТВЧ. Обычно первый поток видеоданных,
представляющих сигнал 625-строчного ТВ, - это 6 Мбит/с, дополняющий его до
ТВЧ - 6 Мбит/с, а повышающий отношение сигнал/шум до уровня, когда шумы
визуально незаметны - 12 Мбит/с.
В рассмотренных четырех профилях при кодировании сигналов яркости и
цветности используется формат представления видеоданных 4:2:0, в котором
число отсчетов сигналов цветности по сравнению с сигналом яркости
уменьшается в два раза не только по горизонтальным, но и по вертикальным
направлениям. Следующий, пятый профиль называется высшим профилем, и он
включает в себя все функциональные операции специального профиля 4:2:2, при
котором число отсчетов сигналов цветности в вертикальных направлениях
остается тем же, что и у сигнала яркости (см. рис.).
[pic]
Рис. 1 Форматы представления видеоданных
Приведенные в таблице пять профилей и четыре уровня образуют двадцать
возможных комбинаций видеосигнала, из которых, вероятнее всего, только
одиннадцать будут полезными или необходимыми. Для этих комбинаций
(согласованные точки) в таблице указаны максимальные значения скорости
передачи видеоданных. Комбинации, которые сегодня не вызывают интереса, в
стандарте MPEG-2, пока, не нормированы и в таблице отмечены крестами.
Для всех стандартизованных точек указаны максимальные потоки видеоданных,
которые позволяют по | |
