Телевізійний приймач з можливістю прийому сигналів у форматі MPEG-2

РЕФЕРАТ

Дипломний проект містить основну частину на 103 аркушах, таблиць 15, ілюстрацій 15.

Область застосування: прийом сигналів супутникового цифрового, супутникового аналогового, а, також, наземного ефірного і кабельного віщання

ЗМІСТ

Перелік умовних позначок і скорочень

1.3 Телевізійний сигнал з тимчасовим поділом компонентів

1.4 Передача сигналів у цифровій формі з стиском

1.7.2 Технічні характеристики цифрових супутникових приймачів

1.8 Цифровий стандарт DiSEq

2 Синтез функціональної схеми

5.1 Аналіз умов праці

5.1.1 Повітряне середовище робочої зони

5.2.3 Електробезпечність

5.2.4 Заходи для забезпечення пожежної безпеки

Література

ПЕРЕЛІК УМOBHИX ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ

ВСТУП

До дійсного часу на Україні досягнуть значний прогрес у розвитку віщальної телевізійної мережі. Уся територія охоплена мережею потужних передавачів, що дозволяють подавати населенню 2-3 загальнодержавні програми. Сформовано мережу місцевого ( обласного і районного) віщання, що додає до загальнодержавних програм ще 3-9 програм. Практично у всіх містах побудовані багатоканальні кабельні мережі, здатні забезпечити 20 і більш віщальних програм з високою якістю.

Однак на сучасному етапі розвиток телевізійного віщання характеризується розширенням використання супутникових систем зв'язку, що пояснюється рядом їхніх незаперечних переваг.

Сучасне телебачення орієнтоване на використання аналогових сигналів стандартів РAL, NTSC, SECAM, причому забезпечення високої якості прийому сигналів сполучено зі значними технічними і економічними труднощями, обумовленими створенням мережі ретрансляторів.

Покращити ситуацію стало можливо лише завдяки використанню супутникової ретрансляції, при якій забезпечується охоплення великих територій і використання переданого сигналу необмеженим числом прийомних установок. Ще одним важливим фактором є економічність. Подальший розвиток аналогових методів уже не в змозі забезпечити скільки-небудь серйозного поліпшення якості телевізійного сигналу, до якого пред'являються всі зростаючі вимоги. Це приводить до необхідності використання цифрових методів і, як наслідок, рішення головної проблеми цифрового телебачення - скорочення надмірності телевізійного сигналу.

У даному дипломному проекті розробляється пристрій, що поєднує в собі функціональні можливості супутникового аналогового, супутникового цифрового приймачів і приймача наземного віщання. Можливо, розроблювальне пристрій у чомусь програє окремим компонентам, що виконують аналогічні функції, але його універсальність є тим фактором, що дозволяє зробити припущення про його конкурентноздатність на ринку.

1 АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД

1.1 Стандарти сигналів супутникового телевізійного віщання

По способу передачі сигналів кольоровості розрізняють три системи кольорового телебачення: SECAM, NTSC і РAL.

Системи SECAM, NTSC і РAL були розроблені для наземних ТВ мереж, що використовують амплітудну модуляцію (АМ) несущої зображення, і не придатні для супутникових каналів, де основний є частотна модуляція (ЧМ). При проходженні ЧМ сигналу через тракти з нерівномірною амплітудною і нелінійною фазовою характеристикою виникають перехресні спотворення сигналів яскравості і кольоровості, що погіршують якість зображення. до того ж через трикутний спектр демодулированного шуму при ЧМ сигнали кольоровості виявляються в області підвищеної спектральної щільності потужності шуму, що знижує завадостійкість прийому цих сигналів.

У багатьох країнах проводилися пошуки нових методів формування ТВ сигналу, вільних від зазначених недоліків. Найкращих результатів домоглися від цифрових методів передачі. Однак для передачі кольорового ТВ зображення з високою якістю швидкість цифрового потоку повинна складати більш 200 Мбіт/с, що значно перевищує пропускну здатність типового ствола супутникового ретранслятора зі смугою пропускання 27...36 :МГц. як компроміс для першого покоління європейських систем безпосереднього телевізійного віщання був розроблений і прийнятий комбінований цифроаналоговий стандарт із почерговою передачею на періоді активної частини рядка стиснутих у часі аналогових сигналів яскравості і кольоровості, що одержав назву МАС (Multiplexing Analogue Components - ущільнення аналогових компонентів) [ 16] . Сигнали звукового супроводу, синхронізації, службова і додаткова інформація передаються в цифровій формі. У залежності від обраного способу передачі звуку і даних розрізняють стандарти В-МАС, С-МАС, D- і D2-MAC.

Наприкінці 80-х рр. був створений алгоритм цифрового стиску, що дозволяв передати високоякісне зображення зі швидкістю 7...9 Мбіт/с, зображення віщальної якості - зі швидкістю 3,5...5,5 Мбіт/с і кінофільм зі швидкістю не більш 1,5 Мбіт/с. На основі цього алгоритму Міжнародна організація стандартизації прийняла два стандарти обробки ТВ зображення: MPEG-1 для телебачення з невисокою дозволяючою здатністю і прогресивною розгорткою (компакт-диски, комп'ютерні ігри, мультимедіа) і MPEG-2 для віщального телебачення з черезрядковою розгорткою. Подальшим розвитком MPEG-2 став європейський стандарт цифрового ТВ віщання (DVB), що містить норми на параметри модуляції, кодування і передачі по каналах зв'язку.

1.2 Аналоговий метод передачі з ЧМ

При передачі ЧМ девиація частоти несущої вибирається виходячи зі смуги пропущення ВЧ тракту таким чином, щоб уникнути спотворень переданого сигналу, зв'язаних з відсіканням частини його спектра. Перехресні завадиви проявляються в спотвореннях типу "диференціальне посилення" і " диференціальна фаза ". Для зменшення цих спотворень застосовується рекомендована МККР лінійна обробка.

Поряд з лінійними передспотвореннями сигналу зображення в супутникових системах іноді, застосовують нелінійну обробку , що полягає в обмеженні розмаху передспотвореного сигнала за рахунок відсікання коротких викидів, що відповідають крутим фронтам вихідного сигналу. При сигналі SECAM припустиме обмеження на 2...3 дБ, на таке ж значення можна збільшити девіацію частоти і відношення сигнал/шум на виході каналу.

Сигнал звукового супроводу телебачення в традиційних системах із ЧМ передається звичайно разом із сигналом зображення на частоті, що піднесе, розташованої вище його спектра [16]. для досягнення необхідної завадозахищеності передача здійснюється методом частотної модуляції піднесущої, причому девіацію частоти паднесущої вибирають, як правило, більшою, ніж у наземному телебаченні - до 100 і навіть 150 кГц. Значення піднесущої також вище і складає 7,0...7,5 МГц при смузі відеосигналу 6 МГц, 5,8...6,8 МГц при смузі 5 МГц і 5...6 МГц при смузі 4,2 МГц, що дозволяє зменшити перехідні завади з каналу зображення в канал звукового супроводу і полегшити вимоги до фільтрації сигналів.

Для підвищення завадостійкості передачі звукових сигналів, як і в наземному телебаченні, застосовують частотні передспотворення - підйом верхніх частот переданого повідомлення.

При необхідності передачі разом із сигналом зображення більш ніж одного звукового сигналу (звукове віщання, звуковий супровід на іноземних мовах, стереозвук) використовується декілька піднесущих частот, розташованих вище спектра відеосигналу. Їхнє число обмежене виникненням перехресних завад і погіршенням якості ТВ зображення через зменшення частки девіації несущої, приходящейся на відеосигнал. Практично з задовільною якістю вдається передати два-чотире додаткових сигнала. Наприклад, у супутникових ТВ каналах, організованих через європейські ІСЗ Eutelsat II і Astra поряд з основним каналом звукового супроводу сформовані ще до чотирьох високоякісних звукових каналів, використовуваних для передачі монофонічних чи стереофонічних програм [17].

Компандування застосовується для підвищення завадостійкості передачі звукових сигналів. Воно має на увазі стиск динамічного діапазону переданого сигнала відповідно до зміни обгинаючої звукового сигнала і відновлення вихідного динамічного діапазону на прийомі. Розрізняють "керовані" компандери, у яких інформація про вихідний динамічний діапазон передається в окремому каналі керування, і "некеровані", у яких ця інформація міститься в переданому сигналі.

Виграш у завадозахищеності завдяки компандуванню досягає в середньому 12...13 дБ при наявності сигналу і по 20 дБ паузі сигналу.

Більш ефективним енергетично і вільним від перехресних завад способом передачі декількох звукових сигналів є передача на піднесущей у дискретній формі. Сигнали окремих каналів перетворяться в цифрову форму і поєднуються (мультіплексуються) у загальний цифровий потік, що модулює по фазі піднесущу частоту, розташовану вище спектра відеосигналу. Піднесуща 5,73 МГц модулюється цифровим потоком з швидкістю 2,048 Мбіт/с, що містить ІКМ звукові сигнали, імпульси корекції помилок, контрольні імпульси. у системі утворяться або чотири звукових канали зі смугою 15 кГц, або два канали дуже високої (студійної) якості зі смугою 20 кГц.

Сформовані тим чи іншим способом цифрові сигнали окремих каналів, імпульси синхронізації, корекції помилок і інші дискретні сигнали зводяться в загальний цифровий потік

- з поділом за часом на несущій частоті ( система С).

Перша буква, що входить у повне позначення стандарту сімейства МАС (наприклад, С-МАС), означає спосіб передачі цифрового сигналу.

Для сполучення по смузі частот відеосигналу з мережами кабельного телебачення розроблені стандарти D-MAC і D2-MAC. У системі D2-MAC аналогові сигнали яскравості і кольоровості передаються протягом активної частини рядка в стиснутому в часі виді. Цифрова частина сигналу, що відповідає звуку, синхронізації, телетексту й іншим даним, об'єднана в пакети, передані протягом зворотного ходу по рядку і по кадрі. Струтура рядка сигналу, закодованого по системі D2-MAC, приведена на рис. 1.1.

У стандарті D-MAC бінарний (двоїчний) цифровий потік перетвориться в дуобінарный (трьохрівневий), у якому, логічному 0 відповідає імпульс нульової амплітуди, а логічної 1- імпульс позитивної чи негативної полярності. Об'єднання відеосигналу і дискретної послідовності здійснюється по відеочастоті.

1.4 Передача телевізійних сигналів у цифровій формі зі стиском

У якості вихідного використовується компонентний ТВ сигнал RGB, потім він матрицюється в сигнал, що складається з яскравісної (Y) і двох кольорорізностних складових (U і V). Дискретизація здійснюється з тактовими частотами 13,5 МГц для сигнала яскравості і 6,76 МГц для кольорорізностних сигналів (співвідношення частот дискретизації 4:2:2- див.мал.1.3).

На етапі попередньої обробки вдаляється інформація, що затрудняє кодування, але несуттєва з погляду якості зображення. Звичайно використовується комбінація просторової і тимчасової нелінійної фільтрації [16].

Основна компресія досягається завдяки усуненню надмірності ТВ сигнала. Розрізняють три види надмірності - тимчасову (два послідовних кадри зображення мало відрізняються один від іншого ), просторову ( значну частину зображення складають однотонні однаково пофарбовані ділянки) і амплітудну (чутливість ока неоднакова до світлих і темних елементів зображення).

В залежності від цього кожен кадр у форматі MPEG може бути наступного виду:

- I (Intra) frame - кодується як звичайна картинка.

Р (Predicted) frame - при кодуванні використовується інформація від попередніх I чи Р кадрів.

B (Bidirectional) frame - при кодуванні використовується інформація від одного чи двох I чи R кадрів (один попередній даному й один наступний за ним, хоча може і непосредственно, див. рис.1.1).

Рисунок 1.2 Послідовність кадрів у форматі MPEG

Потрібно помітити, что прежде чем декодувати В кадр потрібно декодувати два I чи Р кадри. Існують різні стандарти на частоту з якою повинні слідувати I кадри (приблизно 1-2 кадру в секунду), що відповідають стандарти є і для Р кадрів (кожен 3 кадр повинний бути Р кадром). Такий вибір був зроблений для того, що б забезпечити одночасне виконання вимог максимального стиску і довільного доступу до кожного з кадрів послідовності. Тим часом саме В - кадри забезпечують максимальний стиск, і якби удалося підняти частку В - кадрів у групі, а I - кадрами позначити границі сюжетів, то ефективність стиску була б збільшена [16].

Тимчасова надмірність усувається передачею замість кадру зображення його відмінностей від попереднього кадру. Просте вирахування кадров було значно удосконалене, коли помітили, что велика частина змін, що з'являється на зображенні, може бути інтерпретована як зсув малих областей зображення.

Наступний етап обробки полягає в адаптивному квантуванні отриманих коефіцієнтів. Набір коефіцієнтів кожного блоку розглядається як вектор, і процедура квантування виробляється над набором у цілому (векторне квантування ). Оцінка показує, що описана процедура стиску близька до теоретичної межі стиску інформації з Шеннону.

Амплітудна надмірність вихідного сигналу усувається на етапі кодування повідомлення перед подачею його в канал зв'язку. Не всі значення вектора руху і коефіцієнтів блоку рівноймовірні, тому застосовується статистичне кодування з перемінною довжиною кодового слова. Найбільш короткі слова привласнюються подіям з найбільшою ймовірністю. Додаткова компресія досягається кодуванням у виді самостійного символу груп нулів. Відмітною рисою стандартів MPEG 1 і MPEG2 є їхня гнучкість. Вони можуть працювати з параметрами розкладання зображення 525 рядків при 30 кадрах у секунду і 625 рядків при 25 кадрах у секунду, придатні для форматів зображення 4:3, 16:9 і ін. Допускають удосконалення кодера без змін у вже встановлених декодерах.

Можна розрахувати, що в супутниковому каналі з пропускною здатністю 20...25 Мбіт/м можна передати чотири-п'ять програм гарної якості, що відповідає Магістральним каналам подачі програм, чи 10...12 програм з якістю, що відповідає відеомагнітофону стандарту VHS.

Складовою частиною в стандарти MPEG 1 і MPEG2 входять алгоритми передачі звукових сигналів з цифровою компресією, що дозволяють зменшити швидкість цифрового потоку в шістьох-вісьмох разів без суб'єктивного погіршення якості звучання. Один із широко використовуваних методів одержав назву MUSICAM (Layer-ІІ) [17].

Вихідним сигналом є ІКМ послідовність, отримана стробированієм вихідного звукового сигналу з тактовою частотою 48 кгц, і перетворенням у цифрову форму з точністю 16 біт/відлік. Нова техніка кодування використовує властивості людського сприйняття звуку, зв'язані зі спектральним і тимчасової маскуванням. Шуми квантування динамічно пристосовуються до порога маскування, і в каналі передаються тільки ті деталі звучання, що можуть бути сприйняті слухачем. Ця ідея реалізується в кодері. Тут за допомогою блоку фільтрів відбувається поділ сигналу на 32 парціальних сигнала, що квантуються відповідно до керуючого сигналами психоакустичної моделі людського слуху, що використовує оцінку порога маскування для формування цих керуючих синалов. На виході кодера з парціальних відліків формується набір кодових слів, поєднуваний далі в кадр заданої тривалості. вихідна швидкість кодера в залежності від вимог якості і числа програм у каналі може складати 32, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 160 чи 192 Кбіт/с на монопрограму. Швидкість 32 Кбіт/с відповідає звичайному мовному каналу , 48 Кбіт/с - наземному АМ віщанню. При швидкості 256 Кбіт/с на стереопару не тільки забезпечується якість компакт-диску, але і мається значний запас на наступну обробку . Системна частина стандарту MPEG2 описує об'єднання в єдиний цифровий потік окремих потоків зображення, звуку, синхронізації, даних однієї чи декількох программ. Для передачі в середовищі з завадами формується "транспортний" потік, що включає засоби для запобігання помилок і виявлення загублених пакетів. Він містить пакети фіксованої довжини (188байт), що містять стартовий байт, префікс (3 байти) і область корисних даних.

Перед подачею в канал зв'язку сигнал піддається додатковому завадостійкому кодуванню і надходить на модулятор. Ці операції не входять у стандарт MPEG і в різних супутникових системах можуть виконуватися різними способами, що позбавляє ці системи апаратурної сумісності. Європейським країнам удалося вирішити цю проблему, розробивши на базі MPEG2 стандарт багатопрограмного цифрового ТВ віщання DVB, що нормує вага операції на передавальній стороні аж до подачі сигналу на вхід СВЧ передавача.

У стандарті DVB застосовується каскадне завадостійке кодування. Зовнішній код - укорочений код Рида-Соломона (204.188) з t=8, що забезпечує "безпомилковий" прийом (імовірність помилки на виході менш 10-10 при імовірності помилки на вході менш 10-3). Внутрішній код - сверхточний з відносною швидкістю 1/2,2/3,3/4,5/6 чи 7/8 і довжиною кодового обмеження ДО=7, декодування здійснюється по алгоритму Віттербі. Вид модуляції - чотирьохпозиційна ФМ.

На прийомній стороні декодер здійснює всі вищеописані операції в зворотному порядку, відновлюючи на виході зображення, дуже близьке до вихідного .

Основною областю використання цифрового телебачення. як очікується, стануть системи безпосереднього ТВ віщання в діапазоні 12 ГГц. у США уже функціонує перша така система DirecTV , що надає абонентам можливість прийому більш ніж 170 ТВ програм.

1.5 Засекречування ТВ сигналів

Основні вимоги до системи засекречування - вона повинна бути недорогою і надійною і "прозорою". Перша вимога очевидна й означає, що вартість декодера не повинна істотно впливати на вартість усієї прийомної установки. Висока надійність припускає, що сигнал неможливо розшифрувати простою переробкою приймача і потрібно спеціальний пристрій - декодер, що, принаймні, не може бути виготовлений у домашніх умовах і містить ключ чи спеціальну карту , захищені від копіювання. Звичайно приходиться шукати компроміс між надійністю системи засекречування і її вартістю. Прозорість системи означає, що якість сигналу після кодування/декодування не повинне погіршуватися [ 16] .

Найпростіший спосіб засекречування - спотворення синхросигнала так, що стандартний ТВ приймач не може відновити норрисьне зображення, воно з'являється на екрані у виді окремих сегментів. Інформація про синхросмеси передається в сигналі в схованій формі і виявляється декодером, що відновлює стандартні синхроімпульси. Більш висока надійність досягається додаванням інвертування частини сигналу, зсувом його рівня. Ще більш складний шлях - зрушення в часі окремих рядків зображення, чи розсічення рядків і перестановка місцями розсічених частин, чи перестановка місцями рядків.

В одній з перших систем, що використовувалися в Європі, замість рядкового синхроімпульсу підставлявся пакет синусоїдальних коливань з частотою 2,5 МГц, застосовувалися також різні варіанти інвертування зображення. Різновид цього методу за назвою Irdeto/Luscrypt використовується при кодуванні програми RTL-4 на супутнику Astra. Схожий результат виходить при передачі цифрових звукових сигналів в інтервалі зворотного ходу лучачи, використовуваної Європейським віщальним союзом у системі "Євровіденіє". Цифровий пакет порушує структуру рядкового синхроімпульсу і збиває роботу амплітудного селектора, тому на прийомі необхідно спеціальний пристрій регенерації синхросуміші.

Системи зі зсувом рівня окремих компонентів відеосигналу виявилися не дуже надійними і поступово від них відмовилися на користь більш дороблених методів зі зсувом у часі окремих елементів зображення, що забезпечують значно більш високу надійність. Серед систем, що дозволяють розпізнати зображення, але утрудняють його перегляд найбільш відомий Discret, де зображення кожного рядка затримується на 0, 1 чи 2 мкс за допомогою додаткових аналогові лінії затримки, підєднуємих до каналу на період рядка по псевдовипадковому законі. На прийомній стороні закон чергування відновлюється по кодовому слову, переданому разом із сигналом і що розшифровується декодером [ 16] .

У системі Videocrypt закладений більш складний принцип переміщення частин рядків. Кодер розсікає кожен рядок в одній з 256 крапок, обраних по псевдовипадковому законі , і змінює місцями частини розсіченого рядка.

При цьому цілком руйнується структура зображення по вертикалі, але частково зберігається горизонтальна структура - титри, написи, меню програм .

Інформацію, необхідну для відновлення зображення, декодер одержує з двох джерел: один ключ передається в закодованому виді в інтервалі кадрового гасящего імпульсу, інший поширюється у виді спеціальної абонентської картки, що розсилається передплатникам кожні три-чотири місяця. Сьогодні Videocrypt - найбільш розповсюджений метод

Для стандартів сімейства МАС розроблений метод засекречування Eurocrypt, що базується, як і Videocrypt на розсіченні і перестановці частин рядка. Інформація про координати розсічення передається в рядку 625 у виді кодового числа. для його розшифровки на прийомі використовується абонентська картка з вмонтованим у неї кристалом пам'яті, у якій записані ключі до коду й інструкції з дешифрування. Eurocrypt застосовується більш ніж у 80% усіх ТВ каналів, що використовують сигнали D2- і D2-MAC.

Засекречування сигналів у цифровому телебаченні не представляє особливої проблеми, тут може широко використовуватися весь арсенал методів, розроблених раніше для цифрового радіозв'язку. В одній із практично реалізованих систем цифровий потік зашифровується за допомогою переданого разом із сигналом кодового слова довжиною 56 біт, генерируємого псевдовипадковим образом і змінюваного з інтервалом від часток до декількох секунд. Кодове слово у свою чергу зашифровується за допомогою ключа, обновлюваного раз у кілька тижнів, а той останній розсилається абонентам по супутниковому каналі також у засекреченому виді. Алгоритм декодування записується в кристалі мікропроцесора, що поміщається або в декодері, або в абонентській картці і працює тільки при наявності ключа. Ступінь таємності такого коду дуже висока.

1.6 Аналоговий супутниковий приймач

Необхідно відзначити принципову різницю між сигналами супутникового і наземного телебачення. в апаратурі СБТВ прийнята смуга першої проміжної частоти 0,95- 1, 75 ГГц, що відповідає довжинам хвиль 31-17 см , тобто дециметровому діапазону. Максимальна частота 60-го дециметрового каналу наземного телевізійного віщання складає 790 МГц. Сигнали аналогового супутникового телебачення передаються за допомогою частотної модуляції, ширина смуги частот, займана каналом - 27 МГц, тоді як у наземному телебачення сигнали амплітудно - модульовані, з смугою каналу 8 МГц. Таким чином, задача супутникового приймача - настроювання на потрібний канал і перетворення прийнятого сигналу в стандартний телевізійний формат .

Загальноприйнятої для прийомних установок СБТВ у даний час є схема з подвійним перетворенням частоти: перша ПЧ обрана рівної 0,95-1,75 ГГц, при цьому гетеродин конвертора має фіксоване настроювання , а канал вибирають перебудовою другого гетеродина, тобто в приймачі.

Це рішення оптимальне, так як перебудова частоти виробляється простими й економічними технічними засобами, забезпечується необхідна вибірковість по сусідньому і дзеркальному каналах і зворотному випромінюванні гетеродина. Вибір зазначеного значення першої ПЧ обумовлений необхідністю компромісу між суперечливими вимогами до значення першої ПЧ. Для прийому сигналів до смузі 800 МГц, придушення дзеркального каналу, зворотного випромінювання гетеродина, частота якого повинна лежати поза смугою частот прийнятих сигналів, ПЧ повинна бути обрана якнайвище. для зменшення втрат у сполучному кабелі між конвертором і приймачем, а також для зменшення вартості малошумячого підсилювача ПЧ вона повинна бути не занадто високою [16].

Сучасна технологія виробництва інтегральних схем основних функціональних вузлів, що працюють на частотах 700 МГц і вище, смугових фільтрів на структурах з поверхнево-акустичними хвилями допускає збільшення значення другої ПЧ. В даний час більшість супутникових приймачів мають другу ПЧ, рівну 479,5 МГц і, рідше, 612 МГц.

Діапазон вхідних частот багатьох сучасних супутникових приймачів СБТВ розширений до 0,70- 2,15 ГГц, мається також можливість плавного підстроювання частоти гетеродина. Це дозволяє більш гнучко використовувати різні типи конверторів, особливо повнодіапазонних.

Основними технічними характеристиками супутникового приймача є: