Передача телевізійних сигналів у цифровій формі зі стиском

Створення ефективного алгоритму цифрової обробки ТВ сигнала стало можливим на основі досягнень теорії зору і техніки сверхвеликих інтегральних схем (СВІС). Алгоритм, покладений в основу стандартів MPEG включає визначений базовий набір послыдовних процедур.

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

Послідовність кадрів може бути наприклад така:

IBBPBBPBBPBBBIBBPBBPB...

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.

Рисунок 1.3 Розбивка зображення на блоки в стандарті MPEG-2

Розбивши зображення на невеликі блоки (рис.1.3) і визначивши їхнє розташування в попередньому кадрі, можна для кожного блоку знайти набір параметрів, що показує напрямок і значення його зсуву. Цей набір називають вектором руху, а всю операцію - передбаченням з компенсацією руху. По каналі зв'язку передаються тільки вектор руху і відносно невелика різниця між поточним і передбаченим блоком. На цьому етапі усувається просторова надмірність - різницевий сигнал піддається перетворенню з просторової в частотну область, здійснюваному за допомогою двовимірного дискретно-косинусного перетворення (ДКП). ДКП перетворить блок зображення з фіксованого числа елементів у рівне число коефіцієнтів. Це дає дві переваги. Пo-пepше, у частотній області енергія сигналу концентрується у відносно вузькій смузі частот (звичайно на НЧ) і для передачі несуттєвих коефіцієнтів досить невеликого числа бітов. Пo-друге, розкладання в частотній області максимально відбиває фізіологічні особливості зору [16].

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.

Засекречування ТВ сигналів

Телевізійні сигнали із супутника в принципі можуть бути прийняті будь-якими бажаючими в межах великої території незалежно від бажання передавальної сторони. Однак у деяких випадках телекомпанія - власник програми зацікавлений у запобіганні несанкціонованого прийому, наприклад, при передачі програм платного телебачення, ділових чи телеконференцій для обмеження території, на якій можна приймати дану програму за умовами авторського права. Найбільше широко застосовуваний метод обмеження доступу - засекречування переданих програм таким чином, щоб зробити прийом неможливим без спеціального декодера, наданого власником програми. На практиці використовується вісім систем кодування для РAL/SECAM, чотири для NTSC і шість для сигналу МАС.

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.