Материал: Розрахунок основних параметрів системи цифрового телевізійного мовлення

Розрахунок основних параметрів системи цифрового телевізійного мовлення

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

Розрахунок основних параметрів системи цифрового телевізійного мовлення

Вступ

цифровий модуляція інформаційний кодування

На сьогодні у світі більше 1,6 мільярдів телевізорів, телефонних ліній - 800 мільйонів, тобто приблизно в два рази менше, а в країнах, що розвиваються, співвідношення телевізорів і телефонних ліній складає навіть 10:1. Абонентів мобільного зв'язку, хоча вона і швидко розвивається, вже біля 400 млн. Отже, телебачення є домінуючою складовою в інформатизації світової спільноти.

У першому десятилітті двадцять першого століття аналогове телебачення з усіма властивими йому спотвореннями стане частиною історії, оскільки наземні, супутникові і кабельні системи передачі, по яких відбувається доставка ТБ програм телеглядачам, поступово переходять в цифрові методи.

Досвід, накопичений в ТБ мовленні, показав, що телебачення, переходячи в цифрову еру, здатне надати ряд нових можливостей при збереженні економічної ефективності.

1. Передача ТБ сигналу в двійковій формі по лінії зв'язку з перешкодами дозволяє значно збільшити завадостійку передачі;

2. Передача ТБ сигналу в двійковій формі по багатоланковій лінії зв'язку дозволяє робити багатократну регенерацію і скремблювання цифрового сигналу в проміжних пунктах, здійснювати цифрову корекцію спотворень і пригнічення флуктуаційних і періодичних перешкод в проміжних пунктах і таким чином запобігає накопиченню перешкод уздовж усієї лінії. Тому якість зображення в цифровій ТБ системі практично повністю визначається якістю сигналу, створеного на ТБ центрі, і майже не залежить від складності і протяжності ліній зв'язку. Іншими словами, цифрова ТБ система забезпечує прозору передачу відеосигналів. В даному випадку під прозорістю розуміється незмінність сигналів джерела, коли зберігаються первинна якість відеоматеріалу і його здатність до дельнейшей обробки;

3. Цифрові системи відкривають широкі можливості обробки ТБ сигналу в цифровій формі для усунення в нім статистичній і фізіологічній надмірності перед передачею по каналу зв'язку, тобто забезпечують високу міру стискування відеоінформації (з 216 Мбіт/с до 1,5 - 15 Мбіт/с), що дозволяє вже зараз передавати в стандартному радіоканалі із смугою пропускання 8 Мгц сигнали трех-четырех ТБ програм в наземному ТБ мовленні і до 10 програм через один ствол супутникового каналу зв'язку або одну програму телебачення високої чіткості (ТВЧ), а також великі потоки даних при збереженні високої якості передачі. Відповідно, зменшуються питомі витрати на телеканал по оренді супутникового сегменту.

4. Допускаються ширша уніфікація апаратури ТБ і інших стволів ліній зв'язку з метою створення тих, що однотипних комутують, що коригують і інших пристроїв;

5. Забезпечується гнучкість передачі, яка дозволяє плавно змінювати швидкість передачі цифрової інформації в каналі зв'язку при відповідній зміні якості декодованого зображення, адаптується до вимог конкретного споживача;

6. Порівняно легко реалізуються операції по ущільненню ТБ каналу додатковою інформацією. Спрощується апаратура для передачі одночасно з відеосигналом сигналів звукового супроводу, звукового мовлення, контрольних частот, сигналів точного часу, сигналів телегри, телегазет і ряду інших видів інформації. Таким чином, забезпечується можливість введення служб мовлення, розваг, освіти, побутового обслуговування.

7. Можливість регенерації цифрового сигналу дозволяє без втрати якості широко консервувати ТБ програми, здійснювати їх тиражування. Зберігання інформації в двійковому коді може бути необмежено довгим і допускає багатократні звернення до записів. Інформація, що у разі потреби зберігається, легко регенерується, що особливо важливо для створення фондових і архівних матеріалів. Інтеграція локальної пам'яті домашнього комп'ютерного комплексу (магнітні диски, записувані оптичні диски) в систему цифрового телебачення означає можливість автоматичного запису програм, призначених для конкретного глядача.

8. Цифрові модулятори РТПС у поєднанні з оптимізацією їх режимів за допомогою мікрокомп'ютерів забезпечують підвищення ККД станцій, якість передачі сигналів, полегшують обслуговування.

9. Повне проникнення цифрової техніки в ТБ тракт від камери до монтажних апаратних здешевлює виробництво ТБ програм. Цифрова техніка пропонує ефективнішу і менш дорожчу автоматизацію ТБ мовлення.

10.Цифрове телебачення дозволяє ТБ мовним компаніям вступити в прямий контакт з глядачами, пропонуючи послуги, наприклад, по винятковій демонстрації різних подій і заходів. При цьому реклама, заснована на вивченні пристрастей і смаків глядачів, може стати цільовою.

11.Нарешті, цифрові технології дозволяють надати телебаченню інтерактивний характер. Інтерактивна реклама, послуги з продажу товарів, ТБ гри будуть, мабуть, першими проявами інтерактивності, за якими повинні послідувати освітні і інші програми.

Коротко розглянемо призначення основних частин схеми.

Джерело аналогових ТБ сигналів формує яскравісний сигнал Е і кольорорізницеві сигнали, які поступають на АЦП, де перетворяться в цифрову форму. У кодері відео здійснюється ефективне кодування відеоінформації з метою зменшення швидкості передачі двійкових символів в каналі зв'язку (ця операція є найбільш важливою, оскільки без ефективного кодування неможливо забезпечити передачу сигналів цифрового ТБ по стандартних каналах зв'язку).

Сигнали звукового супроводу також перетворяться в цифрову форму. Звукова інформація стискується в кодері звуку. Кодовані ці зображення і звуку, а також різна додаткова інформація об'єднуються в мультиплексорі в єдиний потік даних. У кодері каналу виконується ще одне кодування передаваних даних, підвищення завадостійкої, що має на меті. Отриманим в результаті цифровим сигналом модулюють ту, що несе використовуваного каналу зв'язку.

У приймальній частині системи здійснюється демодуляція прийнятого ВЧ сигналу і декодування канального кодування. Потім в демультиплексорі потік даних розділяється на ці зображення, звуку і додаткову інформацію. Після цього виконується декодування даних. В результаті на виході декодера зображення виходять яскравісний і кольорорізницеві сигнали в цифровій формі, які перетворяться в аналогову форму в ЦАП і подаються на монітор. На виході декодера звуку виходять сигнали звукового супроводу, що також перетворюються в аналогову форму. Ці сигнали поступають на підсилювачі звуковою частоти і далі на динаміки.

Перші системи цифрового телебачення були створені і випробувані ще двадцять років тому, проте, функціональні і конструктивні особливості цих систем не дозволяли використовувати їх в практичних цілях.

1. Цифрове представлення телевізійного сигналу

Першою операцією процесу цифрового кодування аналогового сигналу є його дискретизація, яка є заміною безперервного аналогового сигналу U(t) послідовністю відліків цього сигналу. Найбільш поширеною формою дискретизації є рівномірна дискретизація з постійним періодом, в основі якої лежить теорема Найквіста - Котельникова. Згідно з цією теоремою будь-який безперервний сигнал U(t), що має обмежений спектр частот, може бути представлений значеннями цього сигналу U(tn), узяті в дискретні моменти часу (відліки) tn = nT, де n=1,2,3.4; Т - період або інтервал дискретизації, вибраний з умови теореми Котельникова малюнок 2.1-2.4. Тут fв - верхня гранична частота спектру початкового сигналу U(t).

Аналітичне вираження теореми Найквіста - Котельникова, заміни безперервного сигналу U(t), що затверджує можливість, послідовністю дискретних значень U(tn) має наступний вид:

Верхня гранична частота (згідно з теоремою Н. - Котельникова) ТБ сигналу знаходиться по формулі:

де коефіцієнт формату;- число відтворних рядків в одну секунду;- число рядків.

Знайдемо частоту дискретизації. У системах цифрового телебачення з імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ) частоту дискретизації вибирають дещо вищий мінімально допустимою, визначуваною теоремою Найквиста-Котельникова. Пов'язано це з умовою відсутності перекриття побічних спектрів в спектрі сигналу, що дискретизує, забезпечує гарантовану початкову якість сигналу при його зворотному перетворенні в аналогову форму за допомогою низькочастотної фільтрації. Отже:=1.1

1.1    Розрахунок швидкості цифрового потоку

Швидкість цифрового потоку для цифрових відеосигналів визначається вираженням:

,

де s - довжина кодового слова, що визначає число біт, за допомогою яких можна записати в двійковій формі будь-який номер рівня квантування до m включно, знаходиться із співвідношення:

,

де m - число рівнів квантування (по умові воно дорівнює 512), звідси знаходимо s = 9.

По міжнародних стандартах цифрового перетворення ТБ сигналів (МСЭ-Р ВТ. 601-5) рекомендується здійснювати роздільне кодування яскравісного Е і кольорорізницевих Еі Есигналів.

Тоді швидкість передачі цифрового потоку для цифрових компонентних відеосигналів розраховується по наступному вираженню:

,

тут - частота дискретизації для яскравісного сигналу, Гц;

,0,5 - для кольорорізницевих сигналів, Гц.

Остаточно швидкість цифрового потоку визначається:

= .

Таким чином, при реалізації цифрових способів кодування ТБ зображень, заснованих на класичній ІКМ, необхідно оперувати з високою швидкістю цифрового потоку, що досягає декількох сотень, півтори і вище за тисячі (у разі ТВЧ) Мбіт/с. І це народжує багато проблем як при передачі відеоданих, так і при їх обробці, наприклад, запису.

.2 Розрахунок потужності цифрового передавача

Для розрахунку потужності ТБ передавача, що забезпечує необхідне значення напруженості електромагнітного поля в межах заданої площі, що має форму круга, що знаходиться в зоні прямої видимості, скористаємося формулою

де D - коефіцієнт посилення передавальної ТБ антени

 - радиус зоны прямой видимости с учётом влияния атмосферной рефракции,

 - величина минимально допустимой напряженности поля радиосигнала, необходимая для обеспечения заданного качества.

, Мгц

Мгц

Для 55 номера радіоканалу частота що несе дорівнюватиме 743,75 Мгц і коефіцієнт посилення D=15

Визначимо довжину хвилі електромагнітного випромінювання по формулі:

=0,4 м

Визначимо відстань прямої видимості по формуліде h1 і h2 висоти першою і другою антен в метрах, а r0 в кілометрах

=90,09 м

По графіку для заданого частотного діапазону(1) і якості відтворного ТБ зображення визначаємо величину мінімально допустимій напруженості, і для даного випадку отримуємо

????????????????=3162,2 мкВ/м

Тепер визначимо потужність передавачам по формулі:

=0,053кВт

2. Загальних вимоги до способів модуляції

Одне з основних питань, що стосуються передачі даних із заданою швидкістю, - розподіл енергії в спектрі електричного сигналу, що переносить дані, і узгодження цього розподілу з характеристиками каналу зв'язку. За своєю природою двійкові сигнали - це послідовність прямокутних імпульсів, а для передачі таких імпульсів без спотворень потрібно теоретично нескінченну смугу частот. Проте реальні канали зв'язку можуть забезпечити лише обмежену смугу частот, тому необхідно погоджувати передавані сигнали з параметрами каналів. Таке узгодження виконується завдяки кодуванню початкових даних за рахунок забезпечення спеціальної форми імпульсів, що переносять дані.

До способів багатопозиційної модуляції, використовуваних в системах цифрового телебачення, відносяться: квадратурна амплітудна модуляція QAM, квадратурна фазова маніпуляція або чотирьохпозиційна фазова маніпуляція QPSK, частотне ущільнення з ортогональними OFDM, що несуть, і восьмирівнева амплітудна модуляція з частково пригніченою смугою частот, що несе і бічною, 8 - VSB.

Канали зв'язку наземного телебачення відрізняє високий рівень промислових перешкод. Із-за переповнювання частотного діапазону, в якому можливе наземне мовлення, велика вірогідність інтерференційних перешкод за рахунок взаємодії з сигналами поєднаних і сусідніх каналів. При виборі способу модуляції в наземному цифровому телебаченні слід враховувати здатність роботи в умовах прийому на кімнатні антени і антени портативних ТБ приймачів, а також можливість функціонування в одночастотних мережах. При цьому приймач сигналів цифрового телебачення в мобільних умовах розглядається не як обов'язкова вимога, а як бажана можливість. здатність роботи в умовах быстроменяющихся характеристик каналу зв'язку також не є абсолютною умовою. В даному випадку прикладом одночастотної мережі може служити мережа синхроданных радіопередавачів малої потужності, розташованих в зонах поганого прийому сигналу основного передавача і працюючих на тій же самій частоті, що і основний. З усіх відомих способів модуляції сформульованих вище вимогам відповідають два види багатопозиційної модуляції: 8 - VSB і OFDM.

2.1 Квадратурна амплітудна модуляція (QAM)

Цей спосіб модуляції відноситься до комбінованих. У разі QAM промодульований сигнал є сумою двох що ортогональних несуть: косинусоїдальною і синусоїдальною, амплітуди яких набувають незалежних дискретних значень.

qam (t) =Uc [cI(t) cosщCt+cII(t) sinщCt]

де Uc - амплітуда сигналу; щC - частота тієї, що несе, cI(t), cII(t) - модулюючі сигнали в квадратурних каналах. При прийомі сигналів з Qам робиться когерентне детектування.

Якщо у вираженні u qam (t) модулюючі сигнали cI(t), cII(t) набувають значень ±1, то отримаємо QAM - 4 (чотирьохпозиційну QAM). Якщо ж для модуляції як в синфазному, так і в квадратурному каналах використовуються чотирьохрівневі сигнали c(t) = ±1; ±3, то при цьому виходить 64-позиційна оам (QAM - 64), яку можна описати наступним вираженням:

- 64 (t)=Aicos (щCt+ИI)

Розташування сигнальних точок у фазово-амплітудному просторі при різних типах QAM визначають сигнальні сузір'я модульованих сигналів. Практично використовуються як звичайні рівномірні, так і нерівномірні сигнальні сузір'я з різними відстанями між двома найближчими точками сузір'я в суміжних квадрантах, що кількісно оцінюється коефіцієнтом нерівномірності сигнального сузір'я ч. Цей параметр дорівнює відношенню відстані між сусідніми точками в двох різних квадрантах до відстані між точками в одному квадранті. Стосовно модуляції типу QAM - 16 і QAM - 64 рекомендуються три зна-чения коефіцієнта ч:

ч = 1 соответствует звичайною QAM з рівномірним сигнальним сузір'ям (малюнок 3.1); ч= 2 характеризує QAM з нерівномірним сигнальним сузір'ям, коли відстань між двома найближчими точками сузір'я в суміжних квадрантах в два рази більше відстані в межах одного квадранта (малюнок 3.2);