В учебнике рассмотрены основные положения цифрового представления и обработки телевизионного и звукового сигналов, обобщен и систематизирован материал по международным стандартам кодирования с информационным сжатием MPEG-2, MPEG-4, H.264, проанализированы особенности передачи сигналов цифрового телевидения по эфирным, спутниковым, кабельным, IPTV каналам связи. В развернутой форме представлены данные об основных характеристиках стандартов цифрового телевизионного вещания первого и второго поколений и изложены основные принципы их функционирования, а также описаны конструктивные особенности цифровой телевизионной аппаратуры и устройств ограничения доступа к телевизионным программам. Особое внимание уделено анализу структуры сетей наземного цифрового телевизионного вещания.
Оглавление
Предисловие ........................................................................................................................... 11
Введение ................................................................................................................................. 12
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЦИФРОВОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
ТЕЛЕВИЗИОННОГО И ЗВУКОВОГО СИГНАЛОВ ........................................................ 25
1.1. Принципы цифрового кодирования телевизионного сигнала .................................... 25
1.2. Преобразование звуковых сигналов в цифровую форму ........................................... 50
Контрольные вопросы ........................................................................................................... 54
2. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ
СИГНАЛОВ ............................................................................................................................ 55
2.1. Формирователи цифровых телевизионных сигналов ................................................. 55
2.2. Особенности передачи цифровых сигналов по линиям связи ................................... 57
2.3. Согласование параметров сигнала с характеристиками канала связи ...................... 60
2.4. Формирующие фильтры ................................................................................................. 64
2.5. Цифровые интерфейсы передачи видео- и звуковых данных .................................... 65
Контрольные вопросы ........................................................................................................... 76
3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИДЕОКОМПРЕССИИ В ТЕЛЕВИДЕНИИ ........ 77
3.1. Задача сжатия информации и пути ее решения ............................................................ 77
3.2. Международный стандарт кодирования с информационным сжатием MPEG-2 ...... 89
3.2.1. Профили и уровни стандарта кодирования MPEG-2 ......................................... 89
3.2.2. Компрессия видеоданных .................................................................................... 95
3.2.3. Кодируемые кадры ............................................................................................. 103
3.2.4. Компенсация движения ...................................................................................... 106
3.2.5. Использование дискретно-косинусного преобразования в стандарте
кодирования MPEG-2 ........................................................................................ 109
3.2.6. Сжатие звукоданных .......................................................................................... 118
3.2.7. Алгоритмы сжатия звукоданных кодерами различных уровней ................... 125
3.2.8. Реализация цифрового многоканального звука, поддерживаемая
стандартом MPEG-2 .................................................................................................. 131
3.2.9. Формирование транспортного потока данных в устройствах
кодирования MPEG-2 ................................................................................................... 137
3.2.10. Качество телевизионных изображений при кодировании по стандарту
MPEG-2 ............................................................................................................... 148
3.3. Стандарт представления медиа-объектов MPEG-4 ............................................ 153
3.3.1. Описание сцены в стандарте MPEG-4 .............................................................. 153
3.3.2. Принципы доставки потоков данных ................................................................ 155
3.3.3. Кодирование визуальных объектов ................................................................... 157
3.3.4. Кодирование звуковых объектов ....................................................................... 162
3.3.5. Профили и уровни стандарта MPEG-4 ............................................................. 169
3.3.6. Идентификация и защита интеллектуальной собственности ........................ 175
3.4. Стандарт кодированного представления визуальной информации Н.264/AVC
или MPEG-4 Part 10 ...................................................................................................... 175
3.4.1. Структура стандарта видеокомпрессии Н.264 ................................................. 175
3.4.2. Базовый профиль ................................................................................................ 182
3.4.3. Основной профиль .............................................................................................. 189
3.4.4. Расширенный профиль ....................................................................................... 196
3.4.5. Масштабируемое видеокодирование H.264/AVC SVC ................................... 200
3.4.6. Многоракурсное видеокодирование H.264/AVC MVC ................................... 203
3.4.7. Транспортный механизм стандарта Н.264 ........................................................ 204
3.4.8. Кодек стандарта Н.264 ....................................................................................... 207
3.5. Стандарт описания мультимедийной информации MPEG-7 ................................... 210
3.5.1. Общие сведения о стандарте MPEG-7 .............................................................. 210
3.5.2. Основные части стандарта MPEG-7 .................................................................. 210
3.5.3. Описание главных функций стандарта MPEG-7 .............................................. 211
3.5.4. Области применения стандарта MPEG-7 ......................................................... 213
3.6. Стандарт описания среды мультимедийного контента MPEG-21 ........................... 214
3.6.1. Общие сведения о стандарте MPEG-21 ............................................................ 214
3.6.2. Основные части стандарта MPEG-21 ................................................................ 215
3.6.3. Устойчивая ассоциация идентификации и описания цифровых объектов,
обусловленная применением стандарта MPEG-21 ................................. 216
Контрольные вопросы ......................................................................................................... 217
4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ ПО
ЭФИРНЫМ КАНАЛАМ СВЯЗИ ........................................................................................ 219
4.1. Основные требования к системам передачи сигналов цифрового телевидения
по радиоканалам ........................................................................................................... 219
4.2. Помехоустойчивое кодирование и преобразование структуры данных ................. 221
4.2.1. Перемежение и скремблирование ..................................................................... 221
4.2.2. Принципы кодирования, исправляющего ошибки .......................................... 224
4.2.3. Классификация корректирующих кодов .......................................................... 227
4.2.4. BCH-коды ............................................................................................................ 232
4.2.5. Коды Рида–Соломона ......................................................................................... 233
4.2.6. Низкоплотностные коды .................................................................................... 234
4.2.7. Сверточное кодирование .................................................................................... 239
4.2.8. Алгоритм декодирования Витерби ................................................................... 241
4.2.9. Каскадное кодирование ...................................................................................... 242
4.2.10. Основные принципы турбокодирования ........................................................ 244
4.3. Способы модуляции, применяемые при передаче сигналов цифрового
телевидения по каналам связи .................................................................................... 246
4.3.1. Общие требования к способам модуляции ....................................................... 246
4.3.2. Квадратурная амплитудная модуляция (QAM) ............................................... 249
4.3.3. Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) ................................................... 253
4.3.4. Восьмипозиционная фазовая манипуляция (ФМ-8) ........................................ 254
4.3.5. Способы многопозиционной адаптивной фазовой манипуляции
(16APSK и 32APSK) .......................................................................................... 255
4.3.6. Способ частотного уплотнения с ортогональными несущими (OFDM) ...... 256
Контрольные вопросы ......................................................................................................... 263
5. ВЕЩАТЕЛЬНЫЕ СТАНДАРТЫ ЭФИРНОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ .........
5.1. Стандарт цифрового наземного телевидения DVB-T ................................................ 265
5.1.1. Принципы функционирования цифровой телевизионной системы
стандарта DVB-T ................................................................................................ 265
5.1.2. Формирование данных и структура сигналов .................................................. 288
5.1.3. Параметры системы DVB-Т ............................................................................... 293
5.1.4. Эффективность системы DVB-T ....................................................................... 296
5.2. Основные положения нового стандарта цифрового наземного телевидения
DVB-T2 .......................................................................................................................... 297
5.2.1. Концепция стандарта DVB-T2 ........................................................................... 297
5.2.2. Формирование передаваемых пакетов данных ................................................ 298
5.2.3. Архитектура системы DVB-T2 .......................................................................... 303
5.2.4. Описание структурной схемы обработки информации на передающей
стороне системы DVB-T2 .................................................................................. 304
5.2.5. Сервисные возможности системы DVB-T2 ...................................................... 356
5.3. Сравнительная оценка систем DVB-T и DVB-T2 ...................................................... 357
5.4. Стандарт цифрового телевещания для мобильных терминалов DVB-H ................ 360
Контрольные вопросы ......................................................................................................... 373
6. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕЙ
АППАРАТУРЫ СИСТЕМЫ ЦИФРОВОГО НАЗЕМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО
ВЕЩАНИЯ DVB-T/T2 ......................................................................................................... 375
6.1. Основные устройства цифрового передающего аппаратурного комплекса ........... 375
6.1.1. Кодеры цифрового сжатия ................................................................................. 375
6.1.2. Мультиплексоры ................................................................................................. 379
6.1.3. Гибридные телевизионные передатчики .......................................................... 380
6.1.4. Конструктивные особенности цифровых телевизионных передатчиков ..... 384
6.2. Методы измерений и испытаний основных параметров цифровых
телевизионных радиопередатчиков ............................................................................ 387
6.2.1. Описание измерительного оборудования ......................................................... 387
6.2.2. Измерения основных параметров радиопередатчиков .................................... 389
6.3. Конструкция цифрового телевизионного приемника ............................................... 393
6.3.1. Описание обобщенной структурной схемы цифрового телевизора ............. 393
6.3.2. Конструктивные особенности селекторов каналов для цифровых
телевизоров ................................................................................................................ 396
6.3.3. Устройство COFDM-демодуляторов ................................................................ 400
6.3.4. Особенности функционирования транспортного демультиплексора
цифрового телевизора ........................................................................................ 404
6.3.5. Практическое использование декодеров MPEG-2 ........................................... 405
6.3.6. Система управления цифровым телевизионным приемником ...................... 407
6.4. Принципы построения абонентских цифровых приставок-декодеров ................... 412
6.5. Комбинированные телевизоры CDTV/DVB-типа ...................................................... 415
Контрольные вопросы ..............................................................................................................
7. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАЗЕМНОЙ СЕТИ ТЕЛЕВИЗИОННОГО
ВЕЩАНИЯ ........................................................................................................................... 419
7.1. Общие сведения о структуре эфирного телевизионного вещания .......................... 419
7.2. Особенности распространения радиоволн, используемых для наземного
телевизионного вещания ................................................................................................. 423
7.3. Применение одночастотных сетей цифрового телевидения .................................... 427
7.4. Принципы функционирования синхронной региональной сети эфирного
цифрового телерадиовещания ..................................................................................... 433
7.4.1. Архитектура двухуровневой синхронной сети телерадиовещания .............. 433
7.4.2. Использование технологии разнесенного приема в синхронной сети
телерадиовещания .............................................................................................. 435
7.5. Расчет мощности телевизионных радиопередатчиков ............................................. 437
7.6. Определение минимальной напряженности электромагнитного поля для
сетей цифрового телевизионного вещания ................................................................... 440
7.7. Оценка медианных значений напряженности электромагнитного поля для
сети цифрового телевизионного вещания ................................................................. 444
Контрольные вопросы ......................................................................................................... 449
8. ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ ПО СПУТНИКОВЫМ,
КАБЕЛЬНЫМ И ИНТЕРНЕТ-СЕТЯМ .............................................................................. 451
8.1. Принципы функционирования спутниковых сетей телевизионного вещания ....... 451
8.2. Цифровой стандарт спутникового многопрограммного телевизионного
вещания DVB-S ................................................................................................................ 454
8.3. Стандарт высокоскоростного цифрового спутникового телевизионного
вещания DVB-S2 .............................................................................................................. 459
8.3.1. Концепция стандарта DVB-S2 ........................................................................... 459
8.3.2. Особенности функционирования системы DVB-S2 ........................................ 462
8.3.3. Формирование кадров физического уровня ..................................................... 464
8.4. Типовые структуры систем кабельного телевидения ................................................ 473
8.5. Стандарт цифрового кабельного телевизионного вещания DVB-C ........................ 485
8.6. Стандарт высокоскоростного цифрового кабельного телевизионного
вещания DVB-C2 ................................................................................................................... 490
8.7. Архитектура мультисервисных систем IP-типа ......................................................... 504
8.8. Особенности организации телевизионного вещания в сети Internet ....................... 511
Контрольные вопросы ......................................................................................................... 515
9. СИСТЕМЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ДОСТУПА В ЦИФРОВОМ ТЕЛЕВИЗИОННОМ
ВЕЩАНИИ ........................................................................................................................... 517
9.1. Необходимость ограничения доступа к программам вещания ................................ 517
9.2. Принципы построения телевизионных систем с ограниченным доступом ............ 518
9.3. Алгоритм скремблирования для систем с ограниченным доступом ....................... 524
9.4. Особенности эксплуатации систем с ограниченным доступом ............................... 527
9.5. Маркирование телевизионных программ цифровыми водяными знаками ............ 528
Контрольные вопросы ......................................................................................................... 531
Заключение ........................................................................................................................... 532
Список сокращений ............................................................................................................. 537
Библиографический список ................................................................................................ 558