Немного о DVB и MPEG-2

© Александр Борзов

Для того чтобы понять работу цифрового тюнера целесообразно разобраться с данными, которые он обрабатывает. Лучше всего начать с передающей стороны. Какими данными обладает вещатель на передающей стороне ? -

  • Видеоканал ;
  • Так складываются потокиОдин или более каналов звука ;
  • Телетекст и Субтитры ;
  • Набор данных о подписке на телеканал (для платных кодированых каналов) ;
  • Синхронизация .
  • Все эти данные преобразуются в цифровые потоки с помощью различных алгоритмов.

    Видеоканал

    Видеоканал преобразуется в цифровой поток с помощью алгоритма MPEG-2. MPEG-2 - это целое семейство совместимых цифровых стандартов сжатия телевизионных сигналов с различной степенью сложности используемых алгоритмов (ISO/IEC 13818-2). В спутниковом вещании в настоящий момент используется так называемый основной уровень с форматом разложения на 576 строк в кадре и 720 отсчетов на строку. Для сжатия видеоданных строятся кадры трех типов. Кадры типа - I (interfarme) - это полные кадры, сжатые по методу, аналогичному JPEG. Такой метод позволяет добиться различной степени компресии - выше сжатие - больше потерь качества изображения и наоборот. Кадры типа - Р (predicted - предсказанные) получаются с использованием алгоритмов компенсации движения и предсказания вперед по предшествующим кадрам. В Р-кадрах, если сравнивать их с I-кадрами, в три раза выше достижимая степень сжатия видеоданных. Кадры типа - В (bidirectional - двунаправленные) получаются четырмя различными алгоритмамми в зависимости от характера видеоданных. B-кадры содержат изменения относительно предыдущих и последующих кадров, используемых в качестве опорных. Это наиболее сжатые кадры.

    Кадры различных типов собираются в группу - GOP, состоящие обычно из 12 чередующихся кадров. Типичным является следующий порядок кадров:
    I0, B1, B2, P3, B4, B5, P6, B7, B8, P9, B10, B11, I12, B13, B14, P15 и т. д., в которых I кадры следуют с интервалом: (1/25 Гц) х 12= 0,48 с.

    При передаче порядок следования I, Р и В кадров меняется так, чтобы в декодер сначала поступили опорные I и Р кадры, без которых нельзя начать декодирование. Типичным является следующий порядок передачи:
    I0, P3, B1, B2, P6, B4, B5, P9, B7, B8, I12, B10, B11 - P15, B13 и т. д. Для правильного декодирования в поток видеоданных включаются Метки Времени декодирования - DTS и Метки времени показа - PTS.

    В результате получается поток цифровых данных, требуемая скорость передачи для такого потока - от 6 до 1.5 Мбит/Сек (низкая скорость потока видеоданных соотвествует стабильным сюжетам с малым количеством движении).

    Звуковой канал

    Звуковые каналы преобразуются в цифровой поток по нескольким алгоритмам. Вообще, звуковой канал с CD-качеством звука (дискретизация 44.1 кГц ) требует скорости передачи до 1400 бит/Сек, что недопустимо много. Использование сжатия по методу MPEG Audio Уровеня 3 позволяет добиться сжатия аудиоданных в 4-12 раз ! Уровень 1 сжимает данные 1:4 и требует скорости 384 кБит/Сек, Уровень 2 сжимает в 6-8 раз и требует скорости 256..192 кБит/Сек, а Уровень 3 - в 10-12 раз и требует 128..112 кБит/Сек для стереосигнала.

    Кроме того, многими компаниями предлагаются иные алгоритмы сжатия аудиоданных- MPEG-2 AAC (Advanced Audio Coding), известный еще как NBC (Non-Backward-Compatible).
    Очень перспективен подход Dolby AC-3, который обеспечивает многоканальную передачу звука и требует 384 кБит/Сек для 5+1 -каналов в формате Dolby Surround Digital или 192 кБит/Сек для обычного стереосигнала. Dolby AC-3 интересен еще тем, что в таком формате записан звук большинства современных фильмов в кинематографе.

    Телетекст, Субтитры и данные о подписке на канал

    Сжатие таких данных весьма просто, так как это обычный поток двоичных данных. Скорость потока таких данных не превышает 64 Кбит/Сек.

    Синхронизация

    Синхронизация обеспечивается эталонным генератором 27 Мгц на приемной стороне. Для подстройки частоты и фазы эталонного генератора периодически должно передаваться Поле Эталонных часов - PCR (Program Clock Reference). Кроме того, как уже говорилось, видеопоток содержит Метки Времени DTS и PTS.

    Последние два потока в MPEG принято называть системными.

    Итак, для конкретного телеканала получено три потока сжатых данных - видео, аудио и системный. Все потоки требует различных скоростей передачи, по этому они мультиплексируются - то есть режутся на блоки и складываются в один общий высокоскоростной поток. Блоки принято называть пакетами, а для того чтобы разделить потоки на приемной стороне, кажому цифровому потоку назначается Идентификатор Пакета PID. Каждый пакет в заголовке содержит идентификатор своего потока. Размер такого блока 188 байт - такой размер выбран для совместимости с сетями передачи данных ATM (188=47*4).

    Далее пакеты защищаются - к ним добавляется Reed-Solomon code - код Рида-Соломона, который позволяет скорректировать ошибки от выпавших или неправильно переданных бит на приемной стороне за счет избыточной информации, которую он несет. С добавленым RS-кодом длина пакета становится 204 байта. Полученный пакет представляет в MPEG единицу представления данных и его принято называть Упакованый Элементарный Поток (PES - Paketised Elementary Stream).

    Вторая ступень защиты - это FEC (Forward Error Correction) - избыточность для возможной коррекции ошибок вводится еще раз. Применяется пять типов FEC - 0, 1/2, 3/4, 5/6, 7/8. Так 3/4 означает, что из 4 переданных бит только 3 несут информацию, а 1 - избыточный.

    Совокупность таких пакетов образует Транспортный поток (TS - Transport Stream). Если поток образован одной телепрограммой, то его скорость 6-6.5 Мбит/Сек. Формирование и декодирование такого потока было стандартизовано в MPEG-2. Однако, транспондеры современных спутников способны имеют полосу пропускания сигнала 33 - 72 МГц, по этому в стандарте DVB (DVB-S - ETS 300 421, декабрь 1994) была оговорена возможность включать в транспортный поток цифровые данные для нескольких телепрограмм сразу. Действительно - высокоскоростной транспондер в этом случае способен передать 6-9 телепрограмм сразу, а раскладывать транспортный поток на 3 или 18 подпотоков - особой разницы нет. Кроме того, оговорена возможность передачи произвольных цифровых данных - программного обеспечения и т.п.

    Для возможности разделить потоки телепрограмм в DVB добавлен ряд служебной информации - таблиц Сервисной информации (SI Service Information). Такие таблицы периодически включаются в транспортный поток и с их помощью компьютер ресивера управляет демультиплексором потока. Выделить сервисную таблицу возможно по PID, которые зарезезвированы только для этих таблиц. Наибольшую важность представляет PAT (Program Association Table) - Таблица программ , которая включается в поток с PID=0000. Эта таблица содержит названия всех программ в данном потоке и PIDы для их PMT( Program Map Table) - Таблиц Структуры Программы. Последние включаются в поток для каждой телепрограммы и содежат PIDы компонентов телепрограммы - видео, звука, синхронизации.

    Кроме перечисленных таблиц в поток с PID=0001 включается CAT (Condition Access Table) - Таблица условного доступа, которая несет PIDы всех EMM (Entitlement Management Message) Сообщений Условного Доступа для платных программ. EMM ресивер передает своему CAM - Модулю условного доступа, который сам знает что с ней делать.

    Дополнительно с PID=0010 hex передается NIT (Network Information Table) - Таблица сетевой информации, которая содержит параметры системы передачи данных - Идентификатор сети, частоту транспондера , орбитальную позицию и т.п. С PID=0010 hex в поток включается BAT (Bouquet Association Table) - Таблица групп программ с информацией о группировке программ по определенной тематике - Спорт, Фильмы ...

    EIT (Event Information Table) - Таблица Событий ТВ с PID=0012 hex, которая содержит информацию о событиях в программе - начале фильма, продолжительности и TDT - Таблица Дата/Время с PID=0014 hex позволяют компьютеру ресивера построить EPG (Electronic Programme Guides) - Электронное расписание программ .

    Итак, все необходимые данные включены в транспортный поток и его можно передать в эфир. Для модуляции несущей частоты используется QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) Квадратурная фазовая модуляция, которая использует 4 дискретных состояния фазы несущей. 4 дискретных состояния дают возможность оперировать символами - по 2 бита. При этом задается еще один параметр - Symbol Rate - Скорость передачи, которая выражается в тысячах символов QPSK в секунду, например Symbol Rate=27500 соответствует скорости 55 МБит/сек (27500*2*1000 бит/сек). Такую скорость обычно используют на транспондерах с шириной полосы в 33МГц ( 33/1.2=27.5 ).

    Транспортный поток уходит на спутник, откуда его получает наш тюнер.

    Тюнер выполняет все действия в обратном порядке - преобразует частоту в промежуточную 480 МГц, усиливает, проводит QPSK-демодуляцию, проводит коррекцию ошибок FEC . С помощью кода Рида-Соломона пакеты при необходимости корректируются. Затем поток демультиплексируется - разделяется.

    Сначала из потока выделяется PAT (Program Association Table) и из нее определяется PID для PMT( Program Map Table) нужной нам телепередачи. PMT даст нам PIDы всех передаваемых для данной телепрограммы компонентов. Далее - демультиплексор выделяет из потока нужные компоненты и и отправляет все в аппаратные MPEG-декодер и декодер звука. Поток PCR непрерывно корректирует эталонный генератор 27 Мгц тюнера. Если программа содержит скремблированые пакеты - они сначала направляются для обработки модулю Условного Доступа - CAM, который проводит их обработку/дешифровку (алгоритм зависит от системы САМ) . Кроме того, в САМ направляются сообщения EMM, если такие передаются - это определяется по таблице CAT.

    Дополнительно компьютер выделяет необходимые для работы Сервисные таблицы , строит Расписание программ , телетекст, субтитры и т.п. В результате этих действий мы с вами наслаждаемся непревзойденным качеством изображения и звука.

    Дополнения

    Толковый словарь терминов и сокращений DVB

    Сервисные таблицы и зарезервированые для них PID

    ЧАсто задаваемые ВОпросы о MPEG & DVB (SAT-XPRESS)

    24 марта 1998 г.

    Карта страничек | Новости |Американский блок |Изменения на Транспондерах | Гостевая Книга


    Редакция и оформление -
    ©Александр Борзов

    СПб-Washington D.C..
    SAT XPRESS
    e-mail: aborzov@hotmail.com
    Информация только для
    частного использования!
    Коммерческое использование
    запрещено!

    (Вся информацияа только в образовательных целях и не является пособием по несанкционированому просмотру телеканалов. Авторы не несут ответственности за использование приведенной информации)