eng
Содержание
Введение ...................................................................................... 14
Глава 1
Основные понятия об измерениях и контроле
в видеоинформационных системах ....................................... 26
1.1.
Метрологическое обеспечение и специфические особенности измере-
ний и контроля в видеоинформационных системах .......................... 26
1.1.1.
Виды искажений измерительных сигналов .............................. 28
1.1.2.
Критерии оценки искажений измерительных сигналов.............. 30
1.2.
Краткие сведения о погрешностях измерений и контроля ................. 31
1.2.1.
Закономерности проявления погрешностей.............................. 33
1.2.2.
Оценки точностных характеристик средств измерений ............. 36
1.2.3.
Использование порядковых статистик в анализе результатов из-
мерений ............................................................................. 44
1.2.4.
Использование цикличности измерения параметров сигналов .... 48
Литература к главе 1 .......................................................................... 50
Глава 2
Форматы изображений, системы формирования
и передачи аналоговой видеоинформации .......................... 54
2.1.
Форматы изображений. Объем информации изображений при цифро-
вой дискретизации изображений ................................................... 54
2.2.
Объем информации в стандартных системах аналогового телевизион-
ного вещания ............................................................................. 56
2.2.1.
Видеосигналы монохромного телевидения............................... 56
2.2.2.
Цветное телевидение............................................................ 59
2.2.3.
Видеосигналы системы NTSC ............................................... 62
2.2.4.
Видеосигналы системы PAL ................................................. 66
2.2.5.
Видеосигналы системы SECAM............................................. 69
2.2.6.
Основные параметры полного цветового ТВ-сигнала на радио-
частоте .............................................................................. 74
2.2.7.
Уменьшение объема информации при преобразовании составля-
ющих ТВ-сигналов в цифровую форму .................................. 82
2.2.8.
Качественные показатели телевизионных изображений............. 84
Литература к главе 2 .......................................................................... 87
Глава 3
Кодирование видеоинформации и системы цифрового
вещательного телевидения . ..................................................... 90
3.1.
Стандарты кодирования динамических изображений ....................... 90
3.2.
H.264/AVC улучшенное видеокодирование.................................. 94
3.3.
H.265/HEVC высокоэффективное видеокодирование .................... 122
3.4.
Мультиплексирование цифровых потоков в системах цифрового теле-
видения ..................................................................................... 135
3.4.1.
Транспортный поток MPEG-2 ............................................... 136
3.4.2.
Программный поток MPEG-2 ............................................... 143
3.4.3.
Обобщенный инкапсулированный поток (GSE) ........................ 146
3.5.
Стандарты цифрового телевизионного вещания .............................. 150
3.6.
Системы цифрового наземного телевизионного вещания
DVB-T/DVB-T2 ......................................................................... 152
3.6.1.
Система наземного цифрового телевизионного вещания DVB-T. 152
3.6.2.
Стандарт усовершенствованной системы наземного цифрового
телевизионного вещания DVB-T2 .......................................... 163
3.7.
Cистемы цифрового спутникового телевизионного вещания
DVB-S/DVB-S2 .......................................................................... 201
3.7.1.
Стандарт системы цифрового спутникового телевизионного ве-
щания DVB-S ..................................................................... 202
3.7.2.
Стандарт высокоскоростного цифрового спутникового телевизи-
онного вещания DVB-S2 ....................................................... 205
3.8.
Cистемы цифрового кабельного телевизионного вещания
DVB-C/DVB-C2 ......................................................................... 213
3.8.1.
Стандарт системы цифрового кабельного телевидения DVB-C... 214
3.8.2.
Стандарт системы высокоскоростного цифрового кабельного те-
левидения DVB-С2 .............................................................. 216
Литература к главе 3 .......................................................................... 226
Глава 4
Синтез измерительных сигналов для оценки аналоговых
и цифровых видеоинформационных систем....................... 230
4.1.
Стандартные измерительные сигналы для аналоговых систем ТВ-ве-
щания ....................................................................................... 231
4.1.1.
Элементы измерительных сигналов и их параметры................. 231
4.1.2.
Периодические измерительные сигналы.................................. 236
4.1.3.
Сигналы испытательных строк.............................................. 236
4.2.
Системные искажения стандартных измерительных сигналов ........... 239
4.2.1.
Системные искажения сигналов для измерения импульсных ха-
рактеристик ....................................................................... 239
4.2.2.
Системные искажения сигналов для измерения переходных ха-
рактеристик ....................................................................... 241
4.2.3.
Системные искажения сигналов для измерения частотных ха-
рактеристик ....................................................................... 243
4.3.
Критерии оптимальности измерительных сигналов для оценки кана-
лов аналоговой и цифровой передачи видеоинформации .................. 245
4.3.1.
Критерии оптимальности измерительных сигналов для оценки
импульсных характеристик................................................... 246
4.3.2.
Критерии оптимальности измерительных сигналов для оценки
переходных характеристик ................................................... 248
4.4.
Синтез оптимальных измерительных сигналов для оценки каналов
аналоговых и цифровых видеоинформационных систем ................... 249
4.4.1.
Синтез оптимальных сигналов для оценки импульсных характе-
ристик ............................................................................... 249
4.4.2.
Синтез оптимальных сигналов для оценки переходных характе-
ристик ............................................................................... 253
4.4.3.
Синтез оптимальных сигналов для оценки частотных характе-
ристик ............................................................................... 255
4.5.
Синтез измерительных сигналов, форма которых совпадает с огиба-
ющей их спектра ........................................................................ 257
4.5.1.
Сигналы для одновременного измерения импульсных и частот-
ных характеристик .............................................................. 257
4.5.2.
Искажения сигналов, форма которых совпадает с огибающей их
спектра .............................................................................. 260
4.6.
Синтез измерительных сигналов для оценки эхо-радиосигналов ........ 262
4.6.1.
Использование практически финитных по спектру и времени из-
мерительных сигналов ......................................................... 262
4.6.2.
Измерительные сигналы для анализа ближних эхо-сигналов ..... 266
4.7.
Искажения измерительных сигналов в системах с частичным подав-
лением одной боковой полосы....................................................... 269
4.7.1.
Искажения измерительного импульсного сигнала B1 .............. 272
4.7.2.
Искажения сигналов для измерения переходных характеристик
B2 ................................................................................... 273
4.7.3.
Искажения сигналов F для измерения РУ и РВ....................... 276
4.7.4.
Искажения серий синусоидальных колебаний С2 ..................... 278
4.7.5.
Искажения сигналов D2 для оценки дифференциальных харак-
теристик ............................................................................ 279
Литература к главе 4 .......................................................................... 280
Глава 5
Алгоритмы обработки измерительных сигналов
при оценке параметров видеоинформационных систем....... 283
5.1.
Алгоритмы анализа стандартных измерительных сигналов для ана-
логовых систем ТВ-вещания......................................................... 283
5.2.
Дискретная и непрерывная оптимальная фильтрация постоянных
уровней видеоимпульсов .............................................................. 290
5.2.1.
Условия оптимальной линейной фильтрации помехи ................ 290
5.2.2.
Зависимости оптимального уменьшения дисперсии помехи от ве-
личины интервала обработки сигнала .................................... 296
Содержание 7
5.2.3.
Реализация специальных сигналов, обеспечивающих повышение
точности оценки уровней...................................................... 297
5.3.
Цифровая обработка быстроизменяющихся процессов...................... 300
5.3.1.
Активные методы поиска экстремумов ................................... 301
5.3.2.
Поиск экстремумов с применением методов стохастической ап-
проксимации....................................................................... 304
5.3.3.
Поиск экстремумов с применением методов цифровой фильтра-
ции.................................................................................... 306
5.3.4.
Поиск переходов сигнала через заданный потенциальный уровень 311
5.4.
Использование порядковых статистик и критериев сравнения оценок
при обработке результатов измерений............................................ 313
5.5.
Алгоритмы обработки измерительных сигналов и результатов изме-
рений ........................................................................................ 314
5.5.1.
Особенности измерения размахов синусоидальных колебаний .... 316
5.5.2.
Специфика анализа импульсных характеристик ...................... 318
5.6.
Алгоритмы оценки параметров помех ............................................ 319
5.6.1.
Методы одновременн´ой оценки параметров флуктуационных и
синусоидальных помех ......................................................... 323
5.6.2.
Особенности оценки частот синусоидальных помех по дискрет-
ным выборкам .................................................................... 325
5.7.
Цифровые методы оценки флуктуационных помех в сигналах дина-
мического изображения ............................................................... 328
5.7.1.
Дискретное преобразование сигнала подвижного изображения .. 331
5.7.2.
Линейная фильтрация флуктуационной помехи в динамическом
изображении....................................................................... 333
5.7.3.
Повышение эффективности анализа флуктуационных помех с
применением нелинейных методов цифровой обработки............ 336
Литература к главе 5 .......................................................................... 338
Глава 6
Анализ спектров сигналов с использованием оконных
функций....................................................................................... 342
6.1.
Основные параметры оконных функций......................................... 345
6.1.1.
Эквивалентная шумовая полоса ............................................ 345
6.1.2.
Усиление преобразования ..................................................... 346
6.1.3.
Корреляция перекрывающихся участков ................................ 347
6.1.4.
Паразитная амплитудная модуляция спектра.......................... 348
6.1.5.
Максимальные потери преобразования ................................... 349
6.1.6.
Просачивание спектральных составляющих ............................ 349
6.1.7.
Минимальная разрешаемая полоса ........................................ 349
6.1.8.
Относительная разность шумовой полосы оконной функции и ее
полосы по уровню 3 дБ ........................................................ 350
6.1.9.
Максимальный уровень боковых лепестков ............................. 350
6.1.10.
Скорость спада боковых лепестков ........................................ 351
6.2.
Классические оконные функции.................................................... 351
6.2.1.
Прямоугольная и треугольная оконные функции ..................... 352
8
Содержание
6.2.2.
Оконные функции Хеннинга ................................................. 353
6.2.3.
Оконные функции Хемминга, Блэкмаха, Блэкмана–Херриса ..... 355
6.2.4.
Оконные функции Наталла, Блэкмана–Наталла, Бартлетта–Хан-
на, окно с плоской вершиной................................................. 357
6.3.
Оконные функции, сконструированные различными авторами .......... 359
6.3.1.
Оконные функции Рисса, Римана, Валле–Пуссена ................... 360
6.3.2.
Оконные функции Тьюки..................................................... 361
6.3.3.
Оконные функции Бомана и Пуассона ................................... 363
6.3.4.
Оконные функции Хеннинга–Пуассона, Коши и Гаусса ............. 364
6.3.5.
Оконные функции Кайзера–Бесселя ...................................... 366
6.4.
Оконные функции Дольфа–Чебышева и Барсилона–Темеша и их мо-
дификации................................................................................. 368
6.4.1.
Равноволновые окна Дольфа–Чебышева и их модификации ...... 368
6.4.2.
Окна Барсилона–Темеша и их модификации ........................... 379
6.5.
Оконные функции Кравченко....................................................... 385
6.6.
Принципы синтеза высокоэффективных оконных функций............... 388
6.6.1.
Алгоритм минимизации спектральных составляющих оконной
функции вне пределов заданного интервала............................ 389
6.6.2.
Алгоритм минимизации различий формы и спектра оконной
функции ............................................................................ 392
6.6.3.
Алгоритмы максимизации спада уровней боковых лепестков
спектра оконной функции..................................................... 398
6.6.4.
Формирование окон путем перемножения оконных функций или
возведения в степень их спектров .......................................... 406
6.7.
Выбор оконных функций при цифровой обработке сигналов ............. 409
Литература к главе 6 .......................................................................... 411
Глава 7
Интерфейсы в цифровых видеоинформационных систе-
мах. Основные параметры и методы их измерения.......... 413
7.1.
Синхронный параллельный интерфейс SPI..................................... 413
7.1.1.
Параллельный интерфейс при цифровом преобразовании компо-
нентного сигнала................................................................. 415
7.1.2.
Параллельный интерфейс при цифровом преобразовании компо-
зитного сигнала .................................................................. 417
7.2.
Цифровой последовательный интерфейс SDI .................................. 419
7.2.1.
Синхронный последовательный интерфейс.............................. 422
7.2.2.
Асинхронный последовательный интерфейс ............................ 424
7.3.
Высокоскоростной цифровой последовательный интерфейс IEEE-1394 429
7.4.
Основные виды искажений цифровых сигналов. Джиттер ................ 433
7.5.
Методы анализа и измерения джиттера ......................................... 436
7.5.1.
Глазковая диаграмма ........................................................... 436
7.5.2.
U-образная кривая и ее экстраполяция................................... 439
7.5.3.
Гистограммы распределения набора значений параметров глаз-
ковой диаграммы ................................................................ 441
7.5.4.
Измерение частотных характеристик джиттера ....................... 442
7.5.5.
Контур вероятности распределения BER ................................ 443
Литература к главе 7 .......................................................................... 445
Глава 8
Измерения искажений сигналов и изображений
в цифроаналоговых видеоинформационных системах..... 448
8.1.
Классификация характерных искажений аналого-цифровых
систем формирования и передачи сигналов изображения ................. 449
8.2.
Тестовые видеопоследовательности для анализа искажений при
MPEG-подобном кодировании ...................................................... 457
8.3.
Испытательные таблицы для анализа искажений в аналого-цифровых
каналах ..................................................................................... 463
8.4.
Анализ параметров цифрового транспортного потока MPEG-2.......... 471
8.4.1.
Семантика полей заголовка транспортного пакета и их анализ... 471
8.4.2.
Семантика полей поля адаптации ТП и их анализ.................... 475
8.4.3.
Перечень параметров анализа транспортного потока MPEG-2 ... 477
8.4.4.
Номенклатура анализируемых параметров в сетях передачи
транспортного потока MPEG-2.............................................. 484
8.5.
Визуализация параметров кодирования видеоинформации в соответ-
ствии со страндартами H.264/AVC и H.265/HEVC .......................... 484
Литература к главе 8 .......................................................................... 491
Глава 9
Измерения в цифровых системах DVB первого
поколения .................................................................................... 494
9.1.
Перечень параметров, измеряемых в каналах систем спутникового,
кабельного и наземного ТВ-вещания.............................................. 495
9.1.1.
Общие параметры спутниковых и кабельных сред передачи ...... 495
9.1.2.
Специфические параметры спутниковых и кабельных сред пере-
дачи .................................................................................. 496
9.2.
Определение общих параметров для спутниковых и кабельных сред
передачи.................................................................................... 499
9.2.1.
Работоспособность системы .................................................. 499
9.2.2.
Наличие локальной связи ..................................................... 499
9.2.3.
BER до декодера Рида–Соломона .......................................... 500
9.2.4.
Запись протокола ошибок..................................................... 501
9.2.5.
Точность таймера символов передатчика и величина его джиттера 502
9.2.6.
Мощность сигнала РЧ/ПЧ ................................................... 502
9.2.7.
Мощность шума .................................................................. 503
9.2.8.
Подсчет битовых ошибок после декодирования Рида–Соломона . 505
9.2.9.
Анализ сигналов I и Q......................................................... 505
9.2.10.
Интерференция................................................................... 512
9.3.
Определение дополнительных параметров для спутниковых сред пе-
редачи....................................................................................... 513
9.3.1.
BER до декодирования Витерби ............................................ 513
10
Содержание
9.3.2.
Получение зависимости BER от отношения Eb/N0 ................... 514
9.3.3.
Спектр ПЧ......................................................................... 515
9.4.
Определение дополнительных параметров для кабельных сред пере-
дачи.......................................................................................... 516
9.4.1.
Допустимый уровень шума ................................................... 516
9.4.2.
Оценка допустимого уровня шума ......................................... 517
9.4.3.
Пороговый тест качества сигнала .......................................... 517
9.4.4.
Уровень шума, эквивалентный ухудшению ............................. 520
9.4.5.
Зависимость BER от отношения Eb/N0 .................................. 521
9.4.6.
Фазовый шум несущей РЧ.................................................... 522
9.4.7.
Амплитудная, фазовая и импульсная характеристики канала .... 523
9.4.8.
Излучения вне полосы ......................................................... 523
9.5.
Определение параметров для наземных сред передачи ..................... 524
9.5.1.
Точность РЧ....................................................................... 524
9.5.2.
Избирательность ................................................................. 524
9.5.3.
Рабочая область АПЧ.......................................................... 524
9.5.4.
Фазовый шум внутренних генераторов ................................... 525
9.5.5.
Мощность сигнала РЧ/ПЧ ................................................... 526
9.5.6.
Мощность шума .................................................................. 527
9.5.7.
Спектр РЧ и ПЧ................................................................. 528
9.5.8.
Диапазон избирательности / динамический диапазон приемника
для гауссова канала ............................................................. 528
9.5.9.
Уровень шума, эквивалентный ухудшению ............................. 529
9.5.10.
Определение параметров линейности (подавление выброса) ...... 529
9.5.11.
Эффективная мощность ....................................................... 530
9.5.12.
Когерентная интерференционная помеха ................................ 530
9.5.13.
Зависимость BER от отношения C/N при изменении мощности
передатчика........................................................................ 531
9.5.14.
Зависимость BER от отношения C/N при изменении мощности
гауссова шума..................................................................... 531
9.5.15.
BER до (внутреннего) декодера Витерби ................................ 532
9.5.16.
BER до (внешнего) декодера Рида–Соломона .......................... 532
9.5.17.
BER после (внешнего) декодера Рида–Соломона...................... 533
9.5.18.
Анализ сигналов I и Q......................................................... 533
9.5.19.
Общая задержка сигнала...................................................... 534
Литература к главе 9 .......................................................................... 535
Глава 10
Измерения в цифровых системах DVB второго
поколения .................................................................................... 537
10.1.
Перечень параметров информационных пакетов T2-MI, измеряемых в
каналах системы наземного ТВ-вещания второго поколения ............. 537
10.1.1.
Контроль синтаксиса пакетов T2-MI ...................................... 539
10.1.2.
Проверка пакетов информации модулятора T2-MI ................... 541
10.1.3.
Проверка связности сигнальной информации T2-MI ................. 542
10.1.4.
Измерения на транспортном уровне T2-MI ............................. 542
Содержание 11
10.2.
Перечень параметров, измеряемых в каналах системы наземного
ТВ-вещания второго поколения .................................................... 546
10.2.1.
Измерения в радиочастотном диапазоне ................................. 549
10.2.2.
Избирательность ................................................................. 549
10.2.3.
Рабочая область АПЧ.......................................................... 550
10.2.4.
Фазовый шум внутренних генераторов ................................... 550
10.2.5.
Мощность сигнала РЧ/ПЧ ................................................... 550
10.2.6.
Отношение мощностей в режиме MISO .................................. 551
10.2.7.
Мощность шума .................................................................. 551
10.2.8.
Спектр РЧ и ПЧ................................................................. 551
10.2.9.
Избирательность приемника / динамический диапазон гауссова
канала ............................................................................... 551
10.2.10.
Определение параметров линейности подавление вне полосы . 552
10.2.11.
Эффективная мощность ....................................................... 552
10.2.12.
Эффективность PAPR......................................................... 552
10.2.13.
Коэффициент ошибок символа P1 ......................................... 553
10.2.14.
BER перед (внутренним) декодером LDPC-кода ...................... 553
10.2.15.
Количество итераций LDPC-кода .......................................... 554
10.2.16.
BER перед (внешним) декодером BCH-кода ............................ 554
10.2.17.
Коэффициент ошибок в BB-кадрах........................................ 554
10.2.18.
Доля секундных интервалов, содержащих ошибки ................... 554
10.2.19.
Анализ сигналов I и Q......................................................... 555
10.2.20.
Синхронизация одночастотной сети ....................................... 558
10.2.21.
Ошибка сигнализации L1...................................................... 559
10.2.22.
Среднеквадратичный разброс случайных задержек.................. 559
10.2.23.
Максимальная избыточная задержка ..................................... 559
10.2.24.
Тест проверки соответствия модели буфера приемника............. 560
10.2.25.
Относительный уровень мощности на протяжении фрагмента
FEF, не относящегося к символу P1 ....................................... 560
10.3.
Перечень параметров, измеряемых в каналах системы кабельного те-
левизионного вещания второго поколения ...................................... 560
10.3.1.
Измерения в радиочастотном диапазоне ................................. 562
10.3.2.
Рабочая область АПЧ.......................................................... 563
10.3.3.
Фазовый шум внутренних генераторов ................................... 563
10.3.4.
Мощность сигнала РЧ/ПЧ ................................................... 564
10.3.5.
Мощность шума .................................................................. 564
10.3.6.
Спектр РЧ и ПЧ................................................................. 564
10.3.7.
Чувствительность приемника / динамический диапазон
для гауссова канала ............................................................. 564
10.3.8.
Характеристика линейности / подавление выброса................... 565
10.3.9.
BER перед (внутренним) декодером LDPC ............................. 565
10.3.10.
Количество итераций декодера LDPC .................................... 565
10.3.11.
BER перед (внешним) декодером BCH ................................... 566
10.3.12.
Коэффициент ошибок в кадрах ............................................. 566
10.3.13.
Анализ сигналов I и Q......................................................... 566
10.3.14.
Ошибка сигнализации L1...................................................... 567
10.3.15.
Тест проверки соответствия модели буфера приемника............. 568
12
Содержание
10.4.
Перечень параметров, измеряемых в каналах системы спутникового
телевизионного вещания второго поколения.................................... 568
Литература к главе 10 ........................................................................ 569
Глава 11
Методы оценки качества кодирования звуковой
информации ................................................................................ 571
11.1.
Основные проблемы психоакустики............................................... 573
11.1.1.
Абсолютный порог слышимости ............................................ 573
11.1.2.
Критические полосы............................................................ 574
11.1.3.
Частотное (одновременное) маскирование............................... 576
11.1.4.
Временн´ое (неодновременное) маскирование ........................... 577
11.1.5.
Кривые равной громкости, фоны, соны .................................. 578
11.2.
Персептивная оценка качества звука PEAQ.................................... 580
11.2.1.
Психоакустическая модель FFT based .................................... 583
11.2.2.
Психоакустическая модель Filter Bank based ........................... 589
11.2.3.
Предварительная обработка энергий возбуждения ................... 595
11.2.4.
Вычисление параметров MOV............................................... 601
11.2.5.
Громкость искажений .......................................................... 603
11.2.6.
Ширина полосы .................................................................. 606
11.2.7.
Отношение шум/маска......................................................... 607
11.2.8.
Вероятность обнаружения .................................................... 608
11.2.9.
Структура ошибочных гармоник ........................................... 611
11.3.
Когнитивная модель ................................................................... 612
11.4.
Проблемы совершенствования систем оценки качества кодеров звука...... 615
11.4.1.
Психоакустическая модель ................................................... 615
11.4.2.
Когнитивная модель ............................................................ 616
11.4.3.
Мультиканальные метрики ................................................... 619
11.5.
Выравнивание по времени исходного и тестируемого сигналов .......... 620
11.5.1.
Методы выделения постоянной задержки в линейных системах ..... 621
11.5.2.
Методы выделения переменной задержки ............................... 624
11.5.3.
Новый метод выделения постоянной задержки ........................ 625
11.5.4.
Принцип экспериментальных исследований............................. 629
Литература к главе 11 ........................................................................ 632
Глава 12
Система РАВИС и ее метрологическое обеспечение ........ 636
12.1.
Основные требования к разработке системы ................................... 636
12.2.
Компоненты аудиовизуальной информационной системы ................. 639
12.2.1.
Кодер источника ................................................................. 639
12.2.2.
Передатчик ........................................................................ 642
12.2.3.
Приемник........................................................................... 656
12.3.
Эффективность аудиовизуальной информационной системы РАВИС . 659
12.4.
Результаты натурных испытаний и разработки аппаратуры системы
РАВИС ..................................................................................... 665
12.5.
Метрологическое обеспечение системы РАВИС ............................... 669
12.5.1.
Технические требования к основным параметрам системы РАВИС 672
12.5.2.
Условия и оборудование для измерений и испытаний передаю-
щей и приемной аппаратуры системы РАВИС......................... 673
12.5.3.
Измерения основных параметров системы РАВИС................... 674
12.5.4.
Примеры измерений параметров системы РАВИС в радиоча-
стотном диапазоне............................................................... 698
Литература к главе 12 ........................................................................ 707
Глава 13
Практическая реализация аппаратуры измерения
характеристик и параметров аналоговых и цифровых
видеоинформационных систем............................................... 712
13.1.
Обзор современных средств измерений для решения задач метрологии
формирования, передачи и воспроизведения изображений ................ 712
13.1.1.
Формирователи видеоинформационных ИС и ИТ .................... 712
13.1.2.
Измерители искажений ТВИС и ЦИС .................................... 713
13.1.3.
Средства оценки качества изображений.................................. 714
13.1.4.
Средства анализа ошибок в цифровых ТП.............................. 715
13.1.5.
Средства контроля процесса воспроизведения видеоданных ...... 716
13.2.
Комплексы измерительные телевизионные КИ-ТВМ и КИ-ТВМ-Э.... 717
13.2.1.
Формирование измерительных сигналов и измерение параметров
аналогового и аналого-цифрового телевидения ........................ 718
13.2.2.
Измерение параметров радиосигналов аналоговых и цифровых
систем ............................................................................... 724
13.2.3.
Анализ параметров транспортного потока сигналов цифрового
телевидения........................................................................ 728
13.2.4.
Формирование измерительных сигналов и анализ параметров
сигналов звукового сопровождения ........................................ 733
13.3.
Комплекс измерительный цифрового телевидения КИ-ЦВТ.............. 738
13.3.1.
Генератор сигналов SDI........................................................ 738
13.3.2.
Анализатор сигналов SDI ..................................................... 740
13.3.3.
Генератор сигналов ASI........................................................ 741
13.3.4.
Анализатор сигналов ASI ..................................................... 742
13.3.5.
Анализатор формы сигналов SDI .......................................... 743
13.4.
Комплекс измерительный аудиовизуальной информационной системы
КИ-ТВМ-РАВИС........................................................................ 746
13.5.
Методы калибровки и поверки измерительных приборов .................. 749
13.5.1.
Комплекс измерительный телевизионный КИ-ТВМ-Э .............. 749
13.5.2.
Комплекс измерительный телевизионный КИ-ТВМ.................. 757
13.5.3.
Комплекс измерительный телевизионный КИ-ЦВТ .................. 757
13.5.4.
Комплекс измерительный телевизионный КИ-TBM-PAВИС...... 760
Литература к главе 13 ........................................................................ 762
@language english @language russian
Введение
Метрология видеоинформационных систем предназначена для определения и ис-
пользования научных и организационных основ, реализации технических средств,
норм и правил, необходимых для соблюдения принципа единства и точности из-
мерительных процедур в данной технологической отрасли.
Системный подход к основной функции метрологии разработке метрологи-
ческого обеспечения должен использовать всю совокупность взаимосвязанных
процессов, объединенных целью достижения требуемого качества измерений.
В этом плане выделяется ряд работ:
– определение номенклатуры измеряемых параметров в системах формиро-
вания, передачи и воспроизведения видео- и аудиоинформации, а также
наиболее подходящих норм точности при измерениях и контроле качества
продукции и управлении процессами;
– установление рациональной номенклатуры измеряемых параметров и каче-
ственных показателей, выбор требований к средствам измерений и контро-
ля, а также обоснование метрологических процессов;
– стандартизация и унификация алгоритмов обработки измерительной ин-
формации, технологии контроля и измерений;
– разработка, внедрение и аттестация современных методик выполнения из-
мерений, испытаний и контроля;
– поверка, метрологическая аттестация и калибровка применяемого измери-
тельного, а также испытательного оборудования;
– участие в процессе создания и внедрения международных, государствен-
ных, отраслевых стандартов, а также иных нормативных документов, стан-
дартизованных в России;
– подготовка работников соответствующих метрологических служб и подраз-
делений к выполнению контрольно-измерительных процессов.
Внедрение современных мультимедийных систем, осуществляемое во всем мире
и в России, как правило, путем постепенной замены отдельных аналоговых зве-
ньев формирования, передачи и приема на цифровые, требует создания новых
методик и стандартов их метрологического обеспечения. Качество каналов фор-
мирования, передачи и воспроизведения видео- и аудиоинформации оценивалось
с помощью стандартных специальных измерительных сигналов и испытательных
таблиц.
С появлением цифровых технологий приходится утверждать, что используе-
мые сигналы и таблицы устарели, и возникла необходимость в создании новых
измерительных процедур, адекватных используемым системам преобразований
В всигналов, разработке новых методик измерений и контроля, тем не менее, совме-
стимых с традиционными.
При этом подлежат решению ряд проблем:
– поскольку при встраивании цифрового звена в тракт передачи видеоинфор-
мации требуется выделение из полного цветового ТВ сигнала его яркостной
и цветовых составляющих, их аналого-цифровое преобразование, цифровая
обработка и передача, а затем, на выходе этого звена, обратное преоб-
разование, система измерений должна обеспечить оценку качества таких
преобразований;
– зачастую до сих пор используют различные системы формирования те-
левизионных сигналов (SECAM/PAL), различные системы их цифрового
кодирования (с компрессией или без нее) и передачи и, наконец, различ-
ные системы обратного преобразования и воспроизведения изображений;
система измерений должна учитывать эту специфику;
– при применении обработки динамических изображений разработанных сис-
тем цифрового кодирования очень хорошо передаются статические изобра-
жения, и хуже изображения, быстро меняющиеся во времени; по этой
причине попытки определить качество телевизионных кодеров-декодеров
различных фирм с помощью статических таблиц, содержащих миры раз-
личного пространственного разрешения, обычно не приводят к положитель-
ному результату разрешение принимаемого сигнала оказывается высоким
практически независимо от скорости выходного потока кодера;
– просмотр реального видеоматериала показывает, что кодеры различных
фирм отличаются по качеству; при этом наблюдаемые шумы и искажения
носят новый характер и не выражаются в старых ¾аналоговых¿ терминах,
например, таких как разрешение в ¾числе линий¿, количество воспроизво-
димых градаций яркости и др.;
– используемые алгоритмы цифрового преобразования аудиоинформации в
принципе не позволяют обеспечить оценку качества передачи информации
путем, например, сравнения формы исходных и воспроизводимых сигналов.
Таким образом, несмотря на наличие новых свойств цифровых видеоинформаци-
онных систем, при приеме и воспроизведении сигналов возможны и искажения,
имеющие не только цифровое, но и аналоговое происхождение. Такие искажения
могут быть обусловлены плохим качеством цифро-аналогового и аналого-циф-
рового преобразователей на входе/выходе цифровых кодеров/декодеров, плохим
качеством цифровых преобразований сигналов. Поэтому, например, новые те-
левизионные измерительные сигналы и испытательные таблицы должны быть
пригодны не только для испытания качества цифрового кодирования, но и долж-
ны содержать в себе элементы старых таблиц для оценки чисто аналоговых
искажений.
Следует подчеркнуть, что метрологическое обеспечение испытаний оборудо-
вания на этапах его разработки, производства и эксплуатации, являющееся гаран-
тией достижения объективности и достоверности их результатов, имеет исключи-
тельное значение для взаимного признания результатов измерений организаций
формирования телевизионной информации, ее передачи и приема, а также при
международном обмене.
Многообразие используемых методов формирования и передачи телевизи-
онных изображений требует использования метрологического обеспечения как
аналоговых и цифровых участков ТВ канала, так и аналого-цифрового канала
в целом. Такие системы требуют создания принципиально новых способов из-
мерений и соответствующих контрольных и измерительных средств. При этом
необходимо, чтобы эти средства были совместимы и с традиционными аналого-
выми системами.
На современном этапе развития техники выполнение требований метрологии
связано с использованием персональных компьютеров в качестве устройств ана-
лиза и организации структуры систем формирования и обработки измерительной
информации.
Современные цифровые системы позволяют гибко настраивать параметры пе-
редачи видеоинформации под конкретные требования потребителей и возможно-
сти каналов связи, обеспечивая при этом возможности трансляции изображений
различного качества при скоростях цифрового потока до десятков и даже со-
тен мегабит в секунду. Для оценки соответствия качества передаваемой видео-
и аудиоинформации требованиям, предъявляемым к ней в различных системах
и условиях передачи, а также для сравнения эффективности работы различных
устройств их кодирования и передачи, требуются методики и средства субъек-
тивной и объективной оценки качества изображений и звукового сопровождения,
наблюдаемых потребителем.
Отличительных особенностью цифровых видеоинформационных систем яв-
ляется использование канала связи в качестве ¾контейнера данных¿, обеспечи-
вающего передачу различных сигналов (информационных сообщений, одной или
более ТВ-программ, данных) по запросу пользователя. Такая система позволяет
оператору потока данных в несколько раз увеличить число программ и допол-
нительных услуг, предлагаемых различным потребителям, без использования
дополнительного частотного ресурса.
Широкое практическое использование техники цифровой обработки сигна-
лов одной из самых динамичных и быстро развивающихся технологий в мире
телекоммуникаций и информатизации общества обеспечивает решение задач
обработки, сокращения избыточности сигнала и передачи информации в реаль-
ном времени.
Процесс цифровой обработки визуальной информации охватил различные
виды видеоинформационных приложений и существенно расширил их спектр:
кроме широко распространенного традиционного телевидения и различных экзо-
тических разновидностей ТВ специального назначения появились и повсеместно
внедряются самые различные видеоприложения от видеотелефонии до теле-
видения высокой и ультравысокой четкости (ТВЧ, ТУВЧ), 3D видеовещания и др.
Цифровая обработка сигналов (ЦОС) информатика реального времени
позволяет достичь невиданного доселе уровня качества кодирования изображе-
ний, их передачи и приема, и предоставляет пользователю массу новых возмож-
ностей и новых видов услуг.
Следует еще раз подчеркнуть, что разработка современных цифровых ви-
деоинформационных систем и их внедрение невозможны без метрологического
обеспечения и наличия соответствующей измерительной аппаратуры.
Метрологическое обеспечение содействует оптимизации управления техноло-
гическими процессами, поддерживает качество изготовления аппаратуры и экс-
плуатации видеоинформационных систем. При этом затраты на метрологическое
обеспечение должны соответствовать масштабам систем формирования, кодиро-
вания, передачи и воспроизведения видеоинформации, сложности технологиче-
ских процессов и, в конечном счете, не только окупаться, но и приносить доход.
И в этом плане обеспечение метрологической безопасности России является
залогом создания отечественной высококачественной видеоинформационной ап-
паратуры и ее эффективного использования.
Материал в настоящей книги, посвященный измерениям в видеоинформаци-
онных системах, содержит 13 глав.
В первой главе анализируются проблемы метрологического обеспечения и
специфические особенности измерений и контроля в видеоинформационных сис-
темах, включающих в себя самые последние научные достижения, связанные с
совершенствованием ее эталонной базы и способов обработки результатов кон-
троля и измерений. Приведены краткие сведения об основных параметрах изме-
ряемых величин, классификации погрешностей измерений, оценке точностных
характеристик средств измерений. Наибольшее внимание уделено специфиче-
ским особенностям измерений и контроля в видеоинформационных системах,
критериям оценки искажений видеосигналов и специальных измерительных сиг-
налов, алгоритмам обработки измерительной информации.
Рассмотрены важные проблемы повышения точности, устранения различно-
го рода мешающих факторов и существенного сокращения времени измерений
путем широко применяемых в прикладной математической статистике методов,
основанных на использовании порядковых статистик, а также оценке циклично-
сти измерения параметров сигналов, основанной на гипотезах равенства матема-
тических ожиданий или дисперсий в выборках анализируемых параметров.
Во второй главе рассмотрены различные форматы динамических изобра-
жений, приводится оценка объема информации изображений в основных видах
приложений: кроме традиционного аналогового цветного телевидения и теле-
визионных систем специального назначения внедряются самые различные сис-
темы от видеотелефонии и видеоконференцсвязи до телевидения высокой и
сверхвысокой четкости многоракурсных телевизионных систем. При цифровой
дискретизации таких изображений объем информации меняется от единиц ме-
габит до десятков и сотен гигабит в секунду. Современные системы цифрового
кодирования видеоинформации позволяют сократить потоков кодированных ви-
деоданных в сотни и даже тысячи раз.
Приводятся сведения об основных параметрах полного цветового сигнала сис-
тем аналогового телевидения на видео- и радиочастотах с учетом частичного
подавления одной боковой полосы, уменьшении объема информации при непо-
средственном преобразовании полных цветовых ТВ сигналов в цифровую форму,
а также в случаях их разделения на составляющие яркости и цветности. Рассмот-
рены проблемы оценки качественных показателей телевизионных изображений,
зависящие от используемой системы вещания, формы полного цветового ТВ сиг-
нала, качества воспроизводящих устройств.
В третьей главе изложены параметры систем цифрового кодирования изоб-
ражений и систем эфирного, спутникового и кабельного телевизионного вещания,
используемых в России.
В настоящее время наряду с улучшением и созданием новых систем сжа-
тия традиционных видеосигналов, снимаемых с одной точки наблюдения, бурно
18 Введение
развивается как стереоскопическое телевидение (бинокулярное или 3D), так и ав-
тостереоскопическое или многоракурсное (с несколькими точками наблюдения
до 9–16 видов). Также создано и развивается такое направление, как телевизи-
онные системы с произвольной точкой наблюдения (ТСПН или Free Viewpoint
TV FTV).
Значительные успехи были достигнуты в создании метрик качества, которые
лучше оценивают субъективно (перцептуально) воспринимаемое качество. Одна-
ко в большинстве случаев эти новые метрики были разработаны при кодировании
статических изображений. Сопоставимые результаты для динамических изобра-
жений не так развиты. Развитие перцептуально-ориентированных инструментов,
которые включали бы временн´ые качественные критерии, является ключевой за-
дачей по улучшению рабочих характеристик систем кодирования видео. Заметим,
что эти виды инструментов достаточно хорошо развиты для кодирования звука.
Движущей силой создания стандартов кодирования видеоинформации яв-
ляются различные приложения и развитие их аппаратного обеспечения. Среди
прошлых стандартов можно перечислить H.261, MPEG-1, MPEG-2/H.262, H.263
и MPEG-4 (Part 2). Наиболее эффективными являются стандарты Н.264/AVC
(MPEG-4, Part 10) и H.265/HEVC (MPEG-H, Part 2). К этим стандартам при-
нимаются дополнения по кодированию масштабируемого видео (SVC scalable
video coding), кодированию многоракурсного видео (MVC multiview video co-
ding) и реконфигурируемого кодирования видео.
Необходимо отметить, что стандарт H.265/HEVC при высоком качестве ко-
дирования обеспечивает формирование информационного потока при величине
порядка 0,1 бит на пиксел изображения. Это означает, что при кодировании стан-
дартного ТВ сигнала (720×576 пикселов на кадр, 25 кадров в секунду, 8×3 бит
на пиксел) удается сформировать потоке данных менее 1,5 Мбит/с, а при коди-
ровании сигнала ТВЧ менее 5 Мбит/с.
Отдельный раздел третьей главы посвящен методам мультиплексирования
цифровых потоков: транспортного потока MPEG-TS и обобщенного инкапсули-
рованного потока GSE.
Одними из важных и сложных задач стандартизации цифрового телевизи-
онного вещания явились задачи использования эффективных методов передачи
мультиплексированных цифровых потоков по наземным, спутниковым и кабель-
ным системам связи.
В частности, цифровое телевизионное вещание в Европе основано на очень
успешной серии стандартов DVB. Частотные распределения согласованы в рам-
ках Международного союза электросвязи (ITU), в то время как сами сети веща-
ния реализуются в соответствии с национальными спецификациями.
Особое внимание уделено требованиям к параметрам наземных, спутниковых
и кабельных DVB-систем связи, которые необходимо контролировать непосред-
ственно в процессе телевизионного вещания.
Четвертая глава посвящена вопросам анализа искажений стандартных изме-
рительных сигналов при их преобразовании в цифровую форму и синтеза новых
сигналов для оценки аналоговых и цифровых видеоинформационных систем.
Несопряженность спектров стандартных измерительных сигналов, предназна-
ченных для оценки импульсных, переходных и частотных характеристик, с по-
лосой пропускания каналов связи приводит к существенным искажениям при
их дискретизации с последующим восстановлением. Неприятность еще связа-
на с тем, что форма восстановленных сигналов существенно зависит от взаим-
ного положения дискретизируемых сигналов и дискретизирующих импульсов.
Проведенный анализ таких искажений стандартных телевизионных измеритель-
ных сигналов привел к выводу о невозможности их использования в системах с
аналого-цифровым преобразованием.
Сигналы, синтезированные путем минимизации мощности спектра вне пре-
делов заданной полосы частот и близкие по форме стандартным измеритель-
ным сигналам, позволили решить одну из важнейших задач разработки методов
высокоточных измерений качественных показателей аналого-цифровых каналов
передачи видеоинформации.
На базе предложенных критериев оптимальности созданы варианты модер-
низированных сигналов для оценки импульсных, переходных и частотных харак-
теристик, практически не обладающих указанными системными искажениями.
Рассмотрены алгоритмы синтеза сигналов, форма которых с точностью до
размерного множителя практически совпадает с формой огибающей их спектра.
Такие сигналы практически ограничены как по спектру, так и по длительности.
Предложены варианты симметричных и кососимметричных сигналов, проана-
лизированы зависимости искажений таких сигналов от искажений АЧХ и ФЧХ
каналов связи.
Весьма важной проблемой при реализации систем коллективного приема и
кабельного телевидения является измерение параметров эхо-радиосигналов. Ви-
зуальное восприятие такой помехи зависит от ее величины, задержки эхо-сигнала
относительно основного сигнала, а также от разности фаз несущих основного и
эхо-сигнала.
Показана эффективность использования для целей таких измерений сигналов,
практически финитных по времени и спектру, ограниченному шириной частич-
но подавленной боковой полосы. Разработана структурная схема анализатора
величины и задержки эхо-сигналов, проанализированы параметры относитель-
но удаленных и ближних эхо-сигналов, приведены номограммы зависимостей их
значений от уровней и задержек.
Используемый в аналоговых системах метод передачи видеоинформации с ча-
стичным подавлением одной боковой полосы также приводит к специфическим
системным искажениям измерительных сигналов, что особо проявляется как при
применении линейного детектора, так и при неточной синхронизации работы син-
хронного детектора.
Достаточно подробно проанализированы искажения измерительных сигна-
лов для оценки импульсных, переходных, частотных характеристик, анализа
различия усиления и расхождения во времени сигналов яркости и цветности и
контроля нелинейных характеристик: дифференциального усиления и диффе-
ренциальной фазы.
В пятой главе рассмотрены проблемы создания высокоточных алгоритмов
обработки сигналов и различного рода помех при оценке параметров видеоин-
формационных систем.
Эффективность обработки измерительных сигналов определяется способно-
стью используемых алгоритмов существенно уменьшить влияние на результа-
ты измерений различного рода помех. Приведены зависимости оптимального
уменьшения дисперсии помехи от величины интервала обработки сигнала при
различных формах спектра помехи, указаны ограничения к длительности ана-
лизируемого постоянного уровня сигнала.
Одна из проблем фильтрации помехи, аддитивно сложенной с видеоимпуль-
сами, возникает при измерении размахов сигналов в области их установившихся
значений. Проанализированы условия оптимальной несмещенной дискретной и
непрерывной фильтрации сигнала на заданном временном интервале, разработа-
ны структурные схемы оптимальных фильтров.
Проанализированы зависимости оптимального уменьшения дисперсии помехи
от величины интервала обработки сигнала при различных формах спектра помех
и на их базе приводятся требования к длительности этого интервала.
Значительное количество качественных показателей канала связи определяет-
ся уровнями, на которых располагаются характерные точки быстроизменяющих-
ся на интервале обработки измерительных сигналов (экстремальные значения,
переходы через уровень нулевого потенциала и др.).
Процесс оценки уровней характерных точек, расположенных в экстремумах
измерительных сигналов, связан с поиском их положения и определением раз-
махов сигналов в этих точках. При наличии помех стандартные методы, такие,
например, как метод дихотомии, чисел Фибоначчи, золотого сечения и др., оказы-
ваются неэффективными и характеризуются большими временными затратами.
Поиск экстремумов с применением алгоритмов стохастической аппроксима-
ции, например, метод РоббинсаМонро или процедура КифераВольфовица, обла-
дает также рядом недостатков, связанных с зависимостью поиска не только от
формы сигнала в области его обработки, но и от величины его экстремально-
го значения, невозможностью применения в случае, если сигнал на интервале
обработки имеет несколько экстремумов.
Этих недостатков лишен предложенный авторами метод цифровой фильтра-
ции, с использованием которого выбирается необходимый шаг дискретизации,
определяются значения коэффициента подавления дисперсии помехи и коэффи-
циенты взвешивания отсчетов сигнала.
На основе анализа различных видов измерительных сигналов предложено
использование эффективных алгоритмов обработки сигналов и результатов из-
мерений.
Отдельный раздел пятой главы посвящен измерениям отношения сигнала к
эффективному напряжению флуктуационных и синусоидальных помех по дис-
кретной выборке их отсчетов в статических и динамических сигналах цветного
телевидения.
Шестая глава посвящена анализу спектров сигналов на ограниченном ин-
тервале времени при наличии различного рода помех с использованием окон-
ных функций. Основной задачей обработки сигналов с использованием оконных
функций является измерение их параметров, определяющих составляющие этих
сигналов, обычно при наличии различного рода помех. Окна влияют на мно-
гие показатели преобразования гармонической информации, в том числе на их
обнаружение, разрешение, динамический диапазон, степень достоверности и ре-
ализуемости вычислительных операций.
Приведены сведения о параметрах основных классических оконных функций,
конструкций окон в виде произведений, сумм и сверток простых функций, а
также реализаций с применением некоторых критериев оптимальности.
Особенное внимание уделено анализу оконных функций Дольфа–Чебышева,
основанных на использовании полиномов Чебышева первого рода n-го порядка,
обладающих равенством амплитуд всех боковых лепестков спектра и разработан-
ных для анализа дискретных сигналов, спектр которых обладает свойством пе-
риодичности. Показано, что нормированные спектральные функции окон Доль-
фа–Чебышева тождественно определяются конечным числом косинусоидальных
функций.
Уровни боковых лепестков могут быть существенно уменьшены путем модер-
низации спектра оконной функции Дольфа–Чебышева в соответствии с соотно-
шением Fm(y) = (2F(yn)+F(yn+2)+F(yn−2))/4, где F(yn) нормированный
спектр окна Дольфа–Чебышева n-го порядка (Дворкович В.П., Дворкович А.В.
Новые методы расчета оконных функций Дольфа–Чебышева, Барсилона–Теме-
ша и их модификаций // Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60, № 4.
С. 369–385.).
Аналогичная ситуация имеет место с окнами Барсилона–Темеша, основанны-
ми на применении полиномов Чебышева первого и второго рода n-го порядка
и реализации алгоритма минимизации энергии спектральных составляющих, за-
данных вне полосы главных лепестков спектральных функций. Также показа-
но, что нормированные спектральные функции окон Барсилона–Темеша тожде-
ственно определяются конечным числом косинусоидальных функций.
Уровни боковых лепестков могут быть существенно уменьшены путем модер-
низации спектра оконной функции Барсилона–Темеша в соответствии с приве-
денным выше соотношением, если F(yn) нормированный спектр окна Барси-
лона–Темеша n-го порядка.
В данной главе также рассмотрены новые методы синтеза оконных функций
с применением алгоритмов минимизации спектральных составляющих вне пре-
делов заданного частотного интервала, показано, что большинство классических
окон определяются именно таким способом.
Другой вариант синтеза оконных функций основан на минимизации различий
формы окна и огибающей его спектра, позволяющих реализовать существенное
подавление боковых лепестков. Рассмотрены также варианты расчета оконных
функций путем максимизации скорости спада уровней боковых лепестков спек-
тра, перемножения форм или спектров различных оконных функций. Приведены
таблицы коэффициентов разложения и параметров оконных функций, разрабо-
танных с использованием предложенных алгоритмов.
В заключение в этой главе рассмотрены проблемы выбора оконных функций
при цифровой обработке сигналов.
В седьмой главе излагаются основные параметры и методы измерения интер-
фейсов в цифровых видеоинформационных системах. Рассмотрены параллель-
ные интерфейсы SPI при цифровом преобразовании компонентного и композит-
ного сигналов, цифровые последовательные интерфейсы SDI, синхронные SSI и
асинхронные ASI последовательные интерфейсы, высокоскоростные интерфей-
сы IEEE-1394. Анализируются основные виды искажений цифровых сигналов,
проявляющихся в виде различных типов джиттера, которые можно характери-
зовать смещением временн´ых и амплитудных положений переходов относительно
номинальных величин, определяемых идеальным положением уровней сигнала и
точной синхронизацией. Джиттер вызывается амплитудными и фазовыми по-
мехами как внутреннего, так и внешнего происхождения, и имеет различные
параметры в зависимости от причин и источников его возникновения.
Приведена подробная классификация видов джиттера. Применяемые методы
наблюдения, анализа и измерения джиттера позволяют прояснить его происхож-
дение, найти причины джиттера и определить пути для его уменьшения или
устранения.
В восьмой главе рассмотрены вопросы измерения искажений сигналов и изоб-
ражений в цифро-аналоговых видеоинформационных системах. Приводится пе-
речень параметров и качественных показателей аналоговых, аналого-цифровых
и цифровых систем и их влияние на качество воспроизводимых изображений.
Особое внимание уделено описанию искажений изображений, возникающих
при MPEG-подобных преобразованиях, обладающих большой гибкостью, позво-
ляющих менять целый ряд параметров, от которых существенно зависит качество
передачи.
Приводится подробное описание характерных искажений в аналоговых, ана-
лого-цифровых и цифровых системах формирования изображений, важный раз-
дел посвящен описанию перечня искажений в MPEG-подобных системах и их
влиянию на качество изображений, поясняемое соответствующими иллюстраци-
ями. Рассматриваются специальные тестовые последовательности для анализа
искажений при таких преобразованиях.
Для объективного анализа характеристик каналов, например, SECAM-MPEG-
SECAM или PAL-MPEG-SECAM, могут быть использованы стандартные и моди-
фицированные измерительные сигналы в составе испытательных таблиц и в том
случае, когда в цифровом звене телевизионные сигналы кодируются со значи-
тельным устранением избыточности информации, т.е. с учетом перемещения дви-
жущихся элементов изображения, как это предусмотрено MPEG-стандартами.
Даны также описания динамических испытательных таблиц, используемых и для
субъективного контроля искажений в аналого-цифровых системах видеовещания.
Отдельный раздел этой главы посвящен перечню и анализу параметров циф-
рового транспортного потока MPEG-2. Непрерывный или периодический мони-
торинг транспортного потока (TП) MPEG-2 осуществляется по ряду параметров
(индикаторов), объединенных в три таблицы по важности их влияния на каче-
ство передаваемой информации. В таблицах приведены номенклатура основных
параметров высшего приоритета, необходимых для обеспечения возможности
декодирования TП, а также измеряемых индикаторов (параметров) второго и
третьего приоритета.
Рассмотрены вопросы визуализации параметров кодирования видеоинформа-
ции в соответствии со стандартами H.264/AVC и H.265/HEVC.
Девятая глава посвящена измерениям в цифровых системах DVB первого
поколения DVB-T, DVB-S и DVB-C, в которых определены основные требо-
вания к различным передающим средствам спутникового, кабельного, наземного
и других видов передачи информации. Каждый основополагающий системный
стандарт определяет схемы канального кодирования и модуляции для соответ-
ствующих передающих средств. Мультиплексирование кодированных источни-
ков информации для систем DVB первого поколения осуществляется в соответ-
ствии со стандартом MPEG-2.
Оценка производительности и качества сервиса производится с помощью ком-
плекса параметров, связанных с TП MPEG-2, доступного в определенных усло-
виях приема.
Приводятся упрощенные структуры передающих и приемных устройств спут-
никовых и кабельных, а также наземных сред телевизионного вещания с ука-
занием точек измерения. Даны таблицы общих параметров и специфических
параметров спутниковых и кабельных сред передачи, а также параметров эфир-
ной среды передачи. Даны определения и методы оценки этих параметров.
Десятая глава посвящена особенностям измерений в системах цифрового те-
левидения DVB второго поколения DVB-T2, DVB-C2 и DVB-S2. При анализе
параметров этих систем применяются также основные методы измерений, из-
ложенные в девятой главе. Наибольшее внимание уделено вопросам измерения
типичной сети стандарта DVB-T2, включающей систему формирования инфор-
мационных пакетов T2-MI и структуры передающих и приемных устройств с
соответствующим перечнем точек контроля и измерений.
Основной материал одиннадцатой главы, в котором изложены методы оцен-
ки качества современных систем кодирования звуковой информации, составлен
талантливым научным сотрудником А.А. Егоровым.
Материалы данной главы содержат достаточно подробные сведения о пробле-
мах психоакустики.
Рассмотрены две версии перцептивной оценки качества звука PEAQ: базовая
версия (FFT based), имеющая только одну периферийную психоакустическую
модель, определяемую одиннадцатью параметрами, и продвинутая версия (Filter
Bank based), характеризуемая только пятью параметрами. Базовая версия ис-
пользуется в приложениях, где приоритетным критерием является вычислитель-
ная эффективность. Продвинутая версия, обеспечивающая дает более точную
оценку по сравнению с базовой, требует в четыре раза больше вычислений и
используется в приложениях, где точность крайне важна.
Рассмотрены проблемы совершенствования систем оценки качества кодирова-
ния аудиоинформации PEAQ, связанные с разработкой новой психоакустической
модели, в которой исходный и тестируемый сигналы выравниваются по времени
и разделяются на 35 критических полос, моделирующих поведение базилярной
системы. Корреляция между субъективными и объективными оценками показы-
вает, что модифицированная базовая версия PEAQ превосходит существующий
стандарт PEAQ на сигналах кодеков среднего и низкого качества. Предложенная
метрика показала лучшую корреляцию для всех типов искажений. При этом она
не использует многослойную перцептронную нейронную сеть в своей когнитивной
модели. Вместо этого вычисляется коэффициент взаимной линейной корреля-
ции между внутренними представлениями исходного и тестируемого сигналов.
Рассмотрены также оценки качества кодирования мультиканального звукового
сигнала.
Двенадцатая глава посвящена описанию аудиовизуальной информационной
системы реального времени РАВИС и ее метрологическому обеспечению (Двор-
кович А.В., Дворкович В.П., Иртюга В.А. Цифровое мобильное ТВ из России//
Стандарт, №6 (137), июнь 2014, с. 34–37). Важнейшим стимулом реализации сис-
темы РАВИС является утверждение в 2011 году отечественного стандарта (ГОСТ
Р 54309–2011), в котором определены параметры формирования кадровой струк-
туры, канального кодирования и модуляции для системы цифрового наземного
узкополосного мультимедийного вещания в ОВЧ-диапазоне.
Нормы на основные параметры оборудования системы РАВИС и методы их
измерения при испытаниях и эксплуатации устанавливает отечественный стан-
дарт ГОСТ Р 55689–2013 и ряд международных документов. Приведены функ-
циональные схемы передающей и приемной частей системы РАВИС, на которых
указаны точки контроля и измерений ее основных характеристик, дан перечень
измеряемых параметров и методы их анализа.
Специфический подход реализован при анализе сигналов I и Q системы.
Алгоритмы анализа звездной диаграммы, определяют взаимную зависимость
измеряемых параметров что не позволяет установить независимые допуски на
их изменения. По это причине принята определенная последовательность изме-
ряемых параметров, изменяющих усредненное значение отсчетов относительно
заданного центра созвездия в каждой ячейке, и последовательное устранение гео-
метрических искажений звездной диаграммы (Дворкович В.П., Дворкович А.В.
Анализ параметров I/Q-сигналов в системах цифрового телевидения // Измери-
тельная техника. 2015. № 2. С. 56–60).
Изложенный в двенадцатой главе материал составлен совместно с к.т.н. В.А. Ир-
тюгой и к.т.н. В.Т. Басием.
Последняя, тринадцатая глава посвящена проблемам практической реализа-
ции контроля и измерений характеристик и параметров цифровых видеоинфор-
мационных систем. Приводится подробный обзор современных отечественных
и зарубежных средств формирования измерительных сигналов и испытатель-
ных таблиц, анализаторов искажений и контроля формы видео- и радиосигналов
систем вещания, средств оценки качества воспроизведения изображений, систем
анализа цифровых транспортных потоков и цифровых видеоинформационных
сетей, средств контроля процесса воспроизведения видеоданных.
Основное внимание уделено разработке отечественных измерительных теле-
визионных комплексов КИ-ТВМ, КИ-ТВМ-Э, КИ-ЦВТ (Свидетельства об утвер-
ждении типа средств измерений RU.C.35.002.A №№ 57903-57905 от 26.02.2015), а
также КИ-ТВМ-РАВИС.
Измерительный комплекс КИ-ТВМ реализует функции формирования изме-
рительных сигналов и испытательных таблиц аналогового, аналого-цифрового
и цифрового телевидения, измерения параметров радиосигналов аналоговых и
цифровых систем, анализа параметров транспортных потоков цифровых систем.
При этом реализуются виртуальные осциллографические системы, анализа-
торы спектра, измерители частотных характеристик радиопередающих средств,
архиваторы данных контроля и измерений.
Комплекс КИ-ТВМ-Э (Эталон) отличается от КИ-ТВМ существенно более
высокой точностью измерений и реализует метрологическую поддержку телеви-
зионной измерительной аппаратуры.
Измерительный комплекс цифрового телевидения КИ-ЦВТ реализует вирту-
альный генератор формирования эталонных сигналов SDI и ASI и измеритель их
параметров, обеспечивает осциллографические измерения сигналов, в том числе
анализ глазковой диаграммы и графических представлений джиттера, а также
спектров сигналов.
Комплекс системы КИ-ТВМ-РАВИС реализует измерения параметров радио-
сигналов системы цифрового вещания РАВИС в I и II полосах ОВЧ-диапазона
частот (65,8–74,0 МГц и 87,5–108,0 МГц). Этот комплекс также реализует ряд
виртуальных приборов и обеспечивает прием и демодуляцию сигналов системы
РАВИС, определение вида модуляции и скорости кодирования, построение диа-
граммы созвездия принимаемого сигнала, анализ всех видов искажений сигналов
I и Q системы РАВИС, измерения АЧХ и ГВЗ принимаемого радиосигнала.
Глава 13 написана совместно с к.т.н. В.Т. Басием, к.т.н. Д.Г. Макаровым и
В.В. Нечепаевым. Программная реализация рассмотренных измерительных ком-
плексов осуществлена к.т.н. Д.Г. Макаровым.
Метрология видеоинформационных систем предназначена для определения и ис-
пользования научных и организационных основ, реализации технических средств,
норм и правил, необходимых для соблюдения принципа единства и точности из-
мерительных процедур в данной технологической отрасли.
Системный подход к основной функции метрологии разработке метрологи-
ческого обеспечения должен использовать всю совокупность взаимосвязанных
процессов, объединенных целью достижения требуемого качества измерений.
В этом плане выделяется ряд работ:
– определение номенклатуры измеряемых параметров в системах формиро-
вания, передачи и воспроизведения видео- и аудиоинформации, а также
наиболее подходящих норм точности при измерениях и контроле качества
продукции и управлении процессами;
– установление рациональной номенклатуры измеряемых параметров и каче-
ственных показателей, выбор требований к средствам измерений и контро-
ля, а также обоснование метрологических процессов;
– стандартизация и унификация алгоритмов обработки измерительной ин-
формации, технологии контроля и измерений;
– разработка, внедрение и аттестация современных методик выполнения из-
мерений, испытаний и контроля;
– поверка, метрологическая аттестация и калибровка применяемого измери-
тельного, а также испытательного оборудования;
– участие в процессе создания и внедрения международных, государствен-
ных, отраслевых стандартов, а также иных нормативных документов, стан-
дартизованных в России;
– подготовка работников соответствующих метрологических служб и подраз-
делений к выполнению контрольно-измерительных процессов.
Внедрение современных мультимедийных систем, осуществляемое во всем мире
и в России, как правило, путем постепенной замены отдельных аналоговых зве-
ньев формирования, передачи и приема на цифровые, требует создания новых
методик и стандартов их метрологического обеспечения. Качество каналов фор-
мирования, передачи и воспроизведения видео- и аудиоинформации оценивалось
с помощью стандартных специальных измерительных сигналов и испытательных
таблиц.
С появлением цифровых технологий приходится утверждать, что используе-
мые сигналы и таблицы устарели, и возникла необходимость в создании новых
измерительных процедур, адекватных используемым системам преобразований
В всигналов, разработке новых методик измерений и контроля, тем не менее, совме-
стимых с традиционными.
При этом подлежат решению ряд проблем:
– поскольку при встраивании цифрового звена в тракт передачи видеоинфор-
мации требуется выделение из полного цветового ТВ сигнала его яркостной
и цветовых составляющих, их аналого-цифровое преобразование, цифровая
обработка и передача, а затем, на выходе этого звена, обратное преоб-
разование, система измерений должна обеспечить оценку качества таких
преобразований;
– зачастую до сих пор используют различные системы формирования те-
левизионных сигналов (SECAM/PAL), различные системы их цифрового
кодирования (с компрессией или без нее) и передачи и, наконец, различ-
ные системы обратного преобразования и воспроизведения изображений;
система измерений должна учитывать эту специфику;
– при применении обработки динамических изображений разработанных сис-
тем цифрового кодирования очень хорошо передаются статические изобра-
жения, и хуже изображения, быстро меняющиеся во времени; по этой
причине попытки определить качество телевизионных кодеров-декодеров
различных фирм с помощью статических таблиц, содержащих миры раз-
личного пространственного разрешения, обычно не приводят к положитель-
ному результату разрешение принимаемого сигнала оказывается высоким
практически независимо от скорости выходного потока кодера;
– просмотр реального видеоматериала показывает, что кодеры различных
фирм отличаются по качеству; при этом наблюдаемые шумы и искажения
носят новый характер и не выражаются в старых ¾аналоговых¿ терминах,
например, таких как разрешение в ¾числе линий¿, количество воспроизво-
димых градаций яркости и др.;
– используемые алгоритмы цифрового преобразования аудиоинформации в
принципе не позволяют обеспечить оценку качества передачи информации
путем, например, сравнения формы исходных и воспроизводимых сигналов.
Таким образом, несмотря на наличие новых свойств цифровых видеоинформаци-
онных систем, при приеме и воспроизведении сигналов возможны и искажения,
имеющие не только цифровое, но и аналоговое происхождение. Такие искажения
могут быть обусловлены плохим качеством цифро-аналогового и аналого-циф-
рового преобразователей на входе/выходе цифровых кодеров/декодеров, плохим
качеством цифровых преобразований сигналов. Поэтому, например, новые те-
левизионные измерительные сигналы и испытательные таблицы должны быть
пригодны не только для испытания качества цифрового кодирования, но и долж-
ны содержать в себе элементы старых таблиц для оценки чисто аналоговых
искажений.
Следует подчеркнуть, что метрологическое обеспечение испытаний оборудо-
вания на этапах его разработки, производства и эксплуатации, являющееся гаран-
тией достижения объективности и достоверности их результатов, имеет исключи-
тельное значение для взаимного признания результатов измерений организаций
формирования телевизионной информации, ее передачи и приема, а также при
международном обмене.
Многообразие используемых методов формирования и передачи телевизи-
онных изображений требует использования метрологического обеспечения как
аналоговых и цифровых участков ТВ канала, так и аналого-цифрового канала
в целом. Такие системы требуют создания принципиально новых способов из-
мерений и соответствующих контрольных и измерительных средств. При этом
необходимо, чтобы эти средства были совместимы и с традиционными аналого-
выми системами.
На современном этапе развития техники выполнение требований метрологии
связано с использованием персональных компьютеров в качестве устройств ана-
лиза и организации структуры систем формирования и обработки измерительной
информации.
Современные цифровые системы позволяют гибко настраивать параметры пе-
редачи видеоинформации под конкретные требования потребителей и возможно-
сти каналов связи, обеспечивая при этом возможности трансляции изображений
различного качества при скоростях цифрового потока до десятков и даже со-
тен мегабит в секунду. Для оценки соответствия качества передаваемой видео-
и аудиоинформации требованиям, предъявляемым к ней в различных системах
и условиях передачи, а также для сравнения эффективности работы различных
устройств их кодирования и передачи, требуются методики и средства субъек-
тивной и объективной оценки качества изображений и звукового сопровождения,
наблюдаемых потребителем.
Отличительных особенностью цифровых видеоинформационных систем яв-
ляется использование канала связи в качестве ¾контейнера данных¿, обеспечи-
вающего передачу различных сигналов (информационных сообщений, одной или
более ТВ-программ, данных) по запросу пользователя. Такая система позволяет
оператору потока данных в несколько раз увеличить число программ и допол-
нительных услуг, предлагаемых различным потребителям, без использования
дополнительного частотного ресурса.
Широкое практическое использование техники цифровой обработки сигна-
лов одной из самых динамичных и быстро развивающихся технологий в мире
телекоммуникаций и информатизации общества обеспечивает решение задач
обработки, сокращения избыточности сигнала и передачи информации в реаль-
ном времени.
Процесс цифровой обработки визуальной информации охватил различные
виды видеоинформационных приложений и существенно расширил их спектр:
кроме широко распространенного традиционного телевидения и различных экзо-
тических разновидностей ТВ специального назначения появились и повсеместно
внедряются самые различные видеоприложения от видеотелефонии до теле-
видения высокой и ультравысокой четкости (ТВЧ, ТУВЧ), 3D видеовещания и др.
Цифровая обработка сигналов (ЦОС) информатика реального времени
позволяет достичь невиданного доселе уровня качества кодирования изображе-
ний, их передачи и приема, и предоставляет пользователю массу новых возмож-
ностей и новых видов услуг.
Следует еще раз подчеркнуть, что разработка современных цифровых ви-
деоинформационных систем и их внедрение невозможны без метрологического
обеспечения и наличия соответствующей измерительной аппаратуры.
Метрологическое обеспечение содействует оптимизации управления техноло-
гическими процессами, поддерживает качество изготовления аппаратуры и экс-
плуатации видеоинформационных систем. При этом затраты на метрологическое
обеспечение должны соответствовать масштабам систем формирования, кодиро-
вания, передачи и воспроизведения видеоинформации, сложности технологиче-
ских процессов и, в конечном счете, не только окупаться, но и приносить доход.
И в этом плане обеспечение метрологической безопасности России является
залогом создания отечественной высококачественной видеоинформационной ап-
паратуры и ее эффективного использования.
Материал в настоящей книги, посвященный измерениям в видеоинформаци-
онных системах, содержит 13 глав.
В первой главе анализируются проблемы метрологического обеспечения и
специфические особенности измерений и контроля в видеоинформационных сис-
темах, включающих в себя самые последние научные достижения, связанные с
совершенствованием ее эталонной базы и способов обработки результатов кон-
троля и измерений. Приведены краткие сведения об основных параметрах изме-
ряемых величин, классификации погрешностей измерений, оценке точностных
характеристик средств измерений. Наибольшее внимание уделено специфиче-
ским особенностям измерений и контроля в видеоинформационных системах,
критериям оценки искажений видеосигналов и специальных измерительных сиг-
налов, алгоритмам обработки измерительной информации.
Рассмотрены важные проблемы повышения точности, устранения различно-
го рода мешающих факторов и существенного сокращения времени измерений
путем широко применяемых в прикладной математической статистике методов,
основанных на использовании порядковых статистик, а также оценке циклично-
сти измерения параметров сигналов, основанной на гипотезах равенства матема-
тических ожиданий или дисперсий в выборках анализируемых параметров.
Во второй главе рассмотрены различные форматы динамических изобра-
жений, приводится оценка объема информации изображений в основных видах
приложений: кроме традиционного аналогового цветного телевидения и теле-
визионных систем специального назначения внедряются самые различные сис-
темы от видеотелефонии и видеоконференцсвязи до телевидения высокой и
сверхвысокой четкости многоракурсных телевизионных систем. При цифровой
дискретизации таких изображений объем информации меняется от единиц ме-
габит до десятков и сотен гигабит в секунду. Современные системы цифрового
кодирования видеоинформации позволяют сократить потоков кодированных ви-
деоданных в сотни и даже тысячи раз.
Приводятся сведения об основных параметрах полного цветового сигнала сис-
тем аналогового телевидения на видео- и радиочастотах с учетом частичного
подавления одной боковой полосы, уменьшении объема информации при непо-
средственном преобразовании полных цветовых ТВ сигналов в цифровую форму,
а также в случаях их разделения на составляющие яркости и цветности. Рассмот-
рены проблемы оценки качественных показателей телевизионных изображений,
зависящие от используемой системы вещания, формы полного цветового ТВ сиг-
нала, качества воспроизводящих устройств.
В третьей главе изложены параметры систем цифрового кодирования изоб-
ражений и систем эфирного, спутникового и кабельного телевизионного вещания,
используемых в России.
В настоящее время наряду с улучшением и созданием новых систем сжа-
тия традиционных видеосигналов, снимаемых с одной точки наблюдения, бурно
18 Введение
развивается как стереоскопическое телевидение (бинокулярное или 3D), так и ав-
тостереоскопическое или многоракурсное (с несколькими точками наблюдения
до 9–16 видов). Также создано и развивается такое направление, как телевизи-
онные системы с произвольной точкой наблюдения (ТСПН или Free Viewpoint
TV FTV).
Значительные успехи были достигнуты в создании метрик качества, которые
лучше оценивают субъективно (перцептуально) воспринимаемое качество. Одна-
ко в большинстве случаев эти новые метрики были разработаны при кодировании
статических изображений. Сопоставимые результаты для динамических изобра-
жений не так развиты. Развитие перцептуально-ориентированных инструментов,
которые включали бы временн´ые качественные критерии, является ключевой за-
дачей по улучшению рабочих характеристик систем кодирования видео. Заметим,
что эти виды инструментов достаточно хорошо развиты для кодирования звука.
Движущей силой создания стандартов кодирования видеоинформации яв-
ляются различные приложения и развитие их аппаратного обеспечения. Среди
прошлых стандартов можно перечислить H.261, MPEG-1, MPEG-2/H.262, H.263
и MPEG-4 (Part 2). Наиболее эффективными являются стандарты Н.264/AVC
(MPEG-4, Part 10) и H.265/HEVC (MPEG-H, Part 2). К этим стандартам при-
нимаются дополнения по кодированию масштабируемого видео (SVC scalable
video coding), кодированию многоракурсного видео (MVC multiview video co-
ding) и реконфигурируемого кодирования видео.
Необходимо отметить, что стандарт H.265/HEVC при высоком качестве ко-
дирования обеспечивает формирование информационного потока при величине
порядка 0,1 бит на пиксел изображения. Это означает, что при кодировании стан-
дартного ТВ сигнала (720×576 пикселов на кадр, 25 кадров в секунду, 8×3 бит
на пиксел) удается сформировать потоке данных менее 1,5 Мбит/с, а при коди-
ровании сигнала ТВЧ менее 5 Мбит/с.
Отдельный раздел третьей главы посвящен методам мультиплексирования
цифровых потоков: транспортного потока MPEG-TS и обобщенного инкапсули-
рованного потока GSE.
Одними из важных и сложных задач стандартизации цифрового телевизи-
онного вещания явились задачи использования эффективных методов передачи
мультиплексированных цифровых потоков по наземным, спутниковым и кабель-
ным системам связи.
В частности, цифровое телевизионное вещание в Европе основано на очень
успешной серии стандартов DVB. Частотные распределения согласованы в рам-
ках Международного союза электросвязи (ITU), в то время как сами сети веща-
ния реализуются в соответствии с национальными спецификациями.
Особое внимание уделено требованиям к параметрам наземных, спутниковых
и кабельных DVB-систем связи, которые необходимо контролировать непосред-
ственно в процессе телевизионного вещания.
Четвертая глава посвящена вопросам анализа искажений стандартных изме-
рительных сигналов при их преобразовании в цифровую форму и синтеза новых
сигналов для оценки аналоговых и цифровых видеоинформационных систем.
Несопряженность спектров стандартных измерительных сигналов, предназна-
ченных для оценки импульсных, переходных и частотных характеристик, с по-
лосой пропускания каналов связи приводит к существенным искажениям при
их дискретизации с последующим восстановлением. Неприятность еще связа-
на с тем, что форма восстановленных сигналов существенно зависит от взаим-
ного положения дискретизируемых сигналов и дискретизирующих импульсов.
Проведенный анализ таких искажений стандартных телевизионных измеритель-
ных сигналов привел к выводу о невозможности их использования в системах с
аналого-цифровым преобразованием.
Сигналы, синтезированные путем минимизации мощности спектра вне пре-
делов заданной полосы частот и близкие по форме стандартным измеритель-
ным сигналам, позволили решить одну из важнейших задач разработки методов
высокоточных измерений качественных показателей аналого-цифровых каналов
передачи видеоинформации.
На базе предложенных критериев оптимальности созданы варианты модер-
низированных сигналов для оценки импульсных, переходных и частотных харак-
теристик, практически не обладающих указанными системными искажениями.
Рассмотрены алгоритмы синтеза сигналов, форма которых с точностью до
размерного множителя практически совпадает с формой огибающей их спектра.
Такие сигналы практически ограничены как по спектру, так и по длительности.
Предложены варианты симметричных и кососимметричных сигналов, проана-
лизированы зависимости искажений таких сигналов от искажений АЧХ и ФЧХ
каналов связи.
Весьма важной проблемой при реализации систем коллективного приема и
кабельного телевидения является измерение параметров эхо-радиосигналов. Ви-
зуальное восприятие такой помехи зависит от ее величины, задержки эхо-сигнала
относительно основного сигнала, а также от разности фаз несущих основного и
эхо-сигнала.
Показана эффективность использования для целей таких измерений сигналов,
практически финитных по времени и спектру, ограниченному шириной частич-
но подавленной боковой полосы. Разработана структурная схема анализатора
величины и задержки эхо-сигналов, проанализированы параметры относитель-
но удаленных и ближних эхо-сигналов, приведены номограммы зависимостей их
значений от уровней и задержек.
Используемый в аналоговых системах метод передачи видеоинформации с ча-
стичным подавлением одной боковой полосы также приводит к специфическим
системным искажениям измерительных сигналов, что особо проявляется как при
применении линейного детектора, так и при неточной синхронизации работы син-
хронного детектора.
Достаточно подробно проанализированы искажения измерительных сигна-
лов для оценки импульсных, переходных, частотных характеристик, анализа
различия усиления и расхождения во времени сигналов яркости и цветности и
контроля нелинейных характеристик: дифференциального усиления и диффе-
ренциальной фазы.
В пятой главе рассмотрены проблемы создания высокоточных алгоритмов
обработки сигналов и различного рода помех при оценке параметров видеоин-
формационных систем.
Эффективность обработки измерительных сигналов определяется способно-
стью используемых алгоритмов существенно уменьшить влияние на результа-
ты измерений различного рода помех. Приведены зависимости оптимального
уменьшения дисперсии помехи от величины интервала обработки сигнала при
различных формах спектра помехи, указаны ограничения к длительности ана-
лизируемого постоянного уровня сигнала.
Одна из проблем фильтрации помехи, аддитивно сложенной с видеоимпуль-
сами, возникает при измерении размахов сигналов в области их установившихся
значений. Проанализированы условия оптимальной несмещенной дискретной и
непрерывной фильтрации сигнала на заданном временном интервале, разработа-
ны структурные схемы оптимальных фильтров.
Проанализированы зависимости оптимального уменьшения дисперсии помехи
от величины интервала обработки сигнала при различных формах спектра помех
и на их базе приводятся требования к длительности этого интервала.
Значительное количество качественных показателей канала связи определяет-
ся уровнями, на которых располагаются характерные точки быстроизменяющих-
ся на интервале обработки измерительных сигналов (экстремальные значения,
переходы через уровень нулевого потенциала и др.).
Процесс оценки уровней характерных точек, расположенных в экстремумах
измерительных сигналов, связан с поиском их положения и определением раз-
махов сигналов в этих точках. При наличии помех стандартные методы, такие,
например, как метод дихотомии, чисел Фибоначчи, золотого сечения и др., оказы-
ваются неэффективными и характеризуются большими временными затратами.
Поиск экстремумов с применением алгоритмов стохастической аппроксима-
ции, например, метод РоббинсаМонро или процедура КифераВольфовица, обла-
дает также рядом недостатков, связанных с зависимостью поиска не только от
формы сигнала в области его обработки, но и от величины его экстремально-
го значения, невозможностью применения в случае, если сигнал на интервале
обработки имеет несколько экстремумов.
Этих недостатков лишен предложенный авторами метод цифровой фильтра-
ции, с использованием которого выбирается необходимый шаг дискретизации,
определяются значения коэффициента подавления дисперсии помехи и коэффи-
циенты взвешивания отсчетов сигнала.
На основе анализа различных видов измерительных сигналов предложено
использование эффективных алгоритмов обработки сигналов и результатов из-
мерений.
Отдельный раздел пятой главы посвящен измерениям отношения сигнала к
эффективному напряжению флуктуационных и синусоидальных помех по дис-
кретной выборке их отсчетов в статических и динамических сигналах цветного
телевидения.
Шестая глава посвящена анализу спектров сигналов на ограниченном ин-
тервале времени при наличии различного рода помех с использованием окон-
ных функций. Основной задачей обработки сигналов с использованием оконных
функций является измерение их параметров, определяющих составляющие этих
сигналов, обычно при наличии различного рода помех. Окна влияют на мно-
гие показатели преобразования гармонической информации, в том числе на их
обнаружение, разрешение, динамический диапазон, степень достоверности и ре-
ализуемости вычислительных операций.
Приведены сведения о параметрах основных классических оконных функций,
конструкций окон в виде произведений, сумм и сверток простых функций, а
также реализаций с применением некоторых критериев оптимальности.
Особенное внимание уделено анализу оконных функций Дольфа–Чебышева,
основанных на использовании полиномов Чебышева первого рода n-го порядка,
обладающих равенством амплитуд всех боковых лепестков спектра и разработан-
ных для анализа дискретных сигналов, спектр которых обладает свойством пе-
риодичности. Показано, что нормированные спектральные функции окон Доль-
фа–Чебышева тождественно определяются конечным числом косинусоидальных
функций.
Уровни боковых лепестков могут быть существенно уменьшены путем модер-
низации спектра оконной функции Дольфа–Чебышева в соответствии с соотно-
шением Fm(y) = (2F(yn)+F(yn+2)+F(yn−2))/4, где F(yn) нормированный
спектр окна Дольфа–Чебышева n-го порядка (Дворкович В.П., Дворкович А.В.
Новые методы расчета оконных функций Дольфа–Чебышева, Барсилона–Теме-
ша и их модификаций // Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60, № 4.
С. 369–385.).
Аналогичная ситуация имеет место с окнами Барсилона–Темеша, основанны-
ми на применении полиномов Чебышева первого и второго рода n-го порядка
и реализации алгоритма минимизации энергии спектральных составляющих, за-
данных вне полосы главных лепестков спектральных функций. Также показа-
но, что нормированные спектральные функции окон Барсилона–Темеша тожде-
ственно определяются конечным числом косинусоидальных функций.
Уровни боковых лепестков могут быть существенно уменьшены путем модер-
низации спектра оконной функции Барсилона–Темеша в соответствии с приве-
денным выше соотношением, если F(yn) нормированный спектр окна Барси-
лона–Темеша n-го порядка.
В данной главе также рассмотрены новые методы синтеза оконных функций
с применением алгоритмов минимизации спектральных составляющих вне пре-
делов заданного частотного интервала, показано, что большинство классических
окон определяются именно таким способом.
Другой вариант синтеза оконных функций основан на минимизации различий
формы окна и огибающей его спектра, позволяющих реализовать существенное
подавление боковых лепестков. Рассмотрены также варианты расчета оконных
функций путем максимизации скорости спада уровней боковых лепестков спек-
тра, перемножения форм или спектров различных оконных функций. Приведены
таблицы коэффициентов разложения и параметров оконных функций, разрабо-
танных с использованием предложенных алгоритмов.
В заключение в этой главе рассмотрены проблемы выбора оконных функций
при цифровой обработке сигналов.
В седьмой главе излагаются основные параметры и методы измерения интер-
фейсов в цифровых видеоинформационных системах. Рассмотрены параллель-
ные интерфейсы SPI при цифровом преобразовании компонентного и композит-
ного сигналов, цифровые последовательные интерфейсы SDI, синхронные SSI и
асинхронные ASI последовательные интерфейсы, высокоскоростные интерфей-
сы IEEE-1394. Анализируются основные виды искажений цифровых сигналов,
проявляющихся в виде различных типов джиттера, которые можно характери-
зовать смещением временн´ых и амплитудных положений переходов относительно
номинальных величин, определяемых идеальным положением уровней сигнала и
точной синхронизацией. Джиттер вызывается амплитудными и фазовыми по-
мехами как внутреннего, так и внешнего происхождения, и имеет различные
параметры в зависимости от причин и источников его возникновения.
Приведена подробная классификация видов джиттера. Применяемые методы
наблюдения, анализа и измерения джиттера позволяют прояснить его происхож-
дение, найти причины джиттера и определить пути для его уменьшения или
устранения.
В восьмой главе рассмотрены вопросы измерения искажений сигналов и изоб-
ражений в цифро-аналоговых видеоинформационных системах. Приводится пе-
речень параметров и качественных показателей аналоговых, аналого-цифровых
и цифровых систем и их влияние на качество воспроизводимых изображений.
Особое внимание уделено описанию искажений изображений, возникающих
при MPEG-подобных преобразованиях, обладающих большой гибкостью, позво-
ляющих менять целый ряд параметров, от которых существенно зависит качество
передачи.
Приводится подробное описание характерных искажений в аналоговых, ана-
лого-цифровых и цифровых системах формирования изображений, важный раз-
дел посвящен описанию перечня искажений в MPEG-подобных системах и их
влиянию на качество изображений, поясняемое соответствующими иллюстраци-
ями. Рассматриваются специальные тестовые последовательности для анализа
искажений при таких преобразованиях.
Для объективного анализа характеристик каналов, например, SECAM-MPEG-
SECAM или PAL-MPEG-SECAM, могут быть использованы стандартные и моди-
фицированные измерительные сигналы в составе испытательных таблиц и в том
случае, когда в цифровом звене телевизионные сигналы кодируются со значи-
тельным устранением избыточности информации, т.е. с учетом перемещения дви-
жущихся элементов изображения, как это предусмотрено MPEG-стандартами.
Даны также описания динамических испытательных таблиц, используемых и для
субъективного контроля искажений в аналого-цифровых системах видеовещания.
Отдельный раздел этой главы посвящен перечню и анализу параметров циф-
рового транспортного потока MPEG-2. Непрерывный или периодический мони-
торинг транспортного потока (TП) MPEG-2 осуществляется по ряду параметров
(индикаторов), объединенных в три таблицы по важности их влияния на каче-
ство передаваемой информации. В таблицах приведены номенклатура основных
параметров высшего приоритета, необходимых для обеспечения возможности
декодирования TП, а также измеряемых индикаторов (параметров) второго и
третьего приоритета.
Рассмотрены вопросы визуализации параметров кодирования видеоинформа-
ции в соответствии со стандартами H.264/AVC и H.265/HEVC.
Девятая глава посвящена измерениям в цифровых системах DVB первого
поколения DVB-T, DVB-S и DVB-C, в которых определены основные требо-
вания к различным передающим средствам спутникового, кабельного, наземного
и других видов передачи информации. Каждый основополагающий системный
стандарт определяет схемы канального кодирования и модуляции для соответ-
ствующих передающих средств. Мультиплексирование кодированных источни-
ков информации для систем DVB первого поколения осуществляется в соответ-
ствии со стандартом MPEG-2.
Оценка производительности и качества сервиса производится с помощью ком-
плекса параметров, связанных с TП MPEG-2, доступного в определенных усло-
виях приема.
Приводятся упрощенные структуры передающих и приемных устройств спут-
никовых и кабельных, а также наземных сред телевизионного вещания с ука-
занием точек измерения. Даны таблицы общих параметров и специфических
параметров спутниковых и кабельных сред передачи, а также параметров эфир-
ной среды передачи. Даны определения и методы оценки этих параметров.
Десятая глава посвящена особенностям измерений в системах цифрового те-
левидения DVB второго поколения DVB-T2, DVB-C2 и DVB-S2. При анализе
параметров этих систем применяются также основные методы измерений, из-
ложенные в девятой главе. Наибольшее внимание уделено вопросам измерения
типичной сети стандарта DVB-T2, включающей систему формирования инфор-
мационных пакетов T2-MI и структуры передающих и приемных устройств с
соответствующим перечнем точек контроля и измерений.
Основной материал одиннадцатой главы, в котором изложены методы оцен-
ки качества современных систем кодирования звуковой информации, составлен
талантливым научным сотрудником А.А. Егоровым.
Материалы данной главы содержат достаточно подробные сведения о пробле-
мах психоакустики.
Рассмотрены две версии перцептивной оценки качества звука PEAQ: базовая
версия (FFT based), имеющая только одну периферийную психоакустическую
модель, определяемую одиннадцатью параметрами, и продвинутая версия (Filter
Bank based), характеризуемая только пятью параметрами. Базовая версия ис-
пользуется в приложениях, где приоритетным критерием является вычислитель-
ная эффективность. Продвинутая версия, обеспечивающая дает более точную
оценку по сравнению с базовой, требует в четыре раза больше вычислений и
используется в приложениях, где точность крайне важна.
Рассмотрены проблемы совершенствования систем оценки качества кодирова-
ния аудиоинформации PEAQ, связанные с разработкой новой психоакустической
модели, в которой исходный и тестируемый сигналы выравниваются по времени
и разделяются на 35 критических полос, моделирующих поведение базилярной
системы. Корреляция между субъективными и объективными оценками показы-
вает, что модифицированная базовая версия PEAQ превосходит существующий
стандарт PEAQ на сигналах кодеков среднего и низкого качества. Предложенная
метрика показала лучшую корреляцию для всех типов искажений. При этом она
не использует многослойную перцептронную нейронную сеть в своей когнитивной
модели. Вместо этого вычисляется коэффициент взаимной линейной корреля-
ции между внутренними представлениями исходного и тестируемого сигналов.
Рассмотрены также оценки качества кодирования мультиканального звукового
сигнала.
Двенадцатая глава посвящена описанию аудиовизуальной информационной
системы реального времени РАВИС и ее метрологическому обеспечению (Двор-
кович А.В., Дворкович В.П., Иртюга В.А. Цифровое мобильное ТВ из России//
Стандарт, №6 (137), июнь 2014, с. 34–37). Важнейшим стимулом реализации сис-
темы РАВИС является утверждение в 2011 году отечественного стандарта (ГОСТ
Р 54309–2011), в котором определены параметры формирования кадровой струк-
туры, канального кодирования и модуляции для системы цифрового наземного
узкополосного мультимедийного вещания в ОВЧ-диапазоне.
Нормы на основные параметры оборудования системы РАВИС и методы их
измерения при испытаниях и эксплуатации устанавливает отечественный стан-
дарт ГОСТ Р 55689–2013 и ряд международных документов. Приведены функ-
циональные схемы передающей и приемной частей системы РАВИС, на которых
указаны точки контроля и измерений ее основных характеристик, дан перечень
измеряемых параметров и методы их анализа.
Специфический подход реализован при анализе сигналов I и Q системы.
Алгоритмы анализа звездной диаграммы, определяют взаимную зависимость
измеряемых параметров что не позволяет установить независимые допуски на
их изменения. По это причине принята определенная последовательность изме-
ряемых параметров, изменяющих усредненное значение отсчетов относительно
заданного центра созвездия в каждой ячейке, и последовательное устранение гео-
метрических искажений звездной диаграммы (Дворкович В.П., Дворкович А.В.
Анализ параметров I/Q-сигналов в системах цифрового телевидения // Измери-
тельная техника. 2015. № 2. С. 56–60).
Изложенный в двенадцатой главе материал составлен совместно с к.т.н. В.А. Ир-
тюгой и к.т.н. В.Т. Басием.
Последняя, тринадцатая глава посвящена проблемам практической реализа-
ции контроля и измерений характеристик и параметров цифровых видеоинфор-
мационных систем. Приводится подробный обзор современных отечественных
и зарубежных средств формирования измерительных сигналов и испытатель-
ных таблиц, анализаторов искажений и контроля формы видео- и радиосигналов
систем вещания, средств оценки качества воспроизведения изображений, систем
анализа цифровых транспортных потоков и цифровых видеоинформационных
сетей, средств контроля процесса воспроизведения видеоданных.
Основное внимание уделено разработке отечественных измерительных теле-
визионных комплексов КИ-ТВМ, КИ-ТВМ-Э, КИ-ЦВТ (Свидетельства об утвер-
ждении типа средств измерений RU.C.35.002.A №№ 57903-57905 от 26.02.2015), а
также КИ-ТВМ-РАВИС.
Измерительный комплекс КИ-ТВМ реализует функции формирования изме-
рительных сигналов и испытательных таблиц аналогового, аналого-цифрового
и цифрового телевидения, измерения параметров радиосигналов аналоговых и
цифровых систем, анализа параметров транспортных потоков цифровых систем.
При этом реализуются виртуальные осциллографические системы, анализа-
торы спектра, измерители частотных характеристик радиопередающих средств,
архиваторы данных контроля и измерений.
Комплекс КИ-ТВМ-Э (Эталон) отличается от КИ-ТВМ существенно более
высокой точностью измерений и реализует метрологическую поддержку телеви-
зионной измерительной аппаратуры.
Измерительный комплекс цифрового телевидения КИ-ЦВТ реализует вирту-
альный генератор формирования эталонных сигналов SDI и ASI и измеритель их
параметров, обеспечивает осциллографические измерения сигналов, в том числе
анализ глазковой диаграммы и графических представлений джиттера, а также
спектров сигналов.
Комплекс системы КИ-ТВМ-РАВИС реализует измерения параметров радио-
сигналов системы цифрового вещания РАВИС в I и II полосах ОВЧ-диапазона
частот (65,8–74,0 МГц и 87,5–108,0 МГц). Этот комплекс также реализует ряд
виртуальных приборов и обеспечивает прием и демодуляцию сигналов системы
РАВИС, определение вида модуляции и скорости кодирования, построение диа-
граммы созвездия принимаемого сигнала, анализ всех видов искажений сигналов
I и Q системы РАВИС, измерения АЧХ и ГВЗ принимаемого радиосигнала.
Глава 13 написана совместно с к.т.н. В.Т. Басием, к.т.н. Д.Г. Макаровым и
В.В. Нечепаевым. Программная реализация рассмотренных измерительных ком-
плексов осуществлена к.т.н. Д.Г. Макаровым.