Цифровое телевидение является одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений телекоммуникаций в мире. Это касается и Российской Федерации. В [1−15] подробно описаны основные аспекты развития цифрового телевидения. В отличие от других сфер цифровых телекоммуникаций, где безраздельно властвует аппаратура иностранного производства, в России создается и присутствует на рынке практически вся номенклатура студийной, канальной и измерительной аппаратуры российского производства. Российскими предприятиями производятся или разрабатываются кодеры и декодеры транспортного потока, мультиплексоры и демультиплексоры, передатчики, бытовые приставки, гибридные и полностью цифровые телевизоры, измерительные приемники, генераторы цифровых измерительных сигналов, анализаторы цифрового транспортного потока (ЦТП).
В соответствии с утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 21 сентября 2009 г. № 1349-р концепцией федеральной целевой программы «Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009 — 2015 годы» определен типовой комплекс измерительного оборудования для систем цифрового эфирного вещания стандарта DVB-T. Согласно концепции данный измерительный комплекс включает в себя: генератор телевизионного сигналатестовый приемниканализатор транспортного потока.
В настоящее время в Российской Федерации введены зоны цифрового телевизионного вещания близкого по своим параметрам к европейскому стандарту DVB. и.
Существует ряд разногласий, связанных с передачей цифрового телевизионного сигнала.
Во-первых, выбор методов передачи цифрового телевизионного сигнала определяется самими производителями кодирующей аппаратуры. Это с одной стороны обеспечивает большую гибкость при передаче цифрового телевизионного сигнала, с другой стороны — дает предпосылку к несогласованию аппаратуры различных производителей.
Во-вторых, применение уже существующих линий связи для цифрового телевидения, отменяет необходимость в разработке новых линий связи. Но эти линии связи не обеспечивают защиты цифрового сигнала от помех и искажений.
Передача цифрового телевизионного сигнала существенно отличается от передачи аналогового. Эти отличия заключаются в иных требованиях к надежности, достоверности и скорости передачи информации.
Цифровая информация, если не предусмотрены специальные меры, не обладает избыточностью, позволяющей исправлять искажения. Поэтому, даже сравнительно редкие ошибки, возникающие в каналах связи, могут сильно исказить передаваемую информацию.
Исходя из вышесказанного, можно сделать следующие выводы:
1. Необходимо производить мониторинг на входе передающего устройства, т. к. аппаратура различных производителей может быть несогласованна.
2. Необходимо производить мониторинг на выходе приемного устройства, чтобы определить изменения в передаваемой информации, вызванные прохождением сигнала канала связи.
Транспортные потоки подчиняются правилам, соблюдение которых необходимо для нормальной работы оборудования различных производителей и гарантирует правильное декодирование цифровой информации на приемной стороне. Поэтому, основной задачей анализа ЦТП является определение несоответствия этим правилам.
В настоящее время в сфере телекоммуникаций и в телевидении в частности основным вопросом измерении является вопрос качества. Данная задача делится на две — это качество кодирования и декодирования исходного сигнала и так называемое «качество сервиса» (Quality of Service).
Первая задача, несмотря на сложные технические решения и алгоритмы, решается достаточно простым способом, а именно, она сама собой отпадает с течением времени, развитием новых усовершенствованных алгоритмов кодирования-декодирования, с обновлением элементной базы.
В начале развития цифровых телекоммуникаций, проблема качества кодирования-декодирования, в частности в телевидении проблема качества изображения стояла достаточно остро, так как кодирующая — декодирующая аппаратура только развивалась. Соответственно основные ведущие производители, такие как Rohde&Schwarz и Tektronix разработали анализаторы качества изображения. Немецкая фирма Rohde&Schwarz применила алгоритм анализа качества изображения, в котором не используется эталонный сигнал. Американская фирма Tektronix использует алгоритм на основе эталонного сигнала. На сегодняшний момент качество кодирования-декодирования современными средствами настолько улучшилось, по сравнению с предыдущими поколениями аппаратуры, что не только группа экспертов, но и анализаторы качества изображения не смогут отличить исходный сигнал от прошедшего тракт кодирования-декодирования, при условии, что в канал связи не вносятся помехи и ошибки. Соответственно и спрос на такие анализаторы резко упал.
Постановка задачи и актуальность.
Практически важной задачей при передаче ЦТП по каналам связи является объективная оценка качества его структуры и синтаксиса. В дальнейшембудетиспользоваться~сокращенныйтермин^<<�качествоЦТП"г При передаче ЦТП возникают ошибки, которые накапливаются и влияют на декодируемость видео и аудио данных. Особенно заметны эти ошибки при передаче цифрового телевизионного сигнала высокой четкости. Анализатор ЦТП фиксирует данные ошибки, а так же контролирует структуру ЦТП с тем, чтобы оператор, основываясь на результатах анализа смог либо сам устранить неполадки канального оборудования, либо направить заявку на их устранение в ответственные организации. Но для этих целей иметь только список ошибок недостаточно. Необходимо дать им объективную числовую оценку. И если результат (числовая оценка) оказывается ниже установленного порога, то необходимо устранить обнаруженные ошибки ЦТП. Таким образом, получается схема, схожая с классической системой с обратной связью, описанная у К. Шеннона в [16], где в обратной связи находятся анализатор ЦТП и оператор.
Процессом непрерывного контроля состояния сигнала является мониторинг. Система, собирающая данные мониторинга с различных удаленных друг от друга точек тракта передачи сигнала, называется системой дистанционного мониторинга. В аналоговом телевидении такие системы успешно применяются как в России, так и за рубежом. В системах дистанционного мониторинга аналоговых телевизионных сигналов применяется метод допускового контроля, и на его основе производится расчет статистических данных.
Данные, полученные в результате мониторинга ЦТП, принципиально отличаются от данных мониторинга в аналоговом телевидении по структуре, содержанию и смыслу. В аналоговом телевидении были сформированы соответствующие стандарты и нормы, по которым производятся измерения.
17−19]. Об аналоговом телевидении и измерениях в нем написано много трудов [20−21]. В цифровом телевидении и в цифровом телевидении высокой четкости измерительная техника должна соответствовать требованиям, изложенным в [22−25].
Методы контроля качества сигнала в аналоговом телевидении, для анализа качества ЦТП не применимы в виду того, что ошибки, возникающие в ЦТП, в своей массе не являются случайными и носят совершенно иной характер. Таким образом, возникает необходимость разработки методов и средств объективной оценки качества ЦТП, которые стали бы основой в обработке данных для сетевой системы дистанционного мониторинга цифровых передатчиков.
Измерения в системах БУВ проводятся в соответствии требованиями технического отчета ЕТ81 ТЯ 101 290 [25]. В части этого документа, посвященного мониторингу структуры и синтаксиса ЦТП, описываются 22 алгоритма разбитые на три приоритета, по которым необходимо контролировать данные. Выходными данными этих алгоритмов являются двоичные индикаторы: «0» — нет ошибки, «1» — есть ошибка. Таким образом, по окончании мониторинга оператор получает список обнаруженных ошибок с датой и временем их обнаружения.
Специфика данных получаемых от анализатора ЦТП, и зависимость их от множества факторов делает сложным применение стандартных методов статистической обработки, поскольку в основной своей массе, ошибки фиксируемые анализатором не имеют явных числовых характеристик. В диссертационной работе устанавливается взаимосвязь параметров, по которым оценивается качество ЦТП на эмпирической основе. При этом за основу взяты алгоритмы обнаружения ошибок, приведенные в [25].
Для существующих аналоговых систем распространения ТВ сигналов была разработана метрологическая база и средства метрологического обеспечения.
В том числе системы дистанционного мониторинга и контроля качества [26]. Задачей системы дистанционного мониторинга является сбор данных с различных удаленных друг от друга точек сетей распространения ЦТП и оценка качества сигналов. Основным методом оценки качества сигналов в аналоговых ТВ системах является допусковый контроль. Но данные, полученные в результате мониторинга ЦТП, отличаются от данных мониторинга в аналоговом телевидении по структуре и содержанию. Поэтому эти методы не применимы для анализа качества ЦТП.
Контроль качества в цифровом телевидении осуществляется при помощи измерительных демодуляторов, которые измеряют радиочастотные параметры КС, анализаторов качества изображения, которые контролируют сжатие изображения, анализаторов ЦТП, которые анализируют параметры ЦТП. Основной трудностью при анализе ЦТП в процессе эксплуатации является сложность и обширность, предоставляемых пользователю, данных о результатах мониторинга. Анализ этих результатов является незаменимым для разработчиков канального оборудования, а в процессе эксплуатации технических систем получила широкое распространение пятиуровневая обобщенная оценка качества по шкале категорий: «отлично», «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно» и «брак». Однако в области цифрового телевидения связь данных категорий с ошибками структуры и синтаксиса ЦТП четко не определена. В рекомендации ЕТ81 ТР101 290, разработанной в 2001 г. была предпринята попытка создания методов оценки качества ЦТП — это «качество сервиса» и «системная доступность», но в иностранных и в отечественных приборах и системах эти методы реализованы не были из-за существенных недостатков. Системная доступность это процентное отношение времени, в течение которого отсутствовали критические ошибки к полному времени измерения. Таким образом, возникает необходимость в разработке отечественных методов и средств объективной оценки качества ЦТП в сетях распространения цифровых ТВ сигналов.
Цели и задачи диссертационной работы.
Основной целью настоящей диссертационной работы является повышение качества контроля состояния сетей распространения цифровых ТВ сигналов в процессе эксплуатации.
Для достижения указанной цели в рамках диссертационной работы требуется решение следующих задач:
1. Произвести анализ преобразований сигналов в существующих системах цифрового телевидения для выявления источников ухудшений ЦТП, провести анализ существующих методов объективной оценки качества и провести анализ существующих устройств контроля ЦТП;
2. Разработать методы объективной оценки качества ЦТП в сетях распространения цифровых ТВ сигналов;
3. Разработать технические и программные средства объективной оценки качества ЦТП;
4. Провести экспериментальные исследования зависимостей качества ЦТП в цифровой наземной ТВ системе от различных факторов деградации КС и выработать таблицу соответствия категорий качества от оценок качества ЦТП.
Предмет исследования.
Предметом исследования является определение методов и средств оценки качества сетей передачи ЦТП.
Методы исследования.
В качестве основных теоретических инструментов исследований использовались методы компьютерного моделирования, теории алгоритмов, теории математической статистики. Экспериментальная часть исследования базировалась на обработке и анализе качества ЦТП измеренного разработанным автором анализаторами АТП-1 и АТП-2 систем DVB с последующей численной и визуальной оценкой результатов. Для программной реализации разработанных алгоритмов использовались среды программирования Code Composer Studio 3.1, Microsoft Visual Studio 9, средства web-программирования и программирования баз данных. Для математической обработки полученных экспериментальных данных использовалась система математического моделирования.
Научная новизна.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
Впервые определены факторы и формализованы коэффициенты деградации ЦТП влияющие на объективную оценку качестваСформированы три независимых критерия качества ЦТП: декодируемость, стабильность и информативностьВпервые разработан метод объективной оценки качества ЦТП, подходящий для потоков стандартной и высокой четкости, со сжатием MPEG-2 или MPEG-4/AVC как для существующих систем, так и для вновь разрабатываемых;
Реализован и испытан алгоритм контроля системной доступностидана оценка пригодности и области применения алгоритма контроля системной доступности в цифровом телевидении.
Личное участие автора в разработках по теме диссертационной работы.
Во всех разработках по теме диссертации автор являлся и ответственным исполнителем. Большая часть проведенных научных экспериментальных исследований и их результатов получена автором диссертации лично.
На защиту диссертации выносятся следующие основные результаты:
1. Введенные независимые критерии качества ЦТП (<декодируемостъвозможность декодирования любой программы ЦТП без ошибок и искажений, стабильность — возможность уверенного и устойчивого распространения ЦТП по любым доступным КС, информативностьсодержание в ЦТП необходимой пользовательской информации) позволяют классифицировать методы контроля ошибок, представленные в ГОСТ Р 52 592−2006, по типу их воздействия и позволяют добавить дополнительные условия контроля.
2. Определены следующие факторы деградации качества ЦТП: частота появления ошибки, зона распространения ошибки, скорость ошибочного пакета, степень влияния ошибки и их весовые значения.
3. Разработан оригинальный способ оценки качества ЦТП, заключающийся в том, что по частным оценкам, определяемым по факторам деградации, находится обобщенная мультипликативная оценка качества ЦТП.
4. Определена связь числовых оценок качества ЦТП и предложенных оценок качества по пятиуровневой шкале категорий.
Теоретическая и практическая значимость результатов диссертационной работы.
Введенные группы методов определения ошибок ЦТП позволяют производить оценку качества ЦТП, передаваемого по сетям распространения цифровых ТВ сигналов согласно критериям декодируемость, стабильность и информативность, а также контролировать ЦТП в соответствии с ГОСТ Р 52 592−2006.
Разработанный алгоритм повышает качество контроля ЦТП в сетях распространения цифровых ТВ сигналов. Реализованный алгоритм контроля системной доступности позволяет контролировать устойчивость цифровых ТВ КС.
Проведенные автором экспериментальные исследования позволяют.
19 связать объективную оценку качества ЦТП с деградацией цифрового телевизионного сигнала и оценить вклад параметров в обобщенную оценку качества ЦТП.
Разработанные анализаторы ЦТП производят анализ ошибок, структуры и синтаксиса ЦТП во всех точках сети распространения цифровых ТВ сигналов. Разработанная система дистанционного мониторинга цифровых ТВ передатчиков, использующая предложенный алгоритм объективной оценки качества ЦТП, объединяет в единую измерительную сеть анализаторы АТП-2 и ранее разработанные анализаторы АТП-1. Она позволяет обрабатывать информацию от более сотни анализаторов одновременно, производить вычисление объективной оценки качества ЦТП и одномоментно предоставлять нескольким пользователя полную графическую и текстовую информацию о состоянии передаваемого сети распространения цифровых ТВ сигналов. Разработанная система может быть применена как в системах распространения цифровых ТВ сигналов, так и в надзорных органах в области связи и телекоммуникаций.
Реализация и внедрение результатов работы.
Разработанные в рамках диссертационной работы анализаторы АТП-1 и АТП-2 являются серийными измерительными приборами, о чем имеется акт внедрения. Они зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений, допущены к применению в Российской Федерации и имеют сертификаты об утверждении типа средств измерений Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии. Анализаторы АТП-2 позволяют производить контроль ЦТП во всех точках сети распространения цифровых ТВ сигналов, и помогает определить причину возникновения ошибок.
Разработана система дистанционного мониторинга цифровых ТВ передатчиков на основе использования анализаторов АТП-1 и АТП-2.
Система прошла испытания в федеральном государственном унитарном.
20 предприятии «Всероссийская Государственная Телевизионная и Радиовещательная Компания (ВГТРК)», о чем имеется соответствующий акт.
Разработанный автором диссертационной работы анализатор АТП-1 включен в перечень средств измерения и технологического оборудования ГОСТ Р 52 592−2006, ГОСТ Р 53 533−2009 и ГОСТ Р 53 534−2009 телевидения стандартной и высокой четкости.
Результаты диссертационной работы также использованы в ФГУП «НИИТ» г. Санкт-Петербург. Разработанный в рамках диссертационной работы анализатор АТП-2 прошел испытания в опытной зоне вещания в стандарте ЭУВ-Т в Красносельском районе Санкт-Петербурга. Разработанный анализатор АТП-1 неоднократно применялся для отладки оборудования на центральном РТПЦ Санкт-Петербурга, о чем имеется соответствующий отзыв.
В различных вариантах исполнения (с дополнительными опциями приема сигналов стандартов БУВ-Т, БУВ-8, Е1) анализаторы АТП-1 и АТП-2 используется в ОАО «МАРТ», ФГУП «НИИР-ЛОНИИР», ОАО «ГАЗКОМ космические системы», ФГУП Самарский РТПЦ, ФГУП Саратовский РТПЦ, «Белтелеком» и других организациях.
Достоверность материалов работы.
Достоверность материалов и полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований, как в лабораторных, так и в полевых условияхэксплуатацией разработанных автором анализаторов АТП-1 и АТП-2 различными организациями.
Апробация работы.
Результаты работы, полученные на различных стадиях ее выполнения были доложены автором на следующих семинарах и конференциях:
1. 5-я международная конференция «Телевидение. Передача и обработка изображений», СПб, июнь 2007 г;
2. 6-я международная конференция «Телевидение. Передача и обработка изображений», СПб, июнь 2008 г;
3. 7-я международная конференция «Телевидение. Передача и обработка изображений», СПб, июнь 2009 г.
4. 64-я научно-техническая конференция, посвященная 150-илетию А. С. Попова, С-Пб, Апрель 2009 г.
5. 18-я конференция главных метрологов и специалистов метрологических служб отрасли связи «Обеспечение единства измерений в отрасли связи», Москва, май 2010 г.
6. 2-я международной конференции участников рынка цифрового телерадиовещания России «Цифровые и массовые коммуникации в России 2011», Москва март 2011 г.
7. 19-я конференция главных метрологов и специалистов метрологических служб отрасли связи «Единство измерений как эффективный механизм обеспечения целостности и устойчивости функционирования цифровых сетей связи», Москва, май 2011 г.
8. Конференция 1ВС 2011, Амстердам, сентябрь 2011.
9. Технические семинары в центре электросвязи, С-Пб 2009 — 2011.
10. Анализатор АТП-2 и система дистанционного мониторинга цифровых телевизионных передатчиков демонстрировались на российских и зарубежных выставках, таких как Связь-Экспоком, СаЫе&8а1е1Ше, НАТ-экспо в Москве и 1ВС в Амстердаме.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из них — 8 статей (3 статьи опубликованы в изданиях, определенных ВАК) и 5 работ в.
22 материалах международных и российских научно-технических конференций 3 стандарта в области цифрового телевидения стандартной и высокой четкости, 1 отчет по НИР и 3 отчета по ОКР.
Структура и объем диссертации
.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, заключения, списка литературы, включающего 89 наименований и 2 приложения. Приведены копии следующих документов: 2 акта использования, 1 отзыв, 2 акта внедрения, 1 акт апробации и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. Основная часть работы изложена на 160 страницах машинописного текста. Работа содержит 50 рисунков и 13 таблиц.
4.4 Выводы.
Одним из важных параметров объективной оценки качества ЦТП является оценка потерь в канале связи или иными словами системная доступность. Это единственный параметр из факторов деградации, который не зависит от структуры передаваемого по каналу связи ЦТП. Поэтому именно ему в экспериментальных исследованиях уделено основное внимание. Как было описано выше по тексту, предложенный в ТЛЮ 1290 метод оценки системной доступности годиться в основном для контроля зоны неуверенного приема цифрового эфирного сигнала стандарта БУВ-Т. Но если доработать этот метод, так как это сделано в рамках диссертационной работы, то он становится основным стержнем алгоритма объективной оценки качества ЦТП. Проведенные испытания и последующая статистическая обработка данных показали правильность данного решения.
На современном этапе развития измерительной техники, выполнение требований метрологии связанно с созданием виртуальных измерительных систем на базе использования персональных компьютеров в качестве устройств анализа, обработки измерительной информации, ее структурирования и централизованного хранения.
В рамках проведенных исследований и разработок при непосредственном участии автора настоящей диссертационной работы была создана и внедрена программно-аппаратная система дистанционного мониторинга цифровых передатчиков на основе алгоритма анализа качества ЦТП, основным измерительным звеном которой является анализаторы ЦТП АТП-1 и АТП-2. Анализаторы АТП-1 и АТП-2 выпускаются серийно и зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений, допущены к применению в Российской Федерации, имеют сертификаты об утверждении типа средств измерений Федерального Агенства по техническому регулированию и метрологии.
Автор диссертации принимал непосредственное участие в создании метрологической базы для проведения измерений в области цифрового телевидения. В частности в создании национальных стандартов:
ГОСТ Р 52 592−2006. Тракт передачи сигналов цифрового вещательного телевидения, звенья тракта и измерительные сигналы. Общие требования;
ГОСТ Р 53 533−2009. Цифровое телевидение высокой четкости. Основные параметры цифровых систем телевидения высокой четкости. Общие требования;
ГОСТ Р 53 534−2009. Цифровое телевидение высокой четкости. Измерительные сигналы. Методы измерений. Общие требованиягармонизированных с международным техническим отчетом ЕТЭ! ТШ1 290.
Повышение качества телевизионного вещания невозможно без систематического мониторинга ЦТП, для этого необходима система дистанционного мониторинга цифровых телевизионных передатчиков на основе метода оценки качества ЦТП, основным измерительным звеном которой является анализаторы ЦТП АТП-1 и АТП-1. Используя эту систему, операторы цифрового телевидения могут оперативно следить за состоянием собственных сетей распространения цифрового телевизионного сигнала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Реализовывать и поддерживать на заданном уровне техническое качество цифрового телевидения невозможно без анализа состояния всего тракта распространения ЦТП. Наличие простого и эффективного метода анализа качества ЦТП в составе системы дистанционного мониторинга цифровых передатчиков позволит облегчить и автоматизировать задачу контроля в цифровом телевидении.
В связи с этим, разработка методов объективной оценки качества ЦТП совместно с программно-аппаратными средствами является актуальной работой.
К числу существенных результатов диссертационной работы необходимо отнести следующие:
1. В результате анализа преобразований сигналов в существующих системах цифрового телевидения и анализа существующих методов объективной оценки качества, впервые введены критерии качества цифрового транспортного потока: декодируемость, стабильность и информативность, по которым распределяются обнаруженные ошибки на три независимые друг от друга группы.
2. Определены следующие факторы деградации: частота появления ошибки, зона распространения ошибки, скорость ошибочного пакета. Для каждого из них определены весовые значения (коэффициенты).
3. Впервые разработан оригинальный способ оценки качества ЦТП, заключающийся в том, что по частным оценкам, определяемым по коэффициентам деградации, находится обобщенная мультипликативная оценка качества ЦТП.
4. Создана метрологическая база измерений параметров и обобщенной оценки качества ЦТП в виде национальных стандартов: ГОСТ Р 525 922 006 «Тракт передачи сигналов цифрового вещательного телевидения, звенья тракта и измерительные сигналы. Общие требования.», ГОСТ Р.
53 533−2009 «Цифровое телевидение высокой четкости. Основные параметры цифровых систем телевидения высокой четкости. Общие требования.», ГОСТ Р 53 534−2009 «Цифровое телевидение высокой четкости. Измерительные сигналы. Методы измерений. Общие требования» и внесенных в них методов и средств измерения ЦТП.
5. Разработанные анализаторы АТП-1 и АТП-2 выпускаются серийно и зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений, допущены к применению в Российской Федерации. Они имеют сертификаты об утверждении типа средств измерений Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии.
6. На основе анализаторов цифрового транспортного потока АТП и предложенной оценки качества ЦТП разработана и опробована система дистанционного мониторинга цифровых телевизионных передатчиков.
7. В результате экспериментальных исследований определены числовые значения СД различных областей приема цифрового эфирного телевизионного сигнала. Для области уверенного приема значения СД лежат в диапазоне от 100% до 98.5%. Для области неуверенного приема значения СД лежат в диапазоне от 98.5% до 23.1%. Для области отсутствия приема сигнала, значения СД лежат в диапазоне от 23.1% и ниже.
8. В результате экспериментальных исследований и апробации системы дистанционного мониторинга цифровых ТВ передатчиков сформирована таблица соответствия категорий качества от оценок качества ЦТП.
9. Разработанные методы и средства метрологического обеспечения позволяют по-новому производить оценку качества сетей распределения цифровых ТВ программ, доставляемых телезрителям. А именно, разработанные методы и средства позволяют осуществлять непрерывный автоматизированный контроль качества ЦТП, обеспечивая экономию людских и финансовых средств в РТРС и надзорных службах. Позволяют обеспечивать технико-экономическую базу взаимоотношений сетей распределения цифровых ТВ программ и правообладателей передаваемой.
