Спутниковое телевидение

Надо сказать, что помимо MPEG-2 AAC, стандарт MPEG-2 предусматривает MPEG-2 BC (backward compatible - обратно совместимый), являющийся фактически многоканальной версией (до 5 каналом + 1 дополнительный) аудио кодека MPEG-1.

Также, как и в комплекте аудио стандартов кодирования MPEG-1, в основе алгоритма AAC лежит психоакустический анализ сигнала. Вместе с тем, алгоритм AAC имеет в своем механизме множество дополнений, направленных на улучшение качества выходного аудио сигнала. В частности, используется другой тип преобразований, улучшена обработка шумов, изменен банк фильтров, а также улучшен способ записи выходного бит-потока. Кроме того, AAC позволяет хранить в закодированном аудио сигнале т.н. «водяные знаки» (watermarks) – информацию об авторских правах. Эта информация встраивается в бит-поток при кодировании таким образом, что уничтожить ее становится невозможно не разрушив целостность аудио данных. Эта технология (в рамках Multimedia Protection Protocol) позволяет контролировать распространение аудио данных (что, кстати, является препятствием на пути распространения самого алгоритма и файлов, созданных с помощью него). Следует отметить, что алгоритм AAC не является обратно совместимым (NBC – non backwards compatible) с уровнями MPEG-1 не смотря на то, что он представляет собой продолжение (доработку) MPEG-1 Layer I, II, III.

MPEG-2 AAC предусматривает три различных профиля кодирования:  
1. Main 
2. LC (Low Complexity)  
3. SSR (Scalable Sampling Rate).

В зависимости от того, какой профиль используется во время кодирования, изменяется время кодирования и качество получаемого цифрового потока. Наивысшее качество звучания (при самой медленной скорости компрессии) обеспечивает основной Main профиль. Это связано с тем, что профиль Main включает в себя все механизмы анализа и обработки входного потока. Профиль LC упрощен, что сказывается на качестве звучания получаемого потока, сильно отражается на скорости компрессии и, что более важно, декомпрессии. Профиль Main обеспечивает более качественную компресиию по сравнению с LC, однако эта разница в качестве не оправдывает разницу затрат мощности процессора при компрессии в Main и LC. По этой причине профиль LC используется намного более широко, чем Main.

Профиль SSR (Scalable Sampling Rate) кодирует данные в несколько "слоев" (layers) от очень низкого битрейта к высшим битрейтам (вплоть до lossless-компрессии). Такой подход позволяет, например, транслирующим серверам передавать пользователям аудио на нужном битрейте без необходимости транскодирования данных.

Говоря о качестве звука, можно сказать, что поток AAC (Main) 96 Кбит/с обеспечивает качество звучания, аналогичное потоку MPEG-1 Layer III 128 Кбит/с. При компрессии AAC 128 Кбит/с, качество звучания ощутимо превосходит MPEG-1 Layer III 128 Кбит/с.

 

3) Стандарт MPEG-4 - это особая статья. MPEG-4 не является просто алгоритмом сжатия, хранения и передачи видео или аудио информации. MPEG-4 - это новый способ представления информации, это - объектно-ориентированное представление мультимедиа данных. Стандарт оперирует объектами, организует из них иерархии, классы и прочее, выстраивает сцены и управляет их передачей. Объектами могут служить как обычные аудио или видео потоки, так и синтезированные аудио и графические данные (речь, текст, эффекты, звуки...). Такие сцены описываются на специальном языке. Не будем останавливаться подробно на этом стандарте - это тема отдельного обширного обсуждения. Следует только сказать, что в качестве средств компрессии аудио в MPEG-4 (ISO/IEC 14496-3) используется комплекс нескольких стандартов аудио кодирования: улучшенный алгоритм MPEG-2 AAC, алгоритм TwinVQ, а также алгоритмы кодирования речи HVXC (Harmonic Vector eXcitation Coding) - для битрейтов 2-4 Кбит/с и CELP (Code Excited Linear Predictive) - для битрейтов 4-24 Кбит/с. Кроме того, MPEG-4 предусматривает множество механизмов обеспечения масштабируемости и предсказания. Однако в целом, стандарт MPEG-4 AAC, предусматривающий правила и алгоритмы кодирования аудио, является продолжением MPEG-2 AAC. MPEG-4 AAC стандартизует следующие типы объектов (именно так называются профили в MPEG-4 AAC):

MPEG-4 AAC LC (Low Complexity) 
MPEG-4 AAC Main  
MPEG-4 AAC SSR (Scalable Sampling Rate) 
MPEG-4 AAC LTP (Long Term Prediction) 
MPEG-4 Version 2 
MPEG-4 Version 3 (включая HE-AAC)  
MPEG-4 ALS (Audio Lossless Coding)  
MPEG-4 SLS (Scalable Llossless coding)

Как видно, первые три позаимствованы у MPEG-2 AAC, четвертый же является новшеством.  
LTP основан на методах предсказания сигнала и является более сложным алгоритмом, нежели остальные, что сильно сказывается на скорости компрессии.  
Version 2 - это пакет стандартов, расширающих некоторые механизмы кодирования стандарта MPEG-4. 
Version 3 - это еще одно расширение стандарта MPEG-4. Основным нововведением в стандарт MPEG-4, введенным Version 3, является стандартизация (в мая 2003) алгоритма HE-AAC (High Efficiency AAC), известного также под именем aacPlus . Существуют две версии HE-AAC: HE-AAC v1 (базисная версия, включающая технологию aacPlus), а также HE-AAC v2 - расширение HE-AAC с поддержкой Parametric Stereo (PS).

Инструментарий MPEG-4 AAC содержит несколько интересных технологий. Напримери, PNS - Perceptual Noise Substitution. Суть PNS довольно проста. Основываясь на идее, что один шум можно подменить другим, искусственным, PNS предполагает подмену шума, присутствующего в кодируемом сигнале, другим шумом, искусственным. Это позволяет генерировать искусственный шум на стадии декомпрессии сигнала (воспроизведении) и не передавать настоящий шум сигнала. Иными словами, при кодировании исходного сигнала происходит регистрация шума и запоминание его основных параметров (вместо непосредственного кодирования шумового сигнала), а на стадии воспроизведения - генерация искусственного шума вместо настоящего.

 

MPEG-4 ALS - стандарт беспотерьного кодирования, утвержденный и включенный в MPEG-4 в конце 2005 года. MPEG-4 ALS разработан корпорацией NTT, его разработка велась с 2002 года. Цитата с iXBT: "В MPEG-4 ALS включен ряд технологий, в том числе коэффициенты PARCOR, предложенные NTT более 30 лет назад, а также технологические новшества, созданные в рамках сотрудничества между NTT и Токийским университетом. Партнерами NTT в процессе стандартизации выступили Технический Университет Берлина, североамериканская корпорация RealNetwoks и сингапурская I2R." Основные характеристики MPEG-4 ALS:

• Поддержка PCM (ИКМ)-потоков с разрешением до 32 бит и самыми разными частотами дискретизации (включая 16/44.1, 16/48, 24/48, 24/96, 24/192); 
• Многоканальная/мультитрековая поддержка до 65536 каналов; 
• Поддержка данных в формате 32-bit IEEE с плавающей точкой.

Важно заметить, что стандарт MPEG-4 AAC расширяется. К нему добавляются и наверняка еще будут добавлены дополнительные типы объектов.

Немаловажно заметить, что по состоянию на март 2006 года можно сказать, что внедрение и использование различными разработчиками профайлов Main и LTP остановлено или прекращено. Основным "рабочим" профайлом можно считать профайл LC.

 

MPEG-4 SLS (Scalable Lossless coding) - совместная разработка Infocomm Research и института Fraunhofer. MPEG-4 SLS никак не связан с MPEG-4 ALS. Расширение SLS предусматривает аудио поток с несколькими уровнями данных, позволяющий его декодирование как в беспотерьном виде (точное декодирование исходного аудио потока), так и в потерьном виде на низком битрейте. Иными словами, поток в формате SLS легко масштабируем в том смысле, что качество декодируемого сигнала находится в зависимости от того, "сколько данных" из этого потока, было использовано для декодирования. Поток MPEG-4 SLS стандартным неспециализированным MPEG-4-плеером воспринимается как в формате MPEG-4 AAC LC. Более того, из файла в формате SLS можно извлечь файл в формате AAC LC без необходиомости перекодирования, а лишь просто средствами извлечения одного слоя данных и большого файла.

 

4) Стандарт MPEG-7 вообще в корне отличается от всех иных стандартов MPEG. Стандарт разрабатывался не для установления каких-то рамок для передачи данных или типизации и описания данных какого-то конкретно рода. Стандарт предусмотрен как описательный, предназначенный для регламентации характеристик данных любого типа, вплоть до аналоговых. Использование MPEG-7 предполагается  в тесной связи с MPEG-4.

 

Для удобства обращения со сжатыми потоками, все алгоритмы MPEG разработаны таким образом, что позволяют осуществлять декомпрессию (восстановление) и воспроизведение потока одновременно с его получением (download) – потоковая декомпрессия «на лету» (stream playback). Эта возможность очень широко используются в Интернет, где скорость передачи информации ограничена, а с использованием подобных алгоритмов появляется возможность обрабатывать информацию прямо во время ее получения не дожидаясь окончания передачи.

6. Методы передачи сигналов телевидения.

Аналоговый метод передачи с ЧМ.

      Частотная модуляция требует по  сравнению  с  амплитудной  модуляцией,

используемой в наземном вещании, существенно меньшей  мощности  передатчика,

что особенно важно для спутниковых систем Преимуществами ЧМ  являются  также

невысокие  требования  к  линейности  амплитудной  характеристики  тракта  и

возможность работы  выходного  каскада  спутникового  передатчика  в  режиме

насыщения, в котором достигается высокий КПД.

      При передаче ЧМ девиация частоты несущей выбирается исходя  из  полосы

пропускания ВЧ тракта таким образом, чтобы избежать искажений  передаваемого

сигнала, связанных  с  отсечением  части  его  спектра.  Упоминавшиеся  выше

перекрестные  помехи  проявляются  в   искажениях   типа   "дифференциальное

усиление"  и  "дифференциальная  фаза".  Для   уменьшения   этих   искажений

применяется рекомендованная МККР линейная обработка.

      Наряду с линейными предыскажениями сигнала изображения  в  спутниковых

системах   иногда,   применяют   нелинейную   обработку,   заключающуюся   в

ограничении размаха  предыскаженного  сигнала  за  счет  отсечения  коротких

выбросов, соответствующих крутым  фронтам  исходного  сигнала.  При  сигнале

SECAM допустимо  ограничение  на  2...3  дБ,  на  такое  же  значение  можно

увеличить  девиацию  частоты  и  отношение  сигнал/шум  на  выходе   канала.

Искажения   сигнала   получаются   незначительными   даже   при   отсутствии

нелинейного  восстановителя  на  приеме.  Описанный  метод   использован   в

отечественной системе ТВ вещания "Москва".

      Еще один вид  обработки,  нашедший  применение  только  в  спутниковых

системах вещания, - введение в  состав  ТВ  сигнала  на  передающей  стороне

дополнительного  низкочастотного  модулирующего   сигнала,   обеспечивающего

более равномерное рассеяние (дисперсию) энергии ТВ сигнала в  полосе  частот

ствола с целью уменьшения помех другим  системам  связи,  в  первую  очередь

радиорелейным  линиям.  В  связи  с  совместным   использованием   некоторых

диапазонов частот (например, 4  и  11  ГГц)  спутниковыми  и  радиорелейными

системами в Регламенте радиосвязи установлены предельные нормы  спектральной

плотности потока мощности спутникового сигнала на единицу полосы  (обычно  4

кГц)  для  разных  углов  прихода  сигнала.  При   неблагоприятных   сюжетах

изображение (равномерно освещенное поле) почти вся  мощность  сигнала  может

сосредоточиться в узкой полосе частот и привести к многократному  превышению

указанной нормы.  Добавление  сигнала  пилообразной  или  треугольной  формы

частотой  от  единиц  герц   до   десятков   килогерц   позволяет   добиться

эффективного рассеяния  независимо  от  сюжета.  Девиация  несущей  сигналом

дисперсии зависит от требуемой степени рассеяния и выбирается равной от  600

кГц (рекомендация МККР для всех спутниковых ТВ систем) до 4 МГц  (в  системе

"Москва").

      Исключение сигнала дисперсии на приеме  достигается  применением  схем

фиксации  уровня  видеосигнала:  при  девиации  более  1  МГц  дополнительно

используются специальные следящие устройства. Сигнал звукового  сопровождения

телевидения в традиционных системах  с  ЧМ  передается  обычно  совместно  с

сигналом изображения на поднесущей частоте, расположенной выше его  спектра.

Для  достижения  необходимой  помехозащищенности   передача   осуществляется

методом частотной модуляции поднесущей, причем девиацию  частоты  поднесущей

выбирают, как правило, большей, чем в наземном телевидении - до 100  и  даже

150 кГц. Значение поднесущей также  выше  и  составляет  7,0...7,5  МГц  при

полосе видеосигнала 6 МГц, 5,8...6,8 МГц при полосе 5 МГц и  5...6  МГц  при

полосе  4,2  МГц,  что  позволяет  уменьшить  переходные  помехи  из  канала

изображения  в  канал  звукового  сопровождения  и  облегчить  требования  к

фильтрации сигналов.

      При необходимости передачи совместно с сигналом изображения более  чем

одного  звукового  сигнала  (звуковое  вещание,  звуковое  сопровождение  на

иностранных языках, стереозвук) используется  несколько  поднесущпх  частот,

расположенных выше спектра видеосигнала. Их число ограничено  возникновением

перекрестных помех и ухудшением качества  ТВ  изображения  из-за  уменьшения

доли  девиации  несущей,  приходящейся   на   видеосигнал.   Практически   с

удовлетворительным  качеством  удается  передать  два-четыре  дополнительных

сигнала.  Например,  в  спутниковых   ТВ   каналах,   организованных   через

европейские ИСЗ Eutelsat II и Astra  наряду  с  основным  каналом  звукового

сопровождения  сформированы  еще  до  четырех  высококачественных   звуковых

каналов,  используемых  для  передачи  монофонических  или  стереофонических

программ. Передача ведется методом ЧМ на  поднесущих  частотах  7,02,  7,20,

7,38, 7,56 МГц звуковой  сигнал  подвергается  адаптивным  предыскажениям  и

компандированию (система Wegener Panda 1).

      Компандирование применяется для повышения помехоустойчивости  передачи

звуковых  сигналов.  Оно  подразумевает   сжатие   динамического   диапазона

передаваемого  сигнала  в  соответствии  с  изменением  огибающей  звукового

сигнала  и  восстановление  исходного  динамического  диапазона  на  приеме.

Различают  "управляемые"  компандеры,  в  которых  информация  об   исходном

динамическом  диапазоне  передается  в  отдельном   канале   управления,   и

"неуправляемые",  в  которых  эта  информация  содержится   в   передаваемом

сигнале.

      Выигрыш в помехозащищенности  благодаря  компандированию  достигает  в

среднем  12...13  дБ  при  наличии  сигнала  и  по  20  дБ  паузе   сигнала.

Управляемый  компандер  применялся  в  отечественных  системах   "Экран"   и

"Москва", неуправляемый - в системе "Москва - Глобальная".

      Более эффективным энергетически  и  свободным  от  перекрестных  помех

способом  передачи  нескольких  звуковых  сигналов  является   передача   на

поднесущей в дискретной форме. Сигналы  отдельных  каналов  преобразуются  в

цифровую форму и объединяются (мультиплексируются) в общий  цифровой  поток,