Введение к работе
Актуальность темы. В современных цифровых каналах связи данные передаются в форме цифровых пакетов. Каждый пакет имеет заголовок и полезную нагрузку в виде данных. Заголовок пакета позволяет идентифицировать передаваемые данные. Последовательно передаваемые пакеты цифровой телевизионной (ТВ) информации образуют цифровой транспортный поток (ЦТП), который имеет определенную в ISO/IEC 13818-1 структуру и синтаксис. Один ЦТП может содержать данные нескольких ТВ программ.
В рекомендации ETSI ТР101290, 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.
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. Согласно этой концепции, измерительный комплекс включает в себя, в том числе анализатор ЦТП.
Цифровая ТВ система DVB (Digital Video Broadcasting) принята в Российской федерации постановлением совета министров в 2004 году. Обобщенная структура цифровой ТВ системы представлена на рис. 1.
объекта
Оптические сигналы
Рисунок 1. Цифровая телевизионная система. Ее можно разделить на три основные составные части: это тракт формирования цифровых ТВ сигналов со сжатием, тракт передачи ЦТП, и тракт воспроизведения изображения и звука. Каждая из этих частей характеризуется сложной структурой, в которой от надежности и стабильности применяемого канального оборудования, зависит качество передаваемого от источника до потребителя ЦТП, и как следствие, качество воспроизведения изображения и звука. Совместно с надежностью канального оборудования, на качество ЦТП влияет физический канал связи (КС). Современные российские развивающиеся сети распространения цифровых ТВ сигналов сильно разветвлены. В них ЦТП проходит по различным КС (эфирным, кабельным, спутниковым и Internet). При этом происходят неоднократные преобразования ЦТП (мультиплексирование, демультиплексирование). Поэтому, при передаче ЦТП по сетям распространения цифровых ТВ сигналов, возникают ошибки не только в полезной нагрузке (данных изображения и звука), но и в структуре и синтаксисе. Ошибки структуры и синтаксиса накапливаются и влияют на воспроизведение данных изображения и звука ТВ программ. Следствием ошибок могут быть как различные артефакты, так и полная невозможность декодирования данных.
Исходя из выше сказанного, при внедрении цифровой ТВ системы возникла необходимость создания отечественной метрологической базы и средств метрологического обеспечения для контроля параметров цифровых ТВ сигналов при передаче цифровых ТВ программ. В цифровом телевидении Российской Федерации
измерительная техника должна соответствовать требованиям, изложенным в отечественных стандартах на цифровое телевидение, таких как ГОСТ Р 52592-2006 «Тракт передачи сигналов цифрового вещательного телевидения, звенья тракта и измерительные сигналы. Общие требования.», ГОСТ Р 53534-2009 «Цифровое телевидение высокой четкости. Измерительные сигналы. Методы измерений. Общие требования» и ГОСТ Р 53533-2009 «Цифровое телевидение высокой четкости. Основные параметры цифровых систем телевидения высокой четкости. Общие требования.». Эти стандарты гармонизированы с международными стандартами и техническими документами. В них описываются методы контроля ЦТП, приведен список необходимого оборудования для контроля параметров ЦТП и определены требования к измерительному оборудованию. Среди указанного оборудования присутствует ранее разработанный автором анализатор АТП-1. Указанные стандарты разрабатывались в ФГУП «НИИТ», и автор принимал участие в их создании в части определения требований к измерительной аппаратуре и параметров контроля ЦТП.
Важной задачей при передаче ЦТП по сетям распространения цифровых ТВ сигналов, является объективная оценка его качества по структуре и синтаксису. Для обнаружения ошибок в ЦТП применяются специальные измерительные средства - анализаторы ЦТП. Анализатор ЦТП фиксирует ошибки, а также контролирует структуру и синтаксис. Выходными данными анализаторов ЦТП являются двоичные индикаторы: «нет ошибки» или «есть ошибка» по методам, описанным в стандартах на цифровые ТВ системы. Таким образом, по окончании мониторинга формируется список обнаруженных ошибок с датой и временем их обнаружения. Но иметь только список ошибок недостаточно. Необходимо дать ошибкам объективную числовую оценку. И если результат (числовая оценка) оказывается ниже установленного порога, то необходимо устранить источник данных ошибок.
Для существующих аналоговых систем распространения ТВ сигналов была разработана метрологическая база и средства метрологического обеспечения. В том числе системы дистанционного мониторинга и контроля качества. 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 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. Таким образом, возникает необходимость в разработке отечественных методов объективной оценки качества ЦТП и стандартизации средств измерений в сетях распространения цифровых ТВ сигналов.
Цель и задачи 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:
-
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;
-
Разработать методы объективной оценки качества ЦТП в сетях распространения цифровых ТВ сигналов;
-
Разработать технические и программные средства объективной оценки качества ЦТП;
-
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. Предметом исследования является определение методов и средств оценки
качества сетей распространения цифровых ТВ сигналов.
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 диссертационной работы состоит в следующем:
Впервые определены факторы и формализованы коэффициенты деградации ЦТП влияющие на объективную оценку качества.
Сформированы три независимых критерия качества ЦТП: декодируемость, стабильность и информативность.
Впервые 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 доступности; дана оценка пригодности и области применения алгоритма контроля системной доступности в цифровом телевидении.
Научные положения, выносимые на защиту:
Введенные независимые критерии качества ЦТП (декодируемость - возможность декодирования любой программы ЦТП без ошибок и искажений, стабильность - возможность уверенного и устойчивого распространения ЦТП по любым доступным КС, информативность - содержание в ЦТП необходимой пользовательской информации) позволяют классифицировать методы контроля ошибок, представленные в ГОСТ Р 52592-2006, по типу их воздействия и позволяют добавить дополнительные условия контроля.
Определены следующие факторы деградации качества ЦТП: частота появления ошибки, зона распространения ошибки, скорость ошибочного пакета, степень влияния ошибки и их весовые значения.
Разработан оригинальный способ оценки качества ЦТП, заключающийся в том, что по частным оценкам, определяемым по факторам деградации, находится обобщенная мультипликативная оценка качества ЦТП.
Определена связь числовых оценок качества ЦТП и предложенных оценок качества по пятиуровневой шкале категорий.
Практическая ценность 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 52592-2006.
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 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 пользователям 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.
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 помогают 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 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 52592 -2006 и ГОСТ Р 53534-2009 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 DVB-T 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 DVB-T, DVB-S, E1) 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 полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований, как в лабораторных, так и в полевых условиях; эксплуатацией разработанных автором анализаторов АТП-1 и АТП-2 различными организациями.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы, полученные на различных стадиях ее выполнения были доложены автором на следующих семинарах и конференциях:
5, 6 и 7 международные конференции «Телевидение. Передача и обработка изображений», СПб, июнь 2007, 2008 и 2009гг.
64-я научно-техническая конференция, посвященная 150-илетию А.С.Попова, СПб, Апрель 2009 г.
18 и 19 конференции главных метрологов и специалистов метрологических служб отрасли связи «Обеспечение единства измерений в отрасли связи», Москва, май 2010 и 2011 гг.
2-я международной конференции участников рынка цифрового телерадиовещания России «Цифровые и массовые коммуникации в России 2011», Москва март 2011 г
Международная конференция вещателей (IBC) 2011, Амстердам, сентябрь 2011
Технические семинары в Центре электросвязи, СПб 2009 - 2011.
Анализатор АТП-2 и система дистанционного мониторинга цифровых телевизионных передатчиков демонстрировались на российских и зарубежных выставках, таких как Связь-Экспоком, Cable&Satellite, НАТ-экспо в Москве и IBC в Амстердаме.
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.
