Обзор подготовлен

При поддержке

Кодеры и декодеры MPEG-2

Преимущества цифрового телевидения по сравнению с аналоговым существенны и очевидны:

• большее число программ в одной и той же занимаемой полосе ВЧ спектра (обычно четыре и более);
• меньшая излучаемая мощность, необходимая для обеспечения той же зоны покрытия (или большая устойчивость к шумам и помехам при той же мощности);
• лучшее качество изображения;
• возможность создания сети наземного вещания на одной частоте (передача СOFDM сигнала в сети SFN — Single Frequency Network);
• возможность мобильного приема (используя СOFDM сигнал);
• возможность одновременной передачи вспомогательной информации;

Задача кодирующего оборудования состоит в том, чтобы преобразовать различные форматы входных видео сигналов в единую форму — цифровой транспортный поток (ТП). В цифровом телевидении наиболее распространенными являются цифровые интерфейсы ASI DVB или SPI DVB. Кроме этого, сегодня все большую популярность приобретают кодеры MPEG-2 с выходом Ethernet.

Кодер сжатия считается самым ответственным элементом в цепочке обработки цифрового сигнала, он в значительной степени определяет устойчивость и качество изображения при заданной скорости цифрового потока. Стандарт MPEG определяет структуру потока и эталонную модель декодера, но не накладывает ограничений на построение кодера или алгоритм его работы, так что для компаний-производителей имеется поле деятельности в достижении наилучших показателей при минимальном расходе битов.

Современные кодеры имеют модульную конструкцию и позволяют использовать сменные блоки входных интерфейсов, допускающие подачу как аналоговых (композитных и компонентных), так и цифровых видеосигналов. При необходимости из аналогового сигнала с помощью дополнительного декодера выделяются сигналы телетекста для последующего вода в мультиплексор. Композитное декодирование приводит к заметному ухудшению качества изображения и потому не рекомендуется к использованию, его следует применять только при невозможности получить видеосигнал от источника в иной форме.

В кодерах предусматривается подача как цифровых сигналов AES/EBU, так и аналоговых сигналов. В последнем случае осуществляется аналого-цифровое преобразование с разрядностью 18 бит/отсчет и частотой дискретизации 32, 44,1 или 48 кГц. В зависимости от выбранного режима скорость выходного потока в канале может изменяться в пределах от 32 до 384 кбит/с, обеспечивая Уровни 1 и 2 стандарта MPEG-1. Возможна установка двух дополнительных кодеров звука, что дает возможность организовать в общей сложности 4 стерео или 8 моноканалов.

Для целей обновления программного обеспечения существует отдельная энергонезависимая память, позволяющая хранить предыдущие загрузочные версии ПО. Такая система позволяет гибко конфигурировать кодер, производить модернизацию ПО и по мере необходимости устанавливать различные опции, такие, как статистическое мультиплексирование, скремблирование, каскадирование, поддержка профиля 4:2:2 и др. 

Большая часть выпускаемых кодеров MPEG-2 DVB формирует минимально необходимый набор PSI таблиц и потому могут работать в одноканальном режиме без дополнительного мультиплексора, непосредственно создавая транспортный поток на входе модулятора. Выходной сигнал кодера может формироваться в одном или нескольких общепринятых стандартах. Наиболее широко применяется стык DVB-ASI, реже используют DVB-SPI, RS-422. Максимальная скорость потока на выходе кодера определяется выбранным профилем и уровнем компрессии, для наиболее часто применяемого сочетания MP@ML она составляет 15 Мбит/с. Для приложений 4:2:2P@ML максимальная скорость составляет 50 Мбит/с.

Сравнительные тесты, согласно рекомендациям ITU (International Telecommunication Union — Международный союз телекоммуникаций), основываются на субъективной оценке группы наблюдателей, просматривающих цифровое ТВ изображение после кодирования со скоростями 2,3,4 и 5 Мбит/c. В результате для всех скоростей в равной степени оказался лучше профиль кодирования 4:2:0. Более того, некоторые эксперты утверждают, что видеопоследовательность, кодированная по профилю 4:2:0 со скоростью 10 Мбит/c, имеет такое же качество, как и при использовании профиля 4:2:2, но со скоростью 13 Мбит/c! Поэтому, предпочтительнее использовать профиль 4:2:0 при скоростях меньших 10 Мбит/c, особенно для видеопоследовательностей, содержащих много движений. Следует также отметить, что очень трудно уловить разницу в качестве для видеопоследовательности, кодированной со скоростью выше 10 Мбит/c, т.к. качество уже настолько высоко, что разницу сложно воспринять. Небольшое преимущество метода 4:2:2 перед 4:2:0 при скоростях выше 10 Мбит/c сводится на нет, если передаются аналоговые сигналы, конвертированные в цифровую форму. Учитывая то, что сейчас не принято (и дорого) использовать скорости 15–20 Мбит/c для одной программы, выбор профиля кодирования почти всегда падает на 4:2:0 (MP@ML).

Сегодня все большее распространение получают наземные телекоммуникационные сети синхронной цифровой иерархии — SDH, как некая альтернатива спутниковым каналам распространения. Как известно, основными стыками SDH мультиплексоров являются потоки Е1 и Е3. Опционально у многих современных кодеров могут быть заказаны стыки G.703 (E1, E2, E3) и DS-3. Сети передачи видео/аудио сигналов в формате MPEG-2 уже с успехом применяется в мире.

Яркими представителями современных кодеров стандарта MPEG-2 DVB являются кодеры семейства CODICO®, выпускаемые компанией Scopus Network Technologies. Серия кодеров CODICO® включает пять базовых моделей профессиональных кодеров — E-90, E-900, E-900A, E-1000, E-1100.

CODICO® E-90 — это базовый кодер, разработанный для использования в случаях, когда не требуется специфические дополнительные возможности. Кодер Е-90 идеально подходит для применения в вещательных системах, таких как профессиональные региональные распределительные сети, кабельные студии, частные сети и т.д. Кодер имеет систему предварительной обработки видео изображения (preprocessing). Эта обработка включает аналогово-цифровое 10-ти битное преобразование, фильтрацию и синхронизацию кадров. Очень низкая стоимость и высокое качество позволяют предоставлять услуги телерадиовещания с минимальными затратами. Кодер E-90 адаптирован для использования для работы на низких скоростях (LBR) с полным разрешением 720х576.

CODICO® Е-900 — кодер, созданный для использования в частных сетях, бизнес приложениях, где нет требований к обработке видео, как в профессиональных сетях. В кодер специально введены ряд ограничений, позволивших значительно снизить цену при сохранении высокого качества и надежности. Однако большое количество дополнительных опций делает кодер Е-900 широко применимым в различных сетях — частных сетях, бизнес сети, кабельные сети, и т.д.

CODICO® Е-900А — профессиональный аудио кодер MPEG-2 DVB. Кодер имеет 4 аудио стерео входа и формирует аудио программы как самостоятельные радио сервисы. Кодер может использоваться как самостоятельно для построения радио сетей, так и работы в составе станций компрессии для ввода отдельных радио программ.

CODICO® E-1000 — профессиональный кодер MPEG-2 DVB. Высокопроизводительное ядро и большое количество дополнительных опций делают кодер универсальным для построения различных систем компрессии — от кабельных сетей — до профессиональных распределительных сетей и межстудийного обмена. Многие дополнительные опции — каскадирование, профиль 4:2:2, статистическое мультиплексирование, и т.д. — являются программными, что позволяет перенастраивать кодер без отправки в сервисный центр. Кодер имеет систему предварительной обработки видео изображения (preprocessing). Эта обработка включает аналогово-цифровое 10-ти битное преобразование, фильтрацию и синхронизацию кадров и имеет возможность производить коррекцию параметров аналоговых интерфейсов — уровня яркости, уровня цветности, смещения уровня видео, изменение задержки Y- C, управление уровнем шумоподавления.

CODICO® E-1100 — профессиональный кодер MPEG-2 DVB, соответствующий самым высоким требованиям обработки видео изображения с наилучшим качеством. В кодере используются новейшие технологии кодирования и многопрограммного статистического мультиплексирования (профили 4:2:2/4:2:0) для наиболее эффективного использования транспортных ресурсов. Кодер имеет расширенную систему предварительной обработки видео изображения (preprocessing).

Для стримминга телевизионных программ по сетям IP используются кодеры MPEG с выходом IP. Данные кодеры принимают видео от провайдеров контента, и кодируют сигналы в пакеты MPEG. На сегодняшний день кодеры в основном используют алгоритм кодирования MPEG-2, что позволяет вести передачу со скоростью порядка 3 — 4 Мбит/сек на один поток. Данная скорость обеспечивает качество цифрового изображения, сопоставимое с традиционными аналоговыми системами.

Проверенным и хорошо зарекомендовавшим себя на мировом рынке, является кодер MPEG-2 c выходом IP — MGW 2000 производства компании Optibase Inc. Основной возможностью MGW 2000 является передача нескольких каналов живого ТВ и видео по IP сетям. Данное устройство может принимать до шести аналоговых сигналов, кодировать их в режиме реального времени в формат MPEG- 2 и затем передавать по IP сети в режимах multicast и unicast. Входные интерфейсы видео опционально композит или SDI, что позволяет работать с любыми источниками сигнала. Форматы кодирования MPEG-2 c максимальным разрешением 720 х 576. Выходные интерфейсы 10/100 BaseT Ethernet Full Duplex или Half Duplex ( RJ- 45 ), при этом используются сетевые протоколы UDP Multicast/ Unicast и RTP Multicast/ Unicast. На передней панели прибора визуально отображается состояние прибора и статус каждого из шести каналов.

MGW-2000 также поддерживает передачу в режиме near on-demand десяти предварительно записанных потоков, включая MP3 файлы. С помощью MGW-2000, операторы могут использовать свои DSL, оптоволоконные и Ethernet LAN сети для вещания ТВ по IP.

Система удаленного управления MGW-2000 позволяет конфигурировать, управлять и мониторить потоки, используя Web протокол. Также, системные интеграторы могут разработать необходимые приложения конкретно под проект головной станции, используя такие приложения как MGW-2000 ActiveX controls и DirectShow development tools.

MGW-2000 объединяет в себе легкость в использовании, наряду с дополнительными возможностями и высочайшим качеством видео, таким образом предоставляя все, что необходимо для решения задачи передачи видео по IP. Низкое время задержки поддерживаемое MGW-2000 гарантирует, что соединение и доставка видео будут происходить мгновенно, что немаловажно при таких применениях как дистанционное образование и корпоративное ТВ вещание. Поддерживая такие протоколы как Session Announcement Protocol (SAP) и Session Description Protocol (SDP), видео каналы, транслирующиеся с MGW-2000, автоматически распознаются приемниками, позволяя легко выбирать между «живыми» и запланированными программами. Механизм «traffic shaping» используемый в MGW-2000 оптимизирует соединение, позволяя добиваться лучшего качества видео по любой сети.

Реализация преимуществ цифрового сжатия в немалой степени зависит от устройств, восстанавливающих исходное изображение и звуковое сопровождение — декодеров MPEG-2 и приемников-декодеров (ПД). По функциональным возможностям и стоимости их можно разделить на две большие группы — устройства профессионального назначения и абонентские приемные устройства.

Профессиональные декодеры и ПД применяются для декодирования сжатых сигналов в студийных комплексах подготовки программ (для целей мониторинга, монтажа, преобразования стандартов), для приема в спутниковых распределительных системах с целью использования при подготовки программ или для ввода в сети кабельного ТВ на головных станциях, для приема компрессированных сигналов, передаваемых по синхронным и асинхронным сетям, в системах делового ТВ для одновременного приема ТВ программ и данных, в спутниковых системах сбора новостей (DSNG) и т.д.

Входной узел приемника поддерживает различные типы интерфейсов для приема цифрового сигнала в желаемой транспортной среде. Транспортный поток может поступать на декодер либо с входного узла, либо непосредственно из транспортной сети через интерфейсы DVB-ASI или RS-422. Декодер выполняет демультиплексирование и декодирование элементарных потоков видео, звука, данных, служебной информации. Выходной узел формирует видео и звуковые сигналы и может иметь аналоговые или цифровые интерфейсы.

Многие модели профессиональных ПД позволяют вывести принятый ТП через стык DVB-ASI для последующей подачи на ремультиплексоры для мультиплексирования или передачи по ВОЛС. Данный стык может также использоваться для каскадирования декодеров, создавая, таким образом приемно-декодирующие системы. Благодаря наличию интерфейса DVB-ASI на выходе приемников позволяет рассматривать приемники не только в качестве конечного оборудования, необходимого для отображения полученных программ на экране телевизора, но использовать их в качестве источников сигналов для создания пакетов программ на головных станциях. Особенно хорошо подходят для этого приемники-декрипторы такие, как, например декриптор CODICO CID-3100 фирмы Scopus.

Для приема ТВ программ, передаваемых через IP сеть, используются IP set-top box или, так называемый, Etherbox. Назначение его понятно — принять по Ethernet IP трафик, выделить него поток MPEG-2, декодировать и выдать видео/аудио сигнал на телевизор.

Во время включения STB производит процесс инициализации, во время которого он скачивает конфигурационную информацию с системы управления. Эта информация включает электронный проводник и информацию IGMP показывающую, к какой мультикастовой группе принадлежит выбранный канал. Когда абонент меняет канал, STB уведомляет сеть, что он больше не нуждается в старом потоке мультикаст, а должен присоединиться к новой мультикастовой группе. Затем он принимает новый поток MPEG-2, декодирует его и посылает аналоговое видео на телевизор. Как правило, современные IP приемники поддерживают потоки MPEG-1, MPEG-2. При необходимости ОЗУ и флеш-память приставки могут быть рассирены, и в нее могут добавляться дополнительные функции, например интерфейс Java, позволяющий устанавливать интерактивные платформы. Приставка может быть оборудована системой условного доступа.