Разработка методов и устройств формирования и коррекции видеоинформационных сигналов в системах цифрового телевидения
На правах рукописи
Коржихин Евгений Олегович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ФОРМИРОВАНИЯ И КОРРЕКЦИИ ВИДЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Москва 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюд жетном учреждении высшего профессионального образования Москов ском техническом университете связи и информатики (ФГОБУ ВПО МТУСИ) на кафедре Телевидения и звукового вещания им. С.И. Катаева.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Безруков Вадим Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Стыцько Виталий Петрович (ФГУП «РТРС», заместитель генерального ди ректора) кандидат технических наук Смирнов Александр Витальевич (ФГОБУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, элек троники и автоматики» (МГТУ МИРЭА), профессор) Ведущее предприятие: ЗАО "Московский научно исследовательский телевизионный институт (МНИТИ)"
Защита состоится 04 июня 2013 г. в 13-00 ч. на заседании диссертационного совета Д219.001.01 в Московском техническом университете связи и информатики (ФГОБУ ВПО МТУСИ) по адресу:
111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а, ауд. А-448.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского тех нического университета связи и информатики.
Электронная версия автореферата размещена на официальном сайте Министерства образования и науки Российской Федерации.
Автореферат разослан « » апреля 2013 г.
Учёный секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссерта ций Д219.001.01, к.т.н., доцент _Иванюшкин Р.Ю.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Основным преимуществом последнего варианта системы наземного цифрового телевизионного (ТВ) вещания DVB-T2 яв ляется высокая степень адаптивности к условиям функционирования. Дан ная система обеспечивает необходимые требования к качеству передачи сигналов, имеет высокую помехозащищённость. Однако и здесь в непол ной мере решены вопросы в отношении искажений, обусловленных влия нием высокого пик–фактора, эффективной компенсации искажений видео информационного сигнала, повышенных требований к характеристикам как радиопередающего, так и радиоприёмного оборудования и т.д. В то же время стандарт DVB-T2 объявлен единственным для сетей цифрового эфирного ТВ вещания в России, и в настоящее время актуальным является вопрос об использовании ТВЧ контента во втором и третьем мультиплек сах. В связи с этим актуальными направлениями работ по совершенство ванию характеристик систем стандарта DVB-T2 является создание адап тивных алгоритмов формирования и коррекции сигналов данного стандар та, которые обеспечат уменьшение степени воздействия пик-фактора, снижение искажений сжатия и передачи соответствующих радиосигналов в условиях реального функционирования.
Следует отметить, что значительный вклад в разработку методов сжа тия спектра ТВ сигналов и в совершенствование систем цифрового веща тельного телевидения внесён российскими учёными: Катаевым С.И., Кри вошеевым М.И., Зубаревым Ю.Б., Кукком К.И., Хромым Б.П., Стыцько В.П., и зарубежными специалистами: Г. Салливаном, Я. Ричардсоном, Дж.
Вудсом, Р. Калманом и др.
Наиболее перспективным, в частности, для применения в системе DVB-T2, является стандарт сжатия H.264/AVC (MPEG-4 Часть 10). Это связано, в первую очередь, с более высокой степенью сжатия спектра ТВ сигнала при фиксированном качестве передаваемого изображения, а также с возможностью работать с различными платформами доставки контента (IP, мобильные устройства и т.д.). В то же время, основным недостатком современных вариантов сжатия является относительно высокая степень обогащения многомерного пространственно-временного спектра сигналов воспроизводимых изображений мешающими пространственно временными компонентами. Последнее может существенно снижать каче ственные характеристики сигнала изображения при повышении степени сжатия спектра и усложнять видеоконтроль ТВ изображений. Поэтому актуальной является разработка эффективных, адаптивного типа, алгорит мов предсказания, с использованием сигналов вектора движения, текущих изменений пространственно-временной структуры изображений, обеспе чивающих снижение уровня возникающих побочных составляющих спек тра. Другим актуальным направлением является разработка алгоритмов, обеспечивающих подавление остаточных искажений сигнала изображения при приёме. Решению указанных актуальных задач и посвящена представ ленная диссертационная работа.
Диссертационная работа в основном ориентирована на вещательное цифровое телевидение, хотя полученные в ней результаты могут быть ис пользованы при решении задач в области прикладного телевидения, сис тем машинного зрения, при реализации алгоритмов сжатия и др.
Цель и задачи работы.
Целью диссертационной работы является разработка адаптивных ме тодов, алгоритмов и устройств, позволяющих эффективно снижать уро вень пространственно-временных и нелинейных искажений, возникающих в цифровых системах вещательного наземного и прикладного телевиде ния, с учётом специфики их функционирования при сжатии спектра, коди ровании и формировании соответствующего радиосигнала. Для достиже ния поставленной цели в работе решены следующие научно-практические задачи:
1. Проведён анализ специфики возникновения высокоградиентных изме нений амплитуды сигнала OFDM и других характеристик процесса фор мирования радиосигнала в системе цифрового телевидения стандарта DVB-T2.
2. Проведён анализ используемых алгоритмов предсказания составляющих сигнала изображения при межкадровом сжатии цифрового телевизионного сигнала по стандарту H.264/ MPEG-4.
3. Разработан адаптивный метод восстановления структуры информацион ных символов в системе цифрового ТВ вещания по стандарту DVB-T2.
4. Разработан метод, обеспечивающий уменьшение уровня пик-фактора сигнала OFDM в системах цифрового телевидения.
5. Разработан адаптивный алгоритм эффективной оценки сигнала вектора движения в стандарте Н.264/ MPEG-4.
6. Создано программное обеспечение и приведены полученные в работе результаты моделирования разработанного метода уменьшения пик фактора в системах цифрового телевидения.
7. Создано необходимое программное обеспечение, осуществлено модели рование разработанного алгоритма адаптивного поиска вектора движения для стандарта H.264/ MPEG-4, получены результаты моделирования, раз работано устройство для эффективной оценки сигнала вектора движения.
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы современные методы анализа из теории радиотехники, эле менты теории функций и функционального анализа, формирования ТВ сиг налов, теории численного интегрирования и дифференцирования, линейной алгебры и геометрии, методы спектрального анализа Фурье, численного анализа, программирования и др.
Объектом исследования является система наземного цифрового ве щательного телевидения стандарта DVB-T2.
Предмет исследования: теоретические и практические задачи повы шения энергетических характеристик функционирования системы DVB-T и увеличения эффективности сжатия видеосигнала за счёт применения ал горитмов адаптивной коррекции и обработки соответствующих сигналов.
Научная новизна настоящей работы заключается в следующем:
1. Осуществлён анализ специфики искажений формирования сигналов телевизионных изображений в системах цифрового вещательного телеви дения, обусловленных сжатием спектра ТВ сигнала, проведён анализ ис кажений, обусловленных действием пик-фактора в системе цифрового ТВ вещания стандарта DVB-T2.
2. Предложен новый вариант распределения элементов структуры символов сигнала OFDM, обеспечивающий осуществление адаптивной коррекции и восстановления структуры информационных символов в сис темах наземного цифрового ТВ вещания по стандарту DVB-T2.
3. Конкретизирован алгоритм восстановления структуры информаци онных символов в системах наземного цифрового ТВ вещания по стан дарту DVB-T2.
4. Разработан селективный метод, обеспечивающий снижение действия пик-фактора в системах цифрового телевидения стандарта DVB-T2.
5. Разработан адаптивный алгоритм оценки сигнала вектора движения для стандарта Н.264.
Практическая ценность:
1. Результаты экспериментальных исследований вариантов введения сигналов стандарта DVB-T/Т2 в групповой сигнал сетей кабельного теле видения могут быть использованы при построении современных сетей цифрового кабельного телевидения.
2. Разработано устройство адаптивного уменьшения пик-фактора в системе цифрового телевидения стандарта DVB-T2.
3. Разработано устройство повышения эффективности алгоритма по иска вектора движения для стандарта Н.264.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при выполнении НИР «Разработка методов обработки, преобразования и реставрации сигналов изображений для цифровых систем телевидения вы сокой чёткости» в лаборатории «Цифрового телевидения и видеоинформа тики» МТУСИ (шифр НИР «Пиксель» (2010-2011 гг.), при выполнении работ по гранту РФФИ №10-07-00641-а «Разработка адаптивных систем цифрового телевидения с распределением и компенсационным преобразо ванием информационных цифровых сигналов», при проведении учебного процесса на кафедре телевидения им. С.И. Катаева МТУСИ, при реализа ции систем видеоконтроля объектов ЗАО «Спецвидеопроект» и при совме стных работах по внедрению нового метода снижения пик-фактора в обо рудование ООО «ЦТВ СИГМА».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты анализа основных принципов и методов сжатия цифро вого ТВ сигнала и разработанный с учётом указанных результатов метод адаптивной оценки сигнала вектора движения позволяет увеличить эффек тивность сжатия видеосигнала.
2. Разработанный метод адаптивной коррекции и восстановления структуры информационных символов в системах цифрового ТВ вещания по стандарту DVB-T2 обеспечивает увеличение качественных характери стик приёмного оборудования.
3. Разработанный метод и экспериментальные результаты работы ал горитма выделения и снижения действия пик-фактора в системе цифрово го телевидения стандарта DVB-T2 позволяют повысить энергетические характеристики и снизить искажения при функционировании всей системы.
4. Разработанное устройство адаптивного уменьшения пик-фактора в системах цифрового телевидения стандарта DVB-T2 целесообразно исполь зовать при разработке передающего оборудования для сетей цифрового наземного вещательного телевидения.
5. Разработанное устройство повышения эффективности алгоритма оценки сигнала вектора движения может найти практическое применение при разработке кодирующих устройств стандарта H.264/AVC.
Достоверность и обоснованность научных результатов работы под тверждается адекватностью применяемых при исследовании математиче ских методов, соответствием выдвинутым положениям и результатам мо делирования, апробацией созданного программного обеспечения. Досто верность экспериментальных результатов обеспечена большим объёмом экспериментального материала, использованием современных средств компьютерного моделирования, статистическими методами обработки данных.
Работа соответствует паспорту специальности: 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» в областях: «4. Разработка и исследование методов и алгоритмов обработки радиосигналов в радио системах телевидения и связи при наличии помех. Разработка методов раз рушения и защиты информации» и «5. Исследование и разработка новых телевизионных систем и устройств с целью повышения качества изображе ния и помехоустойчивости работы».
Апробация результатов работы. Основные положения диссерта ционной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, МТУСИ, 2007-2012 г.г., международной научно-технической школе конференции «Молодые учёные – науке, технологиям и профессио нальному образованию», 2008 г., международной научно технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлек тронного приборостроения», 9-й международной научно технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», 2011 г., 20-й международной научно технической конференции «Современное телевидение и радиоэлек троника», 2012 г., отраслевой научной конференции «Технологии ин формационного общества», 2013 г.
Личный вклад заключается в непосредственном участии во всех этапах исследования, таких как математическое моделирование работы системы DVB-T2 с использованием предложенных алгорит мов коррекции и восстановления информационных символов и ал горитма снижения действия пик-фактора. Кроме того, создано про граммное обеспечение и осуществлено моделирование работы алго ритма адаптивного поиска вектора движения для стандарта Н.264.
Все основные положения, теоретические выводы и рекомендации, представленные в материалах данной диссертационной работы, по лучены автором самостоятельно.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликова но 1 0 научных работ, в том числе 3 работы – в журналах, соответствую щих перечню ВАК.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений.
Работа изложена на 210 страницах машинописного текста. Список лите ратуры включает 115 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы настоящей диссерта ционной работы, показано состояние исследуемых вопросов, определе ны цель, задачи и методы исследований. Сформулированы научная новизна, практическая значимость результатов работы и положения, выносимые на защиту. Представлены состав и краткое описание работы, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора.
В первой главе «Стандарт цифрового телевизионного вещания DVB T2» осуществлён анализ особенностей функционирования системы назем ного цифрового вещания стандарта DVB-T2. Рассмотрены особенности формирования сигнала посредством многочастотной модуляции OFDM, конкретизированы варианты распределения пилот-сигналов и уточнена кадровая структура этой системы. Выявлены основные недостатки и про блемы, возникающие при функционировании подобных систем, конкрети зированы основные направления устранения последних.
В стандарте DVB-T2 изменена методика канального кодирования, что обеспечивает лучшую помехоустойчивость, в сравнении с предыдущей версией стандарта, в многолучевых каналах, характерных для городской застройки. В стандарте определены 8 новых режимов распределения пилот сигналов для различных комбинаций длительности защитного интервала и видов первичной модуляции поднесущих, что позволило адаптивно пере страивать режимы вещания под специфику канала связи и гибко решать проблемы частотного планирования сети. В части борьбы с пик-фактором используются 2 новые методики – расширение активного созвездия и ре зервирование пилот-тона, позволяющие снизить пик-фактор без увеличе ния ошибок и внеполосного излучения.
Характерными проблемами для модуляции OFDM являются высокий пик-фактор, эффект Доплера, возникающий при мобильном приёме и уве личивающий своё влияние с ростом числа поднесущих в сигнале, повы шенные требования к линейности АЧХ и ФЧХ передающего тракта и к стабильности частот на передающей и приёмной стороне.
При разработке методов и алгоритмов, направленных на улучшение качества передачи и приёма сигналов системы DVB-T2, следует прецизи онно, с учётом условий радиодоступа, учитывать специфику кадровой структуры сигнала OFDM (символы, кадры, супер-кадры). Обоснованный выбор её вариантов обеспечивает гибкую систему адаптации к различным условиям распространения и совместимость с другими вещательными сис темами стандарта DVB.
Во второй главе «Международный стандарт кодирования с информа ционным сжатием MPEG-4/H.264» проанализированы особенности преоб разования и кодирования видеоинформационных сигналов при сжатии спектра ТВ изображений, выделены особенности межкадрового кодирова ния с предсказанием и компенсацией движения, детально рассмотрено формирование сигнала вектора движения.
В стандарте видеокодирования H.264/AVC деление кадра на слишком маленькие блоки при поиске вектора движения приводит к тому, что алго ритм сжатия становится очень восприимчивым к шуму. Поэтому при выбо ре размера блока обычно достигается компромисс между максимальным качеством поиска совпадения между блоками и минимальным числом век торов движения.
Поиск соответствия блоков, при котором перебираются все блоки из зоны поиска, называется полным перебором (FS). Если число p (количество элементов изображения) – максимально допустимое смещение при поиске, то максимально возможное количество точек поиска вычисляется как (2р+1)2. Чем больше зона поиска, тем больше вероятность найти совпа дающие блоки, но при увеличении зоны поиска квадратично увеличивается число перебираемых блоков. По качеству предсказанного изображения полный перебор даёт наилучший результат, однако имеет большую вычис лительную сложность. Разработаны субоптимальные алгоритмы оценки движения, основывающиеся на компромиссе между сложностью вычисле ний и качеством сжатия. Наиболее известными субоптимальными алгорит мами оценки движения являются: логарифмический, трёхшаговый, четы рёхшаговый, ортогональный, спиральный, иерархический и другие. Суть этих алгоритмов состоит в уменьшении количества точек поиска.
Современные алгоритмы оценки движения являются адаптивными.
Начало поиска связано с вычислением прогноза определяемого вектора движения, который основывается на оценках, полученных на предшест вующих этапах. При этом используется свойство высокой степени корре ляции векторов движения между соседними макроблоками. В дополнение к этому используются эффективные шаблоны поиска. Динамическое, адап тивного типа, изменение размеров зоны поиска позволяет при этом значи тельно ускорить процесс оценки движения.
Поиск совпадающих блоков 4х4 при четвертьпиксельной интерполя ции более сложен, чем поиск блоков 16х16 без интерполяции. С уменьше нием размеров смежных блоков возрастает число бит, которое требуется для представления полу- и четвертьпиксельных векторов, поскольку дроб ная часть вектора, т.е. 0,25 или 0,5, должна кодироваться также, как и целая часть. Более точная компенсация движения требует большего количества бит для кодирования векторного поля, но меньшего количества бит для кодирования остатка и наоборот. Эффективность субпиксельной интерпо ляции может быть увеличена за счёт использования интерполяционных фильтров адаптивного типа. Выбор размера блока следует осуществлять в данном случае с учётом специфики пространственно-временной структуры изображения и, соответственно, адаптивно изменять соотношение сторон используемых блоков.
Анализ сложности стандарта H.264/AVC показал, что наибольшими по вычислительной сложности в кодере являются операции оценки движения и интерполяции, в декодере – процедуры интерполяции и деблокинга.
В третьей главе «Разработка методов коррекции искажений сигналов в системе цифрового телевидения стандарта DVB-T2» представлены ре зультаты исследований возможности передачи сигнала стандарта DVB T/T2 по сетям кабельного телевидения (СКТВ), предложен вариант введе ния данного сигнала в групповой сигнал головной станции эксперимен тальной сети аналогового телевидения. Выявлены проблемы, возникающие при введении цифрового сигнала в аналоговую сетку частот СКТВ.
Были предложены и исследованы пять различных вариантов внедрения сигнала DVB-T/T2 в сеть кабельного телевидения:
1) Прямая ретрансляция DVB-T/T2 (прямое усиление или конвертиро вание).
2) Декодирование DVB-T/T2 на головной станции и ретрансляция про грамм в СКТ в открытом аналоговом виде.
3) Трансмодуляция COFDM/QAM, при этой схеме кабельный оператор использует программы DVB-T/T2 для формирования собственного цифро вого пакета.
4) Прямой ввод сигнала DVB-T/T2 без конвертирования.
5) Конвертирование сигнала DVB-T/T2 в нужный частотный диапазон.
Перечисленные варианты были испытаны на экспериментальной сети кабельного телевидения МТУСИ. По полученным при этом результатам был сделан вывод о том, что вариант с конвертированием сигнала DVB T/T2 в сетку частот кабельной сети не даёт возможности осуществить де кодирование сигнала DVB-T/T2 ввиду чрезмерно высокого возрастания искажений. Недопустимое возрастание уровня BER возникает из-за нели нейности преобразователей частоты в канальных конверторах головных станций. Показана эффективность введения сигнала DVB-T/T2 в сущест вующую сеть без её полной модернизации путём фильтрации, прямого усиления и частотной селекции радиосигнала после усиления.
В работе предложен метод распределения опорных несущих в про странстве частота – время, обеспечивающий возможности локальных уве личений их плотности до того момента, пока степень изменения частотных характеристик во времени не превысит заданный порог. Восстановление информационных символов осуществляется по накопленным пилот сигналам, причём высокая точность достигается за счёт выявления направ лений отсутствия значительных изменений амплитуды и наличия относи тельно высокой частоты следования опорных несущих в координатах час тота – время. Восстановление уровня информационных символов осущест вляется с применением следующих рекомендаций: частотная интерполяция применяется при значительных изменениях уровня АЧХ, и, соответствен но, опорных несущих по частоте и во времени. При менее значительных изменениях характеристик канала совместно интерполируется и амплитуд но-частотная, и амплитудно-временная характеристика (АВХ), отобра жающая зависимость коэффициента передачи канала связи от времени на фиксированной частоте. Далее, с использованием весовой комбинации по лученных по указанным направлениям результатов, восстанавливаются информационные символы. Соответственно, при уменьшении изменений уровня пилот-сигналов по временному направлению больший вес в восста новление информационных символов будет вносить временная интерполя ция (АВХ), и меньший – частотная интерполяция (АЧХ), и наоборот.
Предложено осуществлять сдвиг от символа к символу положения пи лот-сигналов на фиксированное расстояние. Затем, в приёмнике с фиксиро ванной по положению антенной, при приёме данных двух смежных кадров OFDM реализуется наложение двух сеток распределения пилот-сигналов и выполняется алгоритм двумерной интерполяции в частотной и временной области. Пояснение работы данного алгоритма представлено на Рисунке (а) и (б).
Рисунок 1. Иллюстрация алгоритма интерполяции принятых пилот-символов: а) при обработке двух смежных символов, б) механизм двумерной интерполяции (по казан стрелками) Для интерполяции АЧХ и АВХ предложено пользоваться интерполя ционной формулой Ньютона, которая удовлетворяет условию неравномер ного расположения узлов интерполяции. В общем виде интерполяционная формула для интерполяции первого порядка с учётом расположения пилот сигналов, согласно Рисунку 1, имеет вид (1). Здесь xa и xb – опорные узлы интерполяции, ya и yb – представляющие собой непрерывные пилот сигналы, k – номер текущей поднесущей, которая интерполируется, l – но мер символа OFDM, DX – параметр определения опорных несущих, а DY – количество символов для определения последовательности пилот-сигналов.
Pn ( x) = ya + Dx xa ( yb ya ), где (1) D XY, a = k [k + DX ( DY ]mod( DX DY ) + DX (l mod DY l) l) b = k [k + DX ( DY l )]mod( DX DY ) + DX (l mod DY + DY l ), При этом шаг интерполяции равен x xa, и выполняются условия q= Dx Dy K min, если a 0 K min, если b a = a, если K min a K max, b = b, если K min b K max.
K max, если a K max K max, если b K max Отметим, что при условии k Kmаx – DX DY будет применяться интерпо ляция «назад».
Рассмотрим специфику предложенного выше адаптивного алгоритма восстановления отсутствующих отсчётов сквозной АЧХ канала при типо вом распределении пилот-сигналов, показанном на Рисунке 2.
Рисунок 2. Иллюстрация алгоритма интерполяции АЧХ радиоканала Здесь можно сразу же выделить вертикальное и два квазиортогональ ных направления диагональной локализации пилот-сигналов в последова тельности смежных символов. Первый вариант (диагональное направление 3-3` с небольшим отрицательным углом по отношению к оси времени) от ражается последовательностью дискретных отсчётов (пилот-сигналов) с большим разрешением изменения по оси времени. Второй вариант, (на правление 1-1` с большим положительным углом), с эквивалентным разре шением отражается последовательностью дискретных отсчётов изменения по оси частот, но с существенно меньшим разрешением отражает измене ния уровня отсчётов по оси времени. Третий вариант (2-2`) отражает изме нения под промежуточным углом (по отношению к оси времени). Опреде ление направления максимального градиента уровня каждого отсчёта чаще всего эквивалентно идентификации ортогонального направления мини мальных изменений и конкретизировать направление относительно точно го восстановления по отношению к позициям смежного отсчёта. Целесооб разно при этом использовать коэффициенты, отражающие степень корре ляции уровней смежных, по отношению к текущему опорному, отсчётов в пределах данного направления пространства частота – время. При оценке коэффициентов следует учитывать и влияние параметров структуры рас пределения пилот-сигналов, так как значение разницы уровней смежных пилот-сигналов зависит от эффективного расстояния между ними. Если оценка коэффициента корреляции показывает одинаково высокую или близкую точность предсказания по двум и более направлениям, то осуще ствляются параллельные независимые предсказания одного и того же от сутствующего отсчёта по всем этим направлениям с весовым суммирова нием параллельно полученных результатов. Общая сумма коэффициентов весового суммирования устанавливается равной единице. При этом пред сказание уровня дополнительных отсчётов по направлениям их следования в пространстве частота – время целесообразно осуществлять с использова нием импульсных характеристик (ИХ) одномерного фильтра предсказания с условными расстояниями между чётным числом соответствующих отсчё тов, отражающими специфику изменений формы указанных характеристик по данному конкретному направлению.
V V V g n1(v ± kV0 ) = 14 (v + 7 01 ) + 13 (v + 5 01 ) + 12 (v + 3 01 ) + 0 + 2 2 2 (2) V01 V01 V ) + 0 + 12 (t 3 01 ) + + 11 (v + ) + 0 + 11 (v 2 2 V01 V + 13 (t 5 ) + 14 (v 7 ) 2 Если условно принять, что элемент символа в пространстве частота – время является квадратным (площадь P = W0 T0 ), то для, например, пер вого (1-1`) направления предсказания, согласно Рисунку 2, получим рас стояние (V01) между смежными отсчётами как V = ( W )2 + ( T )2 и, 01 0 соответственно, размер элемента по первому направлению как V01. С учё том соотношения (2), определим в спектральном пространстве коэффици ент передачи интерполяционного фильтра по первому направлению:
V 3V K ( fv ) = 2 cos 2 f v 01 + 2 cos 2 f v 01 + (3) n1 11 2 5V 7V cos 2 f v 01 + 2 cos 2 f v + 13 2 Согласно последнему соотношению, Kn1(0)=211+212+213+214. Зна чение Kn1(0) позволяет нормировать результат вычисления отсутствующих отсчётов с использованием свёртки исходной последовательности совме щённых в пространстве частота-время восьми отсчётов по первому направ лению с ИХ (2). С использованием подобной же ИХ целесообразно вычис лять отсутствующий отсчёт по второму и вертикальному направлениям.
Однако можно заметить, что для совмещения необходимых отсчётов по отдельным направлениям, согласно варианту распределения Рисунка 2, требуется существенно меньшая задержка во времени, чем для других на правлений. В связи с этим, в последних случаях может быть использована упрощённая ИХ и соответствующий коэффициент передачи:
(v ± kV ) = (v + 3 V02 ) + 0 + (v + V02 ) + 0 + g (4) n2 0 22 2 V02 ) + 0 + (v 3 V02 ) 21 (v 2 V 3V 02 + 2 cos 2 f K ( fv ) = 2 cos 2 fv v n2 21 2 При этом для второго (2-2`) направления предсказания, согласно Ри сунку 2, получим расстояние (V02) между смежными отсчётами как V = ( W )2 + ( T )2 и, соответственно, размер элемента по данному на 02 0 V. Выбор коэффициентов ij в соотношениях (2–4) оп правлению как ределяется необходимой формой АЧХ низкочастотного фильтра, с исполь зованием которого реализуется предсказание значения уровня отсутст вующих пилот-сигналов.
Таким образом, эффективное восстановление отсутствующих отсчётов АЧХ тракта передачи может быть реализовано с использованием следую щего алгоритма:
- реализуют оценку значений коэффициентов корреляции опорного и смежных по различным направлениям в пространстве частота-время реаль ных отсчётов в локальной области;
- устанавливают, согласно проведённой по п.п.1 оценке коэффициентов корреляции, направление наибольшей и наименьшей точности предсказа ния;
- в случае наличия относительно высокой степени декорреляции по всем направлениям, осуществляют предсказание в направлении, ортого нальном максимальной степени декорреляции;
- предсказывают уровни необходимых отсчётов по установленному направлению наиболее точного предсказания;
- определяют в данной локальной области для эквивалентных измене ний частоты влияние изменений интервала времени на уровень реальных отсчётов и наоборот;
- осуществляют, с учётом результатов по п.п.1 и п.п.4, независимые интерполяционные предсказания по направлениям, не ортогональным на правлению наиболее точного предсказания;
- с учётом параметров структуры распределения пилот-сигналов по на правлениям, осуществляют параллельные независимые предсказания от сутствующих отсчётов с получением общего конечного результата на ос нове весового суммирования результатов предсказаний по независимым направлениям, величины весовых коэффициентов которого устанавливают с учётом степени корреляции смежных отсчётов и параметров структуры распределения по каждому из направлений;
- с использованием предсказанных по независимым в пространстве частота – время отсчётов интерполируют и другие отсчёты по каждому из направлений;
- в случае высокой степени корреляции по всем направлениям осуще ствляют предварительные неоднократные независимые предсказания по 1, 2 и 3 направлениям с последующей параллельной интерполяцией всех ос тавшихся не восстановленными пилот-сигналов, реализуемые на основе результатов оценки степени корреляции и использования весового сумми рования.
В работе (Глава 3) разработан также алгоритм, позволяющий умень шить пик-фактор сигнала стандарта DVB-T2. Проведено математическое моделирование алгоритма обработки, доказывающее соответствие теорети ческих и практических результатов. При этом достигается снижение дейст вия пик-фактора и степени искажений характеристик обработанного сигна ла по сравнению с таким же сигналом, не подвергающимся обработке.
На Рисунке 3 представлена структурная схема устройства, реализую щего снижение действия пик-фактора. Необходимый результат в данном случае достигается последовательным использованием частотной и вре менной обработки. Суть метода заключается в том, чтобы декомпозировать сигнал на длительности символа OFDM на N временных и частотных со ставляющих, образующих матрицу размера NxN. Затем в каждом элементе этой матрицы осуществляется поиск максимального значения пик-фактора.
В той ячейке, в которой он наибольший, осуществляется уменьшение уров ня сигнала посредством регулировки усиления в блоках БРУ и БРУВ. Об щая схема устройства представлена на Рисунке 3 сверху, а детализация блоков частотной (БЧК) и временной (БВК) коррекции представлены под ним слева и справа. Особенность временной обработки заключается в том, что сигнал делится на N временных выборок в блоке БВВ, затем осуществ ляется поиск, локализация и уменьшение пик-фактора на временных от резках, а перед восстановлением сигнала во времени (в блоке БВСВ) осу ществляется выравнивание сигнала по времени с помощью блоков линии задержки на, равную 1/N длительности символа OFDM путём введения различных задержек (БЛЗ), учитывающих время прохождения и появления сигнала на выходе устройства. В блоке временной оценки пик-фактора вы рабатывается служебный сигнал для блока формирования сигнала времен ной коррекции (БФСВК), который в свою очередь производит сигнал кор рекции для блока регулировки усиления (БРУВ). Затем скорректированные сигналы в блоке восстановления сигнала по времени (БВСВ) восстанавли ваются в символ OFDM. Оптимальным, с точки зрения вычислительной сложности и полученного выигрыша, является устройство с N=3, то есть с делением на 3 частотных и временных интервала.
Рисунок 3. Структурная схема устройства уменьшения пик-фактора сигнала OFDM На рисунке 3 введены следующие обозначения:
БЧК - блок частотной коррекции БВК - блок временной коррекции БВС - блок восстановления сигнала Ф1-ФN- фильтр БВПФ - блок вычисления пик-фактора БРУ - блок регулировки усиления БФСК - блок формирования сигнала коррекции БВВ - блок временной выборки БВОПФ- блок временной оценки пик-фактора БРУВ - блок регулировки усиления по времени БЛЗ - блок линии задержки БВСВ - блок восстановления сигнала по времени БФСВК- блок формирования сигнала временной коррекции На Рисунке 4 представлено сигнальное созвездие для режима передачи 1К и первичной модуляции информационных символов 64-QAM. Для срав нения предложенного метода с сигналом, не подвергающимся коррекции, была смоделирована ситуация приёма сигнала при отсутствии обработки сигнала по предложенному алгоритму. Результирующее принятое сигналь ное созвездие без обработки алгоритма уменьшения пик-фактора представ лено на Рисунке 4(а), аналогичное созвездие сигнала, прошедшего ограни чение на передающей стороне – на Рисунке 4(б), сигнал, обработанный ал горитмом коррекции только в частотной области – на Рисунке 4(в), и на Рисунке 4(г) представлено созвездие сигнала, обработанного по предло женному алгоритму. Соотнесённые каждому случаю значения MER (коэф фициент ошибок модуляции) указаны под соответствующим графиком.
а) MER=29,68 дБ б) MER=31,59 дБ в) MER=32,11 дБ г) MER=33,71 дБ Рисунок 4. Сигнальные созвездия принятого сигнала: а- без обработки;
б- об работка амплитудным ограничителем;
в- обработка алгоритмом коррекции в час тотной области;
г- обработка по алгоритму уменьшения пик-фактора Таким образом, можно сделать вывод о том, что предложенный алго ритм обработки сигнала для уменьшения пик-фактора даёт в среднем вы игрыш в 4,03 дБ в коэффициенте ошибок модуляции (MER) по сравнению с сигналом, не подвергающимся обработке, и выигрыш в 2,12 дБ по сравне нию с сигналом, прошедшим амплитудный ограничитель, при одинаковых параметрах усилителя мощности (УМ) в тракте передачи и идентичном канале связи (в данном эксперименте используется канал с АБГШ при SNR=25 дБ). Вследствие этого можно сделать вывод о том, что предложен ный алгоритм позволяет увеличить эффективность использования усилите ля мощности (повышает его КПД), либо, при сохранении того же ОСШ на входе приёмника, понизить излучаемую мощность на передающей стороне, тем самым снизить энергопотребление. Для корректной работы устройства предлагается в поле сигнальных данных динамической L1 пост сигнализации «RESERVED_1» передавать данные об уровне коррекции по предложенному выше алгоритму, при этом каждому дискретному уровню будет соответствовать своя кодовая комбинация.
При передаче сигналов цифрового вещания по стандарту DVB-T2 в частотно-временном пространстве кадра и супер-кадра OFDM может быть реализован адаптивный алгоритм коррекции частотных искажений при приёме информационных символов, принципы обработки которого опреде ляются с учётом изменений в принятых пилот-сигналах по направлению частота-время. При этом фиксация времени и частоты позволяет конкрети зировать наиболее оптимальное направление интерполяционной обработки принятых пилот-сигналов с учётом специфики изменения их по фиксиро ванным направлениям. Кроме того, в каждой локальной области интерпо ляции возможно применение весовой обработки результатов, полученных по ортогональным направлениям в пространстве частота-время.
В четвёртой главе «Разработка устройства коррекции оценки сигнала вектора движения для стандарта Н.264» реализован метод оценки сигнала вектора движения в стандарте видеокомпрессии Н.264.
Здесь осуществлена разработка устройства, учитывающего направле ние вектора движения и осуществляющего адаптивную фильтрацию про странственных частот в направлении вектора движения. На Рисунке 5 при ведена структурная схема устройства оценки сигнала вектора компенсации движения.
Рисунок 5. Структурная схема устройства коррекции вектора компенсации движения БКП - блок кадровой памяти БСОФ - блок селекции области фильтрации БВД (г) - блок грубой оценки вектора движения БОДНВ - блок оценки длины и направления вектора БВУ - блок вычитающего устройства БВД - блок вычисления вектора движения БВС - блок векторной суммы ФНЧ 1-6 - фильтр нижних пространственных частот БП(Н.264) - блок памяти, входящий в кодер Н. Принцип работы данного устройства заключается в следующем: из по следовательности кадров извлекаются текущий и предыдущий кадр, теку щий кадр задерживается в БКП (блок кадровой памяти), а потом эти оба кадра, пройдя через ФНЧ 1, попадают в блок грубой (с использованием пониженного числа отсчётов) оценки длины и направления вектора движе ния (БВД(г)). Одновременно сигнал поступает на 2 блока селекции области фильтрации (БСОФ), которые в зависимости от управляющего сигнала из блока оценки длины и направления вектора (БОДНВ) коммутируют сигнал на один из 5 фильтров нижних частот (ФНЧ 2-6). Управляющий сигнал определяется, исходя из длины и направления вектора движения. В соот ветствии с управляющим сигналом, к входу сумматоров подключается конкретный из отфильтрованных сигналов, что и определяет эффективное подавление шумовых составляющих. В блоке вычитающего устройства (БВУ) происходит вычитание сигналов, и полученная среднечастотная раз ность от двух кадров поступает на блок поиска и уточнения вектора движе ния (БВД). Туда же приходят данные о грубом вычислении вектора движе ния из БВД(г). В блоке векторной суммы (БВС) осуществляется векторное сложение найденного исходного грубого вектора движения и соответст вующего ему уточняющего вектора движения из БВД. Сигнал на выходе поступает на кодер Н.264 для формирования кодированного потока дан ных.
Конкретизация вектора движения осуществляется с учётом перемеще ния границ в области наличия движения и предсказания движения с ис пользованием нескольких опорных кадров. Развитием этого направления является адаптивная фильтрация среднечастотных и высокочастотных со ставляющих и изменение её характеристик в зависимости от направления и скорости перемещения объектов. С этой целью первоначально определим в реальной области наиболее протяжённую составляющую ступенчатой аппроксимации импульсной характеристики пространственного низкочас тотного фильтра (ПФНЧ) в виде последовательностей дельта-функций с чётным числом (16x16) отсчётов и соответствующий ей нормированный спектр. Амплитудно-частотная характеристика этой ступени аппроксима ции ПФНЧ будет иметь вид:
( 4n + 1) 2 f xT0 x ( 2n + 1) 2 f x 2T0 x sin sin P ( fx, f y ) 2 1 P01 ( f x, f y ) = = P ( 0, 0 ) P ( 0, 0 ) 2 f xT0 x 2 f x 2T0 x sin sin 1 (5) 2 ( 4m + 1) 2 f yT0 y ( 2m + 1) 2 f y 2T0 y sin sin 2 2 f yT0 y 2 f y 2T0 y sin sin 2 В соответствии с ИХ, полученной за счёт весового суммирования со ставляющих, получим соотношение для нормированного коэффициента передачи низкочастотного пространственного фильтра:
) ) ) ) ( ( ( ( P fx, f y + P f x, f y + P fx, f y + P fx, f y (6) ) ( S0 f x, f y = 1 01 2 02 3 03 4 + + + где P02(fx, fy), P03(fx, fy), P04(fx, fy) – соотношения нормированных спектров для по следовательностей дельта-функций с числом отчётов 8х8, 4х4 и 2х2 соответственно.
Для современных датчиков ТВ сигнала характерно действие на сигнал изобра жения апертурных искажений. Проведённые на кафедре Телевидения и звукового вещания МТУСИ экспериментальные и теоретические исследования показали целе сообразность аппроксимации апертурно-частотной характеристики ТВ камер двумя (и более) функциями гауссовского типа. В результате была получена функция дву мерной апертурной характеристики, соответствующая соотношению сле дующего вида:
F0 (2 f x, 2 f y ) = [0,9 exp( 1,304 10 15 4 2 f x2 ) + (7) + 0,1exp( 0, 2536 10 15 4 2 f x2 )] [0,9 exp( 1,304 10 15 4 2 f y2 ) + + 0,1exp( 0, 2536 10 15 4 2 f y2 )] В соответствии с (10), результирующая характеристика низкочастотно го фильтра S(fx, fy) определяется произведением:
(8) Sv ( f x, f y ) = S 0 ( f x, f y ) F0 ( f x, f y ) На Рисунке 6 (а) показана частотная характеристика пространственного фильтра нижних частот для случая 1=2,6;
2=1,65;
3=0,5;
4=0,15. Результат вычислений показывает, что относительно простой, с точки зрения вычислительной сложности, вариант низкочастотного фильтра, реализованный с использованием ступенчатой аппроксимации с минимальным числом ступеней (четыре), обеспечивает необходи мое выделение низких пространственных частот в частотной области локализации с радиусом (эквивалент по оси частот) 700 кГц. Пространственные высокочастот ные составляющие выделим с применением полосового пространственного фильтра, коэффициент передачи которого определяется вычитанием соотношений (7) и (8).
(9) Fv ( f x, f y ) = F0 ( f x, f y ) Sv ( f x, f y ) На рисунке 6(б) представлены результаты вычисления, согласно соотношению (9), характеристики коэффициента передачи, обеспечивающего необходимое подав ление низких пространственных частот.
Sv Fv Рисунок 6. Частотные характеристики пространственных фильтров: а) нижних частот, б) полосового фильтра Селекцию составляющих в соответствии с направлением движения объекта це лесообразно, с учётом вычислительной сложности, реализовать с применением от носительно простых, одномерного типа, фильтров низких частот с протяжённостью ИХ, охватывающих по три отсчёта по заданным направлениям фильтрации с весо выми коэффициентами: –1=0,5;
0=1,0;
+1=0,5. Специфика ортогональной структу ры дискретизации, используемой в пределах внутрикадрового пространства, опреде ляет выбор четырёх возможных направлений фильтрации под углами: –45;
+45;
0 и 90 градусов.
Соответственно, при Т0х = Т0 y, имеем четыре возможных соотношения для ко эффициента передачи одномерного фильтра:
1,0 cos(2 f x 2T + 2 f y 2T ) 1,0 cos(2 f x 2T ) 0y, 0x 0x F ( fx, f y ) = F ( fx, f y ) = 01 1,0 cos(2 f x 2T + 2 f y 2T ) 1,0 cos(2 f y 2T ) 0y, 0 y (10) 0x F ( fx, f y) = F ( fx, f y ) = 02 2 Характеристика селекции высокочастотных пространственных составляющих Fvi(fx,fy) по отдельному (i-тому) из четырёх возможных направлений внутрикадро вого пространства определяется произведением функции Fv(fx,fy) и каждого отдель ного коэффициентов передачи, представленных в соотношении (10) (Рисунок 7):
F ( f x, f y ) = Fv ( f x, f y ) F ( f x, f y ) ;
F ( f x, f y ) = Fv ( f x, f y ) F ( f x, f y ) ;
v1 v2 Fv3 ( f x, f y ) = Fv ( f x, f y ) F03 ( f x, f y ) ;
F ( f x, f y ) = Fv ( f x, f y ) F ( f x, f y ) (11) v4 а) б) Fv Рисунок 7. Частотные характеристики фильтров селекции высокочастотных пространст венных составляющих: а - под углом +45 градусов;
б - под углом –45 градусов;
в - по горизон тали;
г - по вертикали Проведённые вычисления характеристик предложенного варианта адаптивной пространственной фильтрации сигналов изображений при формировании сигнала вектора движения показали, что при относительно невысокой вычислительной сложности может быть реализовано необходи мое устройство фильтрации, обеспечивающее регулирование характери стик в зависимости от параметров движения. При этом изменение направ ления движения определяет текущий порядок коммутации одномерных фильтров, а увеличение скорости движения – изменение времени относи тельной задержки отсчетов, что отражается сужением эквивалентной поло сы пропускания одномерного фильтра нижних частот, сигнал с выхода ко торого коммутируется на общий выход устройства.
Разработанное устройство улучшения алгоритма поиска вектора дви жения за счёт адаптивного поиска векторов в области среднечастотных пространственных составляющих, позволяет минимизировать ошибки и исключить ложные вектора движения на фоновых статических изображе ниях, а также повысить точность поиска векторов движения для относи тельно мелких движущихся объектов. Кроме того, обоснована возможность внедрения предложенного алгоритма в кодеки стандарта H.264/AVC без изменения синтаксиса битового потока.
В заключении приводятся основные выводы и результаты выполнен ной работы.
В приложениях приведены рисунки, поясняющие распределение пи лот-сигналов в стандарте DVB-T2, характерные искажения при выпадении кадров из закодированного видеопотока, а также текст программ, модели рующих работу разработанных устройств.
Основные результаты работы.
1. Проведён анализ формирования сигнала стандарта DVB-T2, выявле ны основные достоинства и недостатки систем с OFDM модуляцией. Про ведён теоретический анализ характеристик, параметров и искажений фор мирования сигналов телевизионных изображений в системах цифрового вещательного телевидения.
2. Проведён анализ основных принципов и методов сжатия цифрового телевизионного сигнала по стандарту H.264/ MPEG-4, конкретизированы основные алгоритмы предсказания при межкадровом сжатии видеосигна ла, обоснованы направления повышения эффективности алгоритмов оцен ки сигнала вектора движения.
3. Разработан метод адаптивной коррекции сигналов и восстановления информационных символов в системе цифрового ТВ вещания по стандар ту DVB-T2.
4. Разработан метод и алгоритм обнаружения и уменьшения пик фактора в системах цифрового ТВ вещания по стандарту DVB-T2. Данный метод позволяет получить выигрыш в коэффициенте ошибок модуляции (MER) в 4,03 дБ.
5. Разработан адаптивный алгоритм эффективной оценки сигнала век тора движения для стандарта Н.264.
6. Проведены экспериментальные исследования разработанного алго ритма обнаружения и уменьшения пик-фактора, создана программа, моде лирующая работу данного метода.
7. Разработано устройство повышения эффективности алгоритма по иска вектора движения для стандарта Н.264. Проведены эксперименталь ные исследования разработанного метода и алгоритма, создана программа для моделирования работы устройства повышения эффективности алго ритма поиска вектора движения. Данный метод позволяет получить выиг рыш в отношении пиковый сигнал-шум (PSNR) в среднем на 1,2 дБ.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 1. Икрамов К.С., Жаворонков И.В., Коржихин Е.О. Форматы сжатия видеосемейства MPEG // Материалы научной конференции профессорско преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ– М.: Инсвязьиздат, – 2006 г.– с. 55-57.
2. Коржихин Е.О. Особенности цифрового телевизионного стандарта DVB-T // Московская отраслевая НТК “Технологии информационного об щества”, тезисы докладов, М.: Инсвязьиздат, 2007 г. – с. 110-111.
3. Безруков В.Н., Комаров П.Ю., Коржихин Е.О. Специфика коррекции характеристик радиоканала в системе цифрового телевидения по стандарту DVB-T. Труды Московского технического университета связи и информа тики – М.: «ИД Медиа Паблишер», – 2008 г.– Т1. – с. 437-440.
4. Коржихин Е.О. Свешников Н.Б., Васьков А.В. Одночастотные сети вещания в стандарте DVB-T// Материалы международной научно технической школы-конференции “Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию” - Часть 4. – М., 2008 г. – с. 214-220.
5. Коржихин Е.О. Сравнение стандартов цифрового наземного вещания DVB-T и DVB-T2 // T- Comm – Телекоммуникации и транспорт. – Часть 1.
– М.: «ИД Медиа Паблишер», – 2009 г., №6 – с. 203-205.
6. Коржихин Е.О. Особенности построения одночастотных сетей в но вом стандарте цифрового вещания DVB-T2 // T-Comm – Телекоммуника ции и транспорт. – М.: «ИД Медиа Паблишер» – 2010 г. – № 9 – с. 3-5.
7. Коржихин Е.О. Особенности устранения межкадровой избыточности в стандарте MPEG-4/H.264 // Материалы 9-й международной научно технической конференции “Перспективные технологии в средствах пере дачи информации” – ВлГУ, т.2 – 2011 г. – с. 8-11.
8. Коржихин Е.О., Белов А.С. Анализ методов обработки принимаемо го сигнала в системе цифрового телевизионного вещания DVB-T2 // Фун даментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, Материалы Международной научно-технической конференции «INTERMATIC –2011», Москва 14–17 ноября 2011 г. – с. 239-242.
9. Коржихин Е.О. Исследование методов снижения действия пик фактора в системах DVB-T/T2 за счёт линейной и нелинейной обработки сигнала // Труды 20-й международной научно-технической конференции “Современное телевидение и радиоэлектроника”, – М.: ФГУП «МКБ Элек трон»– 2012 г. – с. 31-34.
10. Коржихин Е.О., Власюк И.В. Методы снижения пик-фактора в сис темах наземного цифрового телевизионного вещания стандарта DVB-T2 // T- Comm – Системы подвижной связи и цифрового телерадиовещания. Вы пуск по итогам 6-й отраслевой научной конференции МТУСИ “Технологии информационного общества”, М.: «ИД Медиа Паблишер» – 2012 г. – № 9– с.83-86.