Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Кустов Денис Анатольевич
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОБОБЩЕННОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЦИФРОВОГО ТРАНСПОРТНОГО ПОТОКА И СТАНДАРТИЗАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ В ТЕЛЕВИДЕНИИ
Специальность: 05.02.23 - Стандартизация и управление качеством продукции
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург - 2012
Работа выполнена в Открытом акционерном обществе НаучноИсследовательский Институт Телевидения Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Л.Л. Полосин
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор А.А. Гоголь кандидат технических наук, профессор С.А. Бабаев Ведущая организация - ФГУП "Ордена трудового красного знамени научно-исследовательский институт радио СанктПетербургский филиал Ленинградское отделение научно-исследовательского института радио (Филиал ФГУП НИИР-ЛОНИИР), СанктПетербург
Защита диссертации состоится л 4 октября 2012 г. в ___ часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.010.03 БГТУ ВОЕНМЕХ им. Д.Ф. Устинова по адресу: 190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.
Автореферат разослан л 2 июля 2012 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета / Петров Ю.В. /
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 - 20годы" 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.
Оптические Оптические ЦТП ЦТП сигналы Тракт Тракт сигналы Тракт формирования объекта передачи воспроизведения изображения цифровых ТВ сигналов Изображения и сигналов со ЦТП звука сжатием 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 52592-20Тракт 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 лесть 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: лотлично, хорошо, лудовлетворительно, 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:
1. Произвести анализ преобразований сигналов в существующих системах цифрового телевидения для выявления источников ухудшений ЦТП, провести анализ существующих методов объективной оценки качества и провести анализ существующих устройств контроля ЦТП;
2. Разработать методы объективной оценки качества ЦТП в сетях распространения цифровых ТВ сигналов;
3. Разработать технические и программные средства объективной оценки качества ЦТП;
4. Провести экспериментальные исследования зависимостей качества ЦТП в цифровой наземной ТВ системе от различных факторов деградации КС и выработать таблицу соответствия категорий качества от оценок качества ЦТП.
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:
1. 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.
2. Определены следующие факторы деградации качества ЦТП: частота появления ошибки, зона распространения ошибки, скорость ошибочного пакета, степень влияния ошибки и их весовые значения.
3. Разработан оригинальный способ оценки качества ЦТП, заключающийся в том, что по частным оценкам, определяемым по факторам деградации, находится обобщенная мультипликативная оценка качества ЦТП.
4. Определена связь числовых оценок качества ЦТП и предложенных оценок качества по пятиуровневой шкале категорий.
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 АТП2 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 РТП - 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:
1. 5, 6 и 7 международные конференции Телевидение. Передача и обработка изображений, СПб, июнь 2007, 2008 и 2009гг.
2. 64-я научно-техническая конференция, посвященная 150-илетию А.С.Попова, СПб, Апрель 2009 г.
3. 18 и 19 конференции главных метрологов и специалистов метрологических служб отрасли связи Обеспечение единства измерений в отрасли связи, Москва, май 2010 и 2011 гг.
4. 2-я международной конференции участников рынка цифрового телерадиовещания России Цифровые и массовые коммуникации в России 2011, Москва март 2011 г 5. Международная конференция вещателей (IBC) 2011, Амстердам, сентябрь 206. 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 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.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из них - статей (3 статьи опубликованы в изданиях, определенных ВАК) и 5 работ в материалах международных и российских научно-технических конференций, стандарта в области цифрового телевидения стандартной и высокой четкости, 1 отчет по НИР и 3 отчета по ОКР.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и определены задачи работы, изложена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные научные положения, выносимые на защиту, дается характеристика работы, приводится краткое содержание работы по главам.
В первой главе приведены существующие цифровые телевизионные системы стандартов DVB, их основные звенья и точки контроля ЦТП в этих системах; дано представление о структуре и синтаксисе ЦТП, о его основных элементах; показаны некоторые существующие методы оценки качества в телекоммуникациях; приведен обзор средств контроля ЦТП.
В рамках диссертации выделяется ряд общих принципов построения систем и устройств цифрового телевидения (ЦТВ), охарактеризованы основные процессы, происходящие в тракте цифровой телевизионной системы.
Цифровая телевизионная система (см. рис. 1) включает в себя следующие основные звенья: тракт источника цифровых сигналов, в котором происходит преобразование оптических сигналов изображения в цифровые электрические сигналы изображения, их обработка, сжатие цифрового потока, формирование телевизионных программ и преобразование в ЦТП; тракт передачи сигналов ЦТП; тракт воспроизведения изображения. Границами тракта источника цифровых сигналов являются: входной зрачок оптической системы телевизионной камеры и выходной разъем интерфейса тракта источника сигналов цифрового телевидения, соединяемого с входным разъемом интерфейса тракта передачи ЦТП. В свою очередь границами тракта передачи сигналов ЦТП являются: входной разъем интерфейса тракта передачи ЦТП, соединяемого с выходным разъемом тракта источника сигналов цифрового телевидения (точка 1 на рис. 1), и выходной разъем интерфейса тракта передачи ЦТП, соединяемого с входным разъемом интерфейса тракта воспроизведения изображения (точка 2 на рис. 1). Границами тракта воспроизведения изображения являются:
входной разъем интерфейса тракта воспроизведения изображения, соединяемого с Рисунок 2. Структура ЦТП.
выходным разъемом интерфейса тракта ЦТП и растр воспроизводимого изображения, воспринимаемого зрителем.
Согласно международному стандарту ISO/IEC 13818-1 пакеты ЦТП должны иметь длину 188 байт, из них 4 байта заголовка и 184 байта полезной нагрузки. Полезной нагрузкой могут быть различные цифровые данные, которые необходимо передавать по ТВ КС. Это могут быть аудио-, видеоданные, таблицы системной информации (СИ), информация сопровождения телевизионных данных, телетекст, данные телефонии, данные Internet и т.д.
Заголовок содержит всю необходимую информацию для синхронизации ЦТП, идентификации пакета ЦТП, определения его статуса и места в потоке и структуре.
Структура формирования телевизионных программ в ЦТП показана на рис.2.
Таблицы делятся на системную информацию (DVB) и программную (MPEG). Для того, чтобы любой бытовой приемник-декодер смог правильно декодировать выбранную программу в ЦТП предусмотрен табличный механизм структурирования программ.
Количество программ, номера программ и значения идентификаторов пакетов (ИП) их таблиц структуры программы (PMT) передаются в таблице соединения программ (PAT). В свою очередь РМТ передает информацию об ЭП, входящих в состав каждой конкретной программы: их типе (аудио, видео, субтитры, телетекст, данные и т.д.), значениях их ИП, значение ИП, содержащего синхронизацию задающего генератора этой программы. Для того чтобы узнать названия и другую сервисную информацию о программах и ЦТП, существуют другие таблицы. Таблица сетевой информации (NIT) служит для передачи сведений о способе доставки (параметрах КС и частотах), таблица сервисных описателей (SDT) служит для предоставления информации об источниках ЦТП, таблица информации о событиях (EIT) содержит сведения о начале и окончании текущего, следующего и будущих событий, необходимые для работы электронной телевизионной программы передач. Таблица времени и даты (TDT, TOT) передает всемирно координированное время (UTC). Таблица условного доступа (CAT) передает ключи для закодированных программ ЦТП.
Показаны существующие методы измерения качества сервиса в области телекоммуникаций. Качество сервиса - это совокупность характеристик услуги электросвязи, которые имеют отношение к ее возможности удовлетворять установленные и предполагаемые потребности пользователя услуги. Качество сервиса объединяет понятия: действенность, безопасность, обеспеченность и удобство пользования. Качество функционирования телекоммуникационной сети характеризует эффективность обслуживания трафика. Пользователь телекоммуникационной сети обычно не интересуется структурой сети и тем, как предоставляется нужная услуга. В то же время он интуитивно оценивает качество данной услуги, сравнивая его с качеством подобных услуг. Качество сервиса с точки зрения пользователя может быть выражено совокупностью параметров, которые описываются в терминах, понятных как службе, так и пользователю, и не зависят от структуры сети. Они должны быть гарантированны пользователю службой и поддаваться объективному измерению в точке доступа к услуге.
В системах DVB используется рекомендация TR101290, вышедшая в мае 2001 г. В ней задача подсчета качественной оценки транспортного потока разделена на две независимые: системная доступность и качество сервиса. В отличие от задачи контроля системной доступности, где в качестве законченной рекомендации предлагается алгоритм, набор параметров и критерии, задача оценки качества сервиса представлена только как проект, поскольку окончательный алгоритм может быть опубликован после активного обмена информацией с операторами, использующими анализаторы ЦТП для контроля тракта передачи. По рекоммендации TR101290 качество передачи цифровых потоков разбивается на 5 классов. 1 класс - высокое качество обслуживания (искажений нет). 2 класс - хорошее качество (немного ухудшений). 3 класс - низкий уровень качества (регулярные ухудшения). 4 класс - очень низкий уровень качества (регулярные перерывы обслуживания). 5 класс - повторяющиеся потери качества (невозможность приема любых программ).
Понятие системной доступности (СД) перешло практически без изменений из телекоммуникаций в цифровое телевидение. В СД определен основной критерий оценки - пораженный временной интервал. Базой для оценки СД в телевидении является две ошибки - потеря синхронизации и ошибка транспортного пакета. В зависимости от интенсивности появления этих ошибок индицируется состояние тракта передачи ЦТП: период сильных нарушений, ошибочный блок, интервал времени с ошибками, секунда с ошибками, интервал времени с сильными ошибками, секунда с сильными ошибками, недействительное время.
огическим развитием приборов мониторинга и анализа ЦТП является создание систем дистанционного мониторинга ЦТП. В цифровом телевидении данной теме посвящена техническая спецификация TS102032, созданная в 2002 году. Она определяет информационную базу MIB (Management Information Base), которая должна создаваться в любых измерительных средствах, используемых в режиме дистанционного мониторинга в соответствии с TR101290. Доступ к этой базе осуществляется с помощью протокола SNMP (Simple Network Management Protocol).
Структура MIB представлена в иерархическом виде. Каждому модулю присвоен конкретный объектный идентификационный номер OID (Object Identifier) проекта DVB. Этим обеспечивается одинаковая ценность информации, поступающей от различных измерительных приборов, которые содержат MIB и интегрированы в систему контроля и мониторинга технического состояния.
В обзоре средств измерения приведены основные анализаторы и системы мониторинга ЦТП, существующие на данный момент в ЦТВ.
Появление новых служб значительно повышает интерес пользователей к системам ЦТВ, за счет чего происходит увеличение количества пользователей. Возрастающее количество абонентов и повышение сложности цифрового тракта предъявляет высокие требования к качеству каналов передачи информации в системах ЦТВ. В свою очередь, отсутствие четких, простых и понятных нормативных документов в области контроля трактов ЦТВ негативно влияет на провайдеров ЦТВ и усложняет экономические взаимоотношения пользователей сетей ЦТВ с поставщиками услуг.
Поэтому создание эффективных алгоритмов объективного контроля качества трактов ЦТВ становится важной задачей при эксплуатации систем ЦТВ и сетей распространения ТВ программ.
Вторая глава посвящена разработке алгоритма анализа качества ЦТП. Показано, что методы определения ошибок, представленных в TR101290, недостаточны для объективной оценки качества ЦТП. На основании предложенных методов произвести расчет объективной оценки качества не представляется возможным, поскольку весовой коэффициент каждой ошибки может сильно варьироваться в зависимости от множества условий. Для решения этой задачи целесообразно составить собственный список методов, распределенных на три группы: декодируемость, стабильность, информативность.
Для расчета оценки качества ЦТП предлагается ввести следующие определения:
фактор деградации ЦТП, коэффициент деградации ЦТП, критерий качества ЦТП.
Определены следующие факторы деградации:
- частота появления ошибки ( K1 1 TОШ TИЗМ ), - зона распространения ошибки ( K2 1 (0.5 Z X )), - скорость пакета ЦТП, в котором произошла ошибка ( K3 S TR ), - степень влияния ошибки ( K4 1 A).
Методы определения ошибок, распределенные по группам, представлены в таблицах 1, 2 и 3. Курсивом и (*) помечены методы, предложенные автором.
Таблица 1. Первая группа - Декодируемость.
Методы № ошибки Потеря синхронизации ЦТП 1.Ошибка в транспортном пакете 2.Ошибка таблицы соединения программ: отсутствие таблицы в ЦТП 1.3:4 (*) Ошибка таблицы соединения программ: ошибка идентификатора таблицы 1.3:Ошибка таблицы соединения программ: таблица скремблирована 1.3:Ошибка таблицы соединения программ: несовпадение циклического контроля 1.3:5 (*) Ошибка таблицы соединения программ: нарушение следования или пропуск пакетов 1.3:6 (*) Таблица 1. Первая группа - Декодируемость.
Методы № ошибки Ошибка таблицы структуры программ: отсутствие таблицы в ЦТП 1.5:4 (*) Ошибка таблицы структуры программ: ошибка идентификатора таблицы 1.5:Ошибка таблицы структуры программ: таблица скремблирована 1.5:Ошибка таблицы структуры программ: несовпадение циклического контроля 1.5:5 (*) Ошибка таблицы структуры программ: нарушение следования или пропуск пакетов 1.5:6 (*) Ошибка в передаче сигнала синхронизации задающего генератора: отсутствие данных 2.3:3 (*) Ошибка непрерывности счета: нарушение следования или пропуск пакетов 1.4:Ошибка таблицы условного доступа: ошибка идентификатора таблицы 2.6:Ошибка таблицы условного доступа: таблица скремблирована 2.6:Ошибка таблицы условного доступа: несовпадение циклического контроля 2.6:Ошибка таблицы условного доступа: нарушение следования или пропуск пакетов 2.6:4 (*) Ошибка в идентификации пакета: отсутствует пакет, сопряженный с одной из таблиц более 3.4:0.5 с Ошибка таблицы соединения программ: превышение интервала следования 1.3:Ошибка таблицы структуры программ: превышение интервала следования 1.5:Ошибка в передаче сигнала синхронизации задающего генератора: превышение интервала 2.3:следования в 100 мс без индикатора разрыва Ошибка недопустимого ухода частоты сигнала синхронизации 2.Ошибка меток времени представления 2.Таблица 2. Вторая группа - Стабильность Методы № ошибки Ошибка приема байта синхробайта 1.Ошибка непрерывности счета: повторяемость пакетов 1.4:Ошибка циклического контроля всех таблиц 2.Ошибка в передаче сигнала синхронизации задающего генератора: превышения интервала 2.3:следования в 40 мс.
Ошибка повторения системной информации: слишком частое появление секций 3.2:Ошибка в идентификации пакета: присутствует пакет не сопряженный ни с одной таблицей 3.4:более 0.5 секунды Таблица 5. Третья группа - Информативность.
Методы № ошибки Присутствие в транспортном потоке таблицы сетевой информации и ее корректность:
3.1:3 (*) отсутствие таблицы в ЦТП Присутствие в транспортном потоке таблицы сетевой информации и ее корректность:
3.1:4 (*) текущая таблица скремблирована Присутствие в транспортном потоке таблицы сетевой информации и ее корректность:
3.1:ошибка идентификатора таблицы Присутствие в транспортном потоке таблицы сетевой информации и ее корректность:
3.1:6 (*) нарушение следования или пропуск пакетов Наличие в транспортном потоке таблицы системных дескрипторов и ее корректность:
3.5:3 (*) отсутствие таблицы в ЦТП Наличие в транспортном потоке таблицы системных дескрипторов и ее корректность:
3.5:4 (*) текущая таблица скремблирована Наличие в транспортном потоке таблицы системных дескрипторов и ее корректность:
3.5:ошибка идентификатора таблицы Наличие в транспортном потоке таблицы системных дескрипторов и ее корректность:
3.5:нарушение следования или пропуск пакетов Ошибка таблицы установки: ошибка идентификатора таблицы 3.7:Ошибка таблицы установки: нарушение следования или пропуск пакетов 3.7:3 (*) Наличие в транспортном потоке таблицы времени и даты и их корректность: ошибка 3.8:идентификатора таблицы Наличие в транспортном потоке таблицы времени и даты и их корректность: нарушение 3.8:4 (*) следования или пропуск пакетов Присутствие в транспортном потоке таблицы сетевой информации и ее корректность:
3.1:превышение интервала следования Таблица 5. Третья группа - Информативность.
Методы № ошибки Присутствие в транспортном потоке таблицы сетевой информации и ее корректность:
3.1:ошибка таблицы сетевой информации соседнего канала Наличие в транспортном потоке таблицы системных дескрипторов и ее корректность:
3.5:превышение интервала следования в 2 с. для текущей таблицы Наличие в транспортном потоке таблицы системных дескрипторов и ее корректность:
3.5:ошибка таблицы сервисных описателей соседнего канала Присутствие в транспортном потоке таблицы предсказания последующей информации и ее 3.6:корректность: превышение интервала следования в 2 с. для текущей таблицы Присутствие в транспортном потоке таблицы предсказания последующей информации и 3.6:3 (*) ее корректность: текущая таблица скремблирована Присутствие в транспортном потоке таблицы предсказания последующей информации и ее 3.6:корректность: ошибка идентификатора текущей таблицы Присутствие в транспортном потоке таблицы предсказания последующей информации и ее 3.6:корректность: ошибка прочих таблиц информации о событиях Присутствие в транспортном потоке таблицы предсказания последующей информации и 3.6:5 (*) ее корректность: нарушение следования или пропуск пакетов Ошибка таблицы установки: текущая таблица скремблирована 3.7:Наличие в транспортном потоке таблицы времени и даты и их корректность: превышение 3.8:интервала следования в 30 с.
Наличие в транспортном потоке таблицы времени и даты и их корректность: текущая 3.8:3 (*) таблица скремблирована Оценку качества ЦТП предполагается проводить на основе всего периода измерения (ПИ) и его дискретной составляющей - измерительного интервала (ИИ).
Расчет оценки качества ЦТП может производиться как на уже сохраненных данных, так и в процессе мониторинга в реальном масштабе времени.
Коэффициенты деградации ЦТП К1 К4 рассчитываются для каждой обнаруженной ошибки за ИИ. Данные об ошибках поступают с анализаторов АТП по мере появления этих ошибок, но не чаще чем один раз в секунду.
Среднее значение коэффициентов одного типа для каждого параметра за полный период измерения должны рассчитываться по формуле 1:
N KiAV Kin, (1) N n где i - от 1 до 4, N - количество секунд за ПИ.
Коэффициент качества для каждого параметра:
KiPAR 4 K1AV K2 AV K3AV K4 AV. (2) Исключением для суммарного коэффициента являются ошибки, источником которых является отсутствие данных в ЦТП. Для этих ошибок коэффициент K3AV не рассчитывается. Поэтому, в формуле 2 степень корня будет равна 3 вместо 4.
Итоговая оценка качества по критерию за общий интервал измерения: Q - среднее геометрическое коэффициентов качества KiPAR параметров входящих в критерий умноженное на максимальную оценку (в данном случае 5):
m Q 5 KLTS m KiPAR, (3) i где m - количество параметров в критерии (для декодируемости - 23 параметра, для стабильности - 6 параметров, для информативности - 24 параметра), KLTS - коэффициент потерь.
В таблице 4 Приведен пример расчета оценки качества ЦТП.
Таблица 4. Расчетная таблица коэфф. деградации критерия декодируемость.
Коэффициенты деградации за ИИ:
№ ошибки по 00:00:00-00:00:09, 00:00:10-00:00:19, 00:00:20-00:00:29, 00:00:30-00:00:39, 00:00:40№ таблицам 1, 00:00:и K1AV K2AV K3AV K4AV 2.1, 2.3:3, 1.3:1 1. 1 1 1 1.3:6, 1.5: 1.5:2. 1.4:2 0.9976 0.85 0.5459 0.2.6:2 2.6:4, 3.4:2, 3. 1 1 1 2.3:2, 2.4, 2.K1.4:2=(0.99760.850.54590.91)1/4=0.80K1.1=KLTS=(0.92160.50.6)1/3 = 0.65Qдек=50.6515(0.8056)1/23=3.Qстаб=5(0.0750)1/6=3.Qинф=5(0.21250.12080.1208)1/24=3.Третья глава посвящена разработке средств оценки качества ЦТП.
Согласно поставленным задачам по теме диссертации и исходя из технических характеристик существующих анализаторов ЦТП, был разработан анализатор АТП-Рисунок 3. Функциональная схема анализатора АТП-2.
со следующими характеристиками:
- контроль ЦТП, содержащего видеоданные MPEG-2, MPEG-4/AVC, MPEG-4/HDTV и VC-1, в реальном масштабе времени;
- определение фактической скорости ЦТП, эффективной скорости каждой программы ЦТП и каждого типа пакета (PID) в отдельности;
- обеспечивает определение ошибок ЦТП в соответствии с группами по ГОСТ Р 52592-2006 в режиме мониторинга, - обеспечивает анализ таблиц системной информации (SI / PSI), - обеспечивает просмотр состава программ внутри ЦТП, - обеспечивает дистанционный режим отображения и управления, - обеспечивает прием RF сигналов стандартов DVB.
Функциональная схема разработанного анализатора АТП-2 приведена на рис. 3.
Входной ЦТП поступает на мультиплексор блока предварительной обработки либо с приемника DVB-ASI, либо с опционального приемника. С мультиплексора ЦТП поступает на блок синхронизации, откуда он попадает в сдвоенное буферное ОЗУ для дальнейшего логического анализа блоком микропроцессора. Параллельно со сдвоенным буферным ОЗУ ЦТП поступает на блок измерения скорости и на блок измерения джиттера. Блок микропроцессора обрабатывает результаты, полученные с блока измерения скорости и блока измерения джиттера, и производит анализ ЦТП.
Результаты анализа поступают на персональный компьютер (ПК) через буферное ОЗУ и блоки управления и связи с ПК. Настройка параметров анализа и выбор режима работы блока микропроцессора, выбор используемого входа блока предварительной обработки и настройка опционального приемника осуществляется с ПК через блок управления.
Для непосредственной работы с анализаторами АТП-1 и АТП-2 разработана программа atp.exe, устанавливаемая на ПК, к которому подключается анализатор.
Разработанные в рамках диссертационной работы анализаторы с опциями, приведены в таблице 5. Внешний вид АТП-2 представлен на рис. 4.
Таблица 5. Варианты анализатора АТП-2 с различными опциями.
Опции\ АТП- АТП- АТП- АТП- АТП- АТП- АТП- АТП- АТП- АТПМодификации 2 2/01 2/02 2/03 2/04 2/05 2/06 2/07 2/08 2/Декодер A/V - + + - + - + - + - Приемник DVB-S - - + + - - - - - - Приемник DVB-T - - - - + + - - - - Интерфейс 4хЕ1 - - - - - - + + - - Интерфейс IPTV - - - - - - - - + + Анализатор АТП-2 имеет сертификат об утверждении типа средства измерения Рисунок 4. Внешний вид Рисунок 5. Структурная схема СДМ ЦП.
анализатора АТП-2.
Госстандарта России № 14730/4 и занесен в Госреестр средств измерения.
На основе анализаторов АТП-1 и АТП-2 разработана система дистанционного мониторинга цифровых ТВ передатчиков (СДМ ЦТВП). Схема СДМ ЦТВП показана на рис. 5. В СДМ ЦТВП анализаторы АТП (на рис. 5 - измерительный комплекс) постоянно находятся в режиме мониторинга и с определенной периодичностью передают на сервер в базу данных измеренную информацию. Любой пользователь сети Internet может получить доступ к информации с ПК со стандартным webбраузером, имея соответствующие права. В СДМ ЦТВП имеется возможность различных способов отображения обработанной информации: таблица допускового контроля, диаграммы качества, список ошибок и графики по параметрам. В СДМ ЦТВП имеется возможность просматривать архив данных и производить текущий мониторинг.
Рисунок 6. Суммарная таблица критериев.
Основной функцией СДМ ЦТВП является мониторинг ЦТП с помощью анализаторов транспортного потока АТП-1 или АТП-2, входящих в состав системы.
На рис. 6 отражена суммарная таблица по всем критериям. Состояния параметров в ней для более легкого восприятия отображаются цветами. Из суммарной таблицы по всем критериям можно перейти к одной из трех таблиц по выбранному критерию качества. Внизу суммарной таблицы расположено поле оценки качества ЦТП, которая рассчитана по предложенному методу.
В четвертой главе описаны экспериментальные исследования цифровой телевизионной системы DVB-T. В рамках полевых исследований в зоне неуверенного приема экспериментальной зоны вещания цифрового телевидения и лабораторных испытаний проводились исследования зависимости порога потери устойчивости КС от различных шумовых сигналов и зависимость СД от BER (Bit Error Rate) в КС. На рис. 7 показаны средства экспериментальной установки, используемые при полевых исследованиях.
Для исследования зависимости порога потери устойчивости КС к исходному сигналу подмешивались различные шумовые сигналы.
Было выявлено, что сумма независимых значений порогов потери устойчивости Lи L2, каждая из которых зависит от своего шумового сигнала, влияют на общий порог Lполн согласно формуле 4:
Lполн = L1+L2=10lg{x/(x-(y+z)}, (4) где x, y и z - мощности шумовых сигналов.
При этом полученная экспериментальная зависимость полностью согласуется с теоретической. На рис. 8 показана данная зависимость.
Рисунок 7. Средства полевых исследований.
Рисунок 8. Lполн относительно L1+L2+L3.
Зависимость СД от BER проверялась с помощью экспериментальной установки показанной на рисунке 9.
Генератор ЦТП Модулятор DVB-T Анализатор АТП-1 с Аттенюатор Г-420 МТЦ-1И опцией приемника DVB-T и декодера A/V MPEG-Видеомонитор Рисунок 9. Схема лабораторного эксперимента по определению зависимости системной доступности от BER.
В процессе обработки данных полученных в результате экспериментов была выявлена 98-и процентная корреляция результатов полевых и лабораторных испытаний.
По графикам зависимостей BER и СД от уровня сигнала была определена связь между числовыми значениями битовой ошибки BER и СД. Она представлена на рис.
10. На этом рисунке знаками л1 и л2 отмечены 1 области приема цифрового эфирного телевизионного сигнала стандарта DVB-T.
Для области уверенного приема значения BER лежат в диапазоне до 18510-4. При этом значения СД лежат в 2 диапазоне от 100% до 98.5%.
Для области неуверенного приема BER принимает значения от 18510-4 до 48010-4. Значения СД в этом случае принимают значения от 98.5% до 23.1%.
Рисунок 10. Связь значений системной доступности Для области отсутствия со значениями BER.
приема сигнала BER имеет значения от 48010-4, а СД от 23.1% и ниже.
По мере ослабления входного сигнала возрастало значение BER, а, следовательно, увеличивалось количество ошибок и срывов синхронизации принимаемого ЦТП.
Поэтому кадры видеоданных декодировались с нарастающим количеством артефактов различного характера. Визуально, проявляться артефакты начали со значения BER, равного 19510-4. При значении BER равном 62510-4 анализатор АТП-1 не обнаружил синхронизацию ЦТП. Уровень сигнала при этом составлял -91.45 и -92.15 дБм соответственно, а значение системной доступности 92.5 % и 0%.
На рис. 11 представлены три различные по степени деградации кадра испытательного сигнала. Предельные значения, при которых декодер мог декодировать ЦТП: BER - 52010-4, уровень входного сигнала - 92.05 дБм, значение системной доступности - 2.7%. Они характеризуют профессиональный декодер, предназначенный для декодирования ЦТП при граничных условиях входного сигнала.
Бытовая телевизионная приставка (STB) в данных условиях цифрового эфирного телевизионного сигнала стандарта DVB-T уже не декодирует ЦТП.
Рисунок 11. Три различные по степени деградации кадра испытательного сигнала.
Во время испытаний в ФГУП ВГТРК анализатор ЦТП АТП-2 был подключен к общей антенной сети здания и принимал 30 эфирный канал (543.25 МГц), содержащий ЦТП Первый мультиплекс.
Результаты анализа выводились на дисплей подсоединенного к анализатору ПК и параллельно отправлялись на сервер системы дистанционного мониторинга цифровых передатчиков посредством сети Internet. Обработанные статистические данные отображались через стандартный web-браузер Internet Explorer 7.0. Система работала в режиме 24/7. За период испытаний объективная оценка качества ЦТП, имела среднее значение для критерия декодируемость - 4.6, для критерия стабильность - 4.3 и для критерия информативность - 4.7 при максимально возможной оценке - 5.0. Данный результат объективной оценки качества ЦТП вероятнее всего был обусловлен тестовым режимом работы передатчика. Некоторые службы не работали или работали со сбоями, о чем свидетельствовали распечатки обнаруженных ошибок.
Одним из важных параметров объективной оценки качества ЦТП является оценка порога потери устойчивости КС по СД. Для оценки качества ЦТП этот фактор деградации не зависит от структуры передаваемого в КС ЦТП. Поэтому именно ему в экспериментальных исследованиях уделено основное внимание.
По результатам экспериментальных исследований было сформировано соответствие категорий качества от оценок качества ЦТП, представленное в таблице 6.
Таблица 6. Соответствие категорий качества от оценок качества ЦТП.
Оценка качества по критериям Категория качества Декодируемость Стабильность Информативность Отлично от 5.0 до 4.8 от 5.0 до 4.4 от 5.0 до 4.Хорошо от 4.7 до 4.5 от 4.3 до 3.9 от 4.3 до 3.Удовлетворительно от 4.4 до 3.9 от 3.8 до 3.2 от 3.8 до 3.Таблица 6. Соответствие категорий качества от оценок качества ЦТП.
Оценка качества по критериям Категория качества Декодируемость Стабильность Информативность Неудовлетворительно от 3.8 до 3.3 от 3.1 до 2.1 от 3.1 до 2.Брак от 3.2 до 0 от 2.0 до 0 от 2.0 до ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ К числу существенных результатов диссертационной работы необходимо отнести:
1. В результате анализа преобразований сигналов в существующих системах цифрового телевидения и анализа существующих методов объективной оценки качества, впервые введены критерии качества цифрового транспортного потока:
декодируемость, стабильность и информативность, по которым распределяются обнаруженные ошибки на три независимые друг от друга группы.
2. Определены следующие факторы деградации: частота появления ошибки, зона распространения ошибки, скорость ошибочного пакета. Для каждого из них определены весовые значения (коэффициенты).
3. Впервые разработан оригинальный способ оценки качества ЦТП, заключающийся в том, что по частным оценкам, определяемым по коэффициентам деградации, находится обобщенная мультипликативная оценка качества ЦТП.
4. Создана метрологическая база измерений параметров и обобщенной оценки качества ЦТП в виде национальных стандартов: ГОСТ Р 52592-2006 Тракт передачи сигналов цифрового вещательного телевидения, звенья тракта и измерительные сигналы. Общие требования., ГОСТ Р 53533-2009 Цифровое телевидение высокой четкости. Основные параметры цифровых систем телевидения высокой четкости. Общие требования., ГОСТ Р 53534-2009 Цифровое телевидение высокой четкости. Измерительные сигналы. Методы измерений.
Общие требования и внесенных в них методов и средств измерения ЦТП.
5. Разработанные анализаторы АТП-1 и АТП-2 выпускаются серийно и зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений, допущены к применению в Российской Федерации. Они имеют сертификат об утверждении типа средств измерений Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии.
6. На основе анализаторов цифрового транспортного потока АТП и предложенной оценки качества ЦТП разработана и опробована система дистанционного мониторинга цифровых телевизионных передатчиков.
7. В результате экспериментальных исследований определены числовые значения СД различных областей приема цифрового эфирного телевизионного сигнала. Для области уверенного приема значения СД лежат в диапазоне от 100% до 98.5%. Для области неуверенного приема значения СД лежат в диапазоне от 98.5% до 23.1%.
Для области отсутствия приема сигнала, значения СД лежат в диапазоне от 23.1%.
8. В результате экспериментальных исследований и апробации системы дистанционного мониторинга цифровых ТВ передатчиков сформирована таблица соответствия категорий качества от оценок качества ЦТП.
9. Разработанные методы и средства метрологического обеспечения позволяют поновому производить оценку качества сетей распределения цифровых ТВ программ, доставляемых телезрителям. А именно, разработанные методы и средства позволяют осуществлять непрерывный автоматизированный контроль качества ЦТП, обеспечивая экономию людских и финансовых средств в РТРС и надзорных службах. Позволяют обеспечивать технико-экономическую базу взаимоотношений сетей распределения цифровых ТВ программ и правообладателей передаваемой информации. Позволяют оперативно решать задачу общей оценки качества сетей распределения цифровых ТВ программ руководящему персоналу.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в работах, 3 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК (выделены жирным шрифтом):
1. Кустов Д.А. Проблематика измерения качества транспортного потока MPEG-в цифровом телевидении. Вопросы радиоэлектроники. Серия Техника телевидения. 2006, вып. 2. С.95-102.
2. Кустов Д.А. Средства измерения для цифровых телевизионных систем.
Вопросы радиоэлектроники. Серия Техника телевидения. 2007, вып. 2. с.12-21.
3. Кустов Д.А. Об оценке качества передачи цифрового телевизионного транспортного потока. Вопросы радиоэлектроники. Серия Техника телевидения. 2008, вып. 2. с.106-126.
4. Кустов Д.А. Анализ качества цифрового транспортного потока в телевизионных вещательных сетях. Труды 64-й научно-технической конференции, посвященной 150-илетию А.С.Попова. Апрель 2009. с.169-15. Кустов Д.А. Дистанционный мониторинг цифровых передатчиков стандартов DVB на основе допускового контроля. Вопросы радиоэлектроники. Серия Техника телевидения. 2011, вып. 2. с.135-146.
6. Кустов Д.А. О подходе к расчету оценки качества цифрового транспортного потока. 2011, Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ вып. 8, с.7-14.
7. Кустов Д.А. Системная доступность цифрового транспортного потока в зоне неуверенного приема цифрового наземного телевидения. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2011 г. Вып. 4. с. 6166.
8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010613791 Программа контроля недоступности канала связи в цифровом телевидении / Д.А. Кустов. - № 2010612010 заявл. 12.04.2010; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 9.06.2010.
9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010613792 Программа формирования данных для измерения обобщенной оценки качества цифрового транспортного потока / Д.А. Кустов - заявка № 2010612011 от 12.04.2010; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 9.06.2010.
СТАНДАРТЫ, В РАЗРАБОТКЕ КОТОРЫХ АВТОР ПРИНИМАЛ УЧАСТИЕ 1. ГОСТ Р 52592-2006 Тракт передачи сигналов цифрового вещательного телевидения, звенья тракта и измерительные сигналы. Общие требования. ЦМ.:
Стандартинформ, 2007. -27с.
2. ГОСТ Р 53533-2009. Цифровое телевидение высокой четкости. Основные параметры цифровых систем телевидения высокой четкости. Общие требования.
ЦМ.: Стандартинформ, 2009. -22с.
3. ГОСТ Р 53534-2009. Цифровое телевидение высокой четкости. Измерительные сигналы. Методы измерений. Общие требования. ЦМ.: Стандартинформ, 2009. 40с.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям