Исследование и разработка методов и средств взаимного преобразования форматов сжатого цифрового представления звуковых сигналов в трактах спутникового телевизионного вещания

Системы спутниковой связи позволяют на сравнительно недорогие и достаточно портативные установки принимать радиосигналы почти со всего мира. В зависимости от типа земных станций и назначения системы различают следующие службы радиосвязи:

• фиксированная спутниковая служба — служба радиосвязи между земными станциями, расположенными в определенных (фиксированных) пунктах, при использовании одного или нескольких спутников;

• радиовещательная спутниковая служба — служба радиосвязи, в которой сигналы космических станций предназначены для непосредственного приема населением. Непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием. Спутниковое вещание — это передача вещательных программ (ТВ и звуковых) от передающих земных станций к приемным через космическую станцию — искусственный спутник земли, который представляет собой активный ретранслятор.

Магистральным направлением развития систем передачи информации, в том числе и спутникового телевидения (СТВ), как глобального, так и регионального уровня, является введение цифровой передачи сигналов.

В конце XX века в строй действующих вступили полностью цифровые системы СТВ, такие, как американская ATSC (Advanced Television Systems Committee) и европейская DVB (Digital Video Broadcasting), а в самом начале XXI тысячелетия компанией NHK (Япония) разработана концепция цифрового вещания с интеграцией служб ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting). В транспортных потоках этих систем мультиплексируются сигналы видео, звука и данных. В дальнейшем эти компоненты обрабатываются совместно в виде единого цифрового потока. Благодаря методам сжатия цифровых сигналов, применяемых в этих системах, удалось добиться сжатия цифрового представления телевизионного сигнала в 10−20 раз. Сжатию подвергаются и видео — и аудиосигналы.

Все методы сокращение звуковых данных основаны на использовании особенностей слухового восприятия, поэтому они являются одним из видов перцепционного кодирования. Для сжатия цифрового звука в телеи радиовещании применяются чаще всего методы MPEG и АС-3. Первый из них используется в радиои телевещании в Европе, а так же для записи кинофильмов на DVD, предназначенных для продажи в Европе. Метод АС-3 применяется в радиои телевещании на территории США, в массовых фильмокопиях с фонограммой Dolby Digital и на DVD с фильмами, предназначенных для продажи в США и Японии. Оба метода обеспечивают примерно одинаковую эффективность сжатия. Существование конкурирующих алгоритмов сжатия объясняется не столько техническими, сколько патентными и коммерческими соображениями.

Широкое распространение сразу нескольких методов сжатия цифрового звука создает проблемы из-за несогласованности форматов цифровой информации в трактах вещания и на выходе некоторых источников цифрового сигнала, что означает отсутствие совместимости между ними. Для обеспечения совместимости необходимо привести сигналы к единому формату, то есть выполнить преобразование сигнала одного формата в сигнал другого формата. В зависимости от конкретного сочетания трактов и источников может понадобиться как преобразование AC-3->MPEG, так и обратное преобразование.

Обеспечить взаимное преобразование форматов сжатого цифрового звука можно двумя методами:

1. Преобразовать цифровое представление в аналоговый или цифровой декодированный сигнал и осуществить его кодирование желаемым методом.

2. Преобразовать цифровое представление, полученное одним методом, в сжатое цифровое представление другого формата,.

Наиболее перспективным представляется второй из упомянутых подходов, не сопровождающийся ненужным ухудшением качества звука.

Введение

в цифровой вещательный телевизионный тракт устройства, реализующего подобный алгоритм преобразования форматов цифрового сжатого звука, полностью решает проблему совместимости форматов трактов и источников, расширяя возможность использования для вещания носителей записи разного формата без ухудшения качества звукового сигнала. Точно также решается проблема коммутации разноформатных по звуку транспортных потоков. Таки образом, тракт телевизионного цифрового спутникового вещания становится более гибким и обеспечивает более высокое качество звука. Существующие методы преобразование цифровых форматов, используемые в настоящее время, выполняются с неизбежным ухудшением качества. Оно происходит или из-за дополнительных ступеней цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразований, или из-за дальнейшего сокращения информации, содержащейся в звуковом сигнале, при выполнении дополнительной операции сжимающего кодирования. Возможен и вариант, когда оба нежелательных фактора действуют одновременно.

Поэтому целью настоящей работы является разработка методов и средств преобразования форматов цифрового представления звуковых сигналов с помощью специально разработанного алгоритма, подвергающего цифровой сигнал минимальной дополнительной обработке. Он основан на выполнении всех преобразований в цифровой области, без повторного кодирования, с использованием информации о распределении битов, полученной при первичном кодировании.

Для достижения поставленной цели в работы решаются следующие задачи: 1. Проводится исследование особенности цифровых стандартов MPEG и АС-3 и области их применения. Разрабатывается методика преобразование цифровых форматов, для чего требуется осуществить: • выявление общих и различающихся этапов кодирования и декодирования звуковых данных;

• исследование различий в параметрах преобразования время-частота;

• исследование различий в стратегиях распределения битов в цифровых стандартах MPEG и АС-3, и разработку алгоритма, позволяющего преобразовать информацию о распределении битов одного стандарта в другой и на оборот;

• исследование различий в синтаксисе цифровых потоков и установление простых правил соответствия между аналогами в рассматриваемых форматах. Для тех элементов потока, которые не подчиняются простым правилам соответствия — выполнена разработка численных алгоритмов взаимного преобразования.

2. Проводится экспериментальное исследование эффективности метода преобразования форматов.

3. Формулируются предложения относительно аппаратной реализации предлагаемого метода преобразования форматов.

С целью решения поставленных задач были разработаны алгоритмы взаимного преобразования. Для моделирования алгоритмов преобразования форматов была создана компьютерная программа, и с ее помощью было проведено экспериментальное исследование субъективного качества звучания аудиофрагментов, перекодированных разными методами: с использованием многократного кодирования-декодирования и на основе разработанных алгоритмов. Исследование проводилось методами компьютерного моделирования и субъективных прослушиваний.

Выводы.

Таким образом, анализ возможности построения устройства преобразователя форматов сжатого звука показал, что наиболее предпочтительным является вариант на основе ЦСП, то есть программно-аппаратная реализация. Среди выпускаемых в настоящее время ЦСП ряд обладает достаточной вычислительной мощностью. Наиболее предпочтительным представляется построение устройства на ЦСП, специализированных для звуковых приложений. Примером такой микросхемы является ЦСП DSP56366 фирмы Motorola.

Заключение

.

Системы спутниковой связи обеспечивают глобальный обмен информацией и являются лидером в применении цифровых систем радио — и ТВ-вещания. В этих вещательных системах применяются разнообразные алгоритмы компрессии видео и звука, что создает проблемы совместимости. В результате диссертационной работы создан метод, позволяющий решить проблему совместимости наиболее распространенных форматов сжатого звука, MPEG и АС-3 с минимальной потерей качества. Получены следующие основные научные результаты:

1. Анализ элементов верхнего уровня структуры цифровых потоков MPEG и АС-3 показывает наличие между ними высокой степени функционального подобия. Это указывает на возможность межформатных преобразований в цифровой форме за счет использования сравнительно несложных алгоритмов.

2. Сопоставление элементов цифровых потоков MPEG и АС-3 указывает, на наличие трех вариантов соответствия. Во-первых, имеются совпадающие по назначению элементы, преобразование которых выполняется приравниванием или применением несложных правил соответствия. Во-вторых, имеются функционально похожие элементы, правила, преобразования которых неочевидны и требуют специальной разработки. Наконец, имеются элементы, у которых нет соответствия в потоках другого формата. Выбор значений этих элементов требует принятия соответствующего решения при настройке аппаратуры или параметров компьютерной программы преобразования.

3. Сопоставление подходов к представлению информации о распределении битов в цифровых потоках разных форматов позволило выработать несложный алгоритм ее преобразования при переходе от одного формата к другому. В алгоритме учтены как различия форм представления информации о распределении битов, так и различия самих процедур распределения, стандартизованных для форматов АС-3 и MPEG.

4. Разработка компьютерной модели устройства преобразования форматов позволила провести эксперименты по субъективной оценке качества фонограмм преобразованного формата, полученных двумя разными методами: за счет дополнительного этапа перцепционного декодирования-кодирования и с использованием предложенного алгоритма. Результаты эксперимента показали, что эксперты обнаружили значительное различия в качестве сигнала. По их оценкам, оно значительно лучшее при использование специальной программы преобразования форматов, в которой реализован предложенный алгоритм. Это заметно как в оценках каждого отдельного эксперта, так и в средних для всех экспертов оценках.

5. Аппаратно-программная реализация сочетает положительные свойства аппаратной и программной реализаций. Разумное сочетание аппаратных и программных средств позволяет снизить требования к вычислительным возможностям элементной базы и упростить реализацию систем ЦОС в целом. Предложен вариант построения устройства межформатных преобразований на основе цифрового сигнального процессора.