Актуальность научно-технической проблемы.
В конце ноября 2007 года распоряжением Правительства РФ одобрена «Концепция развития телерадиовещания Российской Федерации на период с 2008 по 2015 годы». Наряду с совершенствованием технологии телерадиовещания и постепенным переходом на цифровые системы, в этой Концепции большое внимание уделено проблемам создания систем дистанционного контроля и мониторинга сетей формирования и передачи информации. В России сложилась крайне тяжелая ситуация, вызванная повсеместным недостатком, а часто и отсутствием измерительной аппаратуры, необходимой для разработки, настройки и поддержания требуемых технических характеристик систем передачи информации.
Особые проблемы возникают в связи с началом широкого внедрения систем и аппаратуры цифровой обработки и передачи компрессированных сигналов по каналам связи. С внедрением цифровых систем потребность в использовании измерительной аппаратуры будет возрастать, поскольку требуется создание принципиально новых способов и средств контроля и измерений. При этом необходимо, чтобы эти средства были совместимы и с традиционными аналоговыми системами.
В связи с низкими темпами разработки и производства отечественной измерительной аппаратуры возникает зависимость от дорогостоящих приборов зарубежных производителей, что, в свою очередь, затрудняет разработку и внедрение высококачественных систем, обеспечивающих переход на цифровую форму телерадиовещания.
Метрологическая безопасность России — залог создания высококачественной цифровой аппаратуры формирования и передачи различных видов информации и ее эффективного использования.
На современном этапе развития техники выполнение требований метрологии связано с созданием виртуальных измерительных систем на базе использования персональных компьютеров в качестве устройств анализа и организации структуры систем формирования и обработки измерительной информации.
При этом обеспечивается:
• реализация патентно чистых способов измерений с применением специально разработанных оптимальных измерительных сигналов и процедур их обработки, позволяющих резко повысить точность и быстродействие измерений;
• существенное увеличение функциональных возможностей создаваемых измерительных средств, а также их полностью цифровая реализация;
• снижение почти на порядок цены приборов, благодаря их созданию на базе общедоступных персональных компьютеров, дополнительно комплектуемых соответствующими блоками (платами) ввода и вывода измерительной информации и программными продуктами.
В настоящее время происходит быстрое развитие систем и средств распространения видеоинформации по различным каналам связи. Значительно расширяются сферы применения как вещательных методов распространения видео, так и интерактивных видеослужб.
В зависимости от требований потребителей и пропускной способности, имеющихся и перспективных каналов связи необходимо передавать видеоинформацию различного разрешения со скоростью цифрового потока от нескольких килобит до десятков мегабит в секунду. Скорость следования кадров можнт составлять от одного кадра в несколько секунд в системах видеонаблюдения до 25 (30) кадров/с в телевидении и более в системах специального назначениядиапазон разрешения кадра также огромен: от 88×72 пикселей в видеотелефоне до 1920×1080 пикселей в ТВЧ. Цифровая передача видеоинформации в вещательных и интерактивных системах позволяет гибко настраивать параметры передачи видео в зависимости от конкретных требований потребителей и возможностей каналов связи.
Для оценки соответствия качества передаваемой видеоинформации требованиям, предъявляемым к ней в различных системах и условиях передачи, а также для сравнения эффективности работы различных устройств видеокодирования и передачи видеоинформации требуются методики и средства объективной и субъективной оценки качества видеоизображения, наблюдаемого потребителем. Эти методики должны учитывать характерные особенности и искажения причем как при аналоговой, так и при цифровой и смешанной системах обработки и передачи видеоинформации. Использование смешанных аналого-цифровых каналов передачи телевидения приводит к необходимости применения современных методов измерения, позволяющих объединить традиционные принципы контроля со специфическими особенностями оценки параметров цифровых каналов и соответствующей аппаратуры.
Преобразование сигналов из аналоговой в цифровую форму, специфические методы обработки видеоизображения при их кодировании с целью устранения как статистической, так и визуальной избыточности информации, приводит к появлению принципиально новых видов искажений передаваемых сигналов. Это, в свою очередь, заставляет создавать принципиально новые виды измерительных сигналов, статистические и-динамические таблицы и методы их обработки в процессе выявления дефектов кодирования и передачи информации. Именно этим и определяется актуальность проблемы создания высокоэффективных методов и устройств формирования специальных измерительных сигналов и оценки изменения их формы в процессе их преобразования в системах формирования и трансляции по каналам передачи аналоговой, аналого-цифровой и цифровой информации.
Цели и задачи диссертационной работы.
Основными целями настоящей работы являются:
1. Разработка способов измерения систем формирования и передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевещания;
2. Синтез новых телевизионных измерительных сигналов и испытательных статических и динамических таблиц, пригодных для оценки качественных показателей аналоговых, аналого-цифровых и цифровых каналов;
3. Разработка способов анализа искажений и оценки параметров и качественных показателей систем аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевещания;
4. Создание систем компьютерного измерений сетей телевизионного вещания и их метрологического обеспечения.
Основными задачами диссертационной работы являются:
• анализ используемых методов оценки параметров и качественных показателей телевизионных систем и классификация системных искажений при аналоговом, аналого-цифровом и цифровом преобразовании и передаче видеоизображений;
• разработка новых измерительных сигналов и тестовых изображений для объективной и субъективной оценки качества систем аналоговой, аналого-цифровой и цифровой передачи видеоинформации;
• разработка методов оценки характеристик искажений видео и радиосистем телевидения;
• разработка принципов построения новой телевизионной контрольно-измерительной аппаратуры, обеспечивающей необходимое быстродействие и высокую точность измерений параметров и качественных показателей систем аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения;
• создание измерительной аппаратуры, метрологического обеспечения ее производства и действенных систем контроля различных звеньев телевизионного канала.
Методы исследования.
В качестве основного теоретического инструмента исследований использовались методы математического анализа, линейной алгебры, теории вероятностей и математической статистики, теории цифровой обработки одномерных и многомерных сигналов, теории информации. В работе широко использовались методы компьютерного моделирования и численные методы по обработке реальных видеосигналов. Проведенные эксперименты обеспечили практическое подтверждение теоретических решений и эффективности разработанных методик.
Теоретической и методологической основой исследований являются труды отечественных и зарубежных ученых по теории цифровой обработки сигналов, статистической радиотехнике, телевизионной метрологии. В процессе решения задач цифровой обработки и анализа изображений, были использованы труды выдающихся ученых: Котельникова В. А., Новаковского С. В., Игнатьева Н. К., Цукермана И. И., Антипина М. В., Кривошеева М. И., Зубарева Ю. Б., Дворковича В. П., Левина Б. Р., Певзнера Б. М., Netravali A.N., Haskell B.G., Т. Ooura и др.
Для создания и отладки программного и аппаратного обеспечения исследований и разработок при руководстве и активном участии автора использовались системы символьной математики «Mathematica», «Maxima», MATLAB®, язык программирования С++, среда разработки Microsoft Developer Studio.
Научная новизна.
Автором получены следующие результаты, обладающие научной новизной.
1. Разработаны и обоснованы новые измерительные сигналы и тестовые изображения для оценки качества каналов передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения. Разработанные элементы измерительных сигналов согласованы по спектру с полосой пропускания канала связи.
2. Созданы новые тестовые динамические изображения, которые обеспечивают возможность объективной и субъективной оценки качества их воспроизведения при кодировании в соответствии со стандартами MPEG.
3. Разработаны новые алгоритмы обработки измерительных сигналов для автоматического анализа качественных показателей каналов передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения. Эти алгоритмы позволили реализовать прецизионные измерения каналов связи при наличии значительных уровней флуктуационных, импульсных и синусоидальных помех.
4. Разработаны новые принципы измерения частотных свойств радиотракта телевещания. Созданы специальные сигналы для анализа искажений этих характеристик и алгоритмы их обработки в измерительном устройстве.
5. Разработано и реализовано метрологическое программное обеспечение виртуальных измерительных систем, обеспечивающих цифровую коррекцию с высокой точностью методических погрешностей измерительного устройства и погрешностей аппаратуры.
6. Подготовлен и организован серийный выпуск измерительных систем измерений и контроля основных параметров и качественных показателей систем аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевещания.
Личное участие автора в разработках по теме диссертационной работы.
Во всех разработках по теме диссертации автор являлся ответственным исполнителем. Большая часть результатов исследований получена автором диссертации лично. Ряд идей, поддержка разработок методик, проведение исследований алгоритмов высокоточных систем цифровых измерений измерительных сигналов и оценки их качества принадлежат проф. Дворковичу В.П.
На защиту диссертации выносятся следующие основные результаты:
1. Новые методы синтеза измерительных сигналов и изображений для анализа качества передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения;
2. Новые принципы построения динамических таблиц для объективного и субъективного анализа качества передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения;
3. Новые измерительные сигналы для измерения частотных свойств телевизионного радиотракта ТВ вещания и алгоритмы их обработки;
4. Алгоритмы обработки измерительных сигналов для автоматического анализа качественных показателей каналов передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения;
5. Методы метрологии измерительных систем, обеспечивающих цифровую коррекцию методических погрешностей измерительного устройства и погрешностей аппаратуры.
6. Практическая реализация разработанных методик и алгоритмов: аппаратура для прецизионных измерений качества формирования и передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевизионного сигнала.
Теоретическая и практическая значимость результатов диссертационной работы.
Проведенные автором исследования позволяют синтезировать новые измерительные сигналы и эталонные изображения, создавать алгоритмы прецизионных измерений основных параметров и качественных показателей систем аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения.
Разработанные способы и устройства формирования измерительных сигналов и обработки их искажений легли в основу построения генераторов телевизионных измерительных сигналов, анализаторов их искажений, измерителей параметров видеои радиосигналов изображения, систем контроля радиопередающих станций.
Исследования и разработки, проведенные в процессе выполнения диссертационной работы, явились научной основой создания действующих систем контроля и измерений различных звеньев ТВ канала, разработки ТВ. информационно-измерительных систем.
Реализация и внедрение результатов работы.
На базе теоретических исследований и полученных методик и алгоритмов разработаны новые измерительные сигналы, тестовые* изображения и алгоритмы их обработки, которые реализованы в целом ряде компьютерных измерительных приборов:
• видеоанализаторы ВК-1, ВК-2;
• измерительный телевизионный комплекс КИ-ТВ;
• измерительный комплекс ТЕСТЕР-Э для телевизионных радиоцентров и систем кабельного телевидения;
• видеоанализатор ВКЦ цифровых сигналов,.
• устройство ввода телевизионное УВС-ТВ. Разработанные приборы нашли применение:
• в аппаратуре цифрового телевидения в составе системы спутниковой связи «Приморка» (внедрение отмечено премией Правительства РФ);
• в региональных центрах «Управления Федеральной службы связи по надзору в сфере связи в Российской Федерации»;
• в ФГУП «ТТЦ Останкино»;
• в НТЦ «Космос» и др.
Достоверность материалов диссертационной работы.
Достоверность подтверждена результатами компьютерного моделирования процессов обработки различных видов информации, созданием действующих систем и устройств и их эксплуатацией в телекоммуникационных системах.
Апробация работы.
Результаты, полученные в работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах во ФГУП НИИ Радио, на заседании кафедры PJI-1 МГТУ им. Н. Э. Баумана, на Российских и международных научных конференциях и семинарах, в том числе:
• на Международных конгрессах HAT «Прогресс технологий телерадиовещания», 1997, 1999 гг.;
• на Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», 1998 г.;
• на 1-й научно-практическом семинаре «Новое в телерадиовещании и радиосвязи «, 1998 г.;
• на Международной конференции «Инновации-98», 1998 г.;
• на научно-технической конференции «Прогрессивные радиотехнологии для инфокоммуникаций России», 2004 г.;
• на V Международной научно-практической конференции «Цифровые технологии в телевизионном и звуковом вещании», 2005 г.;
• на 11-й конференций главных метрологов и специалистов метрологических служб отрасли «Связь». «Обеспечение единства и требуемой точности измерений параметров связи и услуг связи, Состояние дел и основные задачи», 2005 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликована 21 научная работа, в том числе 12 статей, 9 докладов на научных конференциях, 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК (ЦОС).
Структура и объем диссертации
.
Диссертационная работа содержит 227 страниц и состоит из введения, пяти глав, заключения и общих выводов. Библиографический список содержит 173 наименования. Приведены копии 3 актов об использовании результатов диссертационной работы.
Выводы.
В рамках проведенных исследований и разработок при непосредственном участии автора настоящей диссертационной работы был создан и внедрен ряд устройств аппаратуры измерений и контроля таких систем.
На современном этапе развития техники выполнение требований метрологии связано с созданием виртуальных измерительных систем на базе использования персональных компьютеров в качестве устройств анализа и организации структуры систем формирования и обработки измерительной информации. На базе проведенных исследований и разработок созданы следующие измерительные устройства и системы:
• видео анализаторы серии ВК, реализующие функции 12 измерительных приборов, обеспечивающих генерацию измерительных сигналов и таблиц, а также оценку их искажений в каналах аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевизионного вещания;
• комплекс измерительный телевизионный, на базе применения которого создана Многоканальная система контроля сигналов изображения и звукового сопровождения в Московском Региональном центре Останкино ФГУП РТРС, обеспечивающая анализ качества сигналов 18 программ телевизионного вещания г. Москвы;
• комплекс измерений и контроля телевизионных радиоцентров и систем кабельного телевидения ТЕСТЕР-Э, обеспечивающий автоматические измерения и двухуровневый допусковый контроль параметров и качественных показателей сигналов изображения и звукового сопровождения эфирного вещания и вещания в сетях кабельного телевидения.
• видеоанализаторы серии ВКЦ, реализующие функции 21 измерительных приборов, обеспечивающих генерацию измерительных сигналов и таблиц, а также оценку их искажений в каналах цифрового телевизионного вещания;
Все разработанные и серийно выпускаемые измерительные приборы и системы зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений, допущены к применению в Российской Федерации, имеют сертификаты об утверждении типа средств измерений Федерального Агенства по техническому регулированию и метрологии, а также сертификаты соответствия в системе «Электросвязь».
Проведенные статистические исследования эфирного телерадиовещания позволили создать таблицу допустимых отклонений и брака основных качественных показателей систем эфирного и кабельного телевидения, разработан регламентирующий документ «Программа и методика испытаний каналов эфирного и кабельного телевизионного вещания».
Эта Программа содержит подробное описание методов измерения основных качественных показателей каналов эфирного и кабельного телевидения, формы Протоколов результатов измерений радиосигналов по испытательным строкам, величины допустимых отклонений и брака измеряемых параметров.
Для повышения качества эфирного телевизионного вещания необходимо ввести дополнительную фазовую коррекцию сигналов изображения для уменьшения допусков на величины К-фактора 2Т-импульса и РВ.
Повышение качества эфирного и кабельного телевизионного вещания невозможно без систематического мониторинга передаваемых сигналов, для чего необходима организация стационарных центров контроля во всех региональных УФСРСС на базе имеющихся у них Комплексов измерения и контроля телевизионных радиоцентров и сетей кабельного телевидения «ТЕСТЕР-Э».
Заключение
.
Реализовать и поддерживать на заданном уровне техническое качество телевидения невозможно без анализа состояния технических средств вещания. Особые проблемы метрологии видеоинформационных систем возникают в период перехода от аналоговых систем передачи информации к цифровым. Постепенное внедрение цифровых систем кодирования и передачи телевидения требует создания концептуально новых способов и средств контроля и измерения. Однако при этом необходимо чтобы эти средства были совместимы и с традиционными аналоговыми системами.
В связи с этим разработка метрологического обеспечения новых цифровых систем обработки информации и создание соответствующей измерительной аппаратуры являются весьма актуальными работами.
К числу существенных результатов диссертационной работы необходимо отнести следующее.
1. На базе анализа искажений стандартных измерительных сигналов показана неэффективность их применения для оценки характеристик каналов формирования и передачи видеоинформации, содержащих цифровые звенья. Разработаны элементы измерительных сигналов, сопряженных по спектру с характеристиками цифровых звеньев. Разработаны элементы измерительных сигналов, обеспечивающие анализ частотных свойств телевизионных каналов, их переходных и импульсных характеристик, нелинейных свойств ТВ систем — сигнала яркости, дифференциальных характеристик.
2. Созданы новые измерительные сигналы для оценки амплитудно-частотных характеристик и характеристик группового времени запаздывания видео и радиосистем передачи телевизионных сигналов.
3. Разработанные элементы измерительных сигналов использованы при создании ряда электрических таблиц для оценки телевизионных каналов, содержащих звенья «SECAM (PAL) — цифра — SECAM (PAL)», а также испытательных таблиц для оценки смешанных аналого-цифровых каналов. Созданные таблицы позволяют реализовать объективные измерения цифровых каналов и субъективную оценку качества кодирования видеоинформации в соответствии со стандартами MPEG.
4. Разработаны способы повышения точности и упрощения процедур, цифровых ТВ измерений, обеспечивающие существенное сокращение времени, устранение «промахов» измерений и основанные на применении теории порядковых статистик.
5. На основании теоретических и экспериментальных исследований предложены и реализованы новые алгоритмы цифровых измерений качественных показателей ТВ канала, позволяющие по сравнению со стандартными методами существенно сократить время измерений при одновременном повышении их точности.
6. Разработаны принципиально новые приборы ВК-1 и ВК-2 на базе персональных компьютеров, обеспечивающих как генерацию стандартных телевизионных измерительных сигналов, так и анализ их искажений в трактах аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения.
7. Разработан новый метод измерения затухания несогласованности входов и выходов телевизионных устройств, который обеспечивает повышение точности и достоверности измерений.
8. Разработаны методики метрологического обеспечения и коррекции характеристик оборудования разработанных приборов, которые позволяют обеспечивать практическую идентичность их метрологических характеристик.
В рамках проведенных исследований и разработок при непосредственном участии автора настоящей диссертации была создана и внедрена в производство аппаратура измерений и контроля ТВ систем: • видеоанализаторы серии ВК, реализующие функции 12 измерительных приборов и обеспечивающие генерацию измерительных сигналов и таблиц, а также оценку их искажений в каналах аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевизионного вещания;
• комплекс измерительный телевизионный КИ-ТВ, на базе применения которого создана Многоканальная система контроля сигналов изображения и звукового сопровождения в Московском Региональном центре Останкино ФГУП РТРС, обеспечивающая анализ качества сигналов 19 программ телевизионного вещания г. Москвы;
• комплекс измерений и контроля телевизионных радиоцентров и систем кабельного телевидения ТЕСТЕР-Э, обеспечивающий автоматические измерения и двухуровневый допусковый контроль параметров и качественных показателей сигналов изображения и звукового сопровождения эфирного вещания и вещания в сетях кабельного телевидения. Комплекс ТЕСТЕР-Э используется во всех региональных центрах Россвязьнадзора РФ;
• измерительные комплексы КИ-ТВ входят в комплект аппаратуры цифрового видеовещания в составе системы спутниковой связи «Приморка», внедрение которой отмечено премией Правительства РФ.
Все разработанные и серийно выпускаемые измерительные приборы и комплексы зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений, допущены к применению в РФ, имеют сертификаты об утверждении типа средств измерений Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии, а также сертификаты соответствия в системе «Электросвязь».