Главный радиочастотный центр

Статьи

Измерения в системах аналогового и цифрового телевизионного вещания.

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. С внедрением цифровых систем потребность в использовании измерительной аппаратуры существенно возрастает, поскольку требуется создание принципиально новых способов и средств контроля и измерений. При этом необходимо, чтобы эти средства были совместимы и с традиционными аналоговыми системами.

Метрологическая безопасность России - залог создания высококачественной цифровой аппаратуры формирования и передачи различных видов информации и ее эффективного использования.

На этапе создания новых телевизионных измерительных приборов в России выпускались компьютерные устройства генерации сигналов и анализа их искажений серии ВК (Видеоанализатор компьютерный), КИ-ТВ (Комплекс измерительный телевизионный), ТЕСТЕР-Э (Комплекс измерений и контроля телевизионных радиоцентров и систем кабельного телевидения), АК (Аудиоанализатор компьютерный), АТМ-2 (Анализатор телевизионный мониторинговый), Г230 (серия генераторов телевизионных измерительных сигналов), ИЗК (Измеритель звуковых каналов) [1-4].

Заменой всех этих приборов является разработанный комплекс измерительный телевизионный КИ-ТВМ.

В функции этого комплекса входит обеспечение измерений аппаратно-студийных комплексов телевизионных центров, эфирных, спутниковых и кабельных систем аналогового и цифрового телевидения, IP-каналов связи и др.

Этот комплекс обеспечивает генерацию телевизионных и аудиоизмерительных сигналов и измерение их искажений в соответствии с ГОСТ 7845, ГОСТ 18471, ГОСТ 19871, ГОСТ 19463, ГОСТ 20532, ГОСТ 28324, ГОСТ Р 50890, ГОСТ Р 50822, ГОСТ 11515, ETSI TR 101 290 V1.2.1 (2001-05), Правилами технической эксплуатации средств вещательного телевидения (ПТЭ-95), Нормами на электрические параметры каналов звукового вещания, организованных в радиорелейных системах передачи на поднесущих частотах и в спутниковых системах передачи, Рекомендациями МСЭ.

Улучшение метрологических и эксплуатационных характеристик комплекса КИ-ТВМ, расширение его функциональных возможностей обеспечивается применением новой компьютерной платы ввода-вывода телевизионных сигналов ВК-3, имеющей два коммутируемых входа полного цветового телевизионного видеосигнала, вход радиосигнала вещательного телевидения и два выхода полного цветового телевизионного видеосигнала. Внешний вид компьютерной платы ввода-вывода телевизионных сигналов ВК-3 приведен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид компьютерной платы ввода-вывода телевизионных сигналов ВК-3

Основные особенности компьютерной платы ввода-вывода ВК-3

Узел радиочастотного преобразователя (тюнер), выполненный на микросхеме TDA18271HD фирмы NXP, расположен на плате ВК-3 и преобразует телевизионные радиосигналы I-V частотных диапазонов [5] в сигналы промежуточной частоты для их последующей дискретизации. Такое конструктивное исполнение значительно снижает габариты и вес комплекса КИ-ТВМ, по сравнению с комплексами ТЕСТЕР-Э, а также повышает надежность комплекса. Наличие входа радиосигнала вещательного телевидения позволяет проводить измерения в каналах эфирного и кабельного аналогового и цифрового телевизионного вещания.

16-разрядный аналого-цифровой преобразователь выполнен на микросхеме LTC2207 фирмы LINEAR TECHNOLOGY. Аналого-цифровой преобразователь работает на тактовой частоте 54 МГц, обеспечивая отношение сигнал/шум в полосе частот полного цветового телевизионного видеосигнала не менее 70 дБ и относительный уровень нелинейных искажений сигнала (THD), измеренный на входном сигнале с частотой 4,95 МГц, не менее 70 дБ.

Входы полного цветового телевизионного видеосигнала имеют входное сопротивление в проходном режиме - 1 Мом ±5% или 75 Ом ±0,25% (затухание несогласованности минус 52 дБ).

14-разрядный цифро-аналоговый преобразователь, выполненный на микросхеме AD9744 фирмы Analog Devices, также работает на тактовой частоте 54 МГц, обеспечивая отношение сигнал/шум в полосе частот полного цветового телевизионного видеосигнала не менее 70 дБ и относительный уровень нелинейных искажений формируемого сигнала (THD), измеренный на частоте 4,95 МГц, не менее 60 дБ.

Выходное сопротивление цифро-аналогового преобразователя по каждому выходу 75 Ом ±0,25% (затухание несогласованности минус 52 дБ).

КИ-ТВМ имеет расширенный частотный диапазон для измеряемых и формируемых сигналов, составляющий 0,04-15 МГц. Более высокочастотные составляющие спектра ограничиваются входным фильтром нижних частот с частотой среза 17 МГц. Расширение частотного диапазона гарантирует минимальные искажения амплитудно-частотной характеристики и группового времени задержки измеряемых сигналов.

Допуск на номинальную частоту генератора частоты дискретизации 0,5x10-7 (при температуре окружающей среды 20-25 °С).
Температурная нестабильность частоты дискретизации в рабочем температурном диапазоне (10-45 °С) ±1x10-7. Долговременная нестабильность частоты генератора частоты дискретизации за год ±2x10-7.

Новые возможности, предоставляемые комплексом КИ-ТВМ

Видеоанализатор комплекса КИ-ТВМ обеспечивает измерение параметров телевизионного радиосигнала аналогового и цифрового телевидения.

В комплексе производится декодирование радиосигнала аналогового и цифрового телевидения. По декодированному радиосигналу цифрового телевидения строится диаграмма созвездия точек принимаемых символов, проводятся измерения параметров сигналов I, Q и анализ протокола транспортного потока MPEG-2.

Применение современной шины PCI Express позволяет повысить производительность комплекса КИ-ТВМ.

Метрологические характеристики комплекса КИ-ТВМ

Видеоанализатор комплекса КИ-ТВМ по декодированному радиосигналу аналогового телевидения обеспечивает:

• измерения текущих значений основных параметров телевизионных сигналов и качественных показателей каналов их формирования и передачи с оценкой их энтропийных отклонений и контролем по уровням допусков и брака;
• осциллографические измерения формы произвольной строки телевизионного кадра с возможностью изменения масштаба (электронная лупа);
• осциллографические измерения формы измерительных сигналов и сравнение ее с трафаретами допустимых отклонений;
• измерение параметров цветовых сигналов SECAM и PAL, в том числе режимы секамоскопа и векторо-скопа;
• анализ спектра исследуемых сигналов;
• измерение амплитудно-частотной характеристики и характеристики группового времени задержки;
• статистическую оценку измеряемых параметров и качественных показателей ТВ-каналов;
• генерацию электрических испытательных таблиц;
• генерацию телевизионных измерительных сигналов в соответствии с ГОСТ 18471 и Рекомендациями МСЭ.

Видеоанализатор обеспечивает измерения параметров сигналов и качественных показателей телевизионного канала с диапазоном измерения и с пределами допускаемого значения основной погрешности измерения, указанными в таблице 1. Обозначения сигналов соответствуют ГОСТ 18471.

Узел радиочастотного преобразователя обеспечивает следующие параметры:

• ширина полосы сигнала промежуточной частоты программируется - 6, 7, 8 или 9 МГц;
• диапазон уровней входного радиосигнала минус (80-20) дБВ;
• входное сопротивление 75 Ом;
• КСВН в диапазоне частот телевизионных радиоканалов не более 2,5;
• неравномерность КСВН в диапазоне частот любого телевизионного канала не более 0,05;
• коэффициент шума не более 6 дБ;
• неравномерность амплитудно-частотной характеристики канала изображения ±1%;
• характеристика группового времени задержки канала изображения ±2,5 нс;
• нелинейность сигнала яркости, измеренную между уровнями 15 и 75% при насадке с частотой 1,2 МГц и размахом 10%, не более 4%;
• дифференциальное усиление, измеренное между уровнями 15 и 75% при насадке с частотой 4,43 МГц и размахом 10%, не более 3%;
• дифференциальная фаза, измеренная как разность максимальной и минимальной фаз в насадке частотой 4,43 МГц и размахом 10%, не более 2 °С;
• перекос плоской части импульса В2 не более 0,5%;
• перекос плоской части импульса А не более ±0,5%;
• отношение размаха импульса В2 к:
  • эффективному напряжению взвешенной флуктуационной помехи не менее 52 дБ;
  • эффективному напряжению взвешенной (со взвешивающим фильтром 330 нс) флуктуационной помехи не менее 55 дБ;
  • размаху фоновой помехи не менее 55 дБ.
• нелинейные искажения канала звукового сопровождения в полосе модулирующих частот от 30 до 15000 Гц при девиации ±50 кГц не более 0,5%;
• неравномерность амплитудно-частотной характеристики канала звукового сопровождения в полосе частот от 30 до 15000 Гц не более ±0,3 дБ;
• уровень шума и фона:
  • эффективное значение без фильтра не менее 65 дБ;
  • эффективное значение с псофометрическим фильтром не менее 68 дБ.

Видеоанализатор комплекса КИ-ТВМ обеспечивает измерение параметров радиосигнала аналогового телевизионного вещания относительно его номинальных значений: мощность радиосигнала, отклонение размаха радиосигнала в области его модуляции синхроимпульсом, отклонение глубины модуляции, отклонения размахов радиосигнала в областях его модуляции сигналами цветовой синхронизации в красных и синих строках телевизионного сигнала системы SECAM.

В осциллографе строк имеется возможность наблюдения формы измеряемого радиосигнала по промежуточной частоте (рис. 2).

Рис. 2. Форма измеряемого радиосигнала испытательной строки

Обеспечивается измерение характеристик боковых полос, отображающих амплитудно-частотную характеристику телевизионного канала по радиосигналу, трафарет поля допуска которого соответствует ГОСТ 20532 (рис. 3), и характеристику группового времени задержки (рис. 4).

Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика телевизионного радиоканала

Рис. 4. Характеристика группового времени задержки телевизионного радиоканала

Видеоанализатор обеспечивает сравнение результатов измерений параметров сигналов и качественных показателей телевизионного канала с допусками, установленными потребителем на уровнях допустимых отклонений и брака.

Пределы допускаемой дополнительной погрешности измерения параметров сигналов и качественных показателей ТВ-канала, обусловленные изменением температуры окружающей среды на каждые 10 °С относительно температуры нормальных климатических условий (25±5) °С в пределах рабочих температур, составляют не более половины соответствующей основной погрешности измерения.

Генератор обеспечивает формирование сигналов испытательных строк и периодических ИС в соответствии с ГОСТ 7845 и ГОСТ 18471 с параметрами и характеристиками, указанными в таблице 2.

Генератор обеспечивает формирование периодических измерительных сигналов:

• сигнала № 1 для измерения переходных характеристик в области больших времен;
• сигнала № 2 для измерения переходных характеристик в области средних и малых времен;
• сигнала № 3 для измерения нелинейных и дифференциальных характеристик;
• сигнала № 5 для измерения амплитудно-частотной характеристики;
• сигнала № 6 для измерения импульсных характеристик;
• различных вариантов периодической передачи сигналов испытательных строк;
• различных вариантов передачи сигналов, состоящих из элементов, указанных в таблице 2;
• полного цветового сигнала цветных полос;
• динамических таблиц, содержащих измерительные сигналы испытательных строк в активной части кадра.

Для оценки качества принимаемого изображения и для обеспечения единства оценок при совместном вещании аналогового и цифрового телевидения целесообразно использовать динамические измерительные таблицы, подобные таблицам, формируемым генератором прибора ВК-2 [3].

На рис. 5 приведено изображение одного кадра динамической испытательной таблицы, которая может быть применена для объективного анализа характеристик каналов SECAM - MPEG-2 - SECAM, а также PAL - MPEG-2 - SECAM.

Рис. 5. Кадр динамической испытательной таблицы для анализа каналов SECAM – MPEG-2 – SECAM и PAL – MPEG-2 – SECAM

Эта таблица разделена по вертикали на восемь участков, в которых передаются различные измерительные сигналы, как изменяющиеся, так и не изменяющиеся от строки к строке каждого кадра.

От середины интервала каждого участка к его краям производится модуляция положения этого сигнала во времени по синусоидальному закону и модуляция по амплитуде по косинусоидальному закону с различными размахами в разных полях и кадрах.

По сигналу в средней части первого участка можно измерять импульсные и переходные характеристики канала, а также оценивать специфические искажения, связанные с внутрикадровым кодированием MPEG-2 -эффекты размытия изображения, окантовок на границах и определяемый межкадровой обработкой зернистый шум в стационарной области.

По сигналу в средней части второго участка можно проводить измерения отношения сигнала к флуктуационной помехе, а также оценивать блокинг-эффект и мозаичный эффект (внутрикадровое кодирование) и эффект ложных границ (межкадровое кодирование).

По сигналу в средней части третьего участка можно измерять дифференциальные усиление и фазу, а также оценивать зернистый шум в стационарной области.

По сигналам в средней части седьмого и восьмого участков можно измерять частотные характеристики каналов SECAM - MPEG-2 - SECAM и PAL - MPEG-2 - SECAM.

Дополнительно для увеличения динамики в испытательной таблице между всеми участками передаются движущиеся цветные полосы.

Для объективного анализа искажений изображений в каналах PAL - MPEG-2 - PAL служит таблица, составленная из элементов, стандартизированных ГОСТ 18471 и рекомендациями ITU-T J.61, J.63, J.64. (См. рис. 6).

Рис. 6. Кадр динамической испытательной таблицы для анализа каналов PAL – MPEG-2 – PAL

С помощью описанных динамических таблиц можно проводить измерения параметров телевизионных каналов, как в полосе видео, так и на радиоканалах. Номенклатура измеряемых параметров приведена в таблице 1.

Таблицы, аналогичные приведенным здесь на рисунках 5 и 6, закодированные в соответствии со стандартом DVB-ASI [6], реализуют возможность анализа качества кодирования/декодирования сигналов ЦТВ.

Пределы допускаемой дополнительной погрешности формирования ИС в видеоанализаторе, обусловленные изменением температуры окружающей среды на каждые 10 °С относительно температуры НКУ (25±5) °С в пределах рабочих температур, составляют не более половины соответствующей основной погрешности измерения.

Видеоанализатор комплекса КИ-ТВМ по декодированному радиосигналу цифрового телевидения обеспечивает измерения [7]:

• мощности шума;
• диаграммы созвездий точек принимаемых символов;
• параметров сигналов I и Q, в том числе:
  • начальное смещение;
  • дисбаланс амплитуды (AI);
  • квадратурную ошибку (QE);
  • помеху (CW);
  • относительную ошибку модуляции (MER);
  • результирующую ошибку устройства (STE);
  • подавление несущей;
  • когерентную интерференционную помеху;
  • фазовый джиттер (PJ);
  • отношение сигнал / шум (SNR);
• параметров транспортного потока MPEG-2 (измеряемые индикаторы (параметры) рекомендованы для непрерывного или периодического мониторинга транспортного потока MPEG-2) [7].

Все измерения объединяются в три таблицы в соответствии с их важностью для мониторинга.

В таблице 3 приведена номенклатура основных параметров, обеспечивающих декодируемость транспортного потока.

В таблице 5 приведены необязательные (дополнительные) параметры, представляющие интерес в определенных приложениях.

Аудиоанализатор комплекса КИ-ТВМ обеспечивает все виды измерений трактов звукового моно- и стереовещания по низкой частоте в соответствии с
ГОСТ 11515.

Аудиоанализатор работает в режимах:

• анализатора спектра в диапазоне частот от 5 до 20000 Гц со спектральным разрешением 1 Гц;
• цифрового осциллографа с воспроизведением формы аудиоизмерительных сигналов.

Номенклатура и погрешность измерения основных параметров и характеристик канала звукового вещания приведены в таблице 6.

Генератор обеспечивает два режима формирования аудиоизмерительных сигналов:

• режим формирования последовательности различных аудиоизмерительных сигналов для автоматического анализа параметров тракта звукового стереовещания. В этом режиме установка длительности и видов аудиоизмерительных сигналов осуществляется программно, обеспечивая возможность оперативного изменения формируемых сигналов;
• режим формирования периодических аудиоизмерительных сигналов с заданными частотой и уровнем.

Перечень аудиоизмерительных сигналов, формируемых генератором, соответствует ГОСТ 11515, перечни дополнительных аудиоизмерительных сигналов для измерения в полосе частот (30-20000) и (5-20000) Гц приведены соответственно в таблицах 7 и 8.

Пределы допускаемой дополнительной абсолютной погрешности формирования аудиоизмерительных сигналов, обусловленные изменением температуры окружающей среды на каждые 10 °С относительно нормальных условий (25±5) °С в пределах рабочих температур, составляют не более половины соответствующей основной погрешности. Предел допускаемой дополнительной абсолютной погрешности измерения искажений аудиоизмерительных сигналов и параметров трактов звукового моно- и стереовещания по низкой частоте, обусловленный изменением температуры окружающей среды на каждые 10 °С относительно нормальных климатических условий (25 ± 5) °С в пределах рабочих температур, составляют не более половины соответствующей основной погрешности.

Заключение

Таким образом, 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;
• существенное снижение цены приборов, благодаря созданию их на базе общедоступных персональных компьютеров, дополнительно комплектуемых соответствующими блоками - платами ввода-вывода измерительной информации и программными продуктами.

Литература

1. Басий В.Т., Дворкович В.П., Макаров Д.Г. Новые методы измерения частотных характеристик телевизионных каналов в компьютерном анализаторе «ТЕСТЕР-Э» // Труды НИИР. - 2007. - № 2. - С. 27-36.

2. Басий В.Т., Дворкович В.П., Макаров Д.Г., Латрыгин Н.М. Мониторинг качественных показателей телевизионных каналов // Труды НИИР. - 2007. - № 3. - С. 26-33.

3. Дворкович В.П., Дворкович А.В., Макаров Д.Г., Басий В.Т., Шлеев С.Е. Видеоанализатор ВК-2 - прибор нового поколения измерений и контроля качественных показателей каналов передачи телевизионных сигналов // Контрольно-измерительные приборы и системы. - 2006. - № 5, - С. 22, 25-26.

4. Богданов В., Полосин Л., Третьяк С. Измерительная телевизионная техника НТК «ИМОС» // «625». - 2003. - № 4 (статья находится на интернет-странице http://rus.625-net.ru/625/2003/04/r5.htm).

5. ГОСТ 7845-92. Система вещательного телевидения. Основные параметры. Методы измерений. - М.: Издательство стандартов, 1992. - 36 с.

6. ISO / IEC 13818-1: Information technology - Generic coding of moving pictures and associated audio information: Systems. Second edition 2000-12-01.

7. ETSI TR 101 290 V1.2.1 (2001-05): Digital Video Broadcasting (DVB); Measurement guidelines for DVB systems.

Журнал «Радиочастотный спектр» № 4 Сентябрь 2009 года