автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка методов и аппаратуры компьютерного формирования измерительных сигналов и анализа их искажений в системах аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения

Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана

ООЗДБОии I На правах рукописи

УДК 004.421, 519.722, 621.317.799,621.397

Макаров Дмитрий Геннадьевич

Разработка методов и аппаратуры компьютерного формирования измерительных сигналов и анализа их искажений в системах аналогового, аналого - цифрового и цифрового телевидения

Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 о

Москва-2009

003468301

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные системы и устройства» Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э.Баумана

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор МГТУ им.Н.Э.Баумана Дворкович Виктор Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор МТУСИ Хромой Борис Петрович

кандидат технических наук Борисочкин Владимир Васильевич

Ведущая организация: Федеральное Государственное

Унитарное предприятие «Научно Исследовательский Институт Телевидения» (ФГУП НИИТ) г. Санкт-Петербург

Защита состоится 21 мая 2009 года на заседании диссертационного совета ДС 451.001.01 в Закрытом Акционерном Обществе «МНИТИ» (Московский научно-исследовательский телевизионный институт) по адресу: 105094, Москва, ул.Гольяновская, 7а, стр.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «МНИТИ».

Автореферат разослан «_»_2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета ДС 451.001.01 кандидат технических нау<

Барсуков А.Г.

Общая характеристика работы

Актуальность научно-технической проблемы

В конце ноября 2007 года распоряжением Правительства РФ была 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 медленными 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 цифровой формат 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 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 существенно повысить точность и быстродействие процесса измерений;

• существенное увеличение функциональных возможностей создаваемых измерительных средств, а также их реализация алгоритмом обработки полностью цифровая способом;

• 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 может составлять от одного кадра в несколько секунд в системах видеонаблюдения до 25 (30) кадров в секунду в телевидении и в системах специального назначения еще больше; диапазон разрешения кадра также огромен: от 88x72 пикселей в видеотелефоне до 1920x1080 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:

• разработка способов измерения систем формирования и передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевещания;

• синтез новых телевизионных измерительных сигналов и испытательных статических и динамических таблиц, пригодных для оценки качественных показателей аналоговых, аналого-цифровых и цифровых каналов;

• разработка способов анализа искажений и оценки параметров и качественных показателей систем аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевещания.

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 основных теоретических инструментов 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 обработки реальных видеосигналов. Благодаря проведенным экспериментам было получено 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 и телевизионной метрологии.

В процессе решения задач цифровой обработки и анализа изображений были использованы труды выдающихся ученых: Котельникова В.А., Новаковского C.B., Игнатьева Н.К., Цукермана И.И., Антипина М.В., Кривошеева М.И., Зубарева Ю.Б., Дворковича В.П., Дворкович A.B., Левина Б.Р., Певзнера Б.М., Netravali A.N., Haskell В.G., T. Ooura и др.

Для создания и отладки программного и аппаратного обеспечения исследований и разработок автором использовались системы символьной математики «Mathematica» 2-5, MATLAB®, язык программирования С++, среда разработки Microsoft Developer Studio. Научная новизна

Автор получил 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 телевизионного радиотракта ТВ вещания. 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 аппаратурных и методических погрешностей измерительного устройства и высокую точность;

6. подготовлен и организован серийный выпуск измерительных систем измерений и контроля основных параметров и качественных показателей систем аналогового, аналого-цифрового и цифрового ТВ вещания. 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:

• новые методы синтеза измерительных сигналов и изображений для анализа качества передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения;

• новые принципы построения динамических таблиц для объективного и субъективного анализа качества передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения;

• новые измерительные сигналы для измерения частотных свойств телевизионного радиотракта ТВ вещания и алгоритмы их обработки;

• алгоритмы обработки измерительных сигналов для автоматического анализа качественных показателей каналов передачи аналогового, аналого-цифрового и цифрового телевидения;

• методы метрологии виртуальных измерительных систем, обеспечивающих цифровую коррекцию методических погрешностей измерительного устройства и погрешностей аппаратуры;

• 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 видео- и радиосигналов изображения, систем контроля радиопередающих станций.

Исследования и разработки, проведенные в процессе выполнения диссертационной работы, стали 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 для цифровых сигналов в формате ВЭ!;

• 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 в ФГУП НИИ Радио, на заседании кафедры РЛ-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 конференции 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, представленных на научных конференциях, и 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК (ЦОС). Структура и объем диссертации

Диссертационная работа содержит 224 страницы и включает введение, пять глав, заключение и общие выводы. Библиографический список содержит 172 наименования. Прилагаются также копии 3 актов об использовании результатов диссертационной работы.

Содержание работы

Во введении обоснована необходимость и актуальность проведения исследований и разработок высокоэффективных систем цифровых измерений цветных динамических изображений и оценки их качества. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы, определена их новизна, научная и практическая ценность. Изложены основные положения, которые выносятся на публичную защиту.

В первой главе содержится обзор общих принципов измерений в системах аналогового, аналого-цифрового и цифрового вещания. Дается обзор параметров и качественных показателей каналов формирования и передачи аналогового телевидения и принципы их измерений.

Приведена классификация искажений возникающих при цифровом кодировании информации, поскольку внедрение цифровых систем приводит к возникновению принципиально новых видов искажений в видеосигнале.

Рассмотрена специфика измерений в системах цифрового телевидения.

Поскольку цифровые звенья встраиваются в аналоговые системы, то возникает ряд особенностей и проблем, связанных с измерением искажений возникающих в гибридных системах аналого-цифровом телевидения.

Внедрение цифровых видеоинформационных систем накладывает ограничения на форму применяемых измерительных сигналов. Специальные тестовые таблицы, которые используются для контроля и измерений, должны учитывать специфические особенности методов цифровой обработки и передачи видеоинформации. Показано, что в связи с этим необходима разработка новых подходов и методов оценки качества обработки, передачи и воспроизведения видеоинформации.

Вторая глава посвящена разработке новых измерительных сигналов и таблиц для объективного и субъективного анализа систем формирования и передачи телевизионного сигнала.

При оценке параметров различного оборудования, предназначенного для сжатия цифровой видеоинформации, большой интерес представляет разработка методов определения качества цифрового кодирования, использующего стандарты MPEG. В этой связи подробно исследованы системные искажения изображений при их внутрикадровом и межкадровом кодировании, предложены варианты их оценки, разработаны элементы тестовых сигналов, особенно чувствительных к тем или иным трансформациям видеосигналов.

В частности, переход к системам цифрового телевидения предъявляет определенные требования к форме используемых измерительных сигналов в плане их согласования по спектру с измеряемым каналом. Для оценки импульсных характеристик предложено использовать сигналы, форма которых определяется выражением:

g(t)= 2 ап-зтсшаи~пТ0)

О)

а>0=ж1Т0.

% Н!

...............V у—У) \ \ % 2.......................... 1.54 ! 1 (2 л

\ V« ),22х

\ -0.57 ..... -0.27

-4

6

4

(2>-

1)

8!

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Рис. 1. Форма и спектр сигнала для измерения импульсной характеристики: (1) - косинусквадратичный 2Т-импульс (2) - предлагаемая форма импульса.

В таблице 1 приведены значения коэффициентов а„ при N = 10.

Таблица 1.

п 0 1 2 3 4 5

а„ 1 0.4811 0.0154 0.0035 -0.0027 0.0019

п 6 7 8 9 10

а„ -0.0014 0.001 -0.0008 0.006 -0.0005

Если Т= Т=—-— , то форма этого сигнала близка к 2/„

косинусквадратичному 2Т-импульсу, используемому для оценки аналогового телевизионного канала, но отличается отсутствием спектральных компонент вне пределов граничной частоты /гр.

Для оценки переходных характеристик предложено использовать сигнал, форма которого описывается функцией:

I N

hi{t)=T0f gl{t)dtlZ bn, (2)

—во n--N

N

£,(')= Z b„*sincw0(t-nT0), |/|<1.85Тй;

n=-N

N

b„ = b^ ; coo = it/To, z b= 1.5132.

n=-N

Рис. 2. Форма сигнала для измерения переходной характеристики: интеграл от косинусквадратичного импульса длительность Т(1) и 2Т(2), (3) -предлагаемая форма импульса длительность 1.45Т.

В таблице 2 приведены значения коэффициентов Ь„ при N = 10. Таблица 2.

п 0 1 2 3 4 5

ь„ 1 0.2824 -0.0349 0.0148 -0.0082 0.0052

п 6 7 8 9 10

ьп -0.0036 0.0026 -0.002 0.0016 -0.0013

При создании цифровых генераторов измерительных сигналов с использованием ЦАП обязательным является применение так называемой Бтс-предкоррекции, которая может быть осуществлена в соответствии с соотношением: 1

=а0+2-^апсоз(пшТс) ,

4 4

где я0=-С , а=-

5шс(ШГС/2)

*-0(2к+1)

Тс - интервал дискретизации,

Таблица 3.

(3)

(-1)'

к^о (2к+1)

2 =0.915965594 - постоянная Каталана,

п 0 1 2 3 4 5 6

а„ 1.1662 -0.1070 0.0345 -0.0165 0.0095 -0.0062 0.0043

п 7 8 9 10 11 12 13

а„ -0.0032 0.0025 -0.0018 0.0017 -0.0013 0.0012 -0.0008

Ряд (3) достаточно быстро сходится, и поэтому можно ограничиться конечным числом его членов. В таблице 3 приведены значения коэффициентов а„.

Для измерения частотных свойств видеоканала предложено использовать модернизированный сигнал, форма которого имеет вид:

£/(/,|)=±- ^С052[^Г(<-/0)][1 + С08Ш,.(/-/0)] (4)

где 17г- размах телевизионного сигнала,

|/-/о| < 2ж (2п-1), 10 - положение центра измерительного сигнала, г - длительность косинусквадратичного импульса, определяющего форму низкочастотной и огибающей высокочастотной составляющих сигнала

частоты /,.=—- .

2тт

Разработанные алгоритмы оценки АЧХ и ГВЗ по новым сигналам (4), позволяют достичь точности измерения АЧХ с разрешением 0.1 % и ГВЗ с разрешением 1 не.

Рис. 3. Измерительный сигнал (4} и его спектр в ТВ строке №55 и 100. {частота заполнения соответственно 1.2 МГц и 2.4 МГц)

Для измерения частотных характеристик боковых полос ТВ

радиопередатчиков предложено использовать новый измерительный радиоимпульс, форма которого имеет вид:

Рис. 4. Измерительный сигнал (5) и его спектр в ТВ строке №55 и 100. (частота/,равна соответственно 1.2 МГц и 2.4 МГц)

На базе этих расчетов созданы специальные сигналы, предназначенные для измерений каналов «SECAM/PAL - цифровой участок - SECAM/PAL».

Разработан ряд специальных динамических испытательных таблиц с изменением сигналов по положению и уровню в смежных строках и кадрах. Их использование позволяет проанализировать практически все виды искажений изображений, которые могут возникнуть в каналах «SECAM/PAL - MPEG - SECAM/PAL». В частности, на рис. 5 приведено изображение одного кадра испытательной таблицы для объективного анализа характеристик таких каналов.

Рис. 5.Фрагмент динамической испытательной таблицы для анализа каналов«SECAM/PAL - MPEG - SECAM» и «PAL - MPEG-2 - PAL»

Рис. 6 Кадры испытательной таблицы «SECAM - MPEG - SECAM»

Для субъективной оценки качества кодирования и передачи сигналов в таких каналах были разработаны специальные динамические испытательные таблицы, отдельные кадры которых приведены на рис. 6. Таблица в виде последовательности циклически изменяющихся кадров содержит элементы для анализа как специфических искажений, возникающих при цифровом кодировании в соответствии со стандартами MPEG, так и искажений в аналоговых ТВ каналах.

Третья глава посвящена проблемам разработки новых методов оценки качества систем обработки измерительной информации. Многообразие применяемых систем формирования и передачи видеоинформации требует использования метрологического обеспечения аналогового, аналого-цифрового или цифрового канала в целом. Для таких систем необходимы принципиально новые способы измерений и соответствующие контрольные и измерительные средства. При этом следует обеспечить совместимость этих средств с традиционными аналоговыми системами.

Для оценки сигналов требуется обеспечить измерения и контроль основных параметров и качественных показателей каналов различных систем видеовещания. Основная задача при этом состоит в минимизации погрешностей оценки характерных уровней измерительных сигналов. Рассмотрим ряд вариантов обработки измерительных сигналов.

1. При оценке постоянных уровней сигналов наибольшее подавление помехи может быть получено при использовании оптимальной линейной фильтрации. Если в точке измерения четные производные сигнала равны нулю, то для оптимального фильтра нижних частот с граничной частотой /0 при помехе с равномерным спектром АЧХ равна:

М * 2ш

т=\ J О > (6)

где М - число равных нулю четных производных, коэффициенты Вгга должны удовлетворять системе уравнений

м п .

У (_!)«-'-fS5-=—L_, 1 <к<М

' 2m+2k+l 2k + l

При M=2 и эквивалентной шумовой полосе фильтра, равной 0,5 МГц, в случае помехи с равномерным спектром до /«. =6 МГц уменьшение ее эффективного напряжения составляет

раз.

Фильтр с характеристиками (6) можно реализовать в цифровом виде, если:

К'(Л = 1+2^аксов(ггк^-) (7)

к= 1 J гр

к(Л~К'(Л

Коэффициенты а/ определяются из соотношения (8):

т-\ 2 о

В таблице 4 приведены рассчитанные коэффициенты а! (8) для цифрового фильтра (7).

Таблица 4.__

дм 1 2 3 4 5 6 7 8

1 0.08443 0.19470 0.28323 0.31911 0.30100 0.25176 0.20091 0.16738

2 -0.02110 -0/03654 -0.02426 0.02274 0.09088 0.15431 0.19066 0.19324

3 0.00938 0.01524 0.00891 -0.00792 -0.02251 -0.01923 0.00914 0.05563

4 -0.00527 -0.00837 -0.00473 0.00392 0.01021 0.00725 -0.00467 -0.01658

5 0.00337 0.00530 0.00295 -0.00235 -0.00593 -0.00396 0.00253 0.00786

6 -0.00234 -0.00366 -0.00202 0.00157 0.00391 0.00255 -0/00158 -0.00468

7 0.00172 0.00268 0.00147 -0.00113 -0.00278 -0.00179 0.00109 0.00315

8 -0.00131 -0.00204 -0.00112 0.00085 0.00209 0.00133 -0.00080 -0.00228

2. Эффективным методом оценки характерных уровней сигналов при наличии флуктуационных и импульсных помех является использование порядковых статистик. В алгоритм функционирования системы анализа данных заложено использование уинсоризованного среднего:

п—г— 1

' п

(г+1)(ДГг+1+ЛГ,_г)+ Е X,

, г=1 или г=2 (9)

При нормальном законе распределения результатов измерений и п> 10 эффективность такой оценки весьма высока (более 0,95).

Основную информацию об энтропийном отклонении результатов измерений несут крайние порядковые статистики. В этом плане при нормальном законе распределения особый интерес представляет оценка (эффективность более 0,97):

I--1~(ч/ 2)

£„*(?)=* Е (и-21 + 1)(Хп+,_-Х1) .

(Ю)

3. Выделение огибающей синусоидальных сигналов и(()=и*соз(Ш+<р) производится путем нахождения с помощью ДПФ преобразования по Гильберту Г[и(1)]=и*51т(со1+(р) и вычисления амплитуды по формуле:

с/=>/(«(0)2+(г[и(0])2 (П)

Выделение элемента сигнала - Преобразование Фурье —'\ -ч Преобразование Гильберта

П

Выделение огибающей по формуле Обратное преобразование Фурье

Рис.7. Схема выделения огибающей сигнала

4. Использование преобразования Гильберта позволяет эффективно оценивать фазовые соотношения в синусоидальных сигналах, в частности, дифференциальную фазу цветовой поднесущей. Исходно в каждой

дискретнои точке определяется значение фазы ср(к)=Аг^-—— ,

и\к)

1 <к<Ы , затем рассчитывается фазовая характеристика ф(к)=ф(к)+2пг , причем г подбирается таким образом, что ф(к)>ф{к-1) и ф(к)-ф(к- 1)<7Г.

Пусть изменение фазы должно оцениваться относительно- фазы поднесущей в области дискретного отсчета к = К. Тогда значение фазы и среднее значение изменения фазы в этой точке определяются в области К-к0<к<К+к0 как:

Ш)= 1

Л(Р=— £ [ф(п)+ф(п-1)1

а характеристика дифференциальной фазы определяется по формуле: <рд{к)=<р(К)-ф(К)-А(р(к-К), К<к<И.

5. При вычислении частоты сигнала(рис 8) помимо его преобразования по Гильберту производится анализ спектров производных сигнала и его составляющей Гильберта.

Выделение синусоидального пакета из сигнала

:ж

Преобразование Фурье

Ж

Преобразование Гильберта

ж:

Обратное преобразование Фурье

ГШ)}И-I

Преобразование Фурье

Умножение спектральных составляющих на их номер

Преобразование Гильберта

и®

Обратное преобразование Фурье

ж:

Обратное преобразование Фурье

-И-Г[и*{>

Оценка частоты синусоидального пакета по формуле

/<*)=у

1тУ (и(,))'+(Г1и(,)1)'

V]

Рис.8. Схема оценки частоты синусоидального пакета.

Вычисление производных связано с умножением спектральных

N

составляющих на их номер при 0<п<— и на величину (И—п) при

N

<»<N-1

Оценка частоты после ОДПФ проводится по формуле:

^ 2п \ (и(к))2+(Г[и(к)])2 где и* (к), /,[«*(А;)] - производные сигнала и его преобразования по Гильберту соответственно.

6. В ряде случаев удобно анализировать экстремальные значения сигналов непосредственно по дискретным отсчетам.

Если дискретизация сигнала осуществляется через интервал ЛI, то его дискретные отсчеты равны:

х=А-соэ

А

(п)

где А и ш0 соответственно, амплитуда и круговая частота синусоидального сигнала, Ф=ои0-?0 - начальная фаза, В - постоянный

уровень сигнала, Ах=а)0А1, §,„ и 52п- дискретные значения помехи, определяющей изменение положения импульсов дискретизации, и аддитивной помехи.

Алгоритм поиска положений экстремальных значений сигнала с одновременной оценкой размаха сигнала состоит в вычислении значений:

N

7„=2>„*„, (12)

Л=1

где ап - коэффициенты взвешивания отсчетов, соответствующие условиям безыскаженной оценки постоянной составляющей и экстремума синусоидальной составляющей сигнала -

N N

Еа„=1 и Еалсо8

Л=1

= 1. (13)

N

Минимизация дисперсии помехи обеспечивается при ^а2п=>тт и

л — 1

соответствует значениям

"=а1+а1С05(п-Щ^-)-Лх, 1 <п<Ы, (14)

А^тЛл:' °г Ывт(Ах/2)

N+1

л . о 111 1V ¿-1 А. 01111.*» Л! )

где коэффициенты равны а,= д ^ ; а2- м.п/л и \<п<

2 '

При этом коэффициент уменьшения дисперсии помехи составляет

, , 1 „ , 1+а, —2а2 , 2(1—2а2) ,„=Л1+Л2=-А> ^лг(1 + а[_2д,); (15)

_3 + а1-4а2 _

--- 2 - эффективность оценки величины X ы в точке

1 +а, —2а2

Если эта точка совпадает с положением /' максимума сигнала, то при отсутствии помех Xц=А+В. Если же эта точка совпадает с положением минимума, то Хц=В—А. Учитывая, что максимальный сдвиг точки

относительно экстремума составляет кл--' максимально возможная

относительная погрешность оценки величины А составляет -100 .

Задавшись величиной ЛА<0,25, получим требуемое значение величины Ах=0,2.

Положение максимума или минимума сигнала уточняется по формуле

Я-2+ -г-

1 2РЛ

4

Лх,

(16)

где знак «+» соответствует случаю, когда при поиске максимума X ¡¿> X ы_г, а при поиске минимума Xц<Х; в противном случае используется знак

X»

«-»и р0==--1 •

В четвертой главе рассматриваются специфические особенности построения компьютерных систем телевизионных измерений и их метрологическое обеспечение. Рассмотрена структурная схема устройства ввода-вывода видеоанализаторов В К-1 и ВК-2. Описаны новые методы высокоточных измерений затухания несогласованности входов и выходов телевизионных устройств.

Метрологическое программное обеспечение (ПО) видеоанализатора используется при настройке его характеристик и обеспечивает цифровую коррекцию аппаратурных и методических погрешностей генератора и анализатора. С помощью этого ПО обеспечивается настройка следующих параметров:

• [рун нового времени задержки (ГВЗ) и амплитудно-частотной характеристики (АЧХ),

• уровней телевизионного измерительных сигналов ,

• крутизны амплитудной характеристики,

• других параметров телевизионного сигнала.

Кроме того, обеспечивается коррекция переходной характеристики и коррекция методических погрешностей анализа искажений ТВ сигнала.

При проведении коррекции АЧХ из ТВ сигнала выделяется огибающая высокочастотной составляющей и измеряется ее размах А, для всех частот измерительного ТВ сигнала и для частоты 1,5 МГц А ммп,, по которым

А; А, . .

строится характеристика АЧХ, определяемая вектором

Рис,9. ГВЗ и АЧХ после коррек1

Для коррекции ГВЗ проводится быстрое преобразование Фурье ТВ сигнала и по действительной а и мнимой}Ь частям спектра ТВ сигнала

определяются величины задержки

ш. Ш, 6 ь.

вы со к о частотно и

составляющей ТВ сигнала для всех частот/ ТВ сигнала и для частоты ! ,5 МГц тгшгч, по которым (Лроится характеристика ГВЗ, определяемая вектором Гу—т^мгц , не.

Пятая глава посвящена описанию практической реализации результатов исследований систем цифровой обработки изображений и оценке ее качества.

Рис. 10. Видеоанализатор ВК-2 в переносном исполнении и комплекс измерений и контроля телевизионных радиоцентров и систем кабельногс телевидения ТЕСТЕР-Э.

На базе проведенных исследований и разработок созданы следующие измерительные устройства и системы:

- видсоанализаторы серии ВК (рис. 10), реализующие функции 12 измерительных приборов, обеспечивающих генерацию тестовых сигналов и таблиц, а также оценку их искажений в каналах 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 19 программ телевизионного вещания г, Москвы;

- комплекс измерений и контроля телевизионных радиоцентров и систем кабельного телевидения ТЕСТЕР-Э (рис. 10), обеспечивающий автоматические измерения и двухуровневый допусковый контроль

параметров и качественных показателей сигналов изображения и звукового сопровождения эфирного вещания и вещания в сетях кабельного телевидения.

Все разработанные и серийно выпускаемые измерительные приборы и системы зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений, имеют сертификаты об утверждении типа средств измерений Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии, а также сертификаты соответствия в системе «Электросвязь».

В заключении диссертационной работы приводятся наиболее важные результаты исследований и разработок, имеющих важное народнохозяйственное значение, что подтверждается внедрением созданных систем и устройств, удостоверенным 3 актами, приведенными в приложении.

К основным результатам диссертационной работы необходимо отнести разработку формы элементов тестовых статических и динамических изображений, а также высокоэффективных методов цифрового анализа измерительной информации.

В рамках проведенных исследований и разработок при непосредственном участии автора создан и внедрен в эксплуатацию ряд устройств и аппаратура измерений и контроля .

Публикации на тему диссертационной работы

1. Дворкович A.B., Дворкович В.П., Макаров Д.Г. Компьютерная метрология телевизионного канала // Международный конгресс HAT "Прогресс технологий телерадиовещания", Москва, 21-24 октября 1997, материалы, с. 94-102

2. Дворкович В.П., Макаров Д.Г., Пральникова Т.Е. Компьютерная метрология телевизионного канала. // 1-й научно-практический семинар «Новое в телерадиовещании и радиосвязи ». 1-2 апреля 1998, г. Псков, МНТОРЭС им. A.C. Попова, тезисы докладов с. 38.

3. Дворкович A.B., Дворкович В.П., Макаров Д.Г., Мохин Г.Н., Соколов

A.Ю. Характерные искажения изображений при цифровом кодировании MPEG и тестовые сигналы для оценки качества кодирования. // 1-я Международная конференция: «Цифровая обработка сигналов и ее применения», 30 июня - 3 июля 1998, Москва, МЦНТИ, доклады, т. III, с. 221-235 (v. III-E, р. 146-159).

4. Дворкович A.B., Макаров Д.Г., Пральникова Т.Е., Шлеев С.Е. Особенности построения компьютерных систем измерений и контроля качественных показателей телевизионного канала. // 1-я Международная конференция: «Цифровая обработка сигналов и ее применения», 30 июня -3 июля 1998, Москва, МЦНТИ, доклады, т. III, с. 243-244 (v. III-E, p. 166167).

5. Дворкович A.B., Дворкович В.П., Макаров Д.Г., Соколов А.Ю. Компьютерная метрология телевизионного канала // «Инновации-98», Москва, ВВЦ, 20-24 октября 1998, тезисы докладов, с. 38

6. Дворкович A.B., Дворкович В.П., Макаров Д.Г., Новинский Н.Б, Иртюга

B.А Компьютерная методология аналогового и цифрового телевизионного вещания // Международный конгресс HAT "Прогресс технологий телерадиовещания", Москва, 1-3 ноября 1999, материалы, с. 193-199

7. Дворкович В.П., Макаров Д.Г., Басий В.Т., Маклаков Д.В., Латрыгин Н.М. Метрология систем аналогового, аналогово-цифрового и цифрового вещания. // Научно-техническая конференция «Прогрессивные радиотехнологии для инфокоммуникаций России» Доклад. 2004.

8. Макаров Д.Г. Комплекс измерений и контроля телевизионный радиоцентров и сетей кабельного телевидения «ТЕСТЕР-Э». // Пятая Международная конференция «Цифровые технологии в телевизионном и звуковом вещании» 19-22 апреля 2005, Валдай, Россия.

9. Лебедев О.В., Макаров Д.Г. Проблемы и особенности телевизионной метрологии. // 11-я конференция главных метрологов и специалистов метрологических служб отрасли "Связь". «Обеспечение единства и требуемой точности измерений параметров связи и услуг связи, Состояние дел и основные задачи» 10-13 мая 2005, Москва, МТУ СИ.

' с

Ю.Дворкович В.П., Дворкович A.B., Макаров Д.Г. Высокоточные измерения параметров и качественных показателей телевизионного канала. // Метрология и измерительная техника в связи. 1998 №3, с. 17-21.

11. Дворкович В.П., Басий В.Т., Дворкович A.B., Макаров Д.Г. Телевизионные измерения как средство обеспечения высокого качества телевизионного вещания. // 625, 1999, №8, с. 5-6

12.Дворкович A.B., Дворкович В.П. Макаров Д.Г., Новинский Н.Б., Соколов А.Ю. Испытательные таблица для измерения качества цифрового и аналогового телевизионного вещания. // 625, 1999, №8, с. 36-42 .

13.Дворкович В.П., Басий В.Т., Дворкович A.B., Макаров Д.Г.. Оборудование НИИР. // 625 1999, №8, с.42-56.

14.Басий В.Т., Дворкович В.П., Дворкович A.B., Макаров Д.Г., ФГУП НИИР - Новый метод прецизионного измерения затухания несогласованности входов и выходов телевизионных устройств. // Метрология и измерительная техника, 2001, №4, с. 18-24.

15.Лебедев О.В., Макаров Д.Г., ФГУП НИИ Радио. НА КРЫШЕ ДОМА ТВОЕГО... Заметки о телевизионной метрологии.// Контрольно-измерительные приборы и системы. 2005, №3-№4,с 24-27, с 22—25.

16.Дворкович В.П., Дворкович A.B., 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. 22-28.

17.Дворкович В.П., Дворкович A.B., Макаров Д.Г., Басий В.Т. Видеоанализатор ВК-2 - прибор нового поколения измерений и контроля качественных показателей каналов передачи телевизионных сигналов. Метрология видеоанализатора. // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2006, №6, с. 32-35.

18. Дворкович В.П., Дворкович A.B., Макаров Д.Г., Басий В.Т. Видеоанализатор ВК-2 - прибор нового поколения измерений и контроля качественных показателей каналов передачи телевизионных сигналов. Пользовательский интерфейс программного обеспечения. // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2007, №2, с. 25-28.

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

20.Басий В.Т., Дворкович В.П., Макаров Д.Г. Н.М.Латрыгин Мониторинг качественных показателей телевизионных сигналов. Сборник научных статей.// Труды НИИР 2007, №3, с. 26-33.

21.Макаров Д.Г. Цифровая обработка телевизионных измерительных сигналов./Щифровая обработка сигналов.2007, №3, с.30-36

Введение.

Глава 1. Общие принципы измерений в системах аналогового, аналого-цифрового и цифрового вещания.

1.1. Перечень параметров и качественных показателей каналов формирования и передачи аналогового телевидения и принципы их измерений.

1.1.1. Аналоговые и цифровые генераторы телевизионных измерительных сигналов и устройства ввода телевизионных испытательных строк.

1.1.2. Генераторы телевизионных электрических таблиц.

1.1.3. Телевизионные осциллографы.

1.1.4. Секамоскопы и вектороскопы.

1.1.5. Анализаторы искажений телевизионных измерительных сигналов и испытательных строк.

1.1.6. Анализаторы боковых полос телевизионных передатчиков и телевизионные измерительные демодуляторы и приемники.

1.1.7. Приборы для контроля канала звукового сопровождения телевидения.

1.1.8. Системы комплексного анализа параметров ТВ радиопередающих станций.

1.2. Характерные искажения при цифровом кодировании видеоинформации

1.3. Специфика измерения в системах цифрового телевидения.

1.3.1. Генераторы цифровых испытательных сигналов.

1.3.2. Измерители основных параметров транспортных потоков цифрового сигнала.

1.3.3. Измерители качества цифрового кодирования видеоинформации.

1.4. Особенности измерений в системах аналого-цифрового телевидения.

1.5. Согласование формы измерительных сигналов со спектром канала передачи.

Выводы.

Глава 2. Новые измерительные сигналы и таблицы для объективного и субъективного анализа систем формирования и передачи телевизионного сигнала.

2.1. Разработка элементов измерительных сигналов и принципов их цифрового формирования.

2.2. Синтез измерительных сигналов для оценки искажений в телевизионных системах, содержащих цифровые звенья.

2.3. Синтез измерительных сигналов для оценки частотных свойств каналов телевидения.

2.4. Синтез измерительных таблиц для объективной оценки качества передачи изображения в аналого-цифровых и цифровых, системах телевидения.

2.5. Синтез измерительных таблиц для субъективной оценки качества передачи изображения в аналого-цифровых и цифровых системах телевидения.

Выводы.

Глава 3. Новые методы анализа искажений телевизионных измерительных сигналов.

3.1. Оценка постоянных уровней телевизионных измерительных сигналов

3.2. Использование порядковых статистик для устранения влияния импульсных помех при цифровых измерениях.

3.3. Анализ экстремальных значений сигналов непосредственно по дискретным отсчетам.

3.4. Оценка эффективного напряжения флуктуационных помех и амплитуд синусоидальных помех непосредственно в процессе передачи.

3.5. Анализ частотных свойств телевизионных видео- и радиосигналов на основе использования новых измерительных сигналов.

3.6. Оценка цифрового сигнала.

Выводы.

Глава 4. Специфические особенности построения компьютерных систем телевизионных измерений и их метрологическое обеспечение.

4.1. Структурная схема устройства ввода-вывода информации видеоанализатора компьютерного ВК-1.

4.1.1. Блок ввода.

4.1.2. Узел управления.

4.1.3. Генератор видеосигнала.

4.2. Структурная схема устройства ввода-вывода информации компьютерного видеоанализатора ВК-2.

4.2.1. Узел АЦП.

4.2.2. Узел ЦАП.

4.2.3. Узел синхронизации и тактирования.

4.2.4. Узел управления.г.

4.3. Структурная схема устройства ввода-вывода информации компьютерного видеоанализатора ВКЦ.

4.3.1. Состав модуля.

4.3.2. Аналоговый входной тракт модуля.

4.3.3. Аналоговый выходной тракт модуля.

4.3.4. Узлы, выполненные в FPGA и мост PCI Express.

4.3.5. Генератор тактовых частот.

4.3.6. Узел АЦП.

4.4. Методы метрологического обеспечения видеоанализаторов.

4.4.1. Оценка и коррекция импульсной характеристики, АЧХ и ГВХ анализатора.

4.4.2. Оценка и коррекция характеристики АЧХ и ГВЗ генератора.

4.4.3. Коррекция основных характеристик генератора.

4.4.4. Коррекция основных характеристик анализатора.

4.4.5. Новые методы высокоточного измерения затухания несогласованности входов и выходов телевизионных устройств.

Выводы.

Глава 5. Практическая реализация результатов исследований.

5.1. Видеоанализаторы компьютерные серии ВК.

5.2. Комплекс измерительный телевизионный КИ-ТВ.

5.3. Комплекс измерений и контроля телевизионных радиоцентров и систем кабельного телевидения ТЕСТЕР-Э.

5.4. Видеоанализатор компьютерный ВКЦ.

5.5. Мониторинг качественных показателей телевизионных радиоканалов

Выводы.

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 назначения; диапазон разрешения кадра также огромен: от 88x72 пикселей в видеотелефоне до 1920x1080 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 видео- и 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».

1. Akiyama H., Munezawa K.3 Tsuru M. Digital VITS Generator for Television Broadcasting // NEC Research & Development. 1981. - №63. -P. 59-66.

2. Agilent Technologies 3458A Multimeter. User's Guide. 8 March 2001.

3. Andrews H.C., Caspari K. A Generalized Technique for Spectral Analysis // IEEE Trans. Computers. 1970. - V. C-19, № 1. - P. 16-25.

4. ANRITSU Electric Co. Ltd. Digital Video Generator MG 6301A/B/C. -ANRITSU, 1988.- 8 p.

5. ANRITSU Electric Co. Ltd. Electronic Measuring Instruments for telecommunication equipment and systems. Condensed Edition 1988/1989. Catalog. ANRITSU, 1988. - 71 p.

6. ANRITSU Electric Co. Ltd. TV Test Signal Analyser MS349A/B. -ANRITSU, 1988.- 8 p.

7. Bell D.I., Gorbold I.M. Automatic television monitoringsystem // MARCONI INSTRUMENTATION. 1973. - №2. - P. 7-11.

8. Bellman R. Introduction to Matrix Analysis N.Y.: McGraw-Hill, 1960.-270 p.

9. CCIR Recommendation 421-2. Requirements for the transmission of television signals over long distances (system I excepted) // CCIR Xllth plenary assembly. New Delhi, 1970. ITU, Geneva, 1970. - V. V, Part 2. -P. 173-193.

10. CCIR Report 308-2. Characteristics of monochrome television systems // CCIR Xllth plenary assembly. New Delhi, 1970. ITU, Geneva, 1970. - V. V, Part 2. - P. 21-35.

11. CCIR Report 405-1. Subjective assessment of the quality of television pictures // CCIR Xllth plenary assembly. New Delhi, 1970. ITU, Geneva, 1970. - V. V, Part 2. - P. 89-93.

12. Chambers J.P. The Use of Digital Techniques in Television Waveform Generation// IBC Proc. London, 1974. - P. 40-46.

13. Deperi M.G. Calcul des Formes D'onde Theoriques de Signaux Codes SECAM. Application a un Generateur Numerique de Signaux. // Revue de Radiodiffusion Television. - 1982. - №75. - P. 48-59.

14. Devlin B., Walland P. Test Card 'M' Bitstreams for DVB Test and Measurement. - Snell & Wilcox Ltd., UK, 1998. - 6 p.

15. Drescher F., Steinmetz H.J., Dobesch H. Ein Meßgerät für die automatische Messung von Geraten und Anlagen und zur Fernmessung im Bildkanal // Techn. Mitteilungen des RFZ. 1969. - №3. - P. 8-11.

16. Electronic Measuring Instruments. Catalog. MEGURO Electronics Corp., 1992. - 112 p.

17. ENERTEC. Instruments 1985. International Edition. Catalog. -ENERTEC, 1985. 122 p.

18. EUROPEAN STANDARD EN 50083-9. Cabled distribution systems for19