Регистрация / Вход
Прислать материал

14.581.21.0015

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.581.21.0015
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"
Название доклада
Разработка программных и технических средств для эфирных видеоинформационных систем вещания и связи массового и специального применения с использованием ограниченного частотного ресурса.
Докладчик
Дворкович Виктор Павлович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основной целью является разработка программно-аппаратных средств, обеспечивающих создание узкополосных цифровых систем наземного мультимедийного вещания и связи в диапазоне частот 30-300 МГц. Такие системы обеспечат существенное повышение эффективности использования ограниченного природного ресурса - частотного спектра в ОВЧ диапазоне, внедрение цифровых телекоммуникационных систем, модернизацию передающих и приемных средств при сохранении инфраструктуры вещания, снижение потребляемой мощности и расширение зоны охвата по сравнению с аналоговыми системами вещания с частотной модуляцией при сохранении частотных распределений. Для этого необходимо совершенствование алгоритмов компрессии видео и звуковой информации, алгоритмов канального кодирования и цифровой модуляции, алгоритмов обработки принимаемого сигнала.
Актуальность и новизна исследования
Преимущества цифровых систем вещания и связи широко известны. Это высокое качество передаваемой информации в зоне покрытия, снижение мощности передающих средств, повышение устойчивости к помехам, появление новых сервисов, недоступных в аналоговом вещании и связи. Так в стандартном канале радиовещания ОВЧ диапазона (250-300 кГц) вместо одной стереофонической звуковой программы можно передавать несколько несколько более высококачественных стереофонических и много канальных (5.1) звуковых программ, сопроводительную информацию, как связанную, так и не связанную со звуковыми программами (электронная программа передач, титры, прогноз погоды, состояние на дорогах и пр.), а также видеоинформацию. Расширение радиоканала в 2-3 раза позволяет передавать одну программу телевидения высокой четкости. При этом в ОВЧ диапазоне обеспечивается стабильный мобильный прием в индивидуальном и общественном транспорте. В настоящее время существует очень мало цифровых систем передачи мультимедийной информации для этого диапазона, и существующие системы не удовлетворяют необходимым требованиям по ширине полосы радиоканала, пропускной способности и др. Таким образом, разработка обладает актуальностью и новизной.
Описание исследования

Создание цифровой системы передачи мультимедийной информации в узкополосных эфирных каналах для мобильного приема связано с решением комплексной научно-технической задачи. Во-первых, необходимо эффективное кодирование источника, то есть устранение перцептуальной избыточности при максимально возможном сохранении качества аудиовизуальной информации и заданной или минимально необходимой скорости битового потока. Эта цель может быть достигнута только при использовании последних достижений в области аудио и видеокомпресии.

Передовым стандартом эффективного кодирования звуковой информации является стандарт HE-AAC с такими дополнениями, как параметрическое кодирование стереофонического сигнала (PS), повторение (репликация) спектральных полос (SBR), кодирование многоканального звука (MPEG-Surround). Был разработан такой звуковой кодер, в котором реализованы оригинальные алгоритмы оценки параметров психоакустической звуковой модели.

Наиболее современными стандартом видеокодирования является стандарт H.265/HEVC. Он включает вычислительно достаточно сложные алгоритмы внутрикадровой и межкадровой обработки. Поэтому для его реализации в реальном времени для ТВ высокой четкости были разработаны квазиоптимальные быстрые алгоритмы выбора режимов кодирования, поиска движения и пр.

В то же время применении стандарта H.265/HEVC требует значительных вычислительных ресурсов, поэтому также перспективным является использование другого метода видеокодирования, обладающего, возможно, немного меньшей эффективностью, но требующего существенно меньших вычислительных ресурсов. Очень перспективным в этом плане является подход, основанный на использовании многоканальной вейвлет-декомпозиции изображений, адаптивном к распределению коэффициентов квантования и комбинаторном статистическом кодировании. Реализация такого оригинального кодера осуществлена на текущем этапе выполнения проекта. Структура кодирования позволяет использовать массовую параллельную обработку (например, с использованием GPU) без ущерба для эффективности кодирования.

Во-вторых, для решения комплексной научной задачи необходима система канального кодирования и модуляции, обеспечивающая возможность устойчивого мобильного приема в сложных условиях, характеризуемых многолучевым распространением и гауссовскими шумами. Это обеспечивается использованием модуляции OFDM в сочетании с каскадным канальным кодированием и многостадийным перемежением передаваемых данных. Использование кодов Бозе-Чоудури-Хоквингема (БЧХ) и кодов с низкой плотностью проверок на четность (LDPC) позволяет обеспечить помехоустойчивость, близкую к границе Шеннона, при приемлемой вычислительной сложности.

Продвинутые алгоритмы цифровой обработки принимаемого сигнала позволяют существенно понизить пороговое значение отношения сигнал/шум для устойчивой работы мобильного приема. Разработка нового двумерного эквалайзера принимаемого сигнала, использующего для оценки характеристики канала частотную и временную фильтрацию, позволил существенно (на несколько дБ) снизить этот порог.

Только комплексное решение этих задач позволяет достичь планируемых результатов.

Результаты исследования

Описанные выше исследования позволили создать опытные образцы программно-аппаратных средств, на базе которых реализуются системы цифрового мультимедийного вещания и связи для ОВЧ диапазона частот.

Разработаны двенадцать программно-аппаратных устройств:
- кодер видео по стандарту H.265/HEVC;
- кодер звука по стандарту HE-AAC;
- кодер видео с использованием многополосной вейвлет-декомпозиции изображений;
- кодер дополнительной информации;
- декодер видео, звуковой и дополнительной информации;
- формирователь мультимедийного контента;
- мультиплексор логических каналов;
- возбудитель;
- приемник;
- мониторинговый приемник;
- сервер обработки и анализа данных мониторинговых приемников;
- приемопередатчик для систем мультимедийной связи.

Для этих программно-аппаратных устройств разработаны методики измерения основных параметров, программная и конструкторская документация в составе.

Благодаря сочетанию современных передовых методов компрессии аудиовизуальной информации, эффективного канального кодирования и модуляции, дополнительной цифровой обработки принимаемых сигналов созданные в процессе выполнения проекта программно-аппаратные средства передачи мультимедийной информации превосходят существующие в настоящее время зарубежные аналоги (системы мультимедийного вещания для ОВЧ диапазона частот DAB+, DRM+, HD Radio и др.) по эффективности компрессии мультимедийных данных, спектральной эффективности и помехоустойчивости при фиксированном и мобильном приеме.

Практическая значимость исследования
На базе разработанных программно-аппаратных устройств будут созданы новые системы цифрового мультимедийного вещания и связи. Они позволяют экономить частотный ресурс, снизить энергопотребление передающих средств, внедрить новые услуги передачи мультимедийной информации в ОВЧ диапазоне частот. В 2017 г. планируется развернуть опытные зоны наземного мультимедийного вещания в Казани, Калининграде, Краснодаре и Ижевске. На базе опытных зон будут продемонстрированы новые возможности цифрового вещания для мобильных абонентов и отработаны типовые комплекты оборудования для дальнейшего внедрения в России и за рубежом.