Keywords: digital television, virtual laboratory works, signal

ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ ТЕЛЕВИДЕНИЯ В ТЕХНИЧЕСКОМ ВУЗЕ

Федоров Дмитрий Владимирович, аспирант, Омский государственный технический университет, г. Омск

Одинец Александр Ильич, кандидат технических наук, доцент, Омский государственный технический университет, г. Омск

Федорова Людмила Дмитриевна, кандидат технических наук, доцент, Омский государственный технический университет, г. Омск

УДК 378.147

В статье рассмотрена специфика проведения занятий по дисциплине, связанной с изучением телевидения, в частности виртуальные лабораторные работы, моделирующие процессы обработки сигналов в цифровом телевидении

Ключевые слова: цифровое телевидение, виртуальные лабораторные работы, сигнал

The article describes the specifics of classes in disciplines related to the study of television, in particular the virtual laboratory work, modeling the process of signal processing in digital television.

Keywords: digital television, virtual laboratory works, signal

Мы живем в такое время, когда за цикл активной деятельности радиоинженера происходит смена нескольких поколений технологий. За последнее десятилетие аналоговая электроника уступила место цифровой технике, черно-белое телевидение - цветному. На смену аналоговому телевидению пришло цифровое, которое в будущем уступит место стерео- и голографическому телевидению. В практике высшего профессионального образования, несмотря на углублённое изучение по отдельным дисциплинам, всегда имело место интеграция разных дисциплин, способствующая развитию и укреплению комплексных знаний и навыков. Многолетний опыт кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» (РТУ и СД) Омского государственного технического университета показал возможность отказа от ученического натаскивания и пассивного освоения готового материала в пользу системного подхода, стимулирующего компетенции, предполагающие самостоятельную аналитическую и организационную работу.

Системный подход к изучению радиотехнических дисциплин предлагается при изучении дисциплины «Основы телевидения и видеотехники». Освоение этой дисциплины предусматривает знание радиотехнических цепей и сигналов, аналоговых и цифровых устройств, кодирования информации и цифровой фильтрации. В процессе проведения занятий основное внимание уделяется теоретическим вопросам построения радиотехнических узлов, блоков, устройств и систем в целом, их анализу и синтезу.

Современный этап развития телевидения характеризуется интенсивным внедрением цифровых методов обработки сигналов. Цифровое телевидение по сравнению с аналоговым телевидением имеет неоспоримые преимущества. Наиболее важными из них являются возможность трансляции по каналам большого числа программ высокого качества при снижении затрат энергии при их передаче, а также возможность организации условного доступа (авторизации), предусматривающего плату за просмотр программ. Кроме того, цифровые телевизионные системы создают возможность [1, 2]:

- организации систем видеотелефонии и видеоконференцсвязи;

- передачи телевидения высокой четкости в стандартных каналах вещания;

- существенного повышения качества передачи изображений и звука;

- цифрового сопряжения сетей с компьютерными Интернет-сетями;

- обеспечения эффективности использования частотного ресурса;

- достаточно низкой цены внедрения за счет использования существующей инфраструктуры аналоговых сетей, антенных и кабельных систем.

Появится возможность широкого внедрения приема телевизионных программ в транспорте, включая железнодорожный. Техническая возможность приема цифрового телевидения на движущиеся объекты, практически в любой части города и области, дает качественно новые возможности предоставления сервиса потребителям.

В настоящее время в России телевидение вещает в аналоговом стандарте SECAM (625/50/2: 1/4: 3 - 625 строк разложения; 50 полей в секунду; 2: 1 - тип развертки, 4: 3 - формат кадра). В стандарте используется чересстрочная развертка, при которой один кадр разбивается на два полукадра (или поля), составленных из строк, выбранных через одну. В результате частота смены полей 50 Гц, а смены кадров - 25 Гц. Изображение отображается с разрешением 720 на 576 пикселей. Полоса частот одного телевизионного канала - 8 МГц.

Для цифрового наземного (эфирного) ТВ-вещания были разработаны три системы: ATSC (США), DVB-T (ЕС) и ISDB-Т (Япония). В России принята система цифрового телевидения. Данная система охватывает спутниковые (DVB-S, DVBS2), кабельные (DVB-C, DVB-C2), наземные (DVB-T, DVB-T2) средства передачи. Стандарт DVB-H нормирует параметры передачи данных на так называемые «наладонные» устройства. В стандарте реализован принцип использования MPEG-кодирования сигналов при различных способах их мультиплексирования и передачи, что обеспечивает максимальную совместимость разных систем.

В цифровом телевидении основные параметры компонентных видеосигналов стандарта 4: 2: 2 - 525/60/2: 1/16: 9. При этом число отсчетов в активной части строки для сигнала яркости - 720, а для каждого из двух цветоразностных сигналов по 360 при 8 или 10 битов на отсчет. В полосе частот одного канала аналогового телевидения (8 МГц) с использованием статистического мультиплексирования могут быть переданы до 9-10 цифровых телевизионных каналов при стандарте сжатия изображенияMPEG-2, а при стандарте сжатия изображения H.264/MPEG-4 v.10 - до 13-14 или 2-3 телевизионных каналов высокой четкости (ТВЧ).

Разработанные системы ТВЧ имеют примерно удвоенную разрешающую способность по вертикали и горизонтали. Для целей студийного производства и телевизионного вещания предложены стандарты 1125/60/2: 1 и 1250/50/2: 1. Для международного обмена программами ТВЧ предлагаются стандарты: 1080/25/1: 1, 1080/50/2: 1.

Использование цифровых методов в ТВЧ позволило унифицировать множество предложенных стандартов за счет применения единого формата (16: 9) изображения, предусматривающего 1080 активных строк в кадре с чересстрочным (2: 1) или прогрессивным (1: 1) разложением при 1920 отсчетах в каждой строке для яркостного сигнала (для цветоразностных сигналов - 960).

Стратегия перехода от аналогового к цифровому телевидению в России определяется разработанной в 1999 году «Концепцией внедрения цифрового телевидения и радиовещания в России», рассчитанной до 2015 года. Важным шагом в развитии цифрового телевизионного вещания явилось решение Правительства РФ от 25 мая 2004 года о внедрении в России европейской системы цифрового телевизионного вещания стандарта DVB (Digital VideoBroadcasting - цифровое видеовещание).

В июне 2005 года Госкомиссия по радиочастотам впервые выделила частоты для цифрового ТВ стандарта DVB-T. Принято решение о выделении для цифрового телевидения полосы частот 174-230 МГц и 470-862 МГц. Выделенные полосы соответствуют существующим диапазонам аналогового вещания: метровому - с 6-го по 12-й канал и дециметровому - с 21-го по 60-й канал.

В декабре 2009 года утверждена Федеральная целевая программа «Развитие телерадиовещания в РФ на 2009-2015 годы», которая включена в перечень целевых программ, подлежащих финансированию за счет средств федерального бюджета.

Рассмотрим, как организовано на кафедре РТУ и СД изучение дисциплины «Основы телевидения и видеотехники». В учебном плане направления 11.03.01 «Радиотехника» на 3 курсе предусмотрено изучение данной дисциплины.

На дисциплину «Основы телевидения и видеотехники» предусмотрено по 18 часов лекций и практических занятий, а также домашнее задание.

Основные темы лекций:

- физические основы телевидения;

- телевизионные системы и их стандарт;

- вещательные системы телевидения: SECAM, NTSC, PAL, D2-MAC;

- основы видеозаписи;

- телевизионные воспроизводящие устройства; - стереотелевидение.

Практические занятия посвящены изучению параметров видеосигналов, оценке качества телевизионного изображения по испытательным таблицам, изучению нескольких типов видеокамер. Несколько занятий посвящено изучению электрических принципиальных схем черно-белого и цветного телевизоров. Также рассматриваются их основные узлы: селектор каналов, каналы изображения, звукового сопровождения, строчной, кадровой и цветовой синхронизации.

В качестве домашнего задания студентам предлагается изучить одну из 25 тем, связанных с аналоговым телевидением: колориметрические системы, кодеры и декодеры систем SECAM, NTSC, PAL, телевизионные испытательные таблицы, кинескопы, видиконы, матрицы прибора с зарядной связью (ПЗС), структура телетекста и др. Студенты готовят по выбранной теме доклады, контрольные вопросы и презентацию. Изучение дисциплины «Основы телевидения и видеотехники» заканчивается защитой домашнего задания и сдачей экзамена.

Рассмотрим пример моделирования процесса М - позиционной квадратурной амплитудной модуляции (М - QАМ) [4]. На рис. 1 приведена схема получения многопозиционной модуляции. На вход формирователя модуляционных символов (ФМС) поступает поток цифровых данных D. Формирователь разделяет входной поток D на два цифровых потока I и Q. На выходе схемы формируется сигнал, соответствующий М - позиционной квадратурной амплитудной модуляции, которая обозначается как М - QАМ (М-КАМ).

Рис. 1. Схема получения многопозиционной модуляции

На рис. 2 приведены осциллограммы сигналов (а) и сигнальное созвездие (б) для модуляции 4-QАМ.

Рис. 2. Осциллограммы сигналов

Сигнал D по полубайтам преобразуется в два четырехуровневых сигнала I и Q. Частота отсчетов сигналов I и Q в четыре раза меньше, чем на входе ФМС, чем и объясняется четырехкратное увеличение спектральной эффективности по сравнению с балансной модуляцией.

При моделировании используется программа, выполняющая операцию исследования процесса модуляции 4-QАМ. После запуска программы появляется окно (рис. 3). После ввода исходных данных осуществляется формирование радиосигналов 4-QАМ.

Рис. 3. Окно программы многопозиционной модуляции

Для заданного блока данных D для каждого студента необходимо выполнить моделирование процессов, происходящих в квадратурной схеме многопозиционной модуляции (рис. 3) и построить сигнальное созвездие.

На лекциях, при выполнении домашнего задания и в ходе самостоятельной работы студенты используют разработанные на кафедре «Радиотехнические устройства и системы диагностики» электронные учебные материалы: учебное пособие, методическое указание к виртуальным лабораторным работам, материалы для самостоятельной работы, обучающие и контролирующие программы.

Библиографический список:

1. Мамчев Г.В. Основы радиосвязи и телевидения. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. 416 с.

2. Мамаев Н.С., Мамаев ю.Н., Теряев Б.Г. Системы цифрового телевидения и радиовещания. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. 254 с.

3. Одинец А.И., Бурдин А.Н. Основы цифрового телевидения стандарта DVB-T. Учебное электронное издание. Номер гос. регистрации 0321201613. Омск: ОмГТУ, 2012. 74 с.

4. Одинец А.И. Основы телевидения. Методические указания к лаб. работам. Омск: ОмГТУ, 2014. 76 с.