Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Системы цифрового телевидения 11
1.1 Обобщенная модель системы цифрового телевидения 16
1.2 Сравнительный анализ стандартов систем цифрового телевидения .. 24
1.3 Цифровое телевизионное вещание в ІР-сетях 49
1.4 Структура информационных потоков 59
1.5 Постановка целей и задач 63
ГЛАВА 2. Структура цифрового потока в система" цифрового телевидения 67
2.1 Формирование однопрограммного транспортного потока 72
2.2 Стандартный декодер Т-потока 78
2.3 Анализ структуры транспортного потока 84
ГЛАВА 3. Алгоритмы мультиплексирования т-потоков ... 89
3.1 Алгоритм мультиплексирования с постоянной скоростью 94
3.2 Алгоритм мультиплексирования сглаженных Т-потоков 97
3.3 Алгоритм статистического мультиплексирования со снижением детализации изображения 101
3.4 Алгоритм статистического мультиплексирования без изменения детализации изображения 105
3.5 Сглаживающий алгоритм статистического мультиплексирования без изменения детализации изображения 107
ГЛАВА 4. Исследование разработанного алгоритма мультиплексирования 120
4.1 Оценка эффективности разработанного алгоритма 121
4.2 Сравнение алгоритма мультиплексирования с постоянной скоростью, статистического алгоритма мультиплексирования без снижения детализации изображения и сглаживающего алгоритма статистического мультиплексирования без снижения детализации изображения по скорости многопрограммного Т-потока на выходе мультиплексора 127
4.3 Сравнение вероятности потери Т-пакетов, при превышении скоростей входных однопрограммных Т-потоков относительно исходных, для алгоритма мультиплексирования с постоянной скоростью и разработанного алгоритма мультиплексирования 131
4.4 Оценка влияния GOP-структуры на эффективность сглаживающего алгоритма статистического мультиплексирования
без снижения детализации изображения 137
4.5 Выводы по главе 141
Заключение 143
Список литературы
- Сравнительный анализ стандартов систем цифрового телевидения
- Стандартный декодер Т-потока
- Алгоритм статистического мультиплексирования со снижением детализации изображения
- Сравнение алгоритма мультиплексирования с постоянной скоростью, статистического алгоритма мультиплексирования без снижения детализации изображения и сглаживающего алгоритма статистического мультиплексирования без снижения детализации изображения по скорости многопрограммного Т-потока на выходе мультиплексора
Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование динамики вторичного потока тепловых нейтронов - один из элементов системного подхода к изучению механизмов влияния корпускулярного излучения на человека и живые организмы Классические модели геокосмического взаимодействия учитывают, в основном, электромагнитные взаимодействия и широкие атмосферные ливші, и только частично корпускулярное излучение Солнечный ветер вызывает ионизацию атмосферы и вторичный поток нейтронов, которые термализуются в атмосфере и замедляются до нейтронов тепловых энергий Вблизи земной коры более 70% нейтронов имеют энергию 0,45 эВ (Кужевский Б М , Нечаев 010 и др , 2002) Тепловые нейтроны (с энергией 0,02-0,5 эВ) обусловлены как вторичным излучением от взаимодействия солнечных и галактических лучей с земной атмосферой и магнитосферой, так и потоками от земной коры ( Кужевский Б М и др ,1996) особенно в районах с сейсмической активностью (Кузмип ІО Д ,2006) В связи с тем, что в настоящее время слабо освещена картина пространственно-временного распределения плотности потока іепловьіх нейтронов над поверхностью Земли, особую актуальность приобретает мониторинг плотности потока тепловых нейтронов в различных условиях У Земли плотность потока не высока, но даже слабый поток тепловых нейтронов оказывает значительное влияние (чаще всего активирующее) на биологические объекты (Masunaga S et al, 2001, Матвеева И С и др, 2004 ) Наличие значительных биологических ответов на слабые потоки тепловых нейронов позволяет предполагать что эти корп>ск}лярные потоки являются одним из факторов позволяющих живым организмам ощущать целый ряд астрогеофизических событий (Бетишева Н К и др , 2006), в дополнение к известным климатическим факторам ( Фролов В А , Чибисов С М, Казанская ТА 1986) В настоящее время в России проводится мониторинг высокоэнергешческой андронной компоненты на ряде стационарных мониторов (ИЗМИРАН, НИ1ІЯФ МГУ, Институт солнечно-земной физики СО РАН) Такой мониторинг не дает возможности изучить строение и вариабельность нейтронного поля Земли С учетом биоэффектов, которые наблюдаются при взаимодействии потока тепловых нейтронов с живыми организмами, необходимо исследовать пространственно-временное распределение плотности потока тепловых нейтронов над поверхностью Земли Хорошо известно, что назначение лечебно-профилактических мероприятий на том или ином курорте определяется исходя из множества гидрометеорологических характеристик и условий биоценозов (Хадарцев А А , 2000, Гранберг ИВ и др, 2006) В работе исследуются интегральные характеристики корпускулярного излучения -плотность потока тепловых нейтронов и ее суточный ход, которые составляют «нейтронный портрет» курорта
Цель работы Исследование космогеофизической характеристики местности - плотности потока тепловых нейтронов — по микро-, мезо- и макромасштабной пространственно-временной неоднородности нейтронного поля Земли, для типирования курортов и районов экологического туризма Задачи работы:
1 Дать сравнительную характеристику биологической активности вторичного
корпускулярного излучения (тепловых нейтронов)
2 Исследовать пространственно-временную неоднородность фонового вторичного
корпускулярного потока у поверхности Земли, (широтная и высотная зависимости)
Охарактеризовать временной ход потока тепловых нейтронов в лесных и высокогорных районах экологического туризма
Охарактеризовать временной ход потока тепловых нейтронов на прибрежном морском курорте и курортах Подмосковья
Описать временной ход потока тепловых нейтронов в районах экстремального туризма (Российская Западная Арктика, Северный полюс)
Исследовать роль биоценозов суши и морских биоценозов в формировании суточного хода потока тепловых нейтронов
Дать описание нейтронного поля как количественной характеристики среды обитания человека
Научная новизна:
Впервые проведена широкомасштабная дозиметрия фонового потока тепловых нейтронов, позволяющая создать представление о пространственно-временной вариабельности плотности потока тепловых нейтронов у поверхности Земли на территории различных курортов и мест экологического туризма
Впервые произведена дозиметрия плотности потока тепловых нейтронов при трансконтинентальных перелетах Москва - Петропавловск-Камчатский и Москва -Северный полюс
Впервые обнаружены аномальные возрастания плотности потока тепловых нейтронов в биоценозах, превышающие фоновые значения на несколько порядков и сравнимые с величинами плотности потока тепловых нейтронов на борту авиалайнера
Впервые исследован временной ход плотности потока тепловых нейтронов, как характеристика среды обитания человека, включая городскую инфраструктуру и места отдыха и туризма Практическая значимость работы
Данные по временному ходу плотности потока тепловых нейтронов могут быть использованы в курортологии, традиционной, профилактической и спортивной медицине для типирования курортов и районов туризма и санитарно-гигиенического нормирования разработки новой классификации и выработке рекомендаций по времени и району применения в лечебных и профилактических целях
Полученные данные о вариациях плотности потока тепловых нейтронов необходимы для обеспечения безопасности человека и технической безопасности при функционировании сложных радиоэлектронных устройств на поверхности Земли и при авиационных перевозках Особо важным применением полученных результатов по пространственно-временным вариациям потока тепловых нейтронов является разработка средств оценки радиационной безопасности и защиты экипажей на орбитальных и межпланетных станциях Основные положения, выносимые на защиту;
1 Предложена системная информационно-насыщенная физическая характеристика
наземных биоценозов и биотопов - плотность потока тепловых нейтронов как функция от
времени, пространства, биомассы, структуры биогеоценоза
2 Показана возможность типирования биоценозов измерением суточного и
многосуточного хода плотности потока тепловых нейтронов
3 Исследована пространственно-временная неоднородность нейтронного поля Земли, его
макромасштабная ( от Северного полюса до Огненной Земли), мезомасштабная
(особенности ландшафтов) и микромасштабная (локальные участки лесных биоценозов и
городской инфраструктуры) вариабельность
4 Обнаружены аномальные увеличения плотности потока тепловых нейтронов в
биоценозах и биотопах, не связанные с солнечной активностью
Продемонстрировано значительное, (на 3 порядка) увеличение уровня корпускулярных потоков во время трансконтинентальных авиаперелетов
Выявлена корреляция величин плотности потока тепловых нейтронов с биомассой суши и океана
Апробация работы
Основные результаты диссертациошгай работы доложены и обсуждены на конференциях Международная конференция « Космос и биосфера» (Крым, Партенит, Украина, 2005), Международная конференция« Погода и биосистемъо> (С -Петербург, 2006), VII Международная научно-практическая конференция «Здоровье и образование в XXI веке» (Москва, 2006), Шестая международная научная конференция студентов и молодых ученых "Актуальные вопросы спортивной медицины, лечебной и физической культуры, физиотерапии и курортологии" (Москва, 2007), Итоговая сессия Ученого Совета ГУ «ГОИН» (Москва, 2007) VIII Международная научно-практическая конференция «Здоровье и образование в XXI веке» (Москва, 2007), Международная конференция «Чтения Чижевского», (С-Петербург 2007)
Публикации, по теме диссертации опубликовано 11 печатных работ Структура и объем диссертации Диссертационная работа изложена на 139 страницах и состоит из следующих разделов обзора литературы, методов исследования, результатов исследования, обсуждения результатов, заключения, выводов, библиографического списка из J42 источника из них ИИ на русском и 4[ на иностранных языках Работа содержит 7 табтиц, 30 рис) нков
Сравнительный анализ стандартов систем цифрового телевидения
Система цифрового телевидения может включать в себя широковещательные каналы связи образованные с использованием сразу нескольких сред распространения сигнала. Выше было показано, что существует три основных стандарта систем цифрового телевидения, каждый из них имеет свои преимущества по возможностям устойчивого приема сигналов в различных средах распространения сигнала. Однако, при построении системы цифрового телевидения, необходимо выбрать единый стандарт для передачи информации во всех средах, поскольку использование в одной системе цифрового телевидения различных стандартов вещания приведет к трудностям при передаче сигнала из одной среды в другую.
Наиболее показательным является сравнение рассматриваемых стандартов широковещания при использовании эфирных каналов связи, как наиболее широко используемых.
Стандарт ATSC
В стандарте ATSC используется амплитудная модуляция с подавленной боковой полосой (ОБП, Vestigial SideBand - У8В).Структурная схема кодера стандарта ATSC приведена на рисунке 1.3 [29,30].
Поступающие на вход Т-пакеты скремблируется и подвергается помехоустойчивому кодированию в кодере Рида-Соломона (Р-С), к ним добавляются 20 байт проверочных символов, первый синхробайт Т-пакета при этом удаляется, т.к. в системе реализована своя система синхронизации. Корректирующая способность кода Р-С выбрана равной 10 бит, формула кода выглядит как (207,187, 10). В перемежителе осуществляется глубокое перемежение, каскад перемежителя содержит 52 регистра сдвига, что позволяет обеспечить глубину перемежения 204 байта. Далее сигнал подвергается треллисному кодированию, с относительной скоростью кода 2/3, т.е. два информационных символа кодируются одним символом треллисного кода. Для уменьшения влияния импульсных помех в треллисном кодере применяется дополнительное перемежение. Окончательное формирование сигнала для модулятора происходит в мультиплексоре, путем добавление синхросигнала вместо первого синхробайта Т-пакета.
Стандарт DVBВ стандарте DVB используется многочастотная OFDM, а именно ее модификация COFDM (Coded OFDM) [31]. В DVB предусмотрено два режима работы - с 1705 несущими частотами (режим 2К) и с 6817 (режим 8К) несущими частотами, соответственно используются два значения длительности активной части символа, 224 мкс в режиме 2К и 896 мкс в режиме 8К. Для каждого режима модуляции предусмотрены четыре относительных значения защитных интервалов, равные Ул, 1/8, 1/16 и 1/32 от активной части длительности символа (Таблица 1.1) Следует отметить, что величина защитного интервала определяет максимальное расстояние между передатчиками в одночастотной сети [32, 33].
Каждая несущая в символе COFDM модулируется своим собственным цифровым потоком, предусмотрена возможность использования одного из трех видов модуляции: ФМ-4, КАМ-16 или КАМ-64. Выбор того или иного вида модуляции зависит от требуемой скорости передачи данных и определяет, необходимые энергетические соотношения в системе [34]. Необходимо отметить, что помехоустойчивое кодирование и защитные интервалы снижают информационную скорость передачи [35].
На рисунке 1.4 приведена структурная схема кодера DVB. Поступающие на вход Т-пакеты скремблируются, обрабатываются кодером Р-С (204, 188,8) с корректирующей способностью 8 бит. Далее осуществляется перемежение с глубиной 12 байт. Также применяется сверточное кодирование с относительными скоростями кода /4, 2/3, 3А, 5/6, 7/8. Включенный после сверточного кодера внутренний перемежитель по частоте предназначен для компенсации последствий селективных замираний в канале с многолучевостью, с которыми не удается бороться путем использования защитных интервалов. При отражении от близлежащих объектов эхо-сигнал в некоторой узкой полосе частот может быть достаточно мощным, сравнимым с полезным сигналом, и приходить к приемнику в противофазе с последним, нейтрализуя несколько соседних несущих. Чтобы избежать выпадения сразу нескольких битов последовательно идущих битов, данные по несущим распределяются с частотным перемежением и не попадают в полосу селективного замирания. Далее осуществляется раскладка битов на символы COFDM, вставка синхросигналов и модуляция несущих выбранным видом модуляции, а также вводятся защитные интервалы [36].
Стандарт ISDBВ стандарте ISDB [37] используется многочастотная OFDM с сегментацией полосы (Band-Segmented OFDM - BST-OFDM), состоящая из 13-ти OFDM сегментов, каждый сегмент занимает полосу частот 430 кГц. Следует отметить, что стандарт ISDB, в отличие от DVB, предполагает возможность работы в трех режимах, дополнительным является режим 4К с количеством несущих 2809. Каждый сегмент состоит из 108 несущих в режиме 2К, 216 несущих в режиме 4К и 432 несущий в режиме 8К.
После канального кодирования и перед раскладкой в COFDM символы, Т-поток разделяется на сегменты, соответствующие различным службам, при этом каждый сегмент формирует свои собственные COFDM символы, занимающие один или несколько частотных интервалов по 430 кГц. При этом параметры передачи OFDM-несущих могут быть выбраны независимо для каждого сегмента. В одном канале могут передаваться до трех групп сегментов, при этом, несущие, соответствующие определенной группе сегментов, могут быть переданы с использованием ФМ-4, КАМ-16 или КАМ-64 независимо от того какая модуляция используется в остальных группах. На рисунке 1.5 показана структурная схема кодера ISDB [3,8].
Необходимо отметить, что по сравнению с DVB, в ISDB имеется возможность осуществлять временное перемежение OFDM символов, с глубиной до 0.5 сек. Это обеспечивает дополнительную защиту от импульсных помех.
На рисунке 1.6 показан пример трех вариантов использования сегментной структуры ISDB [39], в первом варианте 12-ть сегментов отводится для сигнала ТВЧ, принимаемого на стационарные приемники, а 13-й сегмент используется для передачи данных либо звука на мобильные приемники сигнала.
Стандартный декодер Т-потока
Стандартом MPEG-2/MPEG-4 определена структура стандартного декодера Т-потоков (одно и многопрограммных), представляющая собой идеализированный декодер (System Target Decoder - STD). Данная структура позволяет описать механизм взаимодействия входных буферов декодера и информации о синхронизации. Реальные кодеры и декодеры могут иметь различную структуру и исполнение, но они должны удовлетворять основным принципам STD. Поскольку в процессе мультиплексирования происходит частичное декодирование передаваемой информации, мультиплексор также должен работать согласно модели STD.
После поступления в декодер/мультиплексор из Т-потока, в соответствии с информацией содержащейся в СТ PAT и РМТ, выделяются Т-пакеты с определенными значениями PID, соответствующие декодируемой программе. Выполняется сортировка Т-пакетов на несколько информационных потоков, соответствующих элементарным потокам, составляющим рассматриваемую программу, а именно на видео потоки, аудио потоки, потоки служебной информации и потоки с данными IP-сетей. Дальнейшая обработка выделенных потоков ведется параллельно и синхронно относительно потока служебной информации, в котором передаются отсчеты тактового генератора кодера (PCR), соответствующего данной программе.
В структуре STD (рисунок 2.4) используется набор входных буферов применяемых для восстановления закодированной информации согласно иерархической структуре Т-потока, также использование входных буферов позволяет сглаживать вариации задержек возникающие в процессе передачи и мультиплексирования Т-пакетов.
На первом этапе Т-пакеты всех декодируемых Т-потоков поступают в буфер Т-пакетов - ТВп, здесь происходит сглаживание вариаций задержек Т-пакетов, вызванных работой канала связи. Скорость считывания информации из буфера в 1,2 раза больше скорости поступления пакетов - Rx =1.2х RBX, вслучае видеопотока . Данный буфер имеет размер 512 байт, т.е. он может вместить не более двух Т-пакетов. Скорость считывания информации из буфера ТВп для аудио и служебной информации фиксирована, независимо от скорости соответствующих входящих потоков — 2 Мбит/с и 1 Мбит/с, соответственно.
На втором этапе Т-пакеты поступают в буферы МВп, в случае декодирования видео потоков и в буферы ЕВп, в случае декодирования аудио и служебной информации. Наличие дополнительного буфера МВп, при обработке видео потока, необходимо для выделения ІВР.-кадров составляющих поток. В то время как, аудио информация и служебная информация имеют более простую структуру.
В буферах МВп происходит восстановление PES-пакетов из Т-пакетов, т.е. буфер наполняется Т-пакетами о тех пор, пока в нем не окажутся все Т-пакеты, составляющие PES-пакет. Размер буферов МВп зависит от профиля и уровня кодирования видео информации. Значение размера данного буфера передается в заголовке PES-пакетов. Скорость считывания информации из буфера зависит от размера PES-пакета.
Необходимость введения буфера МВп объясняется тем, что в качестве полезной нагрузки PES-пакета, выступают IBP-кадры, а также то, что последовательность декодирования кадров отличается от той последовательности, в которой кадры поступают в декодер. Для декодирования В-кадров декодеру необходима информация, содержащаяся в I и Р-кадрах, предшествующих и следующих за данным В-кадром, в соответствии с обработкой видео информации с предсказанием движения. Поэтому, перед передачей по каналу связи осуществляется перегруппировка IBP-последовательности. На рисунке 2.5 представлена фиксированная последовательность ІВР-кадров генерируемая кодером, такая последовательность называется группой изображений (Group of Pictures) -GOP-структура. GOP-структура состоит из блоков, представляющих один опорный кадр (I или Р-кадр) и соответствующие ему В-кадры (М=4 -размерность блока, N=13 — количество кадров в GOP-последовательности).
В2 В3 В4 Р5 В6 В7 В8 Fg Вю Вц Bio І13 Рисунок 2.5 — GOP-структура (М=4, N=13), генерируемая кодером MPEG-2
Перед передачей по каналу связи последовательность кадров в GOP-структуре изменяется, а именно, за ключевым кадром первого блока помещается ключевой кадр последующего блока, в то время как последовательность В-кадров остается неизменной. Адаптированная для декодирования GOP-структура представлена на рисунке 2.6. їх Рь в2 в3 в4 Р9 Б6 В7 BS І13 Вю Ви Віз Рисунок 2.6 — GOP-структура, адаптированная для передачи по каналу связи
На третьем этапе PES-пакеты поступают в буфер ЕВп, где происходит восстановление ІВР-кадров содержащихся в PES-пакетах, здесь осуществляется считывание штампов времени содержащихся в заголовках PES-пакетов. Размер данного буфера добавляется в заголовок PES-пакета на этапе кодирования изображения. Считывание ІВР-кадров, содержащихся в рассматриваемом буфере, контролируется штампами времени декодирования, т.е. штампами времени DTS. Таким образом, 1ВР-кадр находящийся в буфере ЕВп, считывается из буфера в момент времени определяемый соответствующим значением DTS.
Аудио и служебная информация после буфера ТВп, обрабатывается в буфере ЕВп. Аудио информация, содержащаяся в соответствующих PES-пакетах, удаляется из данного буфера также в соответствии со значением штампов DTS и далее поступает в декодер. Соответственно обрабатывается служебная информация, поступающая в данный буфер из соответствующего TBsys буфера.
Как показано на рисунке 2.4, принимаемая программа в декодере разделяется на несколько параллельных потоков, которые содержат различные составляющие рассматриваемой программы - видео, аудио и служебную информацию. После обработки в рассмотренных выше буферах, информация поступает непосредственно в соответствующий ей декодер, т.е. - видео информация в видео декодер, аудио информация в аудио декодер, служебная информация в декодер служебной информации. Моменты времени, когда соответствующая информация поступает в декодер, строго регламентированы штампами DTS. Значения штампов DTS аудио и видео потоков сверяются с текущим значением штампов времени PCR, передаваемых в потоке служебной информации. Таким образом, разница значений DTS и PCR штампов является временем (Startup delay_d), на которое IBP-кадры и закодированная аудио информация, содержащийся в буфере ЕВп, задерживается в нем перед декодированием.
Алгоритм статистического мультиплексирования со снижением детализации изображения
Данный алгоритм основан на статистическом мультиплексировании Т-потоков сформированных на основе механизма VBR [74]. В процессе мультиплексирования канал на выходе мультиплексора разбивается на несколько виртуальных каналов. По каждому виртуальному каналу передается Т-поток от соответствующего кодера, битовый ресурс доступный в виртуальном канале динамически изменяется в зависимости от скорости соответствующего Т-потока, генерируемого кодером. Суммарный битовый ресурс всех виртуальных каналов равен итоговому ресурсу канала на выходе мультиплексора. Процессом распределения битовых ресурсов виртуальных каналов управляет алгоритм мультиплексирования.
Основой алгоритма является матрица мультиплексирования, размером п х т. Матрица состоит из "0" и "1", п - количество Т-потоков на входе мультиплексора, m - количество Т-пакетов которые должны быть переданы за один подцикл мультиплексирования, т.е. количество Т-пакетов необходимых для передачи в данном виртуальном канале. На рисунке 3.10 показан пример матрицы мультиплексирования.
М Цикл мультиплексирования равен 1/24 сек. и состоит из подциклов мультиплексирования Т-пакетов для каждого виртуального канала. Матрица формируется из расчета, что в каждом столбце находится только один элемент "1", представляющий собой Т-пакет от соответствующего кодера, т.е. только один Т-пакет может быть передан на каждом шаге подцикла мультиплексирования. Таким образом, в количество элементов "1" в каждой строке определяется интенсивностью поступления Т-пакетов от соответствующего источника. На рисунке 3.11 показана связь между циклом и подциклами мультиплексирования. В ходе одного цикла мультиплексирования, осуществляется последовательное мультиплексирование Т-пакетов в соответствующие виртуальные каналы, т.е. выполняется L подциклов мультиплексирования. Количество подциклов (L) равняется количеству кодеров на входе мультиплексора и соответственно количеству виртуальных каналов.
Алгоритм работы статистического мультиплексора обеспечивает равенство, выделяемого для данного виртуального канала, битового ресурса и мгновенной скорости потока на выходе кодера, в то время как алгоритм работы статического мультиплексора выделяет для виртуального канала фиксированный битовый ресурс, равный максимально возможной скорости Т-потока на выходе кодера. Таким образом, битовый ресурс, выделенный для виртуального канала, превышает мгновенную скорость потока на выходе кодера, т.е. битовый ресурс виртуального канала и соответственно канала на выходе мультиплексора используется не эффективно.
Алгоритмы статистического мультиплексирования Т-потоков, обеспечивая гибкое распределение ресурса канала связи, позволяют использовать освободившийся ресурс для передачи дополнительных видов информации — дополнительного телевизионного или аудио канала, данных ІР-сетей.
Статистическое мультиплексирование обеспечивает объединение нескольких Т-потоков, организованных согласно механизму VBR и поступающих на вход мультиплексора. В процессе статистического мультиплексирования Т-потокам обеспечивается возможность совместно использовать битовый ресурс канала на выходе мультиплексора, компенсируя всплески, требуемого битового ресурса, друг друга. Однако суммарный требуемый битовый ресурс на выходе мультиплексора, в некоторые моменты времени, может оказаться выше того, который может обеспечить канал связи. Это приведет к тому, что Т-пакеты несвоевременно поступят в декодер и согласно модели стандартного декодера MPEG-2/MPEG-4 (см. Главу 2) , не будут участвовать в декодировании Т-потока, т.е. будут потеряны, что приведет к искажениям изображения при декодировании.
Для решения указанной проблемы используются механизмы приведенные в разделах 3.2 - 3.4. Все приведенные выше механизмы мультиплексирования имеют свои недостатки.
Статистическое мультиплексирование со снижением детализации изображения позволяет передать все Т-пакеты от входных Т-потоков в моменты времени, когда источнику информации необходима максимальная пропускная способность. Однако это достигается за счет снижения качества кодирования изображения кодером, а именно - при кодировании изображения отбрасываются высокочастотные составляющие дискретно-косинусного преобразования изображения, что приводит к появлению артефактов на декодируемом изображении.
Мультиплексирование сглаженных Т-потоков обеспечивает мультиплексирование без изменения детализации изображения, однако производится сглаживание каждого входного Т-потока в отдельности, скорость Т-потока приравнивается к максимальной скорости в потоке. Далее процесс мультиплексирование сводится к статическому мультиплексированию.
Статистическое мультиплексирование без изменения детализации изображения обеспечивает распределение ресурса между Т-пакетами за счет сбора статистики по количеству поступающих Т-пакетов в реальном времени. Однако этот способ мультиплексирования не чувствителен к временной модели MPEG-2/MPEG-4 и соответственно не обеспечивает своевременное прибытие Т-пакетов в декодер в моменты времени, когда требуемая пропускная способность для передачи всех Т-потоков, превышает ресурс канала связи на выходе мультиплексора. Это может привести к срывам в воспроизведении изображений в моменты наибольшей загрузки канала на выходе мультиплексора.
Сравнение алгоритма мультиплексирования с постоянной скоростью, статистического алгоритма мультиплексирования без снижения детализации изображения и сглаживающего алгоритма статистического мультиплексирования без снижения детализации изображения по скорости многопрограммного Т-потока на выходе мультиплексора
На рисунке 3.13 приведен детальный алгоритм работы рассматриваемого мультиплексора. В таблице 3.2 проиллюстрирован процесс работы разработанного алгоритма. Предполагается, что на входе мультиплексора четыре однопрограммных Т-потока с переменной скоростью, значения переменных К е в данный момент времени соответственно 35, 90, 70, 55, также предполагается, что Т-пакеты прошли стадии инициализации и проверки штампов DTS и находятся на стадии планировки. За один цикл мультиплексирования канал способен передать 240 Т-пакетов, в то время как в процессе мультиплексирования должны участвовать 250 Т-пакетов. Осуществляется выделение среднего битового ресурса для каждого потока — V= 60 Т-пакетов. От каждого Т-потока передается по 60 Т-пакетов. Т-потоки 1 и 4 после передачи 35 и 55 Т-пакетов, соответственно, располагают свободным битовым ресурсом Wq i=25 Т-пакетов и Wq)4=5 Т-пакетов. Далее производится итерация по дальнейшему перераспределению битового ресурса. Производится перерасчет значения V= Wq e/n=30/2=15, исходя из расчета, что только двум Т-потокам 2 и 3 требуется битовый ресурс для передачи Т-пакетов, производится передача 15 и 10 Т-пакетов соответственно. Свободным битовым ресурсом на .данной итерации располагает только Т-поток 4 - Wq 3=5 Т-пакетов, итерация по распределению битового ресурса повторяется, на данной итерации данный ресурс требуется только Т-потоку 3, однако на текущей итерации Сч з=15, после передачи 5 Т-пакетов, свободный битовый ресурс заканчивается, т.е. в данном цикле мультиплексирования остаются не переданными Dqi3=10 Т-пакетов.
В данной главе были проанализированы существующие алгоритмы мультиплексирования Т-потоков MPEG-2/MPEG-4 и их основные особенности. Для повышения эффективности мультиплексирования Т-потоков было предложено использовать штампы DTS, содержащиеся в заголовках PES-пакетов. Это позволило динамически, в ходе процесса мультиплексирования, определять время декодирования Т-пакетов в декодере и соответствующим образом формировать многопрограммный Т-поток, динамически перераспределяя ресурс канала на выходе мультиплексора между мультиплексируемыми Т-потоками. Использование штампов DTS в процессе статистического мультиплексирования обеспечит сглаживание многопрограммного Т-потока и позволит снизить требования к емкости канала связи на выходе мультиплексора. Для выравнивания скорости многопрограммного Т-потока до фиксированного значения может быть сформирован выравнивающий Т-поток, в котором могут передаваться данные компьютерных сетей.
Также в данной главе, на основе предложения об использовании в процессе мультиплексирования штампов DTS, был разработан сглаживающий алгоритм статистического мультиплексирования Т-потоков без изменения детализации изображения. В следующей главе будет представлено сравнение разработанного алгоритма мультиплексирования с существующими алгоритмами, и будут выработаны предложения по структуре мультиплексируемых однопрограммных Т-потоков.
Применение статистического мультиплексирования обеспечивает динамическое распределение ресурса канала передачи информации на выходе мультиплексора между однопрограммными Т-потоками на входе мультиплексора, это позволяет снизить пропускную способность необходимую для передачи многопрограммного Т-потока на выходе мультиплексора. Для передачи многопрограммного Т-потока в системах цифрового телевидения необходимо обеспечить постоянную скорость многопрограммного Т-потока на выходе мультиплексора. Алгоритмы мультиплексирования с постоянной скоростью обеспечивают фиксированную скорость многопрограммного Т-потока, в то время как алгоритмы статистического мультиплексирования формируют многопрограммный Т-поток с переменной скоростью. Для обеспечения постоянства скорости многопрограммного потока, мультиплексор добавляет в него "пакеты-пустышки", их передача в многопрограммном Т-потоке позволяет выровнять скорость многопрограммного Т-потока до фиксированного значения, таким образом, создается выравнивающий поток. Однако выравнивающий поток не несет полезной информации, представляется возможным заменить выравнивающий поток на поток содержащий данные IP-сетей, скорость такого потока не будет фиксированной, что позволит полностью имитировать работу выравнивающего потока, скорость которого зависит от скорости многопрограммного Т-потока. В силу особенностей работы протоколов TCP/IP и 1ЮРЛР, переменная скорость потока данных IP-сетей не будет оказывать существенного влияния при его приеме на стороне пользователя, скорость такого потока может быть увеличена, сверх скорости выравнивающего потока, для обеспечения пользователей более быстрым доступом к ресурсам ІР-сетей.
Использование потока данных ІР-сетей вместо выравнивающего потока, позволяет реализовать на базе системы цифрового телевидения мультисервисную сеть, где наряду с доступом к ТВ программам пользователю, при наличии обратного канала, доступна информация, передаваемая по протоколам семейства IP — доступ к сети Интернет, IP-телефония, передача файлов.
В данной главе представлены результаты моделирования работы существующих алгоритмов мультиплексирования Т-потоков и разработанного сглаживающего алгоритма статистического мультиплексирования без изменения детализации изображения. Моделирование произведено в среде MatLab, в качестве исходных данных взяты параметры реальных однопрограммных Т-потоков, учитывающие GOP-структуру Т-потоков, а также их текущие битовые скорости. Произведено сравнение разработанного алгоритма мультиплексирования с алгоритмом мультиплексирования с постоянной скоростью и существующим алгоритмом статистического мультиплексирования без изменения детализации изображения.
