ЭФФЕКТ ПОРОГОВОГО ОТКАЗА В СИСТЕМАХ ЦИФРОВОГО ТВ. КАК ИЗБЕЖАТЬ СТОЛКНОВЕНИЯ С ЭТОЙ ПРОБЛЕМОЙ?

Советы как вовремя и точно предсказать состояние здоровья эксплуатируемой цифровой ТВ системы

Процесс перехода на цифровое вещание поставил перед радио и телевизионными вещательными компаниями огромное количество задач. При этом присутствует сильнейшая конкуренция от альтернативных к наземному вещанию технологий, что привело к ситуации, когда современные ТВ станции стали представлять собой целый набор самых разнообразных и сложных аппаратно-программных комплексов, реализующих в своей работе различные ТВ стандарты. Многоуровневые и мульти форматные телевизионные устройства сейчас являются нормой.

Измерения модулирующих и видео сигналов, мониторинг трафика MPEG и анализ радиочастотной среды – степень достоверности сведений по каждому из этих измерительных процедур даёт представление станционным инженерам о состоянии здоровья видеосигналов. В круг обязанностей этих ТВ специалистов входит гарантия того, что, в конечном итоге, телевизионный контент доставлен до конечного пользователя, для чего они (инженеры-эксплуатационники) должны обращать пристальное внимание на целый ряд важнейших параметров, присутствующих на каждом уровне, как-то: джитттер, синхронизация, служебные данные и качество аудио трансляции.     

Переход от аналогового на цифровое вещание, а теперь и на HDTV, создало целый ряд новых проблем, преодоление которых необходимо для качественной передачи сигнала от камеры оператора через процесс радиочастотной модуляции, будь то кабельное, спутниковое или ТВ наземного вещания. Теле и радиовещательные системы в настоящий момент многостандартные и мультиформатные с огромным количеством интерфейсов между островками аналогового, цифрового SD или HD-SDI и MPEG компрессионными системами. Такая ситуация требует задействования новых алгоритмов тестирования и мониторинга сетей. Кодирование цифровых картинок, специфическая информация программ (PSI) стандартов DVB и ATSC и системная информация (SI), а также схемы комплексной цифровой РЧ модуляции – все эти факторы вносят свой вклад в необходимость мониторинга ключевых рабочих показателей на всех уровнях цепочки передачи телевизионных сигналов. Если цифровая ТВ система перестаёт функционировать, то патология этой проблемы отлична от патологий аналоговых систем. Неполадки на пороговом отказе (или т.н. явлении «цифровой ямы») всегда внезапны и случаются при менее изученных предшествующих этим событиям показателях. Тем не менее, существует целый ряд ключевых системных показателей, подлежащих процессу мониторинга на всех уровнях системы теле- радиовещания, что необходимо для поддержки безопасно допустимой деградации параметров при трансляции ТВ передач. Рассматривая этот вопрос шире, становится абсолютно понятным необходимость превращения ТВ системы в более предсказуемую, с функциями упреждения, превентивную инфраструктуру через настройку определённых параметров мониторинга на захват (запуск), что обеспечит выявление общих тенденций функционирования цифровой ТВ системы.  В результате становится возможным составление концепции ранней диагностики на цифровой срыв эксплуатируемой телевизионной инфраструктуры.

Пластовая модель

Современные цифровые системы передачи могут рассматриваться как состоящие из пяти основных уровней: аналоговый, SD и HD декомпрессионный последовательный цифровой, компрессионный цифровой (MPEG-2, VC-1, H.264), радиочастотное вещание, командный и управления. Любой из этих уровней способен генерировать сбои в цепочке передачи сигналов, которые будут передаваться дальше вниз по этому пути, вызывая деградацию картинки и звука, либо вообще потерю таковых. Очевидно, что феномен кумулятивного сбоя становится реальным явлением во всей архитектуре системы передачи. Поэтому, возникает острая необходимость изучения т.н. ключевых индикаторов здоровья сети и кумулятивной наработки на отказ по каждому уровню, что может негативно воздействовать как на конкретный уровень, так и на все последующие соединения системы в целом. 

Рисунок 1 - Экранное изображение состояния сигналов тревог, журнала регистрации ошибок и аудио и видео сессий

В конечном итоге, основной задачей обслуживающего персонала становится переход от т.н. реагирующего мониторинга, где станционные инженеры-эксплуатационники просто фиксируют проблемы при их возникновении до предсказывающего мониторинга, предоставляющего своевременную информацию о зарождающемся отказе и дающим время на его устранение перед тем, как этот отказ превратится в реальную проблему.  В цифровой области решение задач превентивного мониторинга становится возможным через непрерывное отслеживание всех появляющихся трендов на важнейших параметрах, таких как поле эталонных часов (PCR), частота появления ошибок на режимах синхронизации и модуляции – как индикаторах-предшественниках скорого системного отказа. 

Ключевые рабочие показатели

Ключевыми факторами при передаче сигналов в ТВ инфраструктурах, построенных на аналоговой или цифровой технологии, являются уровень сигнала и синхронизация. Эффективный мониторинг этих параметров как в аналоговой, так и цифровой областях обеспечивает эффективный производительный запас на всех этапах цепочки передачи, будь то синхронизация SDI (serial digital interface), глазковые диаграммы или измерения значений PCR (поле эталонных часов) в домене MPEG.

Для любой системы, её долгосрочная надёжность начинается с инсталляции инфраструктуры для сигналов HD-SDI. Это процесс требует точной и аккуратной прокладки кабельной разводки и всех атрибутов, ответвлений и окончаний, присущих ей, при этом необходимо предотвратить появление перегибов, петлей и прочих аномалий. Выполнение всех этих условий позволит надлежащим образом транслировать сигнал со значением 1.5GB/s , без искажений и нежелательных отражений, вызванных изменениями импеданса. Ежедневные усилия инженеров по выполнению всех этих требований будут, в итоге, вознаграждены долгосрочными дивидендами, связанными с общей надёжностью сетевой инфраструктуры.      

Синхронизация и временная селекция

Алгоритм синхронизации является фундаментальной и важнейшей процедурой в ТВ системах. Каждое устройство, входящее в состав таких систем, должно быть надлежаще синхронизировано для успешного создания, передачи и восстановления аудио и видео трафика. Сложности функционирования аналоговых и цифровых многостандартных и мультиформатных телевизионных экосистем требуют наличия гибкости для достижения требуемого уровня синхронизации между всеми входящими в её состав компонентами и поддержания этого уровня.

Телевизионная синхронизация (с использованием сигнала black burst в качестве опорного,  [Black burst – композитный видео сигнал, содержащий информацию по горизонтальной и вертикальной синхронизации] – прим. автора), всегда являлась критической, но добавление трехъярусной синхронизации в HD способно усложнить системную временную селекцию в гибридной экосистеме. В результате ТВ системы, работающие с различными форматами, требуют наличия разнообразных решений в области устройств генерирования. Если всё вышесказанное не произвело на читателя впечатления, то необходимо иметь в виду, что цифровые аудио сигналы предъявляют ещё более высокие требования, поскольку они должны соотноситься с видео синхронизацией для поддержания установленной взаимосвязи между аудио и видео трафиками.  Всё это требует тщательной проработки всех условий при проектировании ТВ системы в целях гарантированного обеспечения синхронизации между всеми узлами обработки и передачи цифровых сигналов.

Таким образом, необходимо концентрироваться на точности расчётов задержки распространения цифрового потока между различными устройствами сети, что вызвано различными длинами кабельной разводки. Кроме того, очень важно учитывать фактор задержки обработки сигналов каждым устройством, через который эти сигналы проходят.

После того, как достигнута безошибочная передача трафика по цифровым каналам ТВ системы, необходимо изучить качество источника поступающего в систему исходного материала. Современные цифровые мониторы форм сигналов способны осуществлять мониторинг источников последовательно поступающего цифрового трафика. Некоторые модели могут генерировать т.н. журналы регистрации соответствия относительно временного кода, тем самым, регистрируя все неполадки, которые должны быть выправлены перед дальнейшей обработкой цифрового потока. На рисунке 1 представлен журнал регистрации видео и аудио неполадок, присутствующие внутри поступающего в систему сигнала. Обратите внимание на то, что существующие ошибки соотносятся с временным кодом события, что значительно облегчает последующие исследования. Зарегистрированные неполадки включают в себя параметры входного сигнала и опорного сигнала внешней синхронизации, в которых имеют место ошибки в цветовой гамме, отсутствие параметров EAV (End of Active Video) и SAV (Start of Active Video) или несоответствие с номером строки, ошибки в расположении SAV, ошибки в функциях CRC (контроль циклическим избыточным кодом) и EDH (обнаружение ошибок и их обработка), искажения в кодовом слове или ошибки в коэффициенте запаса длины и длинах строк, при этом присутствуют вспомогательные данные и закрытые заголовки о присутствии/отсутствии неполадок, информация об ошибках чётности и ошибках в контрольной сумме. 

Глазковые диаграммы и джиттер

Глазковые диаграммы, отображаемые на мониторе форм сигналов, представляют собой ключевой инструмент для мониторинга параметров как амплитуды, так и джитттера на сигналах стандартов SD и HD-SDI. Высота и открытость глаза даёт чёткое представление о состоянии здоровья измеряемого сигнала.

Рекомендуемое в стандартах SMPTE (259М, 292М, RP184, EG33) руководство по практическим действиям R184 определяет процедуры измерений джиттера и устанавливает измерительные алгоритмы для электрических характеристик сигнала. На рисунке 2 представлена глазковая диаграмма сигнала HD с автоматизированными измерениями параметров глазка.

Такой параметр как амплитуда сигнала важен по двум причинам: из-за его соотношения к шуму и потому, что приёмник определяет требуемое значение высокочастотной компенсации (уравнивание) на основе показаний оставшейся энергии полутактовой частоты. Если на отправном конце линии будет применён сигнал с некорректной амплитудой, то, соответственно, на приёмнике будет задействовано и некорректное уравнивание, что приведёт к общему искажению сигнала.   

В то время как слабые передачи при схождении глазковой диаграммы потенциально могут быть восстановлены современными эквалайзерами, вероятнее всего, что в итоге всё-таки появятся искрящиеся артефакты, выпадения строк и, как результат, замороженные кадры и чёрные картинки.

Рисунок 2 - Глазковые диаграммы трафика HD с автоматизированными измерениями параметров глазка

Цифровая обработка может добавить CRC (ЦИК, циклический избыточный код) к потоку цифровых данных для обеспечения простейших средств контроля видео сигналов на предмет ошибок. Через мониторинг значений CRC, измерительный инструмент сможет генерировать отчёты об ошибках. Если эксплуатируемая ТВ система извещает об ошибках каждую минуту или секунду, то это может явиться чётким предупреждением того, что эта система находится на грани цифрового срыва (порогового отказа). Внешний вид глазка может использоваться для изоляции проблем на канале передачи.

Мониторинг MPEG

Среди множества элементов уровня передачи MPEG, присутствуют как минимум три, требующие постоянного мониторинга: синхронизация и сдвиг PCR (поле эталонных часов), непрерывность пересчёта ошибок и таблицы PSI/SI для вычисления правильности и частоты следования импульсов. Установление синхронизации после сбоя PCR – фундаментальный фактор при передаче данных в формате MPEG, поскольку это позволяет телевизионному модему (STB) восстановить опорный синхронизирующий сигнал 27МГц (+/- 30ppm) используемый для установления системной временной селекции. Джиттер и постоянные сдвиги в этой синхронизации в конечном итоге приведут к неспособности STB выводить на экран телевизора транслируемые видео программы.

Что касается DVB, то руководство TR 101290 по проведению измерений в этом стандарте детально специфицирует, как правильно осуществлять тесты PCR, предоставляя для этого соответствующие методики, как для джиттера, так и для сдвига. Измерения включают в себя определение точности (PCR_AC), общей величины джиттера (PCR_OJ), сдвига по частоте (PCR_FO) и величину смещения поля эталонных часов (PCR_DR), как это представлено на рисунке 3.  Также присутствуют руководства для тестирования присутствия таблиц PSI/SI и частоты следования импульсов.

Непрерывный подсчёт ошибок обеспечивает выявление пропавших пакетов, что является широко распространённой проблемой при передаче видео сигналов. Пропавшие пакеты означают утерю информации из транспортного потока, что может привести к неполадкам при декодировании. Мониторинг функции непрерывности подсчёта ошибок указывает на наличие потенциальных сбоев в сети при трансляции видео трафика, предлагая предпринять «лечебные меры» до того, как декодеры столкнутся с явными проблемами.    

Все эти измерения могут осуществляться в реальном времени при помощи монитора транспортных потоков MPEG. Обладая на программном уровне разнообразными порогами для генерации сигналов тревог, прибор обретает способности для осуществления т.н. предсказывающего мониторинга с указанием тенденций деградации ТВ системы, что, в итоге, выдаёт раннее извещение о предстоящем сбое. Перед тем, как случится пороговый отказ, в распоряжении сетевого инженера будет множество предупреждений об этом событии. Большинство мониторов в реальном времени также обладают функцией записи параметров транспортного потока на основе определённых пользователем режимов на запуск (событие триггера), как например, синхронизация PCR.  Такая практика позволяет проводить подробные анализы полученной информации в автономном режиме, что касается проблем, связанных как с синхронизацией, так и PSI/SI.

Рисунок 3 - Состояние здоровья системы может отслеживаться посредством проверки ключевых параметров пиковой скорости передачи трафика, точности синхронизации и сдвига

Ключевым инструментом для мониторинга параметров PSI/SI является мониторинг определённых во времени контрольных образцов. Полученные результаты могут быть позже сравнены со значениями реальной передачи цифрового потока. Синхронизация PCR, непрерывный подсчёт ошибок, содержание таблиц PSI/SI и частота следования импульсов должны в обязательном порядке подлежать мониторингу посредством специализированных мониторов транспортного потока, расположенных как на их входе, так и входе управляющих узлов системы MPEG.

Мониторинг радиочастотной обстановки

Современные цифровые радиочастотные, кабельные, спутниковые и наземные ТВ вещательные системы ведут себя совсем по иному по сравнению с традиционным аналоговым телевидением. Как только приём сигналов теряется, тракт восстановления видео потока не всегда очевиден. Проблемы могут быть вызваны неполадками в кабельной разводке системы MPEG или пропаданием мощности радиочастотных сигналов ниже значения функционального уровня или порогового значения. РЧ проблемы могут исходить из состояния спутниковой тарелки или низко шумового блочного конвертера, отражений радиочастотных сигналов наземного вещания, низких шумовых характеристик, канальной интерференции, кабельного усилителя или ошибками в модуляции.

Следующие параметры радиочастотной среды имеют важность для поддержания надлежащего здоровья каналов передачи видео сигналов:

• Интенсивность РЧ сигнала. Как часто сигнал принимается?
• Звёздная диаграмма. Эта диаграмма характеризует функциональность линков и модулятора;
• Коэффициент ошибок модулятора (MER). MER – ранний индикатор деградации сигналов, представляющий соотношение мощности сигнала к мощности ошибок векторов, измеряемый в dB;
• Величина вектора ошибок (EVM). Эти измерения схожи с MER, но выражены в различных значениях. EMV является соотношением коэффициента амплитуды среднеквадратичных значений вектора ошибок к амплитуде наибольшего символа, измеряемое в процентах;
• Индикатор транспортной ошибки (TEF) – указывает на то, что функция прямого исправления ошибок начинает деградировать при коррекции всех транспортных ошибок;

Улучшение значения BER (частота появления ошибочных битов)

MER предназначена для вычисления единой величины качества принимаемого сигнала. Это значение даёт раннюю индикацию степени способности приёмника корректно декодировать транслируемый сигнал. В сущности MER сравнивает реальное положение полученного символа (представляющего собой цифровое значение в схеме модуляции) со значением его идеального положения. По мере деградации сигнала, полученные символы начинают располагаться в стороне от т.н. идеального положения и измеренное значение MER уже будет меньшим. В конечном итоге, символы будут неправильно интерпретированы и BER возрастёт. В определённой точке сигнал достигнет своего порога или значительной величины цифрового срыва.

Ключом поддержания надлежащей работоспособности цифровой вещательной инфраструктуры является её тщательный мониторинг на всех уровнях и в различных форматах.  Необходимо регулярно отслеживать состояние ключевых параметров производительности для укрепления здоровья и долгосрочного качества функционирования сетей. Кроме того, необходимо анализировать данные намеченных трендов по джитттеру, амплитуде и синхронизации для перехвата искажений производительности ТВ системы на ранних этапах, поскольку, как только это ощутят абоненты телевещательной компании, то это уже может перерасти в непоправимую проблему.   

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик осциллографов в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy