ЕФЕКТ ПОРОГОВОЇ ВІДМОВИ У СИСТЕМАХ ЦИФРОВОГО ТВ. ЯК УНИКНУТИ ЗІТКНЕННЯ ІЗ ЦІЄЮ ПРОБЛЕМОЮ?

Поради як вчасно і точно передбачити стан здоров'я цифрової ТБ системи, що експлуатується

Процес переходу на цифрове мовлення поставив перед радіо та телевізійними мовними компаніями величезну кількість завдань. При цьому є сильна конкуренція від альтернативних до наземного мовлення технологій, що призвело до ситуації, коли сучасні ТВ станції стали являти собою цілий набір найрізноманітніших і найскладніших апаратно-програмних комплексів, що реалізують у своїй роботі різні ТВ стандарти. Багаторівневі та мультиформатні телевізійні пристрої зараз є нормою.

Вимірювання сигналів, що модулюють і відео, моніторинг трафіку MPEG і аналіз радіочастотного середовища – ступінь достовірності відомостей по кожному з цих вимірювальних процедур дає уявлення станційним інженерам про стан здоров'я відеосигналів. До кола обов'язків цих ТБ фахівців входить гарантія того, що, зрештою, телевізійний контент доставлений до кінцевого користувача, для чого вони (інженери-експлуатаційники) повинні звертати увагу на цілу низку найважливіших параметрів, присутніх на кожному рівні, а саме: джиттер, синхронізація, службові дані та якість аудіо трансляції.

Перехід від аналогового на цифрове мовлення, а тепер і на HDTV, створило цілу низку нових проблем, подолання яких необхідне для якісної передачі сигналу від камери оператора через процес радіочастотної модуляції, чи то кабельне, супутникове, чи ТБ наземного мовлення. Теле і радіомовні системи зараз багатостандартні та мультиформатні з величезною кількістю інтерфейсів між острівцями аналогового, цифрового SD або HD-SDI та MPEG компресійними системами. Така ситуація вимагає залучення нових алгоритмів тестування та моніторингу мереж. Кодування цифрових картинок, специфічна інформація програм (PSI) стандартів DVB та ATSC та системна інформація (SI), а також схеми комплексної цифрової РЧ модуляції – всі ці фактори роблять свій внесок у необхідність моніторингу ключових робочих показників на всіх рівнях ланцюжка передачі телевізійних сигналів. Якщо цифрова ТВ система перестає функціонувати, патологія цієї проблеми відмінна від патологій аналогових систем. Неполадки на пороговій відмові (чи т.зв. явище «цифрової ями») завжди раптові і трапляються при менш вивчених попередніх цих подій показниках. Тим не менш, існує ціла низка ключових системних показників, які підлягають моніторингу на всіх рівнях системи телерадіомовлення, що необхідно для підтримки безпечно допустимої деградації параметрів при трансляції ТБ передач. Розглядаючи це питання ширше, стає абсолютно зрозумілим необхідність перетворення ТБ системи на більш передбачувану, з функціями попередження, превентивну інфраструктуру через налаштування певних параметрів моніторингу захоплення (запуск), що забезпечить виявлення загальних тенденцій функціонування цифрової ТБ системи. В результаті стає можливим складання концепції ранньої діагностики на цифровий зрив телевізійної інфраструктури, що експлуатується.

Пластова модель

Сучасні цифрові системи передачі можуть розглядатися як складаються з п'яти основних рівнів: аналоговий, SD і HD декомпресійний послідовний цифровий, цифровий компресійний (MPEG-2, VC-1, H.264), радіочастотне мовлення, командний і управління. Будь-який з цих рівнів здатний генерувати збої в ланцюжку передачі сигналів, які будуть передаватися далі вниз цим шляхом, викликаючи деградацію картинки і звуку, або взагалі втрату таких. Вочевидь, що феномен кумулятивного збою стає реальним явищем у всій архітектурі системи передачі. Тому виникає гостра необхідність вивчення т.зв. ключових індикаторів здоров'я мережі та кумулятивного напрацювання на відмову за кожним рівнем, що може негативно впливати як на конкретний рівень, так і на всі наступні з'єднання системи в цілому.

Рисунок 1 - Екранне зображення стану сигналів тривог, журналу реєстрації помилок та аудіо та відео сесій

Зрештою, основним завданням обслуговуючого персоналу стає перехід від т.зв. реагуючого моніторингу, де станційні інженери-експлуатаційники просто фіксують проблеми при їх виникненні до передбачуваного моніторингу, що надає своєчасну інформацію про відмову, що зароджується, і дає час на її усунення перед тим, як ця відмова перетвориться на реальну проблему. У цифровій області вирішення завдань превентивного моніторингу стає можливим через безперервне відстеження всіх трендів, що з'являються, на найважливіших параметрах, таких як поле еталонного годинника (PCR), частота появи помилок на режимах синхронізації та модуляції – як індикаторах-попередників швидкої системної відмови.

Ключові робочі показники

Ключовими факторами при передачі сигналів у ТБ інфраструктурах, побудованих на аналоговій чи цифровій технології, є рівень сигналу та синхронізація. Ефективний моніторинг цих параметрів як в аналоговій, так і цифровій областях забезпечує ефективний продуктивний запас на всіх етапах ланцюжка передачі, синхронізація SDI (serial digital interface), глазкові діаграми або вимірювання значень PCR (поле еталонного годинника) в домені MPEG.

Для будь-якої системи її довгострокова надійність починається з інсталяції інфраструктури для сигналів HD-SDI. Це процес вимагає точної та акуратної прокладки кабельної розводки та всіх атрибутів, відгалужень та закінчень, властивих їй, при цьому необхідно запобігти появі перегинів, петлів та інших аномалій. Виконання всіх цих умов дозволить належним чином транслювати сигнал зі значенням 1.5GB/s без спотворень і небажаних відображень, викликаних змінами імпедансу. Щоденні зусилля інженерів щодо виконання всіх цих вимог будуть, в результаті, винагороджені довгостроковими дивідендами, пов'язаними із загальною надійністю мережевої інфраструктури.

Синхронізація та тимчасова селекція

Алгоритм синхронізації є фундаментальною та найважливішою процедурою у ТБ системах. Кожен пристрій, що входить до складу таких систем, має бути належним чином синхронізований для успішного створення, передачі та відновлення аудіо та відео трафіку. Складності функціонування аналогових і цифрових багатостандартних і мультиформатних телевізійних екосистем вимагають наявності гнучкості для досягнення необхідного рівня синхронізації між усіма компонентами, що входять до її складу, і підтримки цього рівня.

Телевізійна синхронізація (з використанням сигналу black burst в якості опорного, завжди була критичною, але додавання триярусної синхронізації в HD здатне ускладнити системну тимчасову селекцію в гібридної екосистеми. В результаті ТВ системи, що працюють з різними форматами, вимагають наявності різноманітних рішень у галузі пристроїв генерування. Якщо все вищесказане не справило на читача враження, необхідно мати на увазі, що цифрові аудіо сигнали пред'являють ще більш високі вимоги, оскільки вони повинні співвідноситися з відео синхронізацією для підтримки встановленого взаємозв'язку між аудіо і відео трафіками. Все це вимагає ретельного опрацювання всіх умов при проектуванні ТВ системи з метою гарантованого забезпечення синхронізації між усіма вузлами обробки та передачі цифрових сигналів.

Таким чином, необхідно концентруватися на точності розрахунків затримки розповсюдження цифрового потоку між різними пристроями мережі, що викликано різними довжинами кабельного розведення. Крім того, дуже важливо зважати на фактор затримки обробки сигналів кожним пристроєм, через який ці сигнали проходять.

Після того, як досягнуто безпомилкової передачі трафіку по цифрових каналах ТБ системи, необхідно вивчити якість джерела вихідного матеріалу, що надходить в систему. Сучасні цифрові монітори форм сигналів здатні здійснювати моніторинг джерел цифрового трафіку, що послідовно надходить. Деякі моделі можуть генерувати т.зв. журнали реєстрації відповідності щодо тимчасового коду, тим самим реєструючи всі неполадки, які мають бути виправлені перед подальшою обробкою цифрового потоку. На малюнку 1 представлений журнал реєстрації відео та аудіо неполадок, присутні всередині сигналу, що надходить у систему. Зверніть увагу, що існуючі помилки співвідносяться з тимчасовим кодом події, що значно полегшує подальші дослідження. Зареєстровані неполадки включають параметри вхідного сигналу і опорного сигналу зовнішньої синхронізації, в яких мають місце помилки в кольоровій гамі, відсутність параметрів EAV (End of Active Video) і SAV (Start of Active Video) або невідповідність з номером рядка, помилки в розташування SAV , помилки у функціях CRC (контроль циклічним надлишковим кодом) та EDH (виявлення помилок та їх обробка), спотворення в кодовому слові або помилки у коефіцієнті запасу довжини та довжинах рядків, при цьому присутні допоміжні дані та закриті заголовки про присутність/відсутність неполадок про помилки парності та помилки в контрольній сумі.

Очкові діаграми та джиттер

Глазкові діаграми, що відображаються на моніторі форм сигналів, є ключовим інструментом для моніторингу параметрів як амплітуди, так і джиттера на сигналах стандартів SD і HD-SDI. Висота і відкритість ока дає чітке уявлення про стан здоров'я сигналу, що вимірюється.

Рекомендований у стандартах SMPTE (259М, 292М, RP184, EG33) посібник з практичних дій R184 визначає процедури вимірювань джиттера та встановлює вимірювальні алгоритми для електричних характеристик сигналу. На рисунку 2 представлена ​​глазкова діаграма HD сигналу з автоматизованими вимірюваннями параметрів вічка.

Такий параметр як амплітуда сигналу важливий з двох причин: через його співвідношення до шуму і тому, що приймач визначає необхідне значення високочастотної компенсації (рівняння) на основі показань енергії напівтактової частоти, що залишилася. Якщо на відправному кінці лінії буде застосовано сигнал із некоректною амплітудою, то, відповідно, на приймачі буде задіяно і некоректне зрівняння, що призведе до загального спотворення сигналу.

У той час як слабкі передачі при схоженні глазкової діаграми потенційно можуть бути відновлені сучасними еквалайзерами, найімовірніше, що в результаті все-таки з'являться іскри артефакти, випадання рядків і, як результат, заморожені кадри і чорні картинки.

Рисунок 2 - Глазкові діаграми трафіку HD з автоматизованими вимірами параметрів вічка

Цифрова обробка може додати CRC (ЦВК, циклічний надлишковий код) до потоку цифрових даних для забезпечення найпростіших засобів контролю відеосигналів щодо помилок. Через моніторинг значень CRC вимірювальний інструмент зможе генерувати звіти про помилки. Якщо ТВ-система сповіщає про помилки кожну хвилину або секунду, то це може бути чітким попередженням того, що ця система знаходиться на межі цифрового зриву (порогової відмови). Зовнішній вигляд вічка може використовуватись для ізоляції проблем на каналі передачі.

Моніторинг MPEG

Серед безлічі елементів рівня передачі MPEG, присутні як мінімум три, що вимагають постійного моніторингу: синхронізація та зсув PCR (поле еталонного годинника), безперервність перерахунку помилок та таблиці PSI/SI для обчислення правильності та частоти проходження імпульсів. Встановлення синхронізації після збою PCR – фундаментальний фактор при передачі даних у форматі MPEG, оскільки це дозволяє телевізійному модему (STB) відновити опорний сигнал синхронізації 27МГц (+/- 30ppm) використовується для встановлення системної тимчасової селекції. Джиттер і постійні зрушення в цій синхронізації в кінцевому підсумку призведуть до нездатності STB виводити на екран телевізора відео програми, що транслюються.

Що стосується DVB, то керівництво TR 101290 з проведення вимірювань у цьому стандарті детально специфікує, як правильно здійснювати тести PCR, надаючи для цього відповідні методики як для джиттера, так і для зсуву. Вимірювання включають визначення точності (PCR_AC), загальної величини джиттера (PCR_OJ), зсуву по частоті (PCR_FO) і величину зміщення поля еталонного годинника (PCR_DR), як це представлено на рисунку 3. Також присутні керівництва для тестування присутності таблиць PSI/SI і частоти проходження імпульсів.

Безперервний підрахунок помилок забезпечує виявлення зниклих пакетів, що є поширеною проблемою під час передачі відео сигналів. Зниклі пакети означають втрату інформації з транспортного потоку, що може спричинити неполадки при декодуванні. Моніторинг функції безперервності підрахунку помилок вказує на наявність потенційних збоїв у мережі під час трансляції відео трафіку, пропонуючи вжити «лікувальних заходів» до того, як декодери зіткнуться з явними проблемами.

Всі ці вимірювання можуть здійснюватися у реальному часі за допомогою монітора транспортних потоків MPEG. Маючи на програмному рівні різноманітні пороги для генерації сигналів тривог, прилад знаходить здібності для здійснення т.зв. прогнозує моніторингу із зазначенням тенденцій деградації ТВ системи, що, в результаті, видає раннє повідомлення про майбутній збій. Перед тим, як станеться порогова відмова, у розпорядженні мережного інженера буде безліч попереджень про цю подію. Більшість моніторів у реальному часі також мають функцію запису параметрів транспортного потоку на основі певних користувачем режимів запуску (подія тригера), як, наприклад, синхронізація PCR. Така практика дозволяє проводити докладні аналізи отриманої інформації в автономному режимі щодо проблем, пов'язаних як із синхронізацією, так і PSI/SI.

Рисунок 3 - Стан здоров'я системи може відстежуватися за допомогою перевірки ключових параметрів пікової швидкості передачі трафіку, точності синхронізації та зсуву

Ключовим інструментом моніторингу параметрів PSI/SI є моніторинг визначених у часі контрольних зразків. Отримані результати можуть бути порівняні зі значеннями реальної передачі цифрового потоку. Синхронізація PCR, безперервний підрахунок помилок, зміст таблиць PSI/SI та частота проходження імпульсів повинні обов'язково підлягати моніторингу за допомогою спеціалізованих моніторів транспортного потоку, розташованих як на їх вході, так і вході вузлів, що управляють системи MPEG.

Моніторинг радіочастотної обстановки

Сучасні цифрові радіочастотні, кабельні, супутникові і наземні ТБ мовні системи поводяться зовсім інакше проти традиційним аналоговим телебаченням. Як тільки прийом сигналів втрачається, тракт відновлення відео потоку не завжди очевидний. Проблеми можуть бути викликані неполадками в кабельному розведенні системи MPEG або зникненням потужності радіочастотних сигналів нижче за значення функціонального рівня або порогового значення. РЧ проблеми можуть виходити зі стану супутникової тарілки або низько шумового блокового конвертера, відображень радіочастотних сигналів наземного мовлення, низьких шумових характеристик, канальної інтерференції, кабельного підсилювача або помилки в модуляції.

Наступні параметри радіочастотного середовища мають важливість для підтримки належного здоров'я каналів передачі відеосигналів:

• Інтенсивність сигналу РЧ. Як часто приймається сигнал?
• Зоряна діаграма. Ця діаграма характеризує функціональність лінків та модулятора;
• Коефіцієнт помилок модулятора (MER). MER – ранній індикатор деградації сигналів, що представляє співвідношення потужності сигналу до потужності помилок векторів, що вимірюється в dB;
• Розмір вектора помилок (EVM). Ці виміри схожі з MER, але виражені різних значеннях. EMV є співвідношенням коефіцієнта амплітуди середньоквадратичних значень вектора помилок до амплітуди найбільшого символу, що вимірюється у відсотках;
• Індикатор транспортної помилки (TEF) – вказує, що функція прямого виправлення помилок починає деградувати при корекції всіх транспортних помилок;

Поліпшення значення BER (частота появи хибних бітів)

MER призначена для обчислення єдиної величини якості сигналу, що приймається. Це значення дає ранню індикацію ступеня здатності приймача коректно декодувати сигнал, що транслюється. По суті MER порівнює реальне положення отриманого символу (що є цифрове значення у схемі модуляції) зі значенням його ідеального становища. У міру деградації сигналу отримані символи починають розташовуватися осторонь т.зв. ідеального положення та виміряне значення MER вже буде меншим. Зрештою, символи будуть неправильно інтерпретовані та BER зросте. У певній точці сигнал досягне свого порога чи значної величини цифрового зриву.

Ключем підтримки належної працездатності цифрової інфраструктури мовлення є її ретельний моніторинг на всіх рівнях і в різних форматах. Необхідно регулярно відстежувати стан ключових параметрів продуктивності для зміцнення здоров'я та довгострокової якості функціонування мереж. Крім того, необхідно аналізувати дані намічених трендів за джиттером, амплітудою та синхронізацією для перехоплення спотворень продуктивності ТБ системи на ранніх етапах, оскільки, як тільки це відчують абоненти телемовної компанії, то це вже може перерости в непоправну проблему.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy