Как много сделано ошибок
С.Есенин
Речь
здесь пойдет о применении метода EDH (Error Detecting
and Handling - Обнаружение и Учет Ошибок). Являясь
стандартом де-факто, он широко применяется во
многих странах и несомненно будет вскоре
оформлен как международный стандарт. Метод EDH был
первоначально стандартизирован на национальном
уровне в США (документ SMPTE: RP165 "Error Detection Checkwords and
Status Flags for Use in Bit-Serial Digital Interfaces for Television" -
"Контрольные слова для обнаружения ошибок и
флаги состояния, применяемые в последовательных
цифровых стыках для телевидения"). Интересно,
что, в отличие от существовавшей ранее традиции,
данный документ SMPTE с самого начала создавался
для обоих мировых стандартов разложения - 525 и 625.
Более подробные сведения можно найти также в
документе SMPTE 269M.
Как известно, своевременная диагностика и профилактика всегда лучше вынужденного экстренного лечения. Очевидно, что технология обнаружения ошибок предоставляет много новых возможностей при производстве, компоновке и выпуске телепрограмм. Система, работающая по методу EDH, может автоматически производить круглосуточную проверку трактов передачи последовательных цифровых видеосигналов так хорошо, как никогда прежде не удавалось телевизионным инженерам.
Цифровые видеосигналы имеют более сложную структуру чем аналоговые сигналы. Они могут содержать до 4 каналов звука, временные коды и другие вспомогательные данные. Сбои в цифровом потоке могут иногда приводить, прямо скажем, к катастрофическим последствиям, так как вместе с видеосигналом передается много дополнительной информации. Потеря одного отдельного бита, хотя и не приводит к заметному снижению качества изображения, но может привести к щелчкам в звуковом канале или потере временного кода. Метод EDH обеспечивает прецизионный анализ и учет ошибок, позволяющий инженерному персоналу действовать "с открытыми глазами" и вовремя корректировать ситуацию.
Последовательный
компонентный цифровой видеосигнал
Достоинства компонентного видеосигнала по сравнению с композитным очевидны, но одна только стоимость установки трех аналоговых кабелей весьма значительна, не учитывая роста затрат на коммутационное оборудование. Преимущества цифрового представления сигнала также хорошо известны, особенно в системах связи. Комбинация "компонентный плюс цифровой" является идеальной для передачи и обработки видеосигнала. Распределение параллельных цифровых видеосигналов по многожильному кабелю с 25 контактными разъемами типа D описано в Рекомендации МККР-656, EBU Tech 3267-E и SMPTE 125M-1992. Однако, такой формат не очень удобен на практике и имеет принципиальные ограничения на длину кабеля. Поэтому вслед за параллельным стыком был разработан протокол и интерфейс для последовательного цифрового видеостыка, одобренный МККР и SMPTE. Для взаимного преобразования цифровых форматов были разработаны соответствующие аппаратные средства. Сначала появились микросхемы фирмы Sony, затем GVG/Tektronix и Gennum. Они несколько отличаются друг от друга, но все имеют общие функции: преобразование параллельного потока компонентных цифровых сигналов в последовательный поток и обратно. Сейчас уже можно уверенно утверждать, что последовательный цифровой стык SDI является основным типом стыка в профессиональном ТВ оборудовании.
Проверка
трактов последовательных цифровых сигналов
Цифровые сигналы очень надежны и устойчивы к помехам внутри оборудования. Однако не следует забывать, что на приемном конце длинного кабеля сигнал с шириной спектра в сотни МГц является по существу аналоговым и уровень его ВЧ-составляющих заметно падает. Регенерация "чистого" цифрового сигнала из такого сырья представляет собой непростую задачу и результат не всегда безупречен. Кроме того, всегда существует какая-то (очень низкая) вероятность сбоя внутри цифрового видеооборудования, и чем сложнее оборудование, тем выше эта вероятность. Практический опыт эксплуатации показывает, что ошибки часто являются нестабильными и не могут быть обнаружены визуально, разве что в случае, когда изображение пропадает полностью. Если попытаться оценить цифровой видеосигнал с привлечением таких традиционных средств, как видеомонитор и осциллоскоп, то его надо сперва превратить в аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя. Цифровой последовательный видеосигнал, контролируемый через ЦАП с эффективной регенерацией входных данных, может давать на экране монитора вполне приличное изображение, но быть уже настолько искаженным, что удлинение кабеля на несколько метров может привести к лавинообразному нарастанию необратимых и некорректируемых ошибок.
Фактически, контроль единичных и пакетных "битовых" ошибок в цифровых сигналах может быть только автоматическим. В компьютерном мире для контроля правильности цифровых данных давно и успешно применяется метод проверки циклических контрольных сумм (CRC - Cyclic Redundancy Check). Именно этот способ является основой технологии EDH.
Цифровые
ошибки
Единичной ошибкой считают такую, когда в потоке данных принято некое кодовое слово, цифровое значение которого отличается от переданного источником. Подобные ошибки могут случаться вследствие неисправности оборудования, неправильной установке оборудования или (самый типичный вариант) при значительной длине кабеля. При соблюдении инструкций и рекомендаций фирмы-изготовителя передача данных, как правило, происходит вообще абсолютно точно, т.е. без ошибок. Однако, в любых каналах передачи, ошибки когда-нибудь да случаются. Они делятся на несколько категорий: групповые ошибки, ошибки обработки и ошибки регенерации.
Групповые ошибки могут появляться в случае воздействия внешних источников импульсных помех на цепи прохождения последовательного потока. В основном это происходит, если импульсы помехи имеют значительную амплитуду и высокую крутизну фронтов. Например, помехи источников электропитания имеют недостаточно крутые фронты и практически не влияют на одиночные ошибки. Как правило, групповые ошибки охватывают много строк изображения и могут влиять не только на основной видеосигнал, но и на другие данные.
Ошибки обработки возникают или отмечаются, когда какая-то часть оборудования не полностью прозрачна для цифровых данных. Зачастую это вообще не ошибки в полном смысле слова - например в случае подстройки таких параметров изображения, как усиление или уровень черного, при цифровой фильтрации или при округлении видеоданных в процессе обработки.
Ошибки регенерации - этот тип ошибок специфичен для процесса регенерации (приема) последовательного потока. Они происходят, если приемное устройство не может точно отследить значащие моменты, т.е. аккуратно следить за выборкой данных. Этот тип ошибок в системах с последовательными потоками видеоданных встречается наиболее часто и является наиболее трудным для обнаружения и идентификации.
В условиях эксплуатации телевизионного оборудования обнаружение ошибки означает, что с источником сигнала не все в порядке и требуются какие-то действия персонала. Это особенно важно, когда цифровой сигнал содержит звуковые данные, так как цифровые ошибки (так называемые "битовые шумы") более заметны на слух, чем на глаз.
Основные
принципы метода EDH
Чтобы обеспечить исходную информацию для проверки каналов передачи последовательного цифрового потока, фирмы-изготовители цифрового ТВ оборудования должны встраивать в свои изделия блоки ввода и контроля контрольных посылок EDH. Это требование затрагивает, прежде всего, цифровые передатчики и приемники для формирования и обнаружения проверочных слов, что позволяет проводить идентификацию ошибок в цифровом потоке. На рынке уже появилось много аппаратуры с вводом и контролем посылок EDH. По мере выпуска новых интегральных микросхем, метод анализа посылок EDH начинает применяться для основной массы цифрового видеоборудования.
Метод EDH основан на принципе, используемом во многих цифровых системах. Передатчик EDH находится в начале сигнального тракта, а приемник EDH - в конце. Первый модуль EDH пересчитывает (суммирует) все биты цифрового изображения на каждом ТВ поле и затем вставляет эту информацию как служебные данные на интервале кадрового гашения в начале следующего поля. Затем, сигнал, содержащий интегральную проверочную информацию, передается через тракт. Второй модуль EDH, расположенный на приемном конце, повторяет подсчет для всех битов в ТВ поле и сравнивает результат со служебными данными, содержащимися в сигнале. Если два числа не равны - значит обнаружена одиночная или групповая ошибка или несколько ошибок. Результат подсчета битов в поле представляет собой проверочное слово. Оно подсчитывается в соответствии с порождающим циклическим полиномом CRC-CCITT (метод циклического кода с избыточностью). Каждое проверочное слово состоит из 16 бит данных. Математическое выражение для проверочного слова имеет следующий вид:
Проверочное слово (16 бит) = Х16 + Х12 + Х5 + 1
Флаги
ошибок
К счастью или к сожалению, но ТВ изображение постоянно изменяется. Иногда режиссер хочет добавить в ранее сформированный видеосигнал логотип ТВ программы или текстовое сообщение. Часто требуется ввести (или удалить) сигналы телетекста, либо испытательные сигналы в интервале гашения. Когда это происходит, как должны реагировать устройства контроля посылок EDH, как различать ошибки? Такая ситуация приводит к поднятию флага, говорящего оператору, что имело место какое-то изменение. Кроме того, другой флаг может уточнить, где было изменение - в активной части изображения или на интервале кадрового гашения. Еще один флаг даст знать, где возникла ошибка - в последнем звене тракта или "выше по течению" цифрового потока. Есть и другие интересные сведения, о которых могут рассказать устройства контроля посылок EDH.
Метод EDH использует набор кодов ошибок или флагов, размещаемых в служебных данных сигнала с целью проверки трех областей изображения и раздельного подсчета проверочных сумм для полного поля (FF - Full Field), для активной части поля (AP - Active Picture) и для служебных данных (ANC - ANCillary data). В этом случае детектор EDH имеет возможность идентифицировать наличие ошибки в активной части поля или на интервале гашения. Для каждой из трех этих областей стандарт предусматривает использование пяти различных флагов, которые в целом обеспечивают 15 различных информационных блоков. Все флаги ошибок индицируют только статус предыдущего поля, т. е. каждый флаг поднимается и сбрасывается для каждого поля в отдельности. Проверочные слова и флаги объединяются в пакет данных об ошибках, который включается на правах служебных данных в последовательный цифровой видеозвуковой сигнал. В приемнике результат повторного подсчета проверочных слов сравнивается с информацией в пакете данных об ошибках для определения наличия ошибки при передаче. Логическая 1 означает поднятие флага, а логический 0 - сброс флага. Для каждой контрольной суммы имеется 5 флагов.
edh (error detected here):
Означает, что в передаваемых данных была обнаружена ошибка. В случае служебных данных это означает, что один или более блоков данных ANC имеет разницу контрольных сумм.
eda (error detected already):
Означает, что где-то в тракте была ранее обнаружена ошибка в передаваемых данных. Если устройство В принимает сигнал с устройства А, а устройство А подняло флаг edh, то, когда В передает данные далее на устройство С, будет поднят флаг eda, а флаг edh будет снят при условии, что в данных не возникло дополнительных ошибок. Флаг eda не снимается до тех пор, пока не исправлена ошибка. Инженер может быстро оценить состояние системы в целом и найти источник ошибки, проверяя наличие флагов eda во всех устройствах тракта "выше по течению".
idh (internal error detected here):
Означает, что ошибка в оборудовании не связана с передачей сигналов последовательного стыка, т.е. была обнаружена внутри устройства. Этот флаг может быть использован только устройствами, имеющими встроенные средства диагностики ошибок и совместимыми со стандартом EDH.
ida (internal error detected already):
Означает, что был принят флаг idh и что где-то выше по течению какое-то устройство дает сбои.
ues (unknown error status):
Означает, что входной сигнал последовательного стыка поступил от оборудования, не поддерживающего данный метод обнаружения ошибок.
Системная
интеграция метода EDH
Заложенная в стандарте EDH широкая системная база позволяет легко обнаруживать ошибки на "цифровых островах" или в цепочках разнотипного оборудования.
На рис. 1 в качестве примера показана типичная система с контролем ошибок по методу EDH, в которой присутствуют как ошибки оборудования, так и ошибки передачи. При ошибках передачи появляются флаги ошибок edh и eda, а при ошибках, не связанных с передачей, поднимаются флаги idh и ida.
Предположим, что показанный на рис. 1 блок ввода цифрового звукового сигнала допустил ошибку во время процесса форматирования комбинированного видеозвукового сигнала, но обнаружил ее и доложил об этом появлением флага внутренней ошибки idh. Цифровой видеозвуковой сигнал с блока ввода звука затем подвергся искажениям в кабеле перед поступлением на коммутатор. В этом случае кабель оказался границей, за которой создаются случайные по частоте ошибки. Устройство контроля EDH на входе коммутатора флагом edh отмечает эти ошибки либо для активной части изображения либо для всего ТВ поля. Входящий флаг idh перекодируется коммутатором во флаг ida. Следующее устройство в цепи это усилитель-распределитель, на входе которого входящий флаг edh будет перекодирован во флаг eda, а флаг ida пройдет далее без изменений. Дополнительная ошибка передачи, появляющаяся между усилителем и микшером, будет отмечена флагом edh. Входное устройство EDH в микшере получает список флагов ошибок, который может быть отображен локально или через интерфейс управления передан на центральный пульт.
Частичная
системная интеграция метода EDH
В реальных системах не все виды
оборудования снабжены блоками EDH. Однако, метод EDH
эффективен даже и в таком окружении. На рис. 2
показана система, похожая на систему рис. 1, но в
которой видеомагнитофон и коммутатор не имеют
встроенных блоков EDH. Как видно из рисунка, блок
ввода звука своими встроенными средствами EDH
обнаруживает, что входной цифровой видеосигнал
не подвергался ранее контролю по методу EDH (такой
сигнал называется "несовместимым с EDH"), и
поднимает в блоке данных EDH флаг ues. Тем не
менее, система и в таком виде способна
контролировать ошибки оборудования. Коммутатор,
несовместимый с EDH, просто пропустит пакет EDH без
изменения на усилитель-распределитель,
поддерживающий метод EDH. Таким образом, источники
ошибок, о которых отрапортует
усилитель-распределитель могут находиться в
любом из следующих участков тракта:
• в блоке ввода звука:
• на линии между блоком ввода звука и
коммутатором;
• в коммутаторе;
• на линии между коммутатором и
усилителем-распределителем.
Хотя полученные таким путем сведения не очень-то подробны, однако они полезны для локализации источников ошибок и оценки общего состояния тракта.
Система
Kudos IQ для студийного мониторинга по методу EDH
Фирма Snell & Wilcox разработала мощную систему мониторинга состояния тракта по методу EDH, которая не только упрощает процесс обнаружения ошибок, но является органичным элементом цифрового видеотракта в целом. Она дает возможность неограниченному числу устройств с встроенными блоками EDH работать одновременно под руководством общей системы контроля. Состояние любых трактов передачи оценивается по контрольным посылкам EDH и через соответствующие интерфейсы автоматически (без участия оператора) передается для централизованного учета и отображения. Уникальным свойством системы Kudos IQ является предоставление пользователю полного отчета об ошибках произошедших по всей сети за длительный интервал времени.
Рис.1
Рис.2
Kudos
IQ Digital Error Detection System
гарантированная поддержка
последовательных цифровых трактов методом EDH
• вход и выход последовательного
видеостыка с проверкой, вводом и выводом
информации EDH;
• 3 одинаковых модуля ввода/проверки в
одном корпусе 1RU;
• поддерживает спецификацию EDH по
стандарту SMPTE 269M ;
• светодиодный индикатор для быстрой
оценки ситуации;
• передает отчет об ошибках и статистику
ошибок на центральный дисплей через программный
протокол;
• опто-изолированные выходы состояния
ошибок.
Kudos IQ Digital Error Detection System. Каждое устройство предоставляет пользователю три канала ввода и проверки контрольных посылок EDH для контроля качества соединений последовательного стыка SDI.
Блок ввода системы Kudos IQ добавляет к сигналу контрольную сумму перед подачей его в линию. На приемной стороне, блок проверки сравнивает видеоданные с контрольной суммой. Обнаружение даже единичной битовой ошибки приводит к выдаче сигнала изменения состояния. Уникальная система опроса, работающая по протоколу RollCall, позволяет опрашивать неограниченное число блоков проверки и выдавать общую сводку состояния системы на любой из дисплеев системы. Эта система позволяет исключительно быстро локализовать источник ошибок.
Kudos
IQ Digital Video Monitoring System
модульная система обнаружения и
анализа ошибок по стандарту EDH
• обнаружение ошибок методом EDH и
составление отчета об ошибках;
• проверка цветового охвата позволяет
отмечать появление сигналов с нелегальными
уровнями при визуальной индикации ошибочных
элементов кадра;
• проверка уровней для настройки АЦП;
• 8 канальный селектор компонентных
сигналов последовательного стыка;
• цифровой последовательный,
компонентный и композитный выходы на
видеомонитор;
• поэлементный контроль уровней при
помощи курсора;
• статистический отчет об ошибках EDH,
сообщаемый по сети связи;
• возможность контроля, ввода и вывода
информации о посылках EDH .
Система контроля ошибок Kudos IQ является мощным средством для поиска неисправностей и контроля качества соединений последовательного стыка SDI.
Ко входу системы можно подключать до восьми сигналов последовательного стыка SDI. В каждом из восьми каналов проверяется наличие ошибок и сводка ошибок отображается на дисплее. При контроле систем, не оборудованных встроенными средствами EDH, рекомендуется использовать блоки Kudos IQ TPG или SPG в качестве источников испытательных сигналов. Выбранный источник цифрового сигнала преобразуется в аналоговую форму для визуального контроля на обычном видеомониторе. На это изображение наложен курсор, перемещая который можно контролировать цифровые значения для каждого элемента. Эта функция особенно полезна при поиске неисправностей и при калибровке АЦП. Несмотря на свою мощность, вся система размещается в компактном корпусе 1RU, что делает ее идеально пригодной для использования, как в стационарных аппаратных, так и в качестве портативного прибора.
Новые
применения и новые возможности
Высокоскоростная управляющая сеть RollCall фирмы Snell & Wilcox, обеспечивающая произвольный доступ в реальном масштабе времени, образована простым соединением 75-омного кабеля между устройствами сети. Сеть RollCall используется также для управления многочисленными устройствами серии Kudos IQ и цифровыми коммутационными матрицами DVS. На этой базе, в принципе, можно создать систему, способную решить задачу ближайшего будущего, когда обнаружение системой EDH угрожающего ухудшения статистики ошибок будет приводить к перекоммутации устройств в тракте с целью обхода дефектного участка. Перспективы автоматической перекоммутации сигналов очень заманчивы. Более того, сам метод EDH предоставляет возможность определения места возникновения ошибок почти без вмешательства человека. Он может помочь оператору на центральном пульте вычислить аппаратную, стойку, и конкретное устройство, ответственное за возникновение ошибок.
Заключение
С началом массового применения последовательного цифрового стыка, в том числе для передачи звуковых и служебных сигналов, обнаружение ошибок становится все более важным. Метод EDH дает новые возможности для круглосуточного учета ошибок в цифровых телевизионных системах. Он может сберечь не только время, затрачиваемое на поиск неисправностей, но и ТВ время. Эфирное время - это не просто деньги, это - огромные деньги, если речь идет о перерыве в вещании на сколь-нибудь заметный срок.
Новые цифровые ТВ комплексы несомненно следует проектировать с учетом возможностей метода EDH и соответствующим образом подбирать оборудование для аппаратных.
