Основные положения технологии цифровой беспроводной передачи сигнала от камеры

По материалам компании Link Research

Введение

За последнее время появилось много беспроводных цифровых систем передачи сигнала от камеры, производимых различными фирмами, включая и компанию Link Research. Цифровые беспроводные камерные системы (Digital Wireless Camera Systems — DWCS) призваны решить проблемы, присущие аналоговым беспроводным камерным системам.

Аналоговые беспроводные камерные системы используются в вещательной отрасли на протяжении десятилетий. Они часто применяются в трансляциях спортивных соревнований, например при съемке у самой кромки футбольного поля или на пит-лэйне во время автомобильных гонок. Аналоговые системы представляют собой так называемые системы прямой видимости, а это означает, что частотно модулированный сигнал нуждается в свободном пути передачи от передатчика к приемнику. В ситуациях, когда передача осуществляется в условиях плотной застройки, передаваемый сигнал может быть отражен от различных препятствий, и все эти отраженные сигналы попадают в приемник. В этих случаях возникает эффект множественной интерференции, от чего в аналоговых системах возникает ухудшение качества изображения (появление множественных контуров — эффект привидения, шума, цветового мерцания) либо полная его потеря.

Зрители уже привыкли к таким ситуациям, которые часто возникают при съемке установленной на гоночной машине камерой или во время трансляции марафона. Обычно ухудшение изображения происходит при проезде автомобиля сквозь туннель, под мостом или мимо большого объекта. Поэтому традиционные аналоговые беспроводные камерные системы никогда не предоставляли оператору реальную свободу передвижения. Кроме того, эти системы нуждаются в длительной и кропотливой настройке и ориентировании передающей и приемной антенн, чтобы добиться нормального качества связи.

Производители же систем DWCS заявили о том, что могут предоставить операторам настоящую свободу передвижения и обеспечить очень надежную связь между передатчиком и приемником. И это возможно, но только в случае правильно сконструированной системы. Целью этой статьи является разъяснение некоторых важных технических аспектов и факторов, которые позволяют отделить действительно надежные системы от тех, которые лишь незначительно лучше аналоговых.

Модуляция

Выбор схемы модуляции жизненно важен для надежной работы беспроводной камерной системы, и в этом плане все производители согласны с тем, что наиболее подходящим типом модуляции является OFDM версии DVB-T (OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing). OFDM-модуляция уже принята для телевизионного вещания в стандарте DVB-T, аудиовещания DAB и для локальных беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11. OFDM представляет собой особый случай передачи с большим числом несущих, когда поток данных передается при помощи ряда поднесущих, имеющих малую полосу (2000 в случае DWCS). Одной из главных причин использования OFDM является увеличение устойчивости системы против селективного частотного затухания или узкополосной интерференции. В системе с одной несущей ее затухание или интерференция могут привести к полной потере связи, а в случае с большим числом несущих, что имеет место в системах OFDM, пагубному влиянию подвергается лишь незначительная часть поднесущих. Для последующего «лечения» «пострадавших» поднесущих может быть применено кодирование с коррекцией ошибок. Все существующие сегодня цифровые беспроводные камерные системы используют версию DVB-T модуляции OFDM, которая разработана с учетом возможности передачи видео- и звуковых данных в формате MPEG-2 по прямым наземным каналам вещания.

Система DVB-T OFDM имеет ряд выбираемых настроек, которые значительно влияют на качество и надежность передачи.

Стандарт DVB-T предусматривает полосу пропускания 8 МГц (хотя есть версии с полосой 6 и 7 МГц). DVB-T позволяет модулировать каждую из поднесущих в режимах QPSK, 16QAM или 64QAM. Стандарт также позволяет применять процедуры FEC (Forward error correction — упреждающая коррекция ошибок). Выбор модуляции и числа процедур FEC существенно влияет на общую скорость передачи данных в канале, что видно из табл. 1 (для этой таблицы защитный интервал принят равным 1/16).

Таблица 1. Зависимость скорости передачи данных (Мбит/с) от типа модуляции и FEC
FEC	Модуляция
	QPSK	16QAM	64QAM
1/2	5,85	11,71	17,56
2/3	7,81	15,61	23,42
3/4	8,78	17,56	26,35
5/6	9,76	19,52	29,27
7/8	10,25	20,49	30,74

В системах DVB-T OFDM модуляция QPSK обеспечивает более высокую надежность, чем 16QAM, а та, в свою очередь, более надежна, чем 64QAM. Наиболее качественный сигнал обеспечивается при помощи модуляции DVB-T OFDM, если применять QPSK и отношение 1/2 FEC (максимальная коррекция ошибок). Как видно из таблицы, при таком варианте обеспечивается наименьшая скорость потока данных.

Поэтому существует компромисс между надежностью и скоростью потока данных. Этот компромисс очень сильно влияет на эффективность системы. Поток с FEC 1/2 при QPSK куда более надежен и даст более качественные результаты в плане непрерывности связи, чем 64QAM при FEC 2/3. Табл. 2, представляющая собой выдержку из спецификации DVB (ETSI EN300-744), иллюстрирует это утверждение. Таблица показывает отношение несущая/шум в дБ для различных настроек DVB-T, позволяющих добиться битового числа ошибок (BER) в релейном канале, равного 2×10^-4.

Таблица 2. Зависимость отношения несущая/шум (дБ) от типа модуляции и FEC
FEC	Модуляция
	QPSK	16QAM	64QAM
1/2	5,4	11,2	16
2/3	8,41	14,2	19,3
3/4	10,7	16,7	21,7
5/6	13,1	19,3	25,3
7/8	16,3	22,8	27,9

Таблица показывает, что при связи QPSK с FEC 1/2 требуется отношение несущая/шум примерно на 14 дБ меньшее, чем при 64QAM FEC 2/3. Если подойти к этому с другой стороны, то можно сказать, что при использовании линии связи 64QAM FEC 2/3 требуется передать примерно в 20 раз большую энергию, чтобы достичь тех же результатов, то есть в 20 раз больше затрат энергии при той же эффективности.

Испытания, проведенные компанией Link Research на базе вещательных компаний, показали, что надежная передача сигнала при размещении передатчика вне прямой видимости приемника на расстоянии более 1 км может быть достигнута при QPSK с FEC 1/2, причем при приемлемом уровне мощности 100…200 мВт. Даже при 16QAM с FEC 1/2 сигнал быстро деградирует по мере ухода передатчика из зоны прямой видимости, а 64QAM вне зоны видимости без резкого повышения мощности передатчика практически бесполезна.

Есть и другие варианты DVB-T OFDM, которые также не лишены компромисса, поскольку разрабатывались непосредственно для приема на домашние телевизионные приемники, однако ожидается, что со временем они будут улучшены.

Видеокомпрессия

Как уже было продемонстрировано в предыдущем разделе, выбор параметров OFDM и ассоциированных с ними скоростей потока данных приводит к существенным различиям в надежности линии связи для конкретно взятой мощности. Использование OFDM-модуляции типа QPSK с FEC 1/2 является куда более надежным вариантом, чем OFDM при 64QAM с FEC 2/3 при одной и той же мощности. Однако QPSK с FEC 1/2 дает возможность достичь гораздо меньшей скорости потока. Поэтому выбор стандарта видеокомпрессии является очень важным при разработке системы в целом.

У разных производителей стандарт компрессии очень сильно отличается. Большинство из них выбрали MPEG-2 DVB, некоторые избрали сверточное кодирование (Wavelet), а кто-то — DVCPRO.

Компания Link Research по ряду причин выбрала MPEG-2 DVB. Использование предсказания и компенсации движения в MPEG дает значительно более высокое качество изображения для одной и той же скорости потока, чем сверточное кодирование или DVCPRO. Этот стандарт позволяет изменять степень сжатия для получения потока, соответствующего ширине канала передачи. MPEG-2 DVB является широко распространенным стандартом в вещании, его транспортный уровень четко определен, что позволяет без труда ремультиплексировать сигнал или напрямую подавать его в систему MPEG-2 без необходимости декодирования и повторного кодирования. Кроме того, MPEG-2 DVB позволяет работать с высококачественным сигналом в представлении 4:2:2. Этот формат был очень жестко протестирован и показал прекрасные результаты при многократном кодировании и декодировании в других MPEG-системах, сохраняя при этом информацию о цветности. Такие многопроходные тесты плюс испытания на искажения MPEG не проводились ни для сверточного кодирования, ни для DVCPRO.

Анализ каждого из этих факторов помогает понять его влияние на эффективность всей системы.

MPEG-2 обеспечивает более высокое качество изображения и позволяет регулироватьскорость потока данных

MPEG-2 DVB является весьма совершенной системой компрессии, в которой нашли воплощение такие технологии, как дискретно-косинусное преобразование (DCT), предсказание и компенсация движения. Сочетание этих технологий позволяет создать систему с переменной скоростью потока, лежащего в диапазоне 1…50 Мбит/с. Поэтому кодер MPEG-2 может создать потоки данных, чтобы заполнить поток, обеспечиваемый OFDM-системами в диапазоне от QPSK с FEC 1/2 (5,85 Мбит/с вплоть до 64QAM с FEC 2/3 (23,42 Мбит/с).

А вот сверточное кодирование и DVCPRO представляют собой простые форматы, в которых не применяется ни одна из улучшенных технологий, используемых в MPEG-2, например предсказание и компенсация движения. Обе эти системы обеспечивают только внутрикадровое сжатие, в результате чего качество изображения достигается только при скорости потока, превышающей 20 Мбит/с. А DVCPRO вообще работает только при 25 Мбит/с. Эти ограничения означают, что системы, созданные на основе сверточного кодирования и DVCPRO, смогут работать только в режиме высших порядков модуляции, например 64QAM. Если вернуться к табл. 2, то станет ясно, что системы на базе сверточного кодирования и DVCPRO по определению никогда не смогут обеспечить действительную свободу перемещения в беспроводных камерных комплексах, потому что наиболее надежные режимы QPSK недоступны для них.

Чтобы получить более детальное объяснение компрессии MPEG DVB, сверточной и других форм, следует обратиться к [2]. Здесь же приводится короткое обобщение различий систем сжатия. MPEG DVB использует дискретно-косинусное преобразование для конвертации избыточных данных изображения в частотную форму, после чего частотные данные подвергаются пространственному кодированию. MPEG DVB также позволяет применять технологии предсказания и компенсации движения, чтобы убрать временную избыточность данных изображения. Две последние технологии приводят к появлению задержки, но именно они позволяют достичь максимальной эффективности компрессии. Сверточные кодеры используют преобразование на основе сверточных кодов вместо DCT, и задержка при их использовании получается меньше вследствие отсутствия предсказания и компенсации движения, но по этой же причине не достигается равноценная эффективность компрессии.

Испытания с использованием анализатора качества изображения компании Tektronics при сравнении кодеров MPEG-2, DVCPRO и сверточных показали, что MPEG-2 обычно требует всего 60..70% скорости потока данных для достижения одинакового с другими кодерами качества картинки.

Для стандартизации скоростей потоков видео MPEG-2,позволяющих осуществлять приемлемую по качеству передачу данных, была проделана большая работа в международном масштабе. В результате были выработаны установки EBU, показывающие, какие скорости потоков MPEG-2 для этого требуются. На сегодня принято две скорости потока для передачи видеоинформации: 19,5 Мбит/с (эквивалентно примерно 30 Мбит/с для сверточного кодирования) и 8 Мбит/с (примерно 15 Мбит/с для сверточного кодирования). Сейчас большинство спутниковых каналов связи получают сигнал от ПТС на скорости 8 Мбит/с. На основе всех этих исследований компания Link Research выработала ряд рекомендаций, размещенных в табл. 3.

Таблица 3. Рекомендации по использованию режимов передачи данных
Режим	Типичное применение	Скорость транспортного потока, Мбит/с	Скорость потока видео, Мбит/с
16QAM FEC1/2	Высококачественное видео для спортивных трансляций с повышенной надежностью. Позволяет осуществлять ограниченную передачу сигнала вне прямой зоны видимости между передатчиком и приемником	11,71	11,45
QPSK FEC1/2	Улучшенное качество видео для новостей или основных спортивных событий с повышенной способностью передачи сигнала вне зоны прямой видимости	5,85	5,6

MPEG-2 4:2:2

Появление профессиональных профилей MPEG 4:2:2, обеспечивающих качественное сохранение цветовой информации, позволило формату MPEG-2 проникнуть и в сферу профессиональной студийной работы. Представление 4:2:2 дает возможность многократно кодировать и декодировать материал без потери качества. Именно поэтому есть уверенность, что профили MPEG 4:2:2 важны для сферы беспроводных камерных систем.

Стандартизированное распространение при помощи MPEG-2

Еще один важный аспект применения MPEG-2 — это его полная стандартизация. Этот формат сегодня доминирует в области вещания и является основным носителем для передачи информации, собираемой при помощи спутниковых и обычных (СВЧ) ПТС, доставки сигнала через спутниковые каналы (сеть EBU) или ATM, вплоть до приема домашними телевизорами посредством услуги типа Sky. Выбрав камерную систему MPEG-2 DVB, оператор получает возможность передачи сигнала в виде компрессированного потока MPEG-2 и его ремультиплексирования с другими компрессированными потоками (услугами). Это позволяет сэкономить на дополнительных кодерах MPEG и защищает изображение от потери качества, поскольку уменьшает число стадий кодирования/декодирования. Системы сверточного кодирования или DVCPRO не обеспечивают простого ремультиплексирования, не могут существовать в мире MPEG и никогда не смогут быть совместимыми. Это закрытые системы, привязывающие пользователя к одному поставщику. Сигналы, сформированные этими системами в рамках спутниковых ПТС или в студии, нуждаются в преобразовании в формат MPEG-2 DVB, что приводит к дополнительным расходам [2].

Важность малой задержки

Пользователи беспроводных камерных систем очень хорошо знают о важности такого параметра, как задержка видео. При освещении того или иного события обычно используются и статичные (с кабельным соединением), и беспроводные камеры. Статичные камеры не имеют задержки по видео (в первом приближении), поэтому и задержка беспроводных камер должна быть как можно более короткой. В противном случае сюжет, сформированный из планов от всех камер, даст искаженную картину события и дезориентирует зрителя. Представьте себе, что зритель видит план с одного ракурса, где, к примеру, мяч уже влетел в ворота, а затем ему показывают другой план, где мяч еще только влетает в рамку ворот. Это может запутать кого угодно.

Было принято считать, что при кодировании в формат MPEG-2 обеспечивается задержка до половины секунды. Действительно, ряд систем DCWS с использованием кодеров MPEG-2 давали именно такую задержку. Системы сверточного кодирования и DVCPRO имеют значительно меньшее время задержки: 2…3 кадра у DVCPRO и не более одного кадра для сверточного кодирования, но обе эти системы имеют жесткие ограничения по качеству изображения на малых скоростях потока. Исследования в этой области показали, что при скрупулезном усовершенствовании алгоритмов кодирования MPEG можно создать высококачественный MPEG-кодер, обеспечивающий время задержки всего около 40 мс, что составляет примерно 1 кадр. На основе таких кодеров можно создавать очень полезные и практичные системы, и такие системы во время многократных испытаний не вызвали со стороны режиссеров нареканий за большую задержку.

Компрессия не является единственной причиной возникновения задержки в системе. Обычно сигналы, поступающие в студию или ПТС, являются синхронизированными от внешнего опорного сигнала. Это также является источником дополнительной задержки. Сократить ее время можно, синхронизируясь от одного из источников сигнала.

Приемная сторона системы

Часто в обсуждении систем DWCS большое внимание уделяется передающей стороне, а приемная остается вне зоны рассмотрения. И это неправильно, поскольку приемник не менее важен, чем передатчик, если рассматривать общую архитектуру системы.

В технологии приема есть три основных параметра:

• маскирование ошибок и их исправление;
• улучшение возможности приема (Diversity);
• задержка.

Рассмотрим каждый из параметров в отдельности.

Маскирование ошибок и их исправление

Часто системы DWCS работают на предельных расстояниях либо в очень сложных условиях, в которых принятый сигнал деградирует по качеству до уровня, когда он начинает содержать неисправимые ошибки. Поэтому способ, при помощи которого приемник «справляется» с такими нештатными ситуациями (поток с многократно повторяющимися ошибками), является очень важной характеристикой.

Многие микросхемы-декодеры изначально были разработаны для телевизионных приставок приема спутникового сигнала, где расчетный уровень ошибок достаточно низок, то есть не ожидалось постоянно появляющихся неисправимых ошибок. Очень часто эти микросхемы тратят много времени на пересинхронизацию потока и даже не пытаются маскировать ошибки. Это может привести к ухудшению изображения (блочный шум) или его полной потере (черное поле).

Если же приемник был рассчитан с учетом вероятности ошибок, он может пересинхронизировать поток очень быстро и выполнить маскирование ошибок, так что зритель практически не пострадает. Ряд компаний, и Link Research в том числе, уделяет этому аспекту большое внимание и разрабатывает собственные микросхемы-декодеры.

Улучшение возможности приема

Улучшение возможности приема (Diversity) — это мощное дополнение к системам DWCS. Проще говоря, это использование нескольких приемных антенн для улучшения приема переданного сигнала. Увеличенное число антенн помогает улучшить прием двумя способами:

• убирает эффект обнуления сигнала (flat fade);
• расширяет зону и дальность приема.

В закрытых пространствах появляется сильный эффект отражения. Эти отражения могут привести к полному исчезновению сигнала на приемной антенне, и этот феномен известен как эффект обнуления сигнала (flat fade). На частоте 2,5 ГГц этот эффект проявляется очень сильно. На практике, при передаче сигнала в закрытых помещениях, например внутри зданий, крытых стадионов или в зонах плотной застройки, эффект обнуления сигнала приводит к существенному снижению эффективности системы. Использование двух и более антенн, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, позволяет исключить возникновение эффекта обнуления сигнала. Причина состоит в том, что невозможно обнулить сигнал на двух антеннах одновременно. Поэтому такой способ радикально повышает эффективность линии связи.

Дополнительные антенны позволяют также увеличить «дальнобойность» системы DWCS, потому что каждая из этих антенн может быть расположена для обеспечения приема в тех зонах, где основная антенна бессильна. Например, при недавних испытаниях на стадионе две антенны были расположены на противоположных лицевых линиях поля для регби, чтобы обеспечить съемку моментов подачи мяча, а третья антенна располагалась ближе к раздевалкам команд, на расстоянии около 100 м от выхода из тоннеля. Это позволило операторам выполнять непрерывную съемку выхода игроков из раздевалок и их прохода на поле к лицевым линиям. Другой пример расширения зоны приема — это расположение антенн в различных углах зданий, что позволяет обеспечить непрерывную съемку во время перехода оператора с одного этажа на другой. Все эти варианты возможны только при использовании нескольких приемных антенн.

Есть несколько способов расширения зоны приема. Некоторые компании используют улучшенную систему пакетной коммутации, обеспечивающую подачу сигнала от четырех антенн, что дает высокий уровень гибкости в их размещении.

Задержка

Использование стандартных микросхем декодирования MPEG-2 в приемниках систем DWCS приводит к дополнительному увеличению времени задержки. Испытания показали, что оптимизация конструкции декодеров позволяет уменьшить общее время задержки системы. Поэтому некоторые фирмы-производители выпускают микросхемы собственной разработки.

Заключение

В качестве резюме ко всему вышеизложенному можно сказать, что модуляция DVBT COFDM является общепринятым стандартом для всех производителей систем DWCS

Для обеспечения действительной свободы передвижения при использовании систем DWCS передатчик должен работать в режиме QPSK FEC 1/2 или, как минимум, 16QAM FEC 1/2. Ни один другой режим не обеспечивает надежной передачи сигнала при приемлемом уровне мощности в случаях, когда нет гарантии работы в условиях прямой видимости.

Системы передачи с использованием 64QAM обычно требуют в 20 раз большей мощности, чем системы на базе QPSK, при одном и том же уровне надежности связи.

Видеокомпрессия MPEG-2 является важным аспектом, поскольку ни один другой вид компрессии (сверточной или DVCPRO) не может обеспечить существенного сжатия при высоком качестве изображения для передачи сигнала в виде потоков COFDM QPSK FEC 1/2 или 16QAM FEC 1/2. Кроме того, компрессия MPEG-2 обеспечивает стандартизацию, позволяя создавать открытые системы с возможностью ремультиплексирования потоков или их подачи в сети MPEG-2.

Профиль MPEG-2 4:2:2 гарантирует профессиональное качество изображения и надежное сохранение цветовой информации при многократном кодировании/декодировании.

Малое время задержки является важным фактором работы многокамерной системы, обеспечивая режиссеру возможность использования планов со статичной и беспроводной камер.

Быстрая коррекция ошибок и расширенное их маскирование являются важными для гарантии того, что при возникновении ошибок в потоке качество изображения практически не страдает.

Расширение зоны и дальности приема представляет собой очень полезную технологию для исключения обнуления сигнала и расширения зоны покрытия.