Исследование и разработка методов и средств взаимного преобразования форматов сжатого цифрового представления звуковых сигналов в трактах спутникового телевизионного вещания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.18, кандидат технических наук Ал Мустафа Мустафа

• Ал Мустафа Мустафа
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ал Мустафа Мустафа

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ФОРМАТОВ СЖАТОГО ЗВУКА В

СПУТНИКОВОМ ТЕЛЕВИЗИОННОМ ВЕЩАНИИ.

1.1. Цифровое спутниковое теле- и радиовещание.

1.1.1. Система цифрового вещания DSR.

1.1.2. Система цифрового радиовещания DAB.

1.1.3. Системы цифрового телевещания.

1. 2. Основные особенности стандартов АС-3 и MPEG и области их применения.

1.2.1. Введение в MPEG.

1.2.2. Возможности MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 и MPEG-7 Аудио.

1.2.3. Стандарт сжатия цифрового звука MPEG-1 Audio.

1.2.4. Стандарт сжатия цифрового звука MPEG-2 Audio.

1.2.5. Стандарт сжатия цифрового звука MPEG-4 Audio.

1.2.6. Стандарт сжатия цифрового звука MPEG-7 Audio.

1.2.7. Стандарт АС-3.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ВЗАИМНОЙ

ЦИФРОВОЙ ПЕРЕКОДИРОВКИ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ ФОРМАТОВ MPEG и АС-3. ПРАВИЛА ИХ МЕЖФОРМАТНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАНИЙ.

2.1. Элементы верхнего уровня структуры цифровых потоков MPEG и АС

2.1.1. Цифровой поток MPEG.

2.1.2. Цифровой поток АС-3.

2.1.3. Сопоставление элементов верхнего уровня потоков MPEG и АС-3.

2.2. Сравнительный анализ структуры заголовков кадров цифровых потоков MPEG и АС-3.

2.2.1. Заголовок кадра MPEG.

2.2.2. Заголовок кадра АС-3.

2.2.3. Выделение совпадающих элементов цифрового потока. Разработка алгоритмов взаимного преобразования несовпадающих элементов.

2.3. Сравнительный анализ структуры звуковых данных кадров цифровых потоков MPEG и АС

2.3.1. Звуковые данные кадра MPEG.

2.3.2. Звуковые данные кадра АС-3.

2.3.3. Выделение совпадающих элементов цифрового потока, разработка алгоритмов взаимного преобразования несовпадающих элементов.

2.3.4. Кодирование стереофонических сигналов.

2.3.5. Разработка алгоритмов взаимного преобразования элементов

2.4. Сравнительный анализ структуры дополнительных данных кадров цифровых потоков MPEG и АС-3.

2.5. Сравнительный анализ структуры контроль ошибок кадров цифровых потоков MPEG и АС-3.

2.6. Исследование методов преобразования информации о распределении битов при взаимной цифровой перекодировке звуковых сигналов форматов MPEG и АС

2.6.1. Известные стратегии распределения битов.

2.6.2. Стратегии распределения битов, используемые в наиболее распространенных форматах сжатого звука.

2.6.3. Общий подход к преобразованию информации о распределении битов при переходе от одного формата сжатого звука к другому.

2.6.4. Распределение битов в цифровом потоке АС

2.6.5. Распределение битов в цифровом потоке MPEG.

2.6.6. Алгоритм межформатного преобразования информации о распределении битов.

2.6.7. Моделирование метода преобразование форматов.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

МЕТОДА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОРМАТОВ.

3.1. Цель эксперимента.

3.2. Средства проведения эксперимента.

3.3. Состав группы экспертов.

3.4. Методика испытаний.

3.5. График выполнения испытаний.

3.6. Кодер-декодеры, и вспомогательные оборудование и материалы, использованные для испытания.

3.7. Испытательный материал.

3.7.1. Выбор материалов для прослушивания.

3.7.2. Итог выбора фрагментов, выполненного группой экспертов

3.8. План эксперимента.

3.8.1. Обучение.

3.8.2. Испытательная процедура.

3.8.3. Характеристика помещение.

3.8.4. Результаты испытания.

3.9. Статистическая обработка результатов измерений.

3.9.1. Обработка экспериментальных результатов.

3.9.2. Проверка на однородность двух не зависимых выборок по критерию Вилкоксона.

3.9.3. Обсуждение результатов эксперимента.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ АППАРАТНОЙ

РЕАЛИЗАЦИЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОРМАТОВ.

4.1. Способы реализации алгоритмов ЦОС.

4. 1. 1. Программная реализация.

4. 1.2. аппаратная реализация.

4. 1.3. Аппаратно- программная реализация.

4. 1. 4. Выбор способа реализации устройства преобразовании форматов.

4.2. Реализация цифровой обработки сигналов.

4.3. Основные направления, задачи и алгоритмы ЦОС.

4.4. Архитектура и общие принципы построения ЦПОС и их основные типы.

4.5. Обзор современных сигнальных процессоров.

4.6. Аппаратный перекодировщик.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов и средств взаимного преобразования форматов сжатого цифрового представления звуковых сигналов в трактах спутникового телевизионного вещания»

Системы спутниковой связи позволяют на сравнительно недорогие и достаточно портативные установки принимать радиосигналы почти со всего мира. В зависимости от типа земных станций и назначения системы различают следующие службы радиосвязи:

• фиксированная спутниковая служба - служба радиосвязи между земными станциями, расположенными в определенных (фиксированных) пунктах, при использовании одного или нескольких спутников;

• радиовещательная спутниковая служба — служба радиосвязи, в которой сигналы космических станций предназначены для непосредственного приема населением. Непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием. Спутниковое вещание - это передача вещательных программ (ТВ и звуковых) от передающих земных станций к приемным через космическую станцию — искусственный спутник земли, который представляет собой активный ретранслятор.

Магистральным направлением развития систем передачи информации, в том числе и спутникового телевидения (СТВ), как глобального, так и регионального уровня, является введение цифровой передачи сигналов.

В конце XX века в строй действующих вступили полностью цифровые системы СТВ, такие, как американская ATSC (Advanced Television Systems Committee) и европейская DVB (Digital Video Broadcasting) , а в самом начале XXI тысячелетия компанией NHK (Япония) разработана концепция цифрового вещания с интеграцией служб ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting). В транспортных потоках этих систем мультиплексируются сигналы видео, звука и данных. В дальнейшем эти компоненты обрабатываются совместно в виде единого цифрового потока. Благодаря методам сжатия цифровых сигналов, применяемых в этих системах, удалось добиться сжатия цифрового представления телевизионного сигнала в 10-20 раз. Сжатию подвергаются и видео - и аудиосигналы.

Все методы сокращение звуковых данных основаны на использовании особенностей слухового восприятия, поэтому они являются одним из видов перцепционного кодирования. Для сжатия цифрового звука в теле- и радиовещании применяются чаще всего методы MPEG и АС-3. Первый из них используется в радио- и телевещании в Европе, а так же для записи кинофильмов на DVD, предназначенных для продажи в Европе. Метод АС-3 применяется в радио- и телевещании на территории США, в массовых фильмокопиях с фонограммой Dolby Digital и на DVD с фильмами, предназначенных для продажи в США и Японии. Оба метода обеспечивают примерно одинаковую эффективность сжатия. Существование конкурирующих алгоритмов сжатия объясняется не столько техническими, сколько патентными и коммерческими соображениями.

Широкое распространение сразу нескольких методов сжатия цифрового звука создает проблемы из-за несогласованности форматов цифровой информации в трактах вещания и на выходе некоторых источников цифрового сигнала, что означает отсутствие совместимости между ними. Для обеспечения совместимости необходимо привести сигналы к единому формату, то есть выполнить преобразование сигнала одного формата в сигнал другого формата. В зависимости от конкретного сочетания трактов и источников может понадобиться как преобразование AC-3->MPEG, так и обратное преобразование.

Обеспечить взаимное преобразование форматов сжатого цифрового звука можно двумя методами:

1. Преобразовать цифровое представление в аналоговый или цифровой декодированный сигнал и осуществить его кодирование желаемым методом.

2. Преобразовать цифровое представление, полученное одним методом, в сжатое цифровое представление другого формата,

Наиболее перспективным представляется второй из упомянутых подходов, не сопровождающийся ненужным ухудшением качества звука. Введение в цифровой вещательный телевизионный тракт устройства, реализующего подобный алгоритм преобразования форматов цифрового сжатого звука, полностью решает проблему совместимости форматов трактов и источников, расширяя возможность использования для вещания носителей записи разного формата без ухудшения качества звукового сигнала. Точно также решается проблема коммутации разноформатных по звуку транспортных потоков. Таки образом, тракт телевизионного цифрового спутникового вещания становится более гибким и обеспечивает более высокое качество звука. Существующие методы преобразование цифровых форматов, используемые в настоящее время, выполняются с неизбежным ухудшением качества. Оно происходит или из-за дополнительных ступеней цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразований, или из-за дальнейшего сокращения информации, содержащейся в звуковом сигнале, при выполнении дополнительной операции сжимающего кодирования. Возможен и вариант, когда оба нежелательных фактора действуют одновременно.

Поэтому целью настоящей работы является разработка методов и средств преобразования форматов цифрового представления звуковых сигналов с помощью специально разработанного алгоритма, подвергающего цифровой сигнал минимальной дополнительной обработке. Он основан на выполнении всех преобразований в цифровой области, без повторного кодирования, с использованием информации о распределении битов, полученной при первичном кодировании.

Для достижения поставленной цели в работы решаются следующие задачи: 1. Проводится исследование особенности цифровых стандартов MPEG и АС-3 и области их применения. Разрабатывается методика преобразование цифровых форматов, для чего требуется осуществить: • выявление общих и различающихся этапов кодирования и декодирования звуковых данных;

• исследование различий в параметрах преобразования время-частота;

• исследование различий в стратегиях распределения битов в цифровых стандартах MPEG и АС-3, и разработку алгоритма, позволяющего преобразовать информацию о распределении битов одного стандарта в другой и на оборот;

• исследование различий в синтаксисе цифровых потоков и установление простых правил соответствия между аналогами в рассматриваемых форматах. Для тех элементов потока, которые не подчиняются простым правилам соответствия — выполнена разработка численных алгоритмов взаимного преобразования.

2. Проводится экспериментальное исследование эффективности метода преобразования форматов.

3. Формулируются предложения относительно аппаратной реализации предлагаемого метода преобразования форматов.

С целью решения поставленных задач были разработаны алгоритмы взаимного преобразования. Для моделирования алгоритмов преобразования форматов была создана компьютерная программа, и с ее помощью было проведено экспериментальное исследование субъективного качества звучания аудиофрагментов, перекодированных разными методами: с использованием многократного кодирования-декодирования и на основе разработанных алгоритмов. Исследование проводилось методами компьютерного моделирования и субъективных прослушиваний.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы преобразования изображений и звука», Ал Мустафа Мустафа

Выводы

Таким образом, анализ возможности построения устройства преобразователя форматов сжатого звука показал, что наиболее предпочтительным является вариант на основе ЦСП, то есть программно-аппаратная реализация. Среди выпускаемых в настоящее время ЦСП ряд обладает достаточной вычислительной мощностью. Наиболее предпочтительным представляется построение устройства на ЦСП, специализированных для звуковых приложений. Примером такой микросхемы является ЦСП DSP56366 фирмы Motorola.

Заключение

Системы спутниковой связи обеспечивают глобальный обмен информацией и являются лидером в применении цифровых систем радио - и ТВ-вещания. В этих вещательных системах применяются разнообразные алгоритмы компрессии видео и звука, что создает проблемы совместимости. В результате диссертационной работы создан метод, позволяющий решить проблему совместимости наиболее распространенных форматов сжатого звука, MPEG и АС-3 с минимальной потерей качества. Получены следующие основные научные результаты:

1. Анализ элементов верхнего уровня структуры цифровых потоков MPEG и АС-3 показывает наличие между ними высокой степени функционального подобия. Это указывает на возможность межформатных преобразований в цифровой форме за счет использования сравнительно несложных алгоритмов.

2. Сопоставление элементов цифровых потоков MPEG и АС-3 указывает, на наличие трех вариантов соответствия. Во-первых, имеются совпадающие по назначению элементы, преобразование которых выполняется приравниванием или применением несложных правил соответствия. Во-вторых, имеются функционально похожие элементы, правила, преобразования которых неочевидны и требуют специальной разработки. Наконец, имеются элементы, у которых нет соответствия в потоках другого формата. Выбор значений этих элементов требует принятия соответствующего решения при настройке аппаратуры или параметров компьютерной программы преобразования.

3. Сопоставление подходов к представлению информации о распределении битов в цифровых потоках разных форматов позволило выработать несложный алгоритм ее преобразования при переходе от одного формата к другому. В алгоритме учтены как различия форм представления информации о распределении битов, так и различия самих процедур распределения, стандартизованных для форматов АС-3 и MPEG.

4. Разработка компьютерной модели устройства преобразования форматов позволила провести эксперименты по субъективной оценке качества фонограмм преобразованного формата, полученных двумя разными методами: за счет дополнительного этапа перцепционного декодирования-кодирования и с использованием предложенного алгоритма. Результаты эксперимента показали, что эксперты обнаружили значительное различия в качестве сигнала. По их оценкам, оно значительно лучшее при использование специальной программы преобразования форматов, в которой реализован предложенный алгоритм. Это заметно как в оценках каждого отдельного эксперта, так и в средних для всех экспертов оценках.

5. Аппаратно-программная реализация сочетает положительные свойства аппаратной и программной реализаций. Разумное сочетание аппаратных и программных средств позволяет снизить требования к вычислительным возможностям элементной базы и упростить реализацию систем ЦОС в целом. Предложен вариант построения устройства межформатных преобразований на основе цифрового сигнального процессора

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ал Мустафа Мустафа, 2003 год

1. Н. С. Мамаев. Спутниковое телевизионное вещание. М.: Радио и связь, 1999. -5с.

2. Регламент радиосвязи. Т.1. — М.: Радио и связь, 1985. 510с.

3. Ю. А. Кавалгин. Радиовещание и электроакустика. М.: Радио и связь, 1999. -712с.

4. Ю. А. Кавалгин. Радиовещание и электроакустика. М.: Радио и связь, 1999. -721с.

5. Ю. А. Кавалгина радиовещание и электроакустика. М.: Радио и связи. 1999. -723с.

6. ISO. International Organization for Standardization, 1993. 152c.

7. К. Ф. Гласман. Методы передачи данных в цифровом телевидении. «625», №4, 1999.

8. К.Ф. Гласман. Методы передачи данных в цифровом телевидении, часть 1. -«625», №5, 1999.

9. К. Ф. Гласман. Методы передачи данных в цифровом телевидении, часть 2 (ATSC). «625», №7, 1999.

10. К. Ф. Гласман. Методы передачи данных в цифровом телевидении, часть 3 (DVB). «625», №9, 1999.

11. К. Ф. Гласман. Методы передачи данных в цифровом телевидении, часть 4 (ISDB). «625», №2, 2000.

12. К. Ф. Гласман. Методы передачи данных в цифровом телевидении, часть 5 (ISDB). «625», №3, 2000.

13. Зелевич Е. Цифровое радиовещание становится реальным//Технологии и средства связи. 1999. - № 5. -С.90-93.

14. Зелевич Е. Прогресс цифрового радиовещания в НЧ, СЧ, и УКВ диапазонах//Технологии и средства связи. 1999. - № 2 -С. 18-22.

15. Высоцкий Г. Построение сетей цифрового спутникового радиовещания//Теле-Спутник 1998. - № 9 -С.44-47.

16. ETS 300744/Digital Broadcasting Systems for television, sound and data services. Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television, 1996.

17. International organization for standardization, Organisation internationale de normalization, ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 N 3084, (Coding of moving pictures and audio ).

18. ISO/IEC 11172-3. "Coding of Moving pictures and associated audio for digital storage media at up to 1.5 Mbit/s Audio Part". International Standard, 1993.

19. ISO/IEC 13818-3. "Information Technology: Generic coding of Moving pictures and associated audio Audio Part". International Standard, 1994.

20. ISO/IEC 13818-7. "MPEG-2 advanced audio coding, AAC". International Standard, 1997.

21. M. Bosi, K. Brandenburg, S. Quackenbush, L. Fielder, K. Akagiri, H. Fuchs, M. Dietz, J. Herre, G. Davidson, and Y. Oikawa: "ISO/IEC MPEG-2 Advanced Audio Coding". Proc. of the 101st AES-Convention, 1996.

22. ISO/IEC 14496-3 "MPEG-4 Audio: coding of natural and synthetic sound". International Standard, 1998.

23. M. Nishiguchi, "MPEG-4 speech coding," AES 17th International Conference on High-Quality Audio Coding, Firenze, Sep. 1999.

24. B. Grill, "MPEG-4 General Audio Coder," AES 17th International Conference on High-Quality Audio Coding, Firenze, Sep. 1999.

25. ISO/IEC 15938 Working Draft, 2000. "MPEG-7: description of meta-information on sound".

26. Digital Audio Compression (AC-3). ATSC Standard. Doc. A-52, 10 Nov 94, 12 Apr 95, 24 May 95, 20 Dec 95

27. Харитонов В. Б. Проблемы обеспечения совместимости сжатого представления цифровых звуковых сигналов. Сб. науч. Тр. СПБГУКиТ-СПБ., 2001.

28. ISO/IEC 13818-3, 3-Annex A, Figure 3-А. 1. Layer I and II decoder flow chart

29. ISO/IEC 13818-3, раздел 2.4.1.5

30. ISO/IEC 13818-3, 3-Annex В, Table3-B.2 "LAYER II BIT ALLOCATION TABLES"

31. ISO/IEC 13818-3, 3-Annex B, Table 3-B.4 "LAYER II CLASSES OF1. QUANTIZATION"

32. ISO/IEC 13818-3, 3-Annex B, Table 3-B.l "LAYER I, II SCALEFACTORS".

33. ISO/IEC 13818-3, раздел 2.4.3.2

34. ISO/IEC 13818-3, раздел 2.4.3.3

35. Digital Audio Compression (AC-3). ATSC Standard. Doc. A-52, раздел 8.2.3.2.

36. ISO/IEC 13818-3, 3-Annex A, Figure 3-A. 2. Synthesis subband filter flow chart38. http://www.syrus.ru/index.cgi39. http://www.telesputnik.ru:8080/archive/all/n08/40.html

37. ISO/IEC 13818-3, 3-Annex E,F,G, Figure 3-G.l "GENERAL STEREO ENCODER FLOW-CHART".

38. ISO/IEC 13818-3, 3-Annex E,F,G. Figure 3-G.2 "GENERAL STEREO DECODER FLOW-CHART".

39. AC-3:flexible perceptual coding for Audio transmission and storage.

40. ISO/IEC 13818-3, приложение 2.4

41. ISO/IEC 13818-3, раздел 2.4.2

42. ISO/IEC 13818-3, раздел 2.4.3

43. Digital Audio Compression (AC-3). ATSC Standard. Doc. A-52, 10 Nov 94, 12 Apr 95, 24 May 95, 20 Dec 95, раздел 6.2.2

44. Parametric Bit Allocation in a Perceptual Audio Coder, Grant A. Davidson, Louis D. Fielder, and Brian D. Link, Dolby Laboratories, Inc. San Francisco, California 94103 USA

45. INTERNATIONAL ORGANISATION FOR STANDARDISATION Chiariglione, L., 1996. "Report of the 35th meeting in Tampere, Finland." ISO/IEC JTC1/SC29/WG11/N1270. July 1996.

46. ITU-R Recommendation BS.l 116 "Methods for the subjective assessment of small impairments in audio systems including multichannel sound systems". Geneva(1994)

47. Feige, F., Meares, D. J., "Specification of MPEG-2 Audio NBC Formal Tests". MPEG document ISO/IEC JTC1/SC29/WG11/N1281. July 1996.

48. Г. Корн и Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Издательство «наука». Главная редакция физико-математической литературы. Москва 1973. с. 610-611.

49. Гаек Я, Шидак 3. Теория ранговых критериев. М.: Наука, 1971. - 376 с.

50. Большев JI.H., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: ВЦ АН СССР, 1968. - с. 474.

51. Холлендер М, Вулф Д.А. Непараметрические методы статистики. М.: Финансы и статистика, 1983. - с. 518.

52. К. JL Бранли "Статистическая теория и методология в науке и технике" издательство "наука" М.1977 г.- с. 233.

53. А. Солонина, Д. Улахович, JI. Яковлев. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 464 е.: ил.57. http://www.dolby.com/

54. Cravotta R. DSP Directory 2001/EDN Magazine. Issue of EDN, 2001, March 29.

55. Корнеев В. В. Кисилев А. Б. Современные микропроцессоры. — М.: НОЛИДЖ, 1998.

56. Джон Уоткинсон. Пособие для инженеров по сжатию цифровых потоков. Пособие фирмы Snell & Wilcox Ltd. Дурфорд Милл, Петерсфилд, XeMnuiHp-GU13 5AZ. Великобритания.

57. Толковый словарь по вычислительным системам/Под ред. В. Иллигуорта и др.: Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1989.

58. Eyre J., Bier J. the Evolution of DSP Processor/IEEE Signal Processing magazine, 2000, March.

59. А. Солонина, Д. Улахович, JI. Яковлев. Цифровые процессоры обработки сигналов фирмы Motorola. СПБ.: БХВ-Петербург, 2000

60. Куприянов М. С. Матюшкин Б. Д., цифровая обработка сигналов. — СПБ.: Политехника, 1998.65.http://e-www.motorola.com/webapp/sps/site/application. j sp?nodeId=04PB Yk2GFkfG51

61. DSP AUDEVMEBUM/D. Revision 1, January 2003.