Статистическое мультиплексирование

Важным направлением современного цифрового ТВ вещания явля­ется увеличение числа программ, предоставляемых пользователю в со­ставе одного мультиплекса. При сохранении действующих частотных планов реализация этого вида обслуживания приобретает особое значе­ние. Выдвигаются предложения о передаче по одному каналу до 10 ТВ программ различного качества. Решение этой задачи требует, с одной стороны, поиска новых методов сжатия видео- и аудиосигналов и пере­дачи их с помощью спектрально-эффективных методов цифровой мо­дуляции, а с другой — применения адаптивного кодирования со сжати­ем и с расширенным статистическим мультиплексированием нескольких ТВ программ в общий цифровой поток.

При традиционной организации многопрограммного вещания пропускная способность канала делится между несколькими программами некоторым фиксированным образом. Это предполагает использование постоянной скорости передачи битов для каждой программы. Извест­но, что значение скорости передачи информации, необходимое для дос­тижения желаемого качества изображения, зависит от содержания изоб­ражения. Поэтому новые методы кодирования предполагают, что более сложный материал кодируется с большим числом битов, чем менее сложный материал. Это означает, что для эффективного использо­вания пропускной способности канала следует применять устройства сжатия с переменной скоростью битов, обеспечивая в результате задан­ное качество как для отдельно взятых программ, так и для всего набо­ра программ, передаваемых в одном мультиплексе.

Для управления устройствами сжатия с переменными скоростями битов разработан метод, названный совместным управлением кодированием. Он отличается от обычного метода статистического муль­типлексирования, основанного на "законе больших чисел". Последний, при малом числе источников имеет большую вероятность переполне­ния буфера, и, как следствие, общая скорость передачи превосходит пропускную способность канала, что приводит к потере данных. Метод совместного управления кодированием исключает потерю данных, по­скольку общая скорость передачи не выходит за границы пропускной способности канала.

Стандартные кодеры MPEG-2 поддерживают режим кодирования с переменной скоростью выходных данных. Например, для цифрового ТВ сигнала стандартного качества (SDTV) скорость передачи может ле­жать в пределах от 2 Мбит/с до 15 Мбит/с. При обычном кодировании переменная скорость данных выравнивается специальным буфером, и передача по каналу идет с постоянной скоростью. При кодировании с совместным управлением каждое кодирующее устройство имеет свою собственную переменную скорость битов для каждой программы, выби­раемую таким образом, чтобы общая скорость системы была постоян­ной и в оптимальном случае равной пропускной способности канала.

Рисунок 8.7 – структурная схема системы совместного управления кодированием

Структурная схема метода кодирования с совместным управлением от системного мультиплексора показана на рисунке 8.7. Для реализации этого метода необходимы линии двусторонней передачи данных между кодерами программ и системным мультиплексором. Наличие обратной связи от мультиплексора к индивидуальным программным кодерам позволяет адаптивно изменять коэффициент сжатия и скорость битов в потоках отдельных программ при постоянной скорости мультиплек­сированного группового потока. Для получения постоянной общей ско­рости устройство совместного управления подбирает приемлемые па­раметры кодирования в соответствии с предопределенными заранее условиями. При этом для обеспечения постоянного соответствия меж­ду качеством кодирования и скоростью передачи одни и те же парамет­ры кодирования используются для всех программ.

Этот метод гарантирует, что более сложные программы будут производить больше данных и минимизировать изменения качества изображений для программ, передаваемых по одному каналу. Экспериментально полученные результаты свидетельствуют о том, что кодирование и сжатие с переменной (зависящей от исходного качества изображе­ния) тактовой частотой кодерами MPEG-2 приводят к субъективно бо­лее высокому качеству и объективно более высокому с/ш кодирован­ных изображений. При этом интегральное качество группы программ выше, чем при обычном кодировании с постоянной скоростью. В то же время существует проблема улучшения качества наиболее сложных программ, которое будет достигаться ценой снижения качества менее сложных программ.