что такое tr 101 290
Программная опция для анализа параметров ETR 101 290 BridgeTech TR 101 290
Стандарт ETSI TR 101 290 описывает порядок измерения параметров сигнала при цифровом вещании. Классификация методов измерений выполнена по степени серьезности последствий, к которым приводят те или иные ошибки и сбои в работе оборудования (ошибки приоритета 1, 2 и 3).
Bridgetech добавила новые эффективные критерии оценки в технический отчет TR 290. В вышеназванном документе детально описаны измерения, проводимые в соответствии со стандартом ETR 290 оборудованием Bridgetech. При этом проведена четкая грань между критериями ETSI и нововведениями, предложенными Bridgetech. По умолчанию дополнительные функции, предлагаемые Bridgetech, отключены и не могут приводить к формированию ошибок.
Оценка параметров сигнала может производиться по таблицам Комитета по перспективным телевизионным системам (ATSC); при этом в качестве шаблона предельных значений ETR 290 для соответствующего канала устанавливается ATSC, а не DVB (Вещание цифрового видео). В принципе, таблицы ATSC соответствуют таблицам DVB приоритета 3; таким образом, критерии ATCS входят в группу приоритета 3 проба, даже если это не предусмотрено ETSI TR 101 290.
Оборудование Bridgetech, выполняющее оценку по стандарту ETR 290, в графическом пользовательском интерфейсе веб-браузера выводит на экран вкладку ETR 290 ETR
Критерии ETR 290
Приоритет 2
Приоритет 3
Особенности формирования и измерения PCR в MPEG-сигнале
Одной из важнейших задач при формировании, приеме и распространении цифровых телевизионных MPEG-потоков является обеспечение временной синхронизации сигналов. Этой цели служит вставка в цифровой поток специальных временных меток Program Clock Reference — PCR. Описанию того, что это за метки, как они влияют на работу цифровых устройств, методам измерений и диагностики посвящена эта статья. Основной материал для нее базируется на результатах исследований фирмы Tektronix, которые были использованы с любезного разрешения ее московского представительства.
Прием и ретрансляция сигналов цифрового телевидения требуют восстановления всех временных интервалов, использованных при формировании исходного сигнала. В ряде случаев восстановление принятых потоков может быть проблематичным в результате флуктуаций сигналов синхронизации. Далее кратко описываются принципы формирования сигналов синхронизации и измерений их флуктуаций
На рисунке 1 приведена структурная схема формирования транспортного потока MPEG для цифрового компонентного сигнала. При формировании сжатого видеосигнала MPEG кодер в качестве опорного генератора использует эталонный высокоточный генератор с частотой 27 МГц. Такой выбор опорной частоты обусловлен тем, что путем различных операций деления/ умножения из него можно легко сформировать полный набор всех опорных сигналов, необходимых для аналоговых и цифровых видеосигналов различных стандартов. На рисунке 3 показано, как из частоты опорного генератора формируются все основные сигналы, необходимые для формирования телевизионных сигналов BT.601/PAL/NTSC.
Рисунок 1 – Формирование транспортного потока MPEG
В случае формирования транспортного потока из входного сигнала PAL/NTSC схема выглядит несколько сложнее (рисунок 2), но в ней также присутствует опорный генератор 27 МГц. В этом случае его частота формируется из входного сигнала с использованием петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Рисунок 2 – Формирование транспортного потока из входного сигнала PAL/NTSC
В обеих схемах опорный генератор подключается к счетчику, значения которого периодически фиксируются в регистре и включаются в выходной транспортный поток как сигналы временнóй привязки — PCR.
Период и стабильность следования этих меток не являются слишком критическими. Так, в ISO/IEC13818-1 рекомендуется использовать интервал 100 мс, в то время как в DVB ETR154 это значение составляет 40 мс. Следует только заметить, что более высокая частота следования PCR-меток облегчает работу системы ФАПЧ приемника и делает ее более стабильной.
Эти значения были положены в основу технологии измерений параметров PCR, описанной в документе ETR290, хотя в рекомендации четко указано, что это измерение не включает в себя любые нарушения транспорта.
Рисунок 3 – Формирование импульсов из опорной частоты
Сигналы PCR в составе цифрового потока проходят весь путь распространения цифрового сигнала и дают цифровому ТВ-приемнику возможность синхронизации декодированного выходного видео c исходным видео на входе кодера. Приемник, то есть MPEG-декодер, для правильного функционирования должен считывать значения PCR, сравнивать их с собственными внутренними системными часами
Если полученные значения PCR совпадают с системными часами декодера, часы на обоих концах синхронизированы. Отклонения опорного генератора декодера корректируются с помощью фазовой автоподстройки частоты — ФАПЧ (англ. PLL).
В процессе формирования цифрового потока и доставки его до декодера в сигналы PCR вносятся погрешности, которые приводят к ошибкам декодирования и являются одной из основных причин искажений в выходных видеосигналах MPEG-декодеров. Поэтому вопросы измерения различных параметров качества входящих PCR-сигналов имеют такое важное значение.
Точность формирования PCR конечна, определяется тактовой частотой генератора и не может превышать периода его колебаний
37 нс. Далее мультиплексор сигнала вводит значение PCR в поток не в момент записи сигнала PCR, а в момент передачи соответствующего пакета, что также вносит дополнительную ошибку. При добавлении других сервисов также могут появиться дополнительные ошибки, если мультиплексор изменит положение пакета в потоке, содержащем PCR. Все эти ошибки в документе TR 101 290 получили название PCR_AC.
PCR accuracy (PCR_AC) включает в себя все ошибки опорной частоты 27 МГц, связанные с процессом формирования транспортного потока, но не включает дополнительные ошибки, связанные с транспортом, добавляющиеся при передаче и промежуточных преобразованиях.
Проблемы PCR проявляются в первую очередь в появлении артефактов на выходе MPEG-декодера или потере цветности на PAL/NTSC-изображении. Проблемы джиттера могут возникнуть при повторном мультиплексировании транспортного потока. Причина в том, что, например, меняется порядок следования пакетов транспортного потока без соответствующего изменения значения PCR.
Иногда джиттер PCR может значительно превышать допустимые значения ± 500 ns и не все декодеры могут это отработать. Информация PCR передается в поле адаптации пакета транспортного потока, принадлежащего к соответствующей программе. Информация о типе пакетов TS находится в соответствующей РМТ. Таблица PMT содержит так называемый PCR_PID, чаще всего для этой цели используют PID видео. Этот PID нельзя удалять из потока, так как без него будет невозможно декодирование сервисов
В приемнике PCR извлекаются из транспортного потока и значения отсчетов сравниваются с аналогичными отсчетами от локального генератора 27 МГц. Разница между полученными значениями PCR и значениями, генерируемыми локальным счетчиком, используется для управления ФАПЧ декодера (Phase Locked Loop).
Система ФАПЧ имеет ограничения по своим возможностям. Так, она может обеспечивать синхронизацию только в ограниченном диапазоне частот, но и это применимо только к медленным изменениям частоты. Для быстрых изменений частоты этот диапазон существенно сужается.
При выборе параметров системы ФАПЧ перед разработчиками стоит сложная задача выбора: если сделать петлю ФАПЧ инерционной, то это обеспечит высокую стабильность локального генератора, но полоса захвата и удержания такой петли получается невысокой. Если сделать постоянную времени петли малой («быстрая» ФАПЧ), то такая ФАПЧ способна захватить и удержать входной поток даже со значительным джиттером, но частота локального генератора при этом получается нестабильной.
Именно разница в настройке петли ФАПЧ является причиной того, что разные приемники по-разному принимают один и тот же поток при наличии в нем ошибок PCR. Некоторые устройства, такие как абонентские телевизоры и STB, в состоянии синхронизироваться, другие устройства, такие как профессиональные декодеры, не могут. В результате система теряет синхронизацию и просмотр ТВ-программы становится невозможным.
Таким образом, система ФАПЧ, обеспечивая синхронную работу опорных генераторов в передатчике и приемнике, дает возможность декодирования цифрового сигнала.
Однако, как отмечалось ранее, в процессе передачи цифрового сигнала по транспортным сетям генерируются дополнительные ошибки PCR, связанные с различиями во времени доставки пакетов (jitter) или даже с изменением порядка следования пакетов.
Ремультиплексоры, вставляя или удаляя некоторые потоки из сервисов, меняют положение пакетов, содержащих метки PCR, что приводит к дополнительным ошибкам PCR. Чтобы уменьшить такие ошибки, профессиональные мультиплексоры рассчитывают величину сдвига пакетов с PCR в транспортном потоке и корректируют содержащиеся в них значения PCR (PCR restamping). Но ошибки полностью не устраняются. Накопление таких ошибок может вызвать проблемы в цепи устройств на последующих этапах
Эти ошибки имеют более сложную структуру по сравнению с ошибками PCR_AC. Учет ошибок, связанных с транспортом сигналов, потребовал доработки документов ETR290 и TR 101 290. Были добавлены еще три измеряемых параметра:
Можно заметить, что значения PCR_DR и PCR_OJ отражают влияние вариации параметров среды передачи и различаются только диапазоном частот. По рекомендациям DVB MG, вариации с частотами ниже 0,01 Гц относятся к PCR_DR, а выше — к PCR_OJ.
С практической точки зрения ошибки PCR_DR и PCR_FO могут быть относительно легко скорректированы системой ФАПЧ приемника, в то время как ошибки PCR_OJ являются более критичными.
Более сложной получается картина в том случае, когда принимаемый цифровой MPEG-поток преобразуется в сигналы аналогового стандарта PAL/SECAM/NTSC.
Рисунок 4 – Прием и декодирование MPEG TS
Здесь, как и во многих подобных преобразователях, для формирования всех необходимых опорных частот используется общий опорный генератор 27 МГц (см. рисунки 3 и 4). В таблице 1 приведены требования к стабильности опорных частот для различных систем цветного телевидения. Из этой таблицы видно, что для систем PAL/NTSC эти требования существенно выше, чем требования к опорной частоте цифрового MPEG-декодера. Поэтому при преобразовании MPEG=>PAL/NTSC встречаются ситуации, когда при нормальном функционировании MPEG-декодера выходной сигнал PAL/NTSC формируется со сбоями. Чаще всего это проявляется в виде потери цветности. Исправить данную ситуацию можно ужесточением требований к ошибкам PCR или отключением опорного генератора PAL/NTSC от генератора MPEG-декодера и функционированием его в автономном режиме. Однако это требует поддержки от разработчиков оборудования.
Можно заметить, что требования к стабильности цветовых поднесущих стандарта SECAM существенно ниже, чем требования MPEG. Поэтому при использовании этого стандарта цветности вышеописанная ситуация практически не встречается.
На структурных схемах (рис. 1 и 2) видно, что, кроме опорного генератора MPEG потока, в формирователях присутствует опорный генератор выходного битрейта. Это независимые генераторы. Причем генератор битрейта единый для всего транспортного потока и обеспечивает синхронизацию приемника/передатчика сети передачи. Его нестабильность также может влиять на ошибки PCR. Однако практически во всех системах передачи используется буферизация входного потока, когда нестабильный входной поток сначала загружается в буфер, а затем выдается в MPEG-декодер с равномерной скоростью с использованием вспомогательного стабильного опорного генератора. Это устраняет ошибки PCR, связанные с нестабильностью битрейта (например, от IP jitter), если они находятся в диапазоне буферизации потока.
Сложнее, если MPEG-поток содержит несколько программ. В этом случае он может формироваться как поток, содержащий единый PCR для всех программ (SPTS). Но чаще каждая программа имеет свой собственный PCR (MPTS). В этом случае документ ETSI TS 102 034 накладывает ограничения на передачу таких транспортных потоков через IP-сети. Так, SPTS-поток может передаваться как в режиме VBR, так и в режиме CBR, но при передаче MPTS-потоков, содержащих несколько PCR, передавать их допускается только в CBR-режиме.
Заключение
Для обеспечения надежной работы сети распространения цифровых MPEG-сигналов выполнение требований по допуску на сигналы PCR в ±500 нс является недостаточным, необходимо проводить измерения параметров PCR по 4 параметрам:
Единственные измерения, которые могут выявить нарушения транспорта, облегчая тем самым выявление и устранение неисправностей, — это PCR_DR и PCR_OJ.
В случае использования MPEG-сигнала для преобразования программ в аналоговый формат требования к стабильности PCR должны быть значительно ужесточены либо можно рекомендовать использование системы цветности SECAM.
Для передачи по IP-сетям SPTS-сигналов можно использовать CBR или VBR режим передачи, для MPTS-сигналов — только CBR.
К сожалению, ограниченный объем статьи позволил дать только краткий обзор вопросов, связанных с проблемами PCR. Те, кого заинтересовал данный материал, могут найти более подробную информацию в первоисточниках, ссылки на которые приведены в конце статьи.
Использованная литература и полезные ссылки:
Особенности формирования и измерения PCR в MPEG-сигнале
На рисунке 1 приведена структурная схема формирования транспортного потока MPEG для цифрового компонентного сигнала. При формировании сжатого видеосигнала MPEG кодер в качестве опорного генератора использует эталонный высокоточный генератор с частотой 27 МГц. Такой выбор опорной частоты обусловлен тем, что путем различных операций деления/умножения из него можно легко сформировать полный набор всех опорных сигналов, необходимых для аналоговых и цифровых видеосигналов различных стандартов. На рисунке 3 показано, как из частоты опорного генератора формируются все основные сигналы, необходимые для формирования телевизионных сигналов BT.601/PAL/NTSC.
В случае формирования транспортного потока из входного сигнала PAL/NTSC схема выглядит несколько сложнее (рисунок 2), но в ней также присутствует опорный генератор 27 МГц.
В этом случае его частота формируется из входного сигнала с использованием петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
В обеих схемах опорный генератор подключается к счетчику, значения которого периодически фиксируются в регистре и включаются в выходной транспортный поток как сигналы временнóй привязки — PCR.
Период и стабильность следования этих меток не являются слишком критическими. Так, в ISO/IEC13818-1 рекомендуется использовать интервал 100 мс, в то время как в DVB ETR154 это значение составляет 40 мс. Следует только заметить, что более высокая частота следования PCR-меток облегчает работу системы ФАПЧ приемника и делает ее более стабильной.
Требования к стабильности опорной частоты 27 МГц значительно более жесткие. Стандарт ISO/IEC13818-1 определяет допуск на значение PCR в ±500 нс, что соответствует отклонению частоты не более ±810 Гц или ±30 x 10-6.
Эти значения были положены в основу технологии измерений параметров PCR, описанной в документе ETR290, хотя в рекомендации четко указано, что это измерение не включает в себя любые нарушения транспорта.
Если полученные значения PCR совпадают с системными часами декодера, часы на обоих концах синхронизированы. Отклонения опорного генератора декодера корректируются с помощью фазовой автоподстройки частоты — ФАПЧ (англ. PLL).
В процессе формирования цифрового потока и доставки его до декодера в сигналы PCR вносятся погрешности, которые приводят к ошибкам декодирования и являются одной из основных причин искажений в выходных видеосигналах MPEG-декодеров. Поэтому вопросы измерения различных параметров качества входящих PCR-сигналов имеют такое важное значение.
37 нс. Далее мультиплексор сигнала вводит значение PCR в поток не в момент записи сигнала PCR, а в момент передачи соответствующего пакета, что также вносит дополнительную ошибку. При добавлении других сервисов также могут появиться дополнительные ошибки, если мультиплексор изменит положение пакета в потоке, содержащем PCR. Все эти ошибки в документе TR 101 290 получили название PCR_AC.
PCR accuracy (PCR_AC) включает в себя все ошибки опорной частоты 27 МГц, связанные с процессом формирования транспортного потока, но не включает дополнительные ошибки, связанные с транспортом, добавляющиеся при передаче и промежуточных преобразованиях.
Проблемы PCR проявляются в первую очередь в появлении артефактов на выходе MPEG-декодера или потере цветности на PAL/NTSC-изображении. Проблемы джиттера могут возникнуть при повторном мультиплексировании транспортного потока. Причина в том, что, например, меняется порядок следования пакетов транспортного потока без соответствующего изменения значения PCR.
Иногда джиттер PCR может значительно превышать допустимые значения ± 500 ns и не все декодеры могут это отработать. Информация PCR передается в поле адаптации пакета транспортного потока, принадлежащего к соответствующей программе. Информация о типе пакетов TS находится в соответствующей РМТ. Таблица PMT содержит так называемый PCR_PID, чаще всего для этой цели используют PID видео. Этот PID нельзя удалять из потока, так как без него будет невозможно декодирование сервисов.
В приемнике PCR извлекаются из транспортного потока и значения отсчетов сравниваются с аналогичными отсчетами от локального генератора 27 МГц. Разница между полученными значениями PCR и значениями, генерируемыми локальным счетчиком, используется для управления ФАПЧ декодера (Phase Locked Loop).
Система ФАПЧ имеет ограничения по своим возможностям. Так, она может обеспечивать синхронизацию только в ограниченном диапазоне частот, но и это применимо только к медленным изменениям частоты. Для быстрых изменений частоты этот диапазон существенно сужается.
При выборе параметров системы ФАПЧ перед разработчиками стоит сложная задача выбора: если сделать петлю ФАПЧ инерционной, то это обеспечит высокую стабильность локального генератора, но полоса захвата и удержания такой петли получается невысокой. Если сделать постоянную времени петли малой («быстрая» ФАПЧ), то такая ФАПЧ способна захватить и удержать входной поток даже со значительным джиттером, но частота локального генератора при этом получается нестабильной.
Именно разница в настройке петли ФАПЧ является причиной того, что разные приемники по-разному принимают один и тот же поток при наличии в нем ошибок PCR. Некоторые устройства, такие как абонентские телевизоры и STB, в состоянии синхронизироваться, другие устройства, такие как профессиональные декодеры, не могут. В результате система теряет синхронизацию и просмотр ТВ-программы становится невозможным.
Таким образом, система ФАПЧ, обеспечивая синхронную работу опорных генераторов в передатчике и приемнике, дает возможность декодирования цифрового сигнала.
Однако, как отмечалось ранее, в процессе передачи цифрового сигнала по транспортным сетям генерируются дополнительные ошибки PCR, связанные с различиями во времени доставки пакетов (jitter) или даже с изменением порядка следования пакетов.
Ремультиплексоры, вставляя или удаляя некоторые потоки из сервисов, меняют положение пакетов, содержащих метки PCR, что приводит к дополнительным ошибкам PCR. Чтобы уменьшить такие ошибки, профессиональные мультиплексоры рассчитывают величину сдвига пакетов с PCR в транспортном потоке и корректируют содержащиеся в них значения PCR (PCR restamping). Но ошибки полностью не устраняются. Накопление таких ошибок может вызвать проблемы в цепи устройств на последующих этапах.
• PCR drift rate (PCR_DR) — ошибки, вызванные медленными изменениями PCR, связанными с вариациями параметров среды передачи (drift).
• PCR overall jitter (PCR_OJ) — ошибки, вызванные быстрыми изменениями PCR, связанными с вариациями параметров среды передачи (jitter).
• PCR frequency offset (PCR_FO) — смещение опорной частоты по отношению к эталонной частоте 27 МГц.
Можно заметить, что значения PCR_DR и PCR_OJ отражают влияние вариации параметров среды передачи и различаются только диапазоном частот. По рекомендациям DVB MG, вариации с частотами ниже 0,01 Гц относятся к PCR_DR, а выше — к PCR_OJ.
С практической точки зрения ошибки PCR_DR и PCR_FO могут быть относительно легко скорректированы системой ФАПЧ приемника, в то время как ошибки PCR_OJ являются более критичными.
Более сложной получается картина в том случае, когда принимаемый цифровой MPEG-поток преобразуется в сигналы аналогового стандарта PAL/SECAM/NTSC.
Можно заметить, что требования к стабильности цветовых поднесущих стандарта SECAM существенно ниже, чем требования MPEG. Поэтому при использовании этого стандарта цветности вышеописанная ситуация практически не встречается.
На структурных схемах (рис. 1 и 2) видно, что, кроме опорного генератора MPEG-потока, в формирователях присутствует опорный генератор выходного битрейта. Это независимые генераторы. Причем генератор битрейта единый для всего транспортного потока и обеспечивает синхронизацию приемника/передатчика сети передачи. Его нестабильность также может влиять на ошибки PCR. Однако практически во всех системах передачи используется буферизация входного потока, когда нестабильный входной поток сначала загружается в буфер, а затем выдается в MPEG-декодер с равномерной скоростью с использованием вспомогательного стабильного опорного генератора. Это устраняет ошибки PCR, связанные с нестабильностью битрейта (например, от IP jitter), если они находятся в диапазоне буферизации потока.
Сложнее, если MPEG-поток содержит несколько программ. В этом случае он может формироваться как поток, содержащий единый PCR для всех программ (SPTS). Но чаще каждая программа имеет свой собственный PCR (MPTS). В этом случае документ ETSI TS 102 034 накладывает ограничения на передачу таких транспортных потоков через IP-сети. Так, SPTS-поток может передаваться как в режиме VBR, так и в режиме CBR, но при передаче MPTS-потоков, содержащих несколько PCR, передавать их допускается только в CBR-режиме.
Заключение
Единственные измерения, которые могут выявить нарушения транспорта, облегчая тем самым выявление и устранение неисправностей, — это PCR_DR и PCR_OJ.
В случае использования MPEG-сигнала для преобразования программ в аналоговый формат требования к стабильности PCR должны быть значительно ужесточены либо можно рекомендовать использование системы цветности SECAM.
Для передачи по IP-сетям SPTS-сигналов можно использовать CBR- или VBR-режим передачи, для MPTS-сигналов — только CBR.
Использованная литература и полезные ссылки:
Guide to PCR Measurements, document number 25W-14617-0, Tektronix.
A Layman’s Guide to PCR Measurements, Tektronix, Technical Brief
Walter Fischer. Digital Video and Audio Broadcasting Technology. A Practical Engineering Guide. Second Edition.
ETSI TS 102 034 V1.5.1 (2014-05) Digital Video Broadcasting (DVB); Transport of MPEG-2 TS Based DVB Services over IP Based Networks»
International Standard ISO/IEC13818-1 MPEG Systems
ETSI Technical Report ETR290 — Measurement Guidelines for DVB Systems — May ‘97
Draft ETSI Technical Report TR 101 290 — Measurement Guidelines for DVB Systems
A Guide to MPEG Fundamentals and Protocol Analysis – document number 25W-11418-3
Подпишитесь на канал «Телеcпутника» в Telegram: перейдите по инвайт-ссылке или в поисковой строке мессенджера введите @telesputnik, затем выберите канал «ТелеСпутник» и нажмите кнопку +Join внизу экрана.