CC BY
34
УДК 378.147 ББК 74.58 О А.И.Одинец, Л.Д.Федорова
А.И. Одинец, Л.Д. Федорова АНАЛИЗ ЛАБОРАБОРНЫХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ» В ТЕХНИЧЕСКОМ ВУЗЕ
Целью работы является представлениеспецифики проведения занятий по дисциплинам, связанных с изучением цифрового телевидения в Омском государственном техническом университете.
В статье рассмотрены основные компетенции будущих специалистов: способность использования на практике умения и навыки в организации научных, исследовательских, проектных работ; способность понимать основные приемы в области радиотехники, выбирать методы и средства их решения; способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов; способность к организации и проведению экспериментальных исследований с применением современных средств и методов.
В качестве примера рассмотрены несколько виртуальных лабораторных работ. Одной из основных выделена рандомизация пакетов транспортного потока, которая выполняется с использованием компьютерной модели. Исследование процессов многопозиционной модуляции в цифровом телевидении на примере метода 16-()АМ дает возможность студентам понять, как происходит увеличение скорости передачи информации.
Изучение способов помехоустойчивого кодирования рассмотрено на примерах моделирования процессов внутреннего кодирования, а также на исследовании кода Рида-Соломона при кодировании/декодировании изображений при наличии в канале связи ошибок. Студентам предлагается изучить методы помехоустойчивого кодирования информации, установив начальные параметры кодера, выполнить операцию кодирование/декодирование изображения для нескольких вариантов внесенных ошибок, а также определить максимальное количество ошибок, при которых восстановление сообщения невозможно.
Таким образом, предложенная методика выполнения лабораторных работ и практических занятий показывает повышенный интерес студентов к решению поставленных задач, что способствует расширению спектра профессиональных компетенций в области цифрового телевидения будущего выпускника вуза по направлению «Радиотехника».
Ключевые слова: цифровое телевидение, рандоминизация, кодирование,сигнал, компетенции, радиотехника, виртуальные модели, цифровые фильтры.
т | 1елевидение - наука о передаче I визуальной информации или информации о них при помощи электрических сигналов. В основе телевизионной передачи и воспроизведения изображений лежат три физических процесса: преобразование световой энергии, исходящей от объекта передачи, в электрические сигналы; передача и прием электрических сигналов; преобразование
электрических сигналов в световые импульсы, воссоздающие оптическое изображение объекта.
В настоящее время аналоговое телевизионное вещание постепенно уступает место цифровому телевидению. Применение цифровых методов обработки, передачи и консервации ТВ сигналов по сравнению с аналоговыми методами дает такие преимущества как:увеличение помехоустойчивости передачщустранение избыточности в ТВ сигнале обеспечивает высокую степень сжатия видеоинформации, что позволяет передавать в радиоканале с полосой пропускания 8 МГц до десяти программ стандартной четкостщхранение ТВ программ может быть неограниченно долгим и допускает многократное обращение к записям [1].
Содержание образования в области радиотехники должно способствовать развитию следующих основных компетенций будущих специалистов: способности использования на практике умения и навыки в организации научных,
исследовательских, проектных работ; способности понимать основные приемы в области радиотехники, выбирать методы и средства их решения; способности к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов; способности проектировать радиотехнические устройства, приборы, системы и комплексы с учетом заданных требований; способности к организации и проведению экспериментальных исследований с применением современных средств и методов.
Прогресс в цифровой и микропроцессорной технике обусловил широкое использование в аппаратуре связи, вычислительной технике и других областях радиоэлектроники разнообразных цифровых устройств, микроконтроллеров и микропроцессоров. Для современного этапа развития цифровой техники характерным является то, что на практике применяется огромное число различных технических решений и чрезвычайно разнообразна элементная база цифровой техники. Естественно, что изучение всех схем невозможно и нецелесообразно. Более эффективным оказывается глубокое рассмотрение некоторых наиболее важных узлов цифровых устройств. Отбор этих схем необходимо произвести таким образом, чтобы дать студентам достаточные знания в данной области техники, позволяющие им самостоятельно разбираться в любой вновь появляющейся цифровой аппаратуре.
В учебном плане направления 11.03.01 «Радиотехника» кафедры «Радиотехнические устройства и
системы диагностики» (РТУ и СД) Омского государственного технического университета имеется ряд дисциплин, в которых рассматриваются узлы цифровой и микропроцессорной техники. К ним относятся следующие дисциплины: «Цифровые устройства и микропроцессоры», «Синтез цифровых устройств», «Цифровое телевидение», «Цифровые радиоприемные устройства».
При создании лабораторных стендов по перечисленным выше дисциплинам возникают такие проблемы как: отсутствие на кафедре возможности изготовить разработанные лабораторные стенды; недостаток средств на приобретение лабораторных стендов и виртуальных моделей.
Рассмотрим, как организовано на кафедреРТУ и СДизучение дисциплины «Цифровое телевидение», которая проводится на 4 курсе, и по которой предусмотрено по 16 часов на лекции и практические занятия, кроме того студенты выполняют домашнее задание.
Основные темы лекций [2]: стандарты цифрового телевидения; обработка данных и сигналов в системе DVB-T; многопозиционная модуляция; параметры системы DVB-T; система сжатия информации MPEG-2; структурная схема приемника системы DVB-T; особенности стандарта DVB-T2.
Практические занятия посвящены изучению процессов обработки данных с сигналов в системе цифрового телевидения стандарта DVB-T: исследование процессов модуляции в стандарте DVB; исследование процессов модуляции в стандарте ATSC; рандомизация пакетов транспортного потока данных; исследование процессов внешнего кодирования и перемежения; моделирование процессов внутреннего кодирования;расчет характеристик цифровых фильтров; моделирование процессов помехоустойчивого кодирования; исследование кодека Рида-Соломона.
Таким образом, на кафедре РТУ и СД принят комплексный подход в организации учебного процесса, сочетающий в себе изучение аналоговой аппаратуры и моделирование процессов цифровой обработки сигналов. При исследовании аналоговых узлов студенты знакомятся с генераторами сигналов, осциллографами, анализаторами спектров, вольтметрами. При изучении цифровых узлов не обойтись без
компьютерных моделей. Однако опыт проведения виртуальных лабораторных работ показал, что студенты, не задумываясь, устанавливают исходные параметры и получают иногда «бессмысленный» результат. Поэтому до выполнения работы студенту предлагается вручную выполнить операцию цифровой обработки.
Например, при изучении цифровых фильтров необходимо получить отклик на единичное воздействие вначале нерекурсивного, а затем рекурсивного фильтров первого и второго порядков. При изучении операции рандомизации моделируются процессы, происходящие в генераторе псевдослучайных последовательностей. При этом коды инициализации различны и определяются, например, номером студента в списке группы. После освоения азов цифровой обработки информации начинается изучение виртуальных моделей.
На кафедре разработаны виртуальные модели элементов цифровых устройств и узлов цифровой обработки сигналов, начиная от простейших моделей логических элементов и заканчивая помехоустойчивым кодированием Рида-Соломона. Рассмотрим, как организованы некоторые работы, связанные с моделированием процессов обработки сигналов в цифровом телевидении.
1. Рандомизация пакетов транспортного потока данных
Цель работы: осуществить моделирование процесса рандомизации в стандарте телевизионного вещания DVB-T [3].
Рандомизация пакетов транспортного потока данных - операция, при которой пакеты транспортного потока данных цифрового вещательного телевидения подвергают
скремблированию. Цель рандомизации - превратить цифровой сигнал в квазислучайный.
Рандомизация осуществляется путем сложения по модулю 2, цифрового потока данных и двоичной псевдослучайной последовательности (ПСП). Генератор последовательности ПСП построен на базе 15-ти разрядного регистра сдвига, охваченного цепью обратной связи (рис. 1). Восстановление исходных данных на приемной стороне осуществляется с помощью такого же генератора ПСП, который инициализируется в начале каждой группы из восьми пакетов адаптированного транспортного потока.
Рис. 1. Генератор последовательности ПСП
Разработана виртуальная модель операции рандомизации. После запуска программы появляется меню (рис. 2).
Рис.2. Меню программы
Программа позволяет изменять как входную последовательность данных, так и начальную установку генераторов ПСП. Студенты для заданного блока данных выполнить операцию
скремблирования/дескремблирования и ответить на контрольные вопросы.
2. Модуляции 16-QAM в стандарте DVB Цель работы: осуществить исследование процессов модуляциив стандарте цифрового телевизионного вещания DVB [3].
На рис. 3 приведена квадратурная схема получения многопозиционной модуляции. На вход формирователя модуляционных символов (ФМС) поступает поток цифровых данных Э. Формирователь разделяет входной поток Э на два цифровых потока I и р. На выходе схемы формируется сигнал, соответствующий М-позиционной квадратурной амплитудной модуляции, которая обозначается как М-С>АМ. На рис. 4 представлена сигнальная диаграмма для модуляции 16-С>АМ.
Рис. 3. Схема модуляции
Рис. 4. Сигнальная диаграмма
Для выполнения работы предлагается программа, которая позволяет строить сигнальные и временные диаграммы модуляции 16-QAMno введенным данным. На рис. 5 представлено окно программы на примере следующего набора входных данных: 1001,1010,0010,0111.
3. Моделирование процессов внутреннего кодирования
Цель работы: провести моделирование процессов внутреннего кодирования в системе цифрового телевизионного вещания ОУВ-Т[3].
На рис. 5 изображены координатная ось, узлы сигнальной диаграммы и векторы символов. Для заданных исходных данных Э на входе устройства студенты должны построить осциллограммы сигналов и сигнальное созвездие.
Внутреннее кодирование в системе ЭУВ-Т основано на сверточном коде. При сверточном кодировании поток данных разбивается на блоки, которые называют «кадрами информационных символов». Обычно кадр включает в себя лишь
_ О—onto _ _ ОчвспЛ? _ _ ОМОРЮ _ _ Оштса И4
QOQE3 EtJUD Qil^BILJ
Рис. 5. Окно программы
несколько битов. Основу кодера представляют собой два цифровых фильтра с конечной импульсной характеристикой, выходные сигналы которых X и У формируются путем сложения по модулю 2 сигналов, снятых с разных точек линии задержки в виде регистра сдвига из шести триггеров. Разработана виртуальная модель внутреннего кодирования, при
Внутреннее коднро
Файл Теория
ВиоднйеДВйЯШ:-
Начальное случайное число-
ГГобйгйа йрйнягь
запуске которой появляется окно, представленное на рис. 6.
Студентам необходимо изучить алгоритм работы кодера, для заданного блока данных выполнить операцию внутреннего кодирования и ответить на контрольные вопросы.
Внутреннее кодирование
Таблица реультатов
Значения регистров
Ш Выход А
»
1
4
5
т
7
%■
Ш-
11 V
и: 04 Щ ж *
■
:
:Э
•/
5
9:
-
8
Э
1Л
11
Рис. 6. Окно программы
4. Исследование кода Рида-Соломона Цель работы: провести исследование работы кода Рида-Соломона, в частности осуществить кодирование/декодирование изображений при наличии в канале связи ошибок.
Коды Рида - Соломона недвоичные циклические коды, позволяющие исправлять ошибки в блоках данных. При операции кодирования информационный полином умножается на порождающий многочлен. Декодер последовательно выполняются следующие действия [4]: вычисляет синдром ошибки; строит полином ошибки и находит
корни данного полинома; определяет характер ошибки и исправляет их.
Разработанная программа содержит шесть вкладок: кодер, канал, декодер, пример использования кодека, теоретические сведения, справка [3]. Приведем пример использования кодека. На рис. 7 представлен процесс кодирования изображения (слева) в виде вертикальных цветных полос. В центре представлено изображение с внесенными в канале связи помехами в виде случайных точек.
Рис. 7. Процесс кодирования
Студентам предлагается изучить методы помехоустойчивого кодирования информации, установив начальные параметры кодера, выполнить операцию кодирование/декодирование изображения
для нескольких вариантов внесенных ошибок, а также определить максимальное количество ошибок, при которых восстановление сообщения невозможно.
Использование программы моделирования в ходе учебного процесса оптимизирует труд преподавателя и повышает эффективность обучения за счет экономии времени на объяснение материала и дает возможность каждому студенту подготовить свой электронный отчет по лабораторным работам и практическим занятиям.
Анализ выполнения лабораторных работ и практических занятий показывает повышенный интерес студентов к решению поставленных задач, что способствует расширению спектра профессиональных компетенций будущего выпускника вуза.
Библиографический список
1. Одинец, А.И. Перспективы внедрения цифрового телевидения. [Текст] /А.И.Одинец, А.Н.Бурдин // В кн.: Динамика систем, механизмов и машин - 2014. - №4. - С. 49-52.
2. Одинец, А.И. Основы цифрового телевидения стандарта DVB - Т. [Текст] /А.И. Одинец, А.Н. Бурдин. // Учебное электронное издание. Номер гос. регистрации 0321201613. - Омск: ОмГТУ, 2012. - 74 с.
3. Одинец, А.И. Основы телевидения. [Текст] /А.И. Одинец. Методические указания к лаб. работам. -Омск: ОмГТУ, 2014. - 76 с.
4. Рахман, П.А. Основы защиты данных от разрушения. Коды Рида - Соломона. [Текст] /П.А.Рахман. -М.:МЭИ, 2007. - 32 с.
References
1. Odinec A.I.Perspektivy vnedreniya tsifrovogo televideniya.[Prospects of introduction of digital television]. V kn: Dinamika system, mekhanizmovimashin, 2014, № 4, pp. 49 - 52.
2. Odinec A.I. Osnovy cifrobogo telebidyniya standarta DVB- T. [Fundamentals of digital television standard DVT - T].Uchebnoe ehlektronnoe posobie. Nomergos. Registracii0321201613. Omsk: OmGTU, 2012, 74 p.
3. Odinec A.I. Osnovy telebidrniya. [Fundamentals of television].Metodicheskieukasaniya k lab. rabotam. -Omsk: OmGTU, 2014, 76p.
4. Rachman P.A. Osnovy zashchity dannykh ot razrusheniya. KodyPida - Solomona. [The basics of data protection from destruction. Reed - SolomonCodes]. - M.:MEI, 2007, 32 p.
ANALYSIS LABORARORY WORKS THE SUBJECT "DIGITAL TV" IN THE TECHNICAL UNIVERSITY
Alexander I. Odinets,
associate Professor, Omsk State Technical University
Ludmila D. Fedorova associate Professor, Omsk State Technical University
Abstract The article discusses the advantages of digital television compared to analogue, namely the possibility of implementing a high-definition television (HDTV), the introduction of interactivity and play services, an increase in the number of television channels. The aim of this work is the presentation of the specific training in disciplines related to the study of digital television in the Omsk state technical University.
The article considers the main competences of the future specialists:he ability to use in practice skills in organizing scientific, research, design works; the ability to understand the basic techniques in the field of radio engineering, to choose methods and means of their solution; ability to operate modern equipment and instruments; ability to organize and conduct experimental studies with the use of modern tools and techniques.
As an example, consider several virtual labs. One of the main highlighted randomization of packets of the transport stream, which is performed using a computer model. Research of processes of multiple modulation in digital television for example method 16-QAM enables students to understand how the increasing speed of information transfer.
The study of methods of noiseproof coding is considered on the examples of modeling of processes of internal coding, as well as to study the reed-Solomon code encoding/decoding of images in the presence of channel errors. Students are encouraged to explore methods of error-correcting coding of information, setting the initial parameters of the encoder to perform the operation encoding/decoding images for several variants of the introduced errors, and to determine the maximum number of errors, in which the recovery of the message impossible.
Thus, the technique of laboratory works and practical studies shows the increased interest of students for problem solving that contributes to extending the range of professional competences in the field of digital television of the future graduates in the direction of «Radio engineering».
Keywords: digital television, randominity, coding, signal, competence, radio engineering, virtual models, digital
filters.
Сведения об авторах:
Одинец Александр Ильич - кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет (644050, г. Омск, пр. Мира, д. 11), e-mail: oai_2001@rambler.ru.
Федорова Людмила Дмитриевна - кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет» (644050, г. Омск, пр. Мира, д. 11), e-mail:dm.90@bk.ru. Статья получена редакцией 23.01.2017.
