CC BY
36
Краткое сообщение
УДК 621 37 004 772 Q Q ГрИЦУТЕНКО
Е. Б. КВИТКОВА Е. И. МАРКОВА
Омский государственный университет путей сообщения
ПЕРЕДАЧА ВИДЕОДАННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ УАМАХ
Современные алгоритмы видеокодирования отличаются производительностями источника. Поэтому актуальной является задача согласования производительности источника и пропускной способности канала. В статье показана возможность использования технологии УАМАХ для передачи видеосигнала.
Ключевые слова: пропускная способность канала, производительность источника, алгоритм видеосжатия, УАМАХ.
В настоящее время передача видеоданных применяется в самых разнообразных технических системах. При проектировании таких систем разработчик решает две противоположные задачи. С одной стороны, он пытается улучшить качество передаваемого изображения, а с другой — должен сокращать объем передаваемой информации с целью удешевления канала, по которому эта информация передается. Таким образом, необходим некий компромисс между качеством системы и ее стоимостью. Целью данной статьи является анализ технических возможностей для передачи видеосигнала по радиоканалу на современном этапе.
Итак, как было указано выше, мы имеем дело с источником информации, в качестве которого обычно выступает видеокамера, и с каналом передачи информации. Сначала рассмотрим источник информации.
У источника информации нас интересует только одна характеристика — производительность [1]. В табл. 1 приведены производительности наиболее часто используемых источников. Очевидно, что в настоящее время нет адекватных технических средств, позволяющих передавать такой поток информации по радиоканалу. Следовательно, необходимо использовать алгоритмы сжатия (или кодеки), которые приводят к некоторой утрате качества изображения, что является неизбежной платой за возможность передачи этого изображения по радиоканалу [2]. В табл. 2 приведены производительности наиболее часто используемых источников, где применяют сжатие информации с потерями.
Кодеки имеют целый спектр характеристик и, в зависимости от решаемой задачи, использование какого-то определенного кодека может быть оптимальным решением в одном случае и не быть оптимальным в другом. Поэтому разработчик обычно выбирает источник информации из таблицы (табл. 1) и применяет к нему кодек, представляющийся ему оптимальным. Очевидно, что разные кодеки сжимают информацию по-разному. Сравнение видеокодеков по степени сжатия было проведено лабораторией компьютерной графики и мультимедиа МГУ в мае 2010 года [3].
Результаты сравнения представлены в процентном соотношении в табл. 3, где в качестве базового использован кодек XviD.
Реализованный по стандарту MPEG-4 кодек XviD имеет различные профили кодирования, определяемые параметрами видео. Степени сжатия для каждого профиля и соответствующие значения произво-дительностей видеоисточника приведены в табл. 4 [3].
Мы рассмотрели источник сообщения. В нашем случае, им является видеокамера с одним из рассмотренных кодеков, используемых для сжатия данных. Теперь перейдем к выбору каналообразующей аппаратуры, которая позволит передавать этот поток информации.
Так как источник видеоданных является дискретным источником сообщения, то, в соответствии с теоремой кодирования Шеннона, сообщения всякого дискретного источника могут быть закодированы сигналами на входе канала и восстановлены по сигналам на выходе канала с вероятностью ошибки, сколь угодно близкой к нулю, если производительность источника не превышает пропускной способности канала. Таким образом, возникает проблема согласования пропускной способности канала и производительности источника[1 ].
Обеспечить заданную скорость передачи данных позволяет технология беспроводного широкополосного доступа на основе WiMax (стандарт IEEE 802.16) [4]. На физическом уровне стандарт предусматривает три различных метода передачи данных — метод модуляции одной несущей, методы модуляции OFDM с 256 несущими и OFDMA с 2048 несущими. В зависимости от ширины канала и вида модуляции формируется широкий набор пропускных способностей канала (табл. 5, 6, 7) [4].
Следует отметить, что стандарт 802.16 поддерживает следующие виды модуляции — BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Двоичная фазовая манипуляция BPSK (Binary Phase Shift Keying) — самый простой вид фазовой модуляции, при которой каждый символнесеттоль-ко 1 бит информации, что обуславливает наименьшую скорость передачи данных. При квадратурной фазовой
Таблица 1
Производительность видеоисточиика без сжатия, Мбит/с
Разрешение кадра, пиксели Частота кадров, кадр/с
30 (24 цветовых бит) 24 (32 цветовых бит) 25 (32 цветовых бит)
1280x1024 900 960 1000
1280x720 633 675 703
720x576 285 304 316
640x480 211 225 234
352x576 139 148,5 155
352x288 69,6 74 77
■ 352x240 58 62 64
320x240 53 56 58,6
176x144 17,4 18,6 19,3
160x120 13 14 14,6
Таблица 2
Производительность видеоисточника после кодирования, Мбит/с
Название кодека Разрешение кадра, пиксели х частота кадров, кадр/с Производительность источника, Мбит/с Коэффициент сжатия
MPEG-1 352x240x30 1,5 38,67
352x288x25 51,33
Н.261 352x288x30 0,04-2 34,8-1740
176x144x30 8,7-435
MPEG-2 Универсальный 3-15 Нет данных
MPEG-3 не принят Телевидение высокой четкости 20-40 Нет д анных
MPEG-4 Универсальный 0,0048-20 Нет данных
Таблица 3
Производительность разных кодеков относительно ХлгШ _в процентном отношении_
Название кодека Степень сжатия
х264 60%
MainConcept AVC/H.264 Video Encoder Console Application 72%
DivX AVC/H.264 Video Encoder 75%
Intel® MediaSDK AVC/H.264 transcoder sample appication 84%
Elecard AVC Video Encoder 8-bit edition 86%
XviD raw mpeg4 bitstream encoder 100%
Theora encoder 122%
манипуляции OPSK (Quadrature Phase Shift Keying) на символ приходится уже два бита информации, в связи с чем возрастает скорость передачи данных. Квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation) позволяет передавать 4 бита информации при 16-уровневой и 6 бит при 64-уровневой модуляции, что обеспечивает высокую скорость потока данных.
Следует отметить, что не все рассмотренные схемы модуляции следует применять для передачи видеоданных в силу определенных причин. Схема ВРБКне обеспечивает требуемое значение скорости
передачи данных ввиду малого значения пропускной способности и используется в основном для модуляции пилотных несущих. В свою очередь, О РБК при определенной полосе канала обеспечивает заявленную скорость передачи данных и может быть использована для передачи видеоданных с производительностью источника, не превышающей, в соответствии с теоремой кодирования, пропускную способность при данной схеме модуляции на основе рассматриваемого стандарта. В свою очередь, ОАМ-модуляция характеризуется повышенной скоростью передачи данных и позволяет обеспечить требуемое значение
Таблица 4
Профили и производительность кодека XvlD
Название профиля Разрешение кадра, пиксели х частота кадров, кадр/с Производительность без сжатия, Мбит/с Производительность после сжатия, Мбит/с Коэффициент сжатия
0,1 176x144x15 11,602 0,060 193,37
Простой 2 352x288x15 46,406 0,125 371,25
3 352x288x15 46,406 0,375 123,75
0,1 176x144x30 23,203 0,125 185,6
Расширенный простой 2 352x288x15 46,406 0,375 123,75
3 352x288x30 92,813 0,750 123,75
' 4 352x576x30 185,625 2,930 63,35
5 720x576x30 379,688 7,813 48,6
Карманный 176x144x15 11,602 0,525 22,1
Портативный NTSC 352x240x30 77,344 4,740 16,34
DivX Портативный PAL 352x288x25 77,344 4,740 16,32
Домашний кинотеатр NTSC 720x480x30 316,406 4,740 66,75
Домашний кинотеатр PAL 720x576x25 316,406 4,740 66,75
HDTV 1280x720x30 843,750 9,481 89,00
Таблица 5 Пропускная способность в режиме модуляции одной несущей, Мбит/с
Ширина канала, МГц Пропускная способность, Мбит/с
QPSK 16QAM 64QAM
20 32 64 96
25 40 80 120
28 44,8 89,6 134,4
Талица 7
Пропускная способность в режиме OFDMA, Мбнт/с
Скорость кодирования 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4
Ширина канала, МГц тд QPSK 16-QAM 64-QAM
6 МГц (MMDS) 1/32 4,99 7,48 9,97 14,96 19,95 22,44
1/16 4,84 7,26 9,68 14,52 19,36 21,78
1/8 4,57 6,86 9,14 13,71 18,29 20,57
1/4 4,11 6,17 8,23 12,34 16,46 18,51
7 МГц (ETSI) 1/32 5,82 8,73 11,64 17,45 23,27 26,18
1/16 5,65 8,47 11,29 16,94 22,59 25,41
1/8 5,33 8,00 10,67 16,00 21,33 24,00
1/4 4,80 7,20 9,60 14,40 19,20 21,60
Таблица 6
Пропускная способность в режиме OFDM, Мбит/с
Скорость кодирования 1/2 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4
Ширина канала, МГц тд BPSK QPSK 16-QAM 64-QAM
6 МГц (MMDS) 1/32 2,50 5,00 7,51 10,01 15,01 20,01 22,52
1/16 2,43 4,86 7,28 9,71 14,57 19,43 21,85
1/8 2,29 4,59 6,88 9,17 13,76 18,35 20,64
1/4 2,06 4,13 6,19 8,26 12,38 16,51 18,58
7 МГц (ETSI) 1/32 2,92 5,82 8,73 11,64 17,45 23,27 26,18
1/16 2,82 5,65 8,47 11,29 16,94 22,59 25,41
1/8 2,67 5,33 8,00 10,67 16,00 21,33 24,00
1/4 2,40 4,80 7,20 9,60 14,40 19,20 21,60
20 МГц (U-NII) 1/16 8,13 16,26 24,40 32,53 48,79 65,05 73,19
1/8 7,68 15,36 23,04 30,72 46,08 61,44 69,12
1/4 6,91 13,82 20,74 27,65 41,47 55,30 62,21
Тд — длительность символа в долях от
защитного интервала передаваемого длительности его полезной части
Тд — длительность защитного интервала передаваемого символа в долях от длительности его полезной части
скорости передачи данных, однако, большое число уровней амплитуды сигнала на констелляционной диаграмме повышает вероятность неразличимости двух уровней, расположенных близко друг к другу,
и как следствие — повышает чувствительность системы к шуму. Таким образом, для высокоуровневой QAM-модуляции характерны ошибки демодуляции, что выражается в повышенном требовании к параметру SNR (Signal to Noise Ratio — отношение сигнал/шум).
Таким образом, так как нижняя граница заявленной пропускной способности составляет 9,5 Мбит/с, то для передачи данных может быть рекомендован OFDM режим с характерной шириной канала 20 МГц и модуляцией QPSK, обеспечивающей необходимую скорость передачи данных.
Библиографический список
1. Финк,Л.М.Теорияпереддчидискрегныхсообщений[Тексг] / Л. М. Финк. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Советское радио, 1970.- 728 с.
2. Ватолин, Д. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео [Текст]: учеб.-справоч. пособие / Д. Ватолин, А. Ратушняк, М. Смирнов, В. Юкин. — М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 384 с. - ISBN 5-86404-170-х
3. Dr. Dmitriy Vatolin, Dr. Dmitriy Kulikov, Alexander Parshin. MPEG-4 AVC/H.264 Video Codecs Comparison [Электронный ресурс] / Все о сжатии. — Электрон, текстовые дан. — М.:сотр-ression.ru/, 2002. — Режим доступа: http://compression.ru/video/ codec_comparison/h264_2010 (дата обращения: 21.01.11).
Книжная полка
4. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, 2004.
ГРИЦУТЕНКО Станислав Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы передачи информации».
КВИТКОВА Елена Борисовна, аспирантка кафедры «Системы передачи информации». МАРКОВА Елена Игоревна, аспирантка кафедры «Автоматика и системы управления».
Адрес для переписки: e-mail: e-kvitka@mail.ru
Статья поступила в редакцию 17.03.2011 г. © С. С. Грицутенко, Е. Б. Квиткова, Е. И. Маркова
УДК 621.37/39/Ш71
Шмаков, С. Б. Энциклопедия радиолюбителя. Современная элементная база [Текст] / С. Б. Шмаков. - СПб.: Наука и техника, 2010. - 382 с. - ISBN 978-5-94387-830-5.
Справочник обобщает сведения по современной элементарной базе, которую используют радиолюбители в своем творчестве или при ремонте бытовой аппаратуры. Электронные компоненты рассматриваются в систематизированных разделах: характеристики, принцип действия, цветовая и кодовая маркировка, обозначения в схемах, рекомендуемые аналоги.
Денисенко, А. Н. Сигналы. Теоретическая радиотехника : справочное пособие / А. Н. Денисенко. - М.: Горячая линия-Телеком , 2005. - 704 с. - ISBN 5-93517-214-3.
В сжатой, приемлемой для инженерной и исследовательской практики форме обобщены и достаточно полно изложены методы анализа детерминированных сигналов (часть 1) и случайных сигналов и шумов (часть 2), используемые в теоретической радиотехнике. В каждом разделе теоретическая часть заканчивается расчетными выражениями и примерами расчета по ним. Для инженеров и исследователей, работающих в области радиотехники, преподавателей, студентов старших курсов радиотехнических факультетов вузов, аспирантов.
Шахтарин, Б. И. Случайные процессы в радиотехнике: учебное пособие / Б. И. Шахтарин. - М.: Горячая линия-Телеком, 2010. - 520 с. - ISBN 978-5-9912-0154-4.
Излагаются основы статистической радиотехники. Приводятся данные по различным случайным процессам, их воздействию на линейные радиотехнические устройства. Представлены специальные случайные процессы АР(р), CC(q), APCC(p,q). Рассмотрены оптимальные фильтры случайных сигналов и помех (согласованный, фильтры Винера, Калмана), а также основы нелинейной оптимальной фильтрации Стратоновича, включая расширенные фильтры Калмана. Анализ и синтез фильтров проводится для непрерывных и дискретных процессов и систем. Книга содержит много примеров. Для студентов старших курсов, обучающихся по радиотехническим специальностям, и аспирантов. Может быть полезна преподавателям, читающим соответствующие курсы.
Ерофеев, А. А. Теория автоматического управления: учебник для вузов/A.A. Ерофеев. - М.: Политехника, 2008. - 302 с. - ISBN 978-5-7325-0903-8.
Учебник соответствует программе курса лекций по теории автоматического управления для бакалавров. Содержит основные идеи и представления о классической и современной теории управления. Отражен образовательный стандарт курса в рамках концепции «модели—анализ—синтез». Изложение доведено до алгоритмических процедур и охватывает в едином плане теорию управления с ориентацией на многомерность — теорию всех типов систем (непрерывных, дискретных, в том числе и особых).-Учебник предназначен для студентов вузов, а также может быть полезен для инженеров и аспирантов.
Каганов, В. И. Радиотехника: учебное пособие / В. И. Каганов. - М. ¡Academia, 2006. - 352 с. - ISBN 5-7695-2271-2.
Изложены принципы функционирования систем радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, радиоуправления, телевидения. Рассмотрены основы работы электронных приборов, радиопередатчиков, радиоприемников и СВЧ устройств. Приведены сведения из истории радиотехники, рассказано об ученых, изобретателях и инженерах, внесших наиболее весомый вклад в развитие этой науки. Для студентов средних профессиональных учебных заведений. Может быть полезно широкому кругу читателей.
