Настоящая книга посвящена теоретическим проблемам и практической реализации метрологического обеспечения современных видеоинформационных систем, включая оценку параметров и качественных показателей оборудования формирования, передачи и приема видеоинформации. Данная монография является продолжением темы, рассмотренной авторами в книге «Цифровые видеоинформационные системы. Теория и практика» (ТЕХНОСФЕРА, 2012 г.). Книга состоит из 13 глав.
Первая глава посвящена основным вопросам метрологического обеспечения и особенностям измерений и контроля в видеоинформационных системах. Во второй главе рассмотрены аналоговые системы формирования и передачи видеоинформации. В третьей главе анализируются параметры систем цифрового вещательного телевидения, используемых в России. В четвертой главе рассмотрены методы синтеза измерительных сигналов для оценки как аналоговых, так и цифровых систем передачи видеоинформации. Пятая глава посвящена вопросам повышения точности обработки измерительных сигналов при оценке параметров видеоинформационных систем. В шестой главе представлены классические и новые оконные функции для гармонического анализа сигналов. В седьмой главе рассмотрены основные интерфейсы, используемые в цифровых видеоинформационных системах. Восьмая глава посвящена вопросам оценки искажений в цифро-аналоговых видеоинформационных системах. В девятой и десятой главах подробно изложены методы измерений в системах цифрового вещания DVB первого и второго поколений соответственно. Одиннадцатая глава рассматривает проблемы психоакустики и методы перцептуальной оценки качества звуковых сигналов. В двенадцатой главе приведено описание параметров и метрологии отечественной системы цифрового наземного мультимедийного вещания РАВИС. Тринадцатая глава предоставляет информацию о практической реализации контроля и измерений в цифровых видеоинформационных системах.
Книга адресована магистрам, инженерам и аспирантам телекоммуникационной отрасли, работающим в области разработки и эксплуатации видеоинформационных систем и сетей.

Введение	14
Глава 1. Основные понятия об измерениях и контроле в видеоинформационных системах	26
1.1. Метрологическое обеспечение и специфические особенности измерений и контроля в видеоинформационных системах	26
1.1.1. Виды искажений измерительных сигналов	28
1.1.2. Критерии оценки искажений измерительных сигналов	30
1.2. Краткие сведения о погрешностях измерений и контроля	31
1.2.1. Закономерности проявления погрешностей	33
1.2.2. Оценки точностных характеристик средств измерений	36
1.2.3. Использование порядковых статистик в анализе результатов измерений	44
1.2.4. Использование цикличности измерения параметров сигналов	48
Литература к главе 1	50
Глава 2. Форматы изображений, системы формирования и передачи аналоговой видеоинформации	54
2.1. Форматы изображений. Объем информации изображений при цифровой дискретизации изображений	54
2.2. Объем информации в стандартных системах аналогового телевизионного вещания	56
2.2.1. Видеосигналы монохромного телевидения	56
2.2.2. Цветное телевидение	59
2.2.3. Видеосигналы системы NTSC	62
2.2.4. Видеосигналы системы PAL	66
2.2.5. Видеосигналы системы SECAM	69
2.2.6. Основные параметры полного цветового ТВ-сигнала на радиочастоте	74
2.2.7. Уменьшение объема информации при преобразовании составляющих ТВ-сигналов в цифровую форму	82
2.2.8. Качественные показатели телевизионных изображений	84
Литература к главе 2	87
Глава 3. Кодирование видеоинформации и системы цифрового вещательного телевидения	90
3.1. Стандарты кодирования динамических изображений	90
3.2. H.264/AVC - улучшенное видеокодирование	94
3.3. H.265/HEVC - высокоэффективное видеокодирование	122
3.4. Мультиплексирование цифровых потоков в системах цифрового телевидения	135
3.4.1. Транспортный поток MPEG-2	136
3.4.2. Программный поток MPEG-2	143
3.4.3. Обобщенный инкапсулированный поток (GSE)	146
3.5. Стандарты цифрового телевизионного вещания	150
3.6. Системы цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T/DVB-T2	152
3.6.1. Система наземного цифрового телевизионного вещания DVB-T	152
3.6.2. Стандарт усовершенствованной системы наземного цифрового телевизионного вещания DVB-T2	163
3.7. Cистемы цифрового спутникового телевизионного вещания DVB-S/DVB-S2	201
3.7.1. Стандарт системы цифрового спутникового телевизионного вещания DVB-S	202
3.7.2. Стандарт высокоскоростного цифрового спутникового телевизионного вещания DVB-S2	205
3.8. Cистемы цифрового кабельного телевизионного вещания DVB-C/DVB-C2	213
3.8.1. Стандарт системы цифрового кабельного телевидения DVB-C	214
3.8.2. Стандарт системы высокоскоростного цифрового кабельного телевидения DVB-С2	216
Литература к главе 3	226
Глава 4. Синтез измерительных сигналов для оценки аналоговых и цифровых видеоинформационных систем	230
4.1. Стандартные измерительные сигналы для аналоговых систем ТВ-вещания	231
4.1.1. Элементы измерительных сигналов и их параметры	231
4.1.2. Периодические измерительные сигналы	236
4.1.3. Сигналы испытательных строк	236
4.2. Системные искажения стандартных измерительных сигналов	239
4.2.1. Системные искажения сигналов для измерения импульсных характеристик	239
4.2.2. Системные искажения сигналов для измерения переходных характеристик	241
4.2.3. Системные искажения сигналов для измерения частотных характеристик	243
4.3. Критерии оптимальности измерительных сигналов для оценки каналов аналоговой и цифровой передачи видеоинформации	245
4.3.1. Критерии оптимальности измерительных сигналов для оценки импульсных характеристик	246
4.3.2. Критерии оптимальности измерительных сигналов для оценки переходных характеристик	248
4.4. Синтез оптимальных измерительных сигналов для оценки каналов аналоговых и цифровых видеоинформационных систем	249
4.4.1. Синтез оптимальных сигналов для оценки импульсных характеристик	249
4.4.2. Синтез оптимальных сигналов для оценки переходных характеристик	253
4.4.3. Синтез оптимальных сигналов для оценки частотных характеристик	255
4.5. Синтез измерительных сигналов, форма которых совпадает с огибающей их спектра	257
4.5.1. Сигналы для одновременного измерения импульсных и частотных характеристик	257
4.5.2. Искажения сигналов, форма которых совпадает с огибающей их спектра	260
4.6. Синтез измерительных сигналов для оценки эхо-радиосигналов	262
4.6.1. Использование практически финитных по спектру и времени измерительных сигналов	262
4.6.2. Измерительные сигналы для анализа ближних эхо-сигналов	266
4.7. Искажения измерительных сигналов в системах с частичным подавлением одной боковой полосы	269
4.7.1. Искажения измерительного импульсного сигнала B1	272
4.7.2. Искажения сигналов для измерения переходных характеристик B2	273
4.7.3. Искажения сигналов F для измерения РУ и РВ	276
4.7.4. Искажения серий синусоидальных колебаний С2	278
4.7.5. Искажения сигналов D2 для оценки дифференциальных характеристик	279
Литература к главе 4	280
Глава 5. Алгоритмы обработки измерительных сигналов при оценке параметров видеоинформационных систем	283
5.1. Алгоритмы анализа стандартных измерительных сигналов для аналоговых систем ТВ-вещания	283
5.2. Дискретная и непрерывная оптимальная фильтрация постоянных уровней видеоимпульсов	290
5.2.1. Условия оптимальной линейной фильтрации помехи	290
5.2.2. Зависимости оптимального уменьшения дисперсии помехи от величины интервала обработки сигнала	296
5.2.3. Реализация специальных сигналов, обеспечивающих повышение точности оценки уровней	297
5.3. Цифровая обработка быстроизменяющихся процессов	300
5.3.1. Активные методы поиска экстремумов	301
5.3.2. Поиск экстремумов с применением методов стохастической аппроксимации	304
5.3.3. Поиск экстремумов с применением методов цифровой фильтрации	306
5.3.4. Поиск переходов сигнала через заданный потенциальный уровень	311
5.4. Использование порядковых статистик и критериев сравнения оценок при обработке результатов измерений	313
5.5. Алгоритмы обработки измерительных сигналов и результатов измерений	314
5.5.1. Особенности измерения размахов синусоидальных колебаний	316
5.5.2. Специфика анализа импульсных характеристик	318
5.6. Алгоритмы оценки параметров помех	319
5.6.1. Методы одновременн?ой оценки параметров флуктуационных и синусоидальных помех	323
5.6.2. Особенности оценки частот синусоидальных помех по дискретным выборкам	325
5.7. Цифровые методы оценки флуктуационных помех в сигналах динамического изображения	328
5.7.1. Дискретное преобразование сигнала подвижного изображения	331
5.7.2. Линейная фильтрация флуктуационной помехи в динамическом изображении	333
5.7.3. Повышение эффективности анализа флуктуационных помех с применением нелинейных методов цифровой обработки	336
Литература к главе 5	338
Глава 6. Анализ спектров сигналов с использованием оконных функций	342
6.1. Основные параметры оконных функций	345
6.1.1. Эквивалентная шумовая полоса	345
6.1.2. Усиление преобразования	346
6.1.3. Корреляция перекрывающихся участков	347
6.1.4. Паразитная амплитудная модуляция спектра	348
6.1.5. Максимальные потери преобразования	349
6.1.6. Просачивание спектральных составляющих	349
6.1.7. Минимальная разрешаемая полоса	349
6.1.8. Относительная разность шумовой полосы оконной функции и ее полосы по уровню 3 дБ	350
6.1.9. Максимальный уровень боковых лепестков	350
6.1.10. Скорость спада боковых лепестков	351
6.2. Классические оконные функции	351
6.2.1. Прямоугольная и треугольная оконные функции	352
6.2.2. Оконные функции Хеннинга	353
6.2.3. Оконные функции Хемминга, Блэкмаха, Блэкмана–Херриса	355
6.2.4. Оконные функции Наталла, Блэкмана–Наталла, Бартлетта–Ханна, окно с плоской вершиной	357
6.3. Оконные функции, сконструированные различными авторами	359
6.3.1. Оконные функции Рисса, Римана, Валле–Пуссена	360
6.3.2. Оконные функции Тьюки	361
6.3.3. Оконные функции Бомана и Пуассона	363
6.3.4. Оконные функции Хеннинга–Пуассона, Коши и Гаусса	364
6.3.5. Оконные функции Кайзера–Бесселя	366
6.4. Оконные функции Дольфа–Чебышева и Барсилона–Темеша и их модификации	368
6.4.1. Равноволновые окна Дольфа–Чебышева и их модификации	368
6.4.2. Окна Барсилона–Темеша и их модификации	379
6.5. Оконные функции Кравченко	385
6.6. Принципы синтеза высокоэффективных оконных функций	388
6.6.1. Алгоритм минимизации спектральных составляющих оконной функции вне пределов заданного интервала	389
6.6.2. Алгоритм минимизации различий формы и спектра оконной функции	392
6.6.3. Алгоритмы максимизации спада уровней боковых лепестков спектра оконной функции	398
6.6.4. Формирование окон путем перемножения оконных функций или возведения в степень их спектров	406
6.7. Выбор оконных функций при цифровой обработке сигналов	409
Литература к главе 6	411
Глава 7. Интерфейсы в цифровых видеоинформационных системах. Основные параметры и методы их измерения	413
7.1. Синхронный параллельный интерфейс SPI	413
7.1.1. Параллельный интерфейс при цифровом преобразовании компонентного сигнала	415
7.1.2. Параллельный интерфейс при цифровом преобразовании композитного сигнала	417
7.2. Цифровой последовательный интерфейс SDI	419
7.2.1. Синхронный последовательный интерфейс	422
7.2.2. Асинхронный последовательный интерфейс	424
7.3. Высокоскоростной цифровой последовательный интерфейс IEEE-1394	429
7.4. Основные виды искажений цифровых сигналов. Джиттер	433
7.5. Методы анализа и измерения джиттера	436
7.5.1. Глазковая диаграмма	436
7.5.2. U-образная кривая и ее экстраполяция	439
7.5.3. Гистограммы распределения набора значений параметров глазковой диаграммы	441
7.5.4. Измерение частотных характеристик джиттера	442
7.5.5. Контур вероятности распределения BER	443
Литература к главе 7	445
Глава 8. Измерения искажений сигналов и изображений в цифроаналоговых видеоинформационных системах	448
8.1. Классификация характерных искажений аналого-цифровых систем формирования и передачи сигналов изображения	449
8.2. Тестовые видеопоследовательности для анализа искажений при MPEG-подобном кодировании	457
8.3. Испытательные таблицы для анализа искажений в аналого-цифровых каналах	463
8.4. Анализ параметров цифрового транспортного потока MPEG-2	471
8.4.1. Семантика полей заголовка транспортного пакета и их анализ	471
8.4.2. Семантика полей поля адаптации ТП и их анализ	475
8.4.3. Перечень параметров анализа транспортного потока MPEG-2	477
8.4.4. Номенклатура анализируемых параметров в сетях передачи транспортного потока MPEG-2	484
8.5. Визуализация параметров кодирования видеоинформации в соответствии со страндартами H.264/AVC и H.265/HEVC	484
Литература к главе 8	491
Глава 9. Измерения в цифровых системах DVB первого поколения	494
9.1. Перечень параметров, измеряемых в каналах систем спутникового, кабельного и наземного ТВ-вещания	495
9.1.1. Общие параметры спутниковых и кабельных сред передачи	495
9.1.2. Специфические параметры спутниковых и кабельных сред передачи	496
9.2. Определение общих параметров для спутниковых и кабельных сред передачи	499
9.2.1. Работоспособность системы	499
9.2.2. Наличие локальной связи	499
9.2.3. BER до декодера Рида–Соломона	500
9.2.4. Запись протокола ошибок	501
9.2.5. Точность таймера символов передатчика и величина его джиттера	502
9.2.6. Мощность сигнала РЧ/ПЧ	502
9.2.7. Мощность шума	503
9.2.8. Подсчет битовых ошибок после декодирования Рида–Соломона	505
9.2.9. Анализ сигналов I и Q	505
9.2.10. Интерференция	512
9.3. Определение дополнительных параметров для спутниковых сред передачи	513
9.3.1. BER до декодирования Витерби	513
9.3.2. Получение зависимости BER от отношения Eb/N0	514
9.3.3. Спектр ПЧ	515
9.4. Определение дополнительных параметров для кабельных сред передачи	516
9.4.1. Допустимый уровень шума	516
9.4.2. Оценка допустимого уровня шума	517
9.4.3. Пороговый тест качества сигнала	517
9.4.4. Уровень шума, эквивалентный ухудшению	520
9.4.5. Зависимость BER от отношения Eb/N0	521
9.4.6. Фазовый шум несущей РЧ	522
9.4.7. Амплитудная, фазовая и импульсная характеристики канала	523
9.4.8. Излучения вне полосы	523
9.5. Определение параметров для наземных сред передачи	524
9.5.1. Точность РЧ	524
9.5.2. Избирательность	524
9.5.3. Рабочая область АПЧ	524
9.5.4. Фазовый шум внутренних генераторов	525
9.5.5. Мощность сигнала РЧ/ПЧ	526
9.5.6. Мощность шума	527
9.5.7. Спектр РЧ и ПЧ	528
9.5.8. Диапазон избирательности / динамический диапазон приемника для гауссова канала	528
9.5.9. Уровень шума, эквивалентный ухудшению	529
9.5.10. Определение параметров линейности (подавление выброса)	529
9.5.11. Эффективная мощность	530
9.5.12. Когерентная интерференционная помеха	530
9.5.13. Зависимость BER от отношения C/N при изменении мощности передатчика	531
9.5.14. Зависимость BER от отношения C/N при изменении мощности гауссова шума	531
9.5.15. BER до (внутреннего) декодера Витерби	532
9.5.16. BER до (внешнего) декодера Рида–Соломона	532
9.5.17. BER после (внешнего) декодера Рида–Соломона	533
9.5.18. Анализ сигналов I и Q	533
9.5.19. Общая задержка сигнала	534
Литература к главе 9	535
Глава 10. Измерения в цифровых системах DVB второго поколения	537
10.1. Перечень параметров информационных пакетов T2-MI, измеряемых в каналах системы наземного ТВ-вещания второго поколения	537
10.1.1. Контроль синтаксиса пакетов T2-MI	539
10.1.2. Проверка пакетов информации модулятора T2-MI	541
10.1.3. Проверка связности сигнальной информации T2-MI	542
10.1.4. Измерения на транспортном уровне T2-MI	542
10.2. Перечень параметров, измеряемых в каналах системы наземного ТВ-вещания второго поколения	546
10.2.1. Измерения в радиочастотном диапазоне	549
10.2.2. Избирательность	549
10.2.3. Рабочая область АПЧ	550
10.2.4. Фазовый шум внутренних генераторов	550
10.2.5. Мощность сигнала РЧ/ПЧ	550
10.2.6. Отношение мощностей в режиме MISO	551
10.2.7. Мощность шума	551
10.2.8. Спектр РЧ и ПЧ	551
10.2.9. Избирательность приемника / динамический диапазон гауссова канала	551
10.2.10. Определение параметров линейности - подавление вне полосы	552
10.2.11. Эффективная мощность	552
10.2.12. Эффективность PAPR	552
10.2.13. Коэффициент ошибок символа P1	553
10.2.14. BER перед (внутренним) декодером LDPC-кода	553
10.2.15. Количество итераций LDPC-кода	554
10.2.16. BER перед (внешним) декодером BCH-кода	554
10.2.17. Коэффициент ошибок в BB-кадрах	554
10.2.18. Доля секундных интервалов, содержащих ошибки	554
10.2.19. Анализ сигналов I и Q	555
10.2.20. Синхронизация одночастотной сети	558
10.2.21. Ошибка сигнализации L1	559
10.2.22. Среднеквадратичный разброс случайных задержек	559
10.2.23. Максимальная избыточная задержка	559
10.2.24. Тест проверки соответствия модели буфера приемника	560
10.2.25. Относительный уровень мощности на протяжении фрагмента FEF, не относящегося к символу P1	560
10.3. Перечень параметров, измеряемых в каналах системы кабельного телевизионного вещания второго поколения	560
10.3.1. Измерения в радиочастотном диапазоне	562
10.3.2. Рабочая область АПЧ	563
10.3.3. Фазовый шум внутренних генераторов	563
10.3.4. Мощность сигнала РЧ/ПЧ	564
10.3.5. Мощность шума	564
10.3.6. Спектр РЧ и ПЧ	564
10.3.7. Чувствительность приемника / динамический диапазон для гауссова канала	564
10.3.8. Характеристика линейности / подавление выброса	565
10.3.9. BER перед (внутренним) декодером LDPC	565
10.3.10. Количество итераций декодера LDPC	565
10.3.11. BER перед (внешним) декодером BCH	566
10.3.12. Коэффициент ошибок в кадрах	566
10.3.13. Анализ сигналов I и Q	566
10.3.14. Ошибка сигнализации L1	567
10.3.15. Тест проверки соответствия модели буфера приемника	568
10.4. Перечень параметров, измеряемых в каналах системы спутникового телевизионного вещания второго поколения	568
Литература к главе 10	569
Глава 11. Методы оценки качества кодирования звуковой информации	571
11.1. Основные проблемы психоакустики	573
11.1.1. Абсолютный порог слышимости	573
11.1.2. Критические полосы	574
11.1.3. Частотное (одновременное) маскирование	576
11.1.4. Временн?ое (неодновременное) маскирование	577
11.1.5. Кривые равной громкости, фоны, соны	578
11.2. Персептивная оценка качества звука PEAQ	580
11.2.1. Психоакустическая модель FFT based	583
11.2.2. Психоакустическая модель Filter Bank based	589
11.2.3. Предварительная обработка энергий возбуждения	595
11.2.4. Вычисление параметров MOV	601
11.2.5. Громкость искажений	603
11.2.6. Ширина полосы	606
11.2.7. Отношение шум/маска	607
11.2.8. Вероятность обнаружения	608
11.2.9. Структура ошибочных гармоник	611
11.3. Когнитивная модель	612
11.4. Проблемы совершенствования систем оценки качества кодеров звука	615
11.4.1. Психоакустическая модель	615
11.4.2. Когнитивная модель	616
11.4.3. Мультиканальные метрики	619
11.5. Выравнивание по времени исходного и тестируемого сигналов	620
11.5.1. Методы выделения постоянной задержки в линейных системах	621
11.5.2. Методы выделения переменной задержки	624
11.5.3. Новый метод выделения постоянной задержки	625
11.5.4. Принцип экспериментальных исследований	629
Литература к главе 11	632
Глава 12. Система РАВИС и ее метрологическое обеспечение	636
12.1. Основные требования к разработке системы	636
12.2. Компоненты аудиовизуальной информационной системы	639
12.2.1. Кодер источника	639
12.2.2. Передатчик	642
12.2.3. Приемник	656
12.3. Эффективность аудиовизуальной информационной системы РАВИС	659
12.4. Результаты натурных испытаний и разработки аппаратуры системы РАВИС	665
12.5. Метрологическое обеспечение системы РАВИС	669
12.5.1. Технические требования к основным параметрам системы РАВИС	672
12.5.2. Условия и оборудование для измерений и испытаний передающей и приемной аппаратуры системы РАВИС	673
12.5.3. Измерения основных параметров системы РАВИС	674
12.5.4. Примеры измерений параметров системы РАВИС в радиочастотном диапазоне	698
Литература к главе 12	707
Глава 13. Практическая реализация аппаратуры измерения характеристик и параметров аналоговых и цифровых видеоинформационных систем	712
13.1. Обзор современных средств измерений для решения задач метрологии формирования, передачи и воспроизведения изображений	712
13.1.1. Формирователи видеоинформационных ИС и ИТ	712
13.1.2. Измерители искажений ТВИС и ЦИС	713
13.1.3. Средства оценки качества изображений	714
13.1.4. Средства анализа ошибок в цифровых ТП	715
13.1.5. Средства контроля процесса воспроизведения видеоданных	716
13.2. Комплексы измерительные телевизионные КИ-ТВМ и КИ-ТВМ-Э	717
13.2.1. Формирование измерительных сигналов и измерение параметров аналогового и аналого-цифрового телевидения	718
13.2.2. Измерение параметров радиосигналов аналоговых и цифровых систем	724
13.2.3. Анализ параметров транспортного потока сигналов цифрового телевидения	728
13.2.4. Формирование измерительных сигналов и анализ параметров сигналов звукового сопровождения	733
13.3. Комплекс измерительный цифрового телевидения КИ-ЦВТ	738
13.3.1. Генератор сигналов SDI	738
13.3.2. Анализатор сигналов SDI	740
13.3.3. Генератор сигналов ASI	741
13.3.4. Анализатор сигналов ASI	742
13.3.5. Анализатор формы сигналов SDI	743
13.4. Комплекс измерительный аудиовизуальной информационной системы КИ-ТВМ-РАВИС	746
13.5. Методы калибровки и поверки измерительных приборов	749
13.5.1. Комплекс измерительный телевизионный КИ-ТВМ-Э	749
13.5.2. Комплекс измерительный телевизионный КИ-ТВМ	757
13.5.3. Комплекс измерительный телевизионный КИ-ЦВТ	757
13.5.4. Комплекс измерительный телевизионный КИ-TBM-PAВИС	760
Литература к главе 13	762