Problem zachowania właściwych parametrów toru wizyjnego był bardzo istotny od początku powstania telewizji. Metody pomiarowe oraz przyrządy opracowywane od ponad 40 lat umożliwiają przeprowadzenie bardzo dokładnych pomiarów sygnału; dotyczy to jednak sygnałów analogowych. Obecnie w okresie coraz szerszego i częstszego stosowania techniki cyfrowej, całkowicie różnej od techniki analogowej, trzeba poszukiwać nowych metod i nowych przyrządów.

Przy transmisji cyfrowej przez tor przesyłowy w jednym cyfrowym strumieniu transportowym mogą być przekazywane sygnały kilku programów telewizyjnych. Każdy z nich zawiera cyfrowy skompresowany sygnał wizyjny, cyfrowe skompresowane sygnały foniczne, napisy i inne dane cyfrowe. Taka struktura przesyłanego sygnału jest zgodna z wymaganiami obowiązującej specyfikacji DYB. Pojawił się jednak problem, jak zapewnić kontrolę jakości przekazu takiego sygnału w całym torze przesyłowym. Chodzi bowiem o to. aby mógł być on prawidłowo zdekodowany w różnego typu odbiornikach cyfrowych. Ponadto - jak udowodnić sobie i innym, że przesyłany sygnał ma wymaganą jakość?

Aby uporać się z tymi problemami, wiele firm, szczególnie tych, które zajmowały się analogową techniką pomiarową, opracowuje specjalne generatory i przyrządy pomiarowe dla techniki cyfrowej.

Tablica testowa w TV cyfrowej

Jak powszechnie wiadomo, w świecie analogowym tablica testowa jest przesyłana i odbierana na odbiornikach domowych w mniej lub bardziej nienaruszonym stanie. Za jej pomocą, obserwując obraz na ekranie i słuchając dźwięku towarzyszącego, można do-stroić i wyregulować najlepszy odbiór wizji i dźwięku. Należy zaznaczyć, że choć wzrost zakłóceń i zniekształceń sygnału w torze wizyjnym manifestuje się na ekranie odbiornika coraz to większym pogorszeniem jakości obrazu, to jednak obraz zawsze istnieje.

W świecie cyfrowym sytuacja wygląda odmiennie. Przekaz cyfrowy charakteryzuje się tym, że nawet jeśli błędy występują w torze przesyłowym, to mogą być one skorygowane i obraz jest dobry aż do momentu, gdy błędy te staną się zbyt duże, aby je ukryć lub skorygować. Wtedy przekaz zostaje gwałtownie zerwany, obraz znika, występuje tzw. efekt brzegowy (cliff-edge). Może to być spowodowane nawet minimalnym spadkiem poziomu sygnału, rzędu ułamka decybela, jak również zmianą, która mogła powstać w sposób przypadkowy lub rozmyślny w którejś ze składowych zmultipleksowanego sygnału. Ponieważ w odbiornikach domowych stosuje się różne wykonania dekoderów, ten fatalny efekt może wystąpić tylko w niektórych z nich.-bądź we wszystkich.

W związku z tym wymagania dotyczące cyfrowej tablicy testowej są znacznie bardziej złożone niż dotyczące tablicy analogowej, ale podstawowy wymóg pozostaje ten sam - łatwość posługiwania się nią i jej użytkowania. Wymagania dotyczące takiej tablicy oraz samą tablicę testową o nazwie Test Card M opracowała firma Snęli & Wilcox przy współpracy BBC, ITVA, Channel 4 i TTC.

• Idea tablicy testowej jest powszechnie znana. Jest to obraz, jaki można oglądać na ekranie odbiornika, charakteryzujący się szeregiem cech, które umożliwiają zestrojenie odbiornika i świadczą o jakości otrzymywanego sygnału. Dawna tablica, którą stosowano w telewizji analogowej, była obrazem statycznym, co wystarczało, wszystkie bowiem dane dotyczące danego obrazu były zawarte w jednej ramce telewizyjnej. Natomiast cechą kompresowanego sygnału cyfrowego jest przekazywanie danych o całej sekwencji obrazów (GOP) kolejno po sobie występujących. W tym przypadku tablica testowa musi więc składać się z całej sekwencji obrazów - na obrazie tablicy M widoczny jest ruch.
• Druga charakterystyczna cecha nowej tablicy wynika z faktu, że zgodnie z protokołem DVB w strumieniu transportowym oprócz wizji niesione są i inne sygnały, takie jak dźwięk, napisy oraz różnego rodzaju dane. Dane dotyczące pakietowania wymienionych składowych strumienia muszą być w miejscu odbioru właściwe, aby dekoder odbiornika mógł odpowiednio zdekodować składowe strumienia. Należy więc mieć możliwość ich kontroli, lecz dane te nie mogą być bezpośrednio wizualizowane na ekranie. Problem ten w przypadku telewizji analogowej w ogóle nie występował. Konstruktorzy tablicy testowej M umożliwili wizualizację wszystkich niewidocznych elementów cyfrowego strumienia transportowego, tak jak ma to miejsce w przypadku klasycznej tablicy testowej.
• Trzecia charakterystyczna cecha tablicy testowej M jest związana z koniecznością prognozowania aktualnie istniejącej możliwości wystąpienia efektu brzegowego w torze przesyłowym. Uzyskuje się to dzięki stresowaniu parametrów multipleksu. Poszczególne składowe strumienia z generatora mogą być poddawane różnym dokładnie określonym poziomom stresu, poczynając od tego, który jest dopuszczalny w specyfikacji multipleksu, kończąc na tym. Który jest bardzo blisko dopuszczalnej granicy. Działanie stresu jest natychmiast widoczne na ekranie. Aby możliwe było testowanie różnych elementów cyfrowego systemu przesyłowego, utworzono zestaw sekwencji obrazów telewizyjnych. Większość z nich opiera się na treści tablicy wizyjnej, lecz ze specyficznie zmodyfikowanymi parametrami. Wśród wielu testów możliwe jest też testowanie zgodności czasowej dźwięku i napisów z sygnałem wizji oraz bardzo szczegółowe testowanie strumienia transportowego. Włączając taki dobrze określony i umożliwiający prognozowanie strumień testowy za mikserem emisyjnym i przesyłając go przez łącza i nadajnik, można wykryć każdą degradację występującą w torze przesyłowym. Nie ma potrzeby dodatkowych pomiarów, wystarczy odbiornik i para doświadczonych oczu.

Strumień transportowy tablicy M

Strumień transportowy MPEG-TS ma bardzo elastyczną strukturę multipleksu z podziałem czasowym (TDM), który umożliwia przenoszenie wielu skompresowanych sygnałów wizyjnych i stowarzyszonych z nimi sygnałów fonicznych, innych danych pomocniczych różnych służb (np. napisy) oraz wszelkich informacji i znaczników niezbędnych do właściwego adresowania i selekcji w procesie demultipleksowania strumienia. Zmultipleksowany strumień transportowy składa się z pakietów o stałej długości, wynoszącej 188 bajtów (rys. 1). Każdy pakiet zawiera nagłówek i dane użytkownika (payload). Nagłówek w najprostszym przypadku to minimum 4 bajty. Na informację użytkownika pozostają wtedy 184 bajty. Jednakże w pewnych przypadkach trzeba zwiększyć liczbę danych nagłówka. Wówczas bity kontroli pola dodatkowego (Adaption Field Control) przyjmują wartość informującą, że nagłówek jest dłuższy od normalnego. W takiej sytuacji liczba bajtów przypadających na przesłanie danych użytkownika maleje.

Rys. 1. Struktura pakietu strumienia transportowego MPEG-TS

W nagłówku pakietu niesione są wszelkie informacje niezbędne do prawidłowego demultipleksowania i dekodowania, w tym 13 bitów PID (Packet Identification) identyfikujących rodzaj danych niesionych w pakiecie. Umożliwia to przenoszenie w strumieniu transportowym ok. 8000 różnych rodzajów danych.

W wieloprogramowym strumieniu transportowym MPTS (Multi-programme Transport Stream) pakiety poszczególnych programów niesione są kolejno z częstotliwością zależną od prędkości bitowej każdego programu. Rys. 2 ilustruje strumień transportowy w przypadku przesyłania trzech programów wizyjnych i towarzyszącego im dźwięku. Jak widać, jest też w nim zawarty pakiet PSI (Programme Specific Information). Ze względu na znacznie mniejszą prędkość bitową strumieni dźwięku i PSI w stosunku do strumieni wizyjnych ich pakiety występują w strumieniu transportowym znacznie rzadziej.

Rys. 2. Wieloprogramowy strumień transportowy

Wiele parametrów strumienia transportowego tablicy testowej M można zmieniać, stosując różne sekwencje cyfrowe obrazów kontrolnych. Oto niektóre z tych parametrów:

• Kanałowa prędkość bitowa (Channel Bit-rate) jest zwykle określona przez pojemność toru przesyłowego i jest niezależna od liczby służb lub typu tych służb (programy TV, dane itp.). W Wielkiej Brytanii dla naziemnej DVB wynosi ona 24 Mb/s, dla satelitarnej DVB często - 38 Mb/s. Średnia prędkość bitowa każdego indywidualnego elementu tworzącego strumień transportowy jest ograniczona przez model buforu odpowiedniego dekodera. Ten model buforu dekodera będzie również narzucał minimalną i maksymalną prędkość, z którą dane muszą być do niego dostarczane, aby zapewnić ciągłość dekodowania programu. Jeśli prędkość dostarczania danych jest mniejsza od minimalnej, wystąpi zjawisko tzw. niedomiaru buforu (buffer underflow), jeśli jest większa, nastąpi przepełnienie buforu (buffer overflow). Każde z tych zjawisk prowadzi do przerwania procesu dekodowania. Aby sprawdzić działanie toru przesyłowego od multipleksera do odbiornika, sekwencje generowane przez tablicę testową M muszą mieć różne prędkości bitowe.
• Stan buforu w każdej chwili odzwierciedla, jak blisko pracuje dekoder od maksymalnie dozwolonych wartości granicznych. Podczas sekwencji testującej prędkość dostarczania pakietów jest zmieniana w taki sposób, aby zmusić dekoder do dojścia do wartości granicznej, co pokaże, jak blisko jest każdy element strumienia transportowego od efektu brzegowego i jak blisko jest do katastrofy, czyli całkowitego zaniku sygnału.
• Prędkość włączania/powtarzania. Prędkość ta to Insertion/Repetition Rate,, z którą dane powtarzalne, takie jak SI (Service Information). PSI (Programm Specific Information) i CD (Carousel Data), są włączane do strumienia transportowego, np. może to następować co 100 ms dla PAT (Programme Association Table).
• Częstotliwość występowania pakietów zerowych Prędkość bitowa strumienia transportowego musi być stała. Jeśli więc suma prędkości bitowych wszystkich przesyłanych w nim pakietów jest za mała, wówczas używa się tzw. pakietów zerowych (Null Packet Rate), tzn. zawierających same zera. Wszystkie pakiety zerowe mają zawsze ten sam 13-bitowy PID. zawierający trzynaście jedynek. Zastosowanie statystycznego multipleksowania może zredukować średnią liczbę pakietów zerowych, lecz pewna ich liczba będzie potrzebna po to. aby istniała możliwość ewentualnego dodania w późniejszym terminie dodatkowych służb. W tym przypadku, aby sprawdzić zdolność dekodera do poradzenia sobie np. ze zgrupowanymi lub parzyście rozmieszczonymi pakietami zerowymi, do badania potrzebne są takie sekwencje testowe, w których zmienia się liczba lub pozycja pakietów zerowych w zmultipleksowanym strumieniu transportowym.

Kategorie strumienia transportowego

Wyżej omówiono zaledwie kilka parametrów, które mogą być kontrolowane przez tablicę testowa, w rzeczywsitości jest ich znacznie więcej. Dla ułatwienia podzielono testy na cztery kategorie: przeznaczone dla wizji - VID. dla dźwięku - AUD. danych -DAT i dla multipleksu - MUX. Strumienie wytwarzane w tablicy testowej M odpowiadają jednej z wymienionych kategorii, np. strumień testowy wizji jest krytyczny przy odbiorze treści wizyjnej, natomiast elementy służące do kontroli fonii, danych i multipleksu są łatwe do zdekodowania.

Stresowanie systemu

Najważniejszą cechą tablicy testowej M jest stosowanie techniki stresowania systemu przesyłowego, dzięki czemu można prognozować wartości graniczne jego poprawnego działania, poza którymi nastąpi awaria, objawiająca się przerwą w odbiorze programu. W przypadku gdy system dochodzi do takich granic, należy zmienić tor przesyłowy na inny i zająć się jego naprawą. Możliwość prognozowania powstała dzięki temu, że w tworzonym strumieniu testowym może być stopniowo zmieniana wartość poszczególnego parametru.

Przyjęto cztery takie wartości, zwane poziomami stresu i oznaczono je odpowiednio różnymi literami: a - łatwy (do zniesienia), b - średni, c - silny, lecz jeszcze legalny, x - nielegalny (w stosunku do parametrów DVB).

Litery te są zamieszczane w sygnale i wizualizowane na ekranie odbiornika. Oczywiście test. który jest określony jako łatwy dla dekodera wizji, może być bardzo trudny dla multipleksu. Tak więc poszczególne określenia poziomu stresu dotyczą tylko tej kategorii strumienia, do którego zostały przypisane.

Jeżeli tor przesyłowy przestaje pracować w jakimś momencie cyklicznie przeprowadzanego badania stresującego, wówczas natychmiast wiadomo, przy jakim poziomie stresu to wystąpiło, co świadczy o stanie parametrów toru. a tym samym o jego odpowiedniości do pracy w telewizyjnym systemie cyfrowym.

Identyfikacja testowych strumieni transportowych

Identyfikatory poszczególnych strumieni są wizualizowane na obrazie. Wyświetlane są pośrodku w górnej części obrazu (rys. 3). Składają się one z ośmiu (tu VIDa003b) znaków: pierwsze trzy informują o kategorii testu, czwarty o podgrupie kategorii, trzy następne podają numer testu, a ostatnia litera - poziom stresu.

Rys. 3. Wizualizacja strumienia VIDa003b.

Testowanie elementów strumienia transportowego

Na zdjęciu pokazano jeden z typowych obrazów, jaki jest generowany w zestawie obrazów tablicy testowej M. Jest to najbardziej reprezentatywny obraz stosowany do testowania procesu dekodowania wizji, formatu wyświetlania obrazu, synchronizacji dźwięk/wizja i synchronizacji wizja/napisy oraz kontrolujący przetwarzanie końcowe (post-processing). takie jak: macierzowanie kolorów, pozycja pikseli, liniowość i korekcja gamma.

O tym, że należy on do kategorii testów wizyjnych, świadczą trzy pierwsze znaki identyfikatora umieszczonego pośrodku w górnej części obrazu - VID, zastosowany poziom stresu jest średni, o czym świadczy litera b na końcu. Oczywiście jest to obraz ruchomy. Składa się na niego sekwencja obrazów (GOP). Ruch można obserwować na elementach obrazu, takich jak obracające się kolorowe sześciany, zmieniająca się faza koloru, obracająca się strzałka zegarowa i poruszający się wskaźnik synchronizacji. Dzięki temu można kontrolować ciągłość pracy dekodera, czy się nie uszkodził lub nie zamroził obrazu.

W przypadku testowania innych parametrów należy zmienić kategorię testów, a więc i elementy tablicy.

Zastosowanie tablicy testowej M

Tablica testowa M jest zbiorem syntetyzowanych strumieni transportowych wielu różnych sekwencji obrazów (GOP). Większość z nich trwa około 3 sekund. Strumienie te są zapisane na płycie CD-ROM i w tej właśnie postaci tablica testowa znajduje się w sprzedaży. Można ją odtwarzać na odtwarzaczu Snęli & Wilcox MPEG Stream Player MSP 100 oraz na odtwarzaczach innych firm, chociaż w niektórych przypadkach mogą wystąpić trudności z odtwarzaniem tak krótko trwających sekwencji strumieni.

Tablica testowa jest przeznaczona do monitorowania toru przesyłowego zarówno w trakcie przesyłania programów, jak i w przerwach programowych. W pierwszym przypadku wprowadza się tablice VID. AUD oraz pewne testy DAT i MUX do jednego z wolnych wejść multipleksu. W przypadku drugim mogą być używane wszystkie rodzaje testów. Korzystaniem z takiego testu są zainteresowani zarówno producenci przystawek set-top-box, jak i innych urządzeń telewizyjnych.

Tablica testowa M nie jest przeznaczona do testowania koderów wizji lub dźwięku.

Tablicę testową M zarekomendowała do użytku brytyjska Digital Television Group i obecnie stosują ją wszyscy brytyjscy operatorzy sieci przesyłowych i producenci odbiorników; ich liczba ciągle rośnie.

Jeżeli konieczne jest dokładniejsze zbadanie parametrów toru, wówczas na jego wyjściu, oprócz odbiornika, można zastosować specjalistyczny przyrząd, np. analizator wizji lub strumienia, mając przy tym pewność, że strumień testowy z tablicy testowej M wprowadzany na wejście badanego toru jest ściśle określony i powtarzany.

Badanie tablicą testową może być włączone do zestawu badań prowadzonych nad odpowiedniością poszczególnych urządzeń lub całego toru przesyłowego dla strumienia bitów MPEG oraz ewentualnego określenia, na czym polega ich nieodpowiedniość.

Rys. 4. Przykładowe obrazy testowe.