Быков В. В.
Радиокамеры
Для съемок спортивных
программ и актуальных сюжетов
новостей требуется не только
мобильное оборудование, но и
оперативная доставка материалов на
телецентр. Этим требованиям
удовлетворяют телевизионные
радиокамеры. Они обеспечивают
прямую передачу события, создавая
такую же подвижность и
оперативность для оператора, как и
видеокамеры.
Представленный материал позволит
оценить отличия работы с
радиокамерой по сравнению с
обычной телевизионной камерой и
особенности конструкции
передающих блоков различных
производителей.
Первая цифровая радиокамера была
представлена на выставке IBC2001 и
сразу привлекла внимание
специалистов. Однако в конструкции
этого устройства были особенности,
которые предстояло преодолеть для
эффективного его использования.
Прежде всего это задержка примерно
на 15 кадров, которая появлялась в
процессе сжатия видеосигнала с
исходным потоком 270 Мбит/с. Сжатие
необходимо для согласования
вырабатываемого цифрового потока с
каналом передачи. Значительное
запаздывание сигнала не позволяет
беспроводной камере работать
совместно с обычной «проводной»
камерой. Последние разработки
позволили снизить задержку до
одного-трех кадров.
В радиоблоке камеры выделяются три
стадии обработки сигнала: сжатие,
модуляция и передача. Наибольшее
распространение получила
модуляция OFDM — частотное
уплотнение с ортогональными
несущими (ортогональное частотное
разделение каналов). Эта технология
используется в DVB-T, DAB и в
беспроводных звеньях локальных
сетей LAN (IEEE 802.11). Высокая надежность
OFDM является следствием
специального мультиплексирования
с распределением данных между
многочисленными несущими.
Отраженные сигналы или сигналы
соседних источников с высокой
вероятностью воздействуют только
на небольшую часть всех каналов
(несущих) в основном сигнале OFDM.
При использовании около 2000 несущих,
как в DVB-T, применяется
предкоррекция ошибок (FEC), которая
позволяет восстанавливать
потерянные данные. Например при FEC,
называемой также скоростью
цифрового кода, равной 1/2, половина
всех данных кода используется для
коррекции ошибок. При 7/8 — только
одна часть из восьми применяется
для коррекции. Очевидно, что
наиболее устойчивым является
кодирование со скоростью 1/2. В
стандарте DVB-T применяются три вида
квадратурной модуляции несущих: QPSK,
16QAM и 64QAM. Самая устойчивая из них QPSK
(квадратурная фазовая манипуляция),
поскольку она требует только
четыре уровня. Для 16QAM необходимы 16
уровней, для 64QAM — 64 уровня. Сигнал с
модуляцией QPSK и FEC 1/2 может нести
цифровой поток 5,85 Мбит/с. Изменение
FEC до 3/4 увеличивает возможный поток
DVB-T до 8,78 Мбит/с. Модуляция 16QAM
удваивает переносимый цифровой
поток соответственно до 11,7 Мбит/с и
17,5 Мбит/с.
Важное значение имеет сжатие
(видеокомпрессия), для которого
применяются методы MPEG-2, DVСPRO (DVCAM) и
wavelet. Сжатие MPEG-2 — наиболее
универсальная технология со
скоростью потока от 4 до 50 Мбит/с.
Оно обеспечивает вещательное
качество изображения при 15 Мбит/с, а
сжатие DVСPRO и wavelet — при 20 Мбит/с. Для
DVСPRO используются потоки 25 и 50
Мбит/с.
DVСPRO и wavelet являются более простыми
формами сжатия, чем MPEG-2. Они
обеспечивают только
внутрикадровое кодирование без
оценки движения от кадра к кадру.
Хотя они менее эффективны, но
вносят меньшую величину задержки
сигнала, что очень важно для
радиокамер. Для wavelet она может
составлять около 20 мс.
Преимуществом внутрикадрового
кодирования (только I-кадры)
является и то, что в его процессе
создаются более мягкие артефакты,
более «аналоговые», чем
раздражающие блоки и «застывшие»
строки и кадры при MPEG-2. Все
представленные выше соображения
учитываются при конструировании
радиокамер.
Thomson Grass Valley разработала
беспроводную камерную систему на
основе камер LDK100 и LDK200. Ее
особенностью является то, что она
по внешнему виду практически не
отличается от обычной камеры, кроме
наличия двух маленьких антенн
сзади на корпусе.
Беспроводная
телевизионная радиокамера на
основе камер
LDK100 и LDK200 компании Thomson Grass Valley
Канал передачи сигнала камерной
радиосистемы хорошо защищен от
многолучевого приема вследствие
отражений радиоволн. Модуляция COFDM
(модуляция OFDM с канальным
кодированием) доказала свое
преимущество после использования
многими вещателями по всей Европе в
самых разнообразных случаях. Опыт
применения этой модуляции в
цифровом вещании DVB показал, что COFDM
дает прекрасные результаты в
трудных условиях передачи, даже в
условиях многолучевого приема
радиосигнала. Дополнительная
устойчивость связи осуществляется
путем мощного канального
кодирования и другими методами
подавления ошибок.
Передатчик с модуляцией COFDM,
разработанный Thomson Grass Valley,
обеспечивает устойчивый прием на
расстоянии до 150 м при мощности 40
мВт. Сигнал COFDM часто даже
улучшается после многолучевого
приема. Архитектура беспроводной
системы Thomson Grass Valley позволяет
соединять в параллель несколько
приемников с использованием метода
коммутации при разнесенном приеме.
Применение всенаправленных антенн
на передающей и приемной сторонах
исключает необходимость слежения
за направлением излучения, а
отсутствие триаксиального кабеля
дает полную свободу телеоператору.
Система осуществляет передачу в
свободном диапазоне 2,4–2,5 ГГц, где
можно работать без лицензирования.
Для повышения качества вместо
сжатия MPEG-2 использовано сжатие c
волновым преобразованием (wavelet),
более эффективное по сравнению с
MPEG-2, особенно для малоподвижных
изображений. Для видеосигнала
используется 10-бит АЦП и
дискретизация 4:2:2. Это 10-бит
преобразование уменьшает такие
артефакты как оконтуривание
однообразных площадей (небо,
зеленое поле стадиона и т.п.).
Поскольку при волновом
преобразовании обрабатывается все
поле изображения без разделения
его на отдельные блоки, как при
MPEG-преобразовании, то изображение
получается более естественным. При
плохих условиях приема искажения
«картинки» с волновым
преобразованием оказываются менее
неприятными, чем при
MPEG-преобразовании.
Использование волнового
преобразования потребовалось
также для того, чтобы
минимизировать задержку сигнала по
времени. Сочетание такого типа
обработки с внутрикадровым сжатием
позволило специалистам Thomson Grass Valley
обеспечить общую задержку в
системе около 60 мс. Для получения
такой же плотности данных при MPEG-2
потребовалось бы межкадровое
кодирование с группами изображений
(GOP). Наряду с известными
преимуществами такое
MPEG-кодирование влечет за собой
большее время задержки, так как для
обработки изображение помещается в
буферное запоминающее устройство.
Схемы, применяемые в радиокамерах
для уменьшения времени задержки,
разделяют изображение на зоны и
располагают GOP в шахматном порядке
по этим зонам. В условиях плохого
приема это может привести к
хаотическим артефактам блоков в
отдельных частях кадра.
Важным условием эксплуатации
радиокамер является то, что
управление ими должно быть таким
же, как и у обычных камер. Это
условие подразумевает наличие
аналогичных каналов управления
блоками радиокамеры оператором (OCP)
и их синхронизацию теми же
сигналами, что и в обычных камерах.
Поэтому система передачи
медиаинформации для радиокамер
Thomson Grass Valley — двунаправленная.
Синхроимпульсы и сигналы
управления с микшера передаются к
радиокамере, и изображение,
создаваемое камерой, может
вводиться прямо в сигнал
программного выхода ПТС без
дополнительной обработки. Компания
работает над следующей версией
системы передачи медиаинформации,
в которой будет передаваться
программный звук и обеспечиваться
двунаправленная операторская
связь. Это даст полную свободу
телеоператору.
Камерная головка беспроводной
камеры Thomson Grass Valley включает в себя
объектив, собственно камеру и
COFDM-передатчик и приемник с общим
потреблением энергии менее 40 Вт.
Стандартная аккумуляторная
батарея Anton/Bauer Hytron 100 заряжает
камеру на два с лишним часа работы.
Благодаря волновому сжатию и
высокому отношению сигнал/шум,
радиокамера создает
высококачественное изображение,
подобное изображению обычной
камерной системы LDK100 и LDK200 с
триаксиальным кабелем.
Радиокамера LinkXP компании Link
Research (Великобритания)
обеспечивает минимальное время
задержки видеосигнала во время
доставки снимаемого новостного
материала. При этом гарантируется
достаточная надежность его
трансляции при прямых передачах и
удобство в работе для
обслуживающего персонала. В камере
используются стандарты COFDM, MPEG и
дискретизация 4:2:2. Системный
радиоблок может работать с
ТВ-камерами любых производителей.
Питание радиоблока осуществляется
от аккумулятора камеры.
| Центральным
устройством радиоблока
является кодер/модулятор L1000.
Именно благодаря ему удалось
добиться задержки
видеосигнала только на один
кадр и небольшой массы (всего 1,7
кг) с потреблением 18 Вт. Важнейшим показателем радиокамеры является надежность линии передачи видеоинформации на базовую ПТС или стационарный приемный узел. Система LinkXP очень гибкая: все ее параметры MPEG2/DVB-T могут изменяться. Модуляция COFDM выбирается в виде QPSK, 16QAM или 64QAM. Наиболее часто используется QPSK со скоростью цифрового кода (FEC) 1/2 и цифровым потоком 5,7 Мбит/с. Этот вид модуляции создает наиболее устойчивый режим передачи в процессе большинства видов съемки. Для футбола и других прямых спортивных программ предпочтительнее вид 16QAM, обеспечивающая поток 11 Мбит/с и устойчивость связи, приближающуюся к QPSK. Модуляция 64QAM применяется в тех случаях, когда требуется высокое качество «картинки». Однако при 64QAM уменьшается площадь покрытия для размещения приемного устройства. Прием на разнесенные приемные антенны увеличивает надежность передачи и позволяет оператору перемещаться с камерой на бульшие расстояния. |
 Радиокамера LinkXP компании Link Research на основе ТВ-камеры Hitachi |
Преимущество разнесенного приема
возникает в результате того, что во
время приема сигналов искажения на
выходе декодера в одном месте могут
быть совсем иными, чем в другом,
отстоящем от первого всего на часть
длины волны. Прием передаваемого
сигнала на две разнесенные антенны
даст заметный выигрыш в качестве
приема (особенно во время движения).
Он снижает эффект замирания
сигнала при возникновении
отражений от окружающих крупных
объектов и расширяет зону покрытия.
Передающая система LinkXP успешно
использовалась с камерой Sony BVP-550.
При этом к комплексу добавлялись
устройства управления камерой и
поддержания обратного канала с
использованием триаксиальной
системы передачи Sony и стандартной
стойки в приемной ПТС. В такой
версии обратный видеосигнал
воспроизводится на видоискателе
камеры. Приемная система включала в
себя интегральный приемник/декодер
Link L2102, который подключался к двум
понижающим конверторам,
посредством которых осуществлялся
разнесенный прием.
Сигнал со сдвоенного выхода c
асимметричным последовательным
интерфейсом (ASI) демодулятора
разнесенного приема
ремодулируется и передается по
спутниковому каналу в ТВ-студию. В
городских условиях сбор материала,
подготовленного
видеожурналистами, может
значительно упроститься. Для этого
на высоком здании устанавливаются
четыре антенны, сигналы с которых
поступают на демодулятор
разнесенного приема. Такая схема
работы расширяет зону покрытия
города при одном радиоканале
доставки информации от
радиокамеры.
В канал передачи видеоинформации
возможно добавление кадрового
синхронизатора, однако он внесет
дополнительную задержку — 40 мс.
Компания Link Research работает над
совершенствованием такого
комплекса, который будет создавать
общую задержку только 50 мс. Кроме
того, будут обеспечены работа с
триаксиальным кабелем и
дистанционное управление камерой.
Коммерческая группа KWV компании BBC
представила свою первую
цифровую радиокамеру на выставке IBC
2002, которая была разработана
подразделением BBC Research & Development. В
настоящее время камера широко
используется BBC для создания
спортивных и новостных передач. В
ней применяется кодирование DVCPRO25 и
модуляция COFDM. Специалисты BBC R&D
использовали здесь свой богатый
опыт исследований и наработки в
наземном цифровом вещании DVB-T.
 Цифровая радиокамера компании BBC на основе камеры Sony |
Модуляция COFDM была выбрана BBC как дающая хорошие результаты при приеме ТВ-информации в условиях наличия отраженных сигналов. Более того, COFDM превращает многолучевость в положительное явление, поскольку может использовать энергию отраженных сигналов также, как и основной сигнал. Благодаря кодированию DVCPRO, задержка сигнала в системе не превышает двух кадров и составляет около 80 мс при общей скорости цифрового потока 28 Мбит/с. Инженеры приняли смелое решение — использовать два сигнала DVB-T параллельно и спроектировали схему разделения потока данных DVCPRO, что дало возможность уменьшить размеры двух COFDM-модуляторов и микроволновых повышающих преобразователей. При этом требуется полоса частот 16 MГц, что согласуется с каналом 20 МГц, используемым BBC для аналоговых радиокамер. Выбрана модуляция COFDM типа 64QAM при скорости внутреннего сверточного кода 1/2. Введение модуляции 64QAM увеличило защиту от ошибок по сравнению с 16QAM. Излучение в эфир происходит в диапазоне 2,4–2,5 ГГц с применением ненаправленной антенны. Мощность излучения 80 мВт. |
Стыкуемый с камерной головкой
радиоблок, кроме кодера DVCPRO25 и двух
COFDM-модуляторов, содержит
стереозвуковой интерфейс AES/EBU,
создающий цифровой поток 1,5 Мбит/с.
Прием радиосигнала осуществляется
сдвоенным приемником DVB-T на
ненаправленную антенну.
Специальный декодер объединяет два
цифровых потока в единый
транспортный поток.
BBC провела ряд эффектных
демонстраций преимуществ
радиокамеры перед камерой с
триаксиальным кабелем. Во время
трансляции соревнований по
плаванию телеоператор проследовал
за спортсменом из душевой до места
старта у бассейна, проведя
непрерывный прямой репортаж.
Компания Gigawave (Великобритания) три
года работала над цифровой
камерной системой D-Cam, состоящей из
ТВ-камеры и стыкуемого
радиопередающего блока. Инженеры
компании в своей деятельности
придерживались трех основных
положений:
– создание ПО для наиболее
эффективного сжатия SDI-видеопотока
270 Мбит/с, которое позволило
передавать сигнал в полосе частот 8
МГц канала микроволновой линии
связи;
– выбор оптимального вида
модуляции для передачи по
микроволновой линии;
– разработка усилителей
промежуточной и радиочастоты,
повышающих преобразователей,
усилителей мощности антенн.
В результате была создана камерная
система, состоящая из камерной
головки и стыкуемого в ней
радиоблока. Последний включает в
себя кодер, сжимающий сигнал по
алгоритму волнового
преобразования (wavelet) или MPEG-2 (4:2:2),
передатчик мощностью 100 мВт и
другую необходимую электронику. На
вход радиоблока D-Cam от камерной
головки поступает видеосигнал SDI 270
Мбит/с и два аналоговых
аудиосигнала. Благодаря модульной
конструкции системы, отдельные
модули кодеров могут легко
заменяться прямо на месте съемки.
Кодирование MPEG-2 (4:2:2) с потоком 6
Мбит/с позволяет реализовать
преимущества COFDM-модуляции с
модуляцией QPSK отдельных несущих.
Обеспечивается высокая
устойчивость радиочастотного
сигнала, которая особенно ярко
проявляется в таких сложных
условиях передачи, как центр
современного города. Компания Gigawave
разработала уникальную систему
кодирования с волновым
преобразованием, обеспечивающую
высокое качество изображения при
малой задержке по времени (менее 1
мс). Это наиболее важно во время
проведения прямых спортивных и
новостных передач. Важно и то, что
волновое преобразование
восстанавливает потери
радиосигнала или синхронизации.
Цифровая камерная система D-Cam компании Gigawave
Три заменяемых модуля
COFDM-модулятора дают возможность
работать в режимах 16QAM, 64QAM или QPSK.
Приемное устройство MLV-D выполнено в
виде двух блоков: радиоголовка и
блок промежуточной частоты. Они
соединяются легким триаксиальным
кабелем и могут разноситься на
расстояние до 600 м, что еще больше
повышает мобильность радиокамеры.
Дистанционное управление камерой
осуществляется с использованием
пульта управления оператора OCP.
Электроника OCP и приемопередатчик
УКВ размещается в стандартном
модуле 1U, с помощью которого можно
управлять восемью радиокамерами.
Камерная система Gigawave D-Cam стыкуется
со многими цифровыми ТВ-камерами.
Tandberg Television представила
свою радиосистему для ТВ-камеры еще
на NAB2001. В конце 2002 г. компания
продемонстрировала второе
поколение камерной радиосистемы
CT2010, быстро разворачивающаяся и
простая при использовании в
полевых условиях. Отличительной
особенностью системы является
наличие в приемнике анализатора
спектра с визуальным дисплеем,
предоставляющим возможность
оценивать уровень
интерференционных помех и степень
охвата радиопередачей окружающей
местности.
| Более того, для
проверки степени облучения
оператора электромагнитным
излучением передатчика
специалисты Tandberg Television провели
испытания своей продукции на
соответствие международному
стандарту SAR. Этот стандарт
определяет допустимую степень
облучения человека мобильными
телефонами. Испытания
показали, что облучение
оператора беспроводной
камерной системой Tandberg Television
было на 10% меньше максимально
допустимого по стандарту SAR. Новый компактный передатчик CT2010 имеет размеры 19,8х9,6х4,3 см и весит всего 1 кг. По данным Tandberg Television, это самый малогабаритный радиоблок на рынке беспроводных камер. Он может быть установлен практически на любой профессиональной камере. Потребляемая блоком мощность меньше 12 Вт — это несколько часов непрерывной работы от стандартного литиевого аккумулятора. |
 Анализатор спектра с дисплеем в приемнике камерной радиосистемы компании Tandberg Television |
Оптимальное покрытие местности
радиосигналом достигается в
системе CT2010 путем использования
активной антенны Tandberg Television, в
которой размещена специальная
электроника. Она гарантирует
минимальные потери мощности
сигнала в фидере антенны и
рассеивание тепла передающим
блоком.
Передатчик CT2010 имеет дистанционное
управление камерой и световую
сигнализацию, благодаря чему
осуществляется связь системы с
центральным микшером и совместная
работа с другими камерами.
Серьезной проблемой для
использования радиокамер является
выбор диапазона рабочих частот.
Традиционно для электронной
журналистики и радиокамер
используется диапазон от 2 до 2,7 ГГц.
Однако не исключается возможность,
что в дальнейшем эти частоты будут
предоставлены другим коммерческим
пользователям. Поэтому Tandberg Television
разработала средства передачи на
частотах до 10 ГГц и уже
продемонстрировала нескольким
европейским вещателям
беспроводную камерную систему, в
которой используется несущая 3,5
ГГц.
Успешные разработки беспроводных
камер ведет компания Microwave Radio
Communications (MRC, США). Ее радиоблок
Reporter обеспечивает вещательное
качество изображения и позволяет
осуществлять прямую передачу
экспонируемого материала на
приемное устройство, которое может
отстоять от камеры на расстоянии до
1 км. Транслируемый материал
кодируется по стандарту MPEG-2 (4:2:2/4:2:0)
с последующей COFDM-модуляцией (по
стандарту DVB-T). Сигнал COFDM занимает
полосу частот 6, 7 или 8 МГц.
Модуляция COFDM может быть типа QPSK, 16QAM
или 64QAM. Система содержит
аудиопроцессор для сжатия звука по
алгоритму Musicam и входной АЦП для
аналоговых аудио и видео.
Беспроводная
ТВ-камера с передающим блоком Reporter
компании Microwave Radio Communications
В зависимости от используемой
ТВ-камеры на передатчик может
подаваться видеосигнал PAL/NTSC,
компонентный видеосигнал или SDI.
Кроме того, он имеет входы для двух
аналоговых аудиосигналов,
AES/EBU-цифрового сигнала и для
невстроенного звукового SDI.
Передатчик развивает мощность до 250
мВт, работает на частотах от 1,9 до 2,7
ГГц с антенной вертикальной
поляризациии и имеет массу всего 1,02
кг. К камере он крепится с
использованием стандартного
крепления Anton/Bauer.
В качестве приемных устройств
используются портативные
приемники Strata и Reporter, выпускаемые
компанией MRC. Последней разработкой
компании является промежуточный
передатчик, который может
устанавливаться на штативе или на
крыше автомобиля. Это значительно
расширяет возможности проведения
репортажа в сложных условиях
местности.
На IBC2002 цифровую беспроводную
систему продемонстрировала
компания Atlantic Digital Limited (ADL,
Великобритания). В передающем блоке
использованы стандарт сжатия MPEG-2
(4:2:0 или 4:2:2), устойчивая к
отражениям модуляция COFDM и несущие
в диапазоне 2,3–2,7 ГГц, не требующем
лицензирования. Частота несущей
меняется скачками по 1 МГц. Для
видеосигнала с дискретизацией 4:2:0
используется модуляция QPSK, а для
видеосигнала 4:2:2 — 16QAM.
| Приемное
устройство осуществляет
понижающее преобразование
радиочастотного сигнала,
COFDM-демодуляцию и
декодирование MPEG-2 с выходным
сигналом SDI. Система позволяет
передавать и два звуковых
сигнала и данные пользователя
в общем цифровом потоке.
Минимальная задержка сигнала 80
мс достигается при кодировании
4:2:2/16QAM, максимальная — 240 мс при
MP@ML/QPSK. При мощности
передатчика 100 мВт, полосе
пропускания канала 8 МГц и
ненаправленной антенне
приемник устойчиво принимает
сигнал на расстоянии до 300 м на
местности с малыми
отражениями. С направленной
антенной-тарелкой расстояние
увеличивается до 5 км. Радиокамеры все чаще используются для проведения съемки в условиях, где телеоператору необходима большая подвижность и свобода перемещения. Например, в одном из ТВ-репортажей из пресс-центра NATO можно было видеть телеоператора с радиокамерой на плече, который, который проводил съемку, свободно перемещаясь между отдельными группами участников пресс-конференции. Компании, выпускающие радиоблоки для таких камер, постоянно работают над совершенствованием канала передачи видеоинформации, учитывая требования вещателей. |
 Цифровая беспроводная камерная система компании Atlantic Digital |
По материалам Hardware, 2002, №99, IBC2002, NAB2003
