Виртуальные лабораторные работы в практике изучения учебных дисциплин в техническом вузе

УДК 378.147© А.И.Одинец, Л.Д.Федорова

А.И.Одинец, Л.Д.Федорова

ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ В ПРАКТИКЕ ИЗУЧЕНИЯ УЧЕБНЫХ ДИСЦИПЛИН

В ТЕХНИЧЕСКОМ ВУЗЕ

В статье рассмотрена специфика проведения занятий по дисциплинам, связанных с изучением телевидения, в частности виртуальные лабораторные работы, моделирующие процессы обработки сигналов в цифровом телевидении. В качестве примера рассмотрена виртуальная лабораторная работа, моделирующая процессы, происходящие при квадратурной амплитудной модуляции.

Ключевые слова: цифровое телевидение, виртуальные лабораторные работы, сигнал, амплитудная модуляция.

Мы живем в такое время, когда за цикл активной деятельности радиоинженера происходит смена нескольких поколений технологий. За последнее десятилетие аналоговая электроника уступила место цифровой технике, черно-белое телевидение - цветному. На смену аналоговому телевидению пришло цифровое, которое в будущем уступит место стерео- и голографическо-му телевидению.В практике высшего профессионального образования, несмотря на углублённое изучение по отдельным дисциплинам, всегда имело место интеграция разных дисциплин, способствующая развитию и укреплению комплексных знаний и навыков. Многолетний опыт кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» (РТУ и СД) Омского государственного технического университета показал возможность отказа от ученического натаскивания и пассивного освоения готового материала в пользу системного подхода, стимулирующего компетенции, предполагающие самостоятельную аналитическую и организационную работу.

Системный подход к изучению радиотехнических дисциплин предлагается при изучении таких дисциплин как «Основы телевидения и видеотехники» и «Цифровое телевидение». Освоение этих дисциплин предусматривает знание радиотехнических цепей и сигналов, аналоговых и цифровых устройств, кодирования информации и цифровой фильтрации.В процессе проведения занятий основное внимание уделяется теоретическим вопросам построения радиотехнических узлов, блоков, устройств и систем в целом, их анализу и синтезу.

Современный этап развития телевидения характеризуется интенсивным внедрением цифровых методов обработки сигналов. Цифровое телевидение по сравнению с аналоговым телевидением имеет неоспоримые преимущества. Наиболее важными из них являются возможность трансляции по каналам большого числа программ высокого качества при снижении затрат

энергии при их передаче, а также возможность организации условного доступа (авторизации), предусматривающего плату за просмотр программ. Кроме того, цифровые телевизионные системы создают возможность [1,2]:

- организации систем видеотелефонии и видеоконференцсвязи;

- передачи телевидения высокой четкости в стандартных каналах вещания;

- существенного повышения качества передачи изображений и звука;

- цифрового сопряжения сетей с компьютерными Интернет-сетями;

- обеспечения эффективности использования частотного ресурса;

- достаточно низкой цены внедрения за счет использования существующей инфраструктуры аналоговых сетей, антенных и кабельных систем.

Появится возможность широкого внедрения приема телевизионных программ в транспорте, включая железнодорожный. Техническая возможность приема цифрового телевидения на движущиеся объекты, практически в любой части города и области, дает качественно новые возможности предоставления сервиса потребителям.

В настоящее время в России телевидение вещает в аналоговом стандарте БЕСАМ (625/50/2:1/4:3 - 625 строк разложения; 50 полей в секунду; 2:1 - тип развертки, 4:3 - формат кадра). В стандарте используется чересстрочная развертка, при которой один кадр разбивается на два полукадра (или поля), составленных из строк, выбранных через одну.В результате частота смены полей 50 Гц, а смены кадров - 25 Гц. Изображение отображается с разрешением 720 на 576 пикселей. Полоса частот одного телевизионного канала - 8 МГц.

Для цифрового наземного (эфирного) ТВ-вещания были разработаны три системы: АТБС (США), 0УВ-Т (ЕС) и 1Б0В-Т (Япония). В России принята система цифрового телевидения. Данная система охватывает спутниковые (0УВ-Б,

DVB-S2), кабельные (DVB-C, DVB-C2), наземные (DVB-T, DVB-T2) средства передачи. Стандарт DVB-H нормирует параметры передачи данных на так называемые «наладонные» (handheld) устройства. В стандарте реализован принцип использования MPEG-кодирования сигналов при различных способах их мультиплексирования и передачи, что обеспечивает максимальную совместимость разных систем.

В цифровом телевидении основные параметры компонентных видеосигналов стандарта 4:2:2 - 525/60/2:1/16:9. При этом число отсчетов в активной части строки для сигнала яркости -720, а для каждого из двух цветоразностных сигналов по 360 при 8 или 10 битов на отсчет. В полосе частот одного канала аналогового телевидения (8 МГц)с использованием статистического мультиплексирования могут быть переданы до 910 цифровых телевизионных каналов при стандарте сжатия изображенияМРЕС-2, а при стандарте сжатия изображения H.264/MPEG-4 v.10 -до 13-14 или 2-3 телевизионных каналов высокой четкости (ТВЧ).

Разработанные системы ТВЧ имеют примерно удвоенную разрешающую способность по вертикали и горизонтали. Для целей студийного производства и телевизионного вещания предложены стандарты 1125/60/2:1 и 1250/50/2:1. Для международного обмена программами ТВЧ предлагаются стандарты: 1080/25/1:1, 1080/50/2:1.

Использование цифровых методов в ТВЧ позволило унифицировать множество предложенных стандартов за счет применения единого формата (16:9) изображения, предусматривающего 1080 активных строк в кадре с чересстрочным (2:1) или прогрессивным (1:1) разложением при 1920 отсчетах в каждой строке для яркост-ного сигнала (для цветоразностных сигналов -960).

Стратегия перехода от аналогового к цифровому телевидению в России определяется разработанной в 1999 году «Концепцией внедрения цифрового телевидения и радиовещания в России», рассчитанной до 2015 года. Важным шагом в развитии цифрового телевизионного вещания явилось решение Правительства РФ от 25 мая 2004 года о внедрении в России европейской системы цифрового телевизионного вещания стандарта DVB (DigitalVideoBroadcasting -цифровое видеовещание).

В июне 2005 года Госкомиссия по радиочастотам впервые выделила частоты для цифрового ТВ стандарта DVB-T. Принято решение о выделении для цифрового телевидения полосы частот 174-230 МГц и 470-862 МГц. Выделенные полосы соответствуют существующим диапазонам аналогового вещания: метровому - с 6-го по 12-й канал и дециметровому - с 21-го по 60-й канал.

В декабре 2009 года утверждена Федеральная целевая программа «Развитие телерадиовещания в РФ на 2009-2015 годы», котора-явключена в перечень целевых программ, подлежащих финансированию за счет средств федерального бюджета.

Рассмотрим, как организовано на кафедре РТУ и СД изучение дисциплин «Основы телевидения и видеотехники» и «Цифровое телевидение». В учебном плане направления 11.03.01 «Радиотехника» на 3 курсе предусмотрено изучение дисциплины «Основы телевидения и видеотехники», а на 4 курсе - «Цифровое телевидение».

На дисциплину «Основы телевидения и видеотехники» предусмотрено по 18 часов лекций и практических занятий, а также домашнее задание.

Основные темы лекций:

- физические основы телевидения;

- телевизионные системы и их стандарт;

- вещательные системы телевидения: SECAM, NTSC, PAL, D2-MAC;

- основы видеозаписи;

- телевизионные воспроизводящие устройства;

- стереотелевидение.

Практические занятия посвящены изучению параметров видеосигналов, оценке качества телевизионного изображения по испытательным таблицам, изучению нескольких типов видеокамер. Несколько занятий посвящено изучению электрических принципиальных схем черно-белого и цветного телевизоров. Также рассматриваются их основные узлы: селектор каналов, каналы изображения, звукового сопровождения, строчной, кадровой и цветовой синхронизации.

В качестве домашнего задания студентам предлагается изучить одну из 25 тем, связанных с аналоговым телевидением: колориметрические системы, кодеры и декодеры системБЕСАМ, NTSC, PAL, телевизионные испытательные таблицы, кинескопы, видиконы, матрицы прибора с зарядной связью (ПЗС), структура телетекста и др. Студенты готовят по выбранной теме доклады, контрольные вопросы и презентацию.Изучение дисциплины «Основы телевидения и видеотехники» заканчивается защитой домашнего задания и сдачей экзамена.

В учебном плане на дисциплину «Цифровое телевидение» предусмотрено по 16 часов на лекции и практические занятия, а также домашнее задание.

Основные темы лекций [3]:

- 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.

Практические занятия посвящены изучению процессов обработки данных с сигналов в системе цифрового телевидения стандарта DVB- 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.

В качестве домашнего задания студентам предлагается выполнить несколько виртуальных лабораторных работ, связанных с моделирование процессов обработки сигналов в цифровом телевидении, составить отчет и ответить на контрольные вопросы по каждой работе.

Рассмотрим пример моделирования процесса М-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (M-QAM) [4]. На рис. 1 приведена схема получения многопозиционной модуляции. На вход формирователя модуляционных символов (ФМС) поступает поток цифровых данных D. Формирователь разделяет входной поток D на два цифровых потока I и Q. На выходе схемы формируется сигнал, соответствующий М-позиционной квадратурной амплитудной модуляции, которая обозначается как M-QAM (М-КАМ). На рис. 2 приведены осциллограммы сигналов (а) и сигнальное созвездие (б) для модуляции 4-QAM.

Рис. 1. Схема получения многопозиционной модуляции

Рис. 2. Осциллограммы сигналов

Сигнал О по полубайтам преобразуется в два четырехуровневых сигнала / и 0.. Частота отсчетов сигналов / и 0. в четыре раза меньше, чем на входе ФМС, чем и объясняется четырехкратное увеличение спектральной эффективности по сравнению с балансной модуляцией.

При моделировании используется программа, выполняющая операцию исследования процесса модуляции 4-(}АМ. После запуска программы появляется окно (рис. 3). После ввода исходных данных осуществляется формирование радиосигналов 4-(}АМ.

Рис. 3. Окно программы многопозиционной модуляции

Для заданного блока данных Одля каждого студентанеобходимо выполнить моделирование процессов, происходящих в квадратурной схеме многопозиционной модуляции (рис. 3) и построить сигнальное созвездие.

Изучение дисциплины «Цифровое телевидение» заканчивается защитой домашнего задания и сдачей зачета.

На лекциях, при выполнении домашнего задания и в ходе самостоятельной работы студенты используют разработанные на кафедре «Радиотехнические устройства и системы диагностики» ОмГТУ электронные учебные материалы: учебное пособие, методическое указание к виртуальным лабораторным работам, материалы для самостоятельной работы, обучающие и контролирующие программы.

Библиографический список

1. Мамчев, Г.В. Основы радиосвязи и телевидения [Текст] /Г.В. Мамчев. - М.: Горячая линия -Телеком, 2007.- 416 с.

2. Мамаев, Н.С. Системы цифрового телевидения и радиовещания [Текст] /Н.С. Мамаев, Ю.Н.Мамаев, Б.Г. Теряев. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007.- 254 с.

3. Одинец, А.И. Основы цифрового телевидения стандарта DVB-T[TeKcr] /А.И. Одинец, А.Н. Бурдин. Учебное электронное издание. Номер гос. регистрации 0321201613. - Омск: ОмГТУ, 2012.

4. Одинец, А.И. Основы телевидения. [Текст] /А.И. Одинец. Методические указания к лаб. работам. - Омск: ОмГТУ, 2014. - 76 с.

References

1. Mamchev G.B. Osnobyradioswyasiitelebideniya. [Fundamentals of radio and television]. M.: Gor-yachliniya- Telecom, 2007, 416 p.

2. Mamaeb N.S. Sistemy cifrobogotelebideniya I radiobeshhaniya.[The system of digital television and radio broadcasting]. M.: Goryachliniya- Telecom, 2007, 254 p.

3. Odinec A.I. Osnovycifrobogotelebidrniyastandarta DVB-T. [Fundamentals of digital television standard DVT-T].Uchebnoeehlektronnoeposobie. Nomergos. Registracii'0321201613. Omsk: OmGTU, 2012, 74 p.

4. Odinec A.I. Osnovytelebidrniya. [Fundamentals of television].Metodicheskieukasaniya k lab. rabotam. Omsk: OmGTU, 2014, 76p.

VIRTUAL LABS TO PRACTICE THE STUDY OF ACADEMIC DISCIPLINES IN A TECHNICAL UNIVERSITY

Alexander I.Odinets,

associate Professor, Omsk State Technical University

Ludmila D.Fedorova, associate Professor, Omsk State Technical University

The article describes the specifics of classes in disciplines related to the study of television, in particular the virtual laboratory work, modeling the process of signal processing in digital television. As an example, consider a virtual lab that simulates the processes that occur during quadrature amplitude modulation.

Keywords: digital television, virtual laboratory works, signal,amplitude modulation.

Сведения об авторах:

Одинец Александр Ильич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Радиотехни-ческиеустройства и системы диагностики» Омского государственного технического университета (г. Омск, Российская Федерация), e-mail: dm.90@bk.ru.

Федорова Людмила Дмитриевна - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электрическая техника» Омского государственного технического университета (г. Омск, Российская Федерация), e-mail: dm.90@bk.ru.

Статья поступила в редакцию 02.02.2016.