: архив : архив журнала "625" : 1995 : #5

Многопрограммное цифровое телевизионное вещание по наземным и спутниковым каналам связи
Лев Севальнев

Существующая ныне сеть ТВ вещания Российской Федерации начала создаваться более 45 лет тому назад и потребовалось три пятилетки, чтобы регулярное эфирное вещание пришло в крупные города. Спутниковая система распределения ТВ программ на регионы Сибири и Дальнего Востока "Орбита" введена в эксплуатацию в ноябре 1967 г. Основой принятого для СССР стандарта телевизионного разложения является стандарт 625/50, разработанный российскими специалистами и принятый для страны в 1946 г., реализованный в 1948 г. и позднее принятый в качестве мирового стандарта для стран с частотой сети питания 50 Гц. По этому стандарту использовалась и до сих пор используется амплитудная модуляция несущей по видео и частотная по звуку. При таких методах модуляции для передачи одной ТВ программы необходим радиоканал с полосой пропускания 8,0 МГц, что и зафиксировано в соответствующих стандартах МККР (см., например, Отчет 624-3). Это значение использовалось во всех разработках частотных планов эфирного ТВ вещания в метровом и дециметровом диапазонах частот, в том числе, естественно, и на территории России.

Строго говоря, о кабельном телевидении у нас начали думать еще до войны - оно было предусмотрено, например, в проектах пресловутого Дворца Советов, на деле же впервые было реализовано много позже эфирных сетей ТВ вещания. При этом, конечно, важно было обеспечить совместимость кабельного ТВ с уже существовавшей эфирной сетью. Технически это требование было реализовано за счет применения одинакового с эфирным вещанием метода передачи сигналов изображения и звука.
В развитии спутниковых систем ТВ вещания можно выделить два этапа развития. На первом они применялись только для подачи ТВ программ на телецентры и наземные ретрансляторы. Такие системы, в принципе, не требовали установки на спутниках мощных бортовых ретрансляторов, поскольку необходимое усиление достигалось увеличением диаметра приемных антенн. Рентабельность таких систем обеспечивалась их ориентацией на города и регионы с большой плотностью населения. При этом для регионов с небольшой плотностью населения они оказывались нерентабельными, что мы и наблюдали многие годы в попытках Гостелерадио безуспешно решить проблему ТВ вещания именно в таких местах.
Следующий шаг - переход к непосредственному спутниковому ТВ вещанию с коллективным и затем индивидуальным приемом.

Он стал вторым этапом и фактически логическим завершением создания спутникового вещания, причем не только телевизионного, но и радио.

Технической основой вещательных служб НТВ послужил разработанный Международным союзом радиовещания и принятый в 1977 г. Всемирной административной радиоконференцией (ВАКР) частотный план. Это достаточно важный документ, который, во избежание вопросов по дальнейшему тексту, хотелось бы прокомментировать. План ВАКР предусматривает деление всего мира на три телевизионные провинции: Район 1, Район 2 и Район 3. В Район 1 попали те участки суши, где расположены страны, вещающие, в основном, в стандартах SECAM и PAL. Район 3 - это территория господства NTSC. Для непосредственного ТВ вещания в Районе 1 выделен диапазон 11,7...12,5 ГГц. Полоса частот видеосигнала NTSC несколько уже, поэтому и диапазон поуже: 11,7 -12,2 ГГц. Район 1 охватывает Европу, Россию и другие республики бывшего СССР, Монголию, Африку. Района 3 - это Япония, Океания, Азия (кроме территории бывшего СССР и Монголии), Австралия. Район 2 - это территории стран Северной и Южной Америк, Гренландии и др., территории, тяготевшие к Европе и воспринявшие от нее частоту сети питания 50 Гц и, как следствие, стандарт ТВ разложения 625/50. Каждой стране (за небольшим исключением) было выделено 5 радиоканалов. Бывший Советский Союз получил не много, ни мало - аж 77 радиоканалов! Короче говоря, каждой из 15 республик СССР причитающиеся 5 радиоканалов и еще 2 канала - премия России за ее исключительную многонациональность. Ширина полосы частот радиоканалов составляет 27 МГц для Районов 1 и 2 и 24 МГц для Района 3.

Частотный план предусматривает использование для НТВ частотной модуляции радионесущей, и вещание ТВ программ в системах PAL, SECAM, NTSC (к слову, действует 16 модификаций этих систем цветового кодирования) с организацией одного канала звукового сопровождения на частотно-модулированной поднесущей. При этом разрешается применение и других видов модуляции и телевизионных систем (например, цифровых), если они размещаются в интервалах стандартных каналов и не нарушают нормы по электромагнитной совместимости.

Параметры систем НТВ выбирали умные люди, чьей заботой была возможность создания простых и достаточно дешевых индивидуальных приемных устройств со стоимостью, соизмеримой или меньшей стоимости цветного телевизора - ведь исследования психологии покупателей показали, что массовую продажу бытовых технических новинок относительно легко организовать, если их цена не превышает 50... 100% от стоимости цветного телевизора.

Нелишне обратить внимание на уникальную особенность систем НТВ охватывать огромные территории, что для крупнейшей страны мира - фактор небесполезный! По критерию "охват населения/стоимость системы" - непосредственное спутниковое вещание уникально!

Возвращаясь к первому этапу, заметим, что развитие сети ТВ вещания шло за счет наращивания числа новых частотных каналов. Такой путь технически наиболее прост, а экономически - дешев, но ресурсы его ограничены и, в общем, давно исчерпаны.

Дальнейшее наращивание числа передаваемых ТВ программ возможно лишь за счет более эффективного использования полос пропускания существующих ТВ радиоканалов, а это означает переход от чисто количественных (аналог - силовых) ме- тодов решения к более хитрым качественным. В техническом плане это означает переход к цифровому кодированию сигналов с использованием глубокой компрессии или, что тоже самое, сжатия. Сказанное, в принципе, относится не только к НТВ, но по сути ко всем видам доставки потребителю информации: видео, аудио или какой-либо другой (как и все, о чем говорится ниже, конечно с оговорками, соответствующими конкретному способу доставки и типу информации).

ЦИФРОВОЕ МНОГОПРОГРАММНОЕ ТВ ВЕЩАНИЕ
Можно полагать, что разработка системы цифрового многопрограммного ТВ вещания в Европе была начата в 1990 г., по крайней мере судя по документам Европейского вещательного союза - EBU, который в 1994 г. совместно с 120 заинтересованными организациями из разных европейских стран, предложил проект единого для Европы стандарта такой системы.

Разработкой стандарта руководила группа экспертов по движущимся изображениям (аббревиатура названия группы: MPEG), отсюда и текущее рабочее название проекта стандарта - MPEG-2. Когда же проект был зарегистрирован в международной организации по стандартам (ISO) и международной электротехнической комиссии (IEC) ему присвоили новое международное название: стандарт ISO/IEC 13818. В стандарте 3 части. Первая посвящена методам мультиплексирования и передачи по каналам связи видео и звукоданных, вторая и третья соответственно - кодированию сигналов изображения и звука. Одно из важных достоинств стандарта - поэтапный переход от цифровых систем обычной четкости к совместимой системе телевидения высокой четкости.

Таким образом, после официального утверждения стандарта, работы по созданию многопрограммного цифрового ТВ вещания в Европейских странах переходят из области научных исследований в область промышленной реализации аппаратуры. При этом только 2 года отведено на наладку и выпуск необходимых для реализации стандарта больших и сверхбольших интегральных схем. Именно на их основе в 1996 г. ожидается выпуск первых цифровых телевизоров. Первым этапом перехода к многопрограммному цифровому ТВ вещанию в Европе станет соответствующий перевод на цифру спутниковых каналов НТВ. При этом антенна индивидуального приемника будет относительно небольшой -не более 60 см, а это значит, что ее легко разместить с наружной стороны окна жилой комнаты. К сказанному следует добавить, что уже в настоящее время американская фирма CLJ и английская NTL начали промышленный выпуск передающей и приемной аппаратуры для многопрограммного цифрового вещания по стандарту ISO/IEC 13818.

В 1994 г. комплект такой аппаратуры фирмы NTL испытан на подмосковном спутниковом центре, эксперимент проводился через отечественный спутник "Горизонт". Аппаратура позволила передать 4 ТВ программы с качеством изображения не хуже требуемого в системе SECAM при аналоговой передаче по одному стандартному спутниковому радиоканалу. Сейчас, опираясь на эти испытания, ведущие российские телекомпании ("Останкино", ВГТРК и др.) изучают рынок с целью закупок такой аппаратуры у зарубежных фирм. Аппаратура цифрового уплотнения, в частности, позволит организовать 4-программное ТВ вещание в регионах Сибири и Дальнего Востока, не наращивая числа радиоканалов спутниковой связи.
Отметим также, что научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, конечная цель которых - отечественная система многопрограммного цифрового телевизионного вещания, проводятся под общим руководством Министерства науки и технической политики Российской Федерации в рамках государственной программы "Перспективные средства телекоммуникаций и интегрированные системы связи".

СТРУКТУРА ЦИФРОВОЙ ТВ ПРОГРАММЫ
По сложившимся международным нормам, вновь разрабатываемая система ТВ вещания должна иметь, как минимум, двухка-нальное стереофоническое звуковое сопровождение. Кроме этого, совместно с сигналами изображения и звука должны передаваться сигналы дополнительной информации.

Цифровой ТВ сигнал
Формат цифрового кодирования ТВ сигналов студийного класса качества регламентируется Рекомендациями ITU-R "Кодируемые параметры цифрового телевидения для студий" (Проект пересмотра Рекомендации ITU-R ВТ. 601-3) и "Видеостыки для цифровых раздельных сигналов в 525- и 625-строчных телевизионных системах, действующих на уровне 4:2:2 рекомендации ITU-R ВТ. 601-1 (Проект пересмотра Рекомендации ITU-R ВТ. 656-1). Сейчас полезно несколько отвлечься, чтобы пояснить содержание аббревиатур в названных документах. ITU (International Telecomuncation Union) - Международный Союз Связи. В нем недавно произошла структурная реорганизация, по которой подчиненные ему ранее Комиссии и Комитеты, в частности Международный консультативный комитет по радио - CCIR, которые организационно действовали как самостоятельные, теперь в качестве исследовательских групп вошли непосредственно в состав ITU. Бывший CCIR (МККР) теперь - IBU-R. Сделанные пояснения надо иметь в виду, чтобы проследить связь между прошлыми Рекомендациями CCIR и новыми документами ITU-R.
Итак, вернемся к параметрам цифрового кодирования 4:2:2. Они были приняты (между прочим по предложению советских специалистов) с тем, чтобы на уровне цифрового представления обеспечить единую иерархию стандартов, общую для стандартов разложения 625/50 и 525/60. Чтобы решить эту задачу требовалось найти частоты дискретизации сигналов яркости и цветности, связанные целочисленными соотношениями с частотами строк обоих стандартов. Такой частотой оказались 13,5 МГц для ярко-стного сигнала. Эта частота является соответственно 858 и 864 гармониками 525- и 625-строчный систем. Однако базовой частотой всей иерархии цифровых стандартов, охватывающих системы со стандартным, повышенным и пониженным качеством (именно из—за последних!) в качестве базовой была выбрана частота 3,375 МГц. Ярко-стный сигнал стандартной системы кодируется с частотой 3,375x4=13,5 МГц, сигналы цветности с частотой 3,375x2=6,5 МГц. Отсюда и обозначение 4:2:2. В студийных системах часто используют стандарт 4:4:4, в четверть дюймовой видеозаписи - 4:1:1 и т.п. Цифровые стандарты телевидения высокой четкости и повышенного качества также привязаны к базовой частоте дискретизации. Что касается уровневого кодирования, то оно первоначально ориентировалось на 8 бит на каждый отсчет. В новейшей аппаратуре часто используют 10-битное уровне-вое кодирование.

Суммарная скорость цифрового потока при этом (для первого случая) составляет: 13,5x8 + 2x6,75x8 = 216 Мбит/с. Точно также можно подсчитать скорость передачи данных и для уровневого кодирования 10 бит, которое составит 270 Мбит/с. Передача видеоданных с такими высокими скоростями может производиться по широкополосным волоконнооптическим линиям связи, которые теперь часто используются на телецентрах для обмена цифровыми ТВ сигналами между аппаратными, участвующими в создании ТВ программ, в сетях кабельного телевидения, но не по эфирным каналам. Стандартные ТВ вещательные радиоканалы имеют существенно меньшую полосу пропускания и для передачи по ним цифровых ТВ сигналов необходимо снизить скорость передачи видеоданных за счет сокращения избыточности, присущей цифровым ТВ сигналам.

Уже упомянутый стандарт MPEG-2 устанавливает алгоритм информационного сжатия цифровых ТВ сигналов, названный как "Основной уровень/Основной профиль". Так, по этому стандарту можно сжать ТВ сигнал с параметрами разложения 625 строк/50 полей до скорости 6 Мбит/с, восстановив в приемном устройстве изображение вещательного качества (такое как в системах SECAM или PAL). Кинофильмы можно передавать с еще более низкой скоростью 5 Мбит/с и в некоторых случаях даже 4 Мбит/с. А вот сохранить качество ТВ изображения, близкое к студийному, удается при скорости передачи видеоданных около 9 Мбит/с. Приведенные данные показывают, что для передачи цифровой ТВ программы с вещательным классом качества, по-видимому, достаточно 5,0 - 6,0 Мбит/с. Эти результаты, несколько ниже, будут использованы при оценке возможного увеличения числа ТВ программ в одном стандартном радиоканале при переходе к цифровому способу передачи ТВ сигналов.

Цифровое звуковое сопровождение
В настоящее время общепризнанным эталоном высшего качества звука является получаемое при воспроизведении компакт-дисков. Предполагается, что во вновь разрабатываемых системах вещательного телевидения, качество звукового сопровождения субъективно не должно отличаться от звука с компакт-диска. В этом требовании есть определенный коммерческий расчет, т.к. проигрыватели компакт-дисков пользуются спросом у населения и в скором времени качество их звучания станет бытовым эталоном для большей части населения мира. Поэтому вновь разрабатываемая высококачественная и достаточно дорогостоящая аппаратура, такая как будущие цифровые телевизоры, должна соответствовать сложившемуся у населения стереотипу качества, чтобы пользоваться спросом.

Для высококачественного кодирования сигналов звукового сопровождения наиболее технически отработанными являются следующие методы: высокоточное линейное кодирование, мгновенное компандирова-ние, почти мгновенное компандирование и кодирование с разделением полос (субполосное кодирование). Высокоточное линейное уровневое кодирование с использованием 16 - 20 бит на отсчет является исходным для цифрового представления сигналов звука и последующей их цифровой обработки. Оно также используется при записи звуковых программ на диски (частота дискретизации 44,1 кГц, 16 бит/отсчет).

При передаче по каналам связи для снижения скорости цифрового потока могут быть использованы названные выше методы компандирования. Мгновенное компандирование использовалось в цифровой аппаратуре первого поколения. В цифровой аппаратуре второго поколения этот метод был заменен на более эффективный - почти мгновенного компандирования, на основе которого была создана система NICAM, уже рассмотренная в публикациях 625.

Дальнейшие работы по сокращению скорости цифрового потока
и совместные усилия немецких, датских и французских специалистов привели к разработке системы субполосного кодирования, получившей названия MUSECAM, которая по эффективности сжатия потока звукоданных примерно в 2,8 раза превосходит систему NICAM. Отметим, что замена аппаратуры компандирования по системе NICAM на аппаратуру системы MUSECAM позволяет увеличить число передаваемых звуковых программ примерно в 3 раза в том же цифровом канале.

Система MUSECAM прошла международные сравнительные испытания, в ходе которых было выявлено, что по сравнению с другими системами цифрового кодирования, она обеспечивает наилучшее субъективное звучание при скоростях цифрового потока 196, 128 и 96 кбит/с на один моноканал. Однако при скорости 64 кбит/с и ниже лучшее качество субъективного звучания обеспечивает система кодирования ASPEC (США), в которой используется более сложный алгоритм обработки кодируемого сигнала. По этой причине при разработке Европейского стандарта на систему высококачественного низкоскоростного кодирования сигналов вещания и звукового сопровождения комитет стандартизации ISO/MPEG принял единый стандарт на основе объединения положительных сторон алгоритмов MUSECAM и ASPEC.
Новая система с объединенным алгоритмом получила название ISO/MPEG и после регистрации в международной организации по стандартам (ISO) и международной электротехнической комиссии (IEC) ей было присвоено новое международное название: стандарт ISO/IEC 13818-3. В этом стандарте предусмотрены три уровня (класса) качества в зависимости от назначения системы и используемой скорости цифрового потока.

В системе кодирования ISO/MPEG 1-ого уровня используется упрощенная версия алгоритма MUSECAM, которая наиболее приспособлена для использования в высококачественной бытовой (престижной) аппаратуре при скорости цифрового потока 192 кбит/с на 1 моноканал (384 кбит/с на 1 стереопару). Система кодирования ISO/MPEG 2-ого уровня предназначена для профессиональной аппаратуры. При этом предусмотрено снижение скорости цифрового потока относительно 1-ого уровня и применение более точного квантования. В этом случае используется алгоритм, который почти соответствует основной версии алгоритма MUSECAM, за исключением формата передачи служебных сигналов в начале цикла звукоданных.

При кодировании по 2-ому уровню для передачи одной стереопары необходимы цифровые потоки 384, 256 или 192 кбит/с. Скорость 384 кбит/с рекомендуется для студийного обмена программами с возможностью последующей обработки звукоданных. Скорость 256 кбит/с рекомендуется при распределении программ звукового вещания и звукового сопровождения ТВ на передающие радио и ТВ станции без последующей обработки звукоданных (каналы спутниковых и наземных линий связи и т. п.), а 192 кбит/с -для вещания (эфирного, проводного) без возможности последующей обработки звукоданных. Система кодирования ISO/MPEG 3-его уровня позволяет снизить скорость цифрового потока до 32 - 64 кбит/с на один моноканал. При этом используется алгоритм кодирования, который представляет из себя комбинацию наиболее эффективных частей алгоритмов MUSECAM и ASPEC.

Кодирование по 3-ему уровню рекомендуется: в звуковом вещании и репортажной аппаратуре. В телевидении - для организации комментаторских каналов на различных языках. Для этой цели определены скорости цифровых потоков: 32 или 64 кбит/с на один моноканал. При этом качество большинства речевых передач не должно отличаться от исходного.

Системы кодирования ISO/MPEG всех трех уровней рекомендуются международной организацией стандартов (ISO) и группой экспертов по движущимся изображениям (MPEG) для применения во всех новых разработках по радиовещанию и звуковому сопровождению в телевидении.

Канал дополнительной информации Этот канал предназначен для передач в составе ТВ сигнала сигналов телетекста и другой дополнительной информации, кодирование - цифровое. Он же может использоваться для организации дополнительных комментаторских каналов на нескольких языках а также передачи сервисных сигналов, повышающих комфортность просмотра ТВ программ.

В многопрограммном цифровом телевидении (уже в силу компрессии) гасящие импульсы полей не передаются, поэтому традиционные для аналоговых систем способы передачи телетекста - в составе полевых гасящих импульсов невозможны. Для этого нужен специальный цифровой канал дополнительной информации. Помимо телетекста канал предназначен для передачи сигналов субтитров, весьма удобных, например, для глухих и телезрителей с пониженным слухом, их же можно использовать при передаче иностранных кинофильмов. Надо заметить, что появляются все новые и новые службы и, естественно, новые сигналы дополнительной информации. Так, полезно в составе ТВ программы передавать сигналы автоматического включения и выключения видеомагнитофона на запись выбранных телезрителем программ, исключающие запись рекламных вставок или другой ТВ программы из-за изменения расписания ТВ. Анализ всех вероятных применений показывает, что для канала дополнительной информации предпочтительна скорость 128 кбит/с.

Итак, подведем предварительные итоги. Для видеоданных потребуются потоки 5-6, звукоданных 0,256, дополнительного канала 0,128 Мбит/с. В сумме это составит 5,384 -6,384 Мбит/с.

ОЦЕНКА МНОГОПРОГРАММНОСТИ
Действующий частотный план распределения ТВ каналов предусматривает полосу пропускания 8,0 МГц - для эфирного и кабельного вещания и 27,0 МГц - для НТВ. Цифровая система многопрограммного ТВ вещания должна быть встроена в стандартные радиоканалы. Выполненные в различных лабораториях мира исследования показали, что новые виды модуляции - многопозиционная фазовая (спутниковые и радиорелейные линии связи) и многоуровневая амплитудная модуляция (наземные ТВ радиопередатчики и коаксиальные кабельные сети) позволит передать по стандартному радиоканалу цифровой поток 34,368 Мбит/с, а это означает передачу 5-6 цифровых ТВ каналов. Это то максимальное число ТВ программ, которое можно передать по стандартному радиоканалу. Однако столь прекрасный вывод несколь-
ко размазывается требованием высокой достоверности передачи, о котором мы еще не говорили, а оно таково: не более одной ошибки на каждые 25 секунд. Столь жесткое требование к допустимому коэффициенту ошибок объясняется тем, что используется достаточно глубокое информационное сжатие видеоданных, в процессе которого существенный объем видеоинформации исключается при кодировании и не передается по каналу связи. В декодере приемного устройства при восстановлении (интерполяции) пропущенных ТВ отсчетов, каждый принятый используется многократно, поэтому любая цифровая ошибка также многократно размножается. В результате на экране телевизора вместо одиночной точечной помехи пораженными оказываются целые области, что визуально более заметно. Защищенность существующих каналов связи от цифровых ошибок недостаточно высока и можно ожидать до 40 и даже 400 ошибок в секунду и более в отдельных случаях. Поэтому при передаче цифрового сигнала многопрограммного телевидения потребуется введение дополнительного помехоустойчивого кодирования, что приведет к снижению числа передаваемых ТВ программ.

Документы EBU (Европейского вещательного союза) для многопрограмного цифрового ТВ вещания по спутниковым каналам НТВ рекомендуется двойное помехоустойчивое кодирование. Исходный цифровой сигнал сначала кодируется кодом Рида-Соломона (204,188), что ведет к увеличению скорости цифрового потока в 204/188 = 1,085 раз, т.е. примерно на 9%. Далее выполняется помехоустойчивое кодирование сверточным кодом, основной параметр которого - относительная скорость передачи выбирается в зависимости от характеристик используемого спутника из следующего рекомендованного ряда относительных скоростей: 1/2, 2/3, 3/4, 7/8.

 

Относительная скорость	Число телевизионнах программ
	расчетное	реальное
1/2	2,5-2,9	2-3
2/3	3,3-3,9	3-4
3/4	3,7-4,4	4
7/8	4,3-5,1	4-5

Первое из приведенных значений относительных скоростей - 1/2 гарантирует наиболее высокую степень защиты от цифровых ошибок, но ведет к увеличению цифрового потока в 2/1 = 2 раза, последнее - 7/8 - наименьшую степень защиты при наименьшем росте цифрового потока в 8/7 = 1,14 раза, т.е. на 14%. Итак, при потоке данных 6,384 Мбит/с, коэффициенте расширения кодов Рида-Соломона 1,085 и сверточного 2 получим поток данных 6,384x1,085x2 = 13,853 Мбит/с. Поэтому в стандартном канале можно разместить 34,368/13,853 = 2,48 программы. Повторив эти несложные расчеты для всех остальных данных получим оценочную таблицу.

Таким образом, учтя помехоустойчивое кодирование, можно сделать вывод, что реально удается передать не более 4 ТВ программ в одном радиоканале с вещательным классом качества, а ведь это означает 300%-ое наращивание пропускной способности существующих каналов распределения вещательных сигналов и прямого спутникового вещания. Как видим, достигаемый эффект достаточно велик, чтобы позаботиться о нем!