: архив : архив журнала "625" : 1999 : #4

Цифровое наземное телевизионное вещание. ATSC-DVB-ISDB
Константин Гласман

Доклады о принципах построения систем наземного цифрового телевизионного вещания
DVB-T и ATSC являются центральными на международных конференциях. Статьи, посвященные соперничеству между этими системами, занимают первые полосы технических журналов, оттесняя даже сводки о боевых действиях на фронтах "войны форматов цифровой видеозаписи". А ведь это не первые разработки, относящиеся к цифровому телевизионному вещанию. Прошло уже несколько лет с момента принятия стандартов и начала практического применения цифрового спутникового и кабельного телевидения. Почему же наземное цифровое телевидение привлекает такое широкое внимание?

Операторы спутникового и кабельного телевидения более или менее свободны в выборе стандарта вещания, а введение наземного телевидения требует решения проблем, связанных с распределением частотного диапазона, с взаимодействием с другими службами и системами связи и, следовательно, со строгим правительственным регулированием. Поэтому стандарты наземного телевизионного вещания принимают страны или группы стран, а на решения такого масштаба неизбежно оказывают влияние политические и экономические факторы. Особенности стандартов значительно влияют на использование частотного диапазона. Страны, собирающиеся переходить к цифровому телевидению, тщательно изучают различные стандарты перед принятием решения. Результаты исследований, проводимых в национальных масштабах, конечно, интересны не только технической общественности.

Сегодня наземное телевидение представляет собой весьма сложную систему. Аналоговое вещание появилось так давно, что смесь телевизионных служб и технических инфрастуктур в каждой стране образует уникальное сочетание, в чем-то подобное национальному фольклору. Технические причины в таком своеобразии играют важную роль, но определяющими являются исторические, географические и политические факторы. Частотный диапазон, в котором ведется наземное вещание, близок к насыщению. Например, в странах Европы используется более 70 тысяч телевизионных передатчиков, многие из которых работают в метровом диапазоне. На частоте одного канала может работать до тысячи передатчиков. В таких условиях введение новых служб наземного цифрового телевизионного вещания является нетривиальной задачей.

А не следовало бы вообще ликвидировать наземное вещание, постепенно заменяя его кабельным и спутниковым?

Есть несколько серьезных аргументов в пользу сохранения наземного телевизионного вещания.

Во-первых, зрители, которые смотрели лишь программы наземного аналогового телевидения, не должны устанавливать антенны спутникового телевидения и подключаться к сети кабельного телевидения после введения цифрового вещания.

Во-вторых, прием на переносные телевизионные приемники или на комнатную антенну отвечает за значительный сегмент рынка услуг телевизионного вещания. Наземное телевидение – единственный способ доставки телевизионных программ к портативным переносным телевизорам и к приемникам, установленным на транспортных средствах.

В-третьих, наземное цифровое телевизионное вещание может оказаться важным фактором ускорения замены аналоговых телевизоров на цифровые и сокращения переходного периода совместного существования аналогового и цифрового телевидения. Аналоговое наземное телевидение является сейчас основным средством доставки программ во многих странах. Аналоговые телевизоры обладают высокой надежностью и зрители могут продолжать смотреть привычные программы аналоговых каналов еще многие годы. Цифровое наземное телевидение может дать таким зрителям побудительный мотив для замены аналогового телевизора на цифровой, поскольку оно способно предложить дополнительные платные программы, например кинофильмов и спортивных передач, без спутниковой антенны и кабельной сети (ведь цифровой способ дает возможность передачи нескольких программ в полосе частот одного аналогового канала).

Понимая эти обстоятельства, мировые лидеры цифрового телевидения (США, Европа, Япония) предлагают три стандарта цифрового наземного телевизионного вещания:

- DVB (Digital Video Broadcasting) – Европа;
- ATSC DTV (Advanced Television Systems Committee Digital Television) – США;
- ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting) – Япония.

ATSC

В 1998 году в США началось цифровое наземное телевизионное вещание по стандарту ATSC (Advanced Television Systems Committee). Предполагается, что к концу 1999 года более половины телезрителей в США получат доступ к цифровому телевидению. Хотя с использованием этого формата могут передаваться в цифровой форме телевизионные изображения стандартного формата и разнообразные данные, главное его назначение – телевидение высокой четкости. Процесс, приведший к появлению стандарта ATSC DTV, зародился в 1987 году, когда Федеральная комиссия по связи (FCC) США образовала Консультативный комитет по перспективным телевизионным системам с целью разработки стандарта наземного вещания для нового, более совершенного телевидения. Первые 23 рассмотренные системы были аналоговыми, но в 1990 году была предложена первая цифровая система телевидения высокой четкости, за которой последовали и другие. В 1993 году было решено объединить лучшие стороны рассмотренных систем и создать "лучшую из лучших" цифровую систему телевидения высокой четкости. В ответ на это был образован HDTV Grand Alliance (Большой Союз ТВЧ), объединивший в работе над телевидением высокой четкости ведущие фирмы и организации – представителей промышленности и науки. В декабре 1996 года FCC утвердила разработанную систему телевидения высокой четкости под названием ATSC DTV в качестве стандарта США. Исключение составила таблица, которая устанавливает точные форматы изображения и которая остается открытой, хотя и производители оборудования для цифрового телевидения и вещатели следуют форматам ATSC. Эта таблица определяет 18 форматов, которые комбинируют 2 основных формата изображения высокой четкости и 2 – стандартной с различными частотами кадров и соотношениями сторон. Американские специалисты считают, что способность цифровых телевизионных приемников декодировать все форматы является важным фактором, который обеспечивает свободу выбора параметров изображения в будущем. Они также полагают, что европейцы совершают серьезную ошибку, не закладывая такой возможности в своих телевизионных приемниках.

DVB-T

1998 год стал первым годом цифрового наземного телевизионного вещания в Европе по стандарту DVB. Начало работы над этим стандартом было положено в 1992 году. Тогда состоялось первое заседание группы европейских специалистов, которые собрались для обсуждения проекта цифрового телевизионного вещания, а в 1993 году родился европейский проект DVB (Digital Video Broadcasting – цифровое видео (телевизионное) вещание).

Основатели проекта DVB полагали, что технологии не должны создаваться ради технологий. Технология – это не цель, а средство. Новая технология должна прийти на рынок, который ждет ее и готов тратить деньги на ее приобретение. Проект DVB следует этому принципу с самого начала, что находит отражение в продуманной структуре всего проекта. Сначала коммерческий модуль (группа специалистов, включающая в себя экономистов) составляет требования пользователей и обобщает условия рынка, чему предшествуют детальные маркетинговые исследования. Если коллегия проекта одобряет эти требования, то технический модуль создает техническую спецификацию. Если коллегия одобряет составленную спецификацию, она направляется в Европейский институт стандартов в области телекоммуникации (ETSI) для возможного утверждения в качестве международного стандарта.

Первым стандартом, прошедшим этот путь к 1994 году, был стандарт DVB-S, который регламентирует цифровое спутниковое вещание. Интересно, что первое практическое применение этого европейского стандарта состоялось в 1995 году в Южной Африке и Таиланде. К сегодняшнему дню этот стандарт приняли сотни вещательных организаций разных стран, включая страны Европы, США, Японии. Уже 20 миллионов человек на пяти континентах смотрят телевизионные передачи в формате DVB-S.

Следующим был стандарт кабельного телевидения DVB-C, утвержденный через год. Сегодня кабельные сети в странах Скандинавии, во Франции, Германии, Великобритании, Италии, Испании, Аргентине, Бразилии, Австралии, США используют этот стандарт.

Затем пришла очередь стандарта наземного цифрового телевизионного вещания DVB-T, утвержденного в 1996 году, кстати, первым в мире.

Гармонизация всех сторон цифрового телевидения – принцип, положенный в основу проекта DVB. Семейство стандартов DVB определяют единую среду, в которой телевизионные программы в закодированном виде могут переноситься разными носителями, пока не окажутся в приемнике-декодере домашнего телевизора.

ISDB

Япония также завершила работу над стандартом цифрового телевидения, предложив систему цифрового вещания с предоставлением комплексных услуг (Integrated Services Digital Broadcasting).Основное внимание группы экспертов по цифровому вещанию DiBEG уделялось обеспечению гибкости передачи разнообразной информации, включающей разные телевизионные программы (в том числе высокой четкости), радиопрограммы и данные разнообразной природы. Однако японский стандарт появился позже своих конкурентов и пока рассматривается лишь странами, которые в силу ряда причин хотели бы получить цифровое телевидение в японском варианте.

Видеокомпрессия и модуляция: сходство и различия

Принятие единого мирового стандарта наземного вещания было бы наилучшим вариантом развития цифрового телевидения. Однако этого не произошло в силу многих причин: исторических, экономически и геополитических. Но если ни один из существующих ныне стандартов не окажется безусловным победителем, то повторится ситуация, которая сложилась однажды с системами цветного телевидения NTSC, PAL, SECAM. А если это случится, то не замедлит ли фрагментация мирового рынка телевизионных услуг процесс развития цифрового телевидения? Вопрос сложный и на него нет простого однозначного ответ.

Все системы цифрового наземного телевизионного вещания используют компрессию MPEG-2, которая стала мировым стандартом сжатия цифровых потоков. Поэтому все телевизоры и приемники должны иметь в своем составе MPEG-декодеры, которые представляют собой наиболее сложную часть аппаратов. Компоненты приемников, определяемые собственно стандартом вещания, составляют лишь часть аппаратов и определяют лишь часть их стоимости. Влияние стандарта не является преобладающим.

Различия между ATSC и DVB мало связаны с тем, в каких форматах увидит изображение на экране телевизора зритель. Выбор формата может быть сделан вещателем. Поскольку во всех системах используется MPEG-2, то одни и те же форматы изображения возможны во всех системах. В основу проекта DVB как средства доставки телевизионных программ изначально была заложена концепция "контейнера", который переносит любые данные с высокой степенью защиты. То обстоятельство, что первым предназначением DVB было телевидение стандартной четкости, не мешает заполнить этот "контейнер" цифровыми данными, описывающими изображение высокой четкости. С другой стороны, основной целью проекта ATSC было телевидение высокой четкости, но система ATSC может использоваться и для передачи телевизионных программ стандартной четкости.

Глубокие различия между системами проявляются на уровне модуляции, т.е. в том, как доставляются телевизионные изображения зрителю. В системе ATSC используется 8-уровневая модуляция 8-VSB с частично подавленной боковой полосой (Vestigial Side Band). Аналоговая версия такой модуляции используется в системе NTSC. Модуляция 8-VSB позволяет передавать данные со скоростью 19,3 Мбит/с в полосе шириной 6 МГц. Такой результат надо рассматривать как отличный. Модуляция 8-VSB была предложена еще во время работы HDTV Grand Alliance. В то время она показывала, безусловно, лучшие результаты в сравнении со всеми известными вариантами модуляции в цифровых системах телевидения.

DVB-T использует сравнительно недавно разработанную и мало известную систему модуляции с многими несущими, известную как OFDM или COFDM. Однако интерес представляют не только технические особенности работы этой системы модуляции, но и обоснование ее применения в проекте DVB-T.

Наземное вещание и COFDM

Система наземного цифрового телевидения, специфицированная в стандарте DVB, разрабатывалась с целью удовлетворения технических и экономических требований, согласованных разными сторонами: вещательными организациями, операторами сетей, органами государственного управления и регулирования, производителями оборудования. Спецификация описывает передаваемый сигнал и, таким образом, не задает структуру телевизионного приемника. Она также не определяет передаваемые данные (за исключением того, что это транспортный поток MPEG-2).

При выборе метода модуляции очень важны характеристики канала передачи. Для каналов спутниковой и кабельной систем DVB была выбрана в качестве оптимальной (обеспечивающей заданное качество при минимальной сложности телевизионного приемника) модуляция одной несущей. Для спутниковой системы стандарт DVB-S предусматривает квадратурную фазовую манипуляцию (QPSK – Quadrature Phase Shift Keying), для кабельной системы стандарт DVB-C определяет квадратурную амплитудную модуляцию (QAM – Quadrature Amplitude Modulation). Однако канал наземного телевидения значительно отличается от каналов спутникового и кабельного телевидения. В канале наземного телевидения возникают помехи из-за многолучевого приема, обусловленного рельефом местности, и отражений, вызванных как статическими объектами, например зданиями, так и динамическими объектами, например самолетами. Канал наземного телевидения отличает высокий уровень промышленных шумов. Из-за переполнения частотного диапазона, в котором возможно наземное вещание, велика вероятность интерференционных помех за счет взаимодействия с сигналами совмещенных и соседних каналов. Кроме того, в каждом регионе параметры канала наземного телевидения образуют специфические сочетания.

Основанием для выбора модуляции COFDM послужили требования к системе DVB-T, выработанные коммерческим модулем DVB и утвержденные в 1994 году:

- должна быть обеспечена передача изображения в форматах низкого разрешения,
   стандартного, расширенного и высокого;
- звуковое сопровождение должно обеспечивать стереозвук, систему многоканального звука, а
   также дополнительные услуги, например для слабослышащих;
- максимум общности с основными вариантами спутникового и кабельного телевидения;
- способность системы переносить информацию должна соответствовать концепции
  "контейнера", который может содержать различные данные и обеспечивать работу различных
   служб одновременно;
- система должна обеспечивать работу в условиях приема на стационарную антенну и на
   антенну портативных приемников (комнатную антенну);
- система должна быть оптимизирована с целью использования существующей сети
   телевизионных передатчиков;
- должна быть обеспечена возможность работы в одночастотных сетях;
- система должна разворачиваться как в региональных, так и в национальных масштабах при
   приемлемых экономических затратах;
- система должна быть малочувствительной к интерференционным помехам других
   телепередатчиков и создавать минимум помех службам наземного аналогового телевидения;
- система должна допускать реконфигурацию (для того, чтобы вещательные организации могли
   устанавливать оптимальные параметры и выбирать, например, между требованиями
   максимального охвата и скорости передаваемого цифрового потока);
- должна быть обеспечена возможность двухуровневой иерархической передачи информации.

Некоторые приведенные требования не влияют непосредственно на выбор системы модуляции и кодирования. Они могут быть удовлетворены за счет выбора параметров системы кодирования и модуляции. Но такие требования, как способность работать в одночастотных сетях и в условиях приема на комнатные антенны и антенны портативных приемников, являются определяющими при выборе системы модуляции. Мобильный прием рассматривался не как обязательное требование, а как желательная возможность. Способность работать в условиях быстроизменяющихся характеристик канала также не была абсолютным условием, но предусматривалось, что система должна быть малочувствительной к движению объектов в зоне вещания. Надо отметить, что эти выделенные из общего списка требования взаимосвязаны. Они означают, что система должна работать в условиях многолучевого приема, причем мощности сигналов, приходящих в точку приема с разными задержками, близки. Из всех известных методов модуляции сформулированным требованиям в наибольшей степени отвечает система COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Предложенная совсем недавно, она уже была тщательно исследована и проверена при разработке цифрового радиовещания DAB (Digital Audio Broadcasting).

Представляется, что наилучшим способом описания принципов модуляции COFDM будет представление по частям:

- FDM (Frequency Division Multiplexing) означает частотное уплотнение. Данные в канале связи
   переносятся с использованием большого числа несущих. Сначала поток передаваемых
   данных демультиплексируется, т.е. разделяется на большое число параллельных потоков,
   затем данными разделенных потоков модулируются отдельные несущие. Каждая несущая
   переносит поток данных, уменьшенный в число раз, равное количеству несущих;
- O (Orthogonal) означает, что несущие колебания являются взаимно ортогональными, поскольку
   их частоты кратны некоторой основной частоте. Ортогональность позволяет успешно
   детектировать модулированные несущие колебания даже в условиях частичного перекрытия
   боковых полос вокруг несущих. Даже в условиях сравнительно небольшой скорости потока
   данных, переносимого каждой несущей, возможны межсимвольные искажения, бороться с
   которыми позволяет защитный интервал перед каждым передаваемым символом. Структура
   и заполнение защитного интервала сохраняет ортогональность принимаемых несущих;
- C (Coded) символизирует важность кодирования для обеспечения характеристик системы.
   Кодирование включает в себя внешнее и внутреннее кодирование и перемежение с целью
   коррекции возникающих в канале ошибок.

Гибкость – важное качество системы DVB-T. Система имеет ряд параметров, которые могут выбираться вещателем для каждого передатчика, чтобы соответствовать условиям и среде, в которой осуществляется передача. К этим параметрам относятся:

- число несущих (1705 – в системе DVB 2K, 6817 – в системе DVB 8K). Система DVB 8K
   способна работать с большей длительностью задержки эхосигнала, система 2K более
   подходит для приема в движении;
- защитный интервал (от 1/32 до 1/4 от времени передачи одного символа). Величина
   защитного интервала выбирается, исходя из компромисса между способностью работать в
   условиях многолучевого приема и величиной скорости передаваемого цифрового потока. В
   нормальных условиях может использоваться сравнительно короткий защитный интервал.
   Большие интервалы могут использоваться в одночастотных сетях и при использовании
   локальных передатчиков, заполняющих "мертвые зоны";
- модуляция несущих (64 QAM, 16 QAM, 4 QAM). Изменение вида модуляции позволяет
   выбирать между помехозащищенностью и скоростью передачи данных;
- скорость кода (1/2 до 7/8). Допускается менять объем проверочных данных внутреннего кода в
   общем цифровом потоке, что меняет степень защиты от ошибок.

Важно отметить, что японский вариант системы цифрового наземного телевидения ISDB также использует систему модуляции COFDM, хотя и с некоторыми отличиями. В этой системе предлагается использование дополнительного уровня, описывающего сегментацию данных, между уровнями модуляции и компрессии. В соответствии с этим вся полоса частот делится на блоки (от 1 до 13), что позволяет более эффективным образом передавать разнообразную информацию.

Австралийский эксперимент

Первой страной, которая провела всесторонние сравнительные испытания систем цифрового наземного телевидения DVB-T и ATSC, решив в ближайшем будущем перейти к цифровому вещанию, стала Австралия. В 1998 году она будет вводить цифровое телевидение высокой четкости в стандарте DVB-T. Этому решению предшествовал почти двухлетний период всесторонних испытаний. Измерения, проводимые в Австралии, были сконцентрированы на одном варианте DVB-T, который был выбран исходя из близости к ATSC по величине передаваемого цифрового потока (около 19 Мбит/с). Параметры этого варианта таковы: 2K несущих, модуляция несущих – 64 QAM, защитный интервал – 1/8, скорость кода – 2/3. Сравнение DVB и ATSC проводилось первоначально по 50 пунктам, из которых 29 были признаны основными. Было выполнено множество сравнительных измерений в разнообразных условиях. Анализ результатов измерений может быть предметом самостоятельной работы. Здесь хотелось бы остановиться на качественных результатах, которые также весьма поучительны. Интересно отметить, что среди решающих факторов оказались:

- возможность обеспечить полный охват территории;
- прием на комнатную антенну;
- нечувствительность к многолучевому приему, повторам, отраженным сигналам, в том числе
   динамическим отраженным сигналам, например от самолетов;
- возможность приема в движении.

Выбор основных факторов был обусловлен местными условиями. Например, 34 процента зрительской аудитории Австралии еще принимает телевизионные программы на переносные телевизоры и на комнатные антенны.

Очевидно, что на решение повлияло и то, что есть ряд полезных для практики вариантов работы системы вещания, в которых способна работать лишь система DVB. Прежде всего, это одночастотные сети. Примером может служить сеть малых передатчиков, располагающихся в зонах плохого приема сигнала основного передатчика и работающих на той же самой частоте, что и основной. Это и возможность осуществления иерархической модуляции. Иерархическая модуляция – это построение системы модуляции верхнего уровня как комбинации двух процессов модуляции нижнего уровня. Она позволяет осуществить одновременную передачу сигналов телевидения высокой четкости (верхний уровень) и стандартной четкости (нижний уровень), причем помехозащищенность системы стандартной четкости является более высокой. Программы телевидения высокой четкости принимаются на стационарную высококачественную антенну. Сигнал стандартного телевидения, обладающий большей помехозащищенностью, может приниматься на комнатную антенну или в движении. Более того, если сигнал телевидения высокой четкости претерпевает значительные искажения, например из-за помех совмещенного канала, он может быть временно заменен сигналом телевидения стандартной четкости. Такая замена позволяет уменьшить свойственный цифровой системе "пороговый" эффект, проявление которого заключается в том, что изображение цифрового телевидения или воспроизводится с высоким качеством или не воспроизводится совсем. Конечно, платой за это является некоторая потеря в качестве или уменьшение скорости цифрового потока уровня телевидения высокой четкости.

Австралия выбрала DVB, объявив одновременно о сохранении своей приверженности телевидению высокой четкости. Такое решение стало мощным импульсом к уточнению приложений DVB в сфере телевидения высокой четкости, которое пока не рассматривается большинством европейских стран в качестве близкой перспективы.

Как уже отмечалось, основной целью проекта ATSC было создание системы цифрового телевидения высокой четкости. Американские специалисты утверждали и утверждают, что ATSC – единственно правильный путь к телевидению высокой четкости, но выбор Австралией системы DVB для цифрового вещания с высокой четкостью делает эти утверждения не бесспорными. Решение Австралии может послужить импульсом для аналогичного выбора другими странами. Ведь многие страны не имеют достаточных ресурсов для проведения всесторонних испытаний. Поэтому они будут принимать стандарт на основе результатов уже проведенных испытаний, а также в соответствии с исторически сложившимися международными связями.

Концепции...

Однако решение Австралии не стоит и абсолютизировать. Каждая система имеет свои преимущества, обусловленные исходными целевыми установками и концепциями. Это делает выбор особенно трудным для стран, которые не имеют собственной четкой концепции развития цифрового телевидения. В этой связи интересно сопоставить концепции систем ATSC и DVB. Система ATSC направлена на обеспечение уровня технического качества, которое будет считаться высоким не только сегодня, но и в будущем. Такая концепция, видимо, естественна для богатых Соединенных Штатов. Но всем ли она по карману?

Разработчики системы DVB-T полагают, что процесс внедрения цифрового телевидения должен продвигаться потребностями потребителей (зрителей), а не инженерами и политиками. Например, английские критики системы ATSC (а Великобритания первой начала вещание по системе DVB-T) полагают, что на европейском рынке телевизоры высокой четкости стоимостью в 10 тысяч долларов не будут пользоваться спросом.

В соответствии с системой DVB-T цифровое вещание может основываться сначала на стандартном чересстрочном разложении (625 строк при частоте полей 50 Гц). Оно может быть доступно обладателям аналоговых телевизоров с помощью приемников-декодеров (set-top box), которые преобразуют цифровые сигналы в сигналы аналогового телевидения, которые поступают на вход обычного телевизора. Для стимулирования перехода к цифре вещатели, например, могут частично субсидировать производство приемников-декодеров, которые могут быть терминалами и других информационных служб. Не случайно такие приемники-декодеры рекламируются примерно следующим образом: это – телефон, магазин, компьютер, кинотеатр, банк, радиоприемник, клуб, почтовый ящик, а также телевизионный приемник.

Когда зрители проявят интерес к более высокому качеству, они смогут приобретать телевизоры с построчным разложением, в которых чересстрочные изображения преобразуются в построчные из 625 строк с частотой кадров 50 Гц. Когда (и если) зрители проявят стремление еще увеличить четкость изображения на экранах своих телевизоров, вещатели смогут начать трансляции в формате телевидения высокой четкости (удвоив число строк и число пикселов в строке), а зрители – покупать новые телевизоры.

DVB – это семейство стандартов, которые делают переход к "цифре" экономически возможным для стран с разным уровнем благосостояния населения.

С момента появления проекта DVB было разработано большое семейство спецификаций для практически всех сфер цифрового телевизионного вещания. Эти спецификации были одобрены ETSI в качестве международных стандартов. В сфере информационных технологий создание семейства стандартов DVB представляет собой наиболее важное событие с момента появления Интернета. Сейчас DVB – проект глобальной системы цифрового телевидения и родственных мультимедиа служб. А успех DVB обусловлен в значительной мере тем, что двигателем этого проекта был рынок.