: архив : архив журнала "625" : 2000 : #3

Перспективы развития и преимущества DVB-T в России и странах ближнего зарубежья
Валерий Кухарев

Правда ли, что стандарт ATSC умирает?

Введение
Развитие телевидения в 60-х годах привело к созданию трех основных систем цветного телевидения: NTSC в 1961 г., SECAM в 1968 г., PAL в 1969 г., которые были совместимы с системами черно-белого телевидения. Цветовые компоненты видеосигналов системы SECAM передаются на поднесущих частотах: 4,40625 и 4,25000 МГц, системы PAL - на 4,433619 МГц и системы NTSC - на 3,579545 МГц. Точное значение частот определялось из соотношения, позволяющего осуществить перемежение спектров цветовой и черно-белой компонент видеосигнала таким образом, чтобы исключить взаимное мешающее влияние их друг на друга. На первом этапе внедрения цветного телевидения такой выбор частот обеспечивал минимальную помеху на экране черно-белых телевизоров: помеха от цветовых компонент образовывала на экране рисунок типа "холст".

Системы телевидения PAL, NTSC и SECAM основаны на частотном разделении видеокомпонент сигнала и на выделении частотно-модулированного сигнала звука. В них невозможно идеально разделить цветовую и яркостную компоненты сигнала, имеющие пересекающуюся область спектра. Общеизвестен дефект изображения в области часто перемежающихся вертикальных черных и белых линий, который проявляется в виде цветного муара. При передаче полного сигнала цветности по каналам телевизионного вещания и радиорелейным линиям в стандарте SECAM встречаются также дефект изображения типа "факел", который связан с ограничением сигнала в тракте передачи, и эффект сползания строк, который проявляется в виде вертикально перемещающихся горизонтальных тонких линий на участках изображения с высокой насышенностью.

Развитие систем спутниковой связи привело к необходимости создания новых принципов передачи телевизионного изображения. Промежуточным этапом между аналоговым и цифровым телевидением стали системы передачи DMAC, D2MAC и их американский вариант BMAC. Они отличались тем, что в них мультиплекировались аналоговые компоненты яркостного сигнала и сигнала цветности, а звук и данные передавались в цифровом пакете. Для коррекции ошибок цифровых данных использовались коды Хеминга. Цветовая компонента сжималась по времени в соотношении 3: 1, а яркостная - 3: 2. В промежутке между ними, который в обычном видеосигнале занимает синхросмесь, передавался цифровой пакет звука и данных. Для преобразования в композитный (PAL) или компонентный (RGB) сигналы использовались 8-разрядные АЦП. При передаче по спутниковым и радиорелейным линиям связи полоса частот составляла как и в случае передачи аналогового телевизионного ЧМ сигнала 27-36 МГц.

Применение систем передачи DMAC, D2MAC и BMAC привело к значительному улучшению качества приема изображения, поскольку цветовая и яркостная компоненты видеосигнала разнесены по времени. Это было реализована в программе DIGIT-2000 компании ITT. К настоящему времени стандарт исчерпал возможности развития, поскольку в нем используется принцип передачи мультиплексированного аналогового видеосигнала с присущими ему недостатками. Тем не менее DMAC и D2MAC еще используются в скандинавских странах несмотря на развитие цифрового телевидения, так как большая часть населения имеет декодеры D2MAC.

Группа экспертов по движущимся изображениям - MPEG
Полный телевизионный сигнал обладает определенной избыточностью. Так например, если бы существовала техническая возможность исключить все пустые промежутки в спектре видеосигнала, то удалось бы получить реальный спектр с полосой всего 400 КГц вместо 5 МГц, но такая возможность в настоящее время неизвестна. Простое аналого-цифровое преобразование видеосигнала приводит к увеличению занимаемой полосы частот в десятки раз и поэтому не совместимо с существующими линиями связи.

Решить задачу передачи полного цифрового видеосигнала по существующим каналам связи смогла Moving Pictures Expert Group (группа экспертов по движущимся изображениям). Работы были начаты в 1992 г. В 1994 г. был выработан международный стандарт MPEG-2. Для телевидения высокой четкости (ТВЧ) предназначался стандарт MPEG-3, впоследствии объединенный с MPEG-2 и прекративший свое самостоятельное существование. В настоящее время свыше 300 компаний-производителей поддерживают стандарт MPEG-2 и принципы DVB, что означает совместимость оборудования разных фирм и обеспечивает заполнение 16 таблиц, предусмотренных стандартом MPEG-2, а также введение в MPEG поток всех инструкций, по которым приемник должен этот поток "распаковывать".

Основной принцип цифровой компрессии сигнала заключается в накоплении кадров изображения и последующей их обработке. Транспортный поток данных стандарта MPEG-2 представляет собой последовательность транспортных пакетов. В каждом пакете передается видеоинформация, или звук, или цифровые данные. Период следования синхрослов составляет 0,1 с. Существовавшие на момент создания стандарта MPEG-2 каналы связи отличались как полосой пропускания, так и разной помехозащищенностью. Для спутникового канала связи при аналоговой передаче сигнала (ЧМ) было типично значение полосы пропускания 27-36 МГц, а соотношение С/Ш на входе приемника 10,5 дБ, поэтому для цифровой спутниковой передачи была предложена QPSK модуляция. Ее использование позволило обеспечить устойчивую связь при соотношении С/Ш на входе приемника до 6 дБ. Для кабельных сетей было типично значение полосы пропускания 8 МГц (в Европе, Азии, Африке и Австралии), а соотношение С/Ш на входе аналогового приемника 46 дБ (при амплитулной модуляции), поэтому для кабельных применений используется QAM64 модуляция, позволяющая при соотношении С/Ш на входе цифрового приемника 24 дБ обеспечивать устойчивый прием.

Эфирное цифровое вещание
Особое внимание при разработке стандарта эфирного цифрового вещания уделялось устойчивости приема и стойкости к переотраженным сигналам, при этом учитывался опыт распространения аналогового сигнала метрового и дециметрового диапазонов волн в реальных условиях. Было обнаружено, что в любой части города имеется достаточная напряженность поля для уверенного приема, однако наложение многих отраженных волн в точке приема искажает сигнал и делает прием невозможным. Подключив телевизор к комнатной антенне, легко увидеть, что при приеме сигнала даже с находящейся в прямой видимости башни картинка может существенно искажаться, если двигаться в данном помещении. В комнате образуются стоячие волны, и тело человека, являющееся электрическим диполем, может менять их картину. Следует обратить внимание также на тот факт, что положение максимумов и минимумов стоячих волн зависит от частоты сигнала и поэтому в точке приема разные частотные компоненты спектра сигнала могут избирательно подавляться. В США этот факт был принят во внимание и все усилия специалистов были сосредоточены на адаптивном выравнивании (эквилизации) амплитудно-частотной характеристики сигнала, искажающейся под действием отраженных волн. Этот метод хорош только при низком уровне отраженных сигналов. Когда уровни основного и отраженного сигналов становятся соизмеримыми, то на некоторых частотах принимаемый сигнал обращается в ноль и устройству эквилизации нечего усиливать.

Рис. 1. Спектр сигнала DVB-T

В качестве эффективного средства борьбы с переотражениями в Европе был применен метод быстрого преобразования Фурье с введением защитных промежутков. В результате быстрого преобразования Фурье на выходе передатчика имеются либо 2000, либо 8000 узкополосных несущих Каждая из несущих модулирована QPSK, QAM16 или QAM64 в зависимости от режима работы. Также в модуляторе имеется возможность менять в широких пределах защитный интервал: от 1/4 до 1/32. Спектр выходного сигнала приведен на рис. 1.

В точке приема радиоволны, приходящие с разных направлений, накладываются и часть из 8000 несущих может быть подавлена, однако это никоим образом не сказывается на сигнале, получаемом после обратного преобразования Фурье. Действие защитных промежутоков может быть интепретировано на примере эха в горах. Если попытаться произнести длинную фразу, то ее трудно понять, потому что многократное эхо наложится и заглушит ее. Другими словами, в условиях многократного эха внятности нет. Представим теперь, что тоже самое проговаривается с длинными паузами между слогами. Догадливый наблюдатель может заметить, что не только отчетливо слышит каждый слог, но в данном случае эхо помогает разобрать его, многократно повторяя. Этот несложный способ был реализован в стандарте цифрового эфирного вещания DVB-T и показал исключительную устойчивость и помехозащищенность приема. Реализованные проекты DVB-T в Англии, Германии, Израиле, Испании, Нидерландах, Португалии, Финляндии, Швеции демонстрируют исключительную устойчивость телевизионного приема.

Недостатки стандарта ATSC
В отличие от Европы, принявшей стандарт цифрового эфирного вещания DVB-T, в США Федеральной Комиссией (FCC) был рекомендован стандарт ATSC. Этот стандарт использует 8-уровневое амплитудное кодирование с подавленной боковой полосой (8VSB). Стандарт включает в себя много степеней помехоустойчивого кодирования, а также адаптивную эквилизацию, об основной идее которой рассказано выше: при значительной величине отраженного сигнала эквалайзер не сможет выровнять частотную характеристику на частотах, при которых сигнал обращается в 0. Фактически это означает, что указанное для приемника ATSC соотношение С/Ш 15 дБ включает в себя также и отраженный сигнал в отличие от приемника DVB-T, который, хотя и имеет пороговое значение С/Ш 18 дБ, работает даже при равенстве основного и отраженного сигналов. Это является существенным ограничением применения стандарта ATSC во многих странах, так как соотношение С/Ш не может быть достигнуто даже увеличением мощности передатчика, поскольку пропорционально возрастает и уровень отраженных сигналов. Для правильной работы схемы эквилизации были введены опорные импульсы в MPEG-2 поток, так что структура сигнала стала похожа на структуру сигнала аналогового телевидения NTSC. Учитывая это обстоятельство, а также амплитудный характер сигнала ATSC, нетрудно догадаться, что возникла проблема помехоустойчивости цифрового приема к аналоговому. Это потребовало введения заградительных фильтров для сигналов аналогового телевидения. Отказ от аналогового телевидения также может быть решением этой проблемы. Следует отметить, что при разработке в стандарте ATSC были использованы помехоустойчивые способы кодирования, меж- и внутрисегментные перемежения ошибок и помехоустойчивость приближена к теоретическому пределу.

Сравнение ATSC и DVB-T
Если бы американские специалисты проводили сравнительные испытания своей системы не только в условиях лаборатории, но и в реальном городе, то они вряд ли обнаружили бы преимущества стандарта ATSC. В самом деле, если говорить о качественных показателях, и ATSC, и DVB-T доставляют до каждого зрителя то студийное качество, которое создается ведущими телевизионными компаниями. В этом отношении эти стандарты сравнивать бессмысленно. DVB-T, как и ATSC, включают в себя телевидение высокой четкости и Долби АС-3. В основе стандартов лежит MPEG-2, но что их действительно отличает - это надежность доставки сигнала конкретному телезрителю. Так, например, если во время показа бейсбола в стандарте ATSC на антенну неожиданно сядет птица и из-за этого прервется передача, то зритель будет неудовлетворен работой такого телевидения.

Если сравнивать США и Россию, то кому-то может показаться, что страны похожи. Но это верно только в отношении их обширных территорий. Как для США, так и для России это означает важность развития спутниковой группировки для первичного распространения и перераспределения телевизионных программ. Отличия прежде всего связаны с разными климатическими условиями. Их можно проиллюстрировать сравнением Нью-Йорка и Москвы. В Нью-Йорке есть центральная часть - Манхэттен, состоящая из небоскребов, и в этой части города телевидение исторически распространялось только по кабелю. Остальная часть Нью-Йорка - это немногоэтажные здания либо деревянные, либо кирпичные с деревянными перекрытиями, то есть радиопрозрачные. Как бы ни показалось странным, но радиопрозрачность зданий облегчает телевизионный прием. Однако даже при таких благоприятных условиях прием ATSC на комнатные антенны и переносные телевизоры не рассматривается вовсе. В Нью-Йорке каждый дом подсоединен к кабелю, тем не менее каждая американская семья имеет на один подсоединенный к кабелю телевизор 3-4 дополнительных с комнатной антенной. Таким образом, практическое внедрение стандарта ATSC наглядно показало несостоятельность как амплитудной модуляции (8VSB), так и отсутсвие эффективного средства борьбы с отраженным сигналом. Реально вместо рекламируемого уменьшения мощности передатчика ЦТ фактически мощность передатчика на самом высоком здании Нью-Йорка была увеличена до 350 кВт, не обеспечивая при этом гарантированный прием в каждой точке городе. Отрадно заметить, что в США выделен диапазон для экпериментального DVB-T вещания.

В Москве здания в основном железобетонные или кирпичные с железобетонными прекрытиями. Даже многие дачные поселки и города состоят из домов, содержащих железобетонные или металлические конструкции, которые делают их нерадиопрозрачными. Не следует забывать и о том факте, что в России и странах ближнего зарубежья принят стандарт аналогового телевидения SECAM, меры защиты от помех которого в стандарте ATSC не предусмотрены вообще. Внедрение стандарта ATSC в России будет не только вредным, но и губительным, поскольку потребует колоссальных капиталовложений в антенно-фидерное хозяйство телевизионных сетей, а также немедленного отказа от аналогового вещания в стандарте SECAM. Увидеть, как работают помехокомпенсирующие фильтры, подобные используемым в ATSC, можно на примере бытового видеомагнитофона. Если поставить запись в стандарте PAL и изменять "трекинг" в сторону ухудшения изображения, можно заметить, что сигнал цветности не ухудшается даже при появлении на изображении едва заметных штрихов. Это же справедливо и для стандарта NTSC. Если же поставить кассету стандарта SECAM, то наблюдается резкое ухудшение сигнала цветности при тех же условиях. Схемы, служащие для помехоподавления в бытовом видеомагнитофе, примерно аналогичны по устройству используемым в стандарте ATSC и совершенно не применимы в случае SECAM, поэтому всегда отключаются автоматически. Если бы они не отключались, то еще больше усугубили ситуацию и исказили сигнал.

Преимущества DVB-T
Стандарт DVB-T использует специальные методы модуляции и защитные интервалы в сочетании с быстрым преобразованием Фурье, обеспечивая наибольшую помехоустойчивость. Он позволяет варьировать степень защищенности, скорость передачи и коррекцию ошибок. Данные возможности позволяют создавать системы эфирного цифрового телевидения, оптимальные для каждого населенного пункта или города.

В результате быстрого преобразования Фурье на выходе передатчика присутствует 8000 узкополосных несущих. Какое-то количество несущих подавляется в точке приема в результате интерференции, оставшиеся проходят обратное преобразование Фурье в приемнике и на выходе получается неискаженный сигнал.

Преимуществом DVB-T является возможность приема ТВ программ в случае наложения зон уверенного приема нескольких телецентров, работающих на одной частоте. Синхронизация телецентров происходит по эталону частот любого доступного спутника. Конечно, все телецентры, ведущие передачу 6-7 общенациональных программ на одной несущей, должны передавать пакет программ одновременно и идентично.

В "625", №10, 1999, стр.85, табл.2 приведены скорости передачи данных в зависимости от кода защиты. Изменяя параметры защитного интервала от 1/4 до 1/32, коррекцию ошибок (FEC) от 1/2 до 7/8 и виды модуляции (QPSK, QAM16 и QAM64), можно получить широкий диапазон скоростей передачи от 4,98 до 31,67 Мбит/с в полосе частот 8 МГц. Если задаться очень скромными требованиями к качеству передачи (2 Мбит/с), то это соответствует 2-16 программам телевидения на одной несущей частоте. Или вдвое меньше (до 8 программ) при скорости 4 Мбит/с с лучшим качеством. В отличие от ATSC передаваемые ТВ программы никак не связаны со структурой сигналы, и в одном транспортном потоке могут присутствовать форматы как телевидения стандартной, так и высокой четкости с разложением на 525 и 625 строк.

Почему стоит выбрать DVB-T
Работа телецентров с перекрывающимися зонами уверенного приема на одной частоте полностью отсутствует в ATSC и рекомендована к применению в стандарте DVB-T. Это разрушает привычное представление о частотном планировании, делает не нужным строительство высоких антенных сооружений, уменьшает в 6…7 раз количество передатчиков и позволяет дополнительно уменьшить мощность передатчика на 25…30%.

Стойкость к многократным переотражениям при равенстве основного и отраженного сигналов обеспечивается в стандарте DVB-T и полностью отсутствует в ATSC (уровень отраженного сигнала менее 15 дБ).

Стандарт DVB-T не требует отказа от существующих программ аналогового телевидения, так как обладает высокой защищенностью к аналоговому ТВ. Меньшая защищенность стандарта ATSC даже при наличии режекторных фильтров NTSC заставила правительство США принять программу полного перехода на цифровое вещание.

Ширина полосы частот в стандарте DVB-T полностью адаптируется под любую страну и фиксирована в ATSC (только 6 МГц).

Скорость передачи в стандарте DVB-T варьируется от 5 до 32 Мбит/с и фиксирована в ATSC (19,3 Мбит/с).

Стандарт DVB-T поддерживает, так же как и ATSC, ТВЧ и Долби АС-3.

Фактическая мощность передатчика, например, в Лондоне составляет менее 10 кВт и обеспечивает уверенный прием стандарта DVB-T в радиусе 114 км, тогда как в Нью-Йорке передатчик мощностью 350 кВт не обеспечивает 100-процентного приема и в радиусе 10 км.

Прием на комнатную антенну или переносной телевизор не вызывает проблем в стандарте DVB-T, в стандарте ATSC в большинстве случаев невозможен.

Параметры стандарта DVB-T могут быть хорошо приспособлены к городской застройке. Есть возможность выбора: постепенно увеличивая количество передаваемых ТВ программ, при появлении зон неуверенного решить - выгоднее улучшить кабельную разводку в домах или ограничиться достигнутым количеством программ.

Стандарт DVB-T позволяет применять обычное устаревшее антенно-распределительное оборудование, без всяких доработок, тогда как в ATSC необходимо применение узконаправленных ТВ антенн с возможностью подстройки (при помощи мотора), не гарантирующее при этом уверенный прием.

Оборудование для реализации проектов DVB-T
На самом деле требуется немного оборудования для цифрового эфирного вещания, поскольку большинство программ уже "оцифрованы" или могут быть получены со спутника в стандарте MPEG-2. Для реализации недорогих проектов цифрового телевидения можно использовать методы, при которых выходной цифровой сигнал приемника в виде транспортного MPEG-2 потока может подаваться на COFDM модулятор для цифрового эфирного вещания или на QAM64 модулятор для кабельного применения.

Рис. 2. Трансмодуляция с заменой таблиц

На рис.2 приведен пример системы, в которой цифровые пакеты принимаются со спутников, выходные транспортные потоки из приемников поступают на мультиплексор, на его выходе появляется новый пакет программ, используемый для эфирного цифрового вещания. Мультиплексор также меняет таблицы в MPEG-потоке. Наиболее распространенным интерфейсом является DVB-ASI. С помощью мультиплексора можно легко перемультиплексировать несколько пакетов, изменив названия программ и их количество, а также ввести при необходимости систему условного доступа. На рис. 3 приведен пример реализации перемультиплексирования с введением системы условного доступа.

Рис. 3. Перемультиплексирование

Более сложные системы включают в себя большое количество звуковых и видеокодеров, при этом стоимость ее возрастает. В любом случае при проектировании систем ЦТ надо избегать ненужных ЦАП- и АЦП-преобразований. Современный уровень развития техники позволяет легко это делать, не выходя из MPEG-2 потока.

Заключение
Реализованные проекты показали неоспоримые преимущества DVB-T. Австралия провела скрупулезный сравнительный анализ стандартов DVB-T и ATSC, результатом которого явился выбор DVB-T. Сингапур провел сравнительные испытания DVB-T, ATSC и японского стандарта ISDB-T, который является модификацией DVB-T, и также выбрал DVB-T. Интересно, что стандарт ISDB-T не выдержал испытаний на движущемся автомобиле в туннеле. Страны ближнего зарубежья в выборе стандарта ЦТ последуют за Россией. Огорчает, что кое-кто в России до сих пор старается склонить общественное мнение в пользу стандарта ATSC. Около 400 компаний телевещателей США отказываются вещать в стандарте ATSC и требуют принятия стандарта DVB-T как государственного. И несмотря на то что FCC продолжает внедрять ATSC, выделение диапазона для экспериментального вещания DVB-T в США является подтверждением неправильности ее политики.

Реальное уменьшение мощности передатчика обеспечивается только для DVB-T.

В России возможно использование существующего антенно-фидерного оборудования для стандарта DVB-T, и это очень важно с учетом экономической ситуации. От применения DVB-T выигрывают различные группы населения. Люди "с толстым кошельком" получают в дом цифровое качество телевидения с домашним кинотеатром, телевидение по запросу, не афишируя этого, так как не требуются спутниковые антенны. В простейшем случае прием возможен на комнатную антенну. Цифровое телевидение обеспечивает также доступ в Internet с обратным каналом через сотовую телефонию.

Люди со средним достатком смогут подключить к своим телевизорам недорогие приставки (STB) и получать студийное качество ТВ программ.

Люди с низким уровнем жизни тоже выигрывают. Поскольку частотный план многих городов практически исчерпан, увеличение количества каналов невозможно без перехода к ЦТ. Владельцы новых телевизионных программ будут предоставлять приемное оборудование кабельным операторам, которые будут распределять программы ЦТ в обычном аналоговом виде. Телезрители при таком построении сети оказываются ближе к источникку телепрограммы и качество при этом повышается существенно, так как выходной сигнал цифрового приемника имеет студийное качество и гораздо меньше подвержен влиянию каких-либо помех при распределении по кабельной сети.

Телевизионным компаниям выгодно DVB-T, потому что на одной частоте можно передавать несколько программ и, соответственно, затраты на лицензию снижаются, а как следствие снижение потребности в частотах также неминуемо приведет к уменьшению их стоимости.

Возможность приема сигнала DVB-T на движущемся транспорте (до 300 км/ч) также демонстрирует преимущество перед ATSC. В США предусмотрено применение стандарта DVB-T для этих целей.

Организация передающих ТВ сетей ЦТ на одной частоте позволяет доставлять телевидение в густонаселенные районы России и ближнего зарубежья. Не обязательно строить высокие башни и применять мощные передатчики. ATSC не позволяет этого, а также не идет речи о возможности передачи данных.

Что касается вопроса вынесенного в заголовок, то внимательный читатель сможет ответить на него сам.

	ATSC	DVB-T
Работа телецентров с перекрывающимися зонами уверенного приема в сети на одной частоте	невозможна	рекомендована и применяется во многих странах
Стойкость к многократнымпереотражениям	при уровне отраженных сигналов не хуже 15 дБ	при равенстве основного и отраженного сигналов
Вывод	применение узконаправленных ТВ-антенн с возможностью подстройки (при помощи мотора) не гарантируется прием в городе	применение существующего антенно-распределительного оборудования без доработок
Помехоустойчивость к аналоговым каналам	плохая (несмотря на режекодный фильтр NTSC)	хорошая при отсутсствии нелинейных искажений в домовом усилителе
Вывод	потребуются отдельные специальные усилители, полосовые фильтры, схемы сложения	не требует дополнитьных мер
Прием на комнатную антенну или переносной телевизор	в большинстве случаев не возможен	не вызывает проблем
Ширина полосы, МГц	фиксированная, 6	адартируемая, 6, 7 или 8
Скорость передачи, Мбит/с	фиксированная, 19,3	регулируемая, 5,0...31,7
Телевидение высокой четкости	+	+(Австралия)
AC3 Dolby	+	+(Австралия)
Мощность передатчика, кВт в Лондоне, Глазго и Кардифе		10
в Нью-Йорке	350
Радиус зоны уверенного приема, км	есть кварталы, в которых прием невозможен	113(145)
Вывод	большая мощность из-за плохой совместримости с аналоговыми ТВ (заградительный фильтр SECAM в приемниках отсутствует)	малая мощность, прием устойчивый

Сводная сравнительная таблица стандартов ATSC и DVB-T