: архив : архив журнала "625" : 2001 : #3

Некоторые важные аспекты цифрового телевизионного вещания
Николай Мамаев

Цифровая технология в телевидении открывает новую эру не только в развитии телевизионного вещания, но и в значительной мере расширяет всю информационную структуру страны. Цифровые методы передачи позволяют: объединить цифровые потоки от разных источников; эффективно взаимодействовать различным системам связи между собой и с компьютерными сетями; а также предоставляют широкой пользовательской аудитории возможность доступа к глобальным и локальным информационным сетям и многое другое.

В сфере телевизионного вещания переход на "цифру" позволяет:

• уплотнить типовой радиоканал с полосой 27…36 МГц 4…8 программами повышенного   качества;
• ввести новые службы вещания, развлечения, образования, бытового обслуживания;
• передавать по телевизионным каналам электронные версии газет, игры, музыкальные   программы, сигналы различных телематических служб (например, телетекст);
• организовать для телезрителей интерактивные каналы по оказанию услуг в сфере торговли,   проведению телевизионных игр;
• создавать образовательные и другие программы;
• удешевить и ускорить процесс создания и увеличения числа телевизионных программ за счет   автоматизации телевизионного вещания.

Разработки систем цифрового телевидения в современных условиях ведутся, как правило, группами высококвалифицированных специалистов различного профиля с тем, чтобы придать этим системам универсальный характер. В США созданный еще в 1980 гг. Консорциум "Большой Альянс" предложил полностью цифровую систему телевидения высокой четкости HDTV (High Definition Television) для вещания по наземным каналам, известную в литературе под названием ATSC (Advanced Television Systems Commettee). Для внедрения цифрового телевидения в глобальном масштабе общепризнанной является необходимость создания единого мирового стандарта.

В настоящее время предложены и конкурируют два проекта: американский ATSC и европейский DVB (Digital Video Broadcasting). В 1999 г. Японией был предложен стандарт ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting), являющийся развитием DVB-T для мультимедийных систем передачи разнообразной информации.

Однако основой указанных проектов является MPEG-компрессия (MPEG – Moving Picture Expert Group), основные принципы которой разработаны группой специалистов стран Западной Европы, США, Японии и других стран.

Разработчики стандарта ATSC главной целью своего проекта поставили обеспечение качественных характеристик изображения, необходимых для телевидения высокой четкости. С учетом широкого распространения высококачественных сетей кабельного телевидения в США подобная цель оправдана.

В системе ATSC компрессированный цифровой поток сигналов (видео и аудио) модулирует по амплитуде несущую, образуя 8- или 16-уровневые радиосигналы с подавленной нижней боковой полосой (8-VSB или 16-VSB (Vestigial Side Band)). В кабельных и радиорелейных линиях связи используются сигналы 16-VSB, а в наземном вещании – 8-VSB. В стандарте ATSC предусматривается чересстрочная развертка с числом активных строк 1080, причем ведущие телевизионные компании США уже в конце 1998 г. начали передачи по этой системе, а к 2003 г. планируют полностью внедрить ее по всей стране.

Для спутникового цифрового ТВ-вещания специалистами США предложены две модификации систем: DSS (система В) и G1MPEG-2 (система С), но применяется модуляция QPSK (4 ФМ), как и в европейской системе DVB (A).

В Европе, в том числе и в России, значительный удельный вес в телевизионном вещании занимают сети наземного телевидения. Поэтому для Европы стандарт цифрового ТВ предусматривает три разновидности: DVB-S (Sattelite), DVB-C (Cable) и DVB-T (Terrestrial), т.е. для спутниковых, кабельных и наземных сетей телевизионного вещания соответственно. Необходимость разработки трех модификаций вызвана значительным различием условий распространения сигналов в космосе, кабеле и тропосфере. Наличие переотраженных от неоднородностей тропосферы сигналов, особенно в условиях большого города, требует применения специальных методов модуляции, нечувствительных к эхосигналам.

Для передачи цифровых сигналов DVB по наземным радиоканалам применяется ортогональная модуляция многих несущих COFDM (Coded Orthogonal Freguency Division Multiplexing). FDM – частотное уплотнение, при котором первоначальный цифровой поток разделяется на параллельные потоки, модулирующие множество несущих (рассматриваются две системы на 1705 и 6817 несущих).

O (orthogonal) означает, что несущие частоты взаимно ортогональны, т.е. кратны некоторой основной частоте. Coded – это внешнее и внутреннее кодирование, а также перемежение с целью коррекции возникающих в канале ошибок.

В Европейском стандарте DVB телевидения высокой четкости (ТВЧ) предусматривается передача изображения при чересстрочном разложении на 1020 активных строк.

Применение модуляции COFDM в DVB-T предопределило целый ряд преимуществ этого стандарта по сравнению с ATSC. Проведенные в Австралии длительные сравнительные испытания выявили следующие преимущества DVB-T:

• возможность приема ТВ-программ на движущихся со скоростью до 300 км/час объектах, в том   числе и в тоннелях;
• значительное уменьшение мощности передатчика – на 10...15 дБ (до 35 раз);
• возможность приема сигналов на простейшую комнатную антенну;
• обеспечение доступа в Интернет при организации обратного канала через сотовую   телефонную сеть;
• существенное снижение помех аналоговым телевизионным каналам от сигнала DVB-T и его   практическая нечувствительность к сигналам телевидения;
• способность системы DVB-T работать при равных уровнях прямого и отраженного сигналов,   в то время как система ATSC удовлетворительно работает лишь при уровнях отраженного   сигнала 15 дБ;
• возможность работы телецентров с перекрывающимися зонами уверенного приема в сети на   одной частоте;
• существенное уменьшение капитальных вложений при реализации за счет использования   имеющихся антенно-фидерных устройств;
• увеличение радиуса зоны уверенного приема до 100 и более км при мощности передатчика 10   кВт;
• регулируемая скорость передачи в пределах от 5 до 32 Мбит/с вместо 19 Мбит/с ATSC, что   позволяет существенно увеличить пропускную способность систем.

Поэтому, кроме стран Европы (Великобритания, Испания, Нидерланды, Португалия, Финляндия, Швеция), стандарт DVB-T уже приняли Австралия, Израиль, Сингапур и некоторые другие, в том числе и Япония – в модернизированном варианте ISDB-Y. Кроме того, его рассматривают в качестве основного в Гонконге и некоторых странах Южной Америки.

Ниже рассматриваются принципы преобразования аналоговых сигналов видео и звука в цифровые и формирования из них цифровых компрессированных потоков без сколько-нибудь заметного снижения качества изображения.

Цифровое преобразование и сжатие видеосигналов

На рис. 1 представлена схема компрессии цифрового видеосигнала в формате MPEG-2. На вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) поступают три составляющих видеосигнала – яркостная составляющая (Y) и две цветоразностных – красная (R-Y) и голубая (B-Y), а также синхронизирующие сигналы. Составляющие R-Y и B-Y выбраны потому, что глаз человека в меньшей степени реагирует на искажения цветовых тонов именно при таком варианте.

Рис. 1. Структурная схема компрессии цифрового видеосигнала по методу MPEG:
1 - аналого-цифровой преобразователь (дискретизатор); 2 - вычитатель;
3 - дискретно-косинусный преобразователь прямой; 4 - квантователь прямой;
5 - кодер переменной длины; 6 - буфер; 7 - контроллер скорости;
8 - определитель вектора движения; 9 - компенсатор движения; 10 - сумматор:
11 - квантователь инверсный; 12 - дискретно-косинусный преобразователь инверсный

Алгоритм сжатия устраняет имеющуюся в видеосигнале избыточность в виде мало различающихся фрагментов изображения в одном кадре (неподвижный фон, а также незначительные отличия между соседними и близкими кадрами. Таким образом, сжатие видео- и звуковых сигналов позволяет резко уменьшить избыточность в ТВ-сигнале.

При межкадровом кодировании через каждые 10…15 кадров выбираются опорные кадры (I – intra – кадры), которые считаются основными и кодируются независимо от других кадров. Остальные кадры микропроцессор сравнивает между собой и с опорными кадрами, и в результате сравнения вырабатываются сигналы различия на основе алгоритма предсказания с компенсацией движения. Эти операции выполняются в блоках 2 (вычитатель), 8 (определитель вектора движения) и 9 (компенсатор движения). Вспомогательные кадры разделяются еще на два типа: предсказанные Р-кадры (Predictive), закодированные на основе предыдущих кадров (I или Р), и интерполированные В-кадры (Bidirectionally – predictive), закодированные на основе предыдущего и последующего кадров.

Таким образом, В-кадры сохраняют лишь самую энтропийную часть информации об отличиях от предыдущего и последующего изображений (I или Р).

Избыточность, имеющаяся в сигнале различия между тремя типами кадров (I, P, B), устраняется в блоках дискретно-косинусного преобразования (блоки 3, 12). Дискретно-косинусное преобразование (ДКП) – система внутрикадровой компрессии, используемая при компрессии MPEG-2. Для этого кадр предварительно разбивается на кадровые блоки площадью 8x8 и 16x16 пикселей. Затем каждый блок подвергается дискретно-косинусному преобразованию, в результате которого исходная матрица блоков трансформируется в матрицу частотных коэффициентов. Каждый коэффициент характеризует амплитуду определенной частотной составляющей кадра, причем коэффициенты в матрице располагаются по возрастанию частот в вертикальном и горизонтальном направлении. В этом случае матрица превращается в двухмерный частотный спектр кадра изображения в вертикальном и горизонтальном направлениях. Основная энергия будет концентрироваться вблизи нулевых частот. Амплитуда менее значимых высокочастотных составляющих, как правило, мала или равна нулю. Потеря их практически не ухудшает качество изображения. По алгоритму ДКП коэффициенты, не превышающие некоторого порогового значения, не передаются, что и приводит к желаемой компрессии.

Кодер переменной длины (блок 5) осуществляет энтропийное кодирование: уменьшает коэффициент сжатия для наиболее информативных кадров
(I-кадры) и, наоборот, увеличивает его для Р-кадров и, особенно, для В-кадров. Первоначальный цифровой поток с выхода схемы компрессии поступает на схему рандомизации (скремблирования), формирующую псевдослучайный цифровой сигнал, подвергаемый далее помехоустойчивому кодированию с помощью сверточных кодов и кодов Рида-Соломона. В наземных цифровых ТВ-системах используется еще решетчатое кодирование, позволяющее снизить влияние переотраженных сигналов на качество изображения.

Применяемое в системах цифрового телевизионного вещания многоступенчатое кодирование позволяет получить на входе демультиплексора MPEG-2 (на выходе радиоканала) вероятность ошибки 10-10...10-11, т.е. в приемном устройстве искажения будут появляться не чаще, чем одна ошибка за один час передачи.

Цифровое преобразование и сжатие звуковых сигналов

Каналы звукового вещания принято делить на три класса: высший (полоса частот 30 Гц…15 кГц), первый (50 Гц…10 кГц) и второй (100 Гц…6 кГц). Магистральные каналы вещания (и, соответственно, звукового вещания при передаче телевизионных программ) должны удовлетворять требованиям к каналу первого класса, т.е. полоса частот должна быть в пределах 50…10000 Гц, и отношению сигнал/шум для гипотетической наземной линии (не менее 57 дБ).

При передаче звуковых аналоговых сигналов по кабельным, радиорелейным и спутниковым каналам обычно принято объединять три типовых телефонных канала с полосой 0,3…3,4 кГц. Для передачи речи в цифровом виде принята частота дискретизации 8 кГц, и каждый отсчет кодируется восемью элементарными посылками, образуя цифровой поток 64 кбит/с. В стандарте MPEG-2 частота дискретизации звуковых сигналов может быть равна 32; 44,1 или 48 кГц. При цифровом сжатии весь частотный спектр звукового сигнала с помощью набора фильтров делится на 32 полосы. Используя свойство неравномерного распределения спектральной энергии звука выходные сигналы полос с малой спектральной энергией, число которых существенно больше, кодируются более короткими словами, чем достигается сжатие звукового цифрового потока.

В настоящее время для сжатого цифрового сигнала наибольшее распространение получил стандарт МЮЗИКАМ (или MPEG-1 Level II). При цифровой обработке звука могут быть использованы четыре режима работы: моно, когда обрабатывается один сигнал; стерео, когда два сигнала обрабатываются совместно в одном процессоре с использованием корреляции каналов А и В; сдвоенный моно (dual mono), при котором цифровой поток разделяется между двумя независимыми сигналами (например, звуковое сопровождение идет на двух языках); квазистерео (joint stereo), при котором низкочастотная часть спектра сигнала передается в режиме стерео, а высокочастотная – в режиме квазистерео, что позволяет несколько увеличить степень сжатия по сравнению со вторым режимом.

Структурная схема спутниковой системы цифрового телевидения

Цифровые потоки сигналов видео и звука, а также поток данных поступают на мультиплексор, объединяющий их перед модулятором передатчика. При этом вводятся сигналы синхронизации, позволяющие разделить их после демодулятора.

В стандарте MPEG-2 предусматриваются три вида цифровых потоков: пакетный элементарный (ПЭП), программный (ПП) и транспортный (ТП).

Пакетный элементарный поток относится к какому-то одному виду информации – сигналу изображения или звука, либо данным.

Программный поток объединяет элементарные потоки, имеющие общую тактовую частоту.

Стандарт MPEG-2 предусматривает возможность объединения в ПП до 16 потоков видео, до 32 потоков звука и до 16 потоков данных. Для реальных каналов связи, которые могут вносить ошибки, формируется транспортный поток, характеризующийся применением пакетов фиксированной длины, составляющей 188 байтов, из которых 187 информационных байтов и один байт – синхрослово.

В Европе, как известно, принят стандарт DVB (Digital Video Broadcasting), полное название которого "Цифровая спутниковая система для применения в диапазоне частот до 11…12 ГГц, имеющая изменяемую конфигурацию с целью согласования с различными полосами частот и мощностями транспондера". В этой системе на вход кодера поступает транспортный поток MPEG-2.

На рис. 2 приведена упрощенная структурная схема спутниковой системы цифрового телевизионного вещания (ЦТВ). Цифровой поток данных, сформированный из различных источников (телетекст, видеотекст и др.), может иметь скорость до 2048 кбит/с. Для объединения и последующего разделения сигналов на вход мультиплексора подводятся синхронизирующие сигналы (на схеме не показаны). Перед модулятором передатчика обычно устанавливается оптимальный фильтр, позволяющий минимизировать спектр полезного сигнала для уменьшения помех соседним радиоканалам.

Рис. 2. Упрощенная структурная схема спутниковой связи ЦТВ:
1, 2 - кодеры; 3 - контроллер;
4 - спутниковый модулятор QPSK;
5 - мультиплексор; 6 - цифровой декодер;
7 - бытовой интегрированный спутниковый декодер:
8 - преобразователь вида модуляций QPSK/QAM;
9 - профессиональная телестудия; 10 - кабельный декодер;
11, 12 - телевизоры

В спутниковых каналах сигналы достаточно стабильны, и поэтому нет необходимости применять сложные виды модуляции, используемые в наземных цифровых каналах телевещания, подобные ортогональной модуляции многих несущих (COFDM), применяемой в европейском стандарте DVB.

С учетом вышесказанного, в спутниковых системах связи, как правило, используют квадратурную (четырехпозиционную) фазовую манипуляцию QPSK (Quadrature Phase Schift Keing).

Приемные станции могут быть трех типов: профессиональные с цифровым декодером (8), с преобразователями вида модуляции QPSK/QAM для кабельных сетей и бытовые (7) для индивидуальных приемных устройств спутникового телевидения (см. рис. 2). В первом типе станций сигнал после декодирования поступает в профессиональную студию (9), во втором – в кабельную распределительную сеть телевизионных программ или в бытовой интегрированный кабельный декодер, выделяющий также каналы телетекста и звукового вещания, в третьем – на индивидуальное спутниковое приемно-декодирующее устройство.

В индивидуальных установках сигналы со спутника поступают на цифровой приемник, выход аналогового сигнала которого подсоединяется непосредственно к телевизору (11). Разработаны бытовые и профессиональные спутниковые декодеры с весьма универсальной схемой, а именно, имеющие следующие выходы: пакеты MPEG-2, цифровое видео, аналоговое видео разных стандартов (NTSC, PAL, SECAM), аналоговый и цифровой звук.

Профессиональные цифровые декодеры рассчитаны на применение в любых конфигурациях стандартов и сигналов.

Многие западные фирмы настойчиво работают над созданием приемников ЦТВ. В частности, приемники-декодеры цифровых спутниковых ТВ-программ фирмы Philips серии DVS 3961/31 и DVS 3962/31 были представлены еще на выставке Tele-Radio Broadcast Expo-98, проходившей в ноябре 1998 г. Приемники предназначены для работы в головных станциях кабельного телевидения и рассчитаны на работу в стандартах NTSC, PAL, SECAM (в том числе, и в российском варианте стандарта SECAM). Блок предварительной обработки радиосигнала с модуляцией QPSK (4-ФМ) работает в расширенной полосе 950…2150 МГц и обеспечивает прием сигналов с двумя вариантами схем: один канал на несущей (SCPC – Signal Channel per Carrier) и несколько каналов на несущей частоте (МСРС – Multi Channel per Carrier) в широком диапазоне скоростей передачи символов.

Программное обеспечение позволяет перенастраивать приемники на разные спутники. Приемники имеют встроенный считыватель смарт-карт, соответствующий стандарту ISO 7816.

Компания Philips также предлагает портативный видеокодер EZcast 3150/EZcast 3151 стандартов МРЕG-2/DVB, обеспечивающий компрессию одного канала видео, двух каналов стереозвука, двух каналов данных. Видеокодер обеспечивает:

• выбор скоростей передачи данных в пределах 1…15 Мбит/с;
• разрешающую способность по горизонтали 720, 704, 528, 480 и 352 точек на строку;
• работу при стандартах 625/50 и 525/60 и форматах изображения 4:3 и 16:9.

В видеокодере предусмотрена защита передаваемых данных за счет DVB-совместимой системы шифрования и условного доступа CryptoWorks TM. Масса кодера 30 кг.

Рассмотрим структурную схему бытового цифрового спутникового приемника-декодера (рис. 3). Термин "бытовой" применен к индивидуальной приемной установке. Термин "профессиональный" применен к установке приема сигналов со спутника, имеющейся на головной станции кабельного телевидения.

Рис. 3. Структурная схема бытового цифрового спутникого приемника-декодера:
1 - ресивер; 2 - демодулятор (прямое исправление ошибок);
3 - демультиплексор, дешифратор; 4 - аудиодекодер MPEG-2;
5 - видеодекодер MPEG-2; 6 - кодер системы цветного телевидения;
7 - модулятор; 8- микропроцессор; 9 - модем; 10 - ИК-датчик;
11 - модуль цифрового телевидения; 12 - пакеты данных формата MPEG-2;
13 - цифровое видео 4:2:2; 14 - SECAM-PAL; 15 - Y/C; 16 - R-G-B;
17 - аналоговое аудио; 18 - цифровое аудио AES/EBU;
19 - RS-232; 20 - телефонная линия

Сигнал в полосе 950…2150 МГц с выхода МШУ-конвертера, обычно размещаемого вблизи антенны, поступает по кабелю снижения в приемник (1), предназначенный для усиления, преобразования и выделения нужной телевизионной программы на второй промежуточной частоте 480 МГц.

В демодуляторе (2) производится корректировка ошибок, а выделенный на его выходе цифровой поток далее поступает на демультиплексор, разделяющий общий поток на три: видео, звук и данные. В этом же блоке осуществляется дешифрование или устранение псевдослучайной последовательности, наложенной на сигнал в передатчике.

В блоке 5 видеосигналы декодируются из стандарта MPEG в декомпрессированные цифровые сигналы, из которых после цифроаналогового преобразователя (6) выделяются исходные видеосигналы в виде составляющих: яркостной (U) и трех цветовых – красной (R), зеленой (G) и синей (В).

Блок 6 выполняет также функции преобразователя стандартов, т.е. на его выход в соответствии с желанием пользователя можно подключить телевизионный приемник, работающий в одном из трех стандартов аналогового ТВ: PAL, SECAM или NTSC. Имеется выход сигнала для подключения модулятора ретранслятора наземной сети телевещания.

С выхода декодера звука (4), совмещенного с цифроаналоговым преобразователем, можно получить как аналоговые, так и цифровые сигналы.

Микропроцессор (8) управляет работой блока 3 (демультиплексор-дешифратор), выделяет телефонный сигнал в случае реализации интерактивной системы связи, а также выделяет интегрированные пакеты данных других телематических служб, подводимые далее к блоку 12. Микропроцессор имеет выход для подключения стандартного интерфейса RS-232.

Модуль цифрового управления и инфракрасный датчик обеспечивают возможность дистанционного управления приемником-декодером.

Приемники-декодеры выпускаются рядом фирм: Scientific Atlanta, Sagem Group, NTL, Nokia, Philihs и др. Цены на бытовые спутниковые декодеры вследствие большой конкуренции на мировом рынке с каждым годом заметно снижаются.

В настоящее время в Европе через спутники в цифровом виде передается более 50% программ. Свидетельством растущей популярности цифрового телевизионного вещания в России является тот факт, что если в марте 1998 г. по каналам спутникового вещания передавалось всего три цифровых программы, то в октябре 1999 г. таких программ было уже 13, а в конце 2000 г. – около 40. Сигналы звукового сопровождения в этих каналах передаются на русском языке.