Цифровизация и многофункциональность - приоритеты развития технических средств российского ТВ вещания

Цифровизация и многофункциональность - приоритеты развития технических средств российского ТВ вещания

Ю. Б. Зубарев, Ю. Д. Шавдия

История ТВ вещания в нашей стране от становления до его превращения в наиболее массовое средство информации широко освещена в литературе. Поэтому здесь рассматривается новый этап его развития - внедрение цифрового телевидения как наиболее важной в области телевидения проблеме последнего десятилетия [1-4].

Отечественные специалисты многие годы занимались научными исследованиями, связанными с разработкой перспективных систем ТВ вещания, включая цифровые. Так, еще в 1980 г. на основе проведенных научно-исследовательских работ была издана первая книга по цифровому телевидению [5], в которой наряду с физическими основами цифрового телевидения определялись направления и этапы эволюционного перехода от аналогового ТВ вещания к цифровому.

Сеть российского аналогового ТВ вещания - одна из крупнейших в мире; ее программами охвачено до 98,8 % населения. При этом две программы смотрят 96,4 %, три - 65,2 %, четыре и более - 31,3 % жителей страны. Эти показатели обеспечивают 334 радиопередающие телевизионные станции мощностью 1 кВт и более, в том числе 294 станции, транслирующие две и более программ; 7102 станции мощностью менее 1 кВт, в том числе 3820 станций, передающих две и более программ.

Подача программ осуществляется пятизоновой спутниковой телевизионной системой, а также примерно по 300 тыс. канало-км радиорелейных линий.

Развитие ТВ вещания в последнее десятилетие совпало с непростым периодом в истории нашего государства. Для руководства ТВ вещанием в начале 1992 г. создается Всероссийская государственная телерадиокомпания (ВГТРК), которая впервые объединила в России все основные средства создания телевизионных и звуковых программ. При этом радиотелевизионные станции позднее были переданы из ведения Минсвязи России в холдинг ВГТРК Федеральной службы телевидения и радиовещания (ФСТР), а затем в Минпечати России. В 1992 г. Верховный Совет Российской Федерации принял Закон о средствах массовой информации, который позволял создавать частные телевизионные радиовещательные компании. Так появились НТВ, ТВ-6, СТС, РенТВ и др. Забегая вперед, отметим, что 13 августа 2001 г. Указом Президента России № 1031 было образовано Федеральное государственное унитарное предприятие "Российская радио и телевизионная вещательная сеть (ФГУП "ТВ сеть").

В последнее десятилетие ТВ вещание базировалось, в основном, на технических средствах еще советского периода, внедрявшихся Гостелерадио СССР, Минсвязи СССР и МПСС и часть которых нуждается в значительной модернизации.

Но вернемся к вопросам цифрового телевидения. Телевизионная 11-я Исследовательская комиссия (11 ИК) сектора радиосвязи Международного союза электросвязи сыграла важную роль в определении направления исследований многих коллективов разработчиков цифровых систем, а также других информационных служб и оборудования. Мировое признание получил весьма существенный вклад России в международную стандартизацию цифровых систем интерактивного ТВ вещания, стратегию и тактику их исследований. Именно нашей стране принадлежит приоритет в разработке методологии международной стандартизации цифровых ТВ систем, глобального подхода к ним и модели многоцелевой системы массового интерактивного вещания. На их основе создан ряд основополагающих рекомендаций МСЭ-Р, имеющих статус единых общемировых стандартов [6, 7].

Для России эти стандарты имеют огромное значение, так как, являясь ценным сплавом современных мировых достижений, они позволили сэкономить огромные средства и время, поскольку ни одна отдельно взятая страна не в состоянии провести столь значительные по объему и затратам исследования и разработки с гарантией их международного принятия. Появилась возможность смело приступить к внедрению новых технических решений, не опасаясь, что российские технологии не будут соответствовать мировому уровню, не будет ограничений вхождению России в международное информационное сообщество.

С учетом этих стандартов продолжалась интенсивная разработка ряда сценариев внедрения цифрового ТВ вещания, позволяющего значительно повысить эффективность использования радиочастотного спектра, а также норм на цифровые ТВ каналы, интерактивные системы, технические основы для пересмотра планов наземного и спутникового ТВ вещания и др. [8, 9].

В середине 90-х годов XX века в ТВ вещании наступила новая эра, которая характеризуется появлением полностью цифровых систем создания и доставки сигналов ТВ программ, вещания и других информационных служб. Были приняты основополагающие - общемировые стандарты в области цифрового наземного и спутникового ТВ вещания [6].

Цифровые кодеры появились на спутниковых линиях связи для передачи сигналов ТВ программ на большие расстояния, а затем и для непосредственного вещания.

Почему применение цифровых методов началось со спутникового сегмента российской системы ТВ вещания? Это было обусловлено несколькими основными причинами:

значительной широкополосностью каналов (27 МГц) по сравнению с эфирным наземным ТВ вещанием (6-8 МГц); 

наличием на рынке цифрового оборудования для спутниковых каналов; 

ограниченным числом передающего и приемного оборудования для доставки ТВ программ; 

изношенностью парка спутниковых транспондеров и, как следствие, нехваткой емкости спутниковых каналов. 

Началом внедрения цифрового ТВ вещания в России можно считать совещание 19 августа 1997 г., проведенное по инициативе зам. председателя Госкомсвязи России А. С. Батюшкина. Актуальность совещания обусловливалась итогами собрания СЕРТ по планированию цифрового наземного телевизионного вещания (г. Честер, Великобритания, июль 1997 г.), а также важностью обсуждения вопросов внедрения цифрового ТВ вещания в России [3]. Л. Н. Дмитриев (глава делегации России на собрании в г. Честере) обратил внимание на стремление ряда администраций в Европейском регионе форсировать внедрение систем цифрового наземного ТВ вещания, а также на то, что при многостороннем планировании сетей цифрового вещания особое внимание следует уделять вопросам координации систем вещания аналогового, цифрового и смешанного в приграничных зонах с европейскими странами и странами СНГ.

По проблемам развития цифрового телевидения в России главный научный сотрудник НИИР, председатель 11-й ИК МСЭ-Р профессор М. И. Кривошеев отметил, что внедрение цифровых методов в ТВ вещание носит характер технической и технологической революции, охватывающей все участки ТВ тракта. Он предложил ряд положений Концепции внедрения цифрового ТВ вещания, которая должна основываться на новом к нему подходе, как многоцелевой информационной системе. Эта система будет обеспечивать комплексное решение проблем многопрограммного ТВ вещания, передачи больших объемов данных, массовой интерактивности, а также ряда задач мультимедиа и других информационных служб. Концепция должна базироваться на постепенном, эволюционном переходе от аналогового телевидения к цифровому. Необходимо предусмотреть адресацию и ограниченный доступ к ТВ программам, дополнительной информации и данным, к отдельным их фрагментам, а также возможность сопряжения систем ТВ вещания с сетью Интернет и другими аналогичными сетями.

Следует предусмотреть сопряжение комплексов создания ТВ программ и других источников информации с наземными и спутниковыми сетями распределения и вещания, включая КТВ, LMDS, MVDS, MWS, MMDS. При этом надо учитывать прогресс цифровых технологий, приводящих к интеграции различных служб.

Разработка и внедрение в России предложенных многоцелевых систем цифрового ТВ вещания, видеоконференц-связи, наряду с решением многих информационных проблем, создадут предпосылки дальнейшего развития радиопромышленности, микроэлектроники и других отраслей экономики, учитывая огромный потенциальный рынок сбыта таких изделий как в нашей стране, так и за рубежом.

В рамках Концепции потребуется организовать экспериментальную проверку на опытных участках (смешанных -аналоговых и цифровых) ряда предлагаемых решений с учетом уникальности отечественной ТВ вещательной сети. Эти предложения были одобрены на совещании 19 августа 1997 г.

По различным направлениям развития приемной техники выступил вице-президент АООТ "Телеком" д.т.н. К. И. Кукк. Он, в частности, предложил разработку в перспективе цифрового многостандартного ТВ приемника.

В. Г. Маковеев (заместитель председателя ФСТР) обратил внимание на то, что внедрение цифровой техники в ТВ сеть - проблема скорее экономическая, чем техническая, так как она упирается главным образом в нехватку средств. Необходимо ускорить разработку норм на передачу цифровых сигналов ТВ программ по спутниковым каналам, создать опытные участки в Москве и С.- Петербурге.

В итоговом протоколе этого совещания зафиксированы основные направления внедрения наземного цифрового ТВ вещания в России и развертывания работ по созданию широкой кооперации коллективов ряда научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро промышленности для разработки цифровой профессиональной и бытовой аппаратуры.

Уместно отметить, что при проведении дальнейших исследований российские специалисты учитывают глобальный подход к двустороннему (интерактивному) телевидению, который охватывает все возможные средства для организации национальных и международных обратных каналов (включая подвижную радиосвязь, низколетящие спутники и другие наземные и спутниковые системы). По инициативе России эта проблема изучалась 11-й ИК МСЭ-Р с 1993 г., и сегодня имеется обширный пакет единых международных стандартов на интерактивные каналы, организуемые в различных средствах телекоммуникаций [10].

Исследовательская комиссия МККР согласилась с предложением нашей страны предусматривать для цифровых систем высокой четкости (ТВВЧ), многопрограммного телевидения (МПТВ) передачу сжатых сигналов в стандартных каналах 6, 7, 8 МГц.

НИИР принимает участие в разработках и международной гармонизации вещательных стандартов видеоконференций с учетом систем мультимедиа, имея в виду наметившиеся тенденции конвергенции вещательных и вычислительных систем [1-4, 11].

Госкомсвязи России в 1998 г. поручил НИИР в кратчайший срок детально исследовать возможности начала практических работ по внедрению наземного цифрового ТВ вещания в нашей стране. Эти исследования были осуществлены под научным руководством члена-корреспондента РАН директора НИИР Ю. Б. Зубарева в конце 1998 г.

Основой для дальнейшего развертывания работ по цифровому наземному ТВ вещанию стала одобренная Научно-техническим советом (НТС) Госкомсвязи России "Концепция внедрения наземного цифрового телевизионного и звукового вещания в России" и постановление коллегии Госкомсвязи России от 26 марта 1999 г. "О концепции внедрения цифрового телевизионного и звукового вещания в России". Эти важные работы, направленные на ускорение внедрения цифрового ТВ вещания, проводились при участии и активной поддержке Минсвязи России, АООТ "Телеком", Минпечати России, Минэкономики России.

Внедрение цифровых систем ТВ вещания обеспечивает:

повышение качества и расширение услуг, предоставляемых населению в области вещания и связи; 

более эффективное использование радиочастотного спектра и снижение энергопотребления радиоэлектронными средствами; 

создание предпосылок для массового производства новых видов приемной и передающей аппаратуры. 

При этом внедрение цифрового наземного ТВ вещания предполагает переходный период от аналогового к цифровому вещанию примерно в течение 15 лет, во время которого эти системы будут работать совместно.

Начальный этап внедрения предусматривал создание опытных участков для подтверждения основных положений Концепции, проверки технологических особенностей сети, отработки технической и эксплуатационной документации. При этом предусматривалось сохранение существующих частотных планов аналогового вещания и выделение частот для организации опытных участков.

НИИР совместно с АООТ "Телеком" разработал исходные материалы для создания опытной зоны цифрового ТВ вещания в Нижнем Новгороде. В этот же период АООТ "Телеком" под эгидой РАСУ развернул НИОКР "Мультиканал" по промышленному выпуску цифрового передающего, приемного и студийного оборудования на российских предприятиях. Одновременно было согласовано выделение частотных каналов для опытных зон в Москве, Санкт-Петербурге и Нижнем Новгороде [8]. В настоящее время усилиями отечественных НИИ и предприятий (АООТ "Телеком", НИИТ, АО "МАРТ", НИИР, АО МНИТИ, АО ВНИИТР и др.) созданы опытные участки в Нижнем Новгороде и Санкт-Петербурге, ведутся работы по организации цифрового ТВ вещания в Москве [3].

На опытных зонах проводятся комплексные исследования наземных и спутниковых систем для МПТВ с учетом их взаимодействия не только с поставщиками вещательных, но и других (интерактивных) служб (например, мультимедийных) с целью уточнения функционирования цифровых средств в зонах смешанного вещания (аналогового и цифрового), подготовки и апробации отечественных нормативно-технических документов.

Испытания в Нижнем Новгороде и Санкт-Петербурге начались с проверок и уточнения функционирования системы наземного цифрового телевизионного вещания через эфирные передатчики (DVB-T). Эта система представляется универсальной по использованию вещательного канала на выделенном диапазоне частот (совместно с аналоговым вещанием). Цифровые ТВ сигналы передаются каналами с полосой частот по 8 МГц. Для организации интерактивных каналов (прямого и обратного) используются другие системы, например, с применением телефонной сети общего пользования (ТфОП).

Особенности проводимых сейчас испытаний - большой объем проверок, связанный с установлением устойчивой зоны покрытия (близкой к заданной) без "мертвых" пространств, в которых прием отсутствует. Опыт внедрения DVB-T в других странах (например, в Испании, г. Мадрид) показал наличие примерно 10 % контрольных точек, в которых напряженность поля достаточна, но помехи в цифровом радиосигнале исключали возможность приема. Был сделан вывод о том, что в конкретных точках опытной зоны следует измерять не только напряженность поля, но и спектральные характеристики принимаемого сигнала.

Испытания других наземных систем: цифровых кабельных систем (DVB-C) и многоканальных многоадресных распределительных систем (MMDS, LMDS и MWS) могут начаться после установки соответствующих технических средств. Однако в ряде международных документов (например, МСЭ-Т, Рекомендация J.I50) указывается на возможность использования во всех наземных системах единого цифрового радиосигнала (с модуляцией COFDM, числом поднесущих 2048 или 8192 и полосой частот примерно 7,9 МГц). При этом в цифровой наземной сети ТВ система DVB-T может стать "сигналообразующей", а другие системы - чисто распределительными, переносящими получаемый сигнал в заданный канал и диапазон частот. В этом случае испытания системы DVB-T становятся ключевыми, поскольку позволяют отрабатывать приемную технику и унифицировать абонентский приемник для всех систем.

К настоящему времени испытания в действующих опытных зонах цифрового телевизионного вещания показали: возможность высококачественного многопрограммного телевизионного вещания; эффективное использование частот; возможность устойчивого приема цифровых ТВ программ на стационарные, переносные и мобильные (в движении) средства; правильность основных положений Концепции внедрения цифрового ТВ вещания.

Полученные результаты принципиальны для отечественной практики. На их основе формулируются перечисленные ниже направления дальнейших исследований.

1. Организация потоков дополнительной информации в составе сигналов программ цифрового телевидения.

По этому направлению ожидается получить результаты по уточнению пропускной способности: единой для систем с общим видом модуляции или различной для независимых систем, а также по способу передачи дополнительной информации в составе общего потока (возможно для всех наземных систем) или в специально выделенном диапазоне (только для DVB-C и систем типа MMDS).

Единая величина пропускной способности может оказаться невысокой и определяться системой DVB-T, но зато поток распределяется пользователем с минимальными затратами (отсутствуют "транскодирование" и "трансмодуляции"). Для передачи дополнительной информации требуется выделение определенной части пропускной способности систем.

Для независимых систем передача дополнительной информации носит индивидуальный характер, и ее объем может изменяться при стыковке цифровых систем.

2. Инициировать широкое использование интерактивности при передаче ТВ программ, рекламы и др. с использованием интерактивных терминалов, а на первом этапе - телефонной сети.

По этому направлению ожидается получение результатов по организации и выбору параметров интерактивных каналов. Специалисты считают, что достаточно долго в интерактивном цифровом ТВ вещании будет использоваться асимметричная схема: достаточно широкополосный канал в сторону пользователя (прямой интерактивный канал) и узкополосный - от пользователя (обратный интерактивный канал). В случае передачи интерактивной информации пользователю через вещательный канал (подобно передаче дополнительной информации, о которой говорилось выше) интерактивная схема упрощается. Пользователь получает вещательную и интерактивную информацию только по вещательному каналу (исключается прямой интерактивный канал) и взаимодействует с поставщиками информации по обратному интерактивному каналу.

При передаче интерактивной информации пользователю через вещательный канал следует учитывать его пропускную способность и полезную загрузку (ТВ программа, электронная программа передач, служебная информация). Указанный режим использования вещательного канала может быть применен для передачи информации пользователю из сети Интернет (Webcasting, Web-вещание).

В НИИР разрабатывается система для просмотра текстовых материалов Интернет-страниц на экране обычного ТВ приемника [1].

Описанный вариант доступа в Интернет имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным способом с помощью модема.

Предложена и разработана концепция оценки качества изображений и измерений в цифровом ТВ вещании [12]. В процессе субъективных экспертиз используется разработанный в России метод полей сравнения, вводимых в цифровой сигнал и сопоставляемый со смежными участками изображения на ТВ экране. Достигнут прогресс как в разработке методов субъективных оценок, так и в создании устройств для объективных измерений.

Основываясь на положительных результатах наземного цифрового ТВ вещания, полученных на опытных участках, спутникового цифрового вещании (НТВ +), спутникового распределения цифровых ТВ программ (ФГУП "Космическая связь", ВГТРК), было принято решение о создании рабочей группы по межведомственной координации разработки нормативно-технической базы на цифровое телевизионное вещание во главе с руководителем Департамента радио, телевидения и спутниковой связи Минсвязи России В. И. Павловым.

В заключение приведем оценку положения с цифровым ТВ вещанием, данную заместителем министра РФ по связи и информатизации В. В. Тимофеевым: "Россия сегодня стоит на пороге цифрового века. Новая технология способна решить сразу несколько проблем: реализовать большое число передаваемых программ и значительно высвободить частотный спектр. Несмотря на развитие кабельного, спутникового и других видов вещания, мы пока не можем полностью отказаться от эфирного вещания..." [13].

Список литературы

Зубарев Ю. Б., Кривошеев М. И., Красносельский И. Н. Цифровое телевизионное вещание (основы, методы, системы). - М.: НИИР. - 2001. 

Зубарев Ю. Б., Кривошеев М. И., Шавдия Ю. Д. Основные направления развития цифрового телевизионного вещания в России. // Технологии и средства связи. - 1998. - № 5. 

Зубарев Ю. Б., Кукк К. И. Цифровое телевизионное вещание - от концепции к промышленному производству. Доклад на пленарном заседании 5-го Международного конгресса HAT 24-27 октября 2001 г. - Москва. 

Кривошеев М. И. Международный подход к развитию цифрового вещания. // Мир связи. Connect. - 2001. - № 11. 

Кривошеев М. И., Виленчик Л. С., Красносельский И. Н. и др. Цифровое телевидение. Под ред. М.И. Кривошеева. - М.: Связь. - 1980. 

Кривошеев М. И. Новый подход к ТВ вещанию на базе многоцелевого цифрового интерактивного контейнера // Электросвязь. -1997. - № 12. 

50-я годовщина 11-й Исследовательской комиссии МСЭ-Р // Техника кино и телевидения. - 2000. - № 7. 

Зубарев Ю. Б., Быховский М. А., Кривошеев М. И., Дотолев В. Г., Шавдия Ю. Д. Основные направления внедрения цифрового вещания в России // Broadcasting (телевидение и радиовещание). - 2000. - № 3. 

Зубарева Н., Кантор Л., Мамчснков П., Поволоцкий И. Как результаты ВКР-2000 повлияют на развитие российской радиовещательной службы // Broadcasting (телевидение и радиовещание). - 2000. - №№ 5, 6. 

Кривошеев М. И., Федунин В. Г. Интерактивное телевидение. М.: Радио и связь. - 2000. 

Дворкович А. В., Дворкович В. П., Зубарев Ю. Б и др. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений. Под ред. Ю. Б. Зубарева и В. П. Дворковича. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: HAT. - 1997. 

Кривошеев М. И, Мкртумов А. С., Федунин В. Г. Основные положения концепции оценки качества изображения и измерений в цифровом телевидении. Прогресс технологий телерадиовещания. Второй международный конгресс HAT, TRBE 4-6 ноября 1998 г. -Москва. 

Тимофеев В. В. На пороге цифрового века // Broadcasting (телевидение и радиовещание). - 2000. - № 7.