Особенности и перспективы развития цифрового телевидения. Стандарты вещания (часть 1)

Особенности и перспективы развития цифрового телевидения.

Стандарты вещания

На сегодняшний день существуют три разновидности стандартов цифрового телевидения: ATSC, DVB, ISDB. Toic как в России используется стандарт DVB, то именно для этого стандарта рассмотрены основные способы передачи TB-сигнала. Основные стандарты передачи DVB — это DVB-S(S2) для спутникового, DVB-C(C2) для кабельного и DVB-T(T2) для наземного вещания, доминирующих в мире и составляющих основу большинства альтернативных стандартов. DVB использует технологию сжатия MPEG, которая позволяет значительно экономить частотный ресурс. Рассмотрены стандарты эфирного, спутниковго, кабельного, Мяочжые спова DVB,ТВ-сигнал, мобильного цифрового телевизионного вещания, технология IPTV и прикладные телевизионные системы.

цифровое телевизионное вещание, IfW Сделаны выводы о современных тенденциях развития технологий в области цифрового телевидения.

Климов ДА,

к.т.н, зам. начальника научного центра МТУСИ

В истории развития телевидения можно выделить несколько основных этапов:

• черно-белое телевидение—передается яркость изображения (первый опытный сеанс телевещания в СССР состоялся 29 апреля 1931 г.);

• цветное телевидение — передается яркость и цветовые составляющие (1950 г.). С точки зрения объема данных, добавление цвета — это количественный переход. С точки зрения наблюдателя — качественный;

• появление цифрового телевидения — качественный переход с точки зрения формата данных;

• цифровое телевидение высокого разрешения (HDTV) — количественный переход с точки зрения объема данных (передаются все те же составляющие: яркость и цвет).

Появление цифрового телевидения позволило передавать больший объем информации (телевизионные каналы) с кардинальным улучшением качества сигнала на всей зоне вещания. При этом принятые и принимаемые стандарты цифрового ТВ нацелены на адаптацию параметров сигнала к физическому каналу, что позволяет повысить качество передаваемой информации.

Переход на телевизионное вещание в цифровом формате — общемировая тенденция развития телекоммуникаций. В соответствии с Программой "Развитие телерадиовещания в Российской Федерации (2007-2015 годы)" к 2015 г. Россия должна перейти на систему трансляции ТВ-сигнала в цифровом виде, т.е. к этому времени аналоговое вещание будет завершено. Цифровой станет вся общенациональная система эфирного вещания. Цифровые алгоритмы обработки сигналов позволят улучшить качество телевизионного изображения и звука, а также расширить спектр предоставляемых сервисов и услуг.

Современное развитие технологий вынуждает корректировать принятые решения. Согласно распоряжению правительства РФ № 287-р от 3 марта 2012 г., плану перехода

на стандарт цифрового телевизионного вещания DVB-T2, утвержденному Министром связи и массовых коммуникаций РФ, и решению Государственной комиссии по радиочастотам от 16 марта 2012 г. переход на стандарт DVB-T2 перенесен на 2012-2013 гг. Поэтому вопрос преимущества перехода на полностью цифровое телевидение уже ни у кого не вызывает сомнения.

Можно выделить основной ряд преимуществ цифрового телевидения по сравнению с аналоговым:

• повышение помехоустойчивости трактов передачи и записи телевизионных сигналов;

• уменьшение мощности передатчиков;

• существенное увеличение числа ТВ-про-грамм, передаваемых в том же частотном диапазоне;

• повышение качества изображения и звука;

• создание ТВ-систем с новыми стандартами разложения изображения (телевидение высокой четкости, объемное телевидение);

• расширение функциональных возможностей студийной аппаратуры;

• передача в том же цифровом ТВ-потоке различной дополнительной информации;

• создание интерактивных ТВ-систем, при пользовании которыми зритель получает возможность воздействовать на передаваемую видеоинформацию (например, видео по запросу);

• выбор языка и субтитров.

На сегодняшний день в мире существуют три разновидности стандартов цифрового телевидения: ATSC (Комитет Усовершенствованных Телевизионных Систем), DVB (Цифровое Телевизионное Вещание), ISDB (Встроенные Сервисы Телевизионного Вещания).

Стандарт ATSC (Комитет Усовершенствованных Телевизионных Систем) применяется в таких основных странах как: США, Канаде и Корее.

ATSC — это международная некоммерческая организация, стандартизирующая цифровую телевизионную технологию. Она была создана в 1982 г. организациями из состава Объединенного Комитета Межобщественной Координации (JCIC). Стандарты цифрового телевидения ATSC включают в себя телевидение стандартного разрешения (SDTV), телевидение

высокого разрешения (HDTV), вещательную передачу данных, многоканальный пространственный звук и интерактивное телевидение.

Стандарт DVB (Цифровое телевизионное вещание) используется в Европе, Новой Зеландии, Австралии, Тайване и России.

DVB — это консорциум из более 270 вещателей, производителей, сетевых операторов, разработчиков программного обеспечения, органов управления в более чем 35 странах, нацеленный на разработку глобальных стандартов предоставления всемирного цифрового телевидения и доступа к данным. Начиная с момента своего создания в 1993 г., проект DVB доказал свою жизнеспособность в свободном от конкуренции сотрудничестве, направленном на развитие открыпых цифровых телевизионных стандартов. Для развития цифровых телевизионных стандартов наземного спутникового и кабельного вещания DVB сотрудничает с ETSI/CENELEC/EBU.

Так как в России используется стандарт DVB, то именно для этого стандарта и рассмотрим основные способы передачи ТВ сигнала.

Основные стандарты передачи DVB — это DVB-S(S2) для спутникового, DVB-C(C2) для кабельного и DVB-T(T2) для наземного вещания, доминирующих в мире и составляющих основу большинства альтернативных стандартов. DVB использует технологию сжатия MPEG, которая позволяет значительно экономить частотный ресурс.

Эфирное цифровое телевизионное вещание

Одной из основных причин внедрения цифрового вещания стандарта DVB-T явился тот факт, что аналоговый сигнал по мере его распространения по любой среде претерпевает существенные искажения, которые не компенсируются на приемной стороне. Одним из таких параметров, характеризующих качество сигнала, является отношение сигнал/шум — C/N (рис.1).

Цифровой сигнал отличается тем, что его качество остается неизменным при снижении уровня входного сигнала (что эквивалентно понижению C/N) до некоторого минимального

40

20

3.6

A, dBjiV

40

ст^ = 3.6... 27,6 dB ит„ї10...24сіВ^

~к

го--

А, dByV

«л.»

48... 56 afB|iV

2.4--------------------

Рис. 1

. Полоса t  канала

ЦИФРА

Полоса

сапала

АНАЛОГ

Рис. 2

порогового значения, после которого сигнал просто пропадает.

Стандарт DVB-T EN 300 744 описывает базовую систему цифрового эфирного телевизионного вещания. Он определяет вид кодирования и систему модуляции, предназначенные для многопрограммных LDTV/SDTV/EDTV/ HDTV эфирных служб, использующих каналы шириной 8 МГц, 7 МГц и 6 МГц.

В 2009 г. был создан стандарт эфирного цифрового телевидения — DVB-T2, являющийся вторым поколением стандарта DVB-T. Новый стандарт позволяет минимум на 30% увеличить количество передаваемых программ по сравнению с DVB-T, при той же инфраструктуре сети и частотных ресурсах.

Наиболее важные отличия DVB-T2 от DVB-T заключаются в его адаптационных возможностях:

• увеличение количества несущих до 27 841 (режим 32К);

• отказ от классической схемы FEC-кодирования (сверточный код и код Рида - Соломона) и замена его на LDPC (Low Density Parity Check) и BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem);

• добавление нового режима модуляции 256QAM;

• более экономная передача служебной информации (пилот-сигналов);

• введение схемы модуляции с "вращающимся" сигнальным созвездием;

• передача в режиме MISO.

Основными преимуществами стандарта

DVB-T2 являются:

• увеличение количества каналов в транспортном потоке;

• возможность передачи дополнительной информации в цифровом пакете;

• возможность высвобождения эфирных частот для вторичного использования.

Спутниковое цифровое телевизионное вещание

Первый стандарт цифрового спутникового телевизионного вещания DVB-S был разработан европейским консорциумом DVB Project в 1994 г. и предназначен для доставки пакетов

телевизионных каналов, в частотных диапазонах фиксированной и радиовещательной SAT служб (в диапазоне 10,7...12,75 ГГц) с их непосредственным приемом на домашние спутниковые приемники.

В 2003 г. был принят стандарт DVB-S2, который явился модификацией стандарта DVB-S. В DVB-S2 предусмотрено увеличение скорости на 30% в равнении с DVB-S за счет некоторых модификаций в части форматов модуляции и кодирования канала, автоматическое изменение которых позволяет наилучшим образом адаптировать сигнал к условиям канала. Для этого в стандарте DVB-S2 предусмотрена возможность использования обратного канала (любой физический канал, имеющийся в наличии, включая телефонные линии), посредством которого передающая сторона может принимать информацию о фактических условиях приема в реальном масштабе времени. Такая информация позволяет передающей стороне изменять параметры! вещания (формат модуляции и скорость кодирования) для улучшения качества сигнала. Важно подчеркнуть, что используемые символьные скорости цифровых потоков в DVB-S2 по своему значению близки к теоретическому пределу Шеннона.

Стандарт DVB-S2 предусматривает четыре возможные схемы модуляции (рис. 2). Первые две, QPSK и 8 PSK, предназначены для использования в вещательных сетях. В этом случае передатчики транспондеров работают в режиме, близкому к насыщению, что не позволяет модулировать несущую по амплитуде. Более скоростные схемы модуляции, 16 APSK и 32 APSK, ориентированы на профессиональные сети, где часто используются более слабые наземные передатчики, не вводящие бортовые ретрансляторы в нелинейный режим работы, а на приемной стороне устанавливаются профессиональные конвертеры, позволяющие с высокой точностью оценить фазу принимаемого сигнала. Символы внутри констелляционного поля APSK модулированного сигнала размещены по окружностям. Такой вариант является наиболее помехоустойчивым в плане передачи амплиту-

Скорость кодирования LOPC

ды символа и позволяет использовать ретрансляторы в режимах, близких к точке насыщения.

Отметим, что DVB-S2 разрабатывался специально для предоставления таких сервисов как:

• ТВ-вещание стандартного (SDTV) и высокого разрешения (HDTV) изображений;

• предоставление интерактивных услуг, включая скоростной доступ в Internet;

• профессиональные приложения (репор-тажные услуги, доставка ТВ-программ до наземных передатчиков и др.).

Кабельное цифровое телевизионное вещание

Очень часто уровень сигнала эфирного телевизионного вещания может быть недостаточным для качественного приема (зоны1 плохой радиовидимости —условия плотной городской застройки, высокие здания и строения). В этом случае единственным выходом является использование системы кабельного телевизионного вещания.

Основным достоинством распространения ТВ сигнала посредством кабельной сети является обеспечение высокого качества сигнала, которое зависит только от параметров самой сети и используемого оборудования.

При появлении новых методов цифровой обработки и передачи сигналов был разработан стандарт цифрового вещательного телевидения по кабельной сети DVB-C. Стандарт DVB-C появился одновременно со стандартом DVB-S, поэтому структура системы цифрового вещания по кабельной сети гармонизирована со структурой системы спутникового цифрового вещания. Эта гармонизация позволяет легко конвертировать спутниковый сигнал в формат, регламентированный для кабельных сетей.

Стандарт DVB-C позволяет значительно увеличить зону обслуживания кабельной сети за счет более низкого шумового порога (не более 36 дБ). Расчеты показывают, что при использовании ста-дарта DVB-C зона обслуживания увеличивается в 10 раз. При этом наиболее эффективное увеличение зоны1 охвата возможно на старых сетях (верхняя частота 240.300 МГц). На этих частотах потери коаксиального кабеля в 2 раза мень-

ше, чем на частоте 862 МГц, с которой работает стандарт DVB-C. При меньших погонных потерях требуется меньшее число усилителей, что и гарантирует поддержание высокого значения S/N.

Новый стандарт DVB-C2 позволяет значительно увеличить количество доступных пользователю кабельной сети каналов. Стандарт DVB-C2 предусматривает помехоустойчивое кодирование LDPC, которое заложено в стандарты DVB-T2 и DVB-S2, а также в нем используется QAM-модуляция с размерностью вплоть до 4096 QAM. Основным же отличием стандарта DVB-C2 от DVB-C является применение вместо одной QAM-модулированной несущей технологии OFDM, которая показала на практике свою устойчивость к различным видам канальных искажений (например, многолучевым отражениям или узкополосным помехам) технологий передачи.

Мобильное цифровое телевидение

Стандарт DVB-H (мобильное вещание) базируется на более раннем вышедшем стандарте DVB-T в части расширения некоторых устанавливаемых параметров, ориентированных на условия приема цифровых сигналов в мобильных условиях. Главные отличия от DVB-T заложены на канальном уровне. Прежде всего — это квантование по времени (Time Slicing) и введение упреждающей коррекции ошибок (MPE

— FEC), что позволило резко увеличить вероятность приема в сравнении с DVB-T.

Стандарт DVB-H призван решать следующие основные задачи:

• экономия тока потребления аккумуляторной батареи мобильного терминала. Эта задача явилась определяющей при формировании концепции мобильного вещания;

• устойчивый мобильный прием в движении, в том числе на больших скоростях;

• возможность приема при многолучевом распространении сигнала, особенно в комнатных условиях;

• полная совместимость с уже существующими сетями DVB-T.

В стандарте DVB-H используется модуляция сигнала типа COFDM. В приемниках стандарта DVB-H, кроме режимов 2К и 8К, предусмотрен режим 4К для повышения помехоустойчивости передаваемых сигналов. Поскольку размер экрана мобильных ТВ-приемников сравнительно невелик, минимальная скорость передачи цифрового потока может составлять порядка 200-400 кбит/с. В основе ТВ-передач, которые пользуются популярностью у мобильных абонентов лежат новости, короткие ТВ-сюже-ты, прогноз погоды и т.д. В данном стандарте предусмотре просмотр ТВ-программ в режиме "видео по запросу".

34

Технология 1РТУ

!РТУ — это система, в которой протоколы 1Р сети !п1ете1 используются для трансляции телевизионных программ, и применяется пакетная передача видеоданных В современном понимании !РТУ представляет собой принципиально новую форму коммуникации, которая успешно сочетает в себе информационную полноту и насыщенность сети Интернет с богатыми графическими и акустическими возможностями современных телевизионных систем.

В общем случае сеть !РТУ строится на основе распределенных информационных ресурсов. Как правило, оператор предполагает размещение в сети !РТУ нескольких видеосерверов, наполненных разным контентом. В состав сети !РТУ (рис. 3) входят следующие компоненты!:

• распределенные по сети видеосерверы;

• терминальные устройства 5ГВ, обеспечивающие пользователям доступ к контенту. Устройство 5ТВ декодирует видеоданные и выводит расшифрованное видео на экран телевизора;

• транспортная сеть, которая обеспечивает предоставление услуг !РТУ;

• участки Л031_2+, куда входят абонентские модемы и РБЬЛМЫ, поддерживающие передачу/прием трафика тройного применения ТР — Пакет услуг по передаче голоса, данных и видеоизображения).

Основная услуга !РТУ — просмотр одного из десятков или сотен каналов. Главное преимущество !РТУ — это дополнительные услуги, новые и зачастую уникальные возможности, предоставляемые клиентам наряду с телевещанием. Если до определенного времени, помимо ТВ, на экран по большей части выводился только телетекст, то технологии !РТУ позволили кардинально изменить ситуацию с предложением

дополнительных интерактивных возможностей, используемые только в пакетных сетях.

Передача теле- и видеоинформации по IP-каналам обладает и рядом явных технологических преимуществ перед кабельным телевещанием. Во-первых, за счет того, что решение IPTV имеет двунаправленную архитектуру, становится возможной не только передача контента абонентскому устройству, но и получение потоков информации от него. Это дает возможность оператору создавать различные интерактивные услуги, например, поддерживать двустороннее интерактивное соединение удаленных видео и аудиостудий. Также, абонентские устройства могут обеспечивать передачу и получение фактически любого контента, от web-страниц и электронных сообщений до видеоконференций и чата. Наконец, IPTV в отличие от кабельного телевидения можно использовать в существующих IP-сетях, что обеспечивает возможность введения дополнительных сервисов без организации новой инфраструктуры.

Создание системы IPTV обеспечивает получение реальных доходов от предоставления дополнительных уникальных услуг при сохранении существующей инфраструктуры мульти-сервисной сети и рациональных издержках на организацию нового сервиса.

Для качественного, гарантированного и эффективного предоставления абонентам услуг IPTV сеть связи должна отвечать следующим требованиям:

• наличие скоростных каналов end-to-end и ограниченная задержка: сквозной QoS и эффективная поддержка IP multicast;

• масштабируемость;

• простота организации подключений и низкая цена порта доступа.

Video owl IP AIM

Рис. 3

T-Comm #6-2012

В комплекс услуг IPTV можно включить:

• услуга "Видео по требованию" — ^D;

• трансляция музыкальных программ по запросу абонента — MоD;

• услуга электронного гида по транслируемым программам — EPG;

• услуга "Персональный видеомагнитофон" — PVR;

• услуга "Деловой канал" — B2B hosting — предполагает организацию выделенного канала для обмена оперативными данными и проведения видеоконференций между подразделениями одной компании;

• услуга "Персональный канал" — С2С hosting — обеспечивает организацию выделенного канала для внутреннего обмена групп пользователей;

• услуга "Углы зрения" — (Multi-angle service) — обеспечивает пользователю возможность оперативно изменять ракурс обзора представляемого видеопрограмме объекта;

• услуга "Платный просмотр" (Pay per View) — покупка и просмотр абонентом отдельно выбранных программ. Трансляция ведется в реальном времени — используется режим IP-multicast;

• услуга "Телевидение со сдвигом по времени" (Time Shifted TV) — абонент покупает услугу просмотра заранее записанных на видеосервере программ. Услуга и реализуемые в ней сервисные функции близки к "видео по заказу". Здесь применяется режим IP-unicast;

• услуги "Сервисы по заказу" SoD — это заказ товаров и услуг на дом, различная справочная информация, расписание транспорта, гостиничный сервис и т.п.

Для реализации указанных услуг используются следующие режимы передачи информации в IP сети: unicast, broadcast и multicast.

Unicast используется для предоставления персональных услуг, и здесь все просто: этот метод позволяет передавать информацию от источника к конкретному IP адресу. Абонент заказывает персональный контент, предназначенный только для него и, соответственно, только сам получает заказанную услугу. При одновременном просмотре своих заказов несколькими пользователями их трафик суммируется на участке от источника — файлового сервера, на котором находятся требуемые передачи, до абонентской линии — например, порта на оборудовании DSLAM — xDSL мультиплексере доступа).

Режим broadcast используется для передачи данных из одного источника ко всем получателям в заданной подсети. Информацию получают все без исключения абонентские установки. Если передавать видео в режиме broadcast, то все пользователи, находящиеся в одной подсети, вынуждены будут смотреть только этот канал.

Режим передачи — multicast, который можно назвать самым важным в IPTV Данный режим предназначен для доставки данных группе абонентов и применяется при организации телетрансляций и других услуг массового пользования. Multicast предусматривает передачу информации от источника к абонентским мультиплексорам или коммутаторам одним потоком, транслируя далее ее только на те порты, которые эту информацию заказывали. Multicast позволяет существенно сэкономить полосу пропускания в транспортной сети, не требуя отдельного потока для каждого канала к каждому зрителю.

Важно отметить основной недостаток IPTV

— гарантировать качество передачи (QoS) при таком способе распространения ТВ сигнала (через сеть интернет) очень трудно.

Прикладное телевидение

В последнее время получили широкое распространение прикладные телевизионные системы, применяемые в различных областях деятельности человека как новое средство наблюдения, контроля, управления и связи.

Особое значение сыграли телевизионные системы в освоении космоса.

Прикладное телевидение позволяет наблюдать и управлять процессами в местах, не доступных человеку (далекие планеты, океанские глубины, нефтяные буровые скважины и прочее), а также там, где присутствие человека опасно для жизни (химические цехи с ядовитыми испарениями, атомные установки с высокой радиацией, высокотемпературные производственные помещения и установки, аэродинамические трубы и т. п.).

Современная телевизионная техника позволяет вести передачу изображений не только при обычном естественном или искусственном освещении, но и при крайне низких освещенностях (например, при свете звезд), а также при освещении невидимыми лучами (инфракрасными и ультрафиолетовыми).

Специальные медицинские телевизионные установки позволяют преобразовать изображение в невидимых рентгеновских лучах в видимое, передавать его в другое помещение и тем самым избегать постоянного и очень вредного для рентгенологов облучения.

Системы прикладного телевидения можно разделить на три основные группы:

• визуальные системы;

• системы с документальной записью принятых изображений;

• системы телевизионной автоматики.

К визуальным системам относятся все телевизионные устройства, на выходе которых воспроизводится наблюдаемое человеком изображение передаваемого объекта.

К системам с документальной записью относятся телевизионные системы с регистрацией передаваемых изображений, например запись изображения атмосферных фронтов Земли, передаваемого с борта метеоспутника.

В системах телевизионной автоматики с выхода системы выдается командный сигнал, который появляется в результате автоматического анализа видеосигнала, производимого в процессе телевизионного контроля объекта.

Большинство систем прикладного телевидения является замкнутыми, то есть с передачей сигнала по кабелю или по радио, ограниченному числу специальных приемников.

Среди систем прикладного телевидения особый интерес вызывают системы многоракурсного телевидения, которые могут найти широкое применение в различных сферах деятельности, например разведка труднодоступных и опасных мест (для служб МЧС, МВД, Минобороны и т.п.).

Видеонаблюдение объектов окружающего пространства с помощью систем многоракурсного телевидения может быть осуществлено при их установке на наземных, подземных, надводных, подводных либо воздушных (космических) средствах, или в различных закрыггых наземных и подземных помещениях и сооружениях, в технических отсеках подводных плавательных средств, надводных кораблей, космических летательных аппаратов и др.

Заключение

Ни у одного современного человека не вызывает сомнения тот факт, что без телевидения человек обойтись уже не может. Поэтому вопросам совершенствования технологий обработки и передачи телевизионных изображений для расширения спектра предоставляемых услуг широкому кругу пользователей и повышения качества передаваемых ТВ-сигналов, будет уделяться особое внимание.

Учитывая современную тенденцию развития технологий, можно сделать вывод о том, что в ближайшей перспективе передовые страны мира будут стремиться свести различные стандарты цифрового ТВ в один, что, несомненно, станет революционным шагом в истории развития цифрового телевидения.

Литература

1. Зубарев Ю.Б., Сагдулаев Ю.С Тенденции развития видеоинформационных технологий и систем телевидения. Часть 1, 2// Вгс>ас1сазНпд. Телевидение и радиовещание, 2011. — №2, 3.

2. http://www.polytron-tv.ru/Cesign/iptv.html.

3. http://Cvbpro.ru.

4. http://www.telemehanik.ru/priklaCnoe_televiCenie.html.

5. http://wwwbroaCccsting.ш/w1k/inCexphp?title=DУB-S.