Системы цифрового телевидения

В настоящее время во всем мире активно происходит процесс перехода на цифровые методы приема и передачи эфирных телевизионных программ, а в развитых странах Европы, США и Японии он уже завершается. Наша страна, стоявшая у истоков зарождения телевидения (сам термин телевидение был предложен русским ученым Константином Перским в 1990 году), в настоящее время идет по проторенному современными лидерами пути.

Если в эру аналогового телевидения, СССР совместно с Францией разработали стандарт цветного ТВ – CEKAM, то для разворачиваемых на территории России систем цифрового ТВ выбран европейский стандарт DVB, применяемый также во многих странах Азии и Африки. В настоящее время на территории России уже несколько компаний ("НТВ Плюс", "Космос ТВ" и др.) предлагают своим абонентам эфирные программы в цифровом стандарте.

Более 40 лет в мире сосуществовали три системы аналогового цветного телевидения – NTSC, PAL и SECAM. Разработанный в США еще в 1940 г стандарт NTSC применяли также в Канаде, Японии и некоторых странах Азии и Южной Америки. В Европе и многих других странах с 60-х годах прошлого века использовался стандарт PAL. Затем появился еще и SECAM, повсеместно распространенный тогда в восточной Европе, а также в некоторых странах Азии и Африки (всего около 40 стран). И вот теперь на смену аналоговому триумвирату пришел цифровой, на основе трех систем: американской ATSC, европейской DVB и японской ISDB.

Способы передачи ТВ-сигналов #

По типу передачи или, как говорят, трансляции системы телевещания делятся на три вида:

• Наземное эфирное телевидение (terrestrial);
• Спутниковое телевидение (satellite);
• Кабельное телевидение (cable).

Впрочем, в дальнейшем все большую роль будет играть активно развивающееся эфирное вещание для портативных (мобильных) устройств (handheld). Освоение третьего поколения систем сотовой связи позволит передавать по каналам мобильной связи и телепрограммы. В рамках существующих сетей стандарта GPRS некоторые операторы уже начинают подобное вещание с использованием технологии EDGE. Еще большие перспективы для мобильного ТВ предоставляет новые поколения мобильных сетей.

Пропускная способность каналов связи во многом зависит от среды передачи и типа используемой модуляции. Наибольшую пропускную способность могут обеспечить кабельные каналы, где передаваемый сигнал в значительной степени защищен от помех, что позволяет использовать для передачи сигналов более широкий диапазон частот. Имеющиеся во многих крупных городах кабельные системы телевидения предлагают наиболее качественные программы и дополнительные услуги в виде скоростного доступа в интернет.

Эфирные и спутниковые каналы использующие, для передачи радиоволны, в гораздо большей степени подвержены влиянию помех, для коррекции которых используются специальные формы кодирования, требующие дополнительной полосы частот. Однако для большей части телезрителей в нашей стране основным пока является именно наземное телевидение. Телесигналы посредством радиоволн распространяются от устанавливаемых на вышках мощных телепередатчиков, и через индивидуальные или коллективные телеантенны поступают к телеприемникам. Одна из проблем эфирного телевидения – малая площадь охвата, ограничиваемая зоной прямой видимости между передающей и принимающей антеннами. За пределами этой зоны уровень сигнала и качество приема резко падают.

Все более популярными становятся комплекты оборудования для приема спутникового телевидения, позволяющие выбирать необходимые для просмотра пакеты программ с отечественных и иностранных спутников, а также слушать музыкальные программы и все это в высоком качестве, вне зависимости от расстояния до передающих центров. Единственное условие качественного приема прямая видимость точки расположения передающего спутника. Монтаж и наладка комплектов оборудования для приема уже не вызывают особых проблем у технически грамотных пользователей.

Сжатие видеосигналов #

Цифровая HDTV-камера генерирует видеопоток данных со скоростью 233 Мбит/сек. Такой объем данных затруднительно не только передавать, но и хранить. Однако цифровую информацию можно довольно эффективно сжимать, применяя простейшие арифметические действия, и сложнейшие математические алгоритмы. Кроме того, при передаче цифрового изображения нет необходимости в передаче кадра за кадром целиком (как в кино), можно передавать только лишь изменяющуюся информацию. А особенности восприятия изображения человеческим глазом позволяют практически "безболезненно" устранять некоторую долю информации. Например, глаз человека намного лучше воспринимает градации яркости, чем цветности; градации одних цветов воспринимаются лучше, других – хуже. В результате, благодаря современным методам компрессии цифровых данных полоса пропускания видеосигнала значительно сужается, и в канале связи на месте одного аналогового телеканала могут располагаться несколько цифровых.

Сигналы цифрового ТВ сжимаются с использованием стандарта MPEG, разработанного международной организацией Moving Pictures Experts Group. Совершенствование видео кодеков формата MPEG2 привело к тому, что для передачи изображения требуется канал с пропускной способностью в 2 раза меньше, чем в начале эры цифрового вещания. А с течением времени стало очевидным, что новые разработки позволяют еще более уменьшить объем передаваемой информации, но уже не соответствуют существующему формату MPEG2.

Новым шагом в развитии алгоритмов сжатия изображения стал стандарт MPEG4, состоящий из нескольких подстандартов. Один из них – ISO 14496-10 (усовершенствованное кодирование видео (англ. Advanced Video Coding – AVC)), так же известный как H.264 описывает методы сжатия видео данных, другой – ISO 14496-3, (усовершенствованное кодирование аудио (англ. Advanced Audio Coding – AAC)) позволяет сжимать аудиосигналы.

Устройства приема цифрового ТВ #

Главная проблема внедрения цифрового ТВ в отсутствии у населения соответствующих телевизионных приемников. Современный цифровой телеприемник — довольно дорогое устройство, поэтому многие страны в переходный период предусматривают возможность приема цифрового сигнала на обычный телевизор через специальные приставки-декодеры. Такое устройство часто называют set-top-box ("коробка, установленная сверху"). Устройство принимает цифровой сигнал, преобразует его в аналоговый и подает на вход обычного ТВ-приемника – зрителю остается только выбрать канал (аналогичные декодеры предлагает своим абонентам компания "НТВ-Плюс").

В не столь отдаленной перспективе цифровые сети будут обеспечивать в одном пакете и телевидение, и радио, и Интернет, и телефонию. Уже сейчас возможна доставка сигнала в цифровом виде, однако еще не готова приемная сеть и нет абонентских устройств для приема. Какого типа будут эти многофункциональные устройства, покажут уже ближайшие разработки ведущих производителей электроники.

Очевидно, это будут и многофункциональные устройства (позволяющие смотреть телепередачи, выходить в интернет, говорить по телефону и видеофону) и узкоспециализированные устройства, подключаемые к единому информационному каналу. Впрочем, некоторые устройства будут иметь и беспроводной интерфейс с возможностью подключения к информационному каналу через беспроводные точки доступа, типа используемых в сетях Wi-Fi.

Но цифровое счастье не будет бесплатным, за каждую услугу придется вносить отдельную абонентскую плату. Впрочем, наверняка некоторое количество каналов общегосударственного значения будут бесплатными. А если учитывать объем рекламы, размещаемой на бесплатных каналах, возможно для многих заманчивее будут платные услуги.

ATSC #

Стандарт ATSC разработан одноименной организацией Advanced Television Systems Committee (ATSC) и принят для внедрения на территории США еще с 1996 года. Этот стандарт цифрового телевидения призван заменить аналоговый NTSC также во многих странах американского континента, в Ю. Корее и некоторых других странах. В США аналоговое вещание будет продолжаться до 2009 г. В течение переходного периода телерадиовещательные компании одновременно передают, как аналоговые (NTSC), так и цифровые программы.

Цифровой стандарт ATSC поддерживает самое большое количество форматов телевещания, всего восемнадцать ТВ-форматов, из них шесть относятся к HDTV. Для сжатия передаваемых видеосигналов используются алгоритмы MPEG2/MPEG4, компрессия аудиосигналов производится по методу Dolby Digital AC-3, обеспечивая шестиканальный звук (в формате 5.1).

Основное отличие американского стандарта от европейского: доставшийся в наследство от NTSC более узкий частотный диапазон канала связи (равняется 6 МГц) и иные методы модуляции передаваемых сигналов. В наземных ТВ системах используется 8-ми уровневая модуляция с частично подавленной боковой полосой 8VSB (англ. 8-level vestigial sideband modulation). Битрейт потока передаваемых данных составляет в этом случае – 19,39 Mбит/с. Этот вид модуляции отличается пониженной мощностью, требуемой для передачи сигналов. Но и уровень помехозащищенности при приеме в городских условиях зачастую оставляет желать лучшего.

В кабельном варианте ATSC за счет использования более прогрессивных методов модуляции максимальный битрейт – 38,78 Мбит/c. А для модуляции вначале планировалось использование более скоростного метода 16VSB, однако реально используемым стал принятый в DVB метод амплитудно-квадратурной модуляции (англ. – quadrature amplitude modulation (QAM))

DVB #

Этот стандарт цифрового телевидения в настоящее время является наиболее распространенным в мире, более 270 стран изъявили желание строить свои системы цифрового ТВ на основе DVB. В этот перечень входят все европейские страны, а также Австралия с Новой Зеландией, многие азиатские и африканские страны.

Стандарт состоит из:

• DVB-S (satellite) – спутникового телевидения;
• DVB-T (Terrestrial) – наземного эфирного телевидения;
• DVB-C (Cable) – кабельного телевидения;
• DVB-H (Mobile) – мобильного.

Стандарты DVB-S и DVB-C были разработаны еще в 1994 году, DVB-T приняли в 1997 году. Первые коммерческие трансляции DVB-T были осуществлены в Великобритании компанией Digital Terrestial Group (DTG) в конце 1998г. Большинство европейских стран намерены уже к 2010 году прекратить трансляцию аналогового телевидения (PAL/SECAM) и полностью перейти на цифровое.

К преимуществам европейской системы цифрового ТВ, в сравнении с американской, относятся более высокая помехозащищенность и регулируемая скорость передатчика цифрового телевизионного сигнала от 5 до 32 Мбит/с (по сравнению с 19 Мбит/с в системе ATSC). Достигнуто это за счет использования большего количества и иных вариантов модуляции сигнала, более широкого диапазона частот канала передачи и повышенной мощности передатчиков.

DVB также как и другие системы цифрового ТВ позволяет передавать в одном физическом канале одновременно телепрограммы и потоки данных. По каналам DVB могут передаваться телепрограммы обычного разрешения и повышенного HDTV. При получении данных с интернет двусторонняя связь реализуется с использованием обратных каналов связи (в простейшем случае через мобильный телефон или через ADSL модем по телефонной линии).

С цифровым ТВ приходят к нам и некоторые полезные сервисы, например, телепрограммы по заказу. Мультимедийная технология DVB-MHP (англ. Multimedia Home Platform) позволяет предоставлять абоненту интерактивные видео-услуги и выполняет часть системных функций, таких как проверка доступа к сети и загрузка системных приложений, необходимых для функционирования всей системы. Для абонента это выглядит чем-то типа компьютерной операционной системы Windows на экране телевизора.

Развитием стандарта стали новое поколение эфирного (DVB-T2) и спутникового (DVB-S2) телевидения. Использование усовершенствованных методов модуляции и более эффективного сжатия по алгоритмам MPEG4 позволило значительно (до 50-60%) увеличить пропускную способность каналов DVB. Устойчивое функционирование при наличии сильных шумов и помех обеспечивается при помощи метода обнаружения и исправления ошибок – LDPC (англ. Low Density Parity Check). Разработка первых образцов оборудования с поддержкой DVB-T2 ожидается уже в конце 2008 г.

При выборе системы цифрового ТВ для России одной из главных характеристик стала полоса частот, отводимая под канал связи в системе DVB – такая же, как и для наших аналоговых телеканалов, то есть 8 МГц. Благодаря внедрению этой системы в России полностью сохранится частотно-территориальные деление каналов. Отпадает необходимость в сложном и длительном согласовании нового распределения частот с органами МО и ФСО и с администрациями связи соседних стран.

ISDB #

Цифровое телевещание в Японии началось в 1996 году на основе европейского спутникового стандарта DVB-S, который позволял передавать один канал HDTV в диапазоне частот стандартного телеканала. Однако, такое положение не удовлетворяло ведущие телевещательные корпорации Японии и было принято решение о разработке более эффективной системы, получившей название ISDB (англ. Integrated Services Digital Broadcasting).

Основными требованиями при разработке нового стандарта стали: эффективное использование частотного диапазона каналов связи, для передачи большего количества HDTV каналов; наличие развитых интерактивных сервисов и сетевого доступа. Если DVB-S позволял передавать с одного спутникового передатчика видеопоток со скоростью около 34 Мбит/cек, то в новом стандарте при битрейте в 51 Мбит/cек можно было одновременно передавать два HDTV канала совместно с потоками данных и аудио. Цифровое спутниковое ISDB вещание началось в Японии 1 декабря 2000 года.

Также, как и в спецификациях ATSC и DVB, для сжатия видеопотока в ISDB-вещании используется кодирование видеоданных в форматах MPEG-2 и MPEG-4, для компрессии аудиосигналов применяют метод MPEG-2 – AAC. Разновидности ISDB отличаются в основном типами модуляций, применяемых для переноса информационного сигнала. Их используется даже больше чем в DVB. В спутниковом ISDB-S используется PSK модуляция; в ISDB-T (в метровых и дециметровых диапазонах) использует COFDM с PSK/QAM, для высококачественного звукового радиовещания используется модуляция CDM.

В стандарте ISDB введена поддержка функции защиты цифрового контента – RMP (англ. Rights Management & Protection). Любая телепрограмма при использовании данной системы имеет три возможных маркировки – "copy once" (однократное копирование), "copy free" (свободное копирование) и "copy never" (защита от копирования). Если программа передается в режиме "copy once", то она может быть однократно сохранена на жестком диске принимающего устройства, однако её не возможно будет переписать на другой какой-либо носитель.

Заключение #

Цифровое телевещание имеет ряд несомненных преимуществ. Так, появляется возможность передавать на одной частоте более четырех телевизионных программ и, следовательно, получить новые каналы для средств массовой информации. С другой стороны, появление каналов высокого разрешения HDTV, позволит ощутить все возможности новых методов обработки и передачи телепрограмм.

Для телекомпаний переход на цифровое ТВ будет означать сокращение затрат на оплату услуг связи, поскольку цифровая технология передачи сигнала гораздо менее затратная. И, конечно же, телеканалы получают возможность использования дополнительных сервисов – таких, как скрытые субтитры, электронная программ передач, телетекст.

Большие перспективы имеет реализация идеи многоцелевого интерактивного телевидения на основе создания единой цифровой платформы передачи данных. В этом случае цифровое телевидение предстанет единой сетью, абоненты которой смогут наслаждаться не только прекрасной картинкой и качественным звуком, но и пользоваться услугами интерактивного телевидения, а также подключаться к другим службам, работающим через общую кабельную сеть, например, к интернету и даже к охранной и пожарной сигнализации.

По прогнозам аналитиков, число абонентов цифрового телевидения во всем мире к 2011 году достигнет 500 млн.

Отзывы

1 Оставить отзыв

• 
  Ник 27.11.2008 в 19:39

  Спасибо, узнал много нового

  Ответить

Всего отзывов    1

Оставить отзыв

Добавить отзыв

загрузить другую

Ваш отзыв

Показать все смайлы
© Mantsurov Ivan, знакомые колобки?

Отправить