Цифровое телевидение

DVB-T/H: ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ

Не смотря на бурное развитие кабельного и спутникового вещания, наземное вещание остается наиболее дешевым, доступным и востребованным средством доставки той или иной информации до абонента. Еще в 1998 г. организацией DVB Project были выработаны основные положения стандарта DVB-C (C - Cable - кабель) для кабельного телевизионного вещания и стандарта DVB-S (S -Satellite - спутник) для спутникового телевизионного вещания. Началась эра цифровизации. Особенно быстро развивалось спутниковое телевизионное вещание (СТВ). Фактически всего за 5 лет практически все спутники начали вести вещание только в цифровом формате. Это обстоятельство дало мощный толчок к переходу наземного телевизионного вещания (НТВ) так же на цифровой формат.

Переход от аналогового вещания к цифровому имеет много причин. Не последнюю роль сыграло отсутствие единого телевизионного стандарта. На сегодняшний день их три: NTSC, PAL и SECAM.

NTSC. Эта система была разработана в США и принята для вещания в 1953 г. Стандарт обеспечивает разрешение в 525 строк, обновляется с частотой 30 кадров в секунду (вернее, 60 полукадров (полей) с учетом чересстрочной развертки). Основной недостаток NTSC - высокая чувствительность к искажениям сигнала на уровне канала передачи. В настоящее время этот стандарт используется в большинстве стран Северной и Южной Америки и некоторых азиатских государствах.

PAL - используемый практически во всем мире стандарт, принятый в 1967 г. Его главное преимущество перед американской разработкой - высокая стабильность информации об оттенке. Сигнал имеет разрешение 625 строк при 25 кадрах в секунду (50 полей).

SECAM начали использовать в некоторых странах с 1969 г. Этот стандарт, как и PAL, имеет большое вертикальное разрешение (625 строк). При этом передача двух цветоразностных сигналов производится последовательно, а сигнал яркости - непрерывно, что позволяет получать устойчивый оттенок стабильную насыщенность изображения.

Они несовместимы - получить цветное изображение на телевизоре другого стандарта практически невозможно. Таким образом, распространение одного канала, пусть даже самого интересного, ограничено территориальными границами.

Не стоит также забывать, что частоты, выделяемые для телеканалов, ограничены. На каждой полосе можно разместить только один аналоговый канал или четыре цифровых. При этом каждый цифровой канал позволяет единовременно транслировать до десятка телевизионных и четырех радиопрограмм. Кроме того, цифровое телевидение может обеспечить доступ к интернету и справочной информации с помощью дополнительного канала (естественно, за отдельную плату).

Самая большая беда аналогового телевидения - его, мягко говоря, неудовлетворительное качество. Принцип частотного разделения видеосоставляющей сигнала не позволяет идеально разграничить компоненты цвета и яркости в пересекающихся областях спектра. Отсортировать чистый сигнал от помех позволяет только цифровое кодирование. А уж обеспечить устойчивый прием при использовании телевизионной техники в автомобиле, да еще и на значительном расстоянии от передатчика, оно точно не в состоянии.

Цифровое телевидение (от англ. DTV) - модель передачи видео и аудио сигнала от транслятора к телевизору, использующая цифровую модуляцию и сжатие для передачи данных. Цифровое телевидение - это отрасль телевизионной техники, в которой прием, обработка, передача и хранение телевизионного сигнала осуществляется в цифровой форме. При приеме цифровой сигнал превращается в аналоговый и изображение воспроизводится на экране в привычном для нас виде.

Применение методов и средств цифрового телевидения предлагает ряд преимуществ по сравнению с аналоговым телевидением:

  • расширение функциональных возможностей студийной аппаратуры, используемой при формировании, подготовке, редактировании и проведении телевизионных программ;
  • повышение помехоустойчивости трактов передачи и записи ТВ сигналов;
  • существенное увеличение числа телевизионных программ (до 10-12), передаваемых на одном частотном канале;
  • создание новых телевизионных систем с повышенным качеством, как телевизионных, так и новых, дополнительных услуг (телевидение высокой четкости - ТВЧ, трансляция данных и т.д.);
  • единый подход к кодированию и передаче телевизионных сигналов с различной четкостью картинки;
  • интеграция с другими видами информации при передаче по цифровым сетям связи (например, с Internet);
  • уменьшение мощности передатчиков ТВ-вещания или расширение зон охвата (покрытия) при той же мощности передатчика;
  • создание интерактивных телевизионных систем и, как следствие - адресная доставка всех сервисных услуг;
  • обеспечение защиты передаваемых телевизионных программ и другой информации от несанкционированного доступа, что дает возможность создавать системы платного ТВ-вещания.

Эти преимущества обусловлены как самими принципами, присущими цифровому телевидению, так и наличием разнообразных алгоритмов, схемных решений и мощной технологической базы для создания соответствующих устройств.

В своём развитии цифровое телевидение прошло ряд этапов. На каждом этапе сначала выполнялись научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, создавались экспериментальные устройства и системы, а затем принимались стандарты, как правило, международные, которые должны выполняться всеми организациями, ведущими телевизионное вещание и выпускающими видеопрограммы, и всеми фирмами-производителями аппаратуры. Принятие стандартов - важнейшая составляющая развития любой технологии. Международные стандарты принимаются в первую очередь Международной организацией по стандартизации (ISO, созданной в 1947г.

Стандарт DVB-T. При разработке европейского стандарта ЦНТВ DVB-T (наземное цифровое видео вещание) преследовались следующие основные коммерческие цели:

  1. стандарт должен поддерживать концепцию контейнера данных и переносить любые типы данных - ТСЧ (SDTV), ТВЧ (HDTV), звук (audio), любую их комбинацию, пока это позволяет емкость контейнера;
  2. стандарт должен обеспечивать высокую помехозащищенность, максимальную гибкость использования спектра с возможным обменом емкости канала на размеры зоны обслуживания, возможность передачи служебных таблиц, телетекста, ввод системы условного доступа;
  3. стандарт должен быть максимально унифицирован со стандартами на спутниковую (DVB-S) и кабельную (DVB-C) системы передачи для удешевления производства многостандартных декодеров;
  4. система должна допускать обслуживание с существующих передающих центров и прием на существующие антенны;
  5. должен поддерживаться прием на комнатные антенны и переносимые приемники (не в движении);
  6. стандарт должен поддерживать работу в одночастотной сети (SFN);
  7. приемник должен иметь выход цифровых данных для выделения сигналов дополнительных служб, желательно наличие модема для организации канала взаимодействия;
  8. уровень выбранной технологии должен соответствовать достигнутым возможностям промышленности для быстрого развертывания производства;
  9. иерархическая модуляция должна допускаться как возможный вариант на втором этапе внедрения.

Ключевым вопросом в разработке DVB-T был выбор вида модуляции - одночастотная или многочастотная. К этому моменту американцы уже выбрали для своего стандарта ATSC одночастотную модуляцию, а в Европе в рамках нескольких исследовательских проектов (DAB, RACE, HD-DIVINE и др.) изучали свойства многочастотной OFDM. Моделированием на компьютерах и натурными экспериментами было доказано, что восприимчивость к помехам от сигналов PAL и SECAM у OFDM примерно на 10 дБ ниже, чем у одночастотной системы типа DVB-C. Специалисты пришли к выводу, что предъявленным требованиям, особенно условию работы в одночастотной сети, удовлетворяет только OFDM.

Выбор параметров COFDM. В ходе разработки стандарта DVB-T необходимо было выбрать основные параметры системы - число индивидуальных несущих на символ, величину защитного интервала, вид модуляции несущих, метод синхронизации. В результате обсуждения была принята и вошла в стандарт единая спецификация «2к/8к».

Так же, DVB-T система ориентирована на использование MPEG-2 сигналов, в силу чего необходима соответствующая адаптация цифрового кодированного транспортного потока (TS) к различным характеристиками эфирного канала. Основным достоинством DVB-T вещания в сравнении с аналоговым является возможность построения SFN (одночастотные сети) сетей практически с любой зоной покрытия. В силу этого, для достижения максимальной спектральной эффективности при максимальной гибкости к разным условиям эксплуатации в DVB-T используются:

  • базовая COFDM модуляция с двумя режимами: 2k (1705 несущих) или 8k (6817 несущих);
  • высокочастотная цифровая модуляция несущей с одним из трех форматов: QPSK (2 бита на несущую, b = 2), 16QAM (b = 4) и 64QAM (b = 6);
  • набор относительных скоростей кодирования, реализуемых в сверточном кодере (CR = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8);
  • набор длительностей защитного интервала (ΔТ = 1/4, 1/8, 1/16, 1/32);
  • неиерархическая или иерархическая модуляция и модуляционный параметра α (α = 1, 2, 4).

Возможность использования иерархической модуляции с разным модуляционным параметром ? (только для форматов модуляции 16QAM и 64QAM) позволяет передавать в одном канале два информационных входных транспортных потока - низкого и высокого приоритета, с различной защитой от ошибок. Такая важная особенность допускает одновременную передачу разных программ с различной защитой от ошибок и различными зонами охвата (покрытия). Основные параметры DVB-T системы представлены в табл.1.

Таблица 1

Параметр Значение параметра
8k 2k
Число несущих в символе OFDM 6817 1705
Число несущих полезных данных в символе OFDM 6048 1512
Число рассосредоточенных пилот-сигналов в кадре OFDM 524 131
Число непрерывно повторяющихся пилот-сигналов в кадре OFDM 177 45
Число несущих сигнализации о параметрах передачи в кадре OFDM (пилот-сигналы TPS) 68 17
Длительность полезной части символа OFDM, мкс 896 224
Разнос соседних несущих, Гц 1116 4464
Разнос между крайними несущими в символе OFDM, МГц 7,608258 7,611607
Частота следования символов данных, МГц 6,75 6,75
Ширина полосы частот канала, МГц 6, 7 и 8 6, 7 и 8
Число битов на символ 2, 4, 6 2, 4, 6
Кодирование кода Рида-Соломона Т=8 (204, 188) Т=8 (204, 188)
Длительность псевдослучайной последовательности, байт 1503 1503
Скорость передачи полезных данных, Мбит/с 4,98…31,67 4,98…31,67
Скорость внутреннего кода 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8
Модуляция несущих QPSK, 16QAM,64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM
Относительный защитный интервал DT/TU 1/4 1/8 1/16 1/32 1/4 1/8 1/16 1/32
Длительность полезной части символа TU, мкс 896 224
Длительность защитного интервала DT, мкс 224 112 56 28 56 28 14 7
Длительность символа TS = DT + TU, мкс 1120 1008 952 924 280 252 238 231
Максимальный разнос между передатчиками в одночастотной сети (SFN), км 67,2 33,6 16,8 8,4 16,8 8,4 4,2 2,1

 

В соответствии с табл.1 существуют два разных режима в зависимости от количества несущих. Длительность полезного интервала для режима 8k составляет 896 мкс, а для режима 2k - 224 мкс. Из-за ортогональности системы это соответствует разносу между несущими в 1116 Гц и 4464 Гц соответственно.

В стандарте предусмотрена возможность использования одного из трех видов модуляции: QPSK, QAM16, QAM64. Выбор того или иного вида модуляции зависит от требуемой скорости передачи данных и определяет, в свою очередь, необходимые энергетические соотношения в системе. Следует иметь в виду, что помехоустойчивое кодирование и защитные интервалы снижают информационную скорость передачи, и это следует учитывать при выборе параметров системы. В табл.2 приведены значения скорости передачи и требуемого отношения сигнал-шум в радиоканале при различных сочетаниях параметров. Отношение сигнал-шум дано для трех моделей канала: Гауссовой модели (канал без отражений с равномерным «белым» шумом), модели Раиса (канал с отражениями, но с преобладанием прямого сигнала) и модели Рэлея (канал без прямого сигнала, только с отраженными). Данные этой таблицы не зависят от числа несущих, так как при переходе от режима «8к» к режиму «2к» с уменьшением числа несущих в 4 раза одновременно во столько же раз увеличивается скорость передачи данных на каждой несущей.

Таблица 2. Расчетные значения цифровых потоков для разных форматов модуляции

Модуляция Скорость кодирования CR Требуемое C/N для BER = 2 х 10-4 после Viterbi Битовая скорость (Мбит/с)
Гауссов канал Канал Раиса Рэлеевский канал DT/TU = 1/4 DT/TU = 1/8 DT/TU = 1/16 DT/TU = 1/32
QPSK 1/2 3,1 3,6 5,4 4,98 5,53 5,85 6,03
2/3 4,9 5,7 8,4 6,64 7,37 7,81 8,04
3/4 5,9 6,8 10,7 7,46 8,29 8,78 9,05
5/6 6,9 8,0 13,1 8,29 9,22 9,76 10,05
7/8 7,7 8,7 16,3 8,71 9,68 10,25 10,56
16QAM 1/2 8,8 9,6 11,2 9,95 11,06 11,71 12,06
2/3 11,1 11,6 14,2 13,27 14,75 15,61 16,09
3/4 12,5 13,0 16,7 14,93 16,59 17,56 18,10
5/6 13,5 14,4 19,3 16,59 18,43 19,52 20,11
7/8 13,9 15,0 22,8 17,42 19,35 20,49 21,11
64QAM 1/2 14,4 14,7 16,0 14,93 16,59 17,56 18,10
2/3 16,5 17,1 19,3 19,91 22,12 23,42 24,13
3/4 18,0 18,6 21,7 22,39 24,88 26,35 27,14
5/6 19,3 20,0 25,3 24,88 27,65 29,27 30,16
7/8 20,1 21,0 27,9 26,13 29,03 30,74 31,67

В зависимости от выбранной схемы передачи в системе DVB-T могут формироваться три группы сигнальных созвездий: равномерные для неиерархической передачи (используется QPSK, 16-QAM, 64-QAM) и неравномерные с двумя возможными коэффициентами неравномерности а=2 и а=4 (используется 16-QAM и 64-QAM). Модулированные узкополосные ортогональные несущие объединяются в пределах полосы канала в группу COFDM. При модуляции несущих (при отображении битовых комбинаций в точки сигнального созвездия) для двух старших разрядов используется преобразование натурального кода в код Грея. В ТВ радиоканале спектр системы DVB-T за счет использования схемы модуляции OFDM имеет очень хорошую прямоугольность.

Иерархическая модуляция является важной особенностью, предусмотренной стандартом DVB-T. Как известно, качество аналоговых TV сигналов по мере удаления от центра вещания снижается постепенно. Совсем по иному ведут себя цифровые сигналы. Качество приема сохраняется неизменным до определенной точки, именуемой границей зоны покрытия. За этой критической точкой наблюдается полный сбой приема сигнала, т.к. условия приема ухудшаются в прогрессии. Сущность иерархической модуляции заключается в таком выборе параметров сигнальных векторов, который приводит к образованию в цифровом потоке двух или более виртуальных каналов с разной скоростью передачи, помехозащищенностью и, соответственно, зоной обслуживания.

Один из возможных способов иерархической модуляции - применение неравномерного квантования сигнальных векторов. Второй, более распространенный способ осуществления иерархической модуляции - смешение двух схем модуляции одинаковой или разной кратности - QPSK для HP потока и, например, QPSK для LP потока. Результирующий ансамбль будет уже QAM16.

В зависимости от намерений вещателя возможны различные варианты реализации преимуществ иерархической модуляции. Одна из возможностей связана с обеспечением приема на комнатные антенны и переносные приемники. Для стационарных приемников с наружными антеннами используется поток низшего приоритета, и зона обслуживания при этом сокращается незначительно. Переносные приемники смогут принимать приоритетный поток данных, содержащий «основные» программы или программы с несколько ухудшенным качеством, в значительно более широкой зоне обслуживания.

В другом варианте применение иерархической модуляции позволяет ценой незначительного сокращения зоны обслуживания для потоков низшего приоритета и увеличения зоны для высшего приоритета заметно увеличить суммарную пропускную способность радиоканала.

Рис. 1Рис. 1

Кроме того, для иерархического режима вводится параметр модуляции "α". Типовыми значениями являются 1 (равномерная модуляция), 2 или 4 (неравномерная модуляция). Примеры для α = 1 и α = 2 показаны на рис.1. При этом оба потока модулируются одновременно. Каждая несущая модулируется двумя информационными символами с различным уровнем защиты от ошибок. Символ с повышенной защитой модулируется посредством использования более гибкого метода модуляции. Он несет информацию о квадранте констелляционной точки в фазовом пространстве. Второй символ дает информацию о расположении этой констелляционной точки пределах каждого квадранта. Сигнальная же обработка каждого из иерархического потоков ведется раздельно.

Полезная скорость передачи данных в сети DVB-T (табл.2 и рис.2) зависит от заданных режимов работы сети, т.е. от относительной скорости сверточного кодирования, метода модуляции несущей и длительности защитного интервала:

RU = RS • b • CR • CRRS (TU / TS) (1)

где:

RU - полезная скорость передачи данных сети, Мбит/с;

RS = 6,75 Мсим/с - символьная скорость;

b - число битов в несущей (например, 4 для 16QAM);

CR - относительная скорость сверточного кодирования;

CRRS = 188/204 - скорость кодирования Рида-Соломона;

TU - длительность полезной символьной части;

TS - символьная длительность, включая защитный интервал ΔТ (TS = ΔT + TU);

TU/ TS = 4/5, 8/9, 16/17 или 32/33 в зависимости от длительности защитного интервала ΔТ.

Рис. 2Рис. 2

Стандарт DVB-H. Говоря о стандарте DVB-T, нельзя не затронуть кратко и стандарт мобильного вещания DVB-H, который является совместимым с DVB-T. К настоящему времени мировое сообщество не приняло единый Multicast-стандарт мобильного ТВ. Существует около 10 стандартов, используемых в различных регионах мира. Наиболее перспективными считаются DVB-H, MediaFLO и DMB-T. Стандарт DVB-H продвигается компанией Nokia и холдингом Mobile DTV Alliance. DVB-H основан на стандарте наземного ТВ-вещания DVB-T, но аппаратура стандарта DVB-H потребляет меньше электроэнергии и обладает лучшей мобильностью, что резко выводит его в лидеры. Стандарт MediaFLO, разработанный американской компанией Qualcomm, близок по своей идеологии к DVB-H , но оптимизирован по большему числу параметров за счет снятия требования на совместимость с DVB-T. Стандарт DMB-T, разработанный фирмой Samsung, легко разворачивается на базе существующей структуры DAB - цифровой технологии радиовещания, пришедшей в 90-е годы прошлого века на смену аналоговому FM-радиовещанию.

Для мобильного телевидения в различных странах отведены определенные диапазоны частот: как традиционные для эфирного вещания диапазоны (VHF, UHF), так и более высокочастотные диапазоны - L-band (1452 -1492 МГц) и IMT200/UMTS (1900-2200 МГц). Важно отметить, что в качестве системы модуляции в стандартах DVB-H, MediaFLO и DMB-T выбрана система COFDM. Во всех этих стандартах применяется один из трех видов модуляции: квадратурная амплитудная манипуляция QAM16, QAM64 или QPSK. Принцип помехоустойчивого кодирования во всех перечисленных выше стандартах также примерно одинаков: двухступенчатое кодирование с внешним кодом Рида - Соломона и внутренним - сверточным кодом (в DVB-H и DMB-T) и турбо-кодом (в MediaFLO).

Каждый из стандартов мобильного ТВ имеет свою зону влияния: DVB-H распространен в Европе, России, MediaFLO популярен в Северной Америке (коммерческое вещание - в США, испытания - в Канаде и Японии), а DMB-T - в Азии и ряде европейских стран. Сейчас большинство специалистов отдают предпочтение стандарту DVB-H, основанному на стандарте наземного ТВ-вещания DVB-T, который уже работает в большинстве стран Европы и Прибалтики. В ноябре 2007 года Европейский союз признал DVB-T официальным стандартом мобильного ТВ в Европе. Ожидается, что большинство азиатских, африканских и ближневосточных стран также поддержат этот стандарт.

С DVB-H активно конкурирует стандарт MediaFLO. Этому способствовала договоренность компании Qualcomm с крупнейшими операторами сотовой связи в США - компаниями AT&T Mobile и Verizon Wireless о развитии мобильного сервиса на базе технологии MediaFLO. В марте 2007 года усилиями Verizon Wireless мобильное вещание на платформе MediaFLO успешно стартовало. Сейчас данный стандарт продвигается не только в США, но и в ряде других стран.

Аналитики полагают, что в ближайшее время война стандартов, тормозящая развитие мобильного ТВ не закончится по той простой причине, что должны договориться многие заинтересованные стороны: операторы мобильного ТВ, компании-производители сотовых телефонов, карманных компьютеров. Пока даже в США нет единого стандарта передачи видеоданных на мобильные терминалы. Ведь в холдинг Mobile DTV Alliance, поддерживающий формат DVB-H, входят такие американские компании-гиганты, как Intel, Microsoft, Motorola, Texas Instruments. Да и появился формат DVB-H раньше, чем продвигаемый американской компанией Qualcomm формат MediaFLO. С такой ситуацией не стала мириться FCC (Государственная комиссия по связи, регулирующая правовые и технические вопросы всех отраслей связи), которая дала указание ATSCDVB-H, базирующийся на эфирном стандарте DVB-T набирает все большие и большие обороты. Похоже, что идет лавинный процесс в пользу DVB-T и DVB-H.

Основными отличительными чертами стандарта DVB-H являются возможность экономии энергопотребления мобильными терминалами (до 95%) за счет скоростной посылки информации в ограниченный момент времени, высокая помехозащищенность при много лучевом распространении сигнала и возможность принятия TV-сигналов на очень высоких скоростях (свыше 800 км/час).