Учебники / Цифровое телевизионное вещание под редакцией Г. В. Мамчев, 2014

420 8. СИСТЕМЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ДОСТУПА В ЦИФРОВОМ ТЕЛЕВИЗИОННОМ ВЕЩАНИИ

торам системы, не могут иметь прямое и исключительное интерактивное

взаимодействие с абонентами.

Другой подход исключает какое-либо преобразование управления на

стыке средств распределения. В этом случае зритель получает доступ ко

всем службам, использующим методы SimulCrypt или MultiCrypt. Это соз­ дает неудобство для конечных операторов системы передачи, так как все управление передано первоначальному оператору СОД и, следовательно, требуются хорошие рабочие отношения между всеми сторонами.

Для изменения условий доступа в пределах программы существуют

три подхода. Во-первых, можно модифицировать условия доступа в каждом кадре, но это - намного чаще того, что требуется по соображениям безопас­

ности. Во-вторых, можно изменить условия доступа, связав их с кадром, за­

ранее оповестив о предстоящих изменениях, и инициировать затем их при

помощи флага. И, в-третьих, можно заменить управляющее слово непосред­

ственно в пределах программы. Однако второй и третий подходы не позво­

ляют провайдеру программы мгновенно изменять условия доступа.

8.5. Маркирование телевизионных программ

цифровыми водяными знаками

С задачей ограничения доступа тесно связана задача установления и

охраны авторских прав. Для этой цели в системах цифрового телевизион- ного и звукового вещания применяют специальные метки (маркеры) ав­ торского материала и скомпонованных программ, так называемые цифро­ вые водяные знаки ЦВЗ). Управление доступом и

маркирование ЦВЗ являются двумя комплиментарными методами защиты

информации. Цифровые методы ограничения доступа, в частности, частая

смена ключей, позволяют передать содержание исключительно подписчи­

KaM службы. Но при этом все равно остается задача удостовериться, что содержание не было нарушенным [86].

ЦЕЗ - это нестираемый скрытый код или метка, который незамет­ ным образом вводится в аудиовизуальные сигналы программы и позволяет

проверить оригинальность материала или предоставляет средства для

транспортировки скрытой информации. Право выделения ЦВЗ и отобра­

жения предоставляется только тем, у кого есть ключ для их выделения,

контроля и использования с целью идентификации содержания, установ­ ления аутентичности (подлинности), обнаружения копий, контроля трафика

ит.п.

Маркирование ЦЕЗ напоминает процесс присвоения программе в ходе

ее производства некоторого ярлыка, который подтверждает права собст­ венности на нее и т.п. Без специальных технических средств ЦВЗ является невидимым, никоим образом ненарушающим программу (в худшем случае он просто добавляет небольшой шум к видимому содержанию программы) и не может быть подделан [87].

422 8. СИСТЕМЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ДОСТУПА В ЦИФРОВОМ ТЕЛЕВИЗИОННОМ ВЕЩАНИИ

ЦВЗ W1 (универсальный указатель базы данных прав собственности) идентифицирует некоторую работу (услугу, программу) в момент ее соз­

дания, например, используя маркирование непосредственно в видеокамере.

ЦВЗ W1 указывает на запись в базе данных, которая хранит описание этой работы. Для этих целей предлагается универсальная структура W1 в виде комбинации длиной 64 бита, разделенных на три поля.

Первое поле длиной 8 бит отводится для идентификации междуна­ родной организации, которая стандартизирует описание содержания базы данных. Максимально может быть отмечено 255 организаций, битовая по­ следовательность из 8 единиц зарезервирована на будущее. Второе поле длиной 15 бит предназначено для идентификации местного агентства,

уполномоченного международной организацией распределять указатели

W1. Максимально может быть отмечено 32768 местных агентств.

Третье поле длиной 41 бит - это собственно идентификационный но­ мер. Таким образом, каждое местное агентство может идентифицировать 2199 миллиардов выполненных работ.

ЦВЗ W2 служит для защиты в тракте первичного распределения про­

грамм. Этот тракт представляет собой систему с одним выходом (на него поступает сигнал с введенным ЦВЗ W1) и множеством выходов. На каж­ дом из выходов с целью его идентификации вводится ЦВЗ W2 длиной 64 бита, содержащий идентификационные номера поставщика и получателя

программы, а также краткие сведения о вещателе, получающем программу

для дальнейшего распределения.

ЦВЗ W3 используется для контроля возможного пиратского копиро­

вания программ, получаемых подписчиком, и вводится непосредственно в

телевизоре конечного пользователя.

Совмещение управления доступом и маркирования ЦВЗ ведет к ком­

плeKcHoй схеме защиты, удовлетворяющей концепции открытых сетей, а

именно к отсутствию доступа к незашифрованному или не помеченному

содержанию программы в любой точке тракта передачи. Обязательное ус­ ловие - процесс маркирования ЦВЗ должен быть тесно связан с системой

дешифрирования, а обе операции объединены так, чтобы избежать съема информации в точке, где содержание дешифруется, но еще не маркируется.

Контрольные вопросы

8.1. Почему необходимо ограничение доступа к программам цифрового телеви­ дения?

8.2.Какими способами осуществляется ограничение доступа в системе цифро­ вого телевизионного вещания?

8.3.Как функционирует алгоритм скремблирования для систем с ограниченным доступом?

8.4.Перечислите основные особенности эксплуатации систем с ограниченным

доступом.

8.5.Как производится маркирование телевизионных программ цифровыми водяными знаками?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

в 1996 и 1997 годах были сертифицированы стандарты цифрового на­ земного телевизионного вещания ATSC и DVB-T. Тем самым получил формальное подтверждение тот факт, что единого мирового стандарта на­ земного цифрового телевидения не будет. Причем в те годы уже разраба­ тывался проект третьей - японской системы ISDB-Т.

Сравнивая преимущества и недостатки систем, надо иметь ввиду, что все стандарты предполагают использование компрессии МPEG-2, поэтому во всех системах данные об изображении и звуке передаются в виде паке­ тов транспортного потока МPEG-2. Принципиальные различия между сис­

темами проявляются лишь в том, как передаются от передатчика к прием­

нику кодированные данные, то есть на уровне модуляции. Поэтому именно

в соперничестве способов модуляции (8-VSB и COFDM) будут опреде­ ляться судьбы систем цифрового телевидения.

В ряде стран, которые планируют перейти к цифровому телевизион­

ному вещанию, были проведены всесторонние сравнительные испытания

систем цифрового наземного телевидения DVB-T и ATSC. Лабораторные и

полевые испытания длились почти два года. Параметры системы DVB-Т были выбраны из условия обеспечения в полосе частот 7 МГц скорости

передачи данных (19,35 Мбит/с), близкой к скорости передачи в системе ATSC (19,39 Мбит/с): режим 2k (1705 несущих), модуляция несущих­ QAМ-64, скорость внутреннего кода - 2/3, защитный интервал - 1/8. Срав­

нение систем DVB-T и ATSC проводилось по 50 параметрам, из которых 29 были признаны основными. Было выполнено множество сравнительных измерений в разнообразных условиях. Итоговые результаты испытаний за­

ключаются в следующем.

При оценке способности систем обеспечить такую же зону охвата ве­ щанием, как в современном аналоговом телевидении РAL, было отмечено, что ATSC имеет преимущество, связанное с более низким пороговым от­ ношением уровня несущей к шуму. Лабораторные эксперименты показали, что пороговые отношения для систем ATSC и DVB-T равны соответствен­

но 15,1 и 19,1 дБ. Пороговое отношение сигнал/шум дЛЯ ATSC было близ­ ко к теоретическому пределу (15,1 вместо 14,9 дБ). Для системы DVB-T отличие экспериментального значения отношения сигнал/шум от теорети­ ческого было б6льшим (19,1 вместо 16,5 дБ). В условиях канала связи с белым гауссовым шумом разница в пороговом отношении уровня несущей к шуму означает, что мощность радиосигнала DVB-T должна быть на 4 ДБ больше, чем ATSC, дЛЯ достижения одной и той же площади охвата. Одна-

424 ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕrцАНИЕ

ко практические испытания системы DVB-T с интегральными микросхе­

мами компании LSI Logic (США) подтвердили различие только в 1,4 дБ, что фактически является не так cyrцecTBeHHЫM. Лабораторные испытания также показали, что ATSC может работать в условиях более сильных им­ пульсных помех. При одном и том же уровне помех ATSC сохраняет рабо­ тоспособность при меньшем (на 8 ... 11 дБ) уровне сигнала, чем DVB-T.

Система DVB-T способна лучше работать в условиях многолучевого приема, типичного для современных городов и пригородов. Статический многолучевой прием связан с отражениями волн от зданий, стен, мебели. Динамический многолучевой прием обусловлен отражениями от автомо­ билей, поездов, людей, животных. В аналоговом телевидении многолуче­ вой прием приводит к искажениям: повторам (если отраженный сигнал приходит в точку приема с заметной задержкой), появлению на изображе­ нии шумов (если интерференция прямого сигнала с отраженным приводит к затуханию суммарного). Но в цифровом телевидении многолучевой при­ ем приводит к полному поражению цифровых данных и исчезновению

изображения. Поэтому способность системы бороться с искажениями, свя­

занными с многолучевым приемом, является важнейшим показателем.

Эксперименты показали, что система ATSC отказывает, когда уровень не­

изменного во времени отраженного эхо-сигнала cOKparцaeT потенциальную

разницу в размерах зоны охвата веrцанием конкурируюrцих систем при

одинаковой моrцности передатчика, обусловливаемую разным пороговым

отношением сигнал/шум, поэтому был сделан вывод: ни одна система не

имеет значимых преимуrцеств при оценке размеров зоны охвата веrцанием.

При этом стандарт ATSC фактически не пригоден для мобильного

приема и не обеспечивает устойчивого приема в условиях плотной город­

ской застройки и в холмистой местности.

При решении проблемы моrцности телевеrцания необходимо учиты­ BaTь следуюrцее условие. На время переходного периода повысить MOrц­

ность передатчика, обеспечиваюrцего цифровое телевизионное веrцание,

нельзя из-за возможных помех действуюrцему аналоговому веrцанию по

системе РAL, но после полного перехода к цифровому веrцанию MOrцHOCTЬ

передатчиков может быть увеличена. Увеличение моrцности передатчика способно компенсировать различия в величине порогового отношения сиг­

нал/шум и чувствительности к импульсным помехам в случае применения

модуляции COFDM. Однако повышение моrцности телевизионного пере­ датчика не способно решить проблему многолучевого приема в случае ис­ пользования модуляции 8-VSB. Увеличение моrцности телевизионного пе­ редатчика расширяет зону уверенного приема, но может erцe больше ус­

ложнить прием в условиях многолучевого распространения даже при не­

больших расстояниях до передатчика.

Система ATSC предполагает постоянную скорость передачи цифрово­ го потока, равную 19,28 Мбит/с в канале связи с полосой частот 6 МГц, в

то время как система DVB-T позволяет изменять эту скорость от 3,7 до

23,8 Мбит/с (ДЛЯ канала связи в 6 МГц) в зависимости от желания вещате­ лей. В канале связи с полосой частот в 8 МГц скорость передачи цифрово­ го потока системы DVB-T может меняться в пределах от 4,9 до 31,7 Мбит/с. Таким образом, система DVB-T предполагает много значений скорости цифрового потока в зависимости от возможного выбора порого­ вого значения отношения сигнал/шум. Дело в том, что цифровой телевизи­ онный сигнал с б6льшей скоростью цифрового потока более чувствителен к помехам, поэтому вещатели могут выбирать максимальное значение ско­ рости цифрового потока, обеспечивающее приемлемую надежность пере­ дачи в условиях реального уровня помех. Это принципиальное отличие двух систем, обеспечивающее б6льшую гибкость системы DVB-T.

Общее решение, основанное на анализе результатов сравнения по раз­ ным показателям в соответствии с их значимостью, было вынесено в поль­

зу системы DVB-T. На решение повлияло и то, что есть ряд вариантов ве­

щания, в которых способна работать лишь система DVB-T. Прежде всего,

это одночастотные сети. Примером может служить сеть маломощных те­

левизионных передатчиков, располагающихся в зонах плохого приема сиг­

нала основного передатчика, и работающих на той же самой частоте, что и основной. В результате чего система DVB-T, используя одну и ту же час­

тоту, излучаемую соседними радиопередатчиками с перехлестыванием

сигналов, позволяет покрыть телевизионным вещанием всю необходимую

территорию практически любой площади. Цифровая телевизионная систе­

ма стандарта ATSC не позволяет организовывать одночастотные сети те­ левизионного вещания. В системе DVВ-Т возможна иерархическая моду­

ляция, позволяющая осуществить одновременную передачу сигналов двух

программ в одном канале, но с разными уровнями помехозащищенности.

Например, это могут быть программы ТВЧ и стандартной четкости. Про­ граммы ТВЧ принимаются на стационарную высококачественную антен­ ну. Сигнал стандартного телевидения, обладающий большой помехоза­ щищенностью, может приниматься на слабонаправленную антенну порта­

тивного телевизора или телевизионного приемника, установленного, на­

пример, в автомобиле и воспринимающего сигнал в условиях динамиче­

ского многолучевого распространения радиоволн.

Таким образом, способность обеспечивать надежность работы в усло­

виях многолучевого приема является одним из важнейших факторов при выборе стандарта цифрового наземного телевизионного вещания.

По мнению специалистов Федеральной комиссии связи США пробле­

ма приема на комнатные антенны в условиях многолучевого распростра­

нения радиоволн в системе ATSC будет решена в ближайшее время, когда

появятся усовершенствованные телевизионные приемники третьего поко­

ления, принимающие сигналы с модуляцией типа 8-VSB, в которых будут применены новые микросхемы фирмы Motorola. Согласно имеющимся в

литературе сведениям данные микросхемы действительно решают про­

блему статической многолучевости в случае фиксированного приема. Од­

нако созданные прототипы новых микросхем не позволяют eIЦe «дотя­

HyTь» до результируюIЦИХ качественных показателей способа модуляции COFDM, используемого в системе DVB-T.

За последние два-три года заметно изменились обстоятельства, кото­

рые достаточно долго определяли стратегию внедрения широких возмож­

ностей цифрового телевизионного веIЦания.

Первый этап цифровизации веIЦания, главным образом, был нацелен на многопрограммность, а твч выглядело отдаленной целью. Однако, предпочтительнее реализовывать обе задачи параллельно.

Принятый пакет единых цифровых стандартов твч стал надежным мировым фундаментом, гарантируюIЦИМ достаточно высокое качество изображения и звука для телезрителей, свободный обмен телевизионными

программами и архивирование.

Быстро внедряемые жидкокристаллические и плазменные воспроиз­

ВОДЯIЦие устройства плоского типа, обеспечиваЮIЦие формат 16:9 и твч,

стимулируют стремление телезрителей наблюдать изображения более вы­ сокого качества и коренным образом улучшить звуковое сопровождение

телевизионных программ.

Прогресс в совершенствовании кодирования по стандарту Н.264, до­

полнительная цифровая обработка до воспроизведения изображений при­

ближают надежную передачу в одном радиоканале программы твч не

только в формате 1080р, но и двух и более программ твч.

С развитием телевидения высокой четкости требуется увеличение пропускной способности используемых каналов связи, которое обеспечи­

вается при внедрении разработанных в последние годы новых систем циф­

рового телевизионного веIЦания с возросшей на 30 ... 60% полезной скоро­

стью передачи потока данных.

Второе поколение DVВ-стандартов (DVB-X2), как и первое, включает

три основных транспортных стандарта, обслуживаюIЦИХ три главные сре­

ды передачи - DVB-S2 (спутниковый), DVB-T2 (эфирный) и DVB-C2 (ка­ бельный).

Разработчики семейства стандартов DVB-X2, предназначенных для

разных транспортных сред, старались максимально унифицировать их

компоненты. В частности, во всех стандартах применяется единая схема

помехоустойчивого канального кодирования (РЕС - Forward Error Сопес­ tion). Она предусматривает последовательное использование внешней ко­

дозаIЦИТЫ с применением кода БЧХ и внутренней кодозаIЦИТЫ, реализуе­

мой при модуляции сигнала, с использованием кода с низкой плотностью

проверки на четность (LDPC code), ОТНОСЯIЦегося к группе турбокоДов.

В цифровых телевизионных системах второго поколения поменялась не только кодозаIЦита, в них используются дополнительные способы мо­ дуляции. CYIЦecTBeHHыe изменения в новых системах претерпела и струк-

тура транспортного потока. Внутри одного физического канала могут вы­ деляться отдельные логические каналы, обеспечивающие передачу данных

конкретной телекоммуникационной услуги.

Эффективность цифровых систем телевизионного вещания второго поколения настолько близка к теоретическому пределу Шеннона, опреде­ ляющему максимальную теоретическую пропускную способность цифро­ вого канала с аддитивным белым гауссовым шумом, что третьего поколе­ ния в обозримом будущем никто не прогнозирует.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Телевидение: Учебник для вузов I В.Е. Джакония, А.А. Гоголь, Я.В. Друзин и

др.; Под ред. В.Е. Джаконии. - М.: Радио и связь, 1997. - 640 с.

2.Цифровое телевидение I Под ред. М.И. Кривошеева. - М.: Связь, 1980. - 264 с.

3.Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника. - М.: Радио и связь,

1990. - 528 с.

4.Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие. - М.: Горя­

чая линия - Телеком, 2001. - 224 с.

5.Recommendation ITU-R вт.601-5. Studio Encoding Parameters ofDigital Televi-

sion for Standard 4:3 and Wide - Screen 16:9 Applications.

6.Гласман К. Цифровое представление телевизионного сигнала II 625. ТВ ин­ формационно-технический журнал. - 1997. - N2 4. - с. 38-44.

7. Перспективные параметры систем телевидения высокого разрешения I И.А. Росселевич, В.Н. Ляпунов, А.А. Борисов и др. II Техника кино и телеви­

дения, 1987. - N2 1. - с. 5-11.

8.Recommendation ITU-R вт.709-3. Parameter Values for the HDTV Standards for Production and Intemational Program Exchange.

9.Recommendation ITU-R вт.775-1. Multichannel Stereophonic Sound System with and without accompanying picture.

10.Robin М. AES/EBU digital audio II Broadcast Engineering. - 1999. - N2 4.

11.Штейнберг В.Л. Видеостандарты (Сигналы, форматы, стыки). - М.: Snell &

Wilcox, 1997. - 106 с.

12.Ричард БраЙс. Справочник по цифровому телевидению. - Жуковский: Эра,

2001. - 230 с.

13.Watkinson J. The art ofDigital Video. Second Edition. - Focal Press, 1994.

14.Локшин Б.А. Цифровое вещание: от студии к телезрителю. - М.: Компания

САЙРУС СИСТЕМС, 2001. - 446 с.

15.Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Цифровое телевизи­

онное вещание. Основы, методы, системы. - М.: Научно-исследовательский институт радио (НИИР), 2001. - 568 с.

16.Гласман К. Цифровые интерфейсы II 625. ТВ информационно-технический

журнал. - 1997. - N2 6. - с. 80-83.

17.Хаимов В.З. SDI/SDTI в иерархии последовательных цифровых интерфей­

сов II Broadcasting, - 2000. - N2 1. - с. 50-53.

18.Ершов н.г., Дементьев С.Б. Видеооборудование. - СПб.: Лениздат, 1993. -

271 с.

19.Рид К. Будущее Fire Wire II Цифровое видео. - 1999. - N2 2.

20.Интерфейс IEEE 1394 II 625. ТВ информационно-технический журнал.-

2005. - N2 7. - с. 66-70.

21.Уилсон П., Борер т., Дэвис Т. Семейство систем цифрового сжатия Dirac расширяется 11625. ТВ информационно-технический журнал. - 2007. - N2 2. -

с. 88-91.

22. Севальнев Л. Международный стандарт кодирования с информационным сжатием MPEG-2 // 625. ТВ информационно-технический журнал. - 1997. -

N2 1. - с. 58-62.

23. Ряхин А. Видеостандарт MPEG // 625. ТВ информационно-технический жур­

нал. - 1996. - N2 6. - с. 22-25.

24. Гласман К. Видеокомпрессия // 625. ТВ информационно-технический жур­

нал. - 1997. - N2 7. - с. 60-75.

25. Биркмайер С. Основные положения кодирования видеосигнала по стандарту

MPEG-2 // Техника кино и телевидения. - 1996. - N2 12. - с. 20-21.

26. Самойлов В.Ф. Методы сжатия спектра цифровых видеосигналов // Техника

кино и телевидения. - 1995. - N2 6. - с. 20-23.

27.Symes Р. Video Compression. - McGraw - Hill, 1998.

28.Ковалгин ю. Звуковые системы радиовещания и телевидения. Часть 1. На­

значение, типы звуковых систем и качество звучания // Звукорежиссер. Ин­ формационно-технический журнал, 2004. - N2 3. - с. 56-63.

29.Brandenburg К. МР3 and ААС explained // Proceedings ofthe AES 17th Int. Соп­ ference оп High Quality Audio Coding, 1999.

30.Быков В.В. MPEG-2 от съемки до зрителя // Техника кино и телевидения. -

1999. - N2 4. - с. 17-20.

31.Бителева А. Стандарт MPEG-4 // ТЕЛЕ-Спутник, 2000. - N2 3. - С. 48-51.

32.ISOIIEC WG 11 Doc. N2 3342 "Overview of the MPEG-4 Standard; March 2000 / Noordwykerhont.

33.Ричардсон я. Видеокодирование. Н.264 и MPEG-4 - стандарты нового поко­

ления. - М.: Техносфера, 2005. - 368 с.

34. Кабинетский М. Возможности стандарта Н.264/АУС дЛЯ кодирования сте­ реоскопических и многоракурсных изображений // ТЕЛЕ-Спутник, 2012. -

N2 11. - с. 86-87.

35. Системы цифрового телевидения: основы построения, технологии видео­ монтажа и эксплуатации. Приложение к журналу «Информационные техно­ логии». Выпуск 3: Монография / ВЛ. Карякин, Д.В. Карякин. - Самара: 000 «Офорт», ПГАТИ, 2006. - 238 с.

36. Карякин В.Л. Цифровое телевидение: учебное пособие. - М.: СОЛОН-Пресс,

2013. - 448 с.

37. Роmеу G.D., Gallager R.G., Lang G.R., Longstaff Р.М., Qureshi S.U. Efficient modulation for band-limited channels // IEEE Joumal оп Select. Areas Communs. September 1984. Vol. SAS-2. N25.

38. Гласман К. Методы передачи данных в цифровом телевидении. Часть 1 // 625. ТВ информационно-технический журнал. - 1999. - N2 5. - с. 70-77.

39. VITERВI DEC Viterbi Decoder. Product Specification. - CSELT S.p.A. 10 January 2000. http://www.cselt.it/.

40. Красносельский И.Н. Турбокоды: принципы и перспективы // Электро­

связь. - 2001. - N2 1. - с. 17-20.

41. Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Тракт передачи радиосигналов в сис­

темах цифрового наземного телевизионного вещания // Электросвязь. -

1998. - N2 69. - с. 8-13.