Основы цифровой аудио- и видеотехники. Часть 1. Учебное пособие

не победит по критерию соотношения цены и качества. Именно такая ситуация наблюдается и с распространением цифрового телевидения. Учитывая достаточно большое количество его стандартов, кратко рассмотрим основные особенности каждого формата. Также для сравнения отметим свойства аналогового телевидения, чтобы объективно оценить преимущества, которые дает DTV.

3.2.ХАРАКТЕРИСТИКА СТАНДАРТОВ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Стандарт ATSC. Стандарт цифрового телевидения ATSC (Advanced Television Systems Committee) был принят Федеральной ко-

миссией по связи США в конце XX века. Среди основных достоинств нового формата можно отметить высокое вертикальное разрешение – до 1125 строк в кадре. Помимо этого, в ATSC предусмотрена возможность модернизации с целью устранения недоработок и ошибок. Это оказалось полезным уже после первого выпуска телевизоров, предназначенных для приема цифрового сигнала.

Значительное внимание при разработке ATSC было уделено устойчивости к искажениям, связанным с движением приемника и взаимодействием между сигналами. Однако ATSC не считают стандартом, предназначенным для мобильных устройств. В США предполагают, что для этих целей должен быть разработан особый стандарт со своей обработкой сигнала и соответствующим способом модуляции.

Среди других отличительных характеристик системы ATSC отметим уровень отношения сигнал/шум порядка 20 дБ, что накладывает значительные требования на мощность передающей аппаратуры. Пропускная способность канала ATSC в США составляет 6 МГц, что вполне достаточно для передачи нескольких независимых программ. Помимо этого система ATSC поддерживает работу с чересстрочной разверткой при частоте кадров 30 и 25 Гц и прогрессивной разверткой при частоте 50 и 60 Гц. Чересстрочная развертка отличается от прогрессивной «экономией» на информации, что позволяет, с одной стороны, уменьшить объем передаваемых данных, но с другой – появляется опасность искажений.

ATSC использует традиционные стандарты сжатия: MPEG-2 и Dolby 5.1 – для видеоданных, АС-3 – для аудиоданных. В качестве средств помехоустойчивого кодирования используются код Рида-

61

Соломона и код Унгербоика с фиксированной скоростью. Пороговое отношение сигнал/шум составляет 14,9 дБ, хотя на практике встречаются значения 15,1 дБ. Отметим, что ATSC ориентирован на субъективное качество восприятия изображения человеком, а это значит, что он не рассчитан на передачу данных (допускается частота ошибок до

60 бит/с).

Как уже упоминалось, стандарт ATSC разрабатывался при условии совместимости с существующими аналоговыми стандартами PAL и NTSC. Несмотря на то что главным назначением ATSC является телевидение высокой четкости HDTV, он поддерживает и другие форматы цифрового вещания: SDTV (Standart Definition TV) и EDVT (Enhanced Definition TV), которые обладают меньшим разрешением, нежели

HDTV.

На сегодняшний день ATSC принят в качестве государственного стандарта в США, Канаде, Мексике, Аргентине, Южной Корее. В некоторых странах проводятся испытания, в ходе которых выявляется наиболее подходящий формат цифрового TV. Бразилия, Китай, Гонконг и Чили склоняются к принятию ATSC.

Стандарт DVB-S. Стандарт DVB-S (Digital Video Broadcast-

Satellite) разработан специально для передачи цифровых телевизионных сигналов по каналам спутниковой связи. При его создании ставилась одна главная цель – это построить достаточно простую и в то же время доступную систему, которая могла бы, во-первых, распределять программы цифрового TV как стандартной, так и высокой четкости, а во-вторых, пересылать любые цифровые данные. Разработчики с этой задачей справились успешно, и на сегодняшний день значительная часть зрителей, которые пользуются услугами цифрового телевидения, предпочитают именно «космический» вариант. Количество спутниковых приемников, особенно в Европе, исчисляется десятками тысяч. В России DVB-S появился в 1999 году благодаря компании «НТВ-плюс».

Для сжатия видеоданных стандарт DVB-S использует традиционный алгоритм MPEG-2, скорость передачи цифровых данных в полосе спутникового ретранслятора с частотой 36 МГц составляет 35…40 Мбит/с, что достаточно для размещения в нем около восьми каналов. Также предусмотрена и обратная связь, которая осуществляется посредством связи приемника с головной станцией, откуда к источникам сигнал доставляется по специальным каналам.

Рассматриваемый стандарт цифрового вещания DVB-S постоянно модернизируется. Уже появилась версия DVB-S2, в которой исполь-

62

зуются более эффективные алгоритмы компрессии MPEG-4 и WMV9. Это, конечно, уменьшает скорость потока данных, но при этом следует контролировать качество изображения. По мнению разработчиков DVB-S2, его характеристики настолько идеальны, что создавать новые стандарты просто не потребуется. На самом деле DVB-S2 предусматривает использование канала передачи на грани теоретически возможного предела. Кроме того, применение новых самокорректирующихся кодов привело к существенному снижению вероятности ошибок при передаче.

Стандарт DVB-C. DVB-C (Digital Video Broadcasting-Cable) явля-

ется одной из разновидностей европейского стандарта цифрового телевещания, основанной на передаче сигнала через коаксиальные линии. При цифровом вещании со сжатием видеоданных по кабельной сети передается групповой сигнал многопрограммного телевидения в виде транспортного потока стандарта МРЕG-2. Транспортный поток MPEG-2 формируется в аппаратуре информационного сжатия ТV-сиг- налов на телецентре и по соединительной линии подается на головную станцию кабельной сети. Кроме того, для этих целей могут использоваться также сигналы многопрограммного цифрового телевидения, принимаемые со спутниковых и эфирных линий связи.

При сжатии телевизионных изображений по стандарту MPEG-2 достигается уменьшение объема информации в 20 и более раз благодаря сокращению как статистической, так и психофизической избыточности. Статистическая избыточность вызывается наличием корреляционных связей между значениями сигнала в соседних элементах одной строки, в соседних строках и в соседних кадрах. Физически смысл статистической избыточности можно представить как наличие повторяемости информации в следующих друг за другом кадрах.

Для сокращения статистической избыточности применяют кодирование с предсказанием в виде дифференциальной импульсно-кодовой модуляции. В стандартах MPEG кодирование с предсказанием является одним из основных методов сжатия. При этом для большинства кадров передается не само изображение, а ошибка предсказания – разность действительного изображения данного кадра и предсказанного изображения этого же кадра, которое формируется по определенным правилам из изображений ранее переданных кадров. Так как большинство кадров телевизионного сигнала в значительной степени повторяет предыдущие, ошибка предсказания содержит значительно меньший объем информации, чем действительное изображение.

63

Психофизиологическая избыточность телевизионного сигнала определяется той информацией в нем, которая не воспринимается зрением человеком и, следовательно, могла бы не передаваться. Примером сокращения психофизиологической избыточности является способ кодирования Кретцмера, в соответствии с которым при передаче крупных деталей изображения количество градаций яркости увеличивается, а при передаче мелких деталей – уменьшается. Этот способ основан на использовании обратно пропорциональной зависимости между геометрическим и градационным разрешением по яркости зрения человека. При восприятии мелких деталей ухудшается различение градаций яркости. Указанная особенность зрения используется в методах сжатия по стандарту MPEG. В этом стандарте также используется ухудшение геометрического и градационного по яркости разрешения зрения при наблюдении движущихся объектов. Общая основа всех методов устранения психофизиологической избыточности телевизионного сигнала – конечная величина пропускной способности зрения человека как системы приема и обработки информации. На рис. 3.1 показано соотношение потоков информации в разных частях системы цифрового телевидения.

Рис. 3.1. Потоки информации в системе цифрового телевидения

Если сравнивать со спутниковой связью, то в кабеле применяется более узкая полоса частот в 8 МГц на канал, но зато такие сети имеют высокое отношение сигнал/шум. Это позволяет использовать намного более эффективную по плотности передачи цифровой информации модуляцию сигнала, которая по физическому принципу действия чувствительна к нелинейным искажениям и шумам радиоканала. (По этим причинам такой вид модуляции не удается приспособить к существующим каналам спутниковой связи DVB-S и эфирного вещания DVB-T.) Все остальные элементы системы DVB-C, включая формирование транспортного потока и помехозащитное кодирование, практически такие же, как в спутниковом формате DVB-S, который начал внедряться первым.

64

Полоса пропускания 7,92 МГц в DVB-C обеспечивает скорость передачи данных в 41,34 Мбит/с. Но с учетом использования помехоустойчивого кодирования Рида–Соломона полезная скорость передачи данных составляет 38,1 Мбит/с, что позволяет передать в одном стандартном канале для аналогового телевидения до восьми цифровых программ. При этом помехозащищенность сигналов DVB-C настолько высока, что их можно передавать с очень малыми уровнями защиты даже на соседних с аналоговыми программами каналах, т.е. использовать для распространения программ цифрового телевидения существующие кабельные сети, не создавая помех обычному аналоговому телевещанию. Такая система была реализована в московском проекте

DiVA TV.

Стандарт DVB-T. DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial) –

относительно новый стандарт цифрового телевещания, который, пожалуй, доставил больше всех проблем инженерам-разработчикам. Одним из главных требований, которые выдвигались при создании DVB-T, была его совместимость с существующими стандартами цифрового спутникового вещания DVB-S и кабельной передачи DVB-C. Реализация такого плана позволила бы без дополнительных затрат на перекодировку переносить ранее сформированный пакет программ из кабельной или спутниковой среды в эфирную.

В качестве основы для нового формата DVB-T использовались европейские аналоговые стандарты PAL и SECAM, поэтому в нем принята чересстрочная развертка с частотой 50 полукадров/с и вертикальным разрешением 625 строк. Опционально поддерживается и телевидение высокой четкости (HDTV), которое допускает удвоенное разрешение по вертикали и горизонтали. Кроме того, DVB-T предусматривает и передачу широкоформатного 16 : 9 изображения с вертикальным разрешением 1250 строк, которое используется в HDTV.

Эфирный стандарт предполагает три возможных варианта ширины канала передачи: 6, 7 и 8 МГц. Одной из самых больших проблем при разработке стандарта DVB-T была борьба с искажениями, возникающими по причине взаимодействия волн в эфирном пространстве. Для их устранения была придумана специальная модуляция, названная

COFDM (Coded Ortogonal Frequency Division Multiplexing), которая успешно справляется с помехами при многолучевом приеме сигнала. Сжатие данных осуществляется при помощи алгоритмов MPEG-2 для видео- и MPEG-2 Layer II для аудиосигналов.

65

Как это было в случае с NTSC, PAL и SECAM, европейцам снова удалось разработать стандарт эфирного цифрового телевидения, который оказался в целом более помехоустойчивым и совершенным, нежели американский стандарт ATSC. В частности, благодаря своим техническим характеристикам сигнал DVB-T может приниматься обычными телевизионными антеннами. Также DVB-T обладает повышенной гибкостью. Предполагается использование стандарта как в местных, так и в больших одночастотных сетях при выборе для этого наиболее оптимального по скорости передачи и по нагрузке на аппаратуру режима.

Стандарт DVB-T благодаря своим достоинствам был принят в Великобритании в ранге общегосударственного стандарта. Более того, все испытательные европейские сети также используют DVB-T. Именно он к 2015 году полностью вытеснит аналоговый SECAM D/K в России.

Обобщенная структура тракта цифрового телевидения определена в национальном стандарте Российской Федерации ГОСТ Р 52592–2006 «Тракт передачи сигналов цифрового вещательного телевидения. Звенья тракта и измерительные сигналы». Общие требования, параметры тракта и источника цифровых сигналов определяются в соответствии с рекомендацией МКЭ-Р ВТ.601-5. Перспективы развития и внедрения систем цифрового телевизионного вещания в России определены Федеральной целевой программой о переходе к цифровому наземному вещанию в период до 2015 года и соответствующим Указом Президента РФ. Программа предусматривает к 2015 году охват цифровым телевизионным вещанием 99,8 % населения России. Предполагается введение трех мультиплексированных цифровых телевизионных программ. Реализация Федеральной целевой программы начинается в

2010 году.

В стандарте DVB-T используется помехоустойчивый код Рида– Соломона, в котором в качестве символов могут использоваться многоразрядные двоичные числа, например байты. Данный тип кода Ри- да–Соломона записывается как (204, 188, 8), где 188 – количество информационных байтов в пакете транспортного потока MPEG-2, 204 – количество байтов в пакете после добавления проверочных символов, 8 – минимальное кодовое расстояние между допустимыми кодовыми комбинациями. Таким образом, в качестве кодовых комбинаций берутся целые пакеты транспортных потоков, содержащие 188 8 1504 информационных бит, а добавляемые проверочные символы содержат 16 8 128 бит. Относительная скорость такого кода

66

равна 188 / 204 0,92 . Данный код Рида–Соломона позволяет эффективно исправлять до восьми принятых с ошибками байтов в каждом транспортном пакете.

В декодере для каждого принятого транспортного пакета, содержащего 204 байта, вычисляются синдромы и находятся два полинома: «локатор», корни которого показывают положение ошибок, и «корректор», определяющий значение ошибок. Ошибки корректируются, если это возможно. Если же коррекция невозможна (например, ошибочных байтов более восьми), данные в пакете не изменяются, а сам пакет помечается путем установки флага (первый бит после синхробайта) как содержащий неустранимые ошибки. В обоих случаях 16 избыточных байт удаляются, и после декодирования длина транспортного пакета становится равной 188 байт.

В стандартах цифрового телевидения, как правило, используют каскадное (двойное) кодирование, так как в реальных каналах связи частота ошибок может быть настолько велика, что код Рида–Соломона не обеспечивает необходимой помехозащищенности. Сначала пакеты транспортного патока кодируются кодом Рида–Соломона (внешнее кодирование), а затем полученная последовательность двоичных символов кодируется с применением сверточных кодов (внутреннее кодирование).

Сверточные коды основаны на преобразовании входной бесконечной последовательности двоичных символов в выходную бесконечную последовательность двоичных символов, в которой на каждый символ входной последовательности приходится более одного символа. Важный параметр сверточных кодов – кодовое ограничение, имеющее обозначение K . Этот параметр показывает, сколько битов входной последовательности одновременно участвует в формировании каждого бита выходной последовательности. В системе DVB-T используется сверточное кодирование со следующими параметрами:

– кодовое ограничение K 7 ;

Каскадное кодирование обеспечивает эффективную защиту от ошибок при эфирном телевизионном вещании. При отношении сигнал/помеха (по мощности), равном 3 дБ, относительная частота оши-

бок на входе сверточного декодера составляет 10 1...10 2 . На выходе сверточного декодера она уменьшается до 2 10 4 . При этом на выходе

67

декодера Рида–Соломона ошибка составляет 10 10...10 11 , что соответствует достаточно высокому качеству изображения.

Стандарт DVB-H. После того как был разработан стандарт эфирного цифрового телевещания DVB-T, который рассчитан на стационарные приемники, эту систему стали адаптировать для работы с мобильными устройствами. В этом направлении была проведена определенная работа. Так, например, первым стандартом, предназначенным для подвижных приемников, стал стандарт DVB-M, представленный в сентябре 2002 года. Чуть позднее появился DVB-X, однако оба стандарта так и не получили распространения в отличие от DVB-H (Digital Video Broadcasting-Handheld), утвержденного Европейской ас-

социацией по телекоммуникационным стандартам ETSI (European Telecommunications Standards Institute) в 2004 году.

При разработке DVB-H были учтены условия, которые проявляются при использовании портативного приемника. Во-первых, серьезные требования накладывает тот факт, что он должен работать автономно от сети питания, а это означает необходимость экономить заряд батареи при работе с TV-интерфейсом. Для этих целей в приемник встроили микросхему, благодаря которой осуществляется импульсный режим работы с сигналом, что привело к резкому снижению потребляемой энергии. Вторая особенность при работе с мобильными устройствами – это необходимость учитывать переход приемника из одной ячейки сети в другую и возникающие при этом искажения или ошибки передачи. Решение этой задачи привело к интеграции еще одного модуля и увеличению проверочных битов в коде Рида–Соломона. Благодаря этому удалось повысить отношение сигнал/шум, а также снизить влияние эффекта Доплера, который может исказить информацию при движении с некоторой скоростью. Также из-за этого эффекта пришлось ввести ограничение на скорость передвижения приемника – 800 км/ч. Этого вполне достаточно, чтобы смотреть телевидение, даже находясь в салоне летящего самолета.

Помимо этого, в приемники DVB-H встроен специальный модуль, который позволяет пользоваться некоторыми интерактивными услугами. В случае, если TV-приемник подключен к сети GSM, обратная связь может осуществляться по GPRS или EDGE.

Технология DBV-H допускает прием сигналов и обычного эфирного DVB-T, обеспечивает передачу любых цифровых данных при помощи стандартных IP-протоколов, что делает мобильный стандарт

68

весьма полезным для работы с Интернетом. Подобную универсальность имеют далеко не все стандарты цифрового телевидения, в частности, ни ATSC, ни DVB-T работы с данными не предусматривают.

Естественно, что приемники DVB-H – это не плазменные панели или огромные жидкокристаллические телевизоры, а весьма скромные по габаритам устройства, у которых и дисплей соответственно невелик. Поскольку не требуется передавать картинку с большим разрешением, можно, сэкономив на качестве изображения, передавать по одному каналу не 6, а 60 программ. На практике в полосе частот одного канала удается разместить до 80 программ при скорости потока 128…384 Кбит/с, чего вполне хватает для передачи изображения с раз-

решением 320 280 пикселов.

Стандарт ISDB. В 90-х годах XX века японская Ассоциация компаний индустрии радиовещания (ARIB) завершила разработку стандарта эфирного телевещания, который впоследствии назвали ISDB

(Integrated Services Digital Broadcasting). Это один из универсальных стандартов – он один в мире охватывает сразу теле-, радиовещание и передачу данных.

Как и DVB-T, система ISDB довольно гибкая, она предоставляет возможность узкополосного приема, когда из посланной информации принимается лишь ее некоторая часть (так называемый частичный прием). Он ориентирован, прежде всего, на мобильные телефоны и карманные компьютеры. При этом ISDB, как уже отмечалось, предоставляет доступ к глобальной сети Интернет.

Предусмотрена иерархическая передача, которая создана для адаптации к различным условиям. Согласно ее принципам, в одном канале может передаваться сразу несколько (до трех) различных типов сигналов с отличающимися параметрами. Это позволяет использовать ISDB на самых разных приемниках. Например, по одному и тому же каналу можно осуществлять передачу HDTV-сигнала или телевизионной программы, рассчитанной для приема на сотовом телефоне.

В качестве алгоритма компрессии цифрового видеосигнала для ISDB-T, как и у многих других стандартов, применяется распространенный стандарт MPEG-2. Формирование радиочастотного канала происходит по схеме OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing), которая на сегодняшний день является одним из самых совершенных видов модуляции в эфирном цифровом телевещании. Ширина спектра сигнала составляет 5,6 МГц, что делает возможным его использование для передачи в канале шириной 6 МГц.

69

Стандарт HDTV (High Definition TV) – телевидение высокой четкости. Его появление можно сравнить с возникновением в свое время компакт-дисков. Разработка стандартов телевидения высокой четкости стала необходимой после выпуска больших TV-приемников, на которых обычный сигнал отображался не самым лучшим образом из-за дискретизации объектов на широком экране.

HDTV обладает широкоэкранным 16 : 9 изображением, звуком Dolby Digital 5.1 и поддерживает стандарты с чересстрочной разверткой 1080i (1920 1080 пикселов) и прогрессивной разверткой 720р (1280 720 пикселов). Буква i (interlaced) означает, что видео идет со скоростью 50 или 60 полукадров/с. Такое решение позволяет уменьшить поток данных при передаче TV-сигнала, но при этом могут появляться искажения. Буква «р» (progressive scan) показывает, что видео передается со скоростью 24, 25, 30, 50, 60 полных кадров/с. При такой развертке картинка выглядит более естественной и правдоподобной. Недостатками этой разновидности HDTV являются меньшая скорость и больший поток для передачи видео, особенно при частоте 60 кадров/с.

Поток HDTV использует сжатие MPEG-2. С хорошим качеством развертки 1080i скорость передачи сигнала HDTV составляет около 19,2 Мбит/с, но она может меняться. Некоторые телекомпании сжимают поток сильнее, в результате удается получить скорость передачи данных всего 5…6 Мбит/с. Естественно, что при этом будет заметно ухудшаться качество изображения. Стандарт подразумевает передачу по спутниковым, кабельным и эфирным каналам. Кроме того, понятно, что рассчитанный в первую очередь на большие плазменные панели и телевизоры HDTV наверняка не будет применяться в мобильных усло-

виях. У HDTV есть HDV (High Definition Video) – стандарт съемки на цифровые видеокамеры. У последнего точно так же присутствуют два формата: HDV1 и HDV2, которые абсолютно аналогичны по характеристикам 720р и 1080i.

Новые системы телевизионного вещания. Большое распростра-

нение во многих странах получила система телевизионного вещания

MMDS (Multi channel Microwave Distribution System), работающая в диапазоне частот 2,5…2,7 ГГц. В указанном диапазоне частот размещается 24 телевизионных канала по 8 МГц. Передача сигналов цифрового телевидения осуществляется с применением двухили четырехпозиционной фазовой манипуляции. Приемное оборудование содержит небольшую антенну типа «волновой канал» или параболиче-

70