Концепция построения цифровых телевизионных систем

Системы цифрового телевизионного вещания не могут обойтись без компрессии. Ведь если это ТВЧ, то оцифрованное изображение имеет скорость потока данных порядка 1 Гбит/с, а чтобы передать такой поток в канале связи с полосой частот 8 МГц, необходимо добиться удельной скорости передачи более 113 (бит/с)/Гц. Барьер Найквиста (2 бит/с)/Гц, как известно, преодолеть можно, но для этого следует повышать отношение сигнал-шум до огромных величин, что в наземном телевидении просто невозможно. Поэтому во всех цифровых телевизионных системах используется видеокомпрессия, позволяющая уменьшить скорость передачи данных до 40 раз.

Концепция построения систем наземного цифрового телевизионного вещания отвечает принципу модульности. В их структуре можно выделить три подсистемы, выполняющих кодирование источника, формирование транспортного потока, канальное кодирование и модуляцию (рис. 8.21).

Целью кодирования источника является компрессия данных телевизионного изображения и звука. При формировании транспортного потока цифровой телевизионной системы используется синтаксис, т.е. набор правил обработки сигналов транспортного потока стандарта MPEG-2 для пакетизации потоков видео, звука и дополнительных данных. Формируемые транспортные пакеты имеют фиксированную длину 188 байтов, которая считается оптимальной для условий передачи сигналов телевизионного вещания.

В подсистеме канального кодирования и модуляции транспортный поток данных трансформируется в радиосигнал.

К настоящему времени разработано три стандарта цифрового наземного телевидения. Одним из первых внедренных в эксплуатацию является разработанный в США стандарт цифрового телевизионного вещания ATSC (Advanced Television Systems Committee - Комитет по усовершенствованным системам телевидения). В значительной степени стандарт ATSC представляет собой подмножество стандарта MPEG-2. Стандарту MPEG-2, в частности, соответствуют подсистемы кодирования источника и транспортного мультиплексирования. В стандарте ATSC используется многоуровневая амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой - 8-VSB.

Стандарт ATSC не регламентирует форматы входных цифровых сигналов изображения, которые могут применяться при производстве телевизионных программ. Но в стандарте приводятся некоторые принятые в США форматы, которые могут использоваться в качестве входных для выполнения компрессии (табл. 8.2).‘В будущем могут использоваться сигналы и других форматов.

Стандарт ATSC основывается на подмножестве MPEG-2, определяемом как высокий уровень основного профиля MPEG-2 MP@HL. Это подмножество включает форматы с числом активных строк до 1152 и числом элементов в активной части строки до 1920, причем скорость потока компрессированных данных не должна превышать 80 Мбит/с. Параметры стандарта ATSC находятся в пределах этих ограничений. Это означает, что декодеры, отвечающие требованиям MPEG-2 MP@HL, должны декодировать поток данных, образованный в соответствии со стандартом ATSC (но обратное не является обязательным). В табл. 8.3 приведены форматы компрессии, в соответствии с которыми компрессируются и передаются данные стандарта ATSC.

В Европе в рамках консорциума DVB Project (Digital Video Broadcasting ' Project - проект цифрового видеовещания) разработаны стандарты DVB, которые применяются в системах цифрового аудио-и видеовещания и передачи данных по спутниковым, кабельным и наземным сетям и определяют соответствующие системные рекомендации для кабельного (DVB-С), наземного (DVB-Т) и спутникового (DVB-S) телевизионного вещания, а также для микроволнового многоточечного распределения (сотового телевидения).

Таблица 8.2. Допустимые параметры изображения стандарта ATSC

Таблица 8.3. Разрешенные форматы компрессии стандарта ATSC

В настоящее время членами консорциума DVB Project являются вещатели, изготовители оборудования, провайдеры услуг, операторы сети и регулирующие органы (всего около 200 организаций из 30 стран), нацеленные на проектирование глобального семейства стандартов для распределения сигналов цифрового телевидения.

Приступая к разработке системы эфирного (наземного) цифрового вещания, консорциум DVB Project определил следующие требования к ее стандарту:

- стандарт должен поддерживать концепцию контейнера данных и возможность переносить любые типы данных - телевидение стандартной (обычной) четкости, ТВЧ, звук, любую их комбинацию в пределах емкости контейнера;

- стандарт должен обеспечивать высокую помехозащищенность, максимальную гибкость использования спектра с возможным обменом емкости канала связи на размеры зоны обслуживания, возможность передачи служебных таблиц, телетекста, ввод данных системы условного доступа, т.е. реализацию системы платного телевидения;

- стандарт должен быть максимально унифицирован со стандартами на спутниковую и кабельную системы передачи с целью удешевления производства многостандартных декодеров;

- стандарт должен допускать обслуживание с существующих передающих центров и прием на уже используемые антенны;

- должен поддерживаться прием на комнатные антенны и переносимые телевизоры;

- стандарт должен поддерживать работу в одночастотной сети;

- приемник должен иметь выход цифровых данных для выделения сигналов дополнительных служб, желательно наличие модема для организации канала взаимодействия.

Таким образом, стандарт DVB-Т описывает контейнер, приспособленный для доставки пакетированных данных в условиях наземного (Terrestrial) телевидения. Для стандарта DVB-Т ни содержание контейнера, ни происхождение данных не имеют значения, он лишь приспосабливает выходные данные транспортного мультиплексора MPEG-2 к свойствам и характеристикам канала передачи наземного телевизионного вещания, стремясь наиболее эффективно донести их к приемнику. То есть, стандарт определяет структуру передаваемого потока данных, систему канального кодирования и модуляции для мультипрограммных служб наземного телевидения. Отличительной особенностью DVB-Т как контейнера для передачи транспортных потоков MPEG-2 является гармоничное сочетание системы канального кодирования и способа модуляции OFDM.

Основное отличие японского цифрового стандарта ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting - цифровое вещание с интеграцией служб) заключается в том, что интеграция различных телекоммуникационных служб является первоочередной целью, вытекающей из анализа роли телевидения в жизни японского общества. Поэтому телевизор ISDB будет использоваться для цифрового телевидения стандартной и высокой четкости, для цифрового радиовещания, а также для передачи сигналов цифрового телевидения и радиовещания в разнообразных комбинациях и в сочетании с текстом, статическими изображениями, графикой и другими данными, такими, например, как компьютерные программы [37].

В стандарте ISDB планируется передача дополнительных данных для создания электронного путеводителя по телевизионным программам.

В техническом отношении в стандарте ISDB концепция передачи данных является общей для различных вещательных сред, таких, как спутниковое, наземное и кабельное телевидение. Стандарт ISDB интегрирует сигналы изображения, сигналы звука и информацию дополнительных служб, передавая их в одном канапе связи одновременно, но способ модуляции и параметры кодирования могут устанавливаться независимым образом для сигнала каждой службы. Это помехоустойчивая и гибкая схема, пригодная для работы с данными разных прикладных служб в различных условиях прохождения радиосигналов.

В стандарте ISDB обеспечивается одновременная передача данных разных служб. Эти службы весьма различны, отличаются и требования разных служб к передаче данных. Для ТВЧ требуется большая скорость потока передаваемых данных. Для большинства служб звукового вещания и передачи данных основное требование - мобильный прием на портативные переносные приемники в условиях одночастотных сетей. Для передачи компьютерных программ необходима высокая надежность и защита от возможных помех и шумов канала связи. Однако разработчики концепции вещания с интеграцией служб исходят из того, что общая система передачи, обеспечивающая работу широкого круга служб (от передачи данных и звукового вещания до ТВЧ, включая мультимедиа службы), более предпочтительна, чем множество систем, разработанных для различных служб. Среди аргументов в пользу общей системы - более эффективное использование частотного диапазона.

В качестве способа передачи данных в системе наземного вещания с интеграцией служб выбрано частотное уплотнение с ортогональными несущими - OFDM. Однако стандарт ISDB-Т не копирует DVB-T.

Концепции вещания с интеграцией служб ISDB-Т в наибольшей степени отвечает частотное уплотнение с ортогональными несущими, которые объединены в группы, называемые сегментами. Таким образом, физический канал передачи складывается из некоторого числа сегментов BST (Band Segmented Transmission Segments), в соответствии с чем способ передачи данных, используемый в стандарте ISDB-Т, получил обозначение BST-OFDM. Несколько сегментов могут объединяться в группы, называемые слоями, которые образуют логические каналы связи в рамках одного физического канала. В одном канале может передаваться до трех слоев в одно и то же время. Иерархическая передача достигается передачей слоев с различными способами модуляции и параметрами кодирования, которые отвечают требованиям к передаче данных, переносимых отдельным слоем. Допускается изменение способа модуляции несущих, скорости внутреннего кода, интервала временного перемежения. Гибкое использование схем модуляции и канального кодирования - важное свойство стандарта вещания ISDB. Исследование разработчиков стандарта ISDB показали, что 13 сегментов оказывается достаточным для всех потенциальных сфер применения цифрового телевизионного вещания с интеграцией служб.

Реализация принципа иерархической передачи данных позволяет осуществить самые разные варианты конфигурации стандарта ISDB-Т. Например, один сегмент может отводиться для передачи радиопрограмм или данных, которые будут приниматься на переносной радиоприемник, а остальные сегменты для передачи сигнала ТВЧ, который будет приниматься стационарным телевизионным приемником, т.е. допускается передача цифрового потока в нескольких полосах частот. В типичной конфигурации ISDB-Т для ТВЧ отводится 10 сегментов, а для телевидения обычной четкости или для мобильного приема - 3 сегмента. При этом каждый поток передается со своей скоростью и защитой от ошибок. Прием и декодирование данных лишь одного слоя позволяет реализовать так называемый «парциальный прием», т.е. частичный. Независимо от того, реализуется или нет иерархическая передача, в одном физическом канале передаются данные одного транспортного потока MPEG-2.