58Научно-технические разработки

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Стандарт цифрового эфирного телевидения DVB-Т. Проекты Philips


Теле-Спутник - 5(43) Май 1999 г.


Сегодня, наверное, уже никого не надо убеждать в том, что будущее принадлежит цифровому телевидению. Его преимущества перед аналоговым — разнообразны и очевидны. Это и более высокое качество изображения, и заметно более эффективное использование частотных ресурсов, и, конечно же, совершенно новые возможности по организации ТВ вещания и введению других информационных услуг.

Спутниковое цифровое ТВ уже прочно завоевало свои позиции во всем мире, в том числе и России. По-другому у нас обстоит дело с эфирным цифровым ТВ. А между тем во многих странах уже запущены пилотные проекты такого вещания, а в США и Великобритании с прошлого года уже ведутся эфирные цифровые передачи на коммерческой основе.

Правда, Америка и Европа руководствуются разными стандартами цифрового эфирного вещания. Оба стандарта используют систему компрессии MPEG-2, однако различаются структурой транспортного потока, методами модуляции и схемами кодирования каналов. Различия стандартов отчасти объясняются тем, что они создавались на фоне уже сложившихся структур ТВ услуг.

Стандарт ATSC разрабатывался американскими компаниями. Он охватывает области эфирного и кабельного телевидения, хотя, на практике, реализованы только эфирные системы ATSC. Так как в США нет единого стандарта спутникового цифрового телевидения, то при разработке ATSC не ставилось требование его совместимости с каким-либо спутниковым стандартом.

С другой стороны, в сильной мере учитывались требования компьютерной отрасли. В ATSC введены стандарты разложения на 480 и 720 строк с построчной разверткой и 480 и 1080 с чересстрочной. Стандарты телевидения высокой четкости (720 или 1080 строк) предполагают обязательное использование формата изображения 16/9.

Для совместимости с американским стандартом аналогового телевидения NTSC определена фиксированная ширина полосы канала 6 МГц и частота передачи кадров 60 Гц. В качестве аудиостандарта принят уже действующий в Америке для передачи цифрового радио Dolby AC-3. Для эфирных передач определена 8-уровневая амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой (8-VSB). Она, в сочетании с системой канального кодирования, позволяет передавать полезные данные с единственной скоростью — 19.3 Мбит/с.

При разработке стандарта DVB-T, принятого в странах Европы, выдвигалось требование его совместимости с уже действующим стандартом цифрового спутникового вещания DVB-S и соответствующим стандартом для кабельных сетей DVB-C. Совместимость всех трех стандартов позволяет переносить сформированный пакет программ из одной среды в другую без перемультиплексирования. Использование общих методов кодирования понижает расходы на разработку и производство кодирующих микросхем.

DVB-T базируется на европейских телевизионных стандартах. В нем принята чересстрочная развертка с частотой полукадров 50 Гц и разрешением 625 строк. Как опция предусматривается и телевидение высокой четкости (ТВЧ) с удвоенным разрешением по вертикали и горизонтали. Возможна передача широкоформатного изображения 16/9.

Для передачи аудио принят стандарт MUSICAM. Стандарт DVB-T предлагает три варианта ширины канала — 8 МГц, 7 МГц и 6 МГц.

В качестве системы модуляции используется COFDM (Coded Ortigonal Frequency Division Multiplexing), разработанная специально для борьбы с помехами от многолучевого приема. Эта система принята в стандарте цифрового радиовещания DAB, в котором ряд стран Европы, Япония и Канада уже почти 2 года ведут коммерческие трансляции. Использование COFDM определено и японским стандартом цифрового эфирного вещания. COFDM является мощным механизмом борьбы с помехами. В то же время, он предоставляет гибкие возможности обмена уровня помехозащищенности на скорость передачи данных.

Подробное изложение принципов реализации COFDM в DVB-T и методов канального кодирования для данного стандарта можно найти в /1/.

Помехи, возникающие из-за переотражения передаваемого сигнала, являются серьезной проблемой при приеме эфирных трансляций аналогового телевидения. Особенно они дают о себе знать в городских районах с высокой плотностью застройки. Отстроиться от многолучевого приема можно за счет использования многоэлементных антенн с узкой диаграммой направленности. Этот способ с успехом применяется в системах коллективного приема. Однако коллективные антенны на наших крышах принимают только метровый диапазон, а дециметровые каналы телезрители обычно ловят простыми домашними антеннами, установленными на окне или прямо в квартире. Именно так можно наглядно познакомиться с результатами многолучевого приема, при котором на экране телевизора возникает сразу несколько контуров.

Переотражения вызывают принципиальные сложности приема на переносные и движущиеся телевизоры. Использование многоэлементных антенн в этих случаях невозможно из-за их больших размеров и сложности настройки.

Механизм отстройки от многолучевого приема позволяет также решить задачу организации одночастотных сетей. При отсутствии отстройки использование одной частоты передатчиками с перекрывающимися зонами покрытия приводит к появлению помех, аналогичных помехам от переотраженных сигналов. Это налагает серьезные ограничения на использование частотных ресурсов в системах традиционного аналогового вещания. На сегодняшний день COFDM — единственная система модуляции, позволяющая решить задачу построения одночастотных сетей. Разумеется, на одинаковых несущих должна передаваться одна и та же информация, а передатчики должны синхронизироваться от общего источника. В противном случае неизбежны помехи из-за биений одинаковых частот разных передатчиков.

За счет использования COFDM может быть решена и немаловажная задача качественного приема на движущуюся антенну. Как показали опытные испытания, устойчивый прием сигналов стандарта DVB-Т может быть достигнут на скорости до 300 км/ч.

Чтобы изложение возможностей COFDM не выглядело голословным, коротко рассмотрим принципы этого типа модуляции.

СOFDM — ортогональное частотное мультиплексирование, с использованием канального кодирования.

Способы канального кодирования, в стандарте DVB-Т, ничем не отличаются от способов кодирования спутниковых трансляций в стандарте DVB-S.

OFDM подразумевает разделение цифрового потока на большое количество субпотоков, каждый из которых модулирует отдельную несущую частоту. Тип модуляции выбирается в зависимости от требуемой скорости передачи, линейности передатчика и требований помехозащищенности. Стандарт DVB-T предусматривает три типа модуляции — QPSK, 16-QAM и 64-QAM.

При выборе длительности передачи одного символа и частотного разноса между соседними несущими должно учитываться требование ортогональности системы, при которой высшие гармоники, возникающие в результате взаимодействия соседних несущих за время передачи одного символа, взаимно уничтожаются. В этом случае модулированные несущие не мешают друг другу, хотя их спектры и перекрываются. Зависимость между частотным разносом несущих и временем передачи символа, гарантирующая ортогональность системы, определяется равенством:

f1-f2=1/T /1/.

Стандарт DVB-T предлагает 2 возможных режима модуляции — 8К и 2К. Режим 8К — предусматривает частотный разнос между несущими (f1-f2) чуть больше 1кГц, а длительность рабочей части символа (Т) — чуть меньше 1мкс. В режиме 2К частотный разнос в 4 раза больше, а длительность символа — в 4 раза меньше.

Для отстройки от многолучевого приема после каждого символа вставляется защитный интервал, во время которого значение принятого символа не определяется. В стандарте DVB-T предусмотрено 4 относительных значения защитного интервала — от 1/4Т до 1/32Т.

Реализация режима 8К требует более мощных процессоров с разрядностью 213. Это заметно удорожает аппаратуру, особенно приемники. В то же время, существенным преимуществом режима 8К является возможность использования более длинных защитных интервалов. Это позволяет строить одночастотные сети с более разнесенными передатчиками. Допустимое расстояние между передатчиками при использовании максимальной длительности защитного интервала в режиме 8К составляет 67.2 км. Между тем как режим 2К позволяет разнести передатчики не более чем на 16.8 км.

Следует отметить, что введение защитных интервалов не единственная мера борьбы с помехами, возникающими в одночастотных сетях или вследствие многократных отражений сигнала. COFDM предусматривает также мощные механизмы канального кодирования, направленные на борьбу с этими явлениями /1/.

От длительности защитного интервала зависит не только расстояние между передатчиками, но и скорость передачи — чем меньше интервал, тем выше скорость.

Скорость передачи зависит также и от способа модуляции несущих, а скорость передачи полезной информации еще и от уровня кода Viterby. Минимальная полезная скорость передачи — 4.98 Мбит/с реализуется при использовании QPSK модуляции, FEC=1/2 и относительной длине защитного интервала 1/4T. Следует отметить, что такой набор параметров обеспечивает максимальную помехозащищенность системы и максимальное допустимое расстояние между передатчиками.

Максимальная полезная скорость 31.67 Мбит/с достигается при использовании модуляции 64-QAM, FEC=7/8 и относительной длине защитного интервала 1/32Т. Эта скорость является достаточной для передачи 5-6 программ, не предназначенных для перекомпрессирования. То есть полоса канала будет использоваться в 5-6 раз эффективнее, чем при аналоговом вещании. В то же время, рассмотренный вариант соответствует минимальному допустимому расстоянию между передатчиками и минимальной помехозащищенности.

В диапазоне, ограниченном минимальным и максимальным значениями, располагаются еще 58 возможных вариантов полезной скорости передачи. Обилие этих вариантов выгодно отличает DVB-T от американского стандарта, предусматривающего единственное значение полезной скорости. Полная таблица зависимости скорости от параметров системы приведена в /1/.

Таким образом, COFDM предлагает гибкие возможности выбора параметров системы, позволяющие обменивать скорость передачи на расстояние между передатчиками и степень помехозащищенности.

Как уже указывалось, переход к стандарту DVB-Т приведет к существенной экономии частотных ресурсов. Эффективность использования полосы канала можно дополнительно повысить за счет введения статистического мультиплексирования.

Повышение эффективности использования канала снижает и энергетические затраты на передачу. Кроме того, исследования показали, что мощность передатчика, требуемая для передачи транспортного потока COFDM, в среднем на 20% ниже, чем для трансляции аналогового канала. Это значит, что при одинаковой мощности передатчиков сигнал DVB-T будет приниматься надежнее и на большей площади, чем аналоговый.

Интересные решения опробованы в Испании и Португалии, где в опытных системах сигнал DVB-T успешно транслируется старыми аналоговыми передатчиками. Причем, используется QAM модуляция, диктующая повышенные требования к линейности усилительного тракта.

Важным достоинством стандарта DVB-Т является его совместимость с другими стандартами семейства DVB. Она дает возможность переводить ТВ транспортный поток из одной среды в другую без перемультиплексирования. Это удешевляет аппаратуру телецентров и позволяет строить гибридные кабельно-эфирные сети с выбором оптимальной транспортной среды для разных участков сети.

Применение стандартов семейства DVB позволяет использовать удобные механизмы реализации услуг платного и интерактивного телевидения Pay-Per-View (PPV), Impulse Pay-Per-Veiw (IPPV), Near-Video-ON-Demand (NVOD).

На работу с потоками стандарта DVB в сильной мере ориентированы интерфейсы для приложений интерактивного телевидения (Applicaton Program Interface) — OPEN TV и MediaHighway.

В силу перечисленных достоинств стандарта DVB-Т он был принят в качестве государственного в Великобритании — первой стране, запустившей цифровое эфирное вещание на коммерческой основе. Он же используется во всех без исключения испытательных сетях Европы.

Недавно решение следовать стандарту DVB-Т приняла Австралия. Это важное свидетельство объективных достоинств стандарта, так как у Австралии не было предпосылок для предпочтения того или другого варианта. Правда, австралийский вариант определяет использование ТВЧ с удвоенным разрешением (такая возможность предусмотрена в DVB-Т) и Dolby AC-3 для передачи аудио.

Компания Philips является одной из ведущих фирм-производителей оборудования для цифрового эфирного вещания. Об этом красноречиво свидетельствует тот факт, что большинство эфирных цифровых сетей Европы использует именно оборудование Philips. Это, в частности, относится и к единственной коммерческой европейской сети вещания, развернутой в Великобритании. Philips поставил полный набор оборудования для передающих центров BBC в Лондоне, Кардифе, Глазго и Белфасте.

На сегодняшний день британскими передатчиками транслируется около 25 каналов. В этом году планируется внедрение статистической системы мультиплексирования Philips, которая должна увеличить число каналов еще на четверть.

Крупный проект цифрового распространения общенациональных программ реализуется компанией в Швеции. На данный момент уже закончена первая фаза, охватывающая три города — Стокгольм, Гетеборг и Норчепинг. Все три передатчика включены в одночастотную сеть и синхронизируются со спутника. Впоследствии планируется включить в эту сеть передатчики еще шести городов. В соседней Финляндии налажено опытное вещание двух каналов — YLE и ТВ Хельсинки. Опытное цифровое вещание на оборудовании Philips ведется также в Голландии, Испании и Португалии. В странах Пиренейского полуострова организованы одночастотные сети с синхронными передатчиками, имеется опыт введения гибридных (эфирно-кабельных) участков сети. В Италии компанией организовано опытное цифровое эфирное вещание каналов RAI.

Аппаратура Philips используется и опытными центрами нескольких немецких каналов, причем, в большинстве случаев, совместно с системой статистического мультиплексирования.

Работы по реализации перечисленных проектов позволили на практике убедиться в высоких эксплуатационных качествах цифрового эфирного оборудования Philips.

Для приема цифровых эфирных трансляций предполагается использовать телевизоры со встроенным декодером DVB-T. Однако на первом этапе более разумным представляется использование абонентских приемников (STB), формирующих ТВ сигналы для традиционных телевизоров.

С этой целью компанией Philips разработана серия приемников-декодеров DTI. Они поддерживают оба режима демодуляции 2К и 8К. Приемники имеют модульную структуру, позволяющую конфигурировать аппарат в соответствии с пожеланиями заказчика. Универсальность приемников гарантируется также возможностью обновления программного обеспечения через принимаемый поток без необходимости каких-либо изменений аппаратной части.

Приемники поддерживают ряд систем условного доступа, или даже несколько систем одновременно. При наличии встроенного модема они позволяют использовать любую формы оплаты ТВ услуг — Subscripion TV, Pay-Per-View, Impulse Pay-Per-Veiw. Модульная архитектура приемников позволяет встраивать в них необходимые интерфейсы для интерактивных приложений, такие как Open TV и Media Highway.

Ресиверы поддерживают функцию наложения субтитров, на основе растровой графики, которая позволяет отображать буквы и другие символы в графической форме, определяемой вещателем. Передаваемая в транспортном потоке информация телетекста вводится в соответствующие строки кадрового гасящего импульса и, в дальнейшем, может быть расшифрована встроенным в телевизор декодером телетекста. Функция электронного гида реализуется с помощью установленного интерфейса для интерактивных приложений.

Модульная структура приемников позволяет задать произвольный набор поддерживаемых систем цветности выходного сигнала — PAL, SECAM, NTSC.

В приемнике предусмотрена возможность модуляции сигнала в ДМВ диапазон, причем в любом стандарте, в том числе в российском стандарте К. Модулятор настраивается во всем диапазоне дециметровых каналов.

Для связи с компьютером в приемниках предусматривается интерфейс RS-232 или IEEE1284. Низкочастотные видео- и аудиосигналы выводятся на разъемы RCA и SCART. На одном из SCART-разъемов доступны сигналы RGB.

Приемники серии DTI удобны как для индивидуального, так и для коллективного приема.

Компания Philips готова предоставить российским вещателям свои услуги по оборудованию и наладке экспериментальной установки эфирного телевидения в стандарте DVB-T. Для этого у нее есть необходимая аппаратура и богатый опыт проведения работ такого рода.

Литература:

  1. Севальнев Л.А. Эфирное вещание цифровых ТВ-программ со сжатием данных//“Теле-Спутник”, №10 1998 г.


 
Теле-Спутник Май 1999
наверх
 


Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Рейтинг@Mail.ru   Rambler's Top100 Rambler's Top100