Цифровое телевидение: что это такое?
Как же без модуляции?
Различие в условиях распространения сигналов в зависимости от пути их прохождения (наземный, кабельный или спутниковый) — не только физическое. Различается и способ использования частотного диапазона.
Здесь самое время напомнить читателю, что любая информация может быть передана по радиоканалу (то есть не по проводам) с помощью высокочастотного сигнала. Для этого подлежащая передаче информация представляется в виде низкочастотного сигнала и с его помощью происходит изменение какой-либо характеристики высокочастотного сигнала. Таким образом, полезный (информационный) сигнал, который надо транслировать, оказывается как бы заключенным в высокочастотный сигнал, который транслируется легко. Этот процесс называется модуляцией, высокочастотный сигнал (переносчик информации) называется несущей, а полученный после модуляции сигнал — модулированной несущей. Происходящий в приемнике обратный процесс восстановления информационного сигнала из модулированной несущей называется демодуляцией.
При наземном пути, когда сигналы передаются по эфиру на расстояние в несколько километров, на их качество негативно влияют загрязнения в нижних слоях атмосферы, отражения от различных форм рельефа и строений и т.п. Хотя в выделенных частотных диапазонах метровых (VHF) и дециметровых (UHF) волн сигналы распространяются почти прямолинейно, но они хорошо отражаются от различных препятствий, поэтому даже в том случае, когда передатчик находится в зоне прямой видимости, антенна принимает не только прямые волны, но и отраженные от различных препятствий, а также волны, излучаемые другими передатчиками на той же частоте. Все это приводит к искажениям, а то и вовсе к исчезновению сигнала. Чтобы этого избежать, при наземном способе передача ведется одновременно на различных несущих частотах. Практически несколько тысяч несущих частот объединяются в одну мультинесущую волну, которая называется ортогональным мультиплексированием (уплотнением по частотам) каналов с кодированием COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Полная версия этой системы позволяет использовать 6785 отдельных индивидуально модулированных несущих частот.
Для кабельных сетей с хорошими диэлектрическими и электромагнитными свойствами и при почти полном отсутствии помех применяется метод квадратурной амплитудной модуляции QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Она вдвое повышает эффективность использования полосы частот, так как на одной несущей частоте одновременно передаются два сигнала. Такой вид модуляции используется в стандарте кабельного вещания ETS 400429.
При передаче со спутников сигнальный путь характеризуется низким уровнем помех и хорошими условиями приема, которые, впрочем, могут ухудшаться при плохой погоде, например, при дожде, тумане, снегопаде, а также под влиянием сильного ветра, нарушающего правильность ориентации антенны. Особенность этого метода — низкая мощность принимаемого сигнала. Поэтому антенна должна быть установлена на достаточной высоте и иметь достаточный диаметр параболы, а конвертер (усилитель и преобразователь частоты) иметь необходимый коэффициент усиления и малый коэффициент шума. Для спутникового вещания был изобретен метод четырехпозиционной фазовой манипуляции QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), который передает два бита на один символ и тем самым позволяет удвоить ширину диапазона. Такой вид модуляции составляет основу стандарта цифрового спутникового вещания ETS 300421.
Кодирование сигнала
При цифровом телевизионном вещании цифровые сигналы, которые прошли через кодирующие устройства, сначала мультиплексируются (несколько входных потоков объединяются в единый выходной поток) в единый элементарный поток одной программы , а затем элементарные потоки всех программ мультиплексируются в единый элементарный транспортный поток (его еще называют транспортный мультиплекс).
Затем цифровой сигнал при канальном кодировании дополняется защитным кодом, предохраняющим от ошибок при передаче, модулируется и поступает по соответствующему каналу (наземному — эфирному, спутниковому или кабельному) к зрителю.
Перед кодированием компонентные сигналы яркости (Y), цветности (CR и CB) и правого и левого каналов звука (R и L соответственно) подвергаются дискретизации в АЦП. Частота дискретизации в соответствии с единым стандартом цифрового телевидения CCIR 601 составляет 13,5 МГц, скорость передачи при восьмибитовом квантовании равна 216 Мбит/с, при десятибитовом — 270 Мбит/с.
При кодировании звуковых сигналов используют главным образом психоакустические свойства человека, например, маскирующий эффект, при котором громкие звуки делают неслышимыми имеющиеся одновременно с ними тихие звуки других частотных поддиапазонов.
Стандарты MPEG устанавливают два уровня кодирования: пакетированные элементарные потоки PES (Packetized Elementary Stream) и мультиплексированные транспортные потоки TS (Transport Stream).
Стандартизированный пакетный транспортный поток цифрового телевидения TS обладает объемом 1504 битов, т.е. 188 байтов. Из них 32 бита (4 байта) приходится на заголовок (Header), в котором осуществляется идентификация (Packet Identification — PID) и синхронизация (Sync Byte — SB). За заголовком следует занимающее несколько битов поле адаптации (Program Clock Reference — PCR) с импульсами, передаваемыми не реже каждой десятой доли секунды, и, наконец, сами программные данные. Перед передачей в сигнал вводятся дополнительные данные, которые помогают приемнику распознать возможные ошибки и избавиться от них. Но поскольку это увеличивает объем передаваемой информации, устанавливается разумный компромисс между требованиями к безопасной передаче сигнала и экономичным использованием всего объема канала.
В наземных и спутниковых системах цифрового телевидения для этого применяют предварительную коррекцию ошибок, использующую код Рида-Соломона (очень эффективный код) с перемежением: исходный цифровой сигнал разбивается на блоки при помощи системы Interleave со сверточным кодом (еще один вид помехоустойчивого кодирования). В кабельных сетях, поскольку сигнал в них менее подвержен внешним помехам и обладает, как правило, на два порядка лучшим соотношением сигнал/шум, необходимость в разбивке на блоки и применении сверточного кода отпадает.
Для цифрового телевизионного вещания был разработан метод кодирования под названием CSS (Common Scrambling System), включающий два способа кодирования, следующих один за другим. Вначале данные разделяются на блоки, каждый длиной 8 битов. На первом этапе кодирования эти блоки взаимно перемешиваются, а на втором — перемешиваются также отдельные биты, находящиеся внутри блоков. При использовании обоих способов создаются контрольные слова, которые после специальной процедуры кодирования передаются в общем потоке информации. На основе этих слов в приемнике (телевизоре, приставке) происходит декодирование сигнала и расположение информации в правильном порядке.
Для того, чтобы платными телевизионными услугами пользовались лишь те, кто их оплатил, была введена система условного доступа CA (Conditional Access) к этим программам. Приемники различают несколько систем декодирования, которыми определяется выбор схем для условного доступа. В рамках группы DVB была достигнута договоренность об использовании единого стандарта PCMCIA (Personal Computer Memory Card) Международной ассоциации производителей плат памяти для персональных компьютеров.
О спутниковом телевидении
Если Ваш телевизор подключен к кабельной сети, а вы живете не в Берлине, Кельне или Мюнхене (я угадал?), где городские сети уже давно подключены к цифровому телевидению, то вам придется ждать начала цифрового вещания в нашей стране. Сегодня самым доступным способом подключения к цифровому телевидению является приобретение спутникового комплекта.
Спутниковое телевидение сегодня стало одной из составляющих комфортной жизни цивилизованного человека. Первый в мире спутниковый канал появился в Англии в 1982 г., когда миллионы телезрителей были крайне недовольны качеством вещания и приема регулярного общественно-коммерческого телевидения.
В США спутниковое телевидение сейчас стало наиболее распространенным, а доля общественного телевидения не превышает 2%. Европейским лидером является Германия, где доля спутникового телевидения уже превышает 60%. В отличие от многих других стран основным источником дохода телеканалов здесь является абонентская плата, а не продажа рекламного времени.
Существуют, однако, пакеты спутникового телевидения, как с абонентской платой, так и без нее. Для просмотра без абонентской платы необходимо заплатить только один раз за комплект спутникового оборудования (цифровой ресивер, спутниковая антенна и специальный кабель) и его установку.
Спутниковое телевидение — это замечательный мир высококачественной видеоинформации, новостей, фильмов, спортивных, детских, развлекательных и музыкальных программ. С помощью спутникового комплекта Вы осуществляете индивидуальный прием, и при этом, в отличие от кабельного телевидения, оборудование полностью является вашей собственностью. Но из этого достоинства вытекает и недостаток — обслуживать систему необходимо самостоятельно или с помощью специалиста. Имеется в виду периодическая (например, раз в полгода или раз в год) необходимость обновления списка каналов, так как часть из них могла сменить частоту или появились новые каналы.
В России переход на цифровое телевидение планируется завершить к 2015 г. В настоящее время в ряде городов, в том числе и в Москве, уже осуществляется передача сигналов, как в открытом, так и в закодированном форматах. В последнем случае потребитель покупает специальную приставку-декодер, совмещенную с цифровым ТВ-тюнером. Открытый формат подразумевает оснащенность современного телевизора цифровым тюнером стандарта DVB-T с поддержкой, например, MPEG-4. Существуют также гибридные тюнеры, позволяющие принимать и аналоговые, и цифровые каналы, что существенно расширяет возможности их применения в период перехода к цифровому вещанию.
Что же касается телевидения высокой четкости, то на русском языке оно доступно пока в основном в платных пакетах спутникового телевидения (например, «НТВ Плюс НD») или Интернет-телевидения (например, «Акадо»).
Подведем итоги
Итак, мы теперь понимаем, что цифровое телевидение — это новое направление телевизионной техники, в котором передача, обработка и хранение телевизионных сигналов осуществляется в цифровой форме и которое имеет следующие преимущества по сравнению с аналоговым телевидением:
-повышение помехоустойчивости систем телевизионного вещания;
-повышение качества изображения в телевидении с обычным стандартом разложения;
-возможность создания новых телевизионных систем, обеспечивающих высочайшее качество изображения (например, телевидение высокой четкости);
-увеличение количества передаваемых телевизионных программ;
-интеграция телевизионного вещания с Интернет (Интернет-телевидение);
-обеспечение защиты передаваемых телевизионных программ и другой информации от несанкционированного доступа, что дает возможность создания системы платного телевизионного вещания;
-возможность создания интерактивных телевизионных систем, при пользовании которыми зритель получает возможность воздействовать на программу.
Текст: Александр Пескин, доцент МГТУ им. Н.Э.Баумана