Цифровое телевидение: технологии и перспективы стандарта DVB-T

Если сравнивать некоторые кривые, например роста возможностей персонального ПК или развития цифровых коммуникаций, то с отечественным эфирным TВ-вещанием она никоим образом не коррелирует: последней технологической вехой, до сих пор определяющей потенциальное (на практике – ухудшенное конкретными условиями приема) качество передаваемого изображения, являются стандарты SECAM (1968 г.) и частично – PAL (1969 г.). Успешное окончание четырехлетнего экспериментального эфирного цифрового вещания в Киеве позволяет надеяться, что архаичное аналоговое TВ уже в ближайшее время будет потеснено более прогрессивным стандартом DVB-T.

Первые модели систем цифрового ТВ-вещания (ЦТВ) были рассмотрены еще в 1980 г., но лишь в 1993 г. около 200 организаций из 30 стран мира пришли к единому мнению по поводу проекта цифрового телевещания, названного DVB (Digital Video Broadcasting).

Предметом стандартизации стали унификация принципов и методов обработки цифровых сигналов для формирования трех вариантов доставки видео/аудиоконтента: спутникового, кабельного и эфирного вещания. Кроме повышения качества и увеличения количества программ, доступных телезрителю (при том же занимаемом пакетом программ диапазоне частот!), в стандартах DVB предусматривалась также возможность передачи любой другой информации в цифровом виде. Особое внимание уделялось обеспечению устойчивого приема.

Известно, что цифровое телевидение требует цифровых видео/аудиосигналов. Их получают с помощью устройств, дающих «цифру» на выходе (цифровые телекамеры и студийная аппаратура), либо путем преобразования аналоговых сигналов. Для формирования вещательного потока приемлемого размера, передачи по линии связи необходимо было договориться о том, как его сжать. Ведь если некомпрессированные данные транслировать такими, как они есть, то будет занята гораздо бо2льшая, чем аналоговым сигналом, полоса частот (в среднем для передачи одной программы требуется потоковая скорость 250–270 Mbps). Для компрессии видео/аудиосигналов был выбран единственный на тот момент пригодный с точки зрения вещания международный стандарт MPEG-2, который у большинства «компьютерщиков» сегодня ассоциируется лишь с фильмами на DVD-дисках. Он позволял сжать стандартную TВ-программу до 5–6 Mbps при сохранении исходного качества (таблица). Как компромисс между качеством и размером потока предполагалась компрессия до 4 Mbps и менее.

Заметим, что дальнейшая эволюция технологий кодирования на MPEG-2 не остановилась: ISO MPEG-4 Part10 (или ITU H.264) показал, что он готов подхватить эстафету постепенно «выдыхающегося» предшественника. Более того, по мнению экспертов, организация массового вещания HDTV в принципе невозможна без участия этого в 1,5–3 раза более эффективного кодека. Хотя существует и пессимистический маркетинговый прогноз: широкое распространение телепрограмм с компрессией MPEG-4 произойдет тогда, когда массовая аудитория потребует телевидение высокой четкости. А последнее, по их предположениям, случится не ранее окончания эры аналогового вещания. Но вернемся в 1996 г.

Генеральный директор НПО «Квант-Эфир» Иван Омелянюк: «Рынок Украины уже имеет достаточный потенциал для широкого внедрения цифрового эфирного ТВ, и мобильное телевидение ускорит переход на цифровое вещание»

В виде стандарта цифрового эфирного телевизионного вещания в диапазоне ДМВ для Европы и других стран DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial) был принят всего на два года позже аналогичных стандартов для спутниковых (DVB-S, Satellite) и кабельных (DVB-C, Cable) каналов связи. Он «узаконил» следующие возможности ЦТВ: трансляция нескольких программ четкости SDTV (Standart Definition Television) в полосе частот, отводимой одному стандартному ТВ-каналу; поддержка режимов телевидения высокой четкости (HDTV, High Definition Television); организация работы интерактивных служб и высокоскоростной выход в Internet (при наличии обратного канала), радиовещание и т. п. Причем для приема наземного ЦТВ, в отличие от спутникового, применимы простые антенны стационарных и мобильных аппаратов. Позволяя варьировать степенью защищенности, скоростью передачи и коррекцией ошибок, DVB-T предоставил возможность создавать системы эфирного цифрового телевидения, оптимальные для конкретного населенного пункта или города.

Однако до повсеместного воплощения стандарта было еще далеко. И причина тому не столько огромный парк бытовых телевизоров или ощутимая цена ТВ-тюнеров к ним, сколько длительный период апробации в процессе экспериментального вещания в различных странах и решения ряда технических проблем.

Что мешает приему и как с этим борется стандарт?

Помехи наземному ЦТВ принципиально не отличаются от помех в аналоговых системах, поскольку работа первых предусматривалась в рамках тех же национальных частотных сеток вещания, что позволило учесть опыт распространения обычного ТВ метрового и особенно дециметрового диапазонов волн в реальных условиях. Для радиоволн этих длин характерно «неумение» огибать препятствия и способность хорошо отражаться от них. Если наряду с основным радиосигналом принимается сигнал, отраженный от какого-либо препятствия и пришедший к приемной антенне с задержкой, на экране аналогового приемника появляется повтор – копия изображения, сдвинутая по горизонтали. На практике в точку приема приходит многолучевой сигнал, состоящий из прямого и нескольких отраженных с различными задержками и фазовыми сдвигами относительно прямого луча эхосигналов. Подключив телевизор к комнатной антенне, легко увидеть, что при приеме сигнала даже с находящейся в прямой видимости телевышки «картинка» может существенно искажаться, например если двигаться в данном помещении. В комнате образуются стоячие волны, и тело человека может менять их картину. Положение максимумов и минимумов стоячих волн зависит от частоты сигнала, и поэтому в точке приема разные частотные компоненты спектра сигнала могут избирательно подавляться.

Общеизвестный метод борьбы с многолучевостью – применение направленных наружных антенн. Однако при приеме на слабонаправленную комнатную антенну или в процессе движения он малопригоден. Кроме этого, к появлению помех, аналогичных помехам от переотражений сигналов, приводит использование одной частоты передатчиками с перекрывающимися зонами покрытия.

В рамках прошедшей 24–27 мая XII Телерадиоярмарки была проведена презентация возможностей цифрового телевидения. Специально оборудованный микроавтобус, курсируя по улицам Киева, позволил убедиться в высокой устойчивости и надежности приема программ ЦТВ по сравнению с аналоговыми

Даже с учетом того, что пороговое отношение сигнал/шум (C/Ш) для ЦТВ примерно в 5–10 раз лучше, принимая во внимание пороговый эффект в ЦТВ (либо качественное изображение без сетки, муара и прочих свойственных аналоговому искажений, либо темный экран), обеспечению надежности приема в стандарте было уделено первостепенное значение.

Важнейшая особенность DVB-T как контейнера для передачи транспортных пакетов MPEG-2 – гармоничное сочетание системы канального кодирования и способа модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex).

OFDM характеризуется передачей сигнала с использованием большого количества несущих колебаний. Многолучевой прием также «неприятен» и для тракта, построенного на применении «голого» OFDM: одни частотные компоненты радиосигнала ослабляются, а другие – усиливаются, что приводит к неравномерности частотной характеристики канала. Если повторный радиосигнал приходит в точку приема с той же интенсивностью, что и основной, интерференционное взаимодействие приведет к тому, что отдельные компоненты суммарного сигнала будут уничтожены. Так, эхосигнал, задержанный на 1/4 длительности символа, станет причиной подавления каждой 4-й несущей сигнала OFDM. Причем они не могут быть скорректированы за счет полосовой фильтрации, и принятый сигнал окажется необратимо искажен.

Решению этой проблемы помогает введение кодирования с целью обнаружения и исправления ошибок в канале передачи данных – в этом случае даже полное исчезновение сигналов отдельных несущих не будет катастрофой, поскольку каждая несущая пакета OFDM содержит лишь небольшую часть данных, и поток может быть восстановлен за счет избыточности. COFDM (Coded OFDM) обеспечила доставку ТВ-программ в условиях многолучевости при наложении зон уверенного приема нескольких телецентров, работающих на одной частоте, что, предполагалось, будет иметь решающее значение в мегаполисах, территория которых покрывается за счет нескольких передатчиков.

В DVB-T используется сочетание двух видов кодирования – внешнего и внутреннего, рассчитанных на борьбу с ошибками различной структуры, частоты и статистических свойств и обеспечивающих при совместном применении практически безупречную работу. Такая схема построения кодека позволяет и унифицировать ряд его функциональных узлов для эфирных, спутниковых и кабельных систем цифрового вещания за счет того, что общие для них операции по обработке данных выполняются во внешней системе кодирования, а дополнительная, зависящая от вида модуляции и среды передачи, – происходит в составе внутренней системы кодирования модема.

В результате, если благодаря внутреннему кодированию (основано на сверточном коде и применяется к коротким кадрам информационных символов) частота ошибок на выходе декодера приемника не превышает 2×10-4, то система внешнего кодирования (базируется на коде Рида-Соломона: к 188 байтам добавляется 16 проверочных байтов, что на приемной стороне позволяет исправлять до восьми ошибочных байтов в пределах каждого кодового слова длиной 204 байта) доводит частоту ошибок на входе демультиплексора MPEG-2 до значения 10-11 (вероятность появления ошибки примерно один раз в час).

Несмотря на то что количество несущих теперь исчисляется тысячами (вместо одной для аналогового TВ), аппаратная реализация такого принципа модуляции не столь сложна: OFDM соответствует операция обратного преобразования Фурье, демодуляции – прямого. Существование хорошо отработанных алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ) и накопленный опыт выпуска таких процессоров гарантируют, что абонентское оборудование не будет слишком дорогим.

В БПФ размер массива, подвергающегося преобразованию, кратен целой степени числа 2. В стандарте определено применение массива с размерностью N=8192=8k или N=2048=2k (здесь k=210=1024). На практике число излучаемых несущих меньше, часть их не используется, чтобы обеспечить некоторый зазор с соседними каналами.

Для того чтобы избежать межсимвольных искажений, перед каждым символом вводится защитный интервал. Его величина зависит от расстояния между передатчиками в одночастотных сетях вещания или от задержки естественного эхосигнала в традиционных. Чем больше время задержки, тем больше должна быть длительность защитного интервала (аналогично эффекту эха в горах: длинную фразу в отличие от произнесенной по слогам труднее понять, потому что многократное эхо наложится и исказит ее). С другой стороны, для обеспечения максимальной скорости передаваемого потока данных защитный интервал должен быть как можно короче.

Заметим, что защитный интервал – это не просто пауза между полезными символами, достаточная для угасания сигнала одного до начала другого. В течение этого времени к приемнику поступает фрагмент полезного сигнала, что гарантирует сохранение ортогональности несущих принятого сигнала (разумеется, если эхосигнал при многолучевом распространении задержан не больше чем на длительность этого защитного интервала).

В результате работы алгоритмов на выходе передатчика формируется сигнал из 6817 узкополосных несущих с разносом между ними порядка 1 кГц и длительностью рабочей части символа – чуть меньше 1 мкс в режиме 8к OFDM или 1705 несущих в более примитивном режиме 2к OFDM (разнос в 4 раза больше, длительность, соответственно, в 4 раза меньше).

В зависимости от требований они могут быть модулированы QPSK, QAM16 или QAM64. Можно также менять в широких пределах защитный интервал: от 1/4 до 1/32. Вариации имеющихся стандартизированных параметров трансляции позволяют организовать гибкую систему, обладающую 60 градациями качества транслируемых TВ-каналов и/или данных, обеспечивающих требуемую зону покрытия с учетом тех или иных мешающих факторов.

Мнение: быть ли эфирному ЦТВ в Украине?

Роман Химич эксперт Netton CG

Процесс организации цифрового телерадиовещания в Украине сталкивается с рядом труднопреодолимых препятствий:

1. Внедрение цифровых технологий телерадиовещания не имеет существенной политической поддержки. Украина остается страной очень бедных (по европейским меркам) людей. Большинство населения либо не хочет, либо просто не может позволить себе даже $30–40 на самые простые конвертеры «цифра-аналог», которые можно подключать к аналоговым телевизорам. Поэтому планы развития ЦТВ предполагают огромные (около 1,8 млрд грн) дотации из бюджета только для того, чтобы обеспечить такими простейшими устройствами всех желающих. Еще от 500 до 850 млн грн бюджетных средств предполагается израсходовать на создание инфраструктуры цифрового вещания, включая передатчики и сети радиорелейных линий для доставки сигнала.

Более 2 млрд грн – это очень большие деньги. Едва ли аграрное, промышленное или угольное лобби позволит спокойно отхватить такой жирный кусок.

2. Между тем надежда, опора и основные кормильцы рынка телерадиовещания – телеканалы с общенациональным эфирным покрытием – без энтузиазма относятся к цифровому вещанию. Для них появление в перспективе еще 20–30 каналов означает усиление процесса «эрозии» зрительской аудитории. Расширение выбора неизбежно приведет к распылению аудитории. Меньше зрителей, ниже рейтинг, меньше стоимость эфирной рекламы, а соответственно, прибыли у нынешних лидеров рынка. Зачем им это?

3. Даже для ведущих телеканалов наполнение эфира остается непростой задачей. Новички, получившие в свое распоряжение сотни часов эфирного времени ежедневно, просто не смогут заполнить его качественным продуктом. При этом оттянут на себя часть рекламных денег, которые сейчас достаются грандам. А этот рынок, который и кормит телевидение, едва ли в состоянии удовлетворить аппетиты новичков. ТВ будет и дальше деградировать в сторону «желтизны» и бесконечных «Старых песен о главном».

4. Состоятельные граждане уже сейчас де-факто имеют доступ к цифровым технологиям телевещания – кабельным ТВ и IP-сетям, спутниковому ЦТВ. Донести качественный сигнал сегодня – не проблема. Главное – неготовность массового зрителя оплачивать качественный программный продукт.

В целом мы наблюдаем еще один пример попыток производителей оборудования создать для себя рынок сбыта собственной продукции. Подобно тому что происходило и происходит с 3G, WiMAX или «ошибкой 2000 года», именно они являются главной движущей силой этого проекта. Операторы выжидают. А конечные потребители просто не занимают свои головы вопросом – а нужно ли делать телевидение цифровым.

Мобильный ТВ-сервис

Подобный сервис можно рассматривать как оперативное средство доставки видеоинформации и данных клиенту независимо от его местонахождения. DVB-T изначально не был ориентирован на мобильный ТВ-прием, и значительная часть исследований по обеспечению контентом таких клиентов нашла отражение в стандарте DVB-H (Digital Video Broadcast-Handheld). Кроме него, для сотовых телефонов предназначен и североамериканский T-DMB (Terrestrial-Digital Mobile Broadcast). Тем не менее повторимся, что и гибкость базового стандарта позволяет обеспечить требуемые для надежного вещания параметры.

На прошлой неделе число европейских презентаций пополнилось успешной демонстрацией приема в движении, организованной компаниями «Квант-Эфир», УЦТМ (Украинская цифровая телесеть) и концерна РРТ. В ходе эксперимента прием ЦТВ производился на две разнесенные штыревые антенны на микроавтобусе. В предложенных условиях (а в ходе презентации предоставлялась возможность сравнить качество и стабильность приема от цифрового ДМВ-передатчика 51 канала мощностью 600 Вт и его ближайшего аналогового 10-киловаттного соседа по частоте), когда изображение в обычных телепередачах постоянно срывалось из-за потери синхронизации, а яркость менялась несмотря на работу схемы автоматической регулировки усиления, цифровая система продемонстрировала стабильное качественное изображение без цифровых артефактов.

Интересно, что стандартом предусмотрен еще один ресурс, так называемый иерархический метод модуляции, который позволяет повысить живучесть системы цифрового вещания при неблагоприятных условиях (например, прием при низкой напряженности радиополя, на комнатную антенну и при движении, наличие помех от других радиослужб).

В этом случае передаваемый цифровой поток разбивается на две части. Первый поток кодируется с более высокой помехоустойчивостью, и в нем передается самая значимая часть информации, например старшие разряды видео/аудиоданных. Второй – кодируется с меньшей помехоустойчивостью и используется для передачи менее значимой части информации (деталей). При этом разница в отношении С/Ш для пороговых точек демодуляции первого и второго потоков выбирается в пределах 10…15 дБ.

Заключение

Даже наше беглое знакомство с некоторыми технологическими аспектами стандарта DVB-T указывает на достаточно высокую сложность и наукоемкость процесса его внедрения. Отрадно, что Украина по результатам экспериментального вещания набрала достаточный потенциал и готова приступить к коммерческому использованию и расширить многомиллионную аудиторию зарубежных телезрителей ЦТВ. Косвенным подтверждением тому служит и выдача Национальным Советом по вопросам телевидения и радиовещания в апреле 2006 г. первых четырех лицензий на экспериментальное эфирное вещание стандарта DVB-T в Киеве и области на 51, 41, 43 и 64 каналах.