Система ATSC

Развитие цифрового ТВ вещания

Временем начала цифрового ТВ вещания в Европе и, практически сразу, в США, следует считать ноябрь 1998 г. В Европе цифровое ТВ вещание развивалось в соответствии с проектом DVB (Digital Video Broadcasting). Учитывая разнообразие форм ТВ вещания, часть проекта была посвящена разработке технических решений применительно к спутниковому телевидению, она получила название DVB-S (...Satellite), часть – к кабельному (DVB-C –...Cable), а часть – к наземному или эфирному вещанию (DVB-Т –...Terrestrial). В последние годы в стандарте DVB-T начали вещание Швеция, Испания. Дания и Австралия. Кроме того, подготовительные работы велись также в Сингапуре, Новой Зеландии и Индии. Стандарт ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting), разработанный в Японии, является в некотором смысле модификацией европейского стандарта ТВ вещания. В ближайшее время еще 12 стран Европы, а также Сингапур, Новая Зеландия и Индия планируют начать трансляцию ТВ программ в стандарте DVB-T.

В России пробные ТВ передачи в стандарте DVB были начаты несколько позже. Опытное цифровое ТВ вещание было начато в Нижнем Новгороде в 2000 г., в С.-Петербурге в 2001 г.

В США работа над стандартом цифрового ТВ вещания началась в 1987 г., а в 1996 г. Федеральная комиссия США по связи (Federal Communications Commission, FCC) утвердила разработанный стандарт в качестве национального. Он получил название ATSC (Advanced Television Systems Committee). Уже в ноябре 1998 г. 26 станций в 10 регионах США приступили к цифровому ТВ вещанию. Одновременно в стране сохранялось и сохраняется сейчас вещание в аналоговом стандарте NTSC. Вместе с тем, согласно стратегическому плану развития ТВ вещания в стране, к 2006 г. все вещательные компании должны полностью перейти на цифровое ТВ вещание, и в том случае, если у 95 % населения будут цифровые ТВ приемники, аналоговое вещание к этому времени должно прекратиться. К цифровому вещанию в стандарте ATSC присоединились также Канада, Северная Корея, Тайвань и Аргентина.

Таким образом, в настоящее время в мире работают различные системы цифрового телевидения [19]. При этом, как это когда-то было и с аналоговым телевидением, единый для всех стран стандарт на цифровое ТВ вещание пока отсутствует.

Система ATSC

Система ATSC, разработанная и внедренная в США, как и другие системы цифрового ТВ вещания, предполагает кодирование аудиовизуальной информации и данных, предназначенных для передачи, по стандарту MPEG-2, однако транспортный поток, который формируется в кодирующем устройстве, не должен пре­вышать значения 80 Мбит/с.

Поясним принцип построения системы цифрового ТВ вещания ATSC. Как уже было сказано, передаваемые сигналы кодируются по стандарту MPEG-2, в результате чего формируется транспортный поток, который и должен быть передан на приемную сторону. Чтобы по каналам эфирного вещания донести эту информацию до зрителей, система ATSC регламентирует специальный вид модуляции, позволяющий эффективно использовать стандартный ТВ канал, а также некоторые меры по обеспечению канального кодирования. Здесь уместно вспомнить о том, что речь идет о вещательной ТВ системе, где разные «получатели» информации находятся в разных условиях приема. Следовательно, необходимо принять меры для обеспечения дополнительной помехоустойчивости приема сигнала. Для этого используются рассмотренные ранее способы канального кодирования[22].

Разработчики системы ATSC предусмотрели применение для передачи ТВ сигнала многопозиционной амплитудной модуляции с подавленной нижней боковой полосой, что в какой-то степени соответствует принципам построения существующих аналоговых систем ТВ вещания. Такой вид модуляции называется VSB-AM.

Система VSB разработана в нескольких вариантах, в зависимости от вида модулирующего сигнала: 2-VSB, 4-VSB, 8-VSB, 8T-VSB, 16-VSB. Количество уровней модулирующего сигнала меняется от двух до шестнадцати, при этом соответственно изменяется и скорость передачи данных, которая определяется как частота следования символов, умноженная на логарифм количества уровней.

При использовании восьмипозиционного модулирующего сигнала (способ модуляции 8-VSB), в интервале одного символа передаются три двоичных разряда потока данных. В полосе 6 МГц (ширина частотного ТВ канала в США) система 8-VSB способна передавать поток данных 32,3 Мбит/с.

Рассмотрим подробнее процесс преобразования стандартного транспортного потока в радиосигнал, передаваемый по ТВ каналу. Транспортный поток, сформированный в соответствии со стандартом MPEG-2, подвергается обработке, которая имеет целью, во-первых, осуществить дополнительное кодирование для последующей коррекции ошибок, и, во-вторых, привести структуру передаваемых данных в соответствие с концепцией построения системы ATSC. Последовательность действий, производимых с сигналом, показана на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Формирование радиосигнала в системе ATSC

Вспомним структуру транспортного потока: он состоит из пакетов размером по 188 байт каждый, в которых содержится передаваемая информация. После поступления информации в декодер из пакетов исключается 188-й байт синхронизации, так как синхронизация вновь формируемого потока данных впоследствии вводится отдельно. Затем производится так называемая рандомизация данных, т.е. их перемешивание по определенному псевдослучайному закону, который, однако, впоследствии точно воспроизводится в приемном устройстве. Это делается для того, чтобы исключить какую-либо периодичность в потоке данных, которая может возникнуть, например, из-за выраженных статистических свойств сигнала изображения. Такая периодичность может помешать сформировать равномерный спектр передаваемого сигнала, создавая в нем выраженные максимумы на частотах, связанных с периодом. Затем к потоку добавляются 20 проверочных байтов кода Рида-Соломона. После добавления проверочных байтов (теперь их оказывается 187 + 20 = 207) производится перемежение данных, т.е. мера, имеющая целью снизить последствия воздействия помех путем «перераспределения» во времени передаваемых символов, следующих непосредственно друг за другом. На приемной стороне, естественно, все перечисленные операции повторяются в обратном порядке, что позволяет избавиться от так называемых «пакетных» ошибок, когда ряд искаженных помехой символов следуют друг за другом. Затем выполняется так называемое треллисное или, как его иногда называют в русскоязычной литературе, решетчатое кодирование (Trellis coding), представляющее собой разновидность кодирования сверточным кодом. Такое кодирование необходимо также для последующей коррекции ошибок. Сигналы синхронизации замешиваются в цифровой поток путем мультиплексирования.

Добавление пилот-сигнала осуществляется для того, чтобы при любом уровне модулирующего сигнала модуляция не была бы чисто балансной, т.е. в спектре сигнала должны присутствовать не только боковые частоты, но и в определенной степени несущая. Это необходимо для облегчения восстановления несущей в приемном устройстве для синхронного детектирования.

Модуляция и преобразование частоты формируют радиосигнал, передаваемый в приемники.

Структура данных, образующаяся в процессе формирования радиосигнала 8-VSB, показана на рис. 7.2. Она отличается от структуры исходного транспортного потока — данные разделяются на так называемые сегменты, состоящие из 832 символов. Частота следования символов составляет 10,76 МГц. В 207-байтовом пакете каждые два бита, благодаря избыточности решетчатого кодирования, преобразуются в три бита, которые как раз и определяют, какой именно из восьми уровней и принимает амплитуда сигнала во время передачи одного символа.

В сигнал добавляется также сегментная синхронизация, длительность сигнала которой составляет четыре символа и представляет собой периодически повторяющуюся структуру с номерами уровней сигнала +5 и —5. Это позволяет легче определить границы сегмента и восстановить в приемнике частоту следования символов. Введение сигнала синхронизации не снижает эффективности передачи информации, так как он заменяет собой байт синхронизации транспортного потока с номером 188, который изымается в процессе обработки.

Рис. 7.2. Структура данных в сигнале 8-VSB в системе ATSC

Рис. 7.3. Структура кадра при модуляции 8-VSB в системе ATSC

Группа из 312 сегментов, дополненная синхросегментом, образует поле данных, а два поля по 313 сегментов — кадр данных. Структура кадра данных показана на рис. 7.3.

В сигнал синхронизации полей добавляется дополнительная информация, например о виде применяемой модуляции, а также другая информация для обеспечения процесса декодирования.

В системе ATSC также приняты меры (режекторная фильтрация) для уменьшения помех от неравномерного спектра работающих в том же канале передатчиков аналоговой системы NTSC. Такая мера, впрочем, носит временный характер. Федеральная комиссия по связи США стандартизовала 18 возможных параметров воспроизводимого изображения в системе цифрового ТВ вещания (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Параметры разверток

Размер кадра, число элементов	Соотношение сторон	Частота кадров
1920x1080	16:9	60 i, 30 р, 24 p
1280x720	16:9	60 p, 30 p, 24 p
704x480	16:9, 4:3	60 p, 60 i, 30 p, 24 p
640x480	4:3	60 p, 60 i, 30 p, 24 p

Примечание, p — чересстрочная развертка; i —прогрессивная.

При этом так называемые AFD-декодеры (All Format Decoder, AFD) способны декодировать изображение в любом из перечисленных в таблице формате. Однако существуют также декодеры, позволяющие декодировать и воспроизводить передаваемое изображение с меньшей четкостью и с меньшей частотой кадров. Кроме того, из 18 форматов допустимыми в настоящее время считаются следующие: 1280x720 и 704x480 элементов изображения при прогрессивной развертке. Из форматов с чересстрочной разверткой разрешен формат 704x480 элементов. Он сохранен, в основном, ради обеспечения совместимости с техникой и видеоматериалом, созданными применительно к стандарту NTSC.

Система ТВ вещания ATSC предполагает использование вида модуляции и структуры передаваемых данных (сегмент, поле), традиционных для современного аналогового телевидения. При этом цифровой поток, передаваемый по стандартному каналу вещательного телевидения, оказывается достаточным для передачи ТВ изображения высокой четкости. Вместе с тем система имеет недостаточную помехозащищенность передаваемого сигнала, особенно в сложных условиях распространения радиоволн, когда на условия приема сигнала оказывают значительное влияние отраженные сигналы. Этот недостаток удалось устранить разработчикам европейской системы ТВ вещания DVB.