Модуляция в системах передачи наземного цифрового телевидения

"Модуляция  в системах передачи наземного цифрового телевидения."

Введение.

Современное телевещание  претерпевает величайшее за последние 30 лет изменения - оно становится цифровым.

Цифровые ТВ сигналы несут гораздо  больше информации,

чем аналоговые, а занимают всего  лишь часть их стандартной частотной  полосы. Цифровые телевизионные сигналы  могут надежно передаваться при  более низкой мощности несущей, и  приниматься с полным разрешением  даже при плохих условиях приема сигнала. Более того сигналы цифрового телевидения могут принадлежать и различным стандартам и форматам изображения – от обычного до изображений высокой четкости. Звуковое сопровождение по качеству может варьироваться от качества эквивалентного компакт-диску до самого современного 3-х мерного звукового сопровождения в стандарте “Dolby Surround”. Ко всему вышеперечисленному стоит добавить возможность параллельной передачи дополнительной информации. Еще одной важной особенностью цифрового ТВ является возможность организации обратного канала, то есть интерактивность. Пользователь (телезритель) получил возможность участвовать в процессе подбора телепрограмм, а в некоторых системах даже непосредственного участия в теле - шоу.

Задачей данной дипломной работы является рассмотрение, анализ и сравнение  двух основных систем модуляции цифровых сигналов для наземного телевещания  – европейской COFDM (DVB-T) и американской – 8-VSB (ATSC).

Особое внимание в работе уделено  развитию цифрового телевидения  в России и принятому де-факто  в нашей стране стандарту модуляции  цифровых сигналов для их передачи по наземным каналам – COFDM (DVB-T). Дается подробное обоснование выбора тех или иных параметров этого стандарта, а также аспекты охраны труда при цифровом телевещании.

1. Развитие современного  цифрового телевидения.

1.1 Предпосылки  к появлению цифрового телевидения.

О возможности преобразования телевизионного сигнала в цифровую форму инженеры всерьез задумались уже в начале 70-х годов, когда при Европейском  вещательном союзе (EBU) и в МККР в 1972 и 1974 годах соответственно были созданы специальные исследовательские  группы по цифровому ТВ. В их задачу входила координация работ по согласованию технических требований к будущим системам цифрового  вещания и разработка путей их практической аппаратурной реализации. Это было очень своевременное  решение, так как уровень развития электронной техники уже тогда  обеспечивал возможность передачи телевизионных изображений в  цифровой форме. Что и было вскоре доказано на практике. Однако опытные  образцы цифровой техники тех  лет были чрезвычайно громоздки, а для трансляции требовались  очень широкополосные каналы. (Согласно Рекомендации CCIR-601 скорость цифрового  потока цветной картинки студийного качества составляет 270 Мбит/с.) Ясное дело, что в условиях постоянной нехватки драгоценного радиочастотного ресурса никто в то время всерьез и не рассматривал возможность передачи подобных широкополосных цифровых сигналов. Тем не менее, радиоинженеры уже тогда с оптимизмом смотрели в будущее цифрового ТВ, так как были прекрасно осведомлены о высокой статистической избыточности сигнала. Ведь каждому известно, что на самом-то деле разница между двумя соседними телевизионными кадрами для большинства сюжетов очень мала. Очевидно, что если вместо полной последовательности передавать только ключевые (опорные) сцены и информацию об изменении этого исходного изображения от кадра к кадру, то цифровой поток видеоданных при этом можно сжать раз в 50, причем практически без потери качества картинки. В середине 70-х годов, почти одновременно в ряде стран (в том числе и в СССР) были разработаны алгоритмы устройств компрессирования видеосигналов и созданы их действующие прототипы, наглядно продемонстрировавшие возможность сжатия в несколько раз потока данных сигнала. Например, советские ученые еще в 1982 году продемонстрировали аппаратуру, позволяющую передавать цифровой телевизионный сигнал в полосе частот всего 34 МГц. Однако на элементной базе тех лет и приемная, и передающая части цифрового тракта получались чрезвычайно сложными и дорогими, имели низкую надежность, и поэтому о каком-либо практическом использовании цифровой компрессии в телевидении тогда и речи быть не могло. Но работы продолжались и вскоре увенчались успехом.

В 1991 году специальной рабочей “группе  экспертов по движущимся изображениям” MPEG (Moving Picture Experts Group), созданной Международным союзом телекоммуникаций ITU для разработки алгоритмов кодирования видеосигналов, удалось найти очень удачный и эффективный алгоритм MPEG-1. Первоначально он предназначался только для записи подвижного видеоизображения на компьютерные CD-ROM, но затем область применения стандарта была значительна расширена. К примеру, на основе этого алгоритма фирмой Philips был создан интерактивный носитель CD-i, получивший, в свою очередь, дальнейшее развитие в дисках формата Video-CD. С помощью MPEG-1 цветная картинка с уровнем качества VHS (да еще и со стерео звуковым сопровождением “качества компакт-диска”) удавалось ужать до скоростей порядка 1,5 Мбит/с. Это была уже серьезная заявка на практическую реализацию цифрового телевидения. К тому же возможности микроэлектроники начала 90-х годов уже позволяли создать декодер MPEG-1 всего на одном чипе (микросхеме). Вдохновленные успехом, “эксперты по подвижным картинкам” в 1993 году разрабатывают еще более совершенный алгоритм цифрового компрессора видеосигнала, известный как MPEG-2. Этот стандарт, опубликованный в 1994 году, дает возможность более эффективно “упаковывать” высококачественное цветное изображение вещательного качества в цифровой поток со средней скоростью 3 Мбит/с. В принципе, MPEG-2 позволяет передавать телевизионные сигналы как с большими (до 15 Мбит/с), так и с меньшими скоростями (начиная с 1,5 Мбит/с) цифрового потока, при этом качество изображения напрямую связано с величиной скорости передачи данных. Благодаря более совершенному алгоритму обработки видеоизображения, даже при низкой скорости потока картинка MPEG-2 все равно получается значительно лучшей, чем может обеспечить аппаратура MPEG-1 при тех же условиях. Создание MPEG-2 стало настоящим технологическим прорывом в области цифровой обработки видеосигналов.

Разработка эффективного алгоритма  сжатия была хотя и необходимым, но все же недостаточным условием для  появления цифрового ТВ. Ведь сигнал нужно было еще и донести до зрителя. Наиболее просто эта проблема решается в каналах спутникового ТВ, у которых широкая полоса частот в 27 МГц и практически нет отраженных сигналов. В столь хороших условиях, даже относительно простая в аппаратной реализации квадратурно - фазовая манипуляция QPSK (Quaternary Phase Shift Keying), используемая в системе цифрового спутникового телевидения DVB-S (Digital Video Broadcasting-Satellite), обеспечивает прекрасные результаты. Суть этого метода заключается в фазовой манипуляции (то есть модуляции с фиксированными дискретными значениями изменяемого параметра) несущей частоты спутникового канала. При этом фаза несущей в соответствии с поступающим на вход модулятора цифровым сигналом DVB принимает одно из 4 фиксированных значений (+45, -45, +135 и -135 градусов относительно начального значения фазы). Для обнаружения и коррекции одиночных и групповых (пакетных) ошибок в передаваемой программе транспортный поток данных дополнительно кодируется помехоустойчивым кодом Рида - Соломона с перемежением битов. Так как все основные компоненты и технологии, применяемые в DVB-S, были известны и хорошо “обкатаны” к началу 90-х годов (QPSK-модуляция, к примеру, с 80-х годов широко использовалась в цифровой телефонии), эта система была разработана и освоена в рекордно короткие сроки. Передачи по системе DVB-S начались спустя всего 2 года после опубликования стандарта MPEG-2. Пионером внедрения “цифры” в телевидение стала Германия, где еще в мае 1996 г. компания DF1 начала регулярные трансляции своих программ в стандарте DVB-S. Несколько позже во Франции начались трансляции цифрового телевидения Canal Plus. Эти программы также были платными, но французы охватили своим вещанием не только Францию, но и Испанию, Италию, Бельгию с примкнувшим к ней Люксембургом. Скандинавию, а также Польшу и еще целый ряд стран. Сегодня аудитория цифрового телевидения DVB-S в Европе насчитывает уже десятки миллионов зрителей (в том числе и в России) и продолжает расти. Ведь помимо улучшенного качества картинки “цифра” позволила значительно увеличить количество принимаемых программ, поскольку в полосе частот одного аналогового канала можно передавать сразу несколько цифровых сигналов. Да и стоимость самого простого цифрового приемника-приставки к телевизору STB/DVB-S уже упала до приемлемых значений, что сделало его доступным практически любому жителю Европы. Правда, сегодня большая часть цифровых спутниковых каналов являются платными, и для их просмотра необходимо купить более сложный приемник со сканером для пластиковой смарт-карты. Кроме того, владельцам подобных STB приходится вносить еще и абонентскую плату.

В России платным цифровым телевещанием занимается “НТВ+”. Эта ведущая  российская телекомпания практически  не отстала по времени от развитых государств мира. Правда, к большому сожалению, нужно признать, что все  оборудование, включая приемники-приставки STB к телевизорам, в первом “русском”  проекте цифрового телевидения  пока только импортного производства. Однако недавно на одном из российских оборонных заводов началась подготовка к выпуску подобного приемника  по лицензии одной известной зарубежной фирмы из поставляемых ею комплектующих  изделий.

Несмотря на относительно большую  аудиторию спутникового телевидения DVB-S, по-настоящему цифровым вещание  станет только с переходом его  на “цифру” в наземных и кабельных  сетях. В прошлом году во многих других европейских государствах начались опытные передачи наземного ТВ в  стандарте DVB-T: в Германии, Нидерландах, Финляндии, Англии, Франции, Италии и Дании. Если все пройдет по плану, то регулярное наземное вещание по стандарту DVB-T начнется в Ирландии, Норвегии и Финляндии уже осенью этого года. Франция и Италия также объявили, что они приступят к передачам DVB-T в 2001 году, а Германия и Нидерланды - не позднее 2002-го. Для того, чтобы убедиться в преимуществах цифрового вещания DVB-T, достаточно лишь поставить рядом два телевизора - обычный и цифровой - и настроить их на прием одной и той же программы. При приёме программы цветного ТВ на комнатную антенну в железобетонном здании в городе на картинку на экране аналогового ТВ было просто неприятно смотреть, так как она постоянно искажалась. Более того, на ней периодически сбивалась кадровая синхронизация, и изображение начинало бежать по экрану. А вот картинка на экране телевизора DVB-T всегда остается “кристально чистой”. 

1.2 Внедрение  ЦТВ в России.

В России работы по внедрению наземного  цифрового ТВ ведутся уже 3 года. Более того, уже начались опытные  передачи по европейской системе DVB-T. Летом 2000 года запущен цифровой передатчик в Нижнем Новгороде, а зимой - в  Санкт-Петербурге. На будущий год, планируется  начало цифрового вещания в Москве, где “под цифру” уже выделен 32-й  канал. Интересно, что значительная часть оборудования для экспериментов, включая кодер MPEG-2 и передатчик цифрового телевизионного сигнала, разработана российскими учеными и изготовлена на отечественных предприятиях. До конца 2001года Зелено-градский НИИ “Научный центр” при участии МНИТИ (Московский научно-исследовательский телевизионный институт) должен разработать, а в начале следующего года изготовить отечественный цифровой приемник-приставку к телевизору. А на Санкт – Петербургском телевизионном “Заводе им. Козицкого” совместно с МНИТИ начались работы по созданию гибридного аналого-цифрового телевизора, который наряду с программами обычного вещательного телевидения сможет также принимать и передачи наземного цифрового. Серийный выпуск таких аппаратов может начаться уже в ближайшие год-два.

Переход на “цифру” (по крайней мере, на первом этапе) предполагает замену аналогового сигнала цифровым с  сохранением существующего стандарта  разложения растра, поэтому он может  быть воспроизведен любым цветным  и даже черно-белым телевизором  при помощи внешней STB-приставки. С  учетом этого, а также еще целого ряда других технических факторов, европейский стандарт DVB-T был выбран в качестве основы для отечественной  системы цифрового телевидения, и экспериментальное вещание  в России будет проводиться именно по этой системе.

Ориентировочной датой окончательного перехода к стандарту DVB-T всех членов Евросоюза называется 2015 год.

В силу ряда технических и экономических  причин европейская система DVB-T и  сценарии ее внедрения в европейских  странах не могут быть непосредственно  реализованы в России без всестороннего  предварительного изучения этого вопроса  и проведения экспериментального вещания.

Из всего вышесказанного следует, что актуальность исследований и  разработок в области цифрового  ТВ

в России очень велика. И хотя стандарт наземного телевещания уже выбран, необходимо детально разобраться в преимуществах тех или иных стандартов модуляции и передачи цифровых сигналов.

2. Система модуляции  сигналов цифрового телевидения 8-VSB.

2.1 Стандарт наземного  цифрового телевидения ATSC.

Стандарт цифрового телевидения ATSC (Advanced Television Systems Committee) описывает систему, спроектированную с целью передачи высококачественного изображения, звука, а также дополнительных данных в полосе частот 6 МГц, соответствующей ширине канала аналогового телевидения NTSC. Структура и параметры радиосигнала системы NTSC позволяют обеспечить надежную синхронизацию, за счет увеличения мощности передатчика и снижения эффективности использования полосы частот. Спектр радиосигнала NTSC неравномерен, в нем выделяются три гармонических колебания с частотами FV (несущая сигнала яркости изображения), FC (поднесущая сигнала цветности) и FA (несущая звукового сигнала). На передачу этих гармонических колебаний расходуется основная доля мощности, что и означает неэффективное использование мощности передатчика. Кроме того, средняя мощность излучаемого сигнала зависит от содержания изображения.  Требуемая ширина полосы частот канала равна 6 МГц, а ширина спектра сигнала яркости составляет всего 4,2 МГц, что означает не слишком эффективное использование полосы частот (полоса канала на 43% больше ширины спектра).  Однако надо отметить, что в полосе 6 МГц передаются еще и цвет и звук, что повышает эффективность использования полосы частот.

Техническими задачами, решаемыми  в процессе проектирования системы ATSC, были минимизация объема данных, несущих информацию об изображении и звуке, и достижение предельно высокой пропускной способности канала связи при сохранении заданного качества. Хотя стандарт не регламентирует строго формат представления передаваемого изображения, ясно, что речь идет о телевидении высокой четкости. Система ATSC основывается на подмножестве MPEG-2, определяемом как высокий уровень основного профиля MPEG-2 МР@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 системы ATSC находятся в пределах этих ограничений. 

2.2  Модуляция 8-VSB.         

В системе VSB допустим как  двухпозиционный модулирующий сигнал, так и многопозиционный. При двухпозиционной  передаче, обозначаемой как 2-VSB, модулирующий сигнал совпадает по форме с сигналом передаваемых данных и принимает  в интервале каждого символа  один из двух уровней (характеристические значения его симметричны относительно нуля, например +1 и -1). Удельная скорость передачи данных, благодаря тщательной отработке системы модуляции 1,79 (бит/с)/Гц, близка к теоретическому пределу. При многопозиционной передаче характеристические значения, располагающиеся симметрично относительно нуля, выбираются так, чтобы интервалы между ними были одинаковыми. Например, при восьмипозиционной передаче в системе 8-VSB (рис. 5) модулирующий сигнал принимает в интервале символа одно из восьми значений (-7, -5, -3, -1, +1, +3, +5, +7). В интервале одного символа передаются три двоичных разряда потока данных.  При увеличенной в три раза удельной скорости в полосе 6 МГц система 8-VSB способна передавать поток данных 32,3 Мбит/с.

Система VSB разработана в  нескольких вариантах, предусматривающих  разную структуру 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, вычисляемая как  частота следования символов, умноженная на логарифм количества уровней. Чем  больше количество уровней модулирующего  сигнала, тем меньше помехозащищенность. Исключением из этого правила  является только система 8T-VSB, в которой  используется дополнительное кодирование  с целью борьбы с помехами (буква T - Trellis символизирует наименование этого кодирования - решетчатый код).         

8T-VSB (далее просто 8-VSB) - высокочастотный тип модуляции, используемый в цифровом телевизионном стандарте DTV (ATSC), используемый для наземной передачи цифровых  ТВ сигналов к потребителю. Так как любая система наземного телевидения должна преодолеть многочисленные помехи вроде отраженных сигналов, случайного шума и взвешенных шумов, постепенного затухания сигнала, интерференции, прежде чем достигнуть потребителя, выбор правильного формата модуляции очень важен. Модуляция 8-VSB  - основа стандарта ATSC.