О технологии

Цифровое телевидение

Аналоговое телевидение и его проблемы

            Современное телевидение представляет собой результат коллективного труда огромного числа ученых, изобретателей и инженеров из многих стран мира уже в течение ста с лишним лет, ведь первые реальные телевизионные системы были предложены еще в восьмидесятые годы девятнадцатого века. Все последующее время телевизионная техника непрерывно совершенствовалась, однако основные идеи повсеместно используемого ныне электронного телевидения были сформулированы и реализованы еще около семидесяти лет тому назад. Созданные на основе имевшихся к тому времени научных и технических возможностей, такие телевизионные системы обеспечили формирование, передачу и воспроизведение подвижных изображений вполне удовлетворительного качества.

            Несмотря на используемую в телевидении дискретизацию изображений на отдельные строки, сами телевизионные сигналы, характеризующие распределение яркостей в передаваемых изображениях, носят чисто аналоговый характер. Несомненным достоинством таких сигналов является относительная простота передающего и приемного оборудования телевизионных систем, что и обеспечило возможность их реализации еще в тридцатые годы двадцатого века. Однако аналоговому телевидению свойственны и серьезные принципиальные недостатки, ограничивающие дальнейшее повышение качества передаваемых изображений. Действительно, если в специальных системах, например на телецентрах, еще и возможно создать условия относительно неискаженной передачи аналоговых ТВ сигналов, то при их трансляции большому числу пользователей через эфир, со спутников, или даже по сетям кабельного телевидения полностью исключить влияние помех и искажений сигналов принципиально невозможно. Не лучше обстоят дела и при необходимости хранения аналоговых ТВ сигналов (например, путем их записи на видеомагнитофон) или трансляции на большие расстояния по каналам связи: каждый этап их обработки неминуемо связан с воздействием помех и внесением дополнительных искажений, ухудшающих качество телевизионной картинки.

Как известно, системы на основе цифровых сигналов в значительно большей степени свободны от подобных проблем, однако переводу телевизионных изображений в цифровую форму долгое время препятствовала их высокая информативность. Действительно, попытка прямого преобразования стандартного цветного телевизионного изображения в цифровой вид приводит к возникновению потока данных со скоростью 270 Мбит/с. Для телевидения высокой четкости данная величина возрастает еще в 2-4 раза. Если при этом учесть, что вся полоса частот, используемая в мире для наземного ТВ вещания, составляет менее 600 Мгц, то переход на такие цифровые потоки приводит к совершенно неприемлемому результату возможности одновременной трансляции вместо десятков аналоговых ТВ программ всего лишь 2-5 цифровых!

Цифровое телевидение (от англ. Digital Television, DTV) — технология передачи телевизионного изображения и звука при помощи цифрового кодирования видеосигнала и сигнала звука и с использованием цифровых каналов         .

Историю развития цифрового телевидения можно условно разбить на несколько этапов, каждый из которых характеризуется научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами, экспериментальными устройствами и системами, а также соответствующими стандартами.

            Первый этап - характеризуется использованием цифровой техники в отдельных частях ТВ систем при сохранении аналоговых каналов связи. На данном этапе всё студийное оборудование переводится на цифровой сигнал, обработку и хранение которого, в пределах телецентра, осуществляют цифровыми средствами. На выходе из телецентра телевизионный сигнал преобразуется в аналоговую форму и передаётся по обычным каналам связи. На этом этапе характерно так же введение цифровых блоков в ТВ приёмники с целью повышения качества изображения и звука, а также расширения функциональных возможностей. Примером таких блоков являются цифровые фильтры, устройства перехода от чересстрочной к квазипрогрессивной развёртке, повышение частоты полей до 100 Гц, реализация функций «стоп-кадр» и «кадр в кадре» и т.д.

            Второй этап - создание гибридных аналого-цифровых ТВ систем с параметрами, отличающимися от принятых в обычных стандартах телевидения. Можно выделить два основных направления изменения телевизионного стандарта: переход от одновременной передачи яркостного и цветоразностных сигналов к последовательной их передаче и увеличение количества строк в кадре и элементов изображения в строке. Реализация второго направления связана с необходимостью сжатия спектра ТВ сигналов для обеспечения возможности их передачи по каналам связи с приемлемой полосой частот. Многие наверно помнят декодеры с западно-европейской системой семейства MAC. В Японии это была система телевидения высокой чёткости MUSE. В передающей и приёмной частях этих систем сигналы передаются в аналоговой форме. Системы MUSE и MAC имели формат 16:9, количество строк в кадре 1125 и 1250, частоту кадров 30 и 25 Гц, соответственно.

            Третий этап - создание полностью цифровых телевизионных систем. После появления аналого-цифровых систем телевидения высокой чёткости в Японии и Европе, в США в 1987 году был объявлен конкурс на лучший проект системы телевидения высокого разрешения для утверждения в качестве национального стандарта. В первые годы на этот конкурс были выдвинуты различные аналоговые системы. Вышеупомянутые гибридные телевизионные системы, предусматривающие передачу сигнала только по спутниковым каналам, вскоре были сняты с рассмотрения. Это объяснялось тем, что в США на то время около 1400 компаний осуществляли наземное вещание, и сеть кабельного вещания была очень широко развита. Рассматривались даже проекты аналоговых систем, предусматривавших передачу по одному стандартному каналу двух сигналов — обычного ТВ сигнала и дополнительного, который в приёмнике с соответствующим декодером позволял получить изображение с большим количеством строк и элементов разложения в строке.

И уже в 1990 году появились первые предложения полностью цифровых систем телевидения. С каждым годом возрастало количество таких проектов и улучшались их характеристики. В начале 1993 года последние аналоговые системы окончательно были сняты с рассмотрения. А в мае 1993 года 4 группы компаний, представлявших близкие по существу проекты, объединились и в дальнейшем представляли единый проект, который и стал основой стандарта полностью цифровой телевизионной системы в США. Основой этого проекта стал в последствие международный стандарт MPEG-2, который был принят в 1996 году.

В Европе в 1993 году, когда стало ясно, что за цифровыми телевизионными системами будущее, был принят проект DVB (Digital Video Broadcasting — Цифровое Видео Вещание), так же основанный на MPEG-2. В настоящее время системы цифрового телевидения быстро развиваются во многих странах. При этом в первую очередь решается задача значительного увеличения количества передаваемых программ телевидения обычного разрешения, так как это даёт быстрый коммерческий эффект. Во многих странах поставлен вопрос о прекращении в первом десятилетии XXI века аналогового телевизионного вещания и полном переходе к цифровому телевидению.

Международные стандарты цифрового телевидения принимаются в первую очередь Международной организацией по стандартизации (ISO — International Organization for Standartization), объединяющей национальные комитеты по стандартизации более 100 стран мира. В составе этой организации формируются группы, занимающиеся проблемами и стандартизацией отдельных отраслей техники. Одной из групп, занимающейся стандартами цифрового вещания, является группа — MPEG (Motion Picture Expert Group). Другой организацией, играющей значительную роль в стандартизации, является Международный союз электросвязи (ITU — International Communication Union). Организация выпускает Рекомендации, которые в дальнейшем могут быть преобразованы в международные или в национальные стандарты решениями национальных органов стандартизации.

 В настоящее время существуют следующие основные стандарты:

 DVB — европейский стандарт цифрового телевидения;

 ATSC — американский стандарт цифрового телевидения;

 ISDB — японский стандарт цифрового телевидения.

К преимуществам цифрового телевидения по сравнению с аналоговым можно отнести:

- повышение помехоустойчивости трактов передачи и записи телевизионных сигналов;

- уменьшение мощности передатчиков;

- существенное увеличение числа ТВ программ, передаваемых в том же частотном диапазоне;

- повышение качества изображения и звука ТВ приёмников;

- создание ТВ систем с новыми стандартами разложения изображения (телевидение высокой чёткости);

- расширение функциональных возможностей студийной аппаратуры;

- передача в ТВ сигнале различной дополнительной информации.

- создание интерактивных ТВ систем, при пользовании которыми зритель получает возможность воздействовать на передаваемую программу (например, видео по запросу);

- функция «В начало передачи»;

- архив ТВ-передач и Запись ТВ-передач;

- выбор языка и субтитров.

 

К недостаткам цифрового телевидения относят:

- резко ограниченная территория покрытия сигнала, внутри которой приём возможен. Но эта территория при равной мощности передатчика больше, чем у аналоговой системы;

- замирания и рассыпания картинки на «квадратики» при недостаточном уровне принимаемого сигнала.

 Оба «недостатка» являются следствием преимуществ цифровой передачи: цифровой сигнал принимается качественно на 100 % или не принимается вовсе.

Система DVB

            Этот масштабный проект по разностороннему обоснованию и разработке системы цифрового видеовещания может смело считаться одной из ведущих разработок в области вещательного телевидения последнего десятилетия. Как мы уже отмечали, инициатива его проведения принадлежит Европе, хотя даже еще в 1990 г. массовое цифровое ТВ вещание считалось здесь слишком дорогим и потому непрактичным. Однако уже в конце 1991 г. была создана Европейская учредительная группа (European Launching Group - ELG), которая должна была следить за разработками в области цифрового телевидения в Европе с позиций соблюдения различных общественных и частных интересов, включая производителей электроники, операторов связи, различные регулирующие организации и др. В результате деятельности ELG был подготовлен, согласован и в сентябре 1993 г. подписан всеми участниками группы, специальный Меморандум о взаимопонимании (MoU), а учредительная группа - преобразована в Комиссию по цифровому видеовещанию - Digital Video Broadcasting. В это же время специальная Рабочая группа по цифровому телевидению опубликовала результаты исследования, убедительно показавшего возможности и перспективы развития цифрового телевидения в Европе.

            Начавший формироваться проект DVB был сразу поддержан Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (European Telecommunications Standards Institute - ETSI) и Европейским союзом вещания (European Broadcasting Union - EBU). После этого проект стал настолько быстро развиваться, что число его участников уже к 1997 г. возросло в семь раз и превысило 200 организаций, представлявших телевещателей, производителей и регулирующие органы более чем 30 стран. К этому же сроку разработка проекта DVB успешно прошла и все стадии, предусмотренные первоначальными планами. В результате этого появилась целая группа достаточно гибких даже для всемирного использования и взаимоувязанных систем цифрового вещательного телевидения, базирующихся на единых концепциях и реализуемых с помощью максимально сходных технологий:

- кабельного (DVB-C);

- спутникового (DVB-S);

- и наземного (DVB-T).

            Для этого, например, технологии кодирования цифровых данных во всех системах были условно подразделены на внутреннюю и внешнюю части. Такая структура позволила унифицировать многие функциональные узлы для эфирных, спутниковых и кабельных систем цифрового вещания за счет того, что общие для этих систем операции по обработке данных выполняются во внешней системе кодирования, а дополнительная обработка данных, зависящая от вида модуляции и среды передачи, выполняется в составе внутренней системы кодирования.

            Совместимость стандартов DVB-C, DVB-S и DVB-T позволяет переносить сформированные пакеты программ из одной сети вещания в другую без существенных преобразований, а также достаточно просто строить гибридные спутниково-кабельно-эфирные сети вещания.

            С окончанием первого этапа работы по проекту DVB не прекратились, а наоборот стали развиваться и приобретать глобальный характер. Организационно, реализация второго этапа предполагает введение интерактивных служб, а третьего - создание универсальной домашней мультимедийной платформы MHP (Multimedia Home Platform), которую зрители смогут использовать в качестве приемника ТВ программ и терминала различных служб, действующих в сетях кабельного, спутникового и наземного вещания, а также сети Интернет. Но это, все-таки пока больше вопрос будущего.