Гласман К.Ф.
Переход к цифровому телевизионному
вещанию:
вопросы и решения
На открытии конференции «Техника
вещания», проводившейся в рамках
конгресса NAB2003, старший вице-президент
NAB по вопросам науки и технологий
Линн Клоди (Lynn Claudy, NAB senior vice president of
Science and Technology) отметил, что еще
несколько лет назад число
телевизионных передающих станций
было едва ли не больше количества
телезрителей, имеющих цифровые
приемники. Сейчас ситуация
изменилась коренным образом. За год,
прошедший с конгресса NAB2002, число
станций телевизионного вещания,
выходящих в эфир с использованием
цифрового сигнала, возросло с 200 до
800. Три четверти американских домов
могут принимать в цифровом формате
пять и более телевизионных
программ. Число зрителей цифрового
телевидения близко к численности
населения в зоне покрытия цифровых
телевизионных передатчиков малой
мощности.
Наметились определенные успехи в
развитии цифрового телевидения
высокой четкости. Компании ABC и CBS
производят в стандартах высокой
четкости почти все программы
телевизионного «часа пик», т.е.
лучшего времени телепередач. К
этому приближаются компании NBC и WB.
Показателем успешности
продвижения к телевидению высокой
четкости может служить перечень
крупнейших спортивных состязаний,
трансляции с которых шли в формате
ТВЧ: Олимпийские игры, Открытый
чемпионат США по теннису, финал
кубка Стенли.
Переход к цифровому телевизионному
вещанию — это свершившийся факт
сегодняшнего дня, а не только
направление развития телевидения в
ближайшие годы. Поэтому секция
конференции «Техника вещания»,
проводившаяся в течение целого дня,
на которой было заслушано 15
докладов, объединенных темой «Переход
к цифровому телевизионному вещанию:
вопросы и решения», стала одним из
основных мероприятий конгресса
NAB2003. Все доклады, прочитанные на
секции, могут быть разделены на две
группы. Темой первой стали проблемы
передачи и распространения
сигналов цифрового телевидения,
второй — способы обработки
сигналов в практике цифрового
вещания.
Проблемы передачи и
распространения сигналов
цифрового телевидения
Федеральная комиссия США по связи
(FCC) обязала вещателей начать
цифровое вещание при условии
сделать это на уровне малой
мощности передатчика. В докладе
Лауры Стерлинг (Laura Sterling, Andrew Corporation)
«Пути к 2006 году: промежуточные или
законченные решения?» (Paths to 2006: Interim
vs. High Power Solutions) обсуждался вопрос, в
каких случаях стоит
воспользоваться этим правом. Если
телевизионная компания хочет не
только выполнить решение FCC, но и
обеспечить эффективность своей
работы в течение лет 25 после
контрольного срока FCC, то она должна
принять во внимание ряд важных
факторов.
Во-первых, телевизионная компания
должна выяснить, возможна ли
установка антенны для работы с
большой мощностью на существующей
башне или надо искать новое место и
строить новую; во-вторых, —
провести анализ населенности
области, которая должна быть
охвачена вещанием, то есть выяснить,
где проживает большая часть
населения: рядом с антенной или
далеко, и в соответствии с этим,
возможно, заключить соглашение с
кабельными сетями и потребуется
всего лишь передать сигнал до
головной станции кабельного
телевидения. В-третьих, надо
провести детальное изучение уровня
принимаемого сигнала для разных
уровней мощности передатчика в
области вещания, на которую
получена лицензия, и в зонах
особого интереса телекомпании (область
лицензии и зона интереса могут не
совпадать). Наконец, в-четвертых,
если в результате предыдущих
этапов принято решение о работе на
повышенной мощности, надо провести
детальный анализ, направленный на
выявление необходимого типа
антенны, высоты ее размещения,
мощности передатчика и т.п.
По существу, это рыночный подход. Но
автор настаивает, что, принимая
решение о выходе в эфир на уровне
малой мощности, телекомпания
должна думать не только об
удовлетворении требований FCC, но и о
месте на рынке телевизионных и
мультимедийных услуг, которое она
хочет занять в будущем.
Проблема использования всех
возможных способов доставки
телевизионных программ
обсуждалась в докладе Роберта
Зейделя (Robert Seidel, CBS) «Проблемы
цифрового телевидения с точки
зрения сетевого вещателя» (DTV Issues from
a Network Point of View). В результате
развертывания наземного цифрового
вещания компания CBS может доставить
сигнал цифрового телевидения в 89%
американских домов. Дальнейший
процесс охвата населения цифровым
вещанием требует организации
сетевого вещания с использованием
всех доступных технических средств
как наземного, так и спутникового, и
кабельного телевидения. CBS уже
достигла соглашения с кабельными
сетями Time Warner и спутниковым
оператором Echostar о передаче
программ CBS в формате телевидения
высокой четкости ATSC в виде потоков
данных 19Мбит/с. Важным фактором, как
считает CBS, является также
соглашение между кабельными
операторами и производителями
бытовой электроники о придании
цифровым телевизионным приемникам
функциональных возможностей
приставок для приема и
демонстрации программ цифрового
телевидения на экранах аналоговых
телевизоров.
Переход к цифровому телевидению —
это не одномоментная акция. Пока
зрители будут менять аналоговые
телевизоры на цифровые или
приобретать цифровые приставки к
аналоговым телевизорам, будет
сохраняться аналоговое
телевизионное вещание. В этом
временном интервале многие
вещатели должны будут решать, что
делать с аналоговыми передатчиками,
срок эксплуатации которых подходит
к концу. Есть несколько
возможностей:
• продолжить использовать старый
передатчик в надежде, что с ним не
случится ничего серьезного и он не
выйдет из строя;
• заменить старый аналоговый
передатчик на новый аналоговый;
• купить передатчик,
оптимизированный для работы в двух
режимах: аналоговом и цифровом.
Первый вариант связан с
определенным риском срыва вещания.
Для старых передатчиков будет
трудно найти запасные части для
ремонта. Второй вариант
обеспечивает надежность работы, но
связан с большими, чем в первом
случае, затратами: ведь передатчики
служат в среднем 18 лет и при
прекращении аналогового вещания
придется списывать почти новое
оборудование. Третий вариант
представляет собой оптимальное
решение для вещателей,
заинтересованных в минимизации
средств и технических переделок,
которые связаны с полным переходом
к цифровому вещанию. Способы
построения передатчиков для
обеспечения работы вещателей по
третьему варианту были предложены
в докладе Мартина Хорспула (Martin
J.Horspool, Harris Corporation) «Передатчики для
мирового рынка, допускающие
переход из аналогового режима в
цифровой» (Analog-to-Digital Upgradeable Transmitters
for the Worldwide Market).
В настоящее время в большинстве (если
не во всех) передатчиках средней и
большой мощности используется
раздельное усиление
радиочастотных колебаний,
модулированных сигналами
изображения и звука. Общее усиление
используется обычно при малых
мощностях, поскольку оно всегда
связывается с меньшей
эффективностью и худшими
характеристиками. Однако
современные методы предкоррекции
позволяют добиться хороших
интермодуляционных характеристик
и практически освободиться от
перекрестных искажений.
Переход к «цифре» в передатчиках с
раздельным усилением требует
замены аналогового возбудителя (модулятора)
на цифровой модулятор, замены
диплексера на фильтр, а также
исключения из состава передатчика
канала усиления радиочастотного
колебания, модулированного
звуковым сигналом. Если усилитель
несущей звука должен быть
использован для увеличения
мощности передатчика, то придется
заменить радиочастотные делители и
сумматоры. В аналоговом
передатчике с общим усилением
потребуется замена возбудителя (модулятора)
и фильтра. В передатчиках,
оптимизированных для работы в двух
режимах, один и тот же фильтр может
использоваться для минимизации
перекрестных искажений в
аналоговом режиме и для
формирования необходимой
частотной характеристики в
цифровом. Переход к цифровому
вещанию еще более упрощается, если
использовать цифровое
формирование модулированного
радиосигнала на промежуточной
частоте с применением цифровых
устройств. Эта концепция уже
реализована на практике.
Предлагаемый передатчик может
использоваться для формирования
аналогового радиосигнала (по
системам PAL и NTSC) и цифрового (по
системе DVB-T). Единственной
серьезной заменой, которую надо
произвести при переходе к «цифре»,
является установка кодера COFDM
вместо модулятора и загрузка
нового программного обеспечения с
внешнего компьютера. Возможна
также перестройка на другой
частотный канал. Сохранение
большинства компонентов
передатчика при переходе к
цифровому вещанию обеспечивает
значительный экономический эффект.
В ряде местностей задержка в
установке цифровых телевизионных
передатчиков и начале цифрового
вещания связана с появлением «мертвых
зон» вещания. В докладе Тимоти
Катфорда (Timothy Cutforth, Vir James Engineers) «Как
быть с мертвыми зонами?» (What about those
shadows) эта проблема обсуждалась на
примере города Денвера и его
окрестностей, где их возникновение
обусловлено гористым ландшафтом.
Результаты измерения уровней
принимаемых сигналов, приведенные
в докладе, показали, что в одном из
пригородов, заслоненном горными
вершинами, сигнал передатчика
практически не фиксировался. Для
решения проблемы охвата вещанием
этого пригорода был проведен
эксперимент: рядом с «мертвой зоной»
был установлен мобильный
ретранслятор малой мощности.
Ретранслятор переизлучал сигнал
основного передатчика на частоте
того же канала. Приемная и
передающая антенны были разнесены
на расстояние 1200 футов, что
способствовало устойчивой работе
ретранслятора, который обеспечивал
уровень сигнала, достаточный для
нормального и стабильного приема в
пределах «мертвой зоны» основной
антенны. При этом не было заметных
проблем, связанных с
интерференцией сигналов основного
передатчика и локального
ретранслятора, что связывается
авторами работы с применением
телевизионных приемников
последнего поколения, которые
обеспечивают высокое качество
приема в условиях многолучевого
распространения сигналов. Опыт,
полученный в описываемом
эксперименте, может быть полезен
для других телекомпаний. Он
показывает, что некоторые проблемы
распространения сигналов могут
успешно решаться уже после начала
регулярного цифрового вещания.
Способы обработки сигналов в
практике цифрового вещания
Кодеры MPEG находятся в сердце
цифрового телевизионного вещания.
Они традиционно представляют собой
специализированные аппаратные
комплексы. Но быстрое развитие
аппаратных средств и ПО
персональных компьютеров делает
осуществимым программное
кодирование MPEG-2 в реальном времени.
Новейшие разработки в этом
направлении были представлены в
докладе Лифенг Чжао, Иоанниса
Катсавоунидиса и Джей Куо (Lifeng Zhao,
Ioannis Katsavounidis, C. Jay Kuo, InterVideo Inc.) «Программное
кодирование MPEG-2 для цифрового
телевизионного вещания в реальном
времени: пример замещения
аппаратных решений программными»
(Another Example of Software Replacing Hardware: Real-time
Software MPEG-2 SDI/HD Encoding for Digital TV Broadcasting).
Характеристики кодеров MPEG могут
быть значительно улучшены,
допустим, за счет применения новых
алгоритмов оценки вектора движения.
На смену MPEG-2 приходят новые системы
компрессии, например MPEG-4 и H.264.
Благодаря подобным
усовершенствованиям появляются
новые области приложения, но
практическое использование новых
разработок сдерживается
значительными временными
затратами на создание новых
аппаратных средств для реализации
кодирования MPEG (преимущественно из-за
длительности процесса разработки
новых интегральных схем).
Программное воплощение алгоритмов
компрессии лишено приведенных
недостатков аппаратной реализации
и обладает рядом дополнительных
преимуществ: гибкостью и быстротой
внедрения усовершенствованных
программных продуктов;
возможностью применения новых
сложных алгоритмов обработки;
высоким качеством при сравнительно
низкой цене.
Компания InterVideo создала программный
кодер MPEG-2, работающий в реальном
времени, на базе ПК со следующими
основными компонентами: процессор
Intel Pentium 4, 2,8 ГГц; оперативная память
256 Мбайт; операционная система Windows
XP. Во время испытаний программный
кодер работал без сбоев в течение
нескольких недель. Соответствие
кодированного потока данных
стандарту MPEG-2 было удостоверено с
помощью стандартных анализаторов
цифрового потока, а также путем
воспроизведения закодированной
телевизионной программы с помощью
различных аппаратных и программных
декодеров.
Переход к цифровому телевидению в
США связан с организацией вещания в
1600 новых частотных каналах.
Появление такого количества
каналов приводит к тому, что в ряде
регионов телекомпании должны
выходить в эфир на частотах
соседних каналов. Установка новых
антенн для каждого нового канала на
уже существующих башнях часто
оказывается невозможной. Но
высокие качественные показатели
систем адаптивной коррекции
реального времени делают возможным
и эффективным следующее решение.
Сигналы передатчиков двух
телекомпаний объединяются с
помощью специального фильтра-сумматора,
затем с использованием одной линии
передачи и одной антенны
излучаются в эфир на частотах
соседних каналов. Такое решение
было предложено в докладе Джозефа
Секкиа (Joseph L.Seccia, Harris Corporation) «Достоинства
нового поколения адаптивной
коррекции, выполняемой в реальном
времени в реальных установках
цифрового телевидения» (Benefits of
Next-Generation Real-Time Adaptive Correction in Real-World
Digital Television Installation). Удовлетворение
жестким требованиям ATSC стало
возможным благодаря применению
адаптивной системы коррекции. В
докладе описано применение
линейных и нелинейных адаптивных
систем коррекции реального времени
для решения ряда подобных проблем
цифрового ТВ-вещания.
Достоинством решения является не
новизна идеи, а простота
использования предложенной схемы
на практике. Сложные алгоритмы
адаптивной коррекции
осуществляются в реальном времени
и в автоматическом режиме за счет
придания «интеллектуальности» и
необходимых вычислительных
ресурсов аппаратным средствам
системы коррекции. Это
минимизирует ручные операции по
настройке аппаратуры до уровня
простого текущего обслуживания,
выполняемого обычным персоналом.
Реальные преимущества новых
адаптивных систем коррекции
позволяют создавать и использовать
на практике в реальном времени
комплексные установки цифрового
телевизионного вещания.
При переходе к «цифре» малые
телевизионные станции нуждаются в
экономичных решениях, позволяющих
использовать существующее
оборудование. Одной из таких
возможностей является передача
сигналов цифрового телевидения по
аналоговым линиям связи,
предложенная в докладе Джона Пейна
III и Джона Пейна IV (John B.Paine III, John B.Paine
IV, Nucomm Inc.) «Передача сигналов
цифрового телевидения высокой
четкости по аналоговым
микроволновым линиям с
использованием «Аналогового
кодера»» (The «Analog Coder»: HDTV Digital Transmission
over an Analog Microwave Link). Компания Nucomm
разработала «аналоговый кодер» —
устройство, позволяющее передавать
цифровой сигнал телевидения
высокой четкости (в виде потока
данных системы ATSC со скоростью 19,39
Мбит/с), а также сигналы управления
и мониторинга по существующим
микроволновым каналам связи.
«Аналоговый кодер» состоит из
модулятора и демодулятора,
которыми дополняются существующие
аналоговые системы передачи и
приема микроволновой линии.
Модулятор принимает цифровые
данные и преобразует их в
аналоговый сигнал в основной
полосе частот, который поступает
затем в качестве модулирующего на
вход аналогового передатчика
микроволновой линии связи.
Выходной сигнал приемника
микроволновой линии связи подается
на вход демодулятора «аналогового
кодера». Демодулятор преобразует
аналоговый сигнал в поток цифровых
данных в формате ATSC. Предложенный
компанией Nucomm «аналоговый кодер»
представляет собой пример
эффективного в экономическом
отношении решения, позволяющего
малым телекомпаниям переходить к
цифровому вещанию без чрезмерных
финансовых затрат.
Доклады секции «Переход к цифровому телевизионному вещанию: вопросы и решения» конгресса NAB2003 были ориентированы на практиков цифрового телевизионного вещания. На вопросы практиков отвечали докладчики, решения текущих проблем цифрового вещания предлагались в докладах секции. Именно этим и была интересна секция. Сегодняшние проблемы цифрового телевидения США — это завтрашние проблемы отечественного телевизионного вещания, которое будет переходить к «цифре» и задавать аналогичные вопросы в ближайшие годы.