Американский и Европейский стандарты цифрового телевидения

В ноябре 1998 года в Англии впервые в мире официально было открыто наземное цифровое ТВ (ЦТВ) вещание в европейском стандарте DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial). Несколькими днями позже США приступили к наземной трансляции цифровых программ в американском стандарте ATSC (Advanced Тelevision Systems Committee). В течение последнего года в стандарте DVB-T начали вещание Швеция, Испания, Дания и Австралия. В ближайшее время ещё 12 стран Европы, а также Сингапур, Новая Зеландия и Индия планируют трансляцию в стандарте DVB-T. Канада, Южная Корея, Тайвань и Аргентина приняли стандарт ATSC. Япония разработала свой стандарт ISBD (Integrated Services Digital Broadcasting), который, однако, является модификацией европейского стандарта.Таким образом, в мире налицо период совместного существования аналогового и цифрового наземного ТВ. При этом к настоящему времени не существует единого мирового стандарта наземного ЦТВ, и ситуация весьма напоминает историю аналогового ТВ (АТВ), в результате чего в мире более 40 лет сосуществовали три системы цветного телевидения NTSC, PAL и SECAM.

Несмотря на начало спутниковой трансляции цифровых программ компанией НТВ-Плюс с февраля 1999 года в европейском стандарте DVB-S (Digital Video Broadcasting Satellite), вопрос о наземном цифровом ТВ в России остаётся открытым. В то же время именно наземное ТВ может достаточно быстро убедить телезрителя в необходимости ЦТВ, к преимуществам которого следует отнести следующее: трансляция нескольких программ стандартной чёткости (SDTV, Standart Definition Television) в полосе частот одного стандартного ТВ канала, телевидение высокой чёткости (HDTV, High Definition Television), интерактивность с обратным каналом, приём и передача данных, высокоскоростной выход в INTERNET через широкополосный ТВ-канал и т.д. Именно наземное ТВ, в отличие от спутникового, предоставляет возможность просмотра ТВ программ и приём данных на простые антенны стационарных и мобильных приёмников.

К большому сожалению, следует констатировать, что наша страна не принимала участия в разработке европейского стандарта DVB-T, до сих пор не принимает участия в обширных европейских программах по внедрению DVB-T и сегодня находится в стадии анализа стандартов и выбора необходимого оборудования.

С учётом имеющихся в России 13 тыс. передающих ТВ центров, комплексная работа по созданию национальной сети цифрового наземного ТВ - актуальная и многогранная задача. В этой связи к настоящему времени в России запланировано провести полевые испытания аппаратуры наземного ЦТВ в трёх городах: Санкт-Петербурге, Москве и Нижнем Новгороде. Экономически целесообразной представляется и задача налаживания производства оборудования ЦТВ обоих стандартов для продажи в другие страны. Так, например, поступают американская фирма Harris совместно с французской ITIS, итало-американская Itelco, американские фирмы Motorola и Tiernan Communications и т.д.

Что лучше?

С точки зрения телезрителя этот вопрос приобретает иную окраску в сравнении со стандартами АТВ. Дело в том, что при прочих равных условиях оба стандарта должны обеспечивать одинаковое качество изображения, поскольку используют один метод видеокомпрессии оцифрованного ТВ сигнала- MPEG-2 (Moving Picture Experts Group) (табл.1, п.1).

Это в корне отличает ЦТВ от аналогового: картинка SECAM явно отличается от PAL. "Что лучше?" в смысле цветопередачи - дело вкуса. Таким образом, вид кодирования цветоразностных сигналов и модуляции при АТВ помимо надёжности приёма оказывает влияние и на качество изображения. Для цифрового ТВ метод модуляции и помехоустойчивого кодирования оказывает влияние лишь на надёжность приёма изображения и при благоприятных условиях приёма картинка оказывается всегда без помех (без сетки, муара и прочих свойственных АТВ искажений). В противном случае - экран телевизора просто оказывается тёмным. Таким образом, для телезрителя безразлично, по какому цифровому стандарту происходит доставка изображения к телевизору, поскольку вывод его на экран производится одним общим для обоих стандартов блоком ТВ-приёмников - декодером MPEG-2. Из этого следует, что если сигнал ЦТВ выводится на обычные телевизоры, то, естественно, изображению будут свойственны черты аналоговых стандартов. При выводе же изображения на новые HDTV-телевизоры с числом строк 1080 - качество картинки для обоих стандартов оказывается одинаковым.

Что касается звукового сопровождения, то алгоритмы аудиокомпрессии различны. Это означает, что качество звукового сопровождения будет определяться свойствами алгоритмов цифровой аудиокомпрессии - MPEG-2 Layer II или Dolby 5.1 AC-3. Однако стандарт на звуковое сопровождение не является жёстким и в принципе может быть любым. "Что лучше ?"-дело вкуса. Например, Австралия, приняв в качестве национального стандарта DVB-T, внесла изменение в аудиостандарт и выбрала американский Dolby 5.1 AC-3.

Значительно больше стандарт оказывает влияние на телевещателя, обеспечивающего надёжный приём цифровых ТВ-программ для телезрителя. Таким образом, стандарт ЦТВ - прежде всего, стандарт на передачу ТВ программ. Методы модуляции и помехоустойчивого кодирования стандартов определяют лишь надёжность доставки с заданной скоростью оцифрованного и компрессированного изображения и звука. Это означает, что для сравнения стандартов необходимо оценить их потенциальные возможности борьбы с различного рода помехами и шумом в соответствии с критерием надёжности приёма.

Критерий надёжности

К сожалению, стандарты используют разные критерии , причём европейский - более жёсткий и ориентирован на передачу данных: вероятность ошибки бита на входе декодера MPEG-2 должна быть не ниже 10-11, что соответствует частоте ошибок 0.7 бит/ч при скорости передачи бит Rб около 20Мб/с (HDTV-вещание). стандарт ATSC использует иной критерий, ориентированный именно на качественное восприятие изображения на экране телевизора глазом человека. Избыточный для передачи изображения и звука европейский критерий связан с общей концепцией "контейнера" в семействе стандартов DVB, согласно которому различные физические каналы, в том числе и эфирный, должны обеспечивать почти безошибочную передачу данных независимо от их природы. Американский критерий не является пригодным для передачи данных, поскольку допускает до 60 ошибочных бит в секунду. Этот факт не является недостатком ATSC в смысле потенциальной возможности обеспечения надёжности приёма, но его, однако, следует иметь в виду для корректного сравнения стандартов по единому критерию. Следует заметить, что в ATSC вообще отсутствуют нормативные документы на передачу данных.В то же время следует понимать, что в DVB-T часть энергии сигнала расходуется с целью борьбы с отражёнными сигналами.

Рассмотренный выше пример свидетельствует о сложности для обоих стандартов приёма высокоскоростных HDTV-программ на комнатные антенны. В то же время, при низкоскоростных режимах в DVB-T (которых у ATSC просто нет, и сравнивать нечего!), надёжность приёма возрастает как за счёт увеличения энергии символа, так и за счёт применения более мощного помехоустойчивого кодирования(уменьшения R). В целом, однако, вопрос приёма ЦТВ на комнатные антенны является более сложным, поскольку следует учитывать и другие факторы: импульсные помехи от бытовых электроприборов, динамические эхо-сигналов, вызванные, например, перемещением по комнате человека или собаки и т.д. Bлияния таких помех на приёмники двух стандартов прямо противоположные.

ТВ сети

Возможны два типа ЦТВ наземных сетей: одночастотная сеть (SFN, Single Frequency Network) и многочастотная сеть (МFN, Multi-Frequency Network). В SFN все передатчики работают на одной частоте. В MFN используются индивидуальные частоты для каждого передатчика в сети. Естественно, оба стандарта позволяют строить MFN, однако лишь в DVB-T эффективно реализуется SFN. В то же время в SFN может отсутствовать большая необходимость при широкомасштабном внедрении наземного ЦТВ в стране.

При наличии SFN приёмник принимает сигналы от передатчиков, расположенных друг от друга на большом расстоянии. Эти сигналы аналогичны отражённым эхо-сигналам, задержка которых может превышать длительность ЗИ в DVB-T. Из-за несинхронности передатчиков во времени в приёмнике DVB-T между сигналами передатчиков имеет место как МСИ, так и МЧИ, и в целом подобные эхо-сигналы по своему действию близки к широкополосному шуму. В то же время, используя COFDM, принципиально возможно сделать синхронную SFN, в которой приёмнику гарантируется приход эхо-сигнала от соседнего передатчика с задержкой, не превышающей Dt. Более того, приёмник может даже "выбрать" лучший по мощности из этих двух сигналов. В DVB-T действительно разработана спецификация на такую сеть, которая успешно прошла проверку на практике.

Синхронная SFN в DVB-T позволяет использовать группу маломощных передатчиков взамен одного мощного, поскольку обеспечивает достаточно равномерное покрытие территории ТВ-сигналом и тем самым надёжный приём в любой её точке. (Эта ситуация аналогична освещению футбольного поля несколькими маломощными прожекторами взамен одного мощного.) Крупномасштабную синхронную SFN удаётся построить в режиме 8K, максимальное расстояние между передатчиками в которой значительно и доходит до 67 км при Dt/Tu =1/4. Такие сети целесообразно развёртывать в странах и регионах с большой плотностью населения. В режиме 2K удаётся сделать небольшую сеть местного масштаба с удалённостью передатчиков лишь до 17 км. В обоих случаях следует учитывать, что построение такой сети телевещания весьма трудоёмко и требует высокоскоростной кабельной сети (PHD, SDH или ATM) для раздачи сигнала от телестудии синхронным наземным передатчикам. Кроме того, эти передатчики требуют и жёсткой частотной синхронизации, для реализации которой используются спутниковые GPS-приёмники. Ясно, что финансовые затраты могут быть значительны.

Стандарт ATSC изначально не был ориентирован на построение SFN, поскольку в США запланирован широкомасштабный переход к ЦТВ во всех частотных каналах. В таких условиях более актуальной является задача обеспечения низкого взаимного влияния ЦТВ и АТВ, что реально и достигнуто. Режим "одночастотности" в США более необходим для покрытия малонаселённых территорий, что достигается ретрансляцией с использованием профессиональных gap-fillers и ремодуляторов. Работа такой SFN основана на простом факте низкого (причём более низкого, чем в DVB-T) взаимного влияния ATSC-сигналов . При этом технической проблемой является "развязка" направленной приёмной и передающей антенн одночастотных ретрансляторов. Подобные несинхронные SFN реализованы и в DVB-T.