Телевидение HDTV в Австралии

Первая группа тестов: Зона обслуживания

Авторы отмечают, что COFDM - демодулятор для DVB-T - неоднократно обсуждался в CША, где и был признан едва ли не лучшим вариантом для приема изображения в условиях помех от многократного отражения сигнала (ПМОС). Однако главным его недостатком является то, что система, поддерживая на должном уровне качество изображения, при повышении уровня помех, то есть ухудшении условий приема, реагирует на это снижением скорости информационного потока. Комитет Федеральной комиссии (FCC) высказал мнение, что в США при отведенной ширине канала в 6 МГц система DVB-T не обеспечит скорость потока, необходимую для HDTV. В этом случае (в условиях, аналогичных испытаниям в Австралии) скорость может достичь только 16,41 Мбит/c, что недостаточно. (Здесь необходимо добавить следующее: специалисты ATSC перед испытаниями не имели возможности по техническим причинам перестроить свою систему для работы в канале 7 МГц. Они отрегулировали только отношение сигнал/шум, увеличив его с 14,6 дБ (для канала 6 МГц) до уровня 15,1 дБ, соответствующего порогу сигнал/шум обычного аналогового канала. При тестировании системы ATSC использовался демодулятор 8-VSB).

Эксперимент в Австралии при ширине канала 7 МГц давал возможность для DVB-T заметно увеличить скорости передачи (здесь и далее высказывается мнение только специалистов ATSC), но этого не произошло, и скорее всего в реальной обстановке скорость ATSC могла бы достичь 22,6 Мбит/c при качестве передачи, сопоставимом с качеством для канала 6 МГц, и при сопоставимых с DVB-T характеристиках по ПМОС. При этом в системе ATSC есть определенный потенциал улучшения помехоустойчивости, который уже реализован в современных 8-VSB при использовании нового поколения микросхем сверхвысокой плотности (VLSI), причем абсолютно без изменений в передатчике и без снижения скорости потока.

К тому же VSB обладает необходимой функциональностью, позволяющей использовать как более простые демодуляторы для среды с невысоким уровнем ПМОС, например, в кабельных системах, так и более сложные демодуляторы, сопоставимые по сложности с COFDM, для заметно худших условий приема, например, в мобильном DTV.

По разделу "Зона обслуживания" авторы комментариев делают основанный на результатах тестирования и определенном потенциале улучшения вывод: для ширины канала 7 МГц система VSB определенно лучше СOFDM. (Согласно заключению комиссии качество и скорость COFDM абсолютно удовлетворяют требованиям телевещания Австралии.)

Авторы комментариев утверждают, что при приеме на внешнюю антенну (приблизительно 70% зрителей) ATSC показала свои преимущества по сравнению с DVB-T. Но что касается приема внутри помещения (30%), а также плохих условий приема вообще, улучшения, судя по результатам, необходимы обеим системам. Как правило, в условиях, когда возникает потеря информации, качество изображения цифрового телевидения по сравнению с аналоговым заметно хуже. Даже при использовании наружных, расположенных на крыше антенн качество аналогового телевидения бывает неудовлетворительным, но, тем не менее, зрители порой с этим мирятся. Что же касается приема внутри помещения, то для его улучшения потребуется и много усилий и ряд существенных доработок. При этом, как отмечают авторы, абсолютно нет данных ни в отчете испытаний в Австралии, ни где бы то ни было, которые давали бы основание предполагать, что здесь DVB-T превосходит ATSC. К тому же недавняя модернизация демодулятора (8-VSB) показала улучшение характеристик при этом варианте приема.

Прием вне помещения

Порог теплового шума (AGWN). Лабораторные испытания показали, что система ATSC обладает весьма существенным преимуществом - более низким (на 4 дБ) порогом шума (AGWN - аббревиатура для обозначения аддитивного белого Гауссова шума). Высказывали предположение, что это преимущество не вполне может быть реализовано в поле, где помехи: интерференция и ПМОС - ухудшают этот параметр. Результаты тестирования в поле показали большее, чем на 4 дБ, снижение по сравнению с DVB-T порога, причем при более высоком уровне ПМОС, уровень которых был даже выше при тестировании ATSC.

Помехи на частоте канала и помехи от смежного канала

Здесь ни одна из систем не имела явных преимуществ. При этом авторы подчеркивают, что возможность ATSC поддерживать работоспособность при воздействии аналоговой помехи на цифровой сигнал (по этому показателю у системы DVB-T было преимущество) может быть улучшена, поскольку комбинированный фильтр системы ATSC, предназначенный для этих целей, был как не оптимальным для 7 МГц, так и ненастроенным в течение всего тестирования. (При испытании в Австралии длительность кадра не позволяла провести подстройку этого фильтра для работы на канале 7 МГц.)

Импульсные помехи

Лабораторные испытания показали, что система ATSC на 8...11 дБ более устойчива к помехам такого рода. В свою очередь полевые испытания подтвердили, что импульсные помехи оказывали заметное влияние на DVB-T и они же были основной причиной отказов системы. В противоположность этому, у ATSC, согласно отчету, при полевых испытаниях произошел только один сбой, связанный с такого рода помехами, но проведенный анализ данных дает основание полагать, что и в этом случае причиной отказа системы были не импульсные помехи.

Помехи, вызванные многократным отражением сигнала (ПМОС)

В отчете нет четкого разделения результатов по статическим и динамическим ПМОС. В режиме статических ПМОС, возникавших при расположении антенны вне помещения, качество работы ATSC было лучше, а в режиме динамических - впереди была DVB-T.

Статические ПМОС.

Здесь DVB-T превосходила ATSC только при приеме сильного отраженного сигнала с амплитудой равной 65% от полезного. В этом случае система DVB-T могла поддерживать работоспособность, но при значительном снижении уровня порога шума. Следует отметить, что возможность приема на внешнюю антенну в условиях сильного отраженного сигнала маловероятна, и сигнал скорее будет даже слабым, поэтому такое качество DVB-T, как устойчивость, которое при этом сопровождается понижением порога шума, будет редко использоваться на практике. В качестве альтернативы для понижения уровня отраженного сигнала можно изменить направленность антенны, но это возможно для обеих систем.

Рис.1. График зависимости порога сигнал/шум систем DTTB от уровня отраженного сигнала для COFDM (DVB-T) и 8-VSB (ATSC)

На рис. 1 (Отчет. Приложение C, с. 3) дана зависимость порога сигнал/шум от уровня отраженного сигнала (эха). Видно, что при уровне отраженного сигнала менее 7 дБ система ATSC постоянно имеет преимущество по уровню шума в 4 дБ. При возрастании уровня выше 7 дБ это преимущество уменьшается. При уровнях отраженного сигнала в пределах 3-4 дБ отношение сигнал/шум обеих систем понижается до 26 дБ. При увеличении уровня эха отношение сигнал/шум для ATSC продолжает понижаться, в то время как DVB-T может его компенсировать, но при этом отношение сигнал/шум системы понижается, например, значение 32 дБ для ПМОС - в 1 дБ. На основании этого делается вывод, что ни одна из систем не компенсирует значительный уровень отраженного сигнала при слабом сигнале.

Динамические ПМОС.

В результате этого тестирования произошло совпадение ограничений используемого прототипа ATSC и метода тестирования, что не позволило выявить реальные возможности системы ATSC. Для имитации динамических ПМОС здесь использовался метод, основанный на эффекте Доплера, с помощью которого осуществлялось быстрое изменение амплитуды принимаемого сигнала с частотой, равной разнице частот двух сигналов. Этот тест дал возможность оценить характеристики АРУ системы ресивер-модулятор. При лабораторных испытаниях ATSC показала ширину диапазона доплеровской частоты в 1 Гц, в то время как аналогичный параметр для DVB-T был 140 Гц.

Рис. 2. Зональная устойчивость систем ATSC и DVB-T. По оси абсцисс зоны тестирования

Тестируемым оборудованием системы ATSC был прототип Blue Rack, печально известный своей медленной АРУ, и он, скорее всего, по этой причине с трудом отслеживал динамичные изменения амплитуды, которые происходили при смещениях доплеровской частоты. Отметим, что это - ограничение именно этого прототипа, а не принципиальные ограничения системы.

Blue Rack имеет два режима коррекции. Первый режим, использующий калибровочный сигнал, особенно устойчив и проводит коррекцию заметно ниже уровня данных. Скорость, ограниченная частотой повторения калибровочного сигнала, в этом режиме невысокая. Именно это и ограничивает его использование только в условиях статических ПМОС. Второй, менее устойчивый режим данных, в десять раз быстрее и поэтому более подходит для динамических ПМОС. Система автоматически определяет наличие динамических ПМОС и переключается на более скоростной (по АРУ) режим данных. Хотя переход с одного режима на другой не зависит от наличия ошибок, они, и это вполне возможно, возникают в процессе переключения. В этом втором режиме прототип может работать только при длительности сигнала ПМОС в пределах 5 мкc от основного. Это подходит для работы в нормальных условиях, однако динамические ПМОС создают и более короткое эхо.

Динамические ПМОС, наблюдаемые в Австралии, возникали из-за биений сигнала в процессе его отражений от самолетов. Поскольку такие биения редки и кратковременны, то для их регистрации был взят большой промежуток времени и выбраны места, где возможны такие помехи. При регистрации чаще всего наблюдались статические ПМОС или они отсутствовали совсем. Система коррекции ATSC постоянно находилась в своем первом устойчивом режиме работы. Ошибки данных отсутствовали, но в какой то момент пролетал самолет и возникали динамические ПМОС. Система регистрировала их и переходила во второй, быстрый режим данных. В процессе переключения и возникали ошибки. Так как при тестировании в Австралии использовался критерий, согласно которому система не должна была иметь ошибок, ATSC из-за динамических ПМОС не выдерживала тест и качество ее работы в более быстром режиме вообще не оценивалось.

То, что тест не смог оценить работу системы полностью, является, в известной мере, неудачей. Комбинированный режим полезен и передача большего приоритета режиму для статических ПМОС характерна для варианта ПМОС в полевых условиях. Хотя динамические ПМОС - это неприятно, но в большинстве случаев при приеме на внешнюю антенну проблемы не возникают, а если и возникают, то они кратковременны. В большинстве случаев даже этот не новый демодулятор VSB (Blue Rack) при наличии динамических ПМОС будет обеспечивать работу с очень малым числом ошибок, а при использовании модернизированного, с комплектом чипов VLSI, тем более.

Испытания в полевых условиях проводились в 108 точках регистрации. Как отмечают авторы комментариев, определенные трудности возникли при подборе мест. В итоге, хотя места и были выбраны, они не были статистически репрезентативными ни по плотности населения, ни по географии. Этот момент необходимо учитывать при сопоставлении процента мест, где прием был возможен, поскольку очевидно, что скорее всего он не отражает картину в целом. Выбранные места, и это не исключено, могли обеспечить преимущество системе с лучшими параметрами по ПМОС и не обеспечить этого системе, лучшей по уровню шума, что было бы более предпочтительным для ATSC. Таким образом, хотя ATSC и превосходила DVB-T, но это было бы более заметным при статистически репрезентативной выборке. Устойчивость к ошибкам оценивалась по общему числу точек регистрации, в которых система не обеспечивала работу без ошибок: для ATSC - 10,6 %, для DVB-T - 11,5 %, причем для систем эти места отличались в менее половины случаев. Отличался также и характер сбоев. Так, в 2/3 всех случаев ATSC достигала порога синхронизации, но регистрировала ошибку. Если синхронизация достигается, то система способна дать изображение, а система коррекции ошибок имеет возможность снизить их количество. Если же количество ошибок велико настолько, что изображение не может быть получено, то информация системы об уровне сигнала и режиме приема может быть предоставлена пользователю для того, чтобы пояснить, почему прием стал невозможен, и помочь решить эту проблему. Для системы DVB-T все отказы, за исключением одного, сопровождались отсутствием синхронизации, что квалифицируется как катастрофические отказы, при которых совершенно отсутствует информация для пользователя.

Приводится график (Отчет. Приложение D), иллюстрирующий тестирование устойчивости систем наземного телевидения (DTTD).

Рис. 3. Статический порог сигнал/шум систем ATSC и DVB-T

Порог включения.

Приблизительно в 85% случаев (мест регистрации), где оба сигнала были успешно приняты, порог системы ATSC был постоянно ниже, чем аналогичный порог системы DVB-T. Приведенный из отчета (Приложение D) график (рис. 3) демонстрирует накопленную зависимость уровня статического порога от процентов тестов, полученную методом "шума системы" (System noise method - название метода в комментариях; в отчете тот же метод назван: The system attenuation method). Эта зависимость, по мнению составителей отчета испытаний в Австралии, наиболее точно отражает реальную работу систем: значение медианы порога для ATSC соответствовало 16,2 и 20,6 дБ для DVB-T, при разнице (между порогами) в 4,4 дБ. Примечательно то, что при испытании в поле, где часто возникают ПМОС, различие между порогами систем слегка превышает 4 дБ - разницу в порогах, измеренных в лаборатории при воздействии только белого шума. (Необходимо добавить, что значение медианы 19,6 дБ, проставленное в таблице Приложения D, - неверное. Оно должно быть 20,6 дБ.)

Более точное определение порога шума, названного в этом случае динамическим порогом, включало длительную регистрацию количества ошибок. Приведен график (рис. 4) накопленной зависимости динамического порога в процентах тестов (Отчет. Приложение D).

Рис. 4. Динамический порог сигнал/шум систем ATSC и DVB-T

Для системы ATSC значение медианы порога составляло 17,5 дБ и соответственно 22,1 дБ - для DVB-T. Причем опять обнаружилось различие порогов (4,6 дБ) в пользу ATSC и превышение на 4 дБ отмеченной в лаборатории разницы по порогам при тестировании только белым шумом. Таким образом, преимущество ATSC было заметнее в реальной ситуации (где имеются ненормально распределенный шум, ПМОС и интерференция), чем в идеальных лабораторных условиях.

Прием внутри помещения

Он часто представляется наиболее худшим вариантом приема, а причины тому: уменьшение уровня сигнала, ПМОС и импульсные помехи. Если зрители при аналоговом приеме на внешнюю антенну как-то мирятся с очень плохим изображением, то получить цифровое изображение внутри помещения становится вообще проблематичным. В целом снижение сигнала при приеме внутри помещения достигает 30-40 и более дБ (меньше высота антенны и ее эффективность, потери в стенах здания).

ПМОС

Наиболее плохой вариант приема, когда сигнал попадает в здание через множество окон и отражается от металлической арматуры стен. ПМОС, возникающие на близком расстоянии от места приема: задержки отраженных сигналов очень короткие и как правило они возникают из-за различия путей сигналов до места отражения, а также из-за различия расстояний от отражаемых поверхностей (пола, стен, потолка) до антенн. Если в место приема приходят хотя бы два сигнала, смещенных по времени и сопоставимых по уровню, то в результате образуется своеобразный фильтр, который создает провалы в спектре принимаемого сигнала. Для близкого сигнала при приеме внутри помещения провалы достаточно широки, что приводит к существенному равномерному затуханию в полосе канала. Если затухание к тому же еще и очень значительное, то вероятность приема с помощью VSB или COFDM - ничтожно мала. При не очень больших затуханиях преимущество по уровню шума выводит чуть вперед VSB. При задержках отраженных сигналов до 100 нс и при недостаточно глубоком затухании сигнала - для приема подходят как DVB-T, так и ATSC.

Импульсные помехи

Внутри помещения на прием сигналов цифрового телевидения влияют домашние приборы (СВЧ-печи, пылесосы и т.п.), создающие импульсные помехи. В этом случае система DVB-T будет иметь больше проблем при приеме. При небольшом уровне сигнала преимущество ATSC обеспечивается более низким (4 дБ) порогом шума, а также лучшей устойчивостью к влиянию импульсных помех. В свою очередь, преимущество DVB-T, обусловленное лучшими характеристиками по динамической ПМОС, в этом случае менее важно, так как девиация частоты (эффект Доплера), например, из-за движения людей внутри помещения, - невысокая.