Кривошеев М.И. Международная стандартизация цифрового вещательного телевидения

Подождите немного. Документ загружается.

221

ГЛАВА 5

СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО

ТВ ВЕЩАНИЯ

5.1. СТРАТЕГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Одной из важных и сложных задач международной стандартизации

цифрового наземного ТВ вещания стало изыскание эффективных ме-

тодов передачи сигналов ТВ программ по наземной передающей сети

с учетом ограничений при выделении радиочастотных каналов.

Решению этой задачи способствовал сформулированный глобальный

подход к разработкам систем ТВ вещания на базе цифровых технологий,

принципиальной особенностью которого является учет и гармонизация

технологических особенностей основных участков ТВ трактов с их ра-

диочастотным обеспечением при соблюдении жестких международных

норм электромагнитной совместимости, требуемых зон покрытия, ме-

тодов планирования сетей и др. [5.1, 5.254, 5.255].

Существенной компонентой глобального подхода явилась предло-

женная стратегия внедрения цифровых ТВ систем с сохранением су-

ществующих наземных и спутниковых каналов (см. главу 1, раздел

1.2). В соответствии с этим подходом был разработан проект первой

Рекомендации [5.2] (см. главу 1, рис. 1.10), в которой для возможно-

сти внедрения цифрового наземного ТВ вещания (ЦНТВ) на данном

этапе сохраняются и нормируются спектры излучений в стандарт-

ных полосах частот, совмещенные с каналами аналогового ТВ веща-

ния. Это позволило сфокусировать проводимые в мире исследования

по сжатию цифровых ТВ сигналов, поиску эффективных методов мо-

дуляции и обработки сигналов на четко поставленной задаче, решение

которой в итоге позволило создать систему многофункционального

информационного обслуживания и передавать сигналы цифрового

телевидения, многопрограммного телевидения, телевидения высо-

кой четкости, программ стереоскопического телевидения, больших

объемов цифровых данных, интерактивной, мультимедийной и дру-

гой информации (см. главу 1, рис. 1.3) по существующим каналам

с полосами частот 6, 7 и 8 МГц (концепция 6-7-8, см. главу 1, раздел

1.2). Такая стратегия не препятствует продолжающемуся развитию

существующих аналоговых ТВ систем и гарантирует эволюционный

переход к будущим цифровым ТВ системам с ограниченными затра-

тами [5.3, 5.14, 5.17, 5.234].

5.1. СТРАТЕГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

222

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

Цифровое сжатие сигналов изображения и звукового сопровожде-

ния в сочетании с цифровой модуляцией этих сигналов позволило су-

щественно повысить эффективность использования частотного спектра

по сравнению с аналоговыми системами.

В условиях наземного ТВ вещания скорость передачи данных по од-

ному стандартному наземному радиоканалу при существующих спосо-

бах цифрового сжатия составляет 17-24 Мбит / с.

Источник цифрового сигнала ТВЧ может формировать видеоданные

со скоростью 1200-1500 Мбит / с. Для обеспечения возможности ТВЧ

вещания по стандартному наземному радиоканалу необходимо умень-

шить скорость передачи исходного сигнала в 50 и более раз путем его

цифрового сжатия и использования эффективных многопозиционных

видов модуляции. Методы сжатия могут включать адаптивную обработ-

ку сигналов источника информации, компенсацию движения, кодиро-

вание информации с учетом особенностей зрительного восприятия ТВ

изображений, статистическое кодирование и др. Для удовлетворения

требований ряда применений и служб система ЦНТВ должна работать

в режиме как прогрессивной, так и чересстрочной развертки изображе-

ния в широком диапазоне пространственной и временной разрешающей

способности. При использовании таких методов с помощью системы

стандартного телевидения с разложением изображения на 525 или 625

строк может быть обеспечена передача по одному каналу сигналов не-

скольких программ ТВ вещания. Применение способов цифровой мо-

дуляции, например, со спектральной эффективностью 3-4 бит / (с · Гц)

обеспечивает скорость передачи данных 6-8 Мбит / с на одну программу,

и по одному радиоканалу удается передавать до четырех — пяти сиг-

налов программ вещания. В дальнейшем это число может быть увели-

чено до 10 и более [5.306]. Так, в [5.223] отмечается, что ЦНТВ может

обеспечивать доставку программ ТВЧ или стандартного телевидения

со скоростью передачи данных около 20 Мбит / с. Для этого требуется

спектральная эффективность 4 бит / (с · Гц) для каналов с полосой 6 МГц

либо 3 бит / (с · Гц) при полосе пропускания канала 7 или 8 МГц.

Как показано в главе 1, лишь после наметившегося прогресса в прак-

тической реализации концепции 6-7-8 и разработки проекта Реко-

мендации [5.2] появилась возможность развертывания широкомас-

штабных исследований систем ЦНТВ с использованием стандартных

радиоканалов.

В течение 1991 года рядом администраций были направлены за-

просы в 11-ю ИК о необходимости изучения цифрового наземного ТВЧ

223

вещания. Это привело к созданию в ноябре 1991 года специальной «эд-

хок» группы под председательством K. Davies (Канада) для обсуждения

различных предложений и подготовки отчета о возможных действиях.

Группа представила результаты в форме проекта нового вопроса по циф-

ровому ТВ вещанию.

Администрация Австралии выступила с инициативой немедленного

одобрения этого вопроса и принятия его к исполнению в соответствии

с ускоренной процедурой по Статье № 326 Конвенции Полномочной

конференции (Найроби, 1986 г.). Предложение было поддержано 11-й

ИК, и была создана новая ЦГ 11 / 3 под председательством S. Baron

(NBC, США).

На ЦГ 11 / 3 были возложены исследования технических параметров,

таких как кодирование исходного сигнала, канальное кодирование,

модуляция, использование спектра и защита от помех. Таким обра-

зом, этой Целевой группе была поручена разработка системы в целом,

а не только подготовка рекомендаций и отчетов по отдельным специ-

альным вопросам. Концепция комплексно-ориентированных заданий

явилась новым подходом 11-й ИК к решению актуальных проблем.

Работа группы была распределена между четырьмя специальными

докладчиками: O. Yamada (Япония), T. Ryden (Швеция), T. Long (Вели-

кобритания) и R. Barton (Австралия)

В соответствии с принятой 11-й ИК методологией разработки систем

(см. главу 2) ЦГ 11 / 3 сформировала модель системы ЦНТВ, показанную

на рис. 5.1 [5.14, 5.223]. Она состоит из следующих подсистем:

Кодирование источника и цифровое сжатие информации.

Мультиплексирование и транспортировка сигналов.

Уровень физической передачи сигналов, относящийся к методам

модуляции.

Факторы планирования и характеристики приемника.

При кодировании источника используются методы цифрового

сжатия (компрессии) видеоданных, аудиоданных, дополнительных

данных, данных управления и ограниченного доступа. Мультиплек-

сирование и транспортировка сигналов обеспечивают разделение

данных на пакеты с соответствующими идентификаторами, объ-

единение пакетов информации различных видов в общий цифровой

поток и формирование транспортного потока данных. Этот поток

с введенными в него проверочными символами для защиты от оши-

бок передачи (кодирование для канала) используется в модуляторе

системы в качестве сигнала, модулирующего одну или множество

5.1. СТРАТЕГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

224

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

несущих. Факторы планирования включают стратегию внедрения

ЦНТВ с учетом существующих служб вещания.

В обращении к первому собранию ЦГ 11 / 3 ([5.13], рис. 5.2, Прило-

жение 5), состоявшемуся 14-18 декабря 1992 года в Женеве, было опи-

сано существующее положение с НЦТВ и сформулированы основные

направления, которые следовало бы избрать ЦГ 11 / 3 для достижения

поставленных целей. В обращении подчеркивалась необходимость бо-

лее эффективного использования частотного спектра при реализации

ЦНТВ и впервые было выдвинуто предположение о том, что результаты

работы Целевой группы будут способствовать созыву в будущем конфе-

ренции по планированию радиочастотных каналов. Это предсказание

оправдалось, и решением Совета МСЭ в июне 2001 года были определе-

ны сроки Конференции по пересмотру Стокгольмского плана 1961 года

в полосах частот 174-230 МГц и 470-862 МГц (см. раздел 5.6).

К 1992 году были подготовлены предложения о взаимодействии ЦГ

11 / 3 с группой экспертов по подвижным изображениям MPEG (Moving

Picture Expert Group) для разработки стандарта кодирования MPEG-2

применительно к цифровому наземному ТВ вещанию [5.5]. Кроме того,

были разработаны проекты новых рекомендаций, посвященных методам

Рис. 5.1. Модель системы цифрового наземного ТВ вещания

225

Рис. 5.2. Из адреса Председателя 11 ИК МККР собраниям Целевых групп 11/1, 11/2 и 11/3

5.1. СТРАТЕГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

226

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

исправления цифровых ошибок, транспортировки сигналов и доступа

к информации, включая ограниченный доступ к ней.

ЦГ 11 / 3 разработала документ «Перспективы единой мировой циф-

ровой системы наземного телевидения» [5.6]. В нем обсуждались про-

блемы создания единого стандарта путем фокусирования исследований

на наиболее важных элементах системы, по которым существует воз-

можность достижения консенсуса. Так, для обеспечения международ-

ного обмена программами и дополнительными данными с помощью

различных средств передачи (наземные, спутниковые и кабельные

системы) необходимо было достичь соглашения о базовом наборе стан-

дартов. Этот набор содержал:

многоуровневый синтаксис цифрового сжатия для сигналов изоб-

ражения и звука;

стандарт мультиплексирования программ вещания;

стандарт идентификации цифровых потоков (заголовки / де-

скрипторы);

стандарт видеозаписи для обмена программами с использованием

различной степени цифрового сжатия информационных данных;

стандарт на электрические и механические интерфейсы на уровне

потока данных.

В октябре 1994 года S. Baron и D. Wood представили проект новой

рекомендации [5.7], послужившей основой для соглашения по мини-

мальному набору стандартов системы цифрового наземного ТВ вещания.

Соглашение было достигнуто по следующим элементам:

базовая система, обеспечивающая передачу одного сигнала ТВЧ

или нескольких сигналов стандартного телевидения;

кодирование источников видеоинформации по стандарту MPEG-2 с ис-

пользованием основных или более высоких профилей и уровней.

кодирование источников звуковой информации по стандарту MPEG-2

(уровень II) [5.252] или стандарту АС-3 [5.253]; при этом предпола-

галось, что должны быть разработаны микросхемы, декодирующие

цифровые звуковые сигналы при кодировании по любому из ука-

занных стандартов;

мультиплексирование и транспортировка сигналов по стандарту

MPEG-2 с использованием единых сервисной информации и систе-

мы заголовков / дескрипторов;

в зависимости от задач, которые ставят разные страны перед ЦНТВ,

и условий использования выделяемого спектра предусматривалось

кодирование канала и восьмиуровневая модуляция сигналов с при-

•

227

менением системы 8-VSB (Vestigal Side Band) с одной несущей и час-

тичным подавлением боковой полосы частот или технология COFDM

(Coding Orthogonal Frequency Division Multiplex, кодовое ортогональ-

ное частотное уплотнение) с множеством несущих.

Группа ЦГ 11 / 3 на основе концепции 6-7-8 (см. главу 1, раздел 1.2),

заложенной в проект первой Рекомендации по цифровому наземно-

му ТВ вещанию (см. главу 1, рис. 1.10), разработала Рекомендацию

ВТ.798 по передаче сигналов ЦНТВ в существующих радиоканалах

с полосой частот 6, 7 и 8 МГц ([5.8, 5.9], рис. 5.3). Были подготовлены

также [5.10]:

проект рекомендации (Рекомендация МСЭ-Р ВТ.1206) с пределами огра-

ничения спектра для радиоканалов с полосами 6, 7 и 8 МГц (рис. 5.4);

проект рекомендации по методам доступа к данным (Рекомендация

МСЭ-Р ВТ.1207);

•

Рис. 5.3. Рекомендация МСЭ-Р ВТ.798-1 по радиоканалам для цифрового назем-

ного ТВ вещания с полосами 6, 7 и 8 МГц

5.1. СТРАТЕГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

228

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

проект рекомендации по кодированию изображений в ЦНТВ в соот-

ветствии со стандартами MPEG (Рекомендация МСЭ-Р ВТ.1208);

проект рекомендации по методам мультиплексирования сигна-

лов в соответствии со спецификацией ISO (Рекомендация МСЭ-Р

ВТ.1209).

В период с февраля 1993 года по февраль 1994 года ЦГ 11 / 3 раз-

работала два проекта Рекомендаций по критериям планирования

•

Рис. 5.4. Рекомендация МСЭ-Р ВТ.1206 по радиоканалам для цифрового назем-

ного ТВ вещания с полосами 6, 7 и 8 МГц

229

систем цифрового ТВ вещания и основным направлениям планиро-

вания и внедрения систем [5.8].

ЦГ 11 / 3 подготовила также проект нового Вопроса «Методы доставки

цифровых сигналов на дом» [5.200]. Он предусматривал определение

базового набора стандартов, необходимых для международного обмена

программами вещания и услугами служб передачи данных с учетом ог-

раничений различных средств доставки сигналов, и изучение коорди-

нированного подхода к разработке этих средств для цифровых служб

вещания. Планировалось также исследовать элементы базового набо-

ра стандартов, подлежащие стандартизации, включая многоуровне-

вое цифровое сжатие и синтаксис кодирования сигналов изображения

и звука, мультиплексирование и идентификацию сигналов программ,

а также параметры интерфейсов.

Целевая группа ЦГ 11 / 3 завершила свою деятельность, разрабо-

тав пакет основополагающих рекомендаций по цифровому наземно-

му вещанию в 1996 году на своем заключительном собрании в Сиднее

(Австралия).

Начало и первые результаты международной стандартизации цифро-

вых систем передачи изображений и звука рассмотрены в книге «Digital

image and audio communications», изданной на английском и китайском

языках [5.14], а также в [5.17].

К 1997 году Рабочей группой РГ 11А под председательством D. Wood

(EBU), продолжившей исследование систем ЦНТВ после завершения

деятельности ЦГ 11 / 3, были подготовлены [5.11]:

Проект Рекомендации МСЭ-Р ВТ.1300 «Методы мультиплексиро-

вания, транспортировки и идентификации сигналов для цифрового

наземного телевизионного вещания».

Проект Рекомендации МСЭ-Р ВТ.1368 «Критерии для планирования

цифровых наземных телевизионных систем в полосах ОВЧ-УВЧ».

Проект Рекомендации МСЭ-Р ВТ.1306 «Методы исправления ошибок,

цикловой синхронизации, модуляции и излучения для цифрового на-

земного телевизионного вещания» со спецификациями ЦНТВ систем

ATSC и DVB-T, разработанных соответственно в США и Европе.

В связи с проектом последней рекомендации необходимо отметить,

что на собрании РГ 11А в Женеве в мае 1999 года была завершена разра-

ботка стандарта на созданную в Японии многоцелевую систему ISDB-T

(Integrated Services Digital Broadcasting Terrestrial, наземное цифровое

вещание с интеграцией служб) для доставки сигналов ЦНТВ с исполь-

зованием модуляции типа сегментированной OFDM [5.84].

5.1. СТРАТЕГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

230

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

Таким образом, в 11-й ИК оказались три несовместимых системы

ЦНТВ, разработанные в Европе, США и Японии. В связи с этим было

принято решение изыскать пути доработки этих систем и гармонизи-

ровать их параметры, чтобы избежать неоправданной многостандар-

тности. Однако в процессе этой работы необходимо было принимать

во внимание различия между концепциями систем цветного анало-

гового и цифрового ТВ вещания. При цифровых методах каждая кон-

курирующая сторона стремилась предоставить новые возможности.

Поэтому цифровые варианты трех систем рассматривались не как раз-

ные способы достижения одной и той же цели, а скорее как средства

обеспечения гибкости, позволяющие адаптироваться к различным

обстоятельствам, чтобы быть привлекательнее для операторов и мас-

сового пользователя.

В первую очередь требовалось проанализировать возможности со-

пряжения систем с учетом их общих и отличающихся функций и ха-

рактеристик.

Системы ATSC, DVB-T и ISDB-T в основном различались на уровне

подсистемы адаптации к каналу вещания, главным образом применя-

емыми методами модуляции, а также алгоритмами кодирования зву-

кового сигнала. Полосы и диапазоны частот радиоканала в базовых

вариантах систем совпадали с таковыми, принятыми для аналогового

вещания в странах-разработчиках.

Все системы использовали методы мультиплексирования и форми-

рования транспортных пакетов, соответствующих требованиям стан-

дарта MPEG-2 [5.241, 5.242].

Во всех системах использовались такие виды борьбы с ошибками,

как скремблирование, перемежение, внешнее кодирование Рида-Со-

ломона, внутреннее кодирование сверточным кодом.

Система 8-VSB ATSC была разработана специально таким образом,

чтобы к каждому действующему в США передатчику аналоговой сис-

темы NTSC можно было подключить ограниченный дополнительный

комплекс аппаратуры, обеспечивающий переход на цифровой режим

работы с сопоставимыми зонами охвата вещанием при фиксированном

или, возможно, переносном приеме.

Европейская система DVB-T была разработана с заложенным

свойством существенной гибкости, которая достигалась за счет оп-

ций выбора широкого набора параметров, обеспечивающих фикси-

рованный, мобильный и переносной прием, а также построение од-

ночастотных сетей.