Кривошеев М.И. Международная стандартизация цифрового вещательного телевидения

Подождите немного. Документ загружается.

231

Система ISDB-T, разработанная в Японии, была близка к системе

DVB-T, но при необходимости могла обеспечить расширенные возмож-

ности служб мультимедиа и по использованию радиоспектра в виде

нескольких сегментированных полос частот, для каждой из которых

могли быть установлены свой тип модуляции и корректирующего

кодирования.

Поставленная задача решалась Рабочей группой 11А в двух допол-

няющих друг друга направлениях.

Первое направление предусматривало анализ характеристик систем

и возможное их сопряжение. Работа проводилась группой в составе

E. Pliszka (Польша), M. Akgun (Канада) и O. Khushu (ABU).

Во втором направлении ставились задачи, касающиеся сравнения

систем и подготовки руководства по выбору конкретных систем стра-

нами, внедряющими цифровое наземное ТВ вещание (см. раздел 5.3).

Над этим работала группа специальных докладчиков под руководством

O. Khushu — Технического директора ABU.

Эти группы выполнили огромный объем работы и заложили осно-

вы сопряжения несовместимых изначально систем, разработанных

в разных странах. Изучение проблемы проходило в условиях острой

конкурентной борьбы сторонников отдельных систем, претендующих

на пальму первенства для своих разработок в международном масш-

табе. В результате проведенных исследований и обсуждений удалось

преодолеть имевшиеся противоречия и найти пути объединения сис-

тем, а также подготовить упомянутое выше руководство по их выбору

(см. раздел 5.3).

Таким образом, были минимизированы различия систем по фун-

кциональным средствам и осуществлена их гармонизация при-

менительно к кодированию видеосигналов, транспортному уров-

ню и др. Гармонизированный набор функциональных средств

позволил с привлечением многих фирм-производителей решить

ключевой вопрос о возможности создания единого интегрально-

го декодера.

В итоге были созданы предпосылки для включения доработанных

и сопряженных систем в одну Рекомендацию ВТ.1306 и преобразования

региональных систем в международные цифровые системы наземного

вещания А, В и С (рис. 5.5) с возможностью использования на приеме

единого интегрального декодера.

Работа групп была завершена к собранию 11-й ИК в феврале 2000 года,

на котором новый модифицированный текст Рекомендации ВТ.1306,

5.1. СТРАТЕГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

232

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

представленный председателем рабочей группы 11А D. Wood (EBU),

был принят единогласно [рис. 5.6, Приложение 19].

Разработкой международных стандартов по наземному цифровому ТВ

вещанию в новой 6-й ИК с самого начала ее создания занимается Рабо-

чая группа РГ 6Е под председательством L. Olson (США), деятельность

которой охватывает все основные аспекты данной службы от методов

кодирования источ-

ника до параметров

передающих и при-

емных антенн.

В соответствии

со вкладом России

[5.130] был допол-

нен Вопрос изуче-

ния 4 / 6 «Парамет-

ры планирования

для цифрового те-

левизионного веща-

ния, использующе-

го наземные кана-

лы», в который были включены исследования защитных отношений

между системами цифрового наземного ТВ вещания А (ATSC), В (DVB-T)

и С (ISDB-T).

Изменение параметров этих систем, регламентируемых Рекоменда-

цией ВТ.1306 «Методы исправления ошибок, цикловой синхрониза-

ции данных, модуляции и излучения для цифрового наземного теле-

визионного вещания», в связи с их совершенствованием учитывалось

в ряде предложений по модификации указанной рекомендации путем

дополнения ее текста сведениями о новых значениях параметров и ме-

тодах испытаний систем [5.120, 5.136, 5.152, 5.155, 5.178]. Одновре-

менно проводились исследования по уточнению величины минималь-

ной напряженности поля, защитных отношений между различными

цифровыми системами с учетом существующих систем аналогового ТВ

вещания и других параметров планирования в целях дополнения соот-

ветствующими сведениями текста Рекомендации ВТ.1368 «Критерии

планирования служб цифрового наземного телевидения в телевизион-

ных диапазонах ОВЧ / УВЧ» [5.112, 5.113, 5.117, 5.118, 5.144, 5.157,

5.161, 5.174, 5.187]. В частности, группой докладчиков по защитным

отношениям был подготовлен проект пересмотра данной рекоменда-

Рис. 5.5. Системы цифрового наземного ТВ вещания

233

Рис. 5.6. Первая страница проекта Рекомендации МСЭ-Р ВТ.1306 по цифровому

наземному ТВ вещанию (Женева, 9 февраля 2000 г.)

5.1. СТРАТЕГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

234

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

ции на основе исследований в этой области, проведенных в Японии

[5.144]. Уточнялись также требования к форме спектра цифрового

сигнала в стандартном вещательном канале с номинальной полосой

частот 6, 7 и 8 МГц в рамках пересмотра Рекомендации ВТ.1206 «Гра-

ницы формирования спектра для цифрового наземного телевизионного

вещания» [5.121].

Собрание РГ 6Е, состоявшееся в Женеве в октябре 2003 года, созда-

ло группу специальных докладчиков по изучению технологий и систем

цифрового вещания, совместной работы аналоговых и цифровых сетей

и сценариев перехода от аналоговых наземных систем к цифровым, за-

дачи которой включали подготовку отчета об исследованиях в данной

области. Ее Председателем был назначен L. Rocchi (Италия) [5.211].

К собранию РГ 6Е в апреле — мае 2004 года группа докладчиков

подготовила предложения по структуре отчета [5.249, 5.250], который

должен содержать обзор вещательных технологий, сведения о возмож-

ностях цифрового вещания, анализ стратегии и проблем перехода на-

земного ТВ и звукового вещания на цифровые методы, информацию

об аппаратурном обеспечении цифрового вещания и др. В настоящее

время работа над этим проектом отчета продолжается.

Принципы построения и структура цифровых систем наземного ТВ ве-

щания, планирование и стратегия их внедрения рассмотрены в моногра-

фии [5.17]. Разработка международных рекомендаций в данной области

основывалась на вкладах и других документах МСЭ-Р, основные из ко-

торых приведены в [5.1-5.8, 5.10, 5.11, 5.13, 5.19-5.197, 5.199-5.206,

5.211, 5.214, 5.215, 5.249, 5.250, 5,254, 5.279, 5.306, 5.310-5.315]. Этим

проблемам посвящены также [5.14-5.18, 5.198, 5.224-5.229, 5.231,

5.232, 5.234-5.238, 5.240-5.248, 5.255-5.263, 5.266-5.270, 5.273-5.278,

5.280-5.297, 5.301-5.305, 5.307].

Системы цифрового наземного ТВ вещания изучаются в рамках сле-

дующих основных Вопросов:

1. Вопрос 4-2 / 6 «Параметры планирования для цифрового телевизи-

онного вещания, использующего наземные каналы».

Исследуются параметры частотного планирования, включая мини-

мальные напряженности поля, методы модуляции и излучения сигна-

лов, характеристики передающих и приемных антенн, одночастотные

сети и т. п. для ЦНТВ в условиях сосуществования аналоговых и циф-

ровых систем вещания. Определяются защитные отношения при одно-

временной работе нескольких цифровых передатчиков одной и той же

235

системы вещания, цифровых передатчиков различных систем или ана-

логовых и цифровых передатчиков в совмещенном канале, смежных

и перекрывающихся по частоте каналах. Изучаются характеристики

приемника, которые могут применяться при планировании систем,

ориентированном на эффективное использование спектра частот. Оп-

ределяются защитные отношения для защиты служб вещания от по-

мех других служб, работающих в той же полосе частот или в смежных

каналах, и методы снижения этих отношений.

2. Вопрос 9 / 6 «Универсальные передатчики и ретрансляторы как для ана-

логового, так и для цифрового ТВ вещания».

Изучаются требования к модулированным по амплитуде ТВ сигналам

PAL / NTSC / SECAM с частично подавленной боковой полосой и ЧМ сиг-

налам звукового сопровождения, формируемым цифровым декодером

сети распределения вещательных программ для последующей переда-

чи этих сигналов с помощью универсального передатчика и ретрансля-

тора, используемого в наземном вещании. Определяются требования

к частотным параметрам универсального передатчика, обеспечиваю-

щие отсутствие помех существующим службам наземного вещания,

и мощность передатчиков и ретрансляторов, допустимая без изменения

фидерных линий и антенн. Исследуются требования к студийному ТВ

оборудованию, совместимому с универсальным передатчиком, при не-

посредственной подаче студийного сигнала на этот передатчик.

3. Вопрос 14 / 6 «Характеристики цифровых и аналого-цифровых ТВ

приемников и приемных антенн, требуемые для частотного планиро-

вания наземного ТВ вещания».

Определяются основные характеристики цифровых и гибридных

(аналого-цифровых) ТВ приемников и приемных антенн, необходимые

для планирования и эксплуатации систем ЦНТВ.

4. Вопрос 31 / 6 «Цифровое наземное телевизионное вещание».

Исследуются:

методы мультиплексирования сигналов ЦНТВ (сигналы изображе-

ния, звука, данных и др.) в канале;

методы защиты сигналов от ошибок передачи;

методы и параметры модуляции и излучения сигналов ЦНТВ;

стратегия внедрения систем ЦНТВ с учетом существующих служб

наземного вещания.

•

5.1. СТРАТЕГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

236

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

5. Вопрос 80 / 6 «Кодирование для вещания ТВ сигналов с цифровым

кодированием по наземным узкополосным каналам».

Изучаются методы канального кодирования в системах ЦНТВ,

включая вещание ТВЧ, методы мультиплексирования сигналов изоб-

ражения, звука и данных в канале, методы защиты от ошибок переда-

чи и стратегия внедрения этих систем с учетом существующих служб

наземного вещания. Исследуются технические, эксплуатационные

и экономические факторы, определяющие выбор указанных методов

для систем вещания сигналов стандартного телевидения, телевидения

повышенного качества и ТВЧ.

6. Вопрос 105 / 6 «Требования к спектру для телевизионного вещания».

Изучается потребность в полосах частот для систем наземного ТВ ве-

щания при переходе от аналоговых методов к цифровым технологиям

и в последующий период времени. Исследуются требования к защите

систем цифрового вещания от помех со стороны других служб при совмес-

тном использовании частотных полос этими службами и вещанием.

5.2. СИСТЕМЫ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

5.2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В настоящее время разработаны, исследованы и предложены

для международного внедрения гармонизированные и сопря-

женные между собой системы цифрового наземного ТВ вещания

(ЦНТВ), включенные в Рекомендацию ВТ.1306 «Методы исправ-

ления ошибок, цикловой синхронизации данных, модуляции

и излучения для цифрового наземного телевизионного вещания»

[5.17, 5.241]: ATSC (Advanced Television System Committee, Ко-

митет перспективных систем телевидения, США) с одночастотной

схемой модуляции 8-VSB (восьмиуровневая АИМ с подавленной

нижней боковой) — А [5.243]; DVB-T (Европа) с многочастотной

схемой модуляции OFDM (ортогональное разделение мультиплек-

са) — В [5.240, 5.244]; ISDB-T (наземное цифровое вещание с ин-

теграцией служб, Япония) с многочастотной схемой модуляции

BST-OFDM (распределение ортогональных несущих в сегментах

спектра) — С [5.81, 5.245, 5.247].

Большой объем работ, который был выполнен по сопряжению этих

систем, в том числе для обеспечения возможности использования на при-

еме единого интегрального декодера, описан в разделе 5.1.

237

Среди всех систем наземного цифрового ТВ вещания наиболее ди-

намично развивается система DVB-T (В). Этому способствует широкая

стандартизация всех субсистем и технологий, которые находят приме-

нение не только сегодня, но и в перспективе с учетом прогресса других

телекоммуникационных систем и изменения структуры и конъюнкту-

ры рынка. Систему DVB-T (В) уже приняли в качестве национального

стандарта многие страны. Распоряжением Правительства РФ [5.251]

было признано целесообразным внедрение в Российской Федерации

европейской системы цифрового ТВ вещания DVB. Система DVB-T (B)

принята также 119 странами, участвующими в Региональной конфе-

ренции радиосвязи 2004-2006 годов по планированию наземного циф-

рового вещания (см. раздел 5.6).

Изменения ряда параметров этих систем в связи с их совершенствова-

нием учитывались в модификациях указанной рекомендации, включая

новые ссылки на источники [5.120, 5.136, 5.152, 5.155, 5.178].

В разделах 5.2.2, 5.2.3, 5.2.4 описываются системы по состоянию

на начало 2006 года.

5.2.2. СИСТЕМА 8-VSB ATSC

Система ATSC (система А в Рекомендации МСЭ-Р ВТ.1306) внедряет-

ся в США, Канаде, Тайване [5.17] (Приложение 52, фото 18,19). В ней

применяется восьмиуровневая АИМ с частично подавленной нижней

боковой полосой радиосигнала (8-VSB). Модулирующий сигнал пред-

ставляет собой 8-уровневые импульсы, сглаженные формирующим

фильтром. Протяженность нижнего и верхнего срезов спектра состав-

ляет 620 кГц при полной ширине спектра 6 МГц, соответствующей но-

минальной полосе частот используемого радиоканала [5.208].

Подавление несущей частоты и большей части нижней боковой по-

лосы в процессе модуляции осуществляется путем подачи модулиру-

ющих сигналов на два смесителя этих сигналов с колебаниями одной

и той же частоты со взаимным фазовым сдвигом 90

. Вместо подав-

ленной несущей на ее частоте добавляется пилот-сигнал небольшого

уровня. Для этого перед модуляцией к многоуровневому импульсному

сигналу в основной полосе частот добавляется постоянное напряже-

ние смещения, трансформируемое в пилот-сигнал в модулированном

сигнале [5.17].

Модуляция 8-VSB имеет одномерное созвездие, в котором только по-

ловина точек используется для передачи полезной информации, а другая

половина — для корректирующего кодирования. Поэтому по скорости

5.2. СИСТЕМЫ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

238

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

передачи полезной информации модуляция 8-VSB фактически соответс-

твует 4-VSB без кодирования. Скорость передачи символов практичес-

ки втрое выше численного значения занимаемой полосы частот 6 МГц

и составляет 19,29 Мбит / с [5.223].

Структурная схема системы показана на рис. 5.7 в виде эталонной

модели своих основных подсистем [5.208]. В подсистеме кодирова-

ния источников информации применяется набор частот, основанный

на эталонной частоте 27 МГц. Эта частота используется для получе-

ния цифровых отсчетов частоты длиной 42 бита, из которых первые 33

бита называются базовыми эталонными метками времени программы,

а оставшиеся 9 бит — расширенными эталонными метками времени.

Последние эквивалентны отсчетам частоты 90 кГц, подстраиваемой

по сигналу частоты 27 МГц, и используются в аудио и видео кодерах при

формировании меток времени отображения и декодирования. Из час-

тоты 27 МГц синтезируются необходимые частоты дискретизации ви-

деоинформации (f

) и аудиоинформации (f

Транспортный кодер фактически выполняет роль мультиплексора

системы 8-VSB ATSC, объединяющего кодированные потоки источников

информации и сервисной информации. На его выходе действует поток

транспортных пакетов, следующих с частотой f

. К выходу транспорт-

ного кодера подключены устройства цикловой синхронизации, кодовой

Рис. 5.7. Структурная схема передающей части системы 8-VSB ATSC

239

защиты и однополосной модуляции, которые входят в состав подсисте-

мы адаптации к каналу.

Система ATSC в США и Канаде используется для передачи сжатых

цифровых сигналов ТВЧ по радиоканалам с шириной полосы 6 МГц.

5.2.3. СИСТЕМА DVB-T

Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T (система В в Реко-

мендации МСЭ-Р ВТ.1306, Приложение 52, фото 16,17) обычно обеспе-

чивает адаптацию цифрового ТВ сигнала, представленного в основной

полосе частот на выходе транспортного мультиплексора MPEG-2, с ха-

рактеристиками стандартного наземного радиоканала вещания, име-

ющего ширину полосы частот 7 или 8 МГц [5.12, 5.206, 5.207].

Стандарт [5.207] определяет структуру передаваемого потока данных,

систему канального кодирования и модуляции для мультипрограммных

служб наземного телевидения, работающих в форматах ограниченной,

стандартной, повышенной и высокой четкости.

Для обеспечения совместимости аппаратуры различных произво-

дителей стандарт определяет параметры цифрового модулированного

радиосигнала и описывает преобразования данных и сигналов в пере-

дающей части системы ЦНТВ.

Система DVB-T, как и любая другая система ЦНТВ, рассчитана

на использование существующих частотных планов и обеспечение ве-

щания в течение достаточно длительного переходного периода наря-

ду с действующими аналоговыми ТВ системами (в России стандарта

D, K / SECAM), а также на требуемую помехозащищенность от помех

со стороны аналоговых систем. Кроме того, она не должна создавать

помехи, мешающие аналоговым системам.

Максимальная эффективность использования частотного диапазона

реализуется путем оптимального сочетания отдельных передатчиков,

одночастотных и многочастотных сетей. Предусмотрена защита от ти-

пичных для наземного ТВ вещания эхо-сигналов для обеспечения устой-

чивого приема в условиях многолучевого распространения радиоволн,

в том числе, в условиях движения и прием на комнатные антенны.

Выполнение изложенных требований обеспечивается путем приме-

нения многочастотного метода передачи, получившего название OFDM

(Orthogonal Frequency Division Multiplex — ортогональное частотное

разделение мультиплекса, т. е. цифрового потока, передаваемого по од-

ному физическому каналу). Суть метода OFDM заключается в следую-

щем. В полосе канала (8 МГц для России) размещается от 2 до 8 тысяч

5.2. СИСТЕМЫ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

240

ГЛАВА 5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

несущих, каждая из которых модулируется низкоскоростным пото-

ком данных, являющимся частью общего цифрового потока. В системе

DVB-T возможен выбор одного из двух режимов вещания: режима 2k

с общим числом 1705 ортогональных несущих или режима 8k с общим

числом 6817 ортогональных несущих в одном символе OFDM. В качес-

тве первичного метода модуляции этих несущих допускается исполь-

зовать QPSK, 16- и 64-QAM [5.12].

Скорость передачи в каждом элементарном потоке равна общей сис-

темной скорости, поделенной на число несущих. Частотное распреде-

ление несущих в полосе радиоканала производится по определенному

правилу их ортогональности, допускающему частичное перекрытие

смежных спектров, но при условии, что на центральной частоте каждой

из несущих спектральные составляющие всех остальных модулирован-

ных несущих переходят через ноль. В результате за счет большого чис-

ла несущих формируется близкий к прямоугольному групповой спектр

мощности, обеспечивающий максимальную эффективность использо-

вания полосы частот радиоканала.

Поскольку при OFDM передаваемая информация разбита на боль-

шое число параллельных низкоскоростных подканалов, длительность

тактового интервала для каждой несущей намного больше типичной

задержки отраженных сигналов при многолучевом распространении.

При этом широкополосный канал системы с одной несущей, подвержен-

ный селективному федингу, преобразуется в большое число независимо

федингующих узкополосных каналов с частотным разделением. Кроме

того, при OFDM небольшие группы несущих могут быть полностью по-

давлены практически без потерь принимаемой информации. Для этого

вводят корректирующее кодирование данных в сочетании с частотным

и временным перемежением. При таком комплексном построении моде-

ма схему модуляции часто называют кодированным OFDM или COFDM

(Coded OFDM). С точки зрения физических процессов модуляции и пе-

редачи радиосигнала оба эти понятия равнозначны.

Для уменьшения межсимвольных искажений перед каждым симво-

лом передаваемого цифрового сигнала вводится защитный интервал.

Следует отметить, что это не просто пауза между символами, достаточ-

ная для угасания сигнала символа до начала следующего. В защитном

интервале передается фрагмент полезного сигнала, что гарантирует

сохранение ортогональности несущих, но только в том случае, если

эхо-сигнал при многолучевом распространении задержан не более,

чем на длительность защитного интервала.