Кривошеев М.И. Международная стандартизация цифрового вещательного телевидения

Подождите немного. Документ загружается.

371

ределение систем вещания данных, критериев и оценки качества вос-

произведения информации, а также международный обмен услугами.

Изучались системы для вещания данных по ТВ и звуковым каналам

(наземным и спутниковым) с уклоном на кодирование данных, кри-

терии качества обслуживания и стандартизацию параметров аппара-

туры. Работа проводилась совместно с СВРГ 10-11 / 3, СМТТ, МККТТ,

IEC (МЭК — Международная Электротехническая Комиссия) и ISO

(МОС — Международная организация стандартизации).

Системы телетекста получили широкое распространение в различных

странах как дополнение программ вещательного телевидения. Класси-

ческая конфигурация системы включает в себя базу данных справочного

характера с устройством ввода в ТВ сигнал, тракт вещания (радиопере-

датчик — радиоканал абонентского телевизора), систему отображения

знаков на экране телевизора. Именно такое построение системы теле-

текста было объектом многочисленных исследований и закреплено Ре-

комендацией ВТ.653 «Системы телетекста», принятой в 1986 году.

В СССР работы по выбору стандарта системы телетекста начались

в 1986 году испытаниями в Вильнюсе и Москве французской системы

телетекста «ANTIOPE DIDON» [7.10]. В 1988 году в Московском реги-

оне были проведены испытания английской системы «World System

Teletext» (WST).

В процессе испытаний было установлено, что существующие техни-

ческие средства ТВ вещания позволяют осуществлять передачу сигналов

дополнительной информации в составе ТВ сигнала по обоим стандар-

там примерно с одинаковым качеством. Однако, учитывая особенности

отечественной системы распределения и трансляции ТВ программ, тех-

нико-экономические показатели систем, зарубежный опыт внедрения

стандартов телетекста, а также преимущественное распространение

стандарта Системы В в странах Западной и Восточной Европы, было

принято решение об организации опытной зоны вещания и подготовке

для нее оборудования по системе телетекста стандарта В [7.11].

Положительные результаты вещания в опытной зоне подтвердили

обоснованность предпочтения Системе В, которая была положена в осно-

ву стандарта [7.12]. В этой системе передача пакетов данных телетекста

по 42 байта осуществляется в свободных строках гасящих импульсов

полей полного цветового видеосигнала в виде импульсов с кососиммет-

ричным срезом спектра со скоростью 6, 9375 Мбит / с. Для кодирования

данных, передаваемых журналами по 100 страниц буквенно-цифровой

и графической информации, используется двухуровневый код без воз-

7.1. МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ

372

ГЛАВА 7. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

врата к нулю. Каждая страница представляет собой изображение на ТВ

экране и содержит 24 ряда данных по 40 кодовых знаков. Предус-

матривается специализированный журнал, содержащий статические

тест-страницы и испытательные сигналы.

В Канаде разработана система доставки дополнительных данных

по радиоканалу аналогового ТВ вещания с несколькими сотнями малых

по размаху несущих, расположенных в области остатка частично подав-

ленной боковой ТВ радиосигнала и модулированных этими данными

методом ортогонального частотного разделения сигналов с кодировани-

ем (СOFDM, Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) [7.37].

В результате испытаний системы установлено, что скорость передачи

дополнительных данных может достигать значений около 1 Мбит / с

при коэффициенте цифровых ошибок 10

-4

— 10

-6

и практически мало-

заметных искажениях качества ТВ изображения.

В рамках изучения вопросов записи дополнительных данных адми-

нистрация Японии предложила пересмотреть Рекомендацию ВR.1218

«Запись телетекста на перспективных цифровых магнитофонах для бы-

тового пользования» с заменой в ее заглавии и тексте термина «Теле-

текст» на более общий термин «Дополнительные данные», учитываю-

щий, что в это понятие входят кроме сигналов телетекста также скрытые

субтитры, метаданные, относящиеся к программе ТВ вещания, и др.

[7.39]. Записывать дополнительные данные предлагалось на бытовых

видеомагнитофонах стандарта DV [7.58] на дорожках магнитной лен-

ты, отведенных для скрытых субтитров.

Системы цифрового ТВ вещания, особенно системы МПТВ открыли

новые возможности для разработки систем вещания, обеспечивающих

высокоскоростную доставку различной цифровой информации населе-

нию и другим потребителям. В связи с этим в 1994 году было предложе-

но исследовать новую концепцию передачи больших объемов данных

по одному и тому же ТВ каналу, включая адресуемую информацию ин-

терактивных систем и систем с ограниченным доступом [7.21-7.23]. При

этом исследования должны были фокусироваться на разработке стан-

дартов, на основе которых с помощью бытовых ТВ приемников можно

было бы пользоваться услугами служб мультимедиа и многопрограм-

много вещания. Существующие приемники уже содержат встроенные

процессоры для управления параметрами телевизора, и потребуется

лишь дополненное программное обеспечение вместо применения от-

дельного внешнего персонального компьютера. Это был новый подход

к международной стандартизации систем передачи дополнительной ин-

373

формации, ориентированный на интеграцию функции вещания и муль-

тимедийных функций в современных ТВ приемниках.

На основе этого предложения группа РГ 11D разработала проект

новой Рекомендации по передаче сервисных и программных инфор-

мационных данных для систем цифрового вещания и начала изучение

методов ограниченного доступа к информации [7.24]. Был подготовлен

также новый вопрос изучения структуры данных и требований к сис-

темам вещания мультимедиа / гипермедиа [7.22].

В ноябре 1994 года задачи РГ 11D по изучению вещания данных были

переданы РГ 11А под председательством D. Wood (EBU) [7.24]. Иссле-

дованиями в данной области применительно к цифровому наземному

вещанию занималась также Целевая группа ЦГ 11 / 3 (Председатель

— S. Baron, США), разработавшая Рекомендацию ВТ.1301 «Службы

данных в цифровом наземном вещании» (ее проект предложен в [7.34])

на основе спецификаций систем по Рекомендации ВТ.653 «Системы те-

летекста» и стандарта [7.42]. В этом стандарте, посвященном введению

данных телетекста в транспортный поток MPEG-2, были приведены

сведения о форматах пакетов транспортного потока и элементарного

потока видеоданных, синтаксис и семантика для пакетированного эле-

ментарного потока, а также модель декодера, описывающая процедуру

выделения информации из пакетов данных телетекста, ее транскоди-

рования, декодирования и отображения на ТВ экране.

Основным координатором изучения систем передачи дополнительной

информации (вещания данных) в 6-й ИК стала Рабочая группа РГ 6М

(Интерактивное вещание и вещание мультимедиа) под председательс-

твом B. Aldous (Великобритания). Изучения осуществляются в соответс-

твии с Вопросом 17 / 6 (его проект предложен в [7.36]) «Вещание данных

в условиях цифрового вещания», в рамках которого исследуются ме-

тоды формирования пакетов данных и их кодирования, способы син-

хронизации, контроля и управления данными, методы сигнализации

о наличии дополнительных данных в транспортном цифровом потоке

программы вещания, способы уведомления пользователя о расписании

передачи данных и другие аспекты систем. В мандат группы включен

также Вопрос 45 / 6 «Вещание мультимедиа и данных для мобильного

приема», предусматривающий исследование требований пользовате-

ля к службе данного типа, характеристик систем, методов подачи ин-

формации на портативные и подвижные приемники, форматов муль-

тимедиа и данных, способов взаимодействия служб подвижной связи

и интерактивного цифрового вещания, включая передачу ТВ изображе-

7.1. МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ

374

ГЛАВА 7. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

ний на дисплеи мобильных устройств, а также сигналов изображений

со встроенных в них видеокамер. В [7.59] ставится задача обеспечения

общности и сопряжения разрабатываемых цифровых систем передачи

данных, мультимедиа и других их применений.

В рамках Вопроса 17 / 6 США подготовили проект новой Рекоменда-

ции «Вещание данных» [7.27], в которой рассматривалась разработан-

ная Комитетом систем перспективного телевидения (ATSC, Advanced

Television System Committee) система доставки синхронных и асин-

хронных модулей и потоков дополнительных данных, совместимая

с мультиплексом цифровых потоков по стандарту MPEG-2 и обеспечи-

вающая асинхронную доставку дейтаграмм и конвейерную пересылку

данных.

РГ 6М предложила проект нового Вопроса «Вещание данных муль-

тимедиа в условиях цифрового вещания», предусматривающий изу-

чение методов передачи мультимедиа в системах цифрового вещания,

способов синхронизации и контроля этих данных, а также протоколов

и / или контейнеров данных с ограничением доступа к вещательной

и мультимедийной информации [7.38].

Важным применением вещания данных является система доступа

к ресурсам сети Internet с передачей информации для пользователей

(прямой канал) в составе транспортного потока сигнала вещательной

программы. Примером может служить опытная система, работающая

в Москве на 34-м канале ТВ вещания [7.28]. В ней применяется высо-

коскоростная передача прямой информации в цифровом потоке стандар-

та DVB-T, позволяющая сократить время доступа абонентов к Internet

в 3-4 раза по сравнению со временем доступа к ним по телефонной сети

общего пользования (Приложение 52, фото 33).

В нашей стране была разработана оригинальная система «ТВ-Ин-

форм» для помехоустойчивой передачи абонентам циркулярно-адресной

информации в составе ТВ сигнала. Эта система, не имеющая аналогов

в мире, позволила создать на базе каналов связи и средств распределе-

ния программ ТВ вещания новую цифровую наложенную сеть передачи

данных национального и международного масштаба с высокими техни-

ческими показателями [7.17-7.19]. Коллектив разработчиков системы

был удостоен званий лауреатов Государственной премии Российской

Федерации 2000 году в области науки и техники [7.20].

Прогресс в области цифровых методов кодирования и обработки ТВ

изображений позволил разработать системы квазивидеотелефонии и те-

ленаблюдения с использованием неподвижных ТВ изображений (НТИ),

375

пригодных для передачи информации по доступным узкополосным ка-

налам связи. Такие системы создавались во многих странах. Так, в СССР

была разработана система передачи НТИ по узкополосным каналам

связи «Спринт» [7.13]. Она была реализована как средство обеспечения

двусторонней квазивидеотелефонной связи, видеоконференцсвязи, теле-

наблюдения за удаленными объектами, охранной сигнализации, сбора

оперативной информации и т. п. Комплекты этой аппаратуры широко

использовались не только по своему прямому назначению — для виде-

освязи, но и как датчики цифровых сигналов изображений при прове-

дении многочисленных научных экспериментов, связанных с разра-

боткой и исследованиями других систем связи и вещания. Результаты

данной работы были отражены во вкладах [7.14-7.16], которые вошли

в Отчет 802 МККР.

7.2. ПЕРЕДАЧА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

ПО СТАНДАРТУ DVB

В системах цифрового ТВ вещания возможности передачи различ-

ной дополнительной и вспомогательной информации весьма широки.

При организации цифрового ТВ вещания с интеграцией служб, в част-

ности, вещания мультимедиа, в программу могут быть введены данные

различного вида [7.43, 7.44, 7.47]:

телетекст;

скрытые субтитры;

страницы Internet;

программное обеспечение компьютеров;

информация о деталях сюжета;

текстовые данные для их распечатки абонентом;

многоязыковое сопровождение программ;

коды управления доставкой программ (PDC);

электронный путеводитель по программам (EPG),

а также различные комбинации перечисленных служб, сочетающие

возможности техники связи и компьютерной обработки информации.

Механизмы мультиплексирования и транспортировки данных в сис-

темах цифрового ТВ вещания пригодны для передачи информации

различного назначения, в том числе, данных Internet и цифрового

трафика (малоподвижные изображения систем теленаблюдения и ви-

деоконференцсвязи). Такие службы имеют основания занять доми-

нирующие позиции в цифровом вещании. Это связано с тем, что все

еще сохраняется дисбаланс между вычислительной мощностью персо-

•

7.2. ПЕРЕДАЧА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО СТАНДАРТУ DVB

376

ГЛАВА 7. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

нальных компьютеров и реальными возможностями передачи данных

с помощью модемов для коммутируемых телефонных сетей. Исследо-

вания показали, что в Европе при подключении к сети Internet средняя

скорость передачи данных составляет 1 кбит / с, а 80 % пользователей

Internet посещают от 100 до 200 сайтов. То есть, множество пользова-

телей практически единовременно делают независимые запросы одной

и той же информации и получают ее с малой скоростью. Необходимость

решения этой проблемы привела к созданию отдельного стандарта DVB

на вещание данных [7.45]. Цифровой поток, состоящий из последова-

тельности транспортных пакетов стандарта MPEG-2, рассматривается

как «контейнер данных», имеющий пропускную способность от 6 до 38

Мбит / с в зависимости от использования всей или части полосы канала.

Для выделения данных из контейнера служит интегрированный при-

емник-декодер IRD или персональный компьютер (ПК) с платой расши-

рения, содержащей приемник и декодер. Служба скоростной загрузки

программ из Internet по сети цифрового ТВ вещания часто называется

«Турбо-Интернет» [7.47].

Наиболее общей формой передаваемых данных являются асинхрон-

ные потоки и файлы. Однако, программы мульти- и гипермедиа обыч-

но имеют дело с файлами данных. Следовательно, в канале вещания

должна быть создана некоторая форма виртуальной файловой системы,

чтобы обычный ПК мог использовать данные в требуемой форме. Новая

технология передачи данных в транспортных пакетах, их выделения

и использования в абонентских комплексах основывается на концепции

домашней мультимедийной платформы и положениях стандарта ISO / IEC

13818-6 на систему команд и управления для средств цифровой записи

(Digital Storage Media — Command and Control, DSM-CC) [7.46].

В стандарте на вещание данных предусмотрены четыре вида достав-

ки данных [7.45, 7.47]:

Конвейерная пересылка данных (Data Piping). Это простая асин-

хронная доставка данных от провайдера до пользователя по сети,

совместимой со стандартами на цифровое ТВ вещание. Подлежащие

вещанию асинхронные данные ограниченного объема вводятся непос-

редственно в полезную нагрузку транспортных пакетов (как в кон-

тейнеры) службы вещания данных. В спецификации на конвейерную

пересылку не указывается, каков должен быть формат данных в пре-

делах транспортных пакетов, т. е. каков порядок следования байтов

во времени — это входит в компетенцию провайдера. Временные

соотношения между данными и PES-пакетами не устанавливаются.

377

Механизм конвейерной пересылки предназначен для приложений,

в которых данные, вводимые в транспортный пакет, являются не па-

кетированными, или для приложений, в которых пакетирование дан-

ных не имеет отношения к тракту передачи цифрового сигнала.

Поточная передача данных (Data Streaming). В этом режиме данные

больщих объемов имеют вид непрерывного потока. Данные вводятся

в PES-пакеты, которые затем стандартным образом преобразуются

в транспортные пакеты. Ключевым свойством PES-пакетов является

то, что они могут нести вспомогательную информацию, необходимую

для синхронизации элементарных потоков. Поэтому при поточной

передаче поддерживаются службы вещания данных от провайдера

до пользователя в асинхронном, синхронном или синхронизирован-

ном режимах. Асинхронный режим (отсутствие какой-либо синх-

ронизации, например, пакеты данных Internet) обычно применяет-

ся для асинхронной передачи дейтаграмм. Мультиплексирование

транспортного пакета MPEG-2 в ячейки системы АТМ (Asynchronous

Transfer Mode, режим асинхронной передачи) и структурная схема

ввода двух транспортных пакетов в 8 ячеек АТМ показаны соот-

ветственно на рис. 7.1

и 7.2. Синхронный ре-

жим (тактовая частота

данных имеет постоян-

ное значение, как в син-

хронных линиях связи)

необходим для точного

восстановления потока

данных на выходе при-

емника. Синхронизи-

рованный режим (под-

держивается с помощью

вводимых эталонных

меток времени) применяют в тех случаях, когда воспроизведение

передаваемых данных должно быть синхронно с другим потоком

PES-пакетов стандарта MPEG-2, главным образом, этот режим тре-

буется при передаче субтитров.

Многопротокольная инкапсуляция (Multiprotocol Encapsulation).

Поддерживает службы вещания, которые требуют транспортировки

протоколов сетей передачи данных по сети, совместимой со стандар-

тами на цифровое ТВ вещание. В этом режиме данные и заголовки

Рис. 7.1. Мультиплексирование транспортного

пакета MPEG-2 в ячейки АТМ

7.2. ПЕРЕДАЧА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО СТАНДАРТУ DVB

378

ГЛАВА 7. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

различных протоколов (в том числе, и в первую очередь, TCP / IP)

встраиваются внутрь транспортных пакетов MPEG-2. При транспор-

тировке дейтаграмм в режиме многопротокольной инкапсуляции

используется формат секций частных данных, соответствующий

стандарту DSM-CC [7.46]. Каждая секция формата DSM-CC может

иметь длину до 4086 байтов, большие дейтаграммы могут быть фраг-

ментированы на соответствующее число секций. Если транспортиров-

ка осуществляется в протоколе IP, то каждая дейтаграмма должна

содержаться в пределах одной секции.

Карусель данных (Data Carousels). Принцип карусели данных — это

разделение каждого файла, подлежащего вещанию, на сегменты

равной длины с циклическим повторением сегментов всех файлов

в передаваемом потоке. Принимаемые сегменты ассемблируются

в буфере абонентского приемника и затем воспроизводятся. Набо-

ры данных могут иметь различные форматы или типы и передаются

в секциях DSM-CC фиксированной длины. Поддерживаются служ-

бы вещания данных, которые предполагают циклическую передачу

данных к приемникам по сети, совместимой со стандартами на циф-

ровое ТВ вещание.

Типичным примером карусели является передача данных электрон-

ного путеводителя по программам (EPG). В карусели каждый сегмент

помечается идентификатором для указания, к какому файлу он при-

надлежит. Сегментация файла позволяет системе работать в канале

с ошибками, потому что минимальное количество данных, которое мо-

Рис. 7.2. Ввод транспортных пакетов в ячейки АТМ

379

жет быть потеряно — только сегмент. В этом случае приемник просто

ждет следующего появления необходимого сегмента. Для нормальной

работы службы недостаточно просто получить большое число сегментов,

необходима еще информация для получения доступа или управления

файлом. Для этого передается специальное оглавление карусели, кото-

рое содержит список всех файлов в пределах карусели. Благодаря ог-

лавлению в приемнике становится возможным отслеживать изменения

содержания карусели и реагировать на них. Для того, чтобы приемник

мог локализовать информацию в карусели, передаваемые данные и со-

ответствующие им управляющие сообщения организованы в иерархи-

ческую структуру. Блоки данных объединяются в сегменты, сегменты

в группы, а группы могут образовывать супергруппы.

Карусель данных имеет разновидность, которая называется объек-

тная карусель (Object carousel) и служит для доставки структуриро-

ванных групп объектов, называемых доменами службы, что позволяет

создавать зеркало структуры каталогов и файлов пользователя. Объек-

тная карусель изначально предназначена для служб вещания данных,

определяемых независимыми от сети протоколами. Типичный пример

объектной карусели — загрузка этих данных в абонентский декодер.

Оба вида карусели используются для циклической передачи сегмен-

тов данных или объектов. Данные управления, передаваемые в составе

карусели, служат для автоматической настройки приемника на опоз-

навание и выделение из карусели требуемых данных. Основное при-

менение карусели данных и объектной карусели — это приложения

интерактивного телевидения, в которых допускается расширение

программного материала, например, получение большей информации

о продукте из его рекламы.

Рассмотренные здесь механизмы транспортировки и вещания данных,

в частности, карусели данных предоставляют новые мощные средства

организации служб мультимедиа, в том числе, использующие протоко-

лы Internet (IP). Часть этих вопросов уже регламентируется стандар-

тами на цифровое телевизионное вещание, другие пока еще находятся

в стадии разработки. Важно, что ключевым моментом при появлении

новых технологий цифрового вещания и передачи данных является

их совместимость на транспортном уровне со стандартами MPEG-2.

Это гарантирует, что существующие и вновь разрабатываемые систе-

мы и методы цифрового вещания являются совместимыми по главным

критериям, что позволяет создавать универсальные декодеры для при-

ема информации различных систем.

7.2. ПЕРЕДАЧА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО СТАНДАРТУ DVB

380

ГЛАВА 7. СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПЕРЕДАЧИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Для ввода потоков дополнительной и вспомогательной информации

в общий цифровой поток ТВ программы используют две схемы муль-

типлексирования: с использованием элементарных PES-пакетов и час-

тных секций, изначально предназначенных для передачи сервисной

информации PSI и SI [7.44].

Для целей вещания мультимедиа применяется стандартная схема

мультиплексирования потоков дополнительных данных, основанная

на использовании транспортного потока с пакетами фиксированной

длины. Подлежащие передаче дополнительные данные вначале муль-

типлексируются в пакетированные элементарные потоки (PES-пакеты).

Старт каждой группы данных синхронизируется со стартом полезной

загрузки в пакете транспортного потока.

На уровне формирования транспортного потока отдельной програм-

мы на вход программного мультиплексора поступают независимые

пакетированные элементарные потоки (PES-пакеты), несущие инфор-

мацию об основной программе (видео и аудио), и, в общем случае, про-

извольное число PES-пакетов дополнительной информации (рис. 7.3).

Для опознавания различных PES-пакетов в каждый из элементарных

потоков вводится свой идентификатор пакета (PID).

На выходе мультиплексора образуется групповой поток транспорт-

ных пакетов отдельной программы, объединяющий цифровые потоки

различных служб. Каждый транспортный пакет имеет фиксированную

длину в 188 байтов и состоит из заголовка и блока данных полезной за-

Рис. 7.3. Мультиплексирование дополнительных данных в транспортный поток