ATSC vs. DVD. Цифровое наземное ТВ

Последствия, к которым некогда привела конкурентная "стандартизация" систем аналогового ТВ, общеизвестны: более сорока лет в мире сосуществуют три несовместимые системы цветного телевидения - NTSC, PAL и SECAM. И вот появилась "цифра", и история повторяется...

Впервые наземное цифровое вещание началось в ноябре 1998 года в Англии - в европейском стандарте DVB-T (в семейство европейских стандартов включены также спутниковый и кабельный стандарты - DVB-S и DVB-C). В прошлом году к Англии присоединились Дания, Испания, Швеция и Австралия, а в ближайшее время в том же стандарте планируют начать трансляции Австрия, Бельгия, Германия, Греция, Италия, Ирландия, Люксембург, Нидерланды, Португалия, Финляндия и Франция, а также Индия, Новая Зеландия и Сингапур.

В том же 1998 году к наземным трансляциям цифровых программ приступили и Соединенные Штаты, но в своем собственном стандарте ATSC. Переход на "цифру" в США должен закончиться к 2006 году, когда аналоговое вещание прекратится полностью. Каждой из 1663 американских ТВ-станций уже выделен для цифрового вещания отдельный частотный канал, а пока в цифровом формате работают 69 станций. С некоторыми изменениями ATSC используют также Аргентина, Канада, Тайвань и Южная Корея.

В Японии модифицировали европейский стандарт и назвали его ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting - цифровое вещание с интеграцией служб). Он ориентирован прежде всего на передачу разнородной цифровой информации по единому ТВ-каналу. Испытания стандарта уже проведены, однако широкое внедрение его в Японии планируется только в 2003 году.

А что же у нас? Пока стандарт наземного ЦТВ в России не выбран (запланировано провести испытания аппаратуры в Санкт-Петербурге, Москве и Нижнем Новгороде), рассмотрим двух основных претендентов на эту роль - DVB и ATSC - с теоретической точки зрения.

Потребительский аспект

В Европе наземное ЦТВ рассматривается как составная часть общего вещательного "контейнера" разнородной цифровой информации, для приема которого не требуются новые телевизоры. Вместо них разрабатываются специальные телевизионные приставки - интеллектуальные программно управляемые устройства, называемые set-top box (STB). Они способны принимать программы ЦТВ стандартной четкости (SDTV, Standard Definition TV) из различных физических каналов. Изображение выводится на обычный телевизор с 625 строками, а звук - на любую стереосистему. Заметим, что задача приема телепрограмм высокой четкости (HDTV, High Definition TV) в пониженном SDTV-качестве на обычный телевизор в Европе не ставилась изначально, поэтому при переходе к HDTV-вещанию пользователям потребуется заменить свои нынешние ТВ-приемники.

width=246

Рынок STB рассчитан на платные интерактивные услуги, причем стоимость приставок доходит до 800 долларов, хотя в некоторых странах их "раздавали" бесплатно (как это было в Англии). С помощью Windows-подобной ОС EuroMHEG [1], поддерживающей Java на стороне клиента, телезритель выбирает тот или иной сервис, для чего ему требуется обратный канал доступа к серверу телевещателя. При этом ТВ-программа рассматривается как равноправный объект с файлами, рисунками и т. п., а управление организовано аналогично классическому гипертексту. Ведущая английская теле- и радиовещательная компания BBC уже продемонстрировала такие возможности EuroMHEG, как прием и отправка e-mail-сообщений и факсов, поиск в базах данных, выбор камеры при просмотре футбольного матча, телеголосование, покупка по кредитной карте и т. п.

В США же, в отличие от Европы, главным направлением "атаки" было выбрано телевидение высокой четкости, ровно один канал которого можно передать по современному аналоговому каналу. При этом улучшенное качество картинки, естественно, можно получить лишь на экране специального широкоформатного телевизора с 1080 активными строками, чересстрочной (interlaced) разверткой и соотношением ширины и высоты экрана 16:9, хотя наряду с ними выпускаются и аппараты, подобные европейским STB и рассчитанные на вывод 525 строк. Но так как функциональные возможности ATSC беднее, чем DVB, в США STB пригодны только для приема цифры на нынешние ТВ-приемники, да и то только в переходный период. Также выпускаются компьютерные платы (стоимостью примерно 800 долларов) для вывода цифровых программ на монитор персоналки с HDTV-качеством в режиме XGA (720 строк с построчной [non-interlaced] разверткой).

width=246

Согласно ATSC-стандарту, каждый ТВ-приемник должен декодировать любой из многочисленных (а всего их 18 разновидностей) ATSC-форматов и выводить его точно в соответствии с возможностями конкретного подключенного приемника, и пока производители строго соблюдают этот принцип.

Потенциально и ATSC, и DVB позволяют осуществлять как многопрограммное SDTV-, так и однопрограммное HDTV-вещание. Другое дело, что в США многопрограммное SDTV-вещание не применяется вовсе.

Выбор стандарта оказывает весьма незначительное влияние на цену HDTV-телевизора, поскольку стоимость приемника "растворяется" в стоимости 40-дюймового плоского плазменного экрана: сегодня его не купишь меньше чем за 5 тыс. долларов. ATSC-система включает в себя также хорошую антенну (несколько сотен долларов), оплаты же подписки нет принципиально, поскольку в США исповедуется политика поголовного перехода на ЦТВ. В любом случае ЦТВ оказывается недешевым удовольствием, однако его стоимость больше зависит от качества картинки и уровня сервиса, чем от стандарта.

Хорошо, - скажет телезритель, вспомнив, что в АТВ SECAM'овская картинка явно отличается от PAL'а, - а какой из цифровых стандартов лучше "показывает"? Ответ прост: оба стандарта обеспечивают одинаковое качество изображения [2], и при благоприятных условиях картинка оказывается без помех (сетки, муара и прочих свойственных АТВ искажений). Таким образом, телезрителю безразлично, по какому цифровому стандарту происходит доставка изображения к телевизору. А если помеховая обстановка окажется хуже пороговой, то экран телевизора просто останется темным. Поэтому значительно большее влияние стандарт оказывает на телевещателя. Таким образом, стандарт ЦТВ прежде всего стандарт на доставку ТВ-программ, и сравнение стандартов должно производится по степени надежности доставки в условиях помех. Это означает также, что лирическая часть статьи закончилась и дальше автору придется перейти от потребительских характеристик стандартов к техническим. Читатель, коему сухие термины не по душе, может ограничиться косым взглядом в направлении большой сравнительной таблицы основных параметров стандартов.

Основные технические параметры стандартов ATSC и DVB-T.

Характеристика	ATSC	DVB-T
Алгоритмы сжатия данных	MPEG-2 (видео), Dolby 5.1 AC-3 (аудио)	MPEG-2 (видео), MPEG-2 Layer II (аудио)
Вероятность ошибки бита	< 3х10^-6 (на входе декодера MPEG-2)	<10^-11 (на входе декодера MPEG-2)
Число несущих	1	2K или 8K (K=1024)
Модуляция несущих	АМ с частично подавленной боковой полосой, 8 уровней	Квадратурная АМ с 4, 16 или 64 уровнями (QPSK, 16 или 64 QAM)
Помехоустойчивое кодирование	Код Рида-Соломона и код Унгербоика с фиксированной скоростью	Код Рида-Соломона и сверточный код с пятью скоростями
Пороговое отношение сигнал/шум	14,9 дБ (теория) 15,1 дБ (практика)	16,5 дБ (теория) 19,2 дБ (практика)
Скорость на выходе кодера MPEG-2	19,39 Мбит/с	5-32 Мбит/с, большая скорость требует большего отношения С/Ш
Телевидение высокой четкости (HDTV)	Главное назначение стандарта	Поддерживается
Многолучевой прием	Статический - допускает, динамический - плохо	Статический - допускает, динамический - плохо (имеет преимущество при мощных эхосигналах)
Прием на мобильный приемник	Не допускает (обсуждается отдельный стандарт на основе COFDM)	Только при режиме 2K с низкоскоростной модуляцией и на скорости до 120 км/час
Влияние ЦТВ на прием АТВ	Низкое	Среднее
Влияние АТВ на прием ЦТВ	Низкое	Низкое
Влияние ЦТВ на ЦТВ (совместное использование канала)	Низкое (сказывается выигрыш ATSC в 4 дБ)	Среднее
Влияние импульсных помех от бытовой техники	Низкое (наибольшее влияние в МВ- и ДМВ-диапазонах)	Среднее (наибольшее влияние в МВ- и ДМВ-диапазонах)
Прием на комнатную антенну	Затруднен (для уверенного приема возможно использование одночастотных ретрансляторов)	Затруднен при HDTV (для уверенного приема возможно использование одночастотных ретрансляторов)
Версии на 50 и 60 Гц	Поддерживаются	Поддерживаются
Работа в каналах с полосами 6,7 и 8 МГц	Поддерживаются	Поддерживаются (в полосе 6 МГц высокая чувствительность к фазовому шуму)

Технический аспект

Итак, для сравнения стандартов необходимо оценить их потенциальные возможности в борьбе с различного рода помехами.

К сожалению, стандарты используют разные критерии надежности, причем европейский - более жесткий, так как предназначен для передачи данных с вероятностью ошибки меньше чем 1 бит/час. ATSC ориентирован на субъективное качество восприятия изображения человеком, а потому непригоден для передачи данных (допускается частота ошибок до 60 бит/с). Это не недостаток ATSC в смысле потенциальной надежности приема, но для корректного сравнения стандартов это обстоятельство следует иметь в виду. Избыточный для передачи изображения и звука европейский критерий связан с общей концепцией "контейнера" семейства стандартов DVB, согласно которой все физические каналы, включая эфирный, должны обеспечивать безошибочную передачу данных независимо от их природы.

Помехи в наземном ЦТВ принципиально не отличаются от помех в АТВ, поскольку при передаче используются те же метровый (МВ) и дециметровый (ДМВ) диапазоны. Характерной чертой этих диапазонов является неспособность радиоволн огибать препятствия. Но благодаря хорошему отражению от препятствий в точку приема приходит многолучевой сигнал, состоящий из прямого и нескольких отраженных эхосигналов с различными фазовыми сдвигами. Общеизвестным методом борьбы с многолучевостью является применение узконаправленных антенн, поэтому прием сигналов ЦТВ на слабонаправленную комнатную антенну затруднен. Из-за порогового эффекта (либо качественная картинка, либо темный экран) в наземном ЦТВ нашли применение домашние ретрансляторы, работающие на частоте принимаемого сигнала, ранее в АТВ не использовавшиеся.

В DVB-T для борьбы с многолучевостью выбран метод многочастотной модуляции COFDM [3] в сочетании с защитным интервалом (ЗИ). В DVB-T используется 2K или 8K (K=1024) несущих и 4 ЗИ (ЗИ устраняют межсимвольную интерференцию между эхосигналом текущего и прямым лучом следующего символа). Каждая несущая подвергается m-уровневой амплитудной модуляции (m=4, 16, 64); режимы модуляции с m=4 и 16 относят к низкоскоростным. Режим с m=64 является высокоскоростным, и только с ним реализуется HDTV (либо 3-4 программы SDTV). Многочастотная модуляция позволяет увеличить длительность символа, что, в свою очередь, позволяет во столько же раз увеличить ЗИ между символами. С целью повышения надежности приема в DVB-T часть несущих выделяется для сканирования частотной характеристики радиоканала и адаптации алгоритма приема.

В ATSC используется фиксированная скорость передачи информации на единственной несущей, один режим помехоустойчивого кодирования и лишь один метод амплитудной 8-уровневой модуляции с частично подавленной боковой полосой спектра (8-VSB) [4]. Основная роль в подавлении эхосигналов возлагается на так называемый эквалайзер приемника. В идеологии ATSC эхосигналы рассматриваются как помехи в частотной области, устраняемые эквалайзером. Таким образом, в DVB-T механизм подавления эхосигналов заложен еще на передающей стороне, а в ATSC - вся надежда на приемник. На сегодняшний день можно констатировать, что метод борьбы с многолучевостью в DVB-T эффективнее, чем в ATSC, и позволяет работать вплоть до отношения сигнал/эхосигнал (C/Э), равного единице.

В то же время при слабой многолучевости, когда используется направленная антенна, ATSC требует почти в 2,5 раза меньшего отношения сигнал/шум (С/Ш). Это означает, что DVB-T дает выигрыш лишь с некоторого достаточно большого отношения C/Э, что имеет место либо при большой мощности передатчика, либо при использовании узконаправленной антенны, но в последнем случае трудно ожидать мощных эхосигналов! А в случае обычной комнатной ненаправленной антенны (для которой, главным образом, и актуальна борьба с многолучевостью) трудно добиться подобного увеличения отношения С/Ш!

Поэтому основным способом борьбы с многолучевостью в ЦТВ оказывается увеличение мощности передатчика - что несложно, поскольку пороговое отношение C/Ш для ЦТВ примерно в десять раз меньше по сравнению с АТВ. А в таких условиях DVB-T имеет значительное преимущество и позволяет использовать "привычные" антенны, что и подтвердили испытания, проведенные летом 1999 года в Балтиморе одной из ведущих американских телевещательных компаний Sinclair. Одним из результатов испытаний стало направление в Американскую комиссию по связи петиции (к ней присоединилась половина телевещательных компаний США), в которой содержалось настоятельное пожелание рассмотреть возможность применения COFDM в США.

width=300

Дополнительным стимулом к переходу на COFDM оказывается возможность использования для мобильного ЦТВ низкоскоростных режимов стандарта DVB-T (хотя он изначально и не был на это ориентирован), которых у ATSC просто нет! Именно гибкость DVB в выборе методов модуляции и кодирования позволила найти параметры надежного мобильного приема даже на ненаправленную штыревую антенну в легковой машине, автобусе и трамвае. Внедрение мобильного ТВ сегодня планирует и Германия - признанная автомобильная держава. Следует, однако, сказать, что относительно низкая скорость передачи информации при мобильном сервисе позволяет использовать лишь однопрограммный режим SDTV (заметим кстати, что прием на стационарную комнатную антенну - частный случай мобильного приема при нулевой скорости приемника).

Резюме

Итак, сегодня в США для домашнего приема наземного ЦТВ дополнительно к HDTV-телевизору или STB приходится устанавливать узконаправленную наружную антенну стоимостью

300-400 долларов. Лишь при этом условии ATSC имеет энергетический выигрыш примерно вдвое в сравнении с HDTV-версией DVB-T. Кроме того, американский стандарт обладает меньшими потенциальными возможностями применения, а мобильный сервис реализовать вообще нельзя. К достоинствам стандарта следует отнести поддержку большого числа форматов изображения.

Европейский стандарт в целом менее "капризный" и позволяет использовать обычные антенны. У DVB-T также выше гибкость, что дает вещательным компаниям большую степень свободы в выборе числа программ, скорости передачи информации, организации региональных и местных ТВ-сетей. Низкоскоростные режимы могут быть использованы для увеличения дальности приема без увеличения мощности передатчика, для приема на комнатные антенны и на переносные ТВ-приемники, а также для мобильного сервиса.

А пока в мире продано около полумиллиона приемников стандарта DVB-T, что в сто раз больше, чем для ATSC, хотя последним и охвачено почти 50% территории США.

Источники

[1] В. Варгаузин. Принципы цифрового телевидения стандарта ATSC//Телеспутник, 1999, .9, c. 53-58.

[2] К. Гласман. Цифровое наземное телевизионное вещание: ATSC-DVB-ISDB// 625, .4, 1999, c.66-70.

[3] The EuroMHEG Specification V1.0, www.dtg.org.uk.

[4] Mobile Television and Innovative Receivers, b5www.berkom.de.

[5] www.dvb.org, www.atsc.org, www.dibeg.org, www.digitaltelevision.com.

1 (обратно к тексту) - uroMHEG - совместная разработка английской группы DTG и группы по внедрению DVB-T в Европе DigiTAG. EuroMHEG - это стандарт, определяющий порядок представления объектов мультимедийной информации и взаимодействия с ними пользователя.

2 (обратно к тексту) - Поскольку оба стандарта используют одинаковый метод сжатия MPEG-2.

3 (обратно к тексту) - Метод COFDM (Coded Ortogonal Frequency Dividion Multiplex) был запатентован в 1970 году в США и уже около десяти лет применяется для цифрового аудиовещания в стандарте DAB.

4 (обратно к тексту) - Заметим, что во всех стандартах АТВ (NTSC, PAL, SECAM) используется именно VSB-модуляция, поэтому 8-VSB можно считать ее цифровым прототипом.

Виктор Варгаузин - кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехники и телекоммуникаций СПбГТУ, гл. редактор журнала TeleMultimedia.