Материал: Основы теории радиосистем передачи информации. учебное пособие. Журавлёв Д.В

4. Широковещательные сети — цифровое телевидение

Телевидение - это одна из важнейших областей применения технологий беспроводной высокоскоростной передачи данных. Первой ТВ-трансляцией по СПИ считают передачу телевизионного изображения президента США Герберта Гу­вера по телефонным линиям из Вашингтона в Манхеттен в 1927 году, организо­ванную компанией Bell System.

Телевидение - это еще и одна из наиболее «древних» областей электронной техники, по возрасту не уступающая радио. Работы в этом направлении нача­лись еще до появления беспроводной связи. Основой для многих систем раннего, так называемого оптико-механического телевидения был созданный в 1884 году и запатентованный в 1895-м немецким ученым Паулем Нипковым вращающийся перфорированный «развертывающий диск» из селеновых ячеек, раскладываю­щий изображение на элементы. В 20-е и в начале 30-х годов во всех странах работы в области телевидения, вплоть до попыток создания сетей вещания и цветного телевидения, были снизаны именно С этим устройством.

Примечательно, что история создания и развития телевидении во всем мире неразрывно связана с отечественными специалистами. Так, сам термин «телеви­дение» ввел в оборот петербургский инженер Константин Дмитриевич Перский в 1900 году на научной конференции и Париже. Определяющими для электронного телевидения стали работы профессора Петербургского технологического инсти­тута Бориса Львовича Розинга с зеркальными способами оптико-механической развертки (1907 - 1911 годы). Он использовал катодно-лучевую трубку англича­нина Уильяма Крукса, причем механизм развертки принципиально не отличался от современного. Однако несовершенство первых электронных ламп и отсутствие усилителей не позволяли в то время получить приемлемое изображение. Но са­мое главное — Б.Л. Розинг основал научную школу, из которой вышло немало будущих создателей телевидения. Судьба Б.Л. Розинга типична для многих вы­дающихся россиян, оставшихся в России в 20-е годы, арест в 1931 году и смерть в ссылке в Архангельске.

Время с 1920 до 1930 год период бума в области систем механического телевидения малой строчности (порядка 30 строк). В США, в Европе, в СССР создаются так называемые малострочные ТВ-системы. Появляются первые при­емники и видеокамеры. В 1931 году в США насчитывалось уже 21 эксперимен­тальная ТВ-станция, порядка 8 тыс. малострочных приемников. В Великобритании к 1931 году было продано около тысячи ТВ-приемников Джона Лоджи Берда с разверткой в 30 строк. Постепенно число строк механических ТВ-систем перевалило сотню, но в середине 30-х все подобные системы начало вытеснять электронное телевидение.

Примечательно, что одну из наиболее совершенных систем с механической разверткой разработал гениальный российский инженер и профессиональный музыкант Лев Сергеевич Термен. Массовой публике он известен как создатель первого электромузыкального инструмента «терменовокс». Однако еще в 1926 го­ду он построил установку телевизионного наблюдения с разрешением 64 строки, экраном 1,5x1,5м и системой передачи изображения на 50 м («Радиолюбитель)», 1927, № 1). Л.С. Термен продолжил работы над совершенствованием ТВ-системы наблюдения для пограничных войск с очень жесткими тактико-техническим тре­бованиями. Так, число строк развертки превышало сотню, аппаратура должна была работать в полевых условиях и т. п. С помощью этого устройства К.Е. Воро­шилов в 1927 году наблюдал из своего кабинета за посетителями во дворе здания Наркомата обороны. К сожалению, продолжить деятельность в ТВ Л.С. Термен не смог — он стал активно сотрудничать с советской разведкой, в конце 20-х начи­нается его музыкальное турне с терменовоксом в Европе, закончившееся в США. Там он, по-видимому, продолжая разведывательную деятельность, организовал фирму Teletouch по производству терменовокса и различных его модификаций, создал первое цветомузыкальное устройство, самое главное охранную систему (использовавшуюся даже в Форт-Ноксе). Стал миллионером. В 1938 году был отозван (или был вынужден уехать) в СССР. Там его ждал лагерь, знакомство с С.П. Королевым на колымских золотоносных приисках, знаменитая «туполевская шарага» в Омске, работа над системой радиоуправления беспилотных са­молетов и подслушивающими устройствами. Умер Лев Сергеевич в 1993 году в возрасте 95 лет в нищете и безвестности (в США о нем помнят до сих пор, снят документальный фильм «Электронная одиссея Льва Термена»).

Иначе сложилась судьба двух других россиян, которых в США называют «от­цами телевидения». Речь идет о В. Зворыкине и Д. Сарнове. Давид Абрамович Сарнов, иммигрант из-под Минска, стал одним из ведущих инженеров у Г. Mapкони. В 1912 году прославился тем, что принял сигнал SOS с «Титаника» и в те­чение трех суток поддерживал радиосвязь с судами, спасшими часть пассажиров. В 1930 году стал президентом основанной Маркони компании Radio Corporation of America (RCA) и ее дочерней радиосети National Broadcasting Company (NBC). Его роль в развитии телевидения в США столь велика, что в 1944 году на пер­вом собрании только что созданного Общества телевизионных вещателей США именно Сарнову, тогда бригадному генералу, был преподнесен титул «отца теле­видения». Примечательно, что Д. Сарнов был личным советником практически всех президентов США, начиная с Вудро Вильсона.

В 1929 году Д. Сарнов пригласил на работу в RCA Владимира Кузьмича Зворыкина - известного к тому времени в США специалиста в области созда­ния электронных трубок, сотрудника компании «Вестингауз». За свою жизнь (1889 1982) В,К. Зворыкин стал обладателем 120 патентов (последние в об­ласти управляемых ракет, компьютеров для предсказания погоды, электронных микроскопов и т.д.). В 1912 году Зворыкин закончил Петербургский технологический институт, где познакомился с Б.Л. Розингом и принимал участие в его работах над системами электронного телевидения. В 1919 году эмигрировал в США, уже год сотрудничая с фирмой «Вестингауз». В США Зворыкин возобновил работы над телетехникой. Им разработан кинескоп. В 1931 году в RCA он создает иконоскоп, преобразующий оптическое изображение объекта в элек­трический сигнал, и начинает работы над созданием телевизионной системы в целом. Примечательно, что одновременно с ним в СССР аналогичное изобрете­ние сделано группой сотрудников Всесоюзного электротехнического института под руководством Семена Исидоровича Катаева (приоритет заявки Катаева — на два месяца раньше, чем в патенте Зворыкина).

Регулярное электронное ТВ-вещание впервые началось в Европе. В Англии это произошло 2 ноября 1936 года компанией ВВС. Использовались одновремен­но две системы: механического ТВ Берда (240 строк) и электронные ТВ-системы компании «ЭМИ-Маркони» (405 строк). Последняя использовала практически скопированный иконоскоп Зворыкина, назвав его «эмитрон». Это связано с тем, что руководитель телевизионной группы компании «ЭМИ-Маркони» Айзек Шен­берг учился в Петербургском технологическом институте у Розинга, поддержи­вал тесный контакт с Зворыкиным. Между RCA и «ЭМИ-Маркони» было за­ключено соглашение об обмене научной информацией.

В Германии в 1931 году Манфред фон Ардение продемонстрировал работу электронной системы телевидения со стандартом 100 строк. Тогда же появи­лись и первые телевизоры с электронным кинескопом. С 15 января 1936 года берлинский телецентр начал ежедневные трансляции с разрешением 180 строк. Олимпиада в Берлине в августе 1936 года транслировалась по 7 - 8 часов в сут­ки. Помимо индивидуальных телевизоров, передачи можно было смотреть в 25 просмотровых залах Берлина, а также в Гамбурге, куда был проложен кабель. За Берлинской Олимпиадой по телевизору следило в общей сложности 150 тыс. человек.

В Соединенных Штатах вещание электронного ТВ началось 30 апрели 1939 года компанией NBC с выступлений президента США Ф.Д.Рузвельта. В день начала передач в Нью-Йорке было всего 200 телевизоров. К концу 1941 года в США насчитывалось уже порядка 7,5 тыс. цифровых телевизоров.

В СССР регулярное ТВ-вещание началось 10 марта 1939 года на базе амери­канского оборудования с разрешением 343 строки. С 16 нюня 1949 года началось вещание в современном стандарте 625 строк.

Сегодня мы переживаем очередную технологическую революцию в телевиде­нии начало массового распространения цифрового телевизионного вещания. Цпфровое телевидение (ЦТВ) - это принципиально новые возможности, интерактивность, среда доставки мультимедийного трафика. Поэтому изменение фор­мата ТВ-вещания не просто сложная техническая задача. Это — серьезнейший фактор, действующий в экономическом и социальном плане в общемировом мас­штабе".

1. Системы цифрового телевидения

Что даст цифровое телевидение? До массового зрителя практически без иска­жений доходит сигнал студийного качества, исчезают помехи, характерные для аналогового вещания. Появляется возможность передавать видеоизображение те­левидения высокой четкости (ТВЧ, HDTV) с числом строк развертки 720, 1080 (соотношение строк и столбцов 9:16) и выше против стандартных сегодня 480-625 строк (формат 3:4). Однако увидеть эту высокую четкость можно лишь на экране ТВ-приемника с соответствующими характеристиками кинескопа. Поэтому не менее важно, что ЦТВ позволяет гораздо эффективнее использовать спектраль­ный диапазон — в полосе одного аналогового ТВ-канала можно формировать несколько цифровых, па порядок возрастает число одновременно доступных ТВ-пр01рамм. Наконец, развитие средств доставки цифрового телевизионного сигна­ла — важный шаг к столь интенсивно прорабатываемому сегодня «телевидению по запросу», когда зритель выбирает уже не канал, а непосредственно тот фильм или передачу, которые хочет смотреть.

Выделяют четыре основных механизма передачи ТВ-трафика конечным потребителям — кабельный, спутниковый, наземный (эфирное вещание) и так назы­ваемый сотовый. Последний метод реализуют высокочастотные системы с труднопроизносимыми аббревиатурами: MMDS (Multichannel Microwave Distribution System), LMDS (Local Microwave Distribution System), MWS (Multimedia Wireless System), работающие (в России) в диапазонах 2,5-2,7; 27,5-29,5 и 40,5 43,5 ГГц соответственно. Нас системы ЦТВ будут интересовать как пример широкополос­ных БСПИ, характерная особенность которых — выраженная асимметрия тра­фика. Более того, с появлением стандартов группы IEEE 802.16 становится воз­можным изготавливать и совместимые системы сотового телевидения. Россий­ский зритель знаком (или вскоре познакомится) со спутниковым и кабельным ЦТВ. Однако стратегический вопрос развития телевидения в государстве — сеть наземного вещания. Остановимся на ней подробнее.

В области массового вещания столкнулись два стандарта передачи сигна­ла: ATSC (Advanced Television Systems Committee, США) и DVB (Digital Video Broadcasting, Европа). Отдельно стоит Япония со стандартом ISDB (Integrated Services Digital Broadcasting). Противостояние американского и европейского стан­дартов, по крайней мере для России, уже вопрос прошлого, поскольку выбор в пользу DVB сделан, по всей видимости, окончательно. Эти стандарты анало­гичны в том смысле, что оба ориентированы на передачу видео- и аудиоданных, кодированных и компрессированных посредством MPEG-2. Звук может коди­роваться с помощью других алгоритмов, например Dolby АС-3. Поэтому качество картинки мало зависит от выбора одного или другого метода модуляции, если она успешно принята приемником.

В США при выборе стандарта цифрового телевизионного вещания основное внимание уделяли повышению качества изображения. При этом увеличение чис­ла каналов со стандартным качеством изображения не рассматривалось. Оче­видно, что изображение с высоким разрешением проявит себя на телевизорах с большим экраном — не меньше 32 дюймов, еще лучше — 55-60 дюймов. ТВ-приемники данного класса стоят соответственно 2 3 и 5 10 тыс. долл., т.е. го­раздо дороже привычных телевизоров.

В Европе при разработке цифровой телевизионной системы DVB учли печаль­ный опыт десятилетней давности, связанный с развертыванием коммерческого телевизионного вещания высокой четкости, в основном аналоговой ТВЧ-системы MAC (Multiplexed analog components). Поэтому основное внимание уделили уве­личению числа каналов со стандартом разрешающей способностью. Это поз­волило начать переход к ЦТВ с выпуска относительно дешевых (400 - 600 долл.) приставок для уже имеющихся телевизионных приемников. Кроме того, европей­ский стандарт рассматривается как основа для единой телекоммуникационной системы, ориентированной на передачу данных самой различной природы, отсю­да требования к низкой вероятности ошибок. В то же время в ATSC отсутствует опция передачи дополнительных данных.

ATSC ориентирован на трансляцию в полосе шириной 6 МГц (стандартная ширина канала американской системы аналогового ТВ NTSC) одного« потока со скоростью 19,28 Мбит/с при наемном вещании и двух таких потоков в се­тях кабельного телевидения. DVB горазда гибче: в стандартной полосе 8 МГц он обеспечивает выбор скорости в диапазоне от 4,98 до 31,67 Мбит/с (возможна работа в регионах с каналами шириной 6 и 7 МГц). Соответственно изменяется и число ТВ-программ в этой полосе - от 16 до 2, причем возможна одновремен­ная трансляция программы с низким разрешением, по высокой надежностью и с высоким разрешением при пониженной надежности приема. Уникальная особен­ность DVB это мобильность приемника, он может перемещаться со скоростью до 300 км/ч - это поезда, междугородный пассажирский автотранспорт, мобиль­ные службы (скорая помощь, полиция) и т. п.

Однако самое существенное — это надежность доставки сигналя, в чем ATSC уступает DVB. Причиной этого является принятая в ATSC многопозиционная амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой 8-VSB (vestigalsideband modulation system for broadcast). В целом 8-VSB можно назвать вер­шиной технической реализации систем амплитудной модуляции с подавлением боковой полосы. Но по сравнению с DVB в реальных условиях этот механизм проигрывает по надежности, гибкости, требованиям к приемным антеннам. Рас­смотрим конкурирующие стандарты подробнее.

2. Стандарт atsc

ATSC разрабатывался с учетом того, что какое-то время в одном диапазоне будут транслироваться сигналы как в стандарте ATSC, так и в действующем в США аналоговом стандарте NTSC. Постепенно NTSC должен быть вытеснен, и весь занятый аналоговым вещанием диапазон станет цифровым. В отличие от ATSC спектр NTSC достаточно неравномерен. Поэтому для борьбы с интерференци­онными помехами в ATSC предусмотрен режекторный гребенчатый фильтр с подавлением основных составляющих сигнала NTSC (яркость, цвет и звук). Од­нако данный фильтр вдвое ухудшает для приемника соотношение сигнал/шум, поэтому он включается, только если приемник обнаруживает в эфире NTSC-сигнал.

Очень кратко рассмотрим систему VSB, принятую в ATSC. VSB - это ампли­тудная модуляция с подавлением нижней боковой полосы и частичным подавле­нием несущей. Уровней модуляции может быть от 2 (2-VSB) до 16 (16-VSB), они располагаются симметрично относительно 0. Так, амплитуда сигнала в 8-VSB принимает значения, пропорциональные целым числам от —7 до 7 с шагом 2.

Для кабельного вещания приняла наиболее быстрая система 16-VSВ, для на темземного 8T-VSB с предварительным решетчатым (сверхточным) кодированием со скоростью 2/3 (Т - от trellis, решетка).

На вход VSB-системы поступают пакеты MPEG-2 объемом 188 байт (рис. 54). Из них удаляется байт снхронизации, к оставшимся 187 байтам добавляется 20 проверочных байтов кода Гида Соломона. Дополнительно включенный в 8Т-VSB решетчатый кодер превращает каждые 2 бита напучившегося 207-байтового снова в 3 бита, т.е. и один символ. Очевидно, что скорость передачи данных пропорциональна двоичному логарифму от числа уровней амплитудной модуляции (число бит на символ), однако чем больше уровней, тем ниже помехозащищен­ность. Частота следования символов в VSB 10,76 МГц. В результате скорость в системе 16-VSВ, где каждым -1 битам соответствует один символ, в два раза выше (38.6 Мбит с), чем к 8T-VSB (10,3 Мбит/с), поскольку для передачи одного паке­та требуется вдвое меньше символов. Однако и пороговый уровень соотношения сигнал шум у данных систем соответственно 28,3 и 14,9 дБ.

Рис. 54. Формирование сигнала в системе 8T-VSB

В итоге в 8T-VSB каждый байт превращается в 4 символа, 207 байт коди­рованного пакета в 828 символов. Вместо синхробайта MPEG-2 используется Синхросигнал (бросок амплитуды с уровня 5 до уровня -5) длительностью 0,37 мкс, что соответствует 4 символам. Получившиеся 828 + 4 = 832 символа обра­зуют сегмент. Каждые 312 сегментов данных и дополнительный синхросегмент объединяются в поле данных, два поля данных- в кадр (626 сегментов). Синхросегмент содержит ряд опорных последовательностей для настройки корректоров приемника, информацию о числе уровней модуляции и (только в 8T-VSB) 12 последних символов предшествующего сегмента.

Перед поступлением на вход кодера Рида Соломона данные входною нот­ка рандомизируют превращают в псевдослучайные числа. Дня этого каждый байт входного потока побитно складывается по модулю 2 с циклической псевдо­случайной последовательностью. Генератором этой последовательности служит сдвиговый регистр из 10 триггеров, охваченный набором обратных связей. Во время синхроимпульса первого сегмента данных каждого поля в регистр загружается число Fl8016. Восемь выходов регистра формируют поток байтов псев­дослучайной последовательности. В результате сигнал становится практически независимым от изображения и шумоподобным, его спектральная плотность рав­номерно распределяется но полосе. Кроме повышения спектральной эффектив­ности, улучшается и синхронизация передачи: поскольку уровни модуляции сим­метричны относительно 0, а амплитуды информационных символов достаточно случайны, средний уровень сигнала также близок к 0. На этом фоне легко детек­тировать периодически повторяющийся синхроимпульс и синхросегмент, даже при отношении сигнал/шум 0 дБ.