#9/2004 • Ж.з.И.

Константин БЫСТРУШКИН, Лариса СТЕПАНЕНКО

ОСОБЕННОСТИ НАЦИОНАЛЬНОГО DVB

МЫ УЖЕ ГОВОРИЛИ, ЧТО ПЕРЕВОД РОССИЙСКОГО ТВ НА ЦИФРУ ЯВЛЯЕТСЯ ОДНИМ ИЗ ВАЖНЕЙШИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОРЫВОВ НАШИХ ДНЕЙ. ПОСЛЕ ПОДПИСАНИЯ МИХАИЛОМ ФРАДКОВЫМ РАСПОРЯЖЕНИЯ №706-Р О ВНЕДРЕНИИ В РФ ЕВРОПЕЙСКОЙ СИСТЕМЫ DVB ЭТА ТЕМА СТАНОВИТСЯ ЕЩЕ БОЛЕЕ АКТУАЛЬНОЙ. В РЕДАКЦИЮ ПИШУТ И ЗВОНЯТ ЧИТАТЕЛИ: ЧТО ЭТО ЗА СТАНДАРТ ТАКОЙ, И ПРИДЕТСЯ ЛИ МЕНЯТЬ ТЕЛЕВИЗОР? ОБ ЭТОМ МЫ СЕГОДНЯ И РАССКАЖЕМ, НО ВНАЧАЛЕ НЕСКОЛЬКО СЛОВ О ТЕХНОЛОГИЯХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В DVB, И НЕКОТОРЫХ ДРАМАТИЧЕСКИХ СОБЫТИЯХ, ПРЕДШЕСТВОВАВШИХ ЕГО СОЗДАНИЮ.

В ОСНОВЕ ЦИФРОВОГО ТВ ЛЕЖАТ две ключевые технологии: алгоритмы компрессии звука/изображения и методы модуляции несущей радиосигнала. Сжатие в MPEG2 необходимо для уменьшения битрейта видеоданных с 250 Мбит/с до приемлемых 3 — 6 Мбит/c, а хитрая амплитудно-фазовая модуляция несущей с эффективностью до 8 бит на 1 Гц полосы радиосигнала обеспечивает передачу в стандартном ТВ-канале до 8 различных телепрограмм одновременно. О компрессии мы рассказали в прошлом номере журнала, так что сегодня вкратце познакомимся с методами модуляции несущей, благодаря которым цифровое телевидение и смогло выйти в эфир.

Проблема впервые возникла в начале 70-х, когда цифровым ТВ стали заниматься инженеры нескольких стран. Причем, как ни странно, сама по себе оцифровка картинки и звукового сопровождения не казалась принципиально невозможной. Дело было лишь за созданием быстродействующих АЦП и ЦАПов. И хотя серийно подобные устройства в те годы еще не выпускались (до наступления эры цифрового аудио оставалось еще лет 10), как их изготовить было, в общем-то, понятно. Но вот что потом делать с этим широкополосным сигналом, никто не знал. Ведь сигнал с битрейтом в 250 Мбит/с (со звуком и служебной информацией — и того больше) передать по кабелю, а уж тем более в эфир, просто нереально. А вопросы экономии частот канала связи и в прошлом веке стояли уже достаточно остро. Поэтому всем вдруг стало понятно, что без радикального решения проблемы уменьшения полосы частот цифрового радиосигнала ни о каком цифровом телевидении даже и речи быть не может.

Русский след в истории DVB

Несмотря на отчаянные попытки ведущих зарубежных фирм в одиночку решить проблему сжатия спектра цифрового телевизионного радиосигнала, долгое время никому из них не удавалось (даже теоретически!) хотя бы наметить путь для решения этой задачи. Поэтому вопрос был вынесен на международный уровень — в МСЭ (Международный союз электросвязи, ITU). Однако и там ученые мужи не знали, с чего начать, а некоторые и вообще считали, что утрамбовать чудовищные объемы цифрового видео в узкие вещательные рамки невозможно. Тем почетнее, что выход из этого тупика сумел найти наш соотечественник, профессор Марк Иосифович Кривошеев, работавший в то время в московском НИИ Радио. К слову сказать, широкой публике его фамилия даже сейчас мало о чем говорит, тогда как среди телевизионщиков всего мира Марк Иосифович вот уже несколько десятилетий является непререкаемым авторитетом. Возглавляя более 30 лет 11-ю исследовательскую комиссию МСЭ-Р по телевидению, он фактически определял стратегию развития всемирного телевидения всю последнюю четверть прошлого века. Под непосредственным руководством Кривошеева были разработаны системы цифрового телевидения и ТВЧ, а также принципы построения интерактивного ТВ и различных информационных систем на его основе. Поэтому профессора Кривошеева неизменно избирают Почетным председателем любого крупного симпозиума по телевидению во всем мире. Научные заслуги Марка Иосифовича столь велики, что ему в прошлом году была присуждена премия ТЭФИ (единственному инженеру за всю ее историю!), а в день 80-летия патриарха отечественного телевидения ему объявил благодарность и наградил Почетной грамотой Президент России.

iDTV «Радуга» 54ТЦ81111-Г Завода им. Козицкого.

Кривошеев первым сумел сформулировать технические требования к будущим вещательным системам еще в начале 80-х годов: «Цифровое телевидение (в том числе ТВЧ) должно подчиняться правилу «6 + 7 + 8». Это означало, что сигналы должны передаваться в стандартных полосах телеканалов 6 (Америка и Япония), 7 (Западная Европа) и 8 МГц (СССР, Франция и страны Варшавского договора). С технической точки зрения это вполне понятно, поскольку только так можно осуществить поэтапный переход от аналогового телевещания к цифровому. При этом, помимо технологической целесообразности (использование существующего частотного плана), эта формула несла в себе еще и почти мистический смысл, так как сумма цифр в ней равна 21. Что тут же было истолковано как намек на XXI век, который, по мнению специалистов, должен был непременно стать веком цифрового телевидения.

Однако при всей красоте и многозначительности, формула «6 + 7 + 8» не давала ответа на главный вопрос: каким именно способом втиснуть цифровой телесигнал в игольное ушко узкополосных аналоговых каналов? Теперь трудно сказать, по какому пути пошло бы дальнейшее развитие телевидения, если бы Марк Кривошеев, обладающий блестящей интуицией и особым даром технического предвидения, не сумел в тот критический момент убедить в своей правоте коллег по комиссии. А надо сказать, что большинство из них поначалу приняли в штыки это предложение, казавшееся им совершенно фантастическим. И их можно было понять, ведь выбор правильной стратегии перехода к цифре тогда был исключительно важен: на кону стояла не только научная репутация Кривошеева, но и, без преувеличения, дальнейшая судьба всей гигантской телевизионной отрасли. Если бы она пошла по неверному пути, как это случилось, например, с ТВЧ первого поколения и европейской системой PALplus, все могло бы обернуться миллиардными убытками. Ситуация усложнялась еще и тем, что, как признался нам много лет спустя сам Кривошеев, и он тогда не до конца представлял, как именно на практике будут реализованы его предложения. Но зато твердо верил в свою правоту и был убежден, что в обозримом будущем разработают и могучие алгоритмы компрессии цифрового видео (то, что впоследствии стало стандартами MPEG), и эффективные методы канальной модуляции. Но тогда, в далекие 80-е годы, никто не мог предвидеть, сколько времени на это потребуется.

Чипсет Micronas MDE 95xx для цифровых телеприставок.

Как оказалось, Кривошеев был абсолютно прав. Не прошло и четверти века, как жизнь подтвердила его самые смелые предвидения — цифровое телевидение стало реальностью. И что самое удивительное, в одном стандартном канале удалось передать даже не один, а целых шесть цифровых программ (для канала 8 МГц, соответственно, 8)! Что лишний раз доказало: правильно сформулированная задача — половина успеха.

Но для этого инженерам пришлось изрядно потрудиться. В то время как группа экспертов-кинематографистов Moving Picture Expert Group удаляла из видеосигнала избыточную информацию, специалисты по ТВ ломали голову над тем, как полученный на выходе кодера MPEG2 цифровой сигнал запихнуть в стандартные радиоканалы.

Фаза превращается...

Проще всего оказалось решить эту задачу для спутниковых ТВ-каналов, т.к. там задействована самая широкая полоса радиосигнала — 27 МГц. Однако использование традиционной амплитудной или частотной модуляции для передачи цифрового телесигнала даже в спутниковом тракте оказалось невозможным, т.к. не обеспечивалось необходимое отношение сигнал/шум. К тому же имело смысл передавать в одном канале сразу несколько телепрограмм. Для решения обеих этих задач была предложена квадратурно-фазовая модуляция QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying). Она, кстати, используется и в хорошо знакомой нам системе цифрового звука NICAM-728.

Принцип действия QPSK заключается в том, что у несущей радиоканала модулируется не амплитуда или частота, а фаза. Причем фазовый сдвиг радиосигнала на выходе модулятора принимает одно из дискретных значений (для режима 4 FM это 45, 135, 225 и 315 град.), однозначно связанное с входным цифровым сигналом. На основе этого метода в начале 90-х прошлого века была разработана система цифрового спутникового телевидения DVB-S.

Профессор М.И. Кривошеев.

В сильно упрощенном виде принцип спутникового цифрового телевещания выглядит следующим образом. На передающем центре несколько цифровых программ, компрессированных по алгоритму MPEG2, при помощи мультиплексора объединяют в один общий цифровой поток, называемый транспортным потоком. Далее, как и в CD-Audio, его разбивают на отдельные блоки фиксированной длины, в которые для коррекции одиночных ошибок по методу Рида — Соломона добавляют проверочные биты. В системе DVB длина пакета 204 байта, из которых 16 проверочные, а 188 — сигнальные. Это позволяет исправить до восьми одиночных ошибок в пакете, а для защиты от групповых, так же как и в CD, осуществляется перетасовка пакетов. Наконец, в системе DVB-S существует еще одна ступень помехоустойчивого кодирования (т.н. внутреннее кодирование), которое осуществляется в транспортном потоке. Для этого используются сверточные коды, требующие дополнительных проверочных битов, которые заметно уменьшают скорость передачи. Однако столь мощная защита от сбоев в системе DVB просто необходима, поскольку данные компрессируются в MPEG2, где даже незначительные потери данных проявляются в виде очень заметных искажений. Вы наверняка видели, как при плохом приеме картинка на экране телевизора рассыпается на цветные квадратики, а в канале звука появляются громкие щелчки. Поэтому в цифровом ТВ допускается на выходе приемника не более 1 неисправленной ошибки за час передачи (!).

Итак, с выхода кодера DVB-S нафаршированный проверочными битами транспортный поток с перетасованными пакетами поступает на QPSK-модулятор. Здесь происходит переключение фазы несущей в полосе частот 11 — 12 ГГц. Ну а затем этот радиосигнал по радиоканалу передается на геостационарный спутник, который и распределяет его на обслуживаемую им территорию. В России система DVB-S успешно используется с 1999 года в коммерческой системе «НТВ+».

Трудности роста

Следующим шагом внедрения цифрового ТВ было освоение кабельного диапазона. В отличие от спутниковых каналов, в кабеле используется более узкая полоса частот в 8 МГц на канал, но зато такие сети имеют высокое отношение сигнал/помеха. Поэтому для системы DVB-C оптимальным оказался другой вид модуляции, QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Упрощенно говоря, это гибрид амплитудной и фазовой модуляции, где у несущей радиоканала одновременно квантуются и фаза, и амплитуда. Количество дискретных значений может быть от 16 до 256, но на практике, как это обычно бывает, предпочитают золотую середину — 64 QAM. Все остальные элементы системы DVB-C, включая формирование транспортного потока и помехозащиту с кодами, практически такие же, как в спутниковом формате DVB-S.

Модуль DTV размещается на задней стенке телевизора.

Столь хитрая модуляция позволяет передать в стандартной 8-мегагерцовой полосе частот до 8 цифровых программ. При этом помехозащищенность сигналов DVB-C оказалась настолько высока, что их можно передавать с очень малыми уровнями даже на соседних с аналоговыми программами каналах. То есть использовать для распространения цифрового телевидения существующие кабельные сети, не создавая помех обычным аналоговым телевизорам. Что и было реализовано в московском проекте цифрового CTV «DiVA TV».

Но самым крепким орешком для телевизионщиков оказалась разработка эфирного цифрового ТВ. Трудность заключалась в многочисленных отражениях сигнала, которые в аналоговом телевидении проявляются в виде двойных контуров изображения. В цифре последствия могут быть куда хуже, вплоть до полного срыва синхронизации. Кроме того, разброс уровней эфирных сигналов от разных передатчиков на антенном входе может быть очень большим, поэтому к линейности первых каскадов тюнера предъявляются повышенные требования. Наконец, в эфире помимо полезного сигнала есть и различные помехи, которые также могут привести к сбоям. Поэтому в DVB-T пришлось применить самый изощренный вид модуляции — COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex). Не вдаваясь в детали, отметим лишь основные отличия DVB-T от рассмотренных выше вариантов S и C.

Блок-схема приставки на чипсете Micronas.

Принцип COFDM примечателен тем, что для передачи цифрового сигнала в полосе стандартного ТВ-канала в ней используется одновременно две (режим модуляции «2К») или 8 тысяч несущих («8К»). Причем каждая из них имеет собственную модуляцию по фазе и амплитуде! (На самом деле активных несущих немного меньше — 1705 и 6817 соответственно, поскольку нужно передавать и служебные пилот-сигналы). Упрощенно COFDM можно рассматривать как QAM или QPSK не одной, а нескольких тысяч частот одновременно.

Каким же образом сделать, ведь несущие расположены очень близко, с интервалом в несколько килогерц? Конечно же, в COFDM нет тысяч отдельных QAM-модуляторов. На практике модуляция осуществляется цифровым процессором, который путем обратного преобразования Фурье формирует на выходе спектр, эквивалентный сумме 2 и 8 тысяч несущих. Затем этот спектр переносится в полосу частот нужного ТВ-канала — и сигнал DVB-T готов к передаче в эфир. Для борьбы с отражениями применяют защитные интервалы, т.е. сигнал излучается не непрерывно, а отдельными порциями, в промежутках между которыми приемный тракт запирается. Поэтому поступающие во время пауз отраженные сигналы туда просто не попадают. Это позволило, например, организовать прием DVB-T в автомобиле, что и было реализовано в Москве компанией «ЦТВ».

А этот вариант на СБИС предложил Philips.

Даже при столь упрощенном описании DVB-T понятно, что это очень сложная система. Вот что значит современные электронные технологии! Кстати, модуляция CODFM используется не только в цифровом ТВ, но и в беспроводных интерфейсах Bluetooth и Wi-Fi. Добавим также, что и стандарт GSM базируется на аналогичных принципах модуляции.

Принимаем DVB

Ну а теперь, когда мы ознакомились с принципами цифрового ТВ, можно рассмотреть приемные устройства. Начнем с цифровых приставок STB/DVB к аналоговым телевизорам. Исходя из принципа формирования сигнала DVB, приемник должен:

— принимать эфирный сигнал в заданной полосе частот;

— демодулировать сигнал (в зависимости от системы телевидения это может быть DVB-T, DVB-C или DVB-S) с получением транспортного потока;

— корректировать ошибки канала передачи;

— выделять из общего транспортного потока нужную ТВ-программу;

— разделять цифровые потоки звука и изображения;

— восстанавливать исходное (несжатое) цифровое аудио и видео из MPEG2 и преобразовывать их в аналог;

— выводить полученные сигналы на выходные разъемы. При необходимости из RGB при помощи встроенного кодера PAL/NTSC получают компонентные сигналы этих систем;

— обеспечивать управление приставкой через экранные меню при помощи пульта ДУ или с фронтальной панели аппарата.

Экранное меню iDTV показывает качество приема.

Современные STB строят на основе СБИС, поэтому они имеют очень малое количество элементов. Для примера рассмотрим типовую цифровую приставку DVB-T, построенную на элементной базе Philips Semiconductors (такие приставки серийно выпускаются турецкой фирмой Vestel). Ее основу составляют два чипа, то есть демодулятор COFDM (TDA 10046) и декодер MPEG2 со встроенным мультиплексором и видео-ЦАПом (PNX8310 или TDA15500). Кроме того, СБИС декодера выполняет также функции микроконтроллера управления и содержит встроенный кодер композитного сигнала PAL/NTSC. Помимо этих базовых элементов на плате STB еще установлен всеволновой селектор каналов DVB-T и звуковой сдвоенный ЦАП TDA 1334. Напряжения питания +12 В подается на плату от внешнего выпрямителя, конструктивно выполненного в виде сетевой вилки. И это, не считая двух корпусов памяти, почти все. Общее количество элементов приставки, собранной на основе этого комплекта, около 100 — 120. Но самое удивительное — это цена комплекта. По нашим данным, полная стоимость компонентов Philips составляет всего $32! Это означает, что розничная цена приставки при крупносерийном выпуске будет не более $45 — 55. Столь выдающийся результат достигнут за счет крайне высокой степени интеграции двух основных чипов. Для примера: общее количество транзисторов MPEG2-декодера около 2 млн., а COFDM демодулятора — около 10 млн. Поэтому подобные СБИС изготавливаются с топологическими нормами 0,18 — 0,25 мкм. Что касается аналого-цифровых iDTV (integrated Digital TV) телевизоров, то их цифровая часть по архитектуре и элементной базе практически аналогична рассмотренной выше приставке. Как правило, iDTV-телевизор — обычная серийная модель, со встроенным цифровым ресивером (т.е. бескорпусным STB). Именно так сделан первый российский гибридный телевизор «Радуга 54ТЦ8111Г», разработанный ЗАО «МНИТИ» и ЗАО «Завод им. Козицкого» (г. Санкт-Петербург) в 2003 году с использованием цифрового модуля ООО «Ратеос» (г. Зеленоград). Такую же схему имеет и большая часть зарубежных моделей аналого-цифровых аппаратов, продающихся в Европе.

Меню со списком программ DVB-T, принимаемых на 32 и 34 каналах в Москве.

Несмотря на простоту, построение iDTV-телевизора на основе серийных аналоговых моделей имеет и свои недостатки. В частности, необходимость двух независимых трактов — аналогового и цифрового — заметно усложняет его схемотехнику. Немецкая фирма Micronas в качестве альтернативы недавно предложила концепцию iDTV телевизора 2-го поколения на основе своего нового процессора MDE9500. Он имеет два независимых MPEG2-декодера, что при наличии селекторов каналов со встроенными QAM или COFDM-демодуляторами для эфирного и кабельного цифрового телевидения позволяет создать 2-стандартный DVB-T/DVB-C-приемник. Кроме того, в кристалл MDE9500 встроен еще и цифровой тракт аналогового телевизора! Достаточно добавить в схему такого аппарата аналоговый селектор каналов, и получится универсальный однокристальный телевизор, принимающий эфирные и кабельного программы, как аналоговые, так и цифровые. При этом стоимость его будет лишь ненамного выше, чем у серийных аналоговых.

Цифровые модули iDTV, разработанные ООО «РАТЕОС» (г. Зеленоград).

Так что объявленная Михаилом Фрадковым задача — перевод российского ТВ на цифру к 2015 году — уже не кажется такой уж фантастической. Недалек тот день, когда мы опубликуем результаты первого теста отечественных и зарубежных цифровых телевизоров. n