Цифровой телевизионный тюнер ATSC: принцип работы и функции

Введение

Тюнер для цифровых телевизионных каналов

Тюнер ATSC (Advanced Television Systems Committee), часто называемый приемником ATSC или тюнером HDTV, – это тип телевизионного тюнера, обеспечивающий прием цифровых телевизионных каналов (DTV), использующих стандарты ATSC, которые транслируются телевизионными станциями в Северной Америке, некоторых частях Центральной Америки и Южной Корее. Такие тюнеры обычно встроены в телевизор, видеомагнитофон, цифровой видеорегистратор (DVR) или приставку, предоставляющую разъемы аудио/видеовыхода различных типов. Другой тип телевизионного тюнера – это цифровой телевизионный адаптер (DTA) с функцией пропускания аналогового сигнала.

Технический обзор

Термины "тюнер" и "приемник" используются довольно свободно, и, возможно, более правильно называть устройство приемником ATSC, при этом тюнер является его частью (см. Метонимию). Приемник генерирует аудио- и видеосигналы (AV), необходимые для телевидения, и выполняет следующие функции: демодуляция; коррекция ошибок; демультиплексирование MPEG-транспортного потока; декомпрессия; синхронизация AV-сигналов; и преобразование медиаданных для соответствия оптимальному входному сигналу телевизора. Примеры преобразования медиаданных включают: преобразование разложения на строки (чересстрочной развертки) в прогрессивную развертку и наоборот; изменение разрешения изображения; преобразование соотношения сторон (16:9 в 4:3 и наоборот); преобразование частоты кадров; и масштабирование изображения. Увеличение масштаба – пример изменения разрешения. Обычно это используется для преобразования изображения с низким разрешением для отображения на дисплее с высоким разрешением. Это позволяет пользователю устранить черные полосы сверху/снизу или по бокам, растягивая или обрезая изображение. Некоторые приемники ATSC, особенно в HDTV-телевизорах, могут растягивать изображение автоматически, либо обнаруживая черные полосы, либо считывая описание активного формата (AFD).

Операция

Тюнер ATSC работает, принимая аудио- и видеосигналы, передаваемые по эфирному телевидению. Тюнеры ATSC выполняют следующие функции: селективный прием каналов; демодуляция; разделение транспортного потока; декомпрессия; коррекция ошибок; аналогово-цифровое преобразование; синхронизация аудио и видео; и переформатирование медиаданных для оптимального отображения на конкретном типе телевизионного экрана.

Выборочная настройка

Селективная настройка — это процесс, посредством которого приемник выбирает радиочастоту (РЧ) телевизионного канала из диапазона передаваемых РЧ-сигналов. Тюнер обычно выполняет функцию быстрого перебора частот при выборе сигнала, а также подавление нежелательных сигналов вне полосы.

Демодуляция

"Демодуляция" означает преобразование сигнала от тюнера в сигнал, пригодный для воспроизведения телевизором изображений и звука, без дальнейшего учета несущей частоты, на которой он был передан. Это выделение стандартного сигнала базовой полосы из радиочастотного (РЧ) несущего, использовавшегося для его передачи по воздуху (или по коаксиальному кабелю, либо другим каналам связи большой дальности). ATSC, используемая в США, применяет модуляцию 8VSB, которая требует меньшей мощности для передачи, в отличие от также рассматриваемой модуляции COFDM (применяемой в европейском DVB-T, менее подверженной многолучевым искажениям и, следовательно, лучше принимаемой в мобильных установках).

Транспортный поток

В США несколько цифровых сигналов объединяются и передаются с одной антенны для осуществления эфирного вещания. Приемник ATSC, используя обратный процесс (демультиплексирование), сначала принимает комбинированный транспортный поток MPEG, а затем декодирует его для отображения одного из входящих в него сигналов на экране телевизора.

Декомпрессия

Поскольку цифровые сигналы, передаваемые по эфиру, сжимаются (упаковываются), то после приема их тюнером ATSC эти сжатые пакеты цифровых данных распаковываются (восстанавливаются до исходного размера). Система ATSC использует сжатие с потерями, поэтому, хотя размер восстановленных данных соответствует исходному размеру сжатых данных, полученные данные не идентичны исходным данным, поступавшим в систему на передающей стороне, но они достаточно близки, чтобы большинство людей не заметили различий.

Исправление ошибок

Исправление ошибок – это технология, используемая тюнером ATSC для обеспечения возможности восстановления любых отсутствующих данных. Например, иногда помехи или сигнал низкого качества приводят к потере части данных, принимаемых тюнером ATSC. Благодаря исправлению ошибок тюнер может выполнять ряд проверок и восстанавливать данные, чтобы сигнал можно было отобразить на телевизоре. Исправление ошибок работает путем добавления дополнительной информации к сигналу перед передачей, которая используется при приеме для восполнения пробелов. Таким образом, исправление ошибок оказывает противоположное воздействие сжатию – оно увеличивает объем передаваемых данных, а не уменьшает его, как это делает сжатие, и повышает качество и устойчивость сигнала, а не снижает их. Сжатие удаляет избыточные (и некоторые не избыточные) данные, в то время как исправление ошибок добавляет избыточные данные. Причина использования исправления ошибок, а не просто меньшего сжатия и сохранения уже существующей избыточности, заключается в том, что системы исправления ошибок специально разработаны для получения максимальной пользы от небольшого объема избыточных данных, в то время как естественная избыточность данных не справляется с этой задачей столь эффективно, поэтому при использовании исправления ошибок общий объем необходимых данных все равно меньше. Стандарт ATSC (ATSC E) содержит подраздел, позволяющий вещателям добавлять дополнительные (и различные типы) коды исправления ошибок в свои вещательные потоки. Эта служба исправления ошибок не является обязательной ни в США, ни в Канаде. Неизвестно, сколько HDTV-приемников поддерживают этот стандарт исправления ошибок. При передаче HDTV с разрешением 720 или 1080 добавление дополнительных кодов исправления ошибок в размере 1–3% поможет снизить некоторые недостатки ATSC при работе со слабыми сигналами в сложных условиях многолучевого распространения. Прием сигнала значительно ухудшается из-за электромагнитных помех (EMI) в коротковолновом, ВЧ и УВЧ диапазонах от находящихся поблизости компьютеров [слабые помехи], портативных WiFi и широкополосного интернета [средние и сильные помехи], микроволновых печей [импульсные помехи при включении], сотовых телефонов и вышек сотовой связи, а также даже линий электропередач с электронными передачами.

Error correction is a technology that is used by the ATSC tuner to make sure that any data that is missing can be corrected. For instance, sometimes interference or a poor quality signal will cause the loss of some data that the ATSC tuner receives. With error correction, the tuner has the ability to perform a number of checks and repair data so that a signal can be viewed on a TV set. Error correction works by adding some extra information to the signal before transmission that can be used upon reception to fill in gaps. Therefore, error correction has the opposite effect of compression—it increases the amount of data to transmit, rather than reducing it like compression does, and it improves the quality and robustness of the signal rather than reducing it. Compression removes redundant (and some non redundant) data, while error correction adds some redundant data. The reason for using error correction rather than just using less compression and keeping the redundancy that was already there is that error correction systems are specially designed to get the maximum benefit out of a very small amount of redundant data, whereas the natural redundancy of the data doesn't do this job as efficiently, so with error correction the net amount of data needed is still smaller. The ATSC standard (ATSC E) has a subsection that allows broadcasters to add extra (and variable types) of error correction to their broadcast streams. This error correction service is not mandatory in the US, nor is it mandatory in Canada. It is not known how many HDTV receivers support this error correction standard. For the transmission of HDTV at 720 or 1080, an extra 1% to 3% added error correction codes will help reduce some of ATSC's poorer performance with weak signals under adverse multipath conditions. Reception is greatly reduced due to EMI in the shortwave to VHF and UHF bandwidth from nearby computers of all sorts [light], portable WiFi and Broadband internet [medium to strong], microwave ovens [burst while activated], cell phones and the towers they communicate with, and even power lines with electronic transmissions.

Синхронизация AV

Синхронизация аудио- и видеосигналов – это координация их отображения на цифровом телевизоре во времени. Синхронизация AV гарантирует, что звук не отстает от изображения, отображаемого на телевизоре, или наоборот, обеспечивая одновременность звука и видео.

Переформатирование изображения

Переформатирование медиа чрезвычайно важно, поскольку отображение изображений на телевизорах значительно различается в зависимости от используемой технологии. Например, некоторые телевизоры используют разностную (чересстрочную) развертку, а другие – прогрессивную. У разных телевизоров разное соотношение сторон.

Мандаты канадского правительства

В Канаде Комиссия по радиотелевидению и телекоммуникациям Канады (CRTC) установила 31 августа 2011 года датой прекращения аналогового эфирного телевизионного вещания на 31 крупном рынке страны, включая все провинциальные столицы, Оттаву (национальную столицу) и большинство других крупных городских центров. По состоянию на конец 2008 года в Канаде работало 22 цифровых телевизионных передатчика, и все действующие лицензии на переходное цифровое телевидение прямо запрещают, как условие лицензирования, трансляцию более четырнадцати часов в неделю программ, не транслируемых в аналоговом формате. В отличие от Соединенных Штатов, в Канаде не планируется субсидировать покупку ATSC-конвертеров и не предъявляется требований к тому, чтобы вновь импортируемые приемники декодировали цифровой сигнал. Канадские розничные продавцы также не обязаны информировать о неспособности нового оборудования принимать цифровое телевидение (DTV). В результате канадский рынок заполонили устаревшие NTSC-устройства, экспорт которых в США запрещен законом. Ограниченное количество ATSC-приемников доступно в канадских розничных магазинах в качестве приемников высокой четкости (HDTV). ATSC CECB-конвертеры впервые поступили в национальную продажу в октябре 2008 года, при этом такие сети, как Best Buy и Home Hardware, предлагали ограниченный ассортимент по более высоким ценам, чем в США, и без государственной поддержки. Тюнеры ATSC также могут быть установлены в новейших моделях телевизоров, DVD-регистраторах, HDTV-приемниках FTA и ТВ-тюнерах для персональных компьютеров. На начало 2012 года почти все канадские телекомпании вещали в формате ATSC, за исключением нескольких маломощных и региональных станций, которым были предоставлены исключения. Сигналы этих станций можно уверенно принимать в большинстве городов с помощью хорошей комнатной антенны и ATSC-тюнера. Сигналы ATSC из США можно уверенно принимать с помощью наружной антенны и ATSC-тюнера на канадских рынках, расположенных в пределах 60 миль от американских телевышек. К этим рынкам относятся Торонто (прием сигнала из Буффало), Виндзор (из Детройта и Толедо), Ванкувер (из Сиэтла и Такомы), Монреаль (из Берлингтона и Платтсбурга), Оттава (из Уотертауна и Платтсбурга) и Фредериктон (из Преск-Айла). Комнатные антенны (как пассивные, так и с усилителем) проще в установке, но наружные антенны лучше подходят для приема сигналов с больших расстояний.

In Canada, the Canadian Radio television and Telecommunications Commission (CRTC) had set August 31, 2011, as the date on which over the air analog TV transmission service would cease in 31 major markets of the country, including all provincial capitals, plus Ottawa (the national capital), and most other major urban centers. As of the end of 2008, there were 22 Canadian DTV transmitters on air and all existing digital transitional television licenses explicitly proscribe, as a condition of license, the broadcast of more than fourteen hours a week of programming not already on the analogue service. Unlike in the United States, there is no plan to subsidise ATSC converter purchases and no requirement that newly imported receivers decode the digital signal. Canadian retailers are also not required to disclose the inability of new equipment to receive DTV. The Canadian market therefore has been flooded with obsolete new NTSC equipment which lawfully cannot be exported to the US. A limited number of ATSC receivers are in Canadian retail stores as high definition television (HDTV) receivers. ATSC CECB converter boxes were first carried nationally in October 2008, with chains such as Best Buy and Home Hardware offering limited selection at higher prices than in the US with no government subsidies. ATSC tuners may also be present in most recently manufactured televisions, as well as DVD recorders, HDTV FTA receivers, and personal computer TV tuner cards. As of the beginning of 2012, almost all Canadian broadcasters are broadcasting an ATSC signal, with a handful of exceptions granted for low power and regional stations. These signals can be reliably tuned in most cities with a good indoor antenna and an ATSC tuner. US based ATSC signals can be reliably tuned with an outdoor antenna and an ATSC tuner in Canadian markets within 60 miles of the US broadcast towers. These markets include Toronto (from Buffalo), Windsor (from Detroit and Toledo), Vancouver (from Seattle and Tacoma), Montreal (from Burlington and Plattsburgh), Ottawa (from Watertown and Plattsburgh), and Fredericton (from Presque Isle). Indoor antennas (both passive and amplified) are easier to install, but outdoor antennas are better at tuning stations from further distances.

Настройка и эксплуатация

Большинство тюнеров ATSC имеют относительно простые экранные меню и автоматически выводят пользователя на экран настройки при первом включении. Это позволяет пользователю выбрать часовой пояс и режим летнего времени (так как все станции передают время в UTC), а также выполнить сканирование каналов. Сканер "прослушивает" каждый канал от 2 до 69 и останавливается при обнаружении цифровой несущей частоты. Если ему удается декодировать станцию, он считывает её данные PSIP и добавляет виртуальные каналы в карту каналов. Если PSIP не передается, используется номер физического канала, и каждому транспортному потоку присваивается номер в соответствии с его TSID (преобразованным из шестнадцатеричного формата) или последовательно, начиная с .1, .2, .3 и так далее, в зависимости от тюнера. Некоторые телеканалы используют или использовали временный канал для передачи своих сигналов DTV и, после прекращения аналогового вещания, переносят свою цифровую передачу либо обратно на старый аналоговый канал, либо на третий канал (иногда бывший аналоговый канал другой местной станции), выбранный в процессе выбора цифровых каналов в США. Это требует от всех зрителей повторного сканирования или ручного добавления нового канала и, возможно, удаления старого. Полное повторное сканирование обычно приводит к потере других каналов, если они не могут быть приняты в момент прохождения сканирования по их физическому каналу, поэтому это обычно нежелательно, хотя многие тюнеры ATSC имеют только эту опцию. Некоторые имеют функцию "простого добавления", которая не удаляет уже сохраненные каналы. Некоторые позволяют пользователю ввести номер физического канала и неотмеченного подканала, заставляя тюнер искать этот физический канал. В зависимости от тюнера, это может или не может автоматически добавить станцию и её цифровые подканалы в карту каналов и/или в "избранное" пользователя. Это также может оставить старое "мертвое" отображение канала на месте, так что будет новый 8.1, мертвый 8.1, новый 8.2, мертвый 8.2 и т.д. В большинстве случаев телеканалы не указывают фактическую используемую ими частоту на своем веб-сайте. Если автоматическое сканирование не обнаруживает сигнал, а тюнер имеет возможность ручного сканирования частоты, попробуйте получить фактическую частоту у инженера станции. Это может позволить оставаться на одной частоте (канале) вместо "сканирования" (слишком быстрого переключения) и настроить антенну, наблюдая только за проблемным каналом. Другие ошибки, кажущиеся проблемами тюнера, на самом деле являются результатом неверных данных, отправляемых одной или несколькими станциями, часто включая отсутствующие данные электронной программы передач (EPG). Многие тюнеры ATSC запоминают информацию EPG для каждой станции, но только в течение нескольких часов после просмотра канала этой станции. Некоторые вообще не запоминают (отображая только обязательный баннер канала), в то время как очень немногие другие хранят данные в течение нескольких дней (хотя для этого требуется оставаться на связи с каждой станцией более нескольких секунд, чтобы получить расширенную информацию). Приемники DirecTV с тюнерами ATSC могут загружать программу передач в любое время, в то время как другие устройства TiVo загружают данные программы передач отдельно. TV Guide On Screen также может использоваться для этого, но очень немногие, если вообще какие-либо тюнеры ATSC, поддерживают эту функцию (которая требует загрузки всех данных программы передач для всех каналов с одной конкретной станции). Станции, передающие неверное время, также являются серьезной проблемой, поскольку это может исказить или испортить данные программы передач для всех станций, пока правильное время не будет получено снова с другой, правильно настроенной станции.

Most ATSC tuners have relatively simple on screen menus, and automatically bring the user to a setup screen when turned on for the first time. This allows the user to pick the time zone and daylight saving time mode (as all stations transmit time in UTC), and bandscan for stations. The scan "listens" on every channel from 2 to 69, and pauses when it detects a digital carrier wave. If it is able to decode the station, it reads its PSIP data, and adds its virtual channels to the channel map. If no PSIP is transmitted, the physical channel number is used, and each transport stream is enumerated according to its TSID (converted from hexadecimal), or starting sequentially at .1, .2, .3, and so forth, depending on the tuner. Several TV stations are using or have used a temporary channel to send their DTV signals and, upon terminating analog transmission, move their digital transmission either back to their old analog channel, or to a third channel (sometimes the former analog of another local station), chosen in the digital channel election in the U. S. This requires all viewers to re scan or manually add the new channel and possibly delete the old one. Doing a full re scan will usually cause other channels to be dropped if they cannot be received at the moment the scan passes their physical channel, so this is typically undesirable, although many ATSC tuners only have this option. Some have an "easy add" feature which does not delete what is already mapped in memory. Some allow the user to enter the physical channel and an unmapped subchannel, causing the tuner to search the physical channel. Depending on the tuner, this may or may not automatically add the station and its digital subchannels to the map, and/or to the user's "favorites". This may also leave the old "dead" channel mapping in place, so that there is the new 8.1, dead 8.1, new 8.2, dead 8.2, etc. In most cases, TV stations will not have the actual frequency they are currently using on their website. If the auto scan does not pick up the signal and the tuner has manual frequency scan capability try to get the actual frequency from the station engineer. This may allow one to stay on one frequency (channel) versus "scanning" (moving too quickly through) and allow one to make antenna adjustments while observing only a problematic channel. Other errors which appear to be in the tuner are actually the result of incorrect data sent by one or more stations, often including missing electronic program guide data. Many ATSC tuners will remember EPG info for each station, but only for a few hours after viewing a channel on that station. Some will not remember at all (displaying only the required channel banner), while a very few others will store data for days (although this requires staying tuned to each station for more than a few seconds in order to receive the extended info). DirecTV receivers with ATSC tuners can download the guide at any time, while other TiVo units download guide data separately. TV Guide On Screen can also be used for this, but very few if any ATSC tuners include this (which requires downloading all guide data for all channels from one particular station). Stations sending the wrong time are also a major problem, as this can skew or ruin guide data for all stations until the correct time is received again from a different and correctly set station.

Ручная настройка

Каждый цифровой номер OTA-канала состоит из основного номера и подканала, например, 4.1, 4.2 и т.д. Дефис – это альтернативный способ обозначения: 4–1, 4–2. Точка и дефис взаимозаменяемы; они оба имеют одинаковое значение. Основные номера каналов соответствуют тем же радиочастотам, что и ранее. Однако сейчас часто используются "виртуальные каналы" (технически известные как логические номера каналов). Таким образом, цифровой сигнал 4-го канала теперь может фактически транслироваться на 43-м канале или любой другой частоте. Когда тюнер ATSC выполняет сканирование каналов, он находит сигнал на 43-м канале, определяет, что этот материал называется "Канал 4", и запоминает это соответствие. Пользователь может настроиться на "4", и тюнер будет знать, что нужно настроиться на 43. До сканирования можно получить доступ к программам напрямую с помощью ручной настройки, введя 43–1, 43–2. После сканирования программы обычно будут доступны, введя 4–1, 4–2 и т.д., но все еще может быть возможно получить к ним доступ напрямую на частоте 43, если она также не совпадает с уже назначенным каналом. Если станции меняют частоты вещания, можно получить доступ к новым частотам напрямую, если они также не совпадают с уже назначенным каналом, в этом случае будет выбран этот канал вместо указанной частоты. Однако обычная процедура – повторное сканирование всех каналов, которое просто назначит несколько версий любых перекрывающихся каналов.