Введение

Стандарты цифрового телевидения в США, разработанные Комитетом передовых телевизионных систем (ATSC), представляют собой международный набор стандартов для вещания и передачи цифрового телевидения по наземным, кабельным и спутниковым сетям. Они в значительной степени заменили аналоговый стандарт NTSC и, как и он, используются преимущественно в Соединенных Штатах, Мексике, Канаде, Южной Корее и Тринидаде и Тобаго. Некоторые бывшие пользователи NTSC, такие как Япония, не перешли на ATSC при переходе на цифровое телевидение, выбрав другие системы, например, ISDB, разработанный в Японии, и DVB, разработанный в Европе. Стандарты ATSC были разработаны в начале 1990-х годов консорциумом Grand Alliance, объединившим компании электронной и телекоммуникационной промышленности для разработки спецификации для технологии, известной сегодня как HDTV. В настоящее время управление стандартом осуществляет Комитет по передовым телевизионным системам. Стандарт включает в себя ряд запатентованных элементов, что требует лицензирования устройств, использующих эти части стандарта. Ключевым элементом является система модуляции 8VSB, применяемая для эфирного вещания. Технология ATSC была разработана главным образом благодаря патентным взносам LG Electronics, которая владеет большинством патентов на стандарт ATSC. Стоимость патентного лицензирования, оцениваемая до 50 долларов за цифровой телевизионный приемник, вызвала недовольство производителей. Как и другие системы, ATSC опирается на множество взаимосвязанных стандартов, например, EIA 708 для цифровых субтитров, что приводит к различиям в реализации.

Переход на цифровые технологии

ATSC заменил большую часть аналоговой телевизионной системы NTSC в Соединенных Штатах 12 июня 2009 года, 31 августа 2011 года в Канаде, 31 декабря 2012 года в Южной Корее и 31 декабря 2015 года в Мексике. Вещатели, перешедшие на ATSC и желавшие сохранить аналоговый сигнал, были временно вынуждены вести трансляцию на двух отдельных каналах, поскольку система ATSC требует использования отдельного канала целиком. Номера каналов в ATSC не соответствуют диапазонам радиочастот, как это было в аналоговом телевидении. Вместо этого виртуальные каналы, передаваемые как часть метаданных вместе с программой, позволяют переназначить номера каналов с их физического радиочастотного канала на любой номер от 1 до 99, чтобы станции ATSC могли быть связаны с соответствующими номерами каналов NTSC или чтобы все станции в сети могли использовать один и тот же номер. Также существует стандарт для распределенных систем передачи (DTx) – разновидность одночастотной сети, позволяющая синхронизировать работу нескольких ретрансляционных станций.

Аудио

В качестве аудиокодека используется Dolby Digital AC-3, хотя он был стандартизирован как A/52 организацией ATSC. Он позволяет передавать до пяти каналов звука с шестым каналом для низкочастотных эффектов (так называемая конфигурация "5.1"). В отличие от этого, японские ISDB HDTV трансляции используют MPEG Advanced Audio Coding (AAC) в качестве аудиокодека, который также обеспечивает 5.1-канальный аудиовыход. DVB (см. ниже) поддерживает оба кодека. MPEG-2 был одним из претендентов на стандарт ATSC во время отбора в рамках DTV "Grand Alliance", но уступил Dolby AC-3. "Grand Alliance" опубликовала заявление, в котором система MPEG-2 была признана "в основном эквивалентной" Dolby, однако это произошло уже после того, как был сделан выбор в пользу Dolby. Позже появилась информация о том, что MIT заключил соглашение с Dolby, согласно которому университету была обещана крупная сумма денег в случае отклонения системы MPEG-2. Dolby также предложила Zenith стимул за изменение их голоса (что они и сделали), однако неизвестно, было ли это предложение принято.

Видео

Система ATSC поддерживает различные разрешения экрана, соотношения сторон и частоты кадров. Форматы перечислены здесь по разрешению, способу развертки (прогрессивная или чересстрочная), и количеству кадров (или полукадров) в секунду (см. также обзор разрешения телевизоров в конце этой статьи). Для передачи ATSC использует спецификацию систем MPEG, известную как транспортный поток MPEG, для упаковки данных с учетом определенных ограничений. ATSC использует 188-байтовые пакеты транспортного потока MPEG для передачи данных. Перед декодированием аудио- и видеосигнала приемник должен выполнить демодуляцию и применить коррекцию ошибок к сигналу. Затем транспортный поток может быть разделен на составляющие его потоки.

Транспортный поток (ТС)

Расширение файла ".TS" обозначает "транспортный поток" – это формат контейнера для мультимедиа. Он может содержать несколько потоков аудио- или видеоконтента, мультиплексированных в транспортный поток. Транспортные потоки разработаны с учетом синхронизации и восстановления данных при потенциально ненадежной передаче (например, при эфирном вещании ATSC), чтобы обеспечить непрерывность воспроизведения мультимедиа даже при потере данных в процессе передачи. При захвате сигнала ATSC с эфира в файл с помощью аппаратного или программного обеспечения, результирующий файл часто сохраняется в формате TS.

Модуляция и передача

Сигналы ATSC разработаны для использования той же полосы пропускания 6 МГц, что и аналоговые телевизионные каналы NTSC (требования к помехам стандартов A/53 DTV по отношению к соседним каналам NTSC или другим каналам DTV очень строгие). После сжатия и мультиплексирования цифровых видео- и аудиосигналов, транспортный поток может быть модулирован различными способами в зависимости от метода передачи. Наземные (местные) вещатели используют модуляцию 8VSB, обеспечивающую максимальную скорость передачи данных 19,39 Мбит/с, достаточную для передачи нескольких видео- и аудиопрограмм и метаданных. Кабельные телевизионные станции обычно могут работать с более высоким отношением сигнал/шум и могут использовать 16VSB, как определено в ATSC, или 256 QAM, как определено в SCTE, для достижения пропускной способности 38,78 Мбит/с, используя тот же канал 6 МГц. Предложения по схемам модуляции для цифрового телевидения были разработаны в то время, когда кабельные операторы передавали видео стандартного разрешения в виде несжатых аналоговых сигналов. В последние годы кабельные операторы привыкли сжимать видео стандартного разрешения для цифровых кабельных систем, что затрудняет поиск дополнительных каналов 6 МГц для местных вещателей на несжатом "базовом" кабеле. В настоящее время Федеральная комиссия по связи (FCC) требует от кабельных операторов в Соединенных Штатах передавать аналоговый или цифровой сигнал наземного вещателя (но не оба), по запросу вещателя ("правило обязательной передачи"). Канадская комиссия по радиовещанию и телекоммуникациям (CRTC) в Канаде не имеет аналогичных правил, касающихся передачи сигналов ATSC. Однако кабельные операторы все еще медленно добавляют каналы ATSC в свои пакеты по юридическим, нормативным и техническим причинам. Один из ключевых технических и нормативных вопросов – схема модуляции, используемая на кабеле: кабельные операторы в США (и в меньшей степени в Канаде) могут самостоятельно определять метод модуляции для своих сетей. В отрасли существует несколько организаций по стандартизации: SCTE определил 256 QAM как схему модуляции для кабеля в отраслевом стандарте ANSI/SCTE 07 2006: Стандарт цифровой передачи для кабельного телевидения. Следовательно, большинство кабельных операторов в США и Канаде, стремящихся увеличить пропускную способность кабельной системы, перешли на 256 QAM с модуляции 64 QAM, используемой в их сетях, предпочитая ее стандарту 16VSB, первоначально предложенному ATSC. Ожидается, что со временем 256 QAM будет включен в стандарт ATSC. Существует также стандарт для передачи ATSC через спутник; однако он используется только телевизионными сетями. Очень мало телепортов за пределами США поддерживают стандарт спутниковой передачи ATSC, но поддержка телепортов этого стандарта улучшается. Система спутниковой передачи ATSC не используется для систем прямого спутникового вещания; в США и Канаде они давно используют DVB-S (в стандартной или модифицированной форме) или проприетарные системы, такие как DSS или DigiCipher 2.

Другие системы

ATSC сосуществует со стандартом DVB-T и ISDB-T. Аналогичный стандарт под названием ADTB-T был разработан для использования в качестве части нового китайского двойного стандарта DMB-T/H. Хотя Китай официально выбрал двойной стандарт, нет требования, чтобы приемник работал с обоими стандартами, и отсутствует поддержка модуляции ADTB со стороны вещателей и производителей оборудования и приемников. Для совместимости с материалом из различных регионов и источников ATSC поддерживает видеоформат 480i, используемый в аналоговой системе NTSC (480 строк, приблизительно 60 полей или 30 кадров в секунду), форматы 576i, используемые в большинстве регионов PAL (576 строк, 50 полей или 25 кадров в секунду), и форматы с частотой 24 кадра в секунду, используемые в кинематографе. В то время как система ATSC подвергалась критике как сложная и дорогая в реализации и использовании, стоимость вещательного и приемного оборудования теперь сопоставима со стоимостью оборудования DVB. Сигнал ATSC более восприимчив к изменениям условий распространения радиоволн, чем DVB-T и ISDB-T. Ему также не хватает истинной иерархической модуляции, которая позволила бы принимать часть SDTV сигнала HDTV (или аудиочасть телевизионной программы) непрерывно даже в зонах неуверенного приема, где сила сигнала низкая. По этой причине был введен дополнительный режим модуляции – улучшенный VSB (E-VSB), обеспечивающий аналогичные преимущества. Несмотря на фиксированный режим передачи ATSC, он остается надежным сигналом в различных условиях. 8VSB был выбран вместо COFDM отчасти потому, что многие районы сельские и имеют значительно меньшую плотность населения, что требует использования более мощных передатчиков и приводит к образованию больших зон неуверенного приема. В этих районах 8VSB показал лучшие результаты, чем другие системы. COFDM используется как в DVB-T, так и в ISDB-T, а также для 1seg, DVB-H и HD Radio в Соединенных Штатах. В густонаселенных городских районах, где плотность населения максимальна, COFDM, как считается, лучше справляется с многолучевым распространением. Хотя ATSC также не поддерживает работу в режиме единой частотной сети (SFN), было показано, что распределенный режим передачи, использующий несколько синхронизированных передатчиков на одном канале, улучшает прием в аналогичных условиях. Таким образом, для его работы может потребоваться не большее выделение спектра, чем для DVB-T, использующего SFN. Сравнительное исследование показало, что ISDB-T и DVB-T демонстрируют схожую производительность, и оба превосходят DVB-T2.

Мобильное телевидение

До 2008 года мобильный прием цифровых станций, использующих ATSC, был затруднен или невозможен, особенно при движении на скорости транспортных средств. Для решения этой проблемы было предложено несколько систем, демонстрирующих улучшенный мобильный прием: A VSB от Samsung/Rhode & Schwarz, MPH от Harris/LG и недавнее предложение от Thomson/Micronas; все эти системы были представлены в качестве кандидатов на новый стандарт ATSC – ATSC M/H. После года стандартизации было принято решение, объединившее технологии AVSB от Samsung и MPH от LGE, и планировалось его внедрение в 2009 году. Это помимо других стандартов, таких как устаревший MediaFLO, и общемировых открытых стандартов, таких как DVB-H и T-DMB. Как и DVB-H и ISDB-1seg, предлагаемые мобильные стандарты ATSC обратно совместимы с существующими тюнерами, несмотря на то, что они были добавлены в стандарт спустя значительное время после широкого распространения первоначального стандарта. Мобильный прием сигнала некоторых станций останется более сложным, поскольку 18 УВЧ-каналов в США были исключены из телевизионного вещания, что вынудило некоторых вещателей оставаться в диапазоне ОВЧ. Для приема сигнала в этом диапазоне требуются более крупные антенны, и он более подвержен электромагнитным помехам от двигателей и быстро меняющимся условиям многолучевого распространения.

ATSC 2.0

ATSC 2.0 был запланированной крупной новой редакцией стандарта, обеспечивающей обратную совместимость с ATSC 1.0. Стандарт должен был поддерживать интерактивные и гибридные телевизионные технологии, подключая телевизор к интернет-сервисам и позволяя встраивать интерактивные элементы в вещательный поток. Другие возможности включали в себя усовершенствованное сжатие видео, измерение аудитории, адресную рекламу, расширенные программные гиды, услуги видео по запросу и возможность хранения информации на новых приемниках, включая контент с задержкой передачи (NRT). Однако ATSC 2.0 так и не был внедрен, поскольку устарел еще до запуска. Все изменения, предусмотренные редакцией ATSC 2.0, были включены в ATSC 3.0.

Преимущества ATSC 3.0

Улучшенное качество изображения. ATSC 3.0 обеспечивает передачу 4K UHD, включая телевидение с высоким динамическим диапазоном (HDR TV), широкую цветовую гамму (WCG) и высокую частоту кадров (HFR). Улучшение качества приема. ATSC 3.0 позволяет одной и той же антенне принимать больше каналов с более высоким качеством. Портативные устройства, такие как мобильные телефоны, планшеты и автомобильные информационно-развлекательные системы, могут принимать телевизионные сигналы. Усовершенствованные системы оповещения о чрезвычайных ситуациях. Сигналы оповещения могут быть привязаны к географическому положению и информировать только те районы, где это необходимо. Измерение аудитории. Телекоммуникационные компании могут легко собирать данные об аудитории. Таргетированная реклама с использованием локальных сетей Wi-Fi. Разнообразие и расширение контента.