Стандарты наземного телевизионного вещания

Введение

Стандарты наземного телевизионного вещания

Телевизионные системы вещания (или наземные телевизионные системы за пределами США и Канады) — это системы кодирования или форматирования для передачи и приема наземных телевизионных сигналов. Аналоговые телевизионные системы были стандартизированы Международным союзом электросвязи (ITU) в 1961 году, при этом каждая система обозначалась буквой (A–N) в сочетании с используемым цветовым стандартом (NTSC, PAL или SECAM), например PAL B, NTSC M и т. д. Эти аналоговые системы телевещания доминировали до 2010-х годов. С внедрением цифрового наземного телевидения (DTT) они были заменены четырьмя основными системами, используемыми во всем мире: ATSC, DVB, ISDB и DTMB.

Аналоговые телевизионные системы

Почти все аналоговые телевизионные системы начинались как черно-белые. Каждая страна, сталкиваясь с местными политическими, техническими и экономическими проблемами, приняла стандарт цветного телевидения, который был интегрирован в существующую монохромную систему, такую как система CCIR M, используя незанятые участки видеоспектра (описанные ниже) для размещения информации о цветопередаче в рамках выделенных каналов. Интеграция стандартов цветной передачи в существующие монохромные системы позволила продолжать использовать существующие монохромные телевизионные приемники, выпущенные до перехода на цветное телевидение, в монохромном режиме. Из-за этого требования к совместимости, цветовые стандарты добавляли второй сигнал к основному монохромному сигналу, который передавал информацию о цвете. Цветовая информация называется хроминантностью и обозначается символом C, а черно-белая информация – яркостью и обозначается символом Y. Монохромные телевизионные приемники отображают только яркость, в то время как цветные приемники обрабатывают оба сигнала. Хотя теоретически любую монохромную систему можно было адаптировать к цвету, на практике некоторые из исходных монохромных систем оказались непрактичными для адаптации и были отброшены при переходе на цветное вещание. Все страны использовали один из трех цветовых стандартов: NTSC, PAL или SECAM. Например, система CCIR M часто использовалась в сочетании со стандартом NTSC для обеспечения цветного аналогового телевидения, и вместе они были известны как NTSC M.

Системы до Второй мировой войны

Было протестировано несколько экспериментальных и вещательных систем, существовавших до Второй мировой войны. Первые из них были механическими, с очень низким разрешением, иногда без звука. Позднее телевизионные системы стали электронными и обычно идентифицировались по количеству строк: 375 строк (использовалась в Германии, Италии, США), 405 строк (использовалась в Великобритании), 441 строка (использовалась в Германии, Франции, Италии, США) или 567 строк (использовалась в Нидерландах). Эти системы были преимущественно экспериментальными и национальными, без установленных международных стандартов, и не вернулись к вещанию после войны. Исключением стала британская система 405 строк, которая возобновила вещание и первой была стандартизирована ITU как Система A, оставаясь в эксплуатации до 1985 года.

Стандарты МСЭ

На международной конференции в Стокгольме в 1961 году Международный союз электросвязи определил стандарты для систем телевизионного вещания (обозначения стандартов ITU System Letter Designation). Каждый стандарт обозначался буквой (A–M) в сочетании с цветовым стандартом (NTSC, PAL, SECAM). Это полностью определяет все монофонические аналоговые телевизионные системы в мире (например, PAL B, NTSC M и т. д.). В следующей таблице приведены основные характеристики каждого стандарта. B – только VHF в большинстве стран Западной Европы (в сочетании с системами G и H в диапазоне UHF); VHF и UHF в Австралии. Первоначально известен как стандарт Гербера. C – ранняя система VHF, использовавшаяся только в Бельгии, Италии, Нидерландах и Люксембурге в качестве компромисса между системами B и L. Прекращена в 1977 году. F – ранняя система VHF, использовавшаяся только в Бельгии, Италии, Нидерландах и Люксембурге; позволяла транслировать французские телевизионные программы с 819 линиями по каналам VHF шириной 7 МГц, используемым в этих странах, что приводило к существенной потере горизонтального разрешения. Прекращена в 1969 году.

ATSC

Наземная система ATSC (неофициально ATSC T) использует разработанную компанией Zenith модуляцию под названием 8 VSB; как следует из названия, это метод остаточной боковой полосы. По сути, аналоговый VSB относится к обычной амплитудной модуляции, как 8VSB относится к восьмипутевой квадратурной амплитудной модуляции. Эта система была выбрана специально для обеспечения максимальной спектральной совместимости между существующим аналоговым телевидением и новыми цифровыми станциями в уже перегруженной системе распределения телевизионных частот в Соединенных Штатах, хотя она уступает другим цифровым системам в подавлении многолучевых помех; однако она лучше справляется с импульсным шумом, который особенно характерен для ВЧ-диапазонов, от которых другие страны отказались для телевизионного вещания, но которые все еще используются в США. Иерархическая модуляция также отсутствует. После демодуляции и коррекции ошибок модуляция 8 VSB поддерживает цифровой поток данных примерно 19,39 Мбит/с, чего достаточно для одного потока видео высокой четкости или нескольких каналов стандартной четкости. Подробности см. в разделе «Цифровые подканалы: технические аспекты». 17 ноября 2017 года FCC проголосовала тремя голосами против двух за разрешение добровольного внедрения ATSC 3.0, разработанного как преемник оригинального ATSC "1.0", и выпустила соответствующий отчет и распоряжение. Вещательные станции полной мощности будут обязаны поддерживать одновременное вещание своих каналов в сигнале, совместимом с ATSC 1.0, если они решат внедрить услугу ATSC 3.0. В кабельном телевидении ATSC обычно использует 256QAM, хотя некоторые используют 16VSB. Оба этих метода удваивают пропускную способность до 38,78 Мбит/с в пределах одной и той же полосы пропускания 6 МГц. ATSC также используется через спутник. Хотя эти варианты логично можно было бы назвать ATSC C и ATSC S, эти термины никогда не были официально определены.

ДТМБ

DTMB — это стандарт цифрового телевещания материкового Китая, Гонконга и Макао. Это объединенная система, представляющая собой компромисс между различными конкурирующими предложенными стандартами от разных китайских университетов, включающая элементы DMB-T, ADTB-T и TiMi 3.

DVB

DVB T использует кодированный ортогональный мультиплекс частотного деления (COFDM), который использует до 8000 независимых несущих, каждая из которых передает данные с относительно низкой скоростью. Эта система была разработана для обеспечения высокой помехоустойчивости к многолучевому распространению сигнала и имеет различные варианты, позволяющие достигать скоростей передачи данных от 4 Мбит/с до 24 Мбит/с. Один из американских вещателей, Sinclair Broadcasting, обратился в Федеральную комиссию по связи с просьбой разрешить использование COFDM вместо 8 VSB, полагая, что это улучшит прием цифрового телевидения в домохозяйствах без внешних антенн (большинство в США), но в этой просьбе было отказано. (Однако одна американская цифровая станция, WNYE DT в Нью-Йорке, была временно переведена на модуляцию COFDM в экстренном порядке для передачи данных службам экстренной помощи в Нижнем Манхэттене после террористических атак 11 сентября). DVB S – это оригинальный стандарт кодирования с коррекцией ошибок и модуляции для цифрового видеовещания через спутник, разработанный в 1995 году. Он используется через спутники, обслуживающие все континенты мира, включая Северную Америку. DVB S применяется как в режимах MCPC, так и в режимах SCPC для передачи сетевых потоков, а также для услуг прямого спутникового вещания, таких как Sky и Freesat на Британских островах, Sky Deutschland и HD+ в Германии и Австрии, TNT SAT/FRANSAT и CanalSat во Франции, Dish Network в США и Bell Satellite TV в Канаде. Транспортный поток MPEG, передаваемый DVB S, должен соответствовать стандарту MPEG 2. DVB C расшифровывается как Digital Video Broadcasting – Cable (цифровое кабельное видеовещание) и является стандартом европейского консорциума DVB для передачи цифрового телевидения по кабельным сетям. Эта система передает цифровой аудио/видео поток семейства MPEG 2 с использованием QAM-модуляции с кодированием каналов.

СБД

ISDB очень похож на DVB, однако он разделен на 13 подканалов. Двенадцать из них используются для телевизионного вещания, а последний служит либо в качестве защитной полосы, либо для сервиса 1seg (ISDB H). Как и другие системы цифрового телевидения, типы ISDB различаются главным образом используемыми методами модуляции, что обусловлено требованиями различных частотных диапазонов. В диапазоне 12 ГГц ISDB S использует PSK-модуляцию, в диапазоне 2,6 ГГц – CDM, а ISDB T (в диапазонах VHF и/или UHF) – COFDM с PSK/QAM. Он был разработан в Японии с использованием MPEG 2 и сейчас применяется в Бразилии с MPEG 4. В отличие от других систем цифрового вещания, ISDB включает систему управления цифровыми правами для ограничения записи передач.

Переход из одной системы в другую

Преобразование между различным количеством линий и различной частотой полей/кадров в видеоизображениях – непростая задача. Вероятно, наиболее сложным с технической точки зрения является преобразование из любой 625-линейной системы с частотой 25 кадров в секунду в систему M, которая имеет 525 линий при скорости 29,97 кадров в секунду. Исторически для этого требовалось устройство хранения кадров для удержания тех частей изображения, которые в данный момент не выводились (поскольку моменты сканирования одной и той же точки не совпадали по времени). В настоящее время преобразование стандартов является относительно простой задачей для компьютера. Помимо разного количества строк, очевидно, что генерация 59,94 полей в секунду из формата, имеющего только 50 полей, может представлять определенные трудности. Каждую секунду необходимо генерировать дополнительные 10 полей, как будто из ниоткуда. Преобразование должно создавать новые кадры (на основе существующего входного сигнала) в реальном времени. Существует несколько методов для этого, выбор которых зависит от требуемой стоимости и качества преобразования. Самые простые преобразователи просто отбрасывают каждую пятую строку из каждого кадра (при преобразовании из 625 в 525) или дублируют каждую четвертую строку (при преобразовании из 525 в 625), а затем дублируют или отбрасывают некоторые кадры, чтобы компенсировать разницу в частоте кадров. Более сложные системы используют интерполяцию между полями, адаптивную интерполяцию и фазовую корреляцию.