5.     Сравнение COFDM (DVB-T) и 8 – VSB (ATSC)

5.1  Изображение

С точки зрения телезрителя, при прочих равных условиях оба стандарта должны обеспечивать одинаковое качество изображения, поскольку используют один метод видео компрессии оцифрованного ТВ сигнала — MPEG-2. Это в корне отличает ЦТВ от аналогового: картинка SECAM явно отличается от PAL. «Что лучше?» в смысле цветопередачи — сказать определённо нельзя. Таким образом, вид кодирования цветоразностных сигналов и модуляции при АТВ помимо надёжности приёма оказывает влияние и на качество изображения. Для цифрового ТВ метод модуляции и помехоустойчивого кодирования оказывает влияние лишь на надёжность приёма изображения, и при благоприятных условиях приёма картинка оказывается всегда без помех (без сетки, муара и прочих свойственных АТВ искажений). В противном случае — экран телевизора просто оказывается тёмным. Таким образом, для телезрителя безразлично, по какому цифровому стандарту происходит доставка изображения к телевизору, поскольку вывод его на экран производится одним общим для обоих стандартов блоком ТВ - приёмников — декодером MPEG-2. Из этого следует, что если сигнал ЦТВ выводится на обычные телевизоры, то, естественно, изображению будут свойственны черты аналоговых стандартов. При выводе же изображения на новые HDTV-телевизоры с числом строк 1080 - качество картинки для обоих стандартов оказывается одинаковым.

   5.2  Передача аудиоданных.

      Алгоритмы аудио компрессии различны (табл.5.1, п. 2). Это означает, что качество звукового сопровождения будет определяться свойствами алгоритмов цифровой аудио компрессии — MPEG-2 Layer II или Dolby 5.1 AC-3. Однако стандарт на звуковое сопровождение не является жёстким и в принципе может быть любым. Например, Австралия, приняв в качестве национального стандарта DVB-T, внесла изменение в аудио стандарт и выбрала американский Dolby 5.1 AC-3.  Значительно больше стандарт оказывает влияние на теле вещателя, обеспечивающего надёжный приём цифровых ТВ - программ для телезрителя.  Ведь стандарт ЦТВ это, прежде всего, стандарт на передачу ТВ программ. Методы модуляции и помехоустойчивого кодирования стандартов определяют лишь надёжность доставки с заданной скоростью оцифрованного и компрессированного изображения и звука. Это означает, что для сравнения стандартов необходимо оценить их потенциальные возможности борьбы с различного рода помехами и шумом в соответствии с критерием надёжности приёма.

5.3  Критерий надёжности

    К сожалению, стандарты используют разные критерии (табл. 5.1, п. 3), причём европейский — более жёсткий и ориентирован на передачу данных: вероятность ошибки бита на входе декодера MPEG-2 должна быть не ниже 10-11, что соответствует частоте ошибок 0.7 бит/ч при скорости передачи бит Rб около 20 Мб/с (HDTV-вещание). Стандарт ATSC использует иной критерий, ориентированный именно на качественное восприятие изображения на экране телевизора глазом человека.  Избыточный для передачи изображения и звука европейский критерий связан с общей концепцией «контейнера» в семействе стандартов DVB, согласно которому различные физические каналы, в том числе и эфирный, должны обеспечивать почти безошибочную передачу данных независимо от их природы. Американский критерий не является пригодным для передачи данных, поскольку допускает до 60 ошибочных бит в секунду. Этот факт не является недостатком ATSC в смысле потенциальной возможности обеспечения надёжности приёма, но его, однако, следует иметь в виду для корректного сравнения стандартов по единому критерию (табл. 5.1, п. 4). Следует заметить, что в ATSC вообще отсутствуют нормативные документы на передачу дополнительных данных.

5.4  Помехи и шум

    Помехи в наземном ЦТВ принципиально не отличаются от помех в АТВ, поскольку используются те же МВ и ДМВ диапазоны. Характерной чертой радиоволн этих диапазонов является низкая способность огибать препятствия и способность отражаться от них. В результате в точку приёма приходит многолучевой сигнал, состоящий из прямого и нескольких отражённых задержанных эхо-сигналов с различными задержками и фазовыми сдвигами относительно прямого луча.  Общеизвестным методом борьбы с многолучёвостью является применение направленных наружных антенн. При приёме на слабонаправленную комнатную антенну борьба с отражёнными сигналами затруднена, а в связи с наличием порогового эффекта в ЦТВ (либо качественное изображение, либо тёмный экран), вопрос надёжности такого приёма имеет первостепенное значение. По этой причине в наземном ЦТВ нашли применение домашние ретрансляторы, работающие на частоте принимаемого сигнала, так называемые gap-fillers — устройства, ранее не используемые в АТВ. Безусловно, и в самих стандартах наземного ЦТВ предусмотрены дополнительные меры борьбы с многолучёвостью. Помимо этих традиционных для ТВ помех в переходный период к ЦТВ появляется и специфический вид помех, обусловленный взаимным влиянием друг на друга каналов ЦТВ и АТВ.  Перечисленные виды помех приёма имеют место на фоне естественного шума, в частности, теплового шума антенны и приёмника, который хорошо аппроксимируется так называемой Гауссовской моделью. В цифровых системах передачи информации «бороться» с таким шумом можно лишь выбором схем модуляции и кодирования в передатчике и оптимальным в смысле минимума вероятности ошибки алгоритмом работы приёмника. При использовании такого алгоритма надёжность приёма зависит только от энергии Eб сигнала (Eб =Pс/Rб, где Pс-мощность) в точке приёма. В зависимости от методов модуляции и кодирования разные цифровые системы передачи информации требуют различного значения энергии. По этой причине говорят об энергетической эффективности (ЭФ) системы, причем, чем меньше требуется энергии, тем система эффективнее. Заметим, что при заданной скорости Rб характеристикой ЭФ служит пороговое отношение мощности сигнала Pс к мощности шума, или кратко С/Ш. Применительно к ЦТВ, ЭФ системы оказывается важной ещё и потому, что очень хорошо отражает ситуацию приёма на наружную, особенно на узконаправленную ДМВ - антенну, когда уровень многолучёвости оказывается незначительным и пороговое отношение C/Ш, соответствующее критерию надёжности, лишь на 0.5-1дБ превосходит ЭФ для гауссовского шума. Этот факт можно выразить иначе: при использовании направленной наружной антенны модель радиоканала близка к гауссовской. В этой связи алгоритмы работы приёмников для обоих стандартов ЦТВ всегда оптимальны в упомянутом выше смысле.

5.5  Энергетическая эффективность

    Как видно из табл. 5.1 (п. 4, 5), ATSC имеет выигрыш перед DVB-T около 4 дБ. Это означает, что при использовании направленной наружной антенны мощность сигнала в точке приёма может быть снижена примерно в 2.5 раза. C учётом пик фактора (табл. 5.1, п. 9), энергетический выигрыш ATSC достигает 6 дБ (4 раза).  Энергетический выигрыш ATSC имеет большое значение по отношению к характеристикам ТВ сети в целом. Действительно, во-первых, он позволяет увеличить территорию охвата передатчика. Во-вторых, снижает взаимное влияние ЦТВ - передатчиков при совместном использовании канала соседними передатчиками (табл. 5.1, п.15).  В-третьих, снижает влияние ЦТВ на приём аналоговых ТВ программ, поскольку для ATB сигнал ЦТВ по своему действию близок к гауссовскому широкополосному шуму (табл. 5.1, п.13). Это свойство важнее, чем характеристика влияния АТВ на ЦТВ (табл. 5.1, п.14).  В то же время следует понимать, что в DVB-T часть энергии сигнала расходуется с целью борьбы с отражёнными сигналами.

5.6  Методы борьбы с многолучёвостью

     В DVB-T для борьбы с многолучёвостью специально выбран метод многочастотной модуляции COFDM (Coded Ortogonal Frequency Dividion Multiplex) в сочетании с защитным интервалом. Этот метод хорошо известен и уже около 10 лет используется во многих странах мира для цифрового аудио вещания в стандарте DAB (Digital Audio Broadcasting).  «FDM» по сравнению с одночастотной модуляцией позволяет увеличить длительность символа Tu в N раз, где N — число несущих, равное примерно 2K или 8K (K=1024). Большая длительность символа, в свою очередь, позволяет увеличить во столько же раз длительность Dt защитного интервала (ЗИ) между символами и допустимую задержку эхо-сигнала при неизменной величине энергетических потерь Dt/Tu.  Наличие ЗИ устраняет межсимвольную интерференцию (МСИ) между эхо-сигналом очередного и прямым лучом последующего символов. «O» — ортогональность между несущими частотами на интервале Tu позволяет устранить межчастотную интерференцию (МЧИ) внутри символа независимо от фаз несущих. Такой вид ортогональности носит название ортогональности в усиленном смысле, для чего разнос между частотами выбирается равным 1/Tu. Продлевая модуляцию каждой несущей на время Dt и осуществляя приём символа за время Tu с задержкой на Dt, устраняется и МЧИ между несущими прямого и отражённого сигналов. «С» — помехоустойчивое кодирование (свёрточное) вводится с целью устранения влияния частотных селективных замираний (фейдинга) в радиоканале, в результате чего отношения С/Ш на разных несущих оказываются различными. Природа таких замираний связана с интерференцией сигналов прямого и отражённого лучей на одной и той же несущей частоте. Дополнительно повысить надёжность приёма в таких ситуациях можно, применяя в приёмнике декодирование с мягкими решениями, при котором декодер использует информацию о степени надёжности приёма на конкретной частоте. В DVB-T такую информацию приёмник получает от рассредоточенных по всему частотному каналу специальных пилот сигналов (табл. 5.1, п. 8).  При сильной многолучёвости в DVB-T есть также возможность сгладить пороговый эффект применением иерархической модуляции за счёт снижения чёткости изображения. В ATSC метод модуляции VSB (Vestigal Side-Band) прямого отношения к борьбе с многолучёвостью не имеет. В то же время выбор модуляции 8-VSB позволяет использовать треллисный код со скоростью R=2/3, повышающий как ЭФ, так и эффективность многолучевого приёма аналогично свёрточному коду в DVB-T. Однако основная роль в борьбе с многолучёвостью в ATSC возлагается на эквалайзер приёмника.  Эквалайзер получает информацию о состоянии радиоканала по известным сигналам синхронизации сегментов и кадров, что отчасти аналогично назначению рассредоточенных по спектру пилот сигналов в DVB-T. По идеологии ATSC эхо-сигналы в совокупном воздействии искажают частотную характеристику радиоканала, которую эквалайзер и корректирует для устранения МСИ в соответствии с характеристикой фильтра Найквиста. Такая коррекция, естественно, имеет ограничения по допустимой задержке эхо-сигналов (подобно величине ЗИ в DVB-T) и существенно зависит от алгоритма работы эквалайзера. До сих пор в ATSC использовался практически один алгоритм работы эквалайзера — так называемый алгоритм с обратной связью по решению, и все официальные сведения о результатах тестов ATSC-приёмников относятся лишь к этому алгоритму. В то же время существуют и другие алгоритмы.  В настоящее время в США идёт тестирование такого алгоритма для второго поколения ATSC-приёмников, разработанных фирмами Motorola и Next Communications специально для улучшения борьбы с многолучёвостью (miracle chip). К сожалению, результаты тестов пока неизвестны. Однако, вряд ли приёмник сотворит чудо, если на передающей стороне в сигнал не заложены средства борьбы с помехами.

5.7  Эффективность борьбы с многолучёвостью

     Метод борьбы с многолучёвостью в DVB-T действительно более эффективен, чем в ATSC, и позволяет работать даже при наличии мощных эхо-сигналов вплоть до отношения сигнал/эхо-сигнал (C/Э), равного 0 дБ. В то же время, при слабой многолучёвости, ATSC имеет выигрыш по мощности около 4 дБ. Это означает, что DVB-T имеет преимущества лишь с некоторого достаточно большого уровня эхо-сигнала.  Для примера на рис.5.1 приведён график зависимости порогового отношения С/Ш от отношения C/Э (для DVB-T HDTV-версия: 19.35 Мб/с, 64QAM, R=2/3, Dt/Tu=1/8). 

Рисунок 5.1  График зависимости порогового отношения С/Ш от отношения C/Э

1.    8-VSB при эхо - сигнале с задержкой 7.5 мкс

2.    8-VSB при эхо - сигнале с задержкой 4.2 мкс

3.    COFDM при эхо - сигнале с задержкой 4.2 мкс

4.    COFDM при эхо - сигнале с задержкой 7.5 мкс

Результаты получены лабораторным путём, когда сигнал и задержанный эхо-сигнал формировались от одного генератора, а задержка tз < Dt. Видно, что вплоть до величины С/Э около 3 дБ ATSC требует меньше мощности сигнала, чем DVB-T, за счёт энергетического выигрыша по шуму. При дальнейшем росте уровня эхо-сигнала (уменьшении С/Э) начинает сказываться механизм COFDM, и DVB-T становится эффективнее вплоть до значения С/Э=0 дБ. В то же время, как хорошо видно, подавление таких мощных помех требует увеличения отношения С/Ш не менее чем на 6-7 дБ (!), что реализуемо лишь при нахождении ТВ приёмника в ближней зоне передатчика, либо при использовании узконаправленной антенны, для которой трудно ожидать таких мощных эхо-сигналов! В случае же с комнатной антенной, для которой борьба с многолучёвостью главным образом и актуальна, подобного увеличения отношения С/Ш не добиться! Круг замыкается ...

5.8  Приём на комнатную антенну

    Рассмотренный выше пример свидетельствует о сложности для обоих стандартов приёма высокоскоростных HDTV-программ на комнатные антенны. В то же время, при низкоскоростных режимах в DVB-T (которых у ATSC просто нет, и сравнивать нечего!), надёжность приёма возрастает как за счёт увеличения энергии символа, так и за счёт применения более мощного помехоустойчивого кодирования (уменьшения R). В целом, однако, вопрос приёма ЦТВ на комнатные антенны является более сложным, поскольку следует учитывать и другие факторы: импульсные помехи от бытовых электроприборов (табл. 5.1, п.16), динамические эхо-сигналов (табл. 5.1, п.11), вызванные, например, перемещением по комнате человека или собаки и т.д. Как видно из табл.1, влияния таких помех на приёмники двух стандартов прямо противоположные.

5.9  ТВ сети

    Возможны два типа ЦТВ наземных сетей: одночастотная сеть (SFN, Single Frequency Network) и многочастотная сеть (МFN, Multi-Frequency Network). В SFN все передатчики работают на одной частоте. В MFN используются индивидуальные частоты для каждого передатчика в сети. Естественно, оба стандарта позволяют строить MFN, однако лишь в DVB-T эффективно реализуется SFN. В то же время в SFN может отсутствовать большая необходимость при широкомасштабном внедрении наземного ЦТВ в стране. При наличии SFN приёмник принимает сигналы от передатчиков, расположенных друг от друга на большом расстоянии. Эти сигналы аналогичны отражённым эхо-сигналам, задержка которых может превышать длительность ЗИ в DVB-T. Из-за не синхронности передатчиков во времени в приёмнике DVB-T между сигналами передатчиков имеет место как МСИ, так и МЧИ, и в целом подобные эхо-сигналы по своему действию близки к широкополосному шуму. В то же время, используя COFDM, принципиально возможно сделать синхронную SFN, в которой приёмнику гарантируется приход эхо-сигнала от соседнего передатчика с задержкой, не превышающей Dt. Более того, приёмник может даже «выбрать» лучший по мощности из этих двух сигналов. В DVB-T действительно разработана спецификация на такую сеть. Синхронная SFN в DVB-T позволяет использовать группу маломощных передатчиков взамен одного мощного, поскольку обеспечивает достаточно равномерное покрытие территории ТВ - сигналом и тем самым надёжный приём в любой её точке. (Эта ситуация аналогична освещению футбольного поля несколькими маломощными прожекторами взамен одного мощного.) Крупномасштабную синхронную SFN удаётся построить в режиме 8K, максимальное расстояние между передатчиками в которой значительно и доходит до 67 км при Dt/Tu =1/4. Такие сети целесообразно развёртывать в странах и регионах с большой плотностью населения. В режиме 2K удаётся сделать небольшую сеть местного масштаба с удалённостью передатчиков лишь до17 км. В обоих случаях следует учитывать, что построение такой сети телевещания весьма трудоёмко и требует высокоскоростной кабельной сети (PHD, SDH или ATM) для раздачи сигнала от телестудии синхронным наземным передатчикам. Кроме того, эти передатчики требуют и жёсткой частотной синхронизации, для реализации которой используются спутниковые GPS-приёмники. Ясно, что финансовые затраты могут быть значительны. Стандарт ATSC изначально не был ориентирован на построение SFN, поскольку в США запланирован широкомасштабный переход к ЦТВ во всех частотных каналах. В таких условиях более актуальной является задача обеспечения низкого взаимного влияния ЦТВ и АТВ, что реально и достигнуто (табл. 5.1, п.13, 14). Режим «одно частотности» в США более необходим для покрытия малонаселённых территорий, что достигается ретрансляцией с использованием профессиональных gap-fillers и демодуляторов. Работа такой SFN основана на простом факте низкого взаимного влияния ATSC-сигналов (табл. 5.1, п.15). При этом технической проблемой является «развязка» направленной приёмной и передающей антенн одночастотных ретрансляторов. Подобные несинхронные SFN реализованы и в DVB-T.

5.10  Мобильный прием

    Подобный приём можно рассматривать как оперативное средство доставки видеоинформации и данных клиенту (например, органам госбезопасности) независимо от его нахождения.  Стандарт DVB-T изначально не был ориентирован на мобильный ТВ приём.  Тем не менее, его гибкость в выборе параметров модуляции и кодирования позволила найти параметры надёжного приёма (табл. 5.1, п.12). В Европе уже был неоднократно продемонстрирован приём ЦТВ на штыревую антенну в легковой машине, автобусе и трамвае.  Относительно низкая скорость передачи информации при мобильном сервисе (около 8 Мб/с - соответственно одна SDTV-программа) требует выделения для него отдельного ТВ канала. Кроме того, мобильный сервис требует режим 2K и поэтому не может быть организован в рамках крупномасштабной синхронной SFN. Тем не менее, важно подчеркнуть, что модуляция COFDM на сегодняшний день позволяет качественно в наземном радиоканале передавать как аудио (DAB), так и видео (DVB-T) на мобильные приёмники (кстати,  приём на стационарную комнатную антенну — частный случай мобильного приёма при нулевой скорости приёмника). В настоящее время теле вещательные компании США негативно воспринимают невозможность мобильного приёма ATSC-сигнала при том, что мобильный прием NTSC-сигнала осуществляется достаточно устойчиво. Более того, сегодня для организации подобного сервиса в США обсуждается программа MMBS (Mobile Multimedia Broadcast Service) для полос частот 746-764 и 776-794 MHz, вещание в которых планируется организовать с использованием модуляции COFDM! Этот факт свидетельствует как об отсутствии гибкости стандарта, так и о непригодности цифровой VSB-модуляции для мобильного ТВ сервиса.

5.11  Телевизионный приёмник

В Европе наземное ЦТВ рассматривается как составная часть общего телекоммуникационного «контейнера» для передачи разнообразной информации. При этом речь о новых телевизорах для ЦТВ вообще не идёт, а разрабатывается интеллектуальное программно-управляемое устройство — set top box (STB), позволяющее принимать цифровые программы и данные от различных физических каналов, передача по которым осуществляется в соответствующем стандарте DVB: DVB-S (спутниковый канал), DVB-C (кабельный канал), DVB-T (наземный канал). Изображение выводится на обычный телевизор, звук — на любую стереосистему. Телезритель посредством операционной системы наподобие MS - Windows, встроенной в STB, получает возможность выбрать тот или иной сервис ЦТВ. Для этого разработана программная технология EroMHEG2, предусматривающая наличие у телезрителя обратного канала, в том числе и эфирного. Программа ЦТВ рассматривается как объект, наравне с такими объектами, как файлы рисунков и текстов, и предоставляет телезрителю простой способ доступа к ним, весьма напоминающий известную HTML-технологию для доступа к INTERNET-страницам. К настоящему времени ведущая английская вещательная компания BBC уже продемонстрировала такие возможности EroMHEG, как приём и отправка e-mail и факса, поиск в базах данных, возможность выбора камеры для просмотра футбольного матча, возможность голосования, сидя у экрана телевизора, выбор и покупка товаров по кредитной карте и т.п. Рынок STB рассчитан на платные услуги и предоставляет вещательным телекомпаниям дополнительные экономические рычаги без замены телевизоров. 

В США основной целью ЦТВ является HDTV. Поэтому стандартный ТВ канал теле вещательные компании используют для передачи одной HDTV-программы. Промышленностью налажен выпуск как новых дорогих HDTV-телевизоров с числом активных строк 1080, так и STB — по стоимости, примерно такой же, как и в Европе. Понятно, что при наличии HDTV-вещания функциональные возможности использования наземного канала для сервисных функций беднее, чем в Европе. Поэтому STB в США в большей степени играют роль приставки к старым телевизорам для просмотра канала ЦТВ в переходный период от АТВ к ЦТВ. Для реализации такой программы была решена задача вывода изображения стандартной чёткости через STB на обычный телевизор при приёме HDTV-программы. Такая задача в Европе не ставилась, и реально при переходе к HDTV-вещанию потребуется замена телевизоров.

 

5.12   Выводы

Такие возможности ЦТВ, как HDTV-вещание, построение крупномасштабной SFN и организация мобильного сервиса, не могут быть реализованы одновременно в обоих стандартах ЦТВ. Уязвимым местом обоих стандартов является приём на комнатные антенны.  При HDTV-вещании стандарт ATSC имеет выигрыш по мощности у DVB-T только при условии применения узконаправленных приёмных антенн.  Жёсткая ориентация ATSC на высокоскоростное HDTV-вещание сужает спектр его применения, а мобильный сервис вообще оказывается нереализуем.

Стандарт DVB-T, безусловно, более гибкий и предоставляет теле вещательным компаниям степень свободы в выборе скорости передачи информации, параметров модуляции и кодирования для организации как региональных ТВ сетей, так и сетей местного масштаба.  Низкоскоростные режимы, не обеспечивающие HDTV, могут быть использованы для увеличения дальности приёма без увеличения мощности передатчика, для улучшения приёма на комнатные антенны, а также для мобильного сервиса. Платой за эти возможности, естественно, является снижение числа передаваемых SDTV-программ в ТВ канале.  Финансовые затраты телезрителя главным образом определяются сервисом ЦТВ и слабо зависят от стандарта. Оценка затрат на оснащение и наземных передатчиков в России оборудованием ЦТВ требует предварительного проведения полевых испытаний.

Таблица 5.1 Сравнение ATSC и DVB-T

[Рисунки таблицы оптимизированы для распечатки]

Читать дальше

на главную страничку | оглавление