Цифровое телевидение

Карта со цифрового наземного телевидения. стандартами

Цифровое телевидение ( ЦТВ ) — это передача телевизионных сигналов с использованием цифрового кодирования, в отличие от более ранней технологии аналогового телевидения , в которой использовались аналоговые сигналы . На момент разработки это считалось инновационным достижением и представляло собой первую значительную эволюцию телевизионных технологий со времен цветного телевидения 1950-х годов. Современное цифровое телевидение передается в формате телевидения высокой четкости (HDTV) с большим разрешением, чем аналоговое телевидение. Обычно используется широкоэкранное соотношение сторон (обычно 16:9 ) в отличие от более узкого формата ( 4:3 ) аналогового телевидения. Это позволяет более экономно использовать ограниченное пространство радиоспектра ; он может передавать до семи каналов в той же полосе пропускания, что и один аналоговый канал, и предоставляет множество новых функций, недоступных аналоговому телевидению. Переход от аналогового телевещания к цифровому начался примерно в 2000 году. В разных частях мира были приняты разные стандарты цифрового телевещания; ниже приведены наиболее широко используемые стандарты:

• Цифровое видеовещание (DVB) использует модуляцию кодированного мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) и поддерживает иерархическую передачу. Этот стандарт принят в Европе, Африке, Азии и Австралии, в общей сложности примерно в 60 странах.
• Стандарт Advanced Television System Committee (ATSC) использует восьмиуровневую рудиментарную боковую полосу ( 8VSB ) для наземного вещания. Этот стандарт принят 9 странами: США, Канадой, Мексикой, Южной Кореей, Багамскими островами, Ямайкой, Доминиканской Республикой, Гаити и Суринамом.
• Цифровое вещание с интеграцией служб (ISDB) — это система, предназначенная для обеспечения хорошего приема на стационарные приемники, а также на портативные или мобильные приемники. Он использует OFDM и двумерное перемежение. Он поддерживает иерархическую передачу до трех слоев и использует видео MPEG-2 и расширенное кодирование звука . Этот стандарт принят в Японии и на Филиппинах. ISDB-T International представляет собой адаптацию этого стандарта с использованием H.264/MPEG-4 AVC , который принят в большинстве стран Южной Америки , а также в Ботсване и Анголе .
• Цифровое наземное мультимедийное вещание (DTMB) использует синхронную во временной области (TDS) технологию OFDM с псевдослучайным сигнальным кадром, который служит защитным интервалом (GI) блока OFDM и обучающим символом. Стандарт DTMB принят в Китае, включая Гонконг и Макао.
• Цифровое мультимедийное вещание (DMB) — технология цифровой радиопередачи, разработанная в Южной Корее. в рамках национального проекта информационных технологий для отправки мультимедиа, такого как телевидение, радио и передача данных, на мобильные устройства, такие как мобильные телефоны, ноутбуки и системы GPS-навигации.

История

Предыстория

Корни цифрового телевидения связаны с доступностью недорогих, высокопроизводительных компьютеров . Лишь в 1990-х годах цифровое телевидение стало реальной возможностью. Раньше цифровое телевидение было практически неосуществимо из-за непрактично высоких пропускной способности требований к несжатого видео . требуется около 200   Мбит/с для сигнала телевидения стандартной четкости (SDTV), и более 1   Гбит/с для телевидения высокой четкости (HDTV).

Развитие

В середине 1980-х годов Toshiba выпустила телевизор с цифровыми возможностями, в котором использовались интегральные микросхемы , такие как микропроцессор, для преобразования сигналов аналогового телевизионного вещания в цифровые видеосигналы , что позволяло использовать такие функции, как стоп-кадр изображения и показ двух каналов одновременно . В 1986 году Sony и NEC Home Electronics анонсировали собственные аналогичные телевизоры с возможностями цифрового видео. Однако они по-прежнему полагались на сигналы аналогового телевещания, а настоящее цифровое телевещание в то время еще не было доступно.

Служба цифрового телевещания была предложена в 1986 году компанией Nippon Telegraph and Telephone (NTT) и Министерством почты и телекоммуникаций (MPT) в Японии, где планировалось разработать услугу «Интегрированной сетевой системы». Однако практически реализовать такую ​​услугу цифрового телевидения было невозможно до тех пор, пока с появлением форматов сжатия видео DCT с компенсацией движения, таких как MPEG . в начале 1990-х годов это не стало возможным

В середине 1980-х годов, когда японские компании по производству бытовой электроники продвинулись вперед в разработке технологии HDTV , а аналоговый формат MUSE был предложен японской общественной телерадиовещательной компанией NHK в качестве мирового стандарта. Японские достижения рассматривались как лидеры, которые угрожали затмить американские компании по производству электроники. До июня 1990 года японский стандарт MUSE, основанный на аналоговой системе, был фаворитом среди более чем 23 различных технических концепций, находящихся на рассмотрении.

В период с 1988 по 1991 год несколько европейских организаций работали над DCT цифрового видео на основе стандартами кодирования как для SDTV, так и для HDTV. В рамках проекта EU 256, организованного CMTT и ETSI , наряду с исследованиями итальянской телекомпании RAI DCT , был разработан видеокодек , который транслирует SDTV со скоростью 34   Мбит/с и HDTV почти студийного качества со скоростью около 70–140   Мбит/с. RAI продемонстрировал это в трансляции чемпионата мира по футболу 1990 года в марте 1990 года. Американская компания General Instrument также продемонстрировала возможность цифрового телевизионного сигнала в 1990 году. Это привело к тому, что Федеральную комиссию по связи убедили отложить принятие решения по усовершенствованному стандарту телевидения (ATV) до тех пор, пока не будет разработан цифровой стандарт.

В марте 1990 года, когда стало ясно, что цифровой стандарт возможен, FCC приняла ряд важных решений. Во-первых, Комиссия заявила, что новый телевизионный стандарт должен представлять собой нечто большее, чем просто улучшенный аналоговый сигнал , но быть в состоянии обеспечить настоящий сигнал HDTV с разрешением, по крайней мере, в два раза превышающим разрешение существующих телевизионных изображений. Затем, чтобы гарантировать, что зрители, которые не хотели покупать новый цифровой телевизор, могли продолжать принимать обычные телепередачи, было предписано, что новый стандарт ATV должен обеспечивать возможность одновременной трансляции на разных каналах. Новый стандарт ATV также позволил новому сигналу DTV основываться на совершенно новых принципах проектирования. Хотя новый стандарт DTV несовместим с существующим стандартом NTSC, он сможет включать в себя множество улучшений.

Окончательный стандарт, принятый FCC, не создал универсального стандарта для форматов сканирования, соотношений сторон или разрешения строк. Этот результат стал результатом спора между индустрией бытовой электроники (к которой присоединились некоторые вещательные компании) и компьютерной индустрией (к которой присоединились киноиндустрия и некоторые группы общественных интересов) по поводу того, какой из двух процессов сканирования — чересстрочный или прогрессивный — лучше. Чересстрочная развертка, которая используется в телевизорах по всему миру, сначала сканирует четные строки, а затем нечетные. Прогрессивное сканирование, формат, используемый в компьютерах, сканирует строки последовательно сверху вниз. Компьютерная индустрия утверждала, что прогрессивная развертка лучше, потому что она не мерцает , как чересстрочная развертка. В нем также утверждалось, что прогрессивная развертка упрощает подключение к Интернету и дешевле конвертируется в чересстрочные форматы, чем наоборот. Киноиндустрия также поддерживает прогрессивную развертку, поскольку она предлагает более эффективные средства преобразования снятых программ в цифровые форматы. Со своей стороны, индустрия бытовой электроники и телевещательные компании утверждали, что чересстрочная развертка была единственной технологией, которая могла передавать изображения самого высокого качества, которое было возможно тогда (и в настоящее время), т.е. 1080 строк на изображение и 1920 пикселей на строку. Вещательные компании также отдавали предпочтение чересстрочной развертке, поскольку их обширный архив чересстрочных программ не всегда совместим с прогрессивным форматом.

Первые запуски

DirecTV в США запустила первую коммерческую цифровую спутниковую платформу в мае 1994 года, используя стандарт цифровой спутниковой системы (DSS). Цифровое кабельное вещание было протестировано и запущено в США в 1996 году компаниями TCI и Time Warner . Первая цифровая наземная платформа была запущена в ноябре 1998 года под названием ONdigital в Великобритании и использовала стандарт DVB-T .

Техническая информация

Форматы и пропускная способность

Сравнение качества изображения ISDB-T (трансляция 1080i, вверху) и NTSC (передача 480i, внизу)

Цифровое телевидение поддерживает множество различных форматов изображения, определяемых системами вещательного телевидения , которые представляют собой комбинацию размера и соотношения сторон (отношения ширины к высоте).

В цифровом наземном телевещании (DTT) диапазон форматов можно в общих чертах разделить на две категории: телевидение высокой четкости (HDTV) для передачи видео высокой четкости и телевидение стандартной четкости (SDTV). Эти термины сами по себе не очень точны, и существует множество тонких промежуточных случаев.

Одним из нескольких различных форматов HDTV, которые могут передаваться через DTV, является: 1280 × 720 пикселей в режиме прогрессивной развертки (сокращенно 720p ) или 1920 × 1080 пикселей в чересстрочного видео режиме ( 1080i ). Каждый из них использует соотношение сторон 16:9 . HDTV не может передаваться по аналоговым телевизионным каналам из-за проблем с пропускной способностью канала .

Для сравнения: SDTV может использовать один из нескольких различных форматов, имеющих различные соотношения сторон в зависимости от технологии, используемой в стране вещания. NTSC может обеспечить разрешение 640×480 при соотношении сторон 4:3 и 854×480 при соотношении сторон 16:9 , тогда как PAL может обеспечить разрешение 768×576 при соотношении сторон 4:3 и 1024×576 при соотношении сторон 16:9 . Однако вещательные компании могут уменьшить эти разрешения, чтобы уменьшить скорость передачи данных (например, многие каналы DVB-T в Великобритании используют горизонтальное разрешение 544 или 704 пикселей на строку).

Каждому коммерческому каналу наземного телевидения DTV в Северной Америке выделена достаточная полоса пропускания для вещания со скоростью до 19 мегабит в секунду. Однако вещательной компании не обязательно использовать всю эту полосу пропускания только для одного канала вещания. Вместо этого вещание может использовать протокол программной и системной информации и разделяться на несколько видеоподканалов ( невидеоданных также известных как каналы) различного качества и степени сжатия, включая услуги передачи .

Вещательная компания может предпочесть использовать цифровой сигнал стандартной четкости (SDTV) вместо сигнала HDTV полосу пропускания канала цифрового телевидения (или « мультиплекса , поскольку действующая конвенция позволяет разделить ») на несколько цифровых подканалов (аналогично тому, как это происходит в большинстве случаев). FM- радиостанции предлагают HD-радио ), обеспечивая несколько передач совершенно разных телевизионных программ на одном канале. Эту возможность предоставлять либо один канал HDTV, либо несколько каналов с более низким разрешением часто называют распределением битового бюджета или многоадресной передачей. Иногда это можно организовать автоматически, используя статистический мультиплексор . В некоторых реализациях разрешение изображения может быть менее напрямую ограничено полосой пропускания; например, в DVB-T вещатели могут выбирать из нескольких различных схем модуляции, что дает им возможность снизить скорость передачи данных и облегчить прием для более отдаленных или мобильных зрителей.

Прием

Есть несколько различных способов приема цифрового телевидения. Одним из старейших способов приема цифрового телевидения (и телевидения в целом) является использование наземных передатчиков с использованием антенны (известной в некоторых странах как антенна ). Этот метод доставки известен как цифровое наземное телевидение (DTT). При использовании DTT зрители ограничены каналами, в зоне действия антенны которых находится наземный передатчик.

Другие способы доставки включают цифровое кабельное и цифровое спутниковое телевидение . В некоторых странах, где передача телевизионных сигналов обычно осуществляется с помощью микроволн , служба цифрового многоканального многоточечного распределения используется . Другие стандарты, такие как цифровое мультимедийное вещание (DMB) и цифровое видеовещание (DVB-H), были разработаны, чтобы позволить портативным устройствам, таким как мобильные телефоны, принимать телевизионные сигналы. Другой способ — телевидение по интернет-протоколу (IPTV), то есть доставка телепередач по компьютерной сети. Наконец, альтернативным способом является прием цифровых телевизионных сигналов через открытый Интернет ( интернет-телевидение ), будь то центральный потоковый сервис или P2P (одноранговая) система.

Некоторые сигналы защищены шифрованием и подкреплены силой закона в соответствии с Договором ВОИС по авторскому праву и национальным законодательством, его реализующим, например Законом США об авторском праве в цифровую эпоху . Доступ к зашифрованным каналам можно контролировать с помощью съемной карты, например через Common Interface или CableCard .

Параметры защиты

Сигналы цифрового телевидения не должны мешать друг другу, а также должны сосуществовать с аналоговым телевидением до тех пор, пока оно не будет прекращено. В следующей таблице приведены допустимые соотношения сигнал/шум и сигнал/помеха для различных сценариев помех. Эта таблица является важнейшим нормативным инструментом для контроля размещения и уровня мощности станций. Цифровое телевидение более устойчиво к помехам, чем аналоговое телевидение.

Параметры системы (коэффициенты защиты)	Канада	НАС	ЕВС ITU-mode M3	Япония и Бразилия
C/N для канала AWGN	+19,5 дБ (16,5 дБ )	+15,19 дБ	+19,3 дБ	+19,2 дБ
Совместное преобразование цифрового телевидения в аналоговое телевидение	+33,8 дБ	+34,44 дБ	+34 ≈37 дБ	+38 дБ
Совместное преобразование аналогового телевидения в цифровое телевидение	+7,2 дБ	+1,81 дБ	+4 дБ	+4 дБ
Совместное преобразование ЦТВ в ЦТВ	+19,5 дБ (16,5 дБ )	+15,27 дБ	+19 дБ	+19 дБ
Нижний соседний канал DTV в аналоговое телевидение	−16 дБ	−17,43 дБ	−5 ~ −11 дБ	−6 дБ
Верхний соседний канал DTV в аналоговое телевидение	−12 дБ	−11,95 дБ	−1 ~ −10	−5 дБ
Нижний соседний канал аналогового телевидения в цифровое телевидение	−48 дБ	−47,33 дБ	−34 ~ −37 дБ	−35 дБ
Верхний соседний канал аналогового телевидения в цифровое телевидение	−49 дБ	−48,71 дБ	−38 ~ −36 дБ	−37 дБ
Нижний соседний канал DTV в DTV	−27 дБ	−28 дБ	−30 дБ	−28 дБ
Верхний соседний канал DTV в DTV	−27 дБ	−26 дБ	−30 дБ	−29 дБ

Взаимодействие

Люди могут взаимодействовать с системой цифрового телевидения по-разному. Можно, например, просмотреть электронную программу передач . Современные системы ЦТВ иногда используют обратный путь, обеспечивающий обратную связь от конечного пользователя к вещательной компании. Это возможно через кабельное телевидение или подключение к Интернету, но невозможно только с помощью стандартной антенны.

Некоторые из этих систем поддерживают видео по запросу, используя канал связи, локализованный в районе, а не в городе (наземный) или даже на большей территории (спутниковый).

1 сегмент

1seg (1-сегмент) — это особая форма ISDB . Каждый канал дополнительно разделен на 13 сегментов. Двенадцать выделены для телевидения высокой четкости , а остальные — для узкополосных приемников, таких как мобильные телевизоры и сотовые телефоны .

Сравнение с аналогом

ЦТВ имеет ряд преимуществ перед аналоговым телевидением , наиболее важным из которых является то, что цифровые каналы занимают меньшую полосу пропускания, а распределение полосы пропускания является гибким в зависимости от уровня сжатия и разрешения передаваемого изображения. Это означает, что цифровые вещательные компании могут предоставлять больше цифровых каналов в одном и том же пространстве, предоставлять услуги телевидения высокой четкости или предоставлять другие нетелевизионные услуги, такие как мультимедиа или интерактивность. ЦТВ также допускает специальные услуги, такие как мультиплексирование (более одной программы на одном канале), электронные программы передач и дополнительные языки (разговорные или с субтитрами). Продажа нетелевизионных услуг может стать дополнительным источником дохода для вещательных компаний.

Цифровые и аналоговые сигналы по-разному реагируют на помехи. Например, распространенные проблемы аналогового телевидения включают двоение изображения, шум от слабых сигналов и другие проблемы, которые ухудшают качество изображения и звука, хотя программный материал все равно можно смотреть. В цифровом телевидении из-за эффекта обрыва прием цифрового сигнала должен быть почти полным; в противном случае ни аудио, ни видео будут недоступны.

Аналоговое телевидение началось с монофонического звука, а затем развилось многоканальное телевизионное звучание с двумя независимыми каналами аудиосигнала. DTV позволяет использовать до 5 каналов аудиосигнала плюс низкочастотный канал сабвуфера, обеспечивая качество вещания, аналогичное кинотеатрам и DVD.

Для передачи и приема сигналов цифрового телевидения требуется меньшая мощность передачи, чем сигналов аналогового телевидения.

Артефакты сжатия, мониторинг качества изображения и

Изображения DTV имеют некоторые дефекты изображения, которых нет в аналоговом телевидении или кинофильмах из-за современных ограничений скорости передачи данных и алгоритмов сжатия, таких как MPEG-2 . Этот дефект иногда называют комариным шумом .

В силу особенностей работы зрительной системы человека дефекты изображения, локализованные на отдельных его чертах или возникающие и исчезающие, более заметны, чем однородные и постоянные дефекты. Однако система ЦТВ спроектирована таким образом, чтобы воспользоваться другими ограничениями зрительной системы человека и помочь замаскировать эти недостатки, например, допуская больше артефактов сжатия во время быстрого движения, когда глаз не может их так легко отслеживать и разрешать, и, наоборот, минимизируя артефакты в неподвижные фоны, которые, если позволяет время, можно внимательно рассмотреть в сцене.

Операторы цифрового вещания, кабельного, спутникового и Интернет-телевидения контролируют качество изображения кодеров телевизионного сигнала с помощью сложных нейробиологических алгоритмов, таких как инструмент измерения качества видео с помощью показателя структурного индекса сходства (SSIM). Другой инструмент под названием Visual Information Fidelity (VIF) используется в системе мониторинга качества видео Netflix VMAF .

Эффекты квантования могут создавать контуры, а не плавные градации, на участках с небольшими изменениями амплитуды. Обычно очень плоская сцена, например безоблачное небо, имеет видимые ступеньки на своем пространстве, часто в виде концентрических кругов или эллипсов. Это известно как цветные полосы . Подобные эффекты можно увидеть в очень темных сценах, где на настоящий черный фон накладываются темно-серые области. Эти переходы могут быть плавными или могут проявлять эффект рассеяния , поскольку цифровая обработка сглаживает и не может последовательно выделить значение либо абсолютного черного, либо следующего шага вверх по шкале серого.

Последствия

Изменения в приеме сигнала из-за таких факторов, как ухудшение качества подключения антенны или изменение погодных условий, могут постепенно снижать качество аналогового телевидения. Характер цифрового телевидения изначально приводит к идеально декодируемому видео, пока приемное оборудование не начнет улавливать помехи, которые подавляют полезный сигнал, или пока сигнал не станет слишком слабым для декодирования. Некоторое оборудование будет показывать искаженное изображение со значительными повреждениями, в то время как другие устройства могут сразу перейти от идеально декодируемого видео к полному отсутствию видео или зависнуть. Это явление известно как эффект цифрового обрыва.

Ошибки блоков могут возникнуть, если передача осуществляется со сжатыми изображениями. Ошибка блока в одном кадре часто приводит к появлению черных ящиков в нескольких последующих кадрах, что затрудняет просмотр.

В удаленных местах удаленные каналы, которые в качестве аналоговых сигналов ранее можно было использовать в заснеженном и ухудшенном состоянии, могут, как цифровые сигналы, быть полностью декодируемыми или могут стать полностью недоступными. Использование более высоких частот усугубляет эти проблемы, особенно в тех случаях, когда прямая видимость от приемной антенны до передатчика невозможна, поскольку обычно сигналы более высоких частот не могут так легко проходить через препятствия.

на старую

Телевизоры, оснащенные только аналоговыми тюнерами, не могут декодировать цифровые передачи. Когда аналоговое вещание в эфире прекращается, пользователи телевизоров с аналоговыми тюнерами могут использовать другие источники программирования (например, кабельное, записанные носители) или могут приобрести телевизионные преобразователи для настройки на цифровые сигналы. В Соединенных Штатах был доступен спонсируемый правительством купон, компенсирующий стоимость внешнего преобразователя.

Переход на цифровое телевидение начался примерно в конце 1990-х годов и был завершен в каждой стране в большинстве стран мира.

Исчезновение ТВ-аудиоресиверов

До перехода на цифровое телевидение аналоговое телевидение транслировало звук для телеканалов на отдельном несущем FM-сигнале от видеосигнала. Этот FM-аудиосигнал можно было услышать с помощью стандартных радиоприемников, оснащенных соответствующими схемами настройки.

Однако после перехода на цифровое телевидение ни один производитель портативных радиоприемников еще не разработал альтернативный метод, позволяющий портативным радиоприемникам воспроизводить только аудиосигнал цифровых телеканалов; Радио ЦТВ – это не одно и то же.

проблемы

Принятие стандарта вещания, несовместимого с существующими аналоговыми приемниками, создало проблему отказа от большого количества аналоговых приемников. В 2009 году процитировали слова одного суперинтенданта общественных работ; «Некоторые исследования, которые я читал в отраслевых журналах, говорят, что до четверти американских домохозяйств могут выбросить телевизор в ближайшие два года после изменения правил». В Мичигане в 2009 году один переработчик подсчитал, что примерно каждое четвертое домохозяйство выкинет или переработает телевизор в следующем году. Переход на цифровое телевидение, переход на телевизионные приемники высокой четкости и замена ЭЛТ плоскими экранами — все это факторы, способствующие увеличению количества выброшенных из обращения аналоговых телевизионных приемников на основе ЭЛТ. В 2009 году около 99 миллионов аналоговых ТВ-приемников стояли неиспользованными в домах только в США, и хотя некоторые устаревшие приемники модернизируются преобразователями, многие другие просто выбрасываются на свалки, где они представляют собой источник токсичных металлов, таких как свинец . а также меньшее количество таких материалов, как барий , кадмий и хром .

См. также

• Авторолл
• Цифровое телевидение в Соединенном Королевстве
• Цифровое телевидение в США
• Преобразование текста в речь в цифровом телевидении

Дальнейшее чтение

• Харт, Джеффри А. , Телевидение, технологии и конкуренция: HDTV и цифровое телевидение в США, Западной Европе и Японии , Нью-Йорк: Cambridge University Press, 2004. ISBN   0-521-82624-1
• Обзор развития цифрового телевидения во всем мире. Труды IEEE , VOL. 94, НЕТ. 1 ЯНВАРЯ 2006 г. ( Техасский университет в Сан-Антонио )

Внешние ссылки

• Веб-сайт Федеральной комиссии связи США по цифровому телевидению, ориентированный на потребителя. Архивировано 23 июля 2011 г. на Wayback Machine.