Техника и технология средств массовой информации/Телевидение/Технология

Цифровое телевидение–это «многоканальность, многовариантность доставки и мультимедийность. Это сложнейшая информационная среда». Цифровое телевидение позволяет значительно улучшить качество изображения на экранах телевизоров, увеличить количество каналов при тех же мощностях вещания. Современные системы телевизионного вещания развиваются в трех направлениях:

• первое направление — это рост числа индивидуальных установок спутникового телевизионного вещания (задействованы радиолинии);
• второе направление — внедрение широкополосных сетей кабельного телевидения, способных предоставить телезрителю до 100 и более ТВ-программ (волоконно-оптические кабельные линии);
• третье направление — внедрение и развитие наземного телевидения при реализации многоканальных микроволновых систем (медные кабельные линии).Предложенный в начале 90-х годов метод преобразования аналоговых сигналов в цифровые при высоком качестве изображения дал огромный импульс к развитию систем цифрового телевещания, и в каждом из трех выше перечисленных направлений наметилась устойчивая тенденция к переходу на цифровые методы передачи.

В своем развитии цифровое телевидение прошло ряд этапов. На каждом этапе сначала выполнялись научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, создавались экспериментальные устройства и системы, а затем принимались стандарты, как правило, международные, которые должны выполняться всеми организациями, ведущими телевизионное вещание и выпускающими видеопрограммы, и всеми фирмами-производителями аппаратуры. Международные стандарты принимаются в первую очередь Международной организацией по стандартизации (ISO). Для разработки стандартов в какой-либо области техники ISO создает рабочие группы. Первый этап развития цифрового телевидения — использование цифровой техники в отдельных частях телевизионной системы. Наиболее важным достижением данного этапа было создание полностью цифрового студийного оборудования. На выходе студийного оборудования цифровой сигнал преобразуется в аналоговую форму и передается по обычным каналам связи. Другое направление использования цифровой техники, характерное для первого этапа развития цифрового телевидения — введение цифровых блоков в телевизионные приемники с целью повышения качества изображения или расширения функциональных возможностей. Примерами таких блоков могут служить цифровые фильтры для разделения яркостных и цветоразностных сигналов, для уменьшения влияния шумов на изображение и для подавления эхо-сигналов. Широко известны также устройства для реализации функций «стоп-кадр» и «кадр в кадре», декодирования и воспроизведения на экране дополнительной информации, передаваемой по системе «Телетекст» и т. д. Второй этап развития цифрового телевидения — создание гибридных аналогово-цифровых телевизионных систем с параметрами, отличающимися от принятых в обычных стандартах телевидения. Можно выделить два основных направления изменений телевизионного стандарта: переход от одновременной передачи яркостного и цветоразностных сигналов к последовательной их передаче и увеличение числа строк в кадре и элементов изображения в строке. Примерами гибридных телевизионных систем могут служить японская система телевидения высокой четкости MUSE и западноевропейские системы семейства MAC.Третьим этапом развития цифрового телевидения можно считать создание полностью цифровых телевизионных систем. Первые предложения по полностью цифровым системам телевидения появились в 1990 году в Европе. В основе этих проектов лежали достижения в методах и технике эффективного кодирования и сжатии изображений. В мае 1993 года четыре группы компаний и исследовательских организаций, представлявших близкие по существу проекты, объединились в «Grande Alliance» и в дальнейшем представляли единый проект. Результаты всех исследований, проведенных с 1990 года по 2007, нашли отражение в нескольких стандартах. Обозначим наиболее важные из них. Для сжатия неподвижных изображений широко используется стандарт JPEG. Методы сжатия движущихся изображений и сигналов звукового сопровождения описаны в стандартах MPEG-1 и MPEG-2. В настоящее время системы цифрового телевидения, основанные на сжатии телевизионных сигналов по стандарту MPEG-2, быстро распространяются во многих странах. При этом в первую очередь решается задача значительного увеличения количества передаваемых программ телевидения обычного расширения, так как это дает быстрый коммерческий эффект. Цифровой телевизионный сигнал получается из аналогового телевизионного сигнала путем преобразования его в цифровую форму. Это преобразование включает следующие три операции.

• 1.Дискретизацию во времени, то есть замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала.
• 2.Квантование по уровню, заключающееся в округлении значения каждого отсчета до ближайшего уровня квантования.[6] Фиксированные уровни, к которым привязываются отсчеты, называются уровнями квантования. Дискретизированный и квантовый сигнал уже является цифровым.
• 3.Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше преобразовать в двоичную форму, при этом номер будет преобразован в кодовую комбинацию символов 0 или 1 (импульсно-кодовая модуляция). В результате кодирования (оцифровки) значение отсчета представляется в виде числа, соответствующего номеру полученного уровня квантования.

Все три операции выполняются в одном узле — аналого-цифровом преобразователе. Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым преобразователем. Как мы уже сказали, цифровая информация передается в виде последовательности двоичных символов — единиц и нулей. В результате действия шумов и помех отдельные двоичные символы могут быть приняты с ошибкой. Например, если уровень импульсного шума выходит за допустимые пределы, то возникает распад изображения на квадраты. Шумы квантования проявляются в виде цветных узоров, на плавных перепадах яркостей и пр. Причины возникновения ошибок [7]:

•  — действие шума, проявляющегося во входных каскадах приемной аппаратуры,
•  — индустриальные и атмосферные помехи,
•  — помехи, создаваемые радиопередатчиками.

Способами повышения помехоустойчивости являются увеличение мощностей передатчика, увеличение усиления антенны, применение малошумящих усилителей в приемнике, помехоустойчивое кодирование. С помощью цифровой фильтрации в телевидении решаются задачи уменьшения влияния шумов и помех, разделение сигналов яркости и цветности, повышение субъективного качества изображения и т. д. Система цифрового подавления шумов автоматически убирает все дефекты: «эффект снега» — черные и белые точки на экране, неравномерную яркость, размытость цветовых тонов и др. В наиболее благоприятных условиях с точки зрения обеспечения помехоустойчивости находятся кабельные телевизионные системы, потому что они защищены от действия атмосферных и индустриальных помех. Источник аналоговых телевизионных сигналов формирует яркостный сигнал и цветоразностные сигналы, которые поступают на АЦП видео, где преобразуются в цифровую форму. В следующей части системы, называемой кодером видео, осуществляется эффективное кодирование видеоинформации с целью уменьшения скорости передачи двоичных символов в канале связи. Силы звукового сопровождения также преобразуются в цифровую форму. Кодированные данные изображения и звука, а также различная дополнительная информация объединяются в мультиплексоре в единый поток данных. Суть мультиплексирования в цифровом телевидении состоит в следующем: единый поток данных компонуется из пакетов с деталями одной или более телевизионных программ. Именно такой сигнал передается затем на модулятор кабельной линии передачи, спутниковый транспондер или модулятор несущей в системе наземной трансляции. Таким образом, одна несущая может использоваться для нескольких цифровых телевизионных каналов. В кодере канала выполняется еще одно кодирование передаваемых данных, имеющее целью повышение помехоустойчивости. В приемной части системы осуществляется демодуляция принятого высокочастотного сигнала и декодирование канального кодирования. Затем в демультиплексоре поток данных разделяется на данные изображения, звука и дополнительную информацию. Из нескольких копий составляется одна. После этого выполняется декодирование данных. В результате на выходе декодера изображения получаются яркостный и цветоразностный сигналы в цифровой форме, которые преобразуются в аналоговую форму в ЦАП и подаются на монитор. На выходе декодера звука получаются сигналы звукового сопровождения, также преобразуемые в аналоговую форму. Таким образом, сигнал должен пройти следующую стадии обработки, чтобы попасть на экран телевизора [8]: Предварительная аналоговая обработка, кодирование и компрессия, канальное кодирование, модуляция, демодуляция, канальное декодирование, декодирование и преобразование в аналоговую форму, аналоговая обработка Благодаря успехам технологий сжатия цифровых сигналов цифровое телевидение способно обходиться более узкой полосой передач. Можно сказать, что именно технологии сжатия (компрессии) данных лежат в основе цифрового телевидения. Полоса, отводимая раньше одному аналоговому каналу, теперь достаточна для передачи сразу нескольких цифровых каналов. Сегодня цифровые системы обеспечивают широкоформатный экран, чтобы сделать просмотр приятным для зрителя. Остановились на промежуточной величине относительной ширины кадра — 16:9. Цифровое телевидение кроме широкого экрана обеспечивает и кинематографический звук. Наибольшее различие между европейскими и американскими цифровыми телевизионными системами лежат именно в кодировании звука, а не в изображении. Европейский проект выбрал кодирование звука по стандартам MPEG, в американской же структуре используется система АС-3.