BC/NW 2015 № 2 (27):12.2

МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЦИФРОВОГО И АНАЛОГОВОГО ТЕЛЕВЕЩАНИЯ

Мизинов С.В. Русинов С.Г. Добряков П.С. Нефедов Е.Ю.

Вот уже более пятидесяти лет неотъемлемой часть нашей повседневной жизни является телевидение. Как оно формируется и как именно к вам приходит телевизионная картинка?

Первым этапом формирования канала является студийная сборка потока из множества студийных и нестудийных источников. В сетях распространения телевизионных потоков внутри студий, а также на межстудийных и иных технологических магистралях используется стандарт SDI, разработанный специально для использования в этих целых. Он позволяет организовывать перемещение видеопотоков в несжатом виде с расширенной цветовой палитрой в 10 бит на цвет с включением до 16 раздельных аудиопотоков.

Для наиболее полного отображения студийной структуры возьмём схему студийного формирования одного из крупнейших телеканалов страны – телеканала «Рен» (Рис. 1). В силу того, что концепция вещания данного телеканала подразумевает показ как заранее подготовленного материала, такого как сериалы, так и показ выпусков новостей с возможностью ведения прямого эфира, вводятся сервера воспроизведения подготовленного контента из хранилища и SDI-шлюзы, принимающие потоки из различных внешних источников, приводя их к SDI-формату. Блок коммутации производит переключение источников при наступлении соответствующих временны́х событий.

Рис. 1 Схема студийного формирования телеканала «Рен»

Затем поток подаётся на сервера графики, которые производят наложение графического оформления канала, такого как логотип канала, накладные информационные блоки, всплывающие рекламные блоки и тому подобное. После этого поток канала можно считать сформированным и он отправляется в дальнейшие сети распространения.

Для обеспечения беспрерывности телеэфира в случае нарушения функционирования какого-либо из студийных компонентов производится их полное резервирование с автоматическим горячим переключением, причём формирование эфира ведётся непрерывно на обоих трактах, основном и запасном.

Для обеспечения покрытия эфиром наибольшей части территории страны, формируется несколько версий телеканала с различным временны́ми сдвигами. Подробнее об этом рассказано ниже.

 

После формирования, будучи поданным в межстудийную сеть распространения, поток становится доступен в подключённых к сети телецентрах. В случае москосвкой сети, к ней подключены телецентры на Шаболовке, в Останкино, в Сколково, в Щёлково и иные.

В телецентрах из множества доступных каналов формируются наборы, называемые мультиплексами. Данные наборы подготавливаются к вещанию, перекодируются в малозатратные в плане занимаемой полосы передач форматы, и вещаются в едином нераздельном потоке. В чём же заключается формирование мультиплекса? В минимальном наборе телеканал представляет собой параллельно идущие видео- и аудиопотоки, однако во многих случаях данный набор расширен дополнительными аудиопотоками (например, если вещание производится на нескольких языках), а также потоком телетекста, содержащего скрытые субтитры. Видео- и аудипотоки подвергаются перекодировке из студийных либо специальных магистральных форматов в стандартизированные форматы с использованием видеокодеков Mpeg2, Mpeg4/h264 и h265 и аудиокодеков mpeg1 layer 2, AC3 и AAC. Имея в подготовленном виде перекодированные каналы в виде множества элементарных потоков их требуется собрать в единый цифровой поток, называемый транспортным потоком (transport stream).

Структура потока MPEG TS такова: телевизионный поток, состоящий из видеопотоков, сопровождаемые  звуковыми дорожками, рассматривается как набор независимых потоков, идущих параллельно друг с другом. Такие потоки, называются элементарными потоками. Каждому такому элементарному потоку присваивается персональный номер. Набор элементарных потоков, полностью представляющих возможность просмотра эфира того или иного телеканала называется программой. В рамках одного TS-потока может предоставляться доступ к одной либо нескольким программам.

Данные каждого потока инкапсулируются в пакеты размером в 188 байт, содержащие часть передаваемых данных. Множество таких пакетов, содержащих данные различных элементарных потоков, собираются в последовательность друг за другом в равной степени перемешиваясь, и такой поток пакетов и является TS-потоком. Схематичный пример представлен на рисунке 2.

 

Рис. 2        Схема инкапсуляции в пакеты

Каждый отдельный пакет имеет следующую структуру: пакет состоит из заголовка, полезных данных и, опционально, дополнительного поля.

В начале пакета указывается его заголовок со следующим набором полей:

- 1 байт со значением 0х47. Это синхронизационный байт, который также обозначает начало пакета.

- три бита флагов. Первый флаг указывает, были ли проблемы при передаче данного пакета. Второй флаг показывает, является содержимое данного пакета той или иной технической таблицей, описывающей иные элементарные потоки. Третий флаг показывает, имеет ли данный пакет приоритет при передаче над другими пакетами.

- 13 бит, содержащих в себе номер элементарного потока (packet ID, PID), данные которого содержит этот пакет.

- двухбитовых флаг, показывающий, зашифрован ли данный пакет, и, если да, то чётным или  нечётным из пары ключей.

- двухбитовый флаг, показывающий, присутствует ли в данном пакете дополнительное поле, поле адаптации.

- четырёхбитный непрерывный циклический счётчик.

Стандарт TS-потока подразумевает, что среди множества элементарных потоков обязан присутствовать набор таблиц, описывающий номера элементарных потоков, типы данных, которые в них содержатся, правила получения данных условного доступа и иные данные, необходимые для правильной работы с набором элементарных потоков на стороне получателя.  Также существует возможность при необходимости поддержания скорости передачи данных полного TS-потока в определённых рамках включения в поток элементарного потока с номером 0х1FFF, содержащего нулевые данные.

Сформированный транспортный поток является подготовленным потоком, подходящим для кабельного, спутникового и наземного цифрового вещания и предназначается для получения конечным потребителем.

Существующие технические реализации каналов распространения

1.    Спутниковое вещание.

Одним из способов распространения цифрового телевидения является его вещание с помощью искусственных спутников Земли. Основным принципом данного распространения служит ретрансляция сигнала с помощью геостационарного спутника, находящегося на орбите Земли на высоте около 36 000 километров от Земли. Для данного способа распространения цифровой траспортный поток модулируется на свою несущую частоту с помощью фазовой манипуляции (phase-shift keying, PSK).

Данный способ модуляции сигнала применяется именно для цифровых дискретных бинарных сигналов и его принцип заключается в следующем: заранее подготовленный поток цифровых данных разбивается на блоки по одному либо несколько бит, после чего несущая частота меняет свою фазу в соответствии со следующим блоком данных (рис. 3).

Рис. 3 Фазовая манипуляция сигнала

В цифровой поток перед модуляцией для уменьшения ошибок передачи вносятся данные для исправления ошибок в виде дополнительного передаваемого блока данных, вставляемого после нескольких блоков полезных данных.

В случае разбиения потока на блоки по N бит возможных состояний блока оказывается . Название конкретной модуляции даётся в соответствии с количеством возможных состояний блока: в случае однобитного блока модуляция называется binary PSK (BPSK), двухбитного – quadroPSK (QPSK), трёхбитного и выше – 8PSK, 16PSK, 32PSK и т.д.

Т.о., если каждое преломление несущей представить в виде угла отклонения от нулевого состояния, поскольку несущей для модулируемого сигнала является синусоида, для модуляций BPSK, QPSK и 8PSK «созвездия» передаваемых сигналов будут выглядеть в соответствии с рисунками 4-6.

Рис. 4	Рис. 5	Рис. 6

Однобитные, двухбитные, трехбитные блоки модуляции

Положительным качеством данного способа распространения является обширная территория распространения, вплоть до полных континентов. Из отрицательных качеств можно выделить необходимость лицензирования данного вещания, зависимость от погодных условий на приёмной и передающей стороне, требование к установке специального приёмного оборудования и отсутствие либо крайняя дороговизна обратного канала.

 

2.  Наземное кабельное вещание.

Другим способом доставки цифровых потоков к конечному получателю является его распространение через кабельные сети.

Для распространения используется кабельная инфраструктура, расположенная в зданиях. В данном случае идея предоставления цифрового сигнала тоже заключается в модулировании цифрового потока в аналоговый сигнал с использованием квадратурной амплитудной модуляции.

Принцип квадратурной амплитудной модуляции заключается, как и в случае с фазовой манипуляцией, в оперировании фазовым сдвигом несущей, но при этом учитывается её мощность. В таком случае количество возможных точек на «созвездии» резко возрастает (рис. 7), что повышает требования к качеству среды распространения, из-за чего данная технология может работать с ошибками в тех местах, где кабельная инфраструктура находится в изношенном состоянии, особенно при использовании модуляции 256QAM.

Рис. 7 Принцип квадратурной амплитудной модуляции

Из положительных качеств выделяются независимость от погодных условий, из отрицательных качеств стоит упомянуть необходимость получения лицензии на данную деятельность, прихотливость к качеству кабельной инфраструктуры и отсутствие обратного канала.

3.    Цифровое наземное телевещание

Ещё одним способом распространения цифрового телевизионного потока является цифровое наземное телевещание.

В наземном цифровом телевещании применяются вышеупомянутые модуляции сигнала QPSK, 16QAM и 64QAM. Данный способ распространения сложен в

организации по причине использования наземного радиоэфира в качестве среды распространения сигнала, что требует получения лицензии. Из положительных качеств                        Рис. 7

данного метода вещания можно упомянуть отсутствие требования к установке крупногабаритных приёмных устройств либо прокладке кабельной сети у получателя т.к. возможность приёма данного вещания имеется во многих современных устройствах.

         Способы ограничения доступа к просмотру каналов

         Многие модели распространения телевидения в цифровом виде подразумевают ограничение возможности просмотра того или иного канала для всех с обеспечением возможности просмотра для ограниченного выделенного круга лиц. Стандарт DVB обеспечивает следующий механизм функционирования условного просмотра: клиенту, которому требуется получать доступ к каналу, выдаётся специальная карта с предустановленной микросхемой, содержащей специальное программное обеспечение. Вещатель на своей стороне перед трансляцией транспортного потока через каналы передачи кодирует отдельные пакеты этого потока, принадлежащие к конкретному каналу, с помощью случайно сгенерированного 64-битного ключа, называемого контрольным словом (control word). По определённым алгоритмам данный ключ кодируется в набор данных длиной около 180 байт. Данный пакет данных, называемый entitlement control message (ECM), передаётся в общем потоке вместе с самим зашифрованным каналом. Абонентское устройство при приёме канала принимает ECM и передаёт его выданной оператором карте. Карта, используя своё внутреннее ПО декодирует ECM и возвращает абонентскому устройству ключ в открытом виде, после чего канал декодируется. Помимо этого, в потоке помимо каналов передаётся информация о правах доступа к тем или иным каналам. Операторская карта, получая эту информацию, «понимает», что ей разрешено декодировать ключи в течение определённого срока, по истечению которого просмотр каналов будет прекращён. В зависимости от используемой оператором системы кодирования, возможны дополнительные меры предосторожности, такие как привязка конкретного экземпляра операторской карты к конкретному экземпляру декодера либо введение дополнительного этапа кодирования, в этом случае отсутствует совместимость со стандартами DVB, что требует создания собственной системы кодирования-декодирования потоков.

         Поясное вещание и региональные версии каналов

Кроме технической стороны, также не стоит забывать и клиентское удобство телесмотрения: многие страны обладают территориями, на которых действует более одного часового пояса. В этом случае имеет смысл организовывать несколько версий телеканала, сдвинутых друг относительно друга по времени на несколько часов. Такие версии каналов обозначаются в формате <Название канала>  +Х, где Х – количество часов, на которое данная версия опережает «базовую» версию канала. Например, на территории нашей страны относительно Москвы присутствует 9 часовых поясов. Такие эфирные каналы, как «Первый» и «Россия» обладают версиями в +8, +6, +4 и +2 часа. Большинство других эфирных каналов имеют версии в +7, +4 и +2 часа. Такие телеканалы, как «ТНТ» и «НТВ» дополнительно имеют версию со сдвигом в +3 часа. Таким образом, жители всей страны имеют возможность смотреть эфир телеканалов в своём локальном часовом поясе без сдвига по времени либо с минимальным сдвигом. При этом в силу того, что спутниковое вещание покрывает обширные территории имеется возможность просмотра и записи телевизионных передач за несколько часов до их эфира в вашем регионе.

К отдельным версиям телеканалов имеет смысл отнести и региональные версии эфирных телеканалов, в которых те или иные части исходного эфира замещены специальными локальными версиями. Врезка региональных программ происходит в автоматическом режиме: в эфире телеканала помимо основного телеэфира передаются скрытые либо малозаметные метки, обозначающие тип, начало и конец области врезки. Самым распространённым способом вставки меток является вставка DTMF-меток. DTMF, или dual-tone multi-frequency, это двухтональный многочастотный аналоговый сигнал, используемый для обозначения одного из 16 предустановленных символов. По используемой полосе частот сигнал соответствует телефонии. Для кодирования символа в DTMF сигнал необходимо сложить два синусоидальных сигнала. Частоты синусоид берутся из таблицы 1 из столбца и строки, соответствующих передаваемому символу. Вещательная станция, обнаруживая в звуковом сопровождении эфира определённое сочетание DTMF-символов включает и выключает региональную врезку в эфир.

Таблица 1

ЛИТЕРАТУРА

1. Карякин В. Цифровое телевидение.  – Солон-Пресс, 2008. – 272 с.

2. А. В. Смирнов, А. Е. Пескин. Цифровое телевидение. От теории к практике. – Горячая Линия – Телеком, 2005. – 352 с.

3. Conditional access. https://en.wikipedia.org/wiki/Conditional_access