66Научно-технические разработки

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Цифровое кабельное телевидение. Элементы системы и возможности оператора


Г.В.Биза, В.Г. Таценко, А.К. Шишов Теле-Спутник - 3(113) Март 2005 г.


Объективная реальность

"Цифровой кабель", о котором напряженно спорили на различных "широкополосных телевизионных" форумах, конференциях и заседаниях вошел в жизнь отечественных операторов легче, чем ожидалось. Раньше он проделал то же с ошеломляющим успехом на зарубежных рынках: еще в апреле 2004 года больше почти половина абонентов кабельного телевидения в США (около 33 миллионов) уже принимали цифровые каналы. Хотя в России стандарт DVB-C только что формализовался, практические успехи операторов уже налицо: от Москвы до Кирова и Тюмени начали воплощаться в жизнь первые случаи передачи цифровых пакетов через кабель. Проводниками идеи стали операторы раньше других понявшие: продолжение аналогового вещания может в итоге оказаться ему не по карману, а конкуренты с другими технологиями доставки контента уже готовы вступить в борьбу за подписчика. Еще несколько лет назад эксперты скептически отзывались о возможности доставки видео через ADSL и IP сети, а сегодня новые стандарты и решения сделали возможными и первые российские проекты, основанные на этих технологиях. И еще одно ключевое обстоятельство: цифровое кабельное ТВ - не просто новое качество вещания, когда изображение без помех и каналов много. Это своеобразный костяк, на который со временем оператор сможет нарастить новые услуги, среди которых главные:

  • Видео по запросу и его подвиды (VOD, NVOD, SVOD) с функциями цифрового видорекодера (PVR). Это один из главных культов российских операторов, что вполне соответствует мировым тенденциям.
  • Телевидение высокой четкости. Кажется далеким и неактуальным, нет контента, стандартов и т.д., однако в розничных магазинах уже стоят телевизоры с надписью "HDTV ready", а суммарный годовой рынок плазменных панелей, проекторов домашнего кино и ЖК панелей большого размера по России оценивается более чем в 100 000 устройств, что соответствует почти двукратному годовому приросту. Значительная часть из них также поддерживает "картинку" вплоть до стандарта 1080i и эти люди со временем захотят заплатить за источник контента соответствующего качества.
  • Интерактивные приложения (ИП) и их платформы. Судьба этого термина совсем печальна, некоторые весьма авторитетные отечественные эксперты под "интерактивностью" подразумевают возможность широкополосного доступа через кабельную сеть и главным ее признаком считают наличие обратного канала. Хотя как бизнес ИП давно и успешно работают как в качестве информационного приложения к определенному телеканалу, и как независимый источник информации и развлечений. (internet on TV, e-mail, chat, SMS, игры, прогнозы погоды и т.д.). В тех же США существуют операторы, сделавшие ИП основной частью своего бизнеса. Существует уже и первый отечественный опыт в этом направлении.

Основные элементы. Термины и понятия

На рис.1 приведена структурная схема коммерческой системы кабельного цифрового ТВ c предоставлением услуги доступа к информационным интерактивным ресурсам. Эта структура предусматривает наличие двунаправленной сети с обратным каналом, системы условного доступа (Conditional Access System), системы управления клиентом (Subscriber Management System), ПO доступа к услугам и приложениям (Middleware). Следует также понимать, что сеть не обязательно является традиционной гибридной HFC, в качестве транспортного уровня могут использоваться сети IP, SDH и т.д. В данной конфигурации речь идет о доставки на клиентские терминалы сигналов DVB-C (модуляция QAM64,256), однако в последнее время для поставки подписчику услуг цифрового ТВ используются самые разные технологии: от FTTH до ADSL.

Рис. 1. Структурная схема коммерческой системы кабельного цифрового ТВ

Мы постараемся в данной статье и последующих публикациях остановиться на основных компонентах и проблемах интеграции, стоящих перед оператором сети цифрового кабельного ТВ.

Уже много писалось и рассказывалось об оцифровке аналогового сигнала и применяемых при этом стандартах сжатия. Далее будет идти речь только о стандартах сжатия - DVB-S, DVB-T, DVB-C. При этом необходимо отметить основные особенности цифрового телевидения:

  • Существенное увеличение количества программ на одной несущей частоте - 4-8 и более программ обычной четкости или 1-2 программы ТВЧ
  • Единый подход к кодированию и передаче телевизионных сигналов с различным качеством изображения
  • Интеграция цифрового ТВ с другими видами информации при передаче по цифровым сетям связи
  • Обеспечение защиты передаваемых телевизионных программ и другой информации от несанкционированного доступа, что дает возможность создавать системы платного ТВ-вещания

С целью реализации интерактивных режимов работы в стандартах DVB описаны:

  • Независящие от вида используемой сети протоколы обмена данными
  • Средства обеспечения интерактивности для некоторых конкретных видов сетей (обычная телефонная сеть, сеть ISDN, сеть кабельного ТВ)

Характерной чертой стандартов DVB является их полная совместимость. Она дает возможность переводить ТВ транспортный поток из одной среды в другую без перемультиплексирования (распакетирования и пакетирования в иной конфигурации транспортного потока). Это удешевляет аппаратуру телецентров и позволяет строить гибридные кабельно-эфирные сети с выбором оптимальной транспортной среды для разных участков.

Предположим, оператор собирается транслировать 50 телевизионных программ в 10 пакетах. Если допустить, что все пакеты он будет формировать сам из принимаемых со спутников или других источников, то ему потребуется 50 профессиональных приемников-декодеров (Integrated Reciever Decoder - IRD) для первичного преобразования.

После приема отдельных программ их необходимо вновь "пакетировать" в новые пакеты в соответствии с принятой оператором концепцией вещания (и в соответствии с его лицензией). Для этого потребуются мультиплексор, и может даже не один. С учетом того, что в пакет может входить не более 8 программ при приемлемом качестве то для трансляции 50 программ потребуется порядка 6 -7 мультиплексоров. После мультиплексирования цифровой пакет подается на DVB QAM модулятор для формирования сигнала, пригодного для трансляции в кабельную сеть.

Кроме приемников, мультиплексоров и модуляторов, необходимых для формирования группового транспортного потока, для нормального функционирования передающего центра потребуется дополнительное оборудование. Во-первых, потребуется система менеджмента, осуществляющая управление всеми основными устройствами. В принципе, на первом этапе без нее можно обойтись и производить настройку всех блоков вручную. Так же можно "вручную" контролировать и их основные параметры и производить необходимые переключения. Однако в дальнейшем, для повышения надежности работы оборудования передающего центра, оператор будет вынужден поставить резервный приемник и резервный модулятор. Переключение аппаратуры с неисправного блока на резервный потребует много времени, и для того, чтобы сократить его необходимо установить систему менеджмента, которая постоянно контролирует работоспособность всех устройств и автоматически отключает неисправный блок и подключает резервный. Переключение осуществляется с помощью коммутаторов. Кроме этого система менеджмента может поменять программы, поступающие на входы мультиплексоров - т.е. поменять содержание пакетов, может менять скорости потоков в пакетах, вставлять в поток дополнительную информацию и выполнять еще целый ряд служебных функций. Ее возможности определяются программным обеспечением, стоимость которого составляет львиную долю стоимости системы менеджмента.

Итак, что же происходит с телевизионным сигналом в процессе его преобразования и формирования новых каналов, пакетов и в конечном итоге контента.

Кодеры

Первичное преобразование аналогового сигнала в цифровой происходит в кодере. Кодер сжатия считается самым ответственным элементом в цепочке обработки цифрового сигнала. Он в значительной степени определяет устойчивость и качество изображения при заданной скорости цифрового потока.

Современные кодеры имеют модульную конструкцию и позволяют использовать сменные блоки входных интерфейсов, допускающие подачу, как аналоговых, (композитных и компонентных), так и цифровых (SDI) видеосигналов. При необходимости из аналогового сигнала с помощью дополнительного декодера выделяются сигналы телетекста для последующего ввода в мультиплексор.

С выхода кодера поступает однопрограммный транспортный цифровой поток (Single Program Transport Stream - SPTS). Его скорость задается оператором. Наиболее распространенным интерфейсом для дальнейшей трансляции является ASI (Asynchronous Serial Interface) интерфейс - стандартный асинхронный последовательный интерфейс для передачи транспортного потока MPEG-2 по коаксиальным и волоконно-оптическим линиям связи. Реже используется SPI (Synchronous Parallel Interface) интерфейс - синхронный параллельный интерфейс, применяемый для параллельной передачи транспортного потока MPEG-2 при разных скоростях. Стыковка с последующими устройствами происходит по этим интерфейсам.

Кодеры при работе с мультиплексорами, работающими с переменной скоростью цифрового канала в транспортном потоке VBR (Variable Bit Rate), являются частью системы кодер/мультиплексор, а управление скоростью кодирования происходит через систему управления непосредственно мультиплексором.

Декодеры

Реализация преимуществ цифрового сжатия в сильной степени зависит от устройств, восстанавливающих исходное изображение и звуковое сопровождение - декодеров и приемников- декодеров. Однако, в системах формирования цифровых ТВ пакетов декодирование изображения выполняется в основном для вспомогательных целей , например для контроля за качеством изображения. В этих системах приемник-декодер только принимает поток TS из транспортной сети, извлекает из него один канал и выдает его на мультиплексор, как правило, через ASI интерфейс. ASI интерфейсы могут использоваться и для подключения различных устройств преобразования принятого потока - снятия скремблирования, добавления или изменения таблиц и т. д.

Мультиплексоры/ремультиплексоры

Мультиплексор производит объединение цифровых потоков от разных источников в единый транспортный поток (TS). Приходящие сигналы могут иметь разную временную базу (т.е. формироваться с несколько различными тактовыми частотами) и задача мультиплексора - сформировать асинхронный поток с сохранением информации синхронизации каждого из компонентов.

Основным параметром мультиплексора считается максимальная выходная скорость TS, которая у большинства моделей составляет 80-130Мбит/c. Разумеется, выставляемая на выходе скорость TS должна быть не ниже суммы скоростей всех объединяемых потоков. Разница между скоростью установленной на выходе мультиплексора и суммарной скоростью мультиплексируемых потоков компенсируется введением нулевых пакетов на выходе мультиплексора.

Ремультиплексор представляет собой разновидность мультиплексора, работающего не с отдельными потоками, а с мультиплексированными TS. Он осуществляет операцию обратную мультиплексированию - производит разборку магистрального транспортного потока в однопрограммные транспортные потоки и отдельные сервисы и комбинирует их в новые TS, изменяя при этом соответствующим образом таблицы служебной информации. Ремультиплексоры еще называют процессорами транспортного потока (Transport Stream Processor).

Чаще всего на выходе ремультиплексора используется интерфейс DVB-ASI

Мультиплексор и ремультиплексор, как правило - одно устройство, которые концентрирует в себе все следующие возможности:

  • Выделение одного канала из потока
  • Выделение служебной и дополнительной информации (таблицы DVB) из потока или канала
  • Формирование нового TS из входящих каналов
  • Наложение или корректировка сервисов
  • Удаление или внедрение систем условного доступа
  • Введение IP пакетов в цифровой поток

Современные мультиплексоры/ремультиплексоры могут формировать TS двумя способами:

  1. С постоянной скоростью цифрового канала в транспортном потоке CBR (Constant Bit Rate)
  2. С переменной скоростью цифрового канала в транспортном потоке VBR (Variable Bit Rate)

Мультиплексоры с VBR применяют статистическое мультиплексирование и поэтому называются статистическими мультиплексорами. Понятие "статистическое" говорит о том, что среднестатистически все программы одновременно не требуют максимальной скорости. В процесс статистического мультиплексирования наглядно поясняется на рисунках 2 и 3:

Рис.2. Без статистического мультиплексирования. Кодирование и мультиплексирование с постоянной битовой скоростью.
Рис.3. С использованием статистического мультиплексирования. Кодирование и мультиплексирование с переменной битовой скоростью.

Управляет такой системой специализированный контроллер, координирующий действия кодеров и мультиплексора. Он оценивает качество кодирования и регулирует скорости выходных потоков кодеров в зависимости от выбранного режима и приоритетов, установленных кодерам.

Мультиплексоры могут быть оборудованы выходными интерфейсами для вывода потоков в различные транспортные сети например IP/Ethernet или ATM/SDH.

Для исключения или введения новой программы, данных, изменения содержания таблиц DVB (PSI, SI) и т.д. используется программное обеспечение с дружественным интуитивным интерфейсом общения. С его помощью оператор может реализовать практически любую задачу по редактированию или формированию TS на выходе мультиплексора.

IP инкапсулятор.

Устройства, обеспечивающие ввод данных в транспортный поток MPEG-2 TS называют инкапсуляторами.

К основным параметрам инкапсуляторов относятся выходная скорость потока, число поддерживаемых потоков (числом различных идентификаторов определяющих местонахождение определенного элементарного потока в общем транспортном потоке PID - Program IDentification), входными и выходными интерфейсами. Ввод информации осуществляется по высокоскоростной сети Ehternet 100Base T, в качестве формата выходного потока - ASI, как наиболее универсальный. Адресация передаваемой информации на инкапсуляторе осуществляется путем присвоения каждому абоненту уникального 48-битного МАС адреса.

Специальное программное обеспечение на передающей стороне управляет потоками передаваемой информации, ведет учет трафика и тарификацию.

В зависимости от транспортной среды сформированный мультиплексором TS подается на:

  • IP шлюз - для трансляции по телекоммуникационным сетям
  • Модулятор DVB-S - для трансляции через спутник или MMDS
  • Модулятор DVB-С - для трансляции по кабельным или MMDS сетям
  • Модулятор DVB-Т - для эфирной трансляции через наземные передатчики

В первом случае пакеты MPEG-2 инкапсулируются шлюзом в IP пакеты для трансляции по LAN, или WAN. Иногда IP используется и для передачи по сетям SDH/ATM ( IP поверх ATM).

В остальных случаях используются модуляторы выполняющие все операции помехоустойчивого кодирования и модуляции радиочастоты, предусмотренные соответствующим стандартом DVB. Параметры внутреннего и внешних кодеров и структурные схемы модуляторов разных стандартов DVB несколько отличаются друг от друга.

Модуляторы

Модуляторы для спутниковой трансляции, сетей кабельного телевидения и эфирного вещания строятся с учетом соответствующих стандартов.

В 1994г. были выработаны основные положения стандарта DVB-C (С-cable, кабель) для кабельного телевизионного вещания и стандарта DVB-S (S - Satellite, спутник) для спутникового телевизионного вещания. Работа над стандартом эфирного вещания DVB-T (Terrestrial, эфирный ) была закончена в 1996г.

DVB-C. С целью обеспечения наиболее эффективного использования полосы частот в кабельных сетях в соответствии со стандартом DVB применяется квадратурная амплитудная манипуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation). В настоящее время используются QAM16,32,64. В перспективе - QAM128,256.

DVB-S. Для спутниковой трансляции используемся QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) модуляция, а основным фактором, создающем ошибки при приеме цифровых сигналов со спутников, является низкое отношение сигнал/шум на входе приемника, что обусловлено большим расстоянием до передатчика. В то же время ширина полосы частот спутниковых каналов связи значительно шире, чем каналов наземного и кабельного телевидения - 27МГц.

DVB-T. В рамках этого стандарта модуляция осуществляется на базе системы COFDM (Coded Octagonal Frequency Division Multiplexing), разработанной специально для борьбы с помехами от многолучевого приема. COFDM предусматривает модуляцию одновременно большого числа ортогональных несущих и введение защитных интервалов между фрагментами модулированного сигнала . Возможны два режима передачи: 8К - число несущих 6817 и 2К - число несущих 1705.

Отдельно следует отметить, что для головных станций необходимо предусматривать резервирование всего оборудования. Формула N+1 актуальна для любого оборудования участвующего в формировании цифровых телевизионных каналов. Конечно, резервирование потребует приобретения дополнительного оборудования и систем программного управления , но как говорят - "скупой платит дважды", а экономия на резервировании оборудования в случае "форс мажорных" обстоятельств может обойтись очень дорого.

Стыковка всего головного оборудования, как правило, осуществляется с помощью DVB ASI интерфейса. На уровне "железа" - это BNC разъемы. При объединении или подключении головного оборудования в сеть LAN используется канальный контроллер и Ethernet протокол 10Base-T.

После передачи или трансляции через линии связи поток TS, в конечном итоге, попадает к абоненту. Для преобразования из цифровой формы в аналоговую и получения видеоизображения и звукового сопровождения у абонента устанавливаются терминалы или Set-Top-Box (STB), которые и подключается к телевизору или монитору.

Cхема районной головной станции, включающая наиболее распространенное оборудование, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Система региональной головной станции

Некоторым может показаться, что вопросы, поднимаемые в этой статье преждевременны. Во многих городах России еще действуют системы "антенна - на подъезд". Аналоговые кабельные сети, обеспечивающие трансляцию 12-16 ТВ программ, считаются чудом техники. Даже в 100-150 км от Москвы есть масса поселков, где принимается 3-4 программы, и не о каком Internete речи нет. Но осмелимся напомнить, что в 1996 году статьи об гибридных интерактивных кабельных сетях также воспринимались как научная фантастика, реализация которой начнется не ранее чем через 10 -15 лет. То же самое можно сказать и в отношении трансляции цифровых пакетов по кабельным сетям и эфирного вещания в стандарте DVB-T. Стоимость абонентской приставки, обеспечивающий прием эфирных цифровых программ в стандарте DVB -T уже сейчас менее $100 . При том, что стоимость хорошего 29-ти дюймового телевизора превышает $1000, а домашнего кинотеатра несколько десятков тысяч, то цена абонентского set top boxа (STB) будет просто не видна в этих суммах.

И те кабельные операторы, которые уже сейчас думают о переходе на цифровое вещание в кабельных сетях, не только как о далекой грядущей перспективе, а как о реальности которая наступит уже сегодня, в крайнем случае, завтра, несомненно, окажутся в выигрыше, по сравнению с теми, кто надеется по выехать на старых добрых аналоговых сетях.

Литература

  1. Б.А.Локшин. Цифровое вещание - от студии к телезрителю. Москва 2001, 446.
  2. А.В. Смирнов. Основы цифрового телевидения. Москва 2001, 224
  3. Н.Н.Слепов. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи, Радио и связь, Москва, 2000,468 стр.
  4. Р.Брайс. Справочник по цифровому телевидению, Эра, Жуковский, 2001,230 стр
  5. Н.С.Мамаев, Ю.Н.Мамаев, Б.Г.Теряев. Цифровое телевидение. Горячая линия - Телеком, 2001,180 стр.
  6. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Цифровое телевизионное вещание, НИИР, Москва, 2001, 568 стр.


 
Теле-Спутник Март 2005
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт