Прошедшие выставки TRBE-2002 и CSTB-2003 показали, что в России наблюдается возрастание интереса к формату цифрового вещания MPEG-2 DVB. Сегодня становится очевидным, что прогресс в сфере телерадиовещания не остановить и, несмотря на все трудности, связанные с внедрением цифрового телерадиовещания (ЦТРВ) в России, объективная реальность заставляет операторов ТВ вещания с боями пробиваться в светлую эру цифрового телевизионного будущего.

Уже сегодня в некоторых регионах России наблюдается нехватка свободного места в частотном диапазоне эфирного телевидения. Это приводит к тому, что к формату DVB все чаще обращают свои взоры не только операторы спутникового ЦТРВ, но и кабельщики, а в последнее время все чаще к системным интеграторам обращаются операторы наземного телевидения с просьбами подобрать оборудование для организации вещания в формате DVB-T. И пока на страницах журналов продолжаются споры о том, какой стандарт наземного цифрового телевидения нужен России, DVB, уже де-факто принятый, продолжает наращивать свое присутствие на просторах России во всех своих проявлениях (спутниковый, кабельный, эфирный). Кроме того, надо отметить, что все страны бывшего Союза планируют использование этого стандарта. В связи с этим представляется целесообразным сказать несколько слов о том, какие идеи лежат в основе стандарта цифрового телерадиовещания DVB.

Проект DVB и основные стандарты группы DVB

К началу 1990-х стало ясно, что мир стоит на пороге решающих перемен в области телевизионного вещания. Разработка и принятие стандарта MPEG-1, а затем и MPEG-2 показали, что в короткие сроки можно достичь значительного увеличения пропускной способности вещательных каналов, беспрецедентного улучшения качества изображения и звукового сопровождения, развития новых служб. Не вызывало сомнений, что нужны единые стандарты обработки и передачи сигналов, и первыми это поняли европейцы. В 1993 г. группа ведущих компаний —производителей вещательного оборудования образовала некоммерческую организацию по разработке таких стандартов, получившую название DVB Project (Digital Video Broadcasting).

К настоящему моменту членами DVB Project являются около 300 компаний и организаций: производители оборудования, вещатели, операторы связи из более чем 30 стран, в том числе России. Существует три принципа DVB: оперативная реакция на требования рынка; обеспечение взаимной совместимости устройств; открытые спецификации.

За прошедшие годы принято более 40 стандартов, разработанных DVB Project в самых разных областях цифрового вещания. Одним из первых решений организации было принятие за основу всех разработок стандарта цифрового сжатия MPEG-2. Однако MPEG-2 не охватывает передачу цифрового сигнала по каналам связи, и его было необходимо дополнить документами, регламентирующими обработку сигнала перед подачей в канал. Второе важное решение — использование общего MPEG-2 мультиплексора во всех средах распространения и максимальная унификация методов помехоустойчивого кодирования и модуляции. Очень важна для широкого круга применений концепция "контейнера данных" — создание универсального цифрового канала, переносящего видео, аудио, данные пользователя в любых пропорциях и с высокими показателями качества обслуживания.

Для каждой транспортной среды разработан стандарт обработки и передачи транспортного потока, учитывающий ее специфику и в то же время максимально унифицированный со смежными стандартами. Для упрощения взаимного обмена программами выбраны такие параметры обработки, чтобы пропускная способность и число передаваемых программ во всех случаях оставались бы примерно одинаковыми. Документ для спутникового вещания получил сокращенное наименование DVB-S (Satellite — спутниковый), для сетей кабельного телевидения DVB-C (Cable — кабельный), для наземного (эфирного) телевидения — DVB-T (Terrestrial — наземный). Отдельные стандарты выпущены для распределительных СВЧ сетей (MMDS), сотовых сетей миллиметрового диапазона (LMDS), коллективных установок спутникового телевидения (SMATV) и других транспортных сред. Разработаны стандарты передачи телетекста, субтитров, графики, данных пользователя. Стандарт постоянно развивается. Уже появились предложения о введении новой DVB спецификации на предмет включения в DVB требований стандарта MPEG-4 для аудио и видео. Принятие нового стандарта, безусловно, даст новый импульс для повсеместного перехода на "цифру".

Идеология доставки контента потребителю в стандарте DVB

Системные решения, воплощающие в жизнь идеологию доставки контента от источника до потребителя в стандарте цифрового телевидения DVB, основываются на базе функциональной схемы, представленной на рис. 1. Контентом в данном случае является любая аудио- и видеоинформация (ТВ и радиопрограммы) и любая информация, передаваемая по IP протоколу.

Рис. 1. Схематичное представление идеологии доставки контента в DVB

Системы доставки контента (непосредственное вещание, сбор и распределение ТВ и радиопрограмм) с использованием технологии MPEG-2 DVB, создаваемые на основе базовой функциональной модели, включают в себя такие компоненты, как: оборудование преобразования контента, мультиплексоры или ремультиплексоры, модуляторы, высокочастотное передающее и приемное оборудование (преобразователь частоты, усилители мощности, приемные и передающие антенны), приемники. Высокочастотное передающее и приемное оборудование напрямую не связано со стандартом DVB, поэтому в дальнейшем рассматриваться не будет.

Задача оборудования преобразования контента состоит в том, чтобы преобразовать различные форматы входных сигналов в единую форму — транспортный поток (ТП) MPEG-2 DVB, передаваемый по цифровым интерфейсам ASI-DVB или SPI-DVB. Всю группу оборудования, служащего для преобразования контента, сегодня принято называть кодирующим оборудованием. В качестве кодирующего оборудования могут выступать:

1. Аудио- и видеокодеры MPEG-2 DVB, работающие с форматами сжатия видео 4:2:0/4:2:2 и форматами сжатия аудио MPEG-1 или MPEG-2. Выходная скорость может меняться в пределах от 1,5 до 50 Мбит/с. Кодеры имеют самые разные входные интерфейсы, которые позволяют им передавать аналоговое композитное (CV, S-VHS) или компонентное видео (Y, Pr, Pb), цифровое видео SDI, аналоговое и цифровое (AES/EBU или встроенное в SDI) аудио. А также способны подмешивать в однопрограммные ТП низкоскоростные и высокоскоростные данные.
2. Вещательные видеосерверы, дающие на выходе потоки MPEG-2 DVB через интерфейс ASI-DVB.
3. Инкапсуляторы IP DVB. Данные устройства призваны преобразовать данные, поступающие на их вход в IP трафике по интерфейсу Ethernet, в транспортный поток формата MPEG-2 по интерфейсам DVB.
4. Приемники-демодуляторы, которые принимают пакет программ со спутника, демодулируют его и выдают через ASI интерфейс для дальнейшей обработки.

Мультиплексоры применяются для объединения (мультиплексирования) однопрограммных ТП, сформированных кодирующим оборудованием, в многопрограммные ТП с включением таблиц сервисной и служебной информации (PSI/SI — Program Specific Information/Service Information). Современные мультиплексоры могут работать как в режиме простого мультиплексирования, объединяя все приходящие на их входы потоки, так и в режиме ремультиплексирования. Работа мультиплексоров в режиме ремультиплексирования дает возможность операторам исключать из входящих многопрограммных ТП ненужные программы и заменять их новыми. При использовании специального программного обеспечения современные кодеры и мультиплексоры способны формировать транспортные потоки с применением статистического мультиплексирования. Такой способ объединения программ дает возможность до 25% экономить занимаемую полосу или увеличивать количество программ (до 1-2 программ) в заданной полосе. Кроме того, существуют мультиплексоры, способные оптимизировать занимаемую полосу за счет замены нуль-пакетов в ТП одного кодера полезными данными другого.

Сформированные мультиплексорами многопрограммные ТП поступают на устройства канальной модуляции для их обработки и подготовки к передаче по каналам связи. Прежде всего — это модуляторы. DVB модуляторы преобразуют входную цифровую последовательность в сигналы промежуточной частоты (70/140 МГц или L-band) с тем типом модуляции, который необходим при передаче сигнала по спутниковым линиям DVB-S, кабельным сетям DVB-C или по наземным эфирным каналам DVB-T. Модулятор осуществляет все операции помехоустойчивого кодирования и модуляции радиочастоты, предусмотренные соответствующим стандартом DVB. Параметры внутреннего и внешнего кодеров, перемежителя, а также структурные схемы модуляторов разных стандартов DVB несколько отличаются друг от друга и являются предметом для отдельного рассмотрения.

Кроме этого, современные кодеры и мультиплексоры имеют выходные интерфейсы, такие как G-703 E1, E2, E3 или DS-3, которые позволяют передавать потоки MPEG-2 DVB по сетям SDH/ATM.

Для приема сигналов DVB применяются цифровые приемники-декодеры и декодеры. Приемники разделяются на профессиональные и пользовательские (бытовые). Профессиональные приемники отличаются повышенной надежностью, модульным исполнением и разнообразными выходными интерфейсами. Только профессиональные приемники могут работать с форматом кодирования видео 4:2:2. На выходе приемники могут иметь: аналоговое (композит PAL или SECAM, в том числе SEKAM D/K) или цифровое видео SDI; аналоговое (балансное или небалансное до 3-х стереопар) или цифровое (AES/EBU или встроенное в SDI), регулируемое по уровню, аудио; интерфейсы низко- и высокоскоростных данных. Профессиональные приемники имеют также встроенные измерители достоверности приема (BER), отношения Eb/No и другие полезные при работе функции. Для приема данных, передаваемых через DVB, используются IP DVB приемники, выполненные как в виде отдельных устройств, так и в виде плат, вставляемых в слот PCI компьютера. IP DVB приемники бывают как рассчитанные на одного пользователя, так и для многопользовательского применения с использованием в локальных сетях.

Как правило, на станциях компрессии для удобства работы с оборудованием и повышения надежности, используются системы сетевого управления и контроля. Такие системы позволяют оператору дистанционно контролировать и управлять большим количеством оборудования, а также обеспечивают автоматическое резервирование устройств.

Основным достоинством стандарта DVB является то, что, используя один транспортный контейнер, пакет DVB, вещатель может предоставить пользователю мультисервисные услуги, то есть, имея один приемник, абонент может принимать на него программы радио, телевидения и IP данные. Именно это свойство DVB стандарта, а также надежность и простота устройств делает его все более популярным в мире и в России.

Оборудование преобразования контента

Задача оборудования преобразования контента состоит в том, чтобы преобразовать различные форматы входных сигналов в единую форму — транспортный поток MPEG-2 DVB, передаваемый по цифровым интерфейсам ASI DVB или SPI DVB.

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. Стандарт MPEG определяет структуру потока и эталонную модель декодера, но не накладывает ограничений на построение кодера или алгоритм его работы, т.е. для компаний-производителей имеется поле деятельности в достижении наилучших показателей при минимальном расходе битов.

Современные кодеры имеют модульную конструкцию и позволяют использовать сменные блоки входных интерфейсов, допускающие подачу как аналоговых (композитных и компонентных), так и цифровых видеосигналов. При необходимости из аналогового сигнала с помощью дополнительного декодера выделяются сигналы телетекста для последующего ввода в мультиплексор. Композитное декодирование приводит к заметному ухудшению качества изображения и потому не рекомендуется к использованию, его следует применять только при невозможности получить видеосигнал от источника в иной форме.

Важные функции в составе кодера выполняет предпроцессор. Он осуществляет цифровую фильтрацию и синхронизацию кадров, производит дополнительную временную обработку и шумоподавление.

Фото 1. Кодер серии CODICO Е-1x00 компании Scopus. Формат кодирования 4:2:2/4:2:0, режим "только аудио" (до 4-х стереопар), обработка компонентного видео, цифровая предобработка "зашумленного" видео Фото 2. Кодер CODICO Е-1700 DSNG компании Scopus Фото 3. IP-DVB инкапсулятор IPE-2500 компании Logic Innovation Inc. Поддержка multicast-приложений, выход DVB-ASI до 213 Мбит/с

Стандартным решением для кодера считается наличие двух стереоканалов звука. В кодерах предусматривается подача как цифровых сигналов AES/EBU, так и аналоговых сигналов. В последнем случае осуществляется аналого-цифровое преобразование с разрядностью 18 бит/отсчет и частотой дискретизации 32, 44,1 или 48 кГц. В зависимости от выбранного режима скорость выходного потока в канале может изменяться в пределах от 32 до 384 кбит/с, обеспечивая Уровни 1 или 2 стандарта MPEG-1. Возможна установка двух дополнительных кодеров звука, что позволяет организовать в общей сложности 4 стерео- или 8 моноканалов.

Общепринятым для кодеров сжатия становится наличие каналов передачи данных пользователя — низкоскоростного асинхронного со скоростью до 115,2 кбит/с и синхронного со скоростью до 20 Мбит/с.

Для целей обновления программного обеспечения существует отдельная энергонезависимая память, позволяющая хранить предыдущие загрузочные версии ПО. Такая система позволяет гибко конфигурировать кодер, производить модернизацию ПО и по мере необходимости устанавливать различные опции, такие как статистическое мультиплексирование, скремблирование и поддержка профиля 4:2:2.

Большая часть выпускаемых кодеров формирует минимально необходимый набор PSI таблиц и потому может работать в одноканальном режиме без дополнительного мультиплексора, непосредственно создавая транспортный поток на входе модулятора. Выходной сигнал кодера может формироваться в одном или нескольких общепринятых стандартах. Наиболее широко применяется стык DVB-ASI, реже используют DVB-SPI, RS-422. Максимальная скорость потока на выходе кодера определяется выбранным профилем и уровнем компрессии, для наиболее часто применяемого сочетания MP@ML она составляет 15 Мбит/с. Для приложений 4:2:2P@ML максимальная скорость составляет 50 Мбит/с. Как опции у кодеров могут быть заказаны стыки G.703 (E1, E2, E3) и DS-3. Характерным примером здесь могут служить кодеры компании Scopus Network Technologies серии CODICO Е-1х00.

Передача данных в составе транспортного потока MPEG-2 стала возможной после принятия стандарта EN 301 192 и используется сегодня для передачи информации из Интернета по скоростным каналам систем цифрового вещания. Устройства, обеспечивающие ввод дейто-грамм в транспортный поток MPEG, называются инкапсуляторами или шлюзами (IPG — IP Gateway). Инкапсуляторы характеризуются скоростью выходного потока, числом поддерживаемых потоков (числом различных PID), входными и выходными интерфейсами. Ввод информации обычно осуществляется по высокоскоростной сети Ethernet 100Base T, в качестве формата выходного потока предпочитают DVB-ASI как наиболее универсальный. Адресация передаваемой информации осуществляется путем присвоения каждому абоненту уникального 48-битного МАС адреса. Специальное ПО на передающей стороне управляет потоками передаваемой информации, ведет учет трафика и тарификацию. Современные инкапсуляторы позволяют Интернет-провайдерам достаточно эффективно использовать имеющийся в их распоряжении ресурс полосы пропускания для разделения его между пользователями. Это достигается путем использования функции QoS (качество обслуживания). Так, например, инкапсулятор компании Logic Innovation Inc. IPE-2500 позволяет: разделять неиспользуемую полосу между активными маршрутами, тем самым максимизируя полосу для активных маршрутов; назначать индивидуальное ограничение полосы и гарантированную скорость каждому маршруту. Кроме этого, IPE-2500 хорош тем, что предоставляет удобный графический интерфейс для управления, позволяет выбирать выходной интерфейс и подключать инкапсулятор к широкому спектру передающего оборудования.

Гибкость стандарта MPEG-2 и разработанная DVB концепция контейнера данных позволяют передать в одном ТП инкапсулированные данные и любые другие сигналы в стандарте MPEG-2 DVB, если выход инкапсулятора подключен к одному из входов мультиплексора. Многие модели шлюзов, как и кодеры, формируют минимально необходимый набор таблиц PSI и поэтому также могут непосредственно подключаться к модулятору.

Отдельно можно выделить кодеры, разработанные для применения в передвижных репортажных станциях спутникового сбора новостей (DSNG). Характерной особенностью данных кодеров является наличие встроенного DVB модулятора. Такие кодеры выпускают практически все мировые производители оборудования DVB. Например, кодер компании Scopus Network Technologies CODICO E-1700 имеет размер всего 1RU, сохраняет все достоинства и характеристики обычного кодера серии Е-1х00 и может работать с типами модуляции QPSK, 8PSK, 16QAM.

Мультиплексоры и ремультиплексоры DVB

Мультиплексор служит для объединения в единый транспортный поток цифровых потоков от различных источников — кодеров сжатия, выходов других мультиплексоров, инкапсуляторов, приемников-декодеров, генератора PSI/SI таблиц, ЕСМ генератора и ЕММ инжектора и др. Приходящие сигналы могут иметь разную временную базу (то есть формироваться с несколько различными тактовыми частотами), и задача мультиплексора — сформировать единый многопрограммный транспортный поток с сохранением меток синхронизации каждого из компонентов.

Фото 4. Мультиплексор CODICO RTM-3800 компании Scopus. До 19 входных интерфейсов DVB-ASI. Обработка потоков VBR и CBR Фото 5. Статистический ремультиплексор DM 3200 Network CherryPicker. Создание до 4-х выходных потоков

Принцип действия мультиплексора основан на свойствах буфера памяти — информация записывается в него с одной тактовой частотой, а считывается с другой, более высокой. Если представить себе цепочку последовательно соединенных буферов, синхронизированных таким образом, что выходные пачки импульсов не перекрываются во времени, это и будет мультиплексор. В некоторых конструкциях цепочку замыкают в кольцо. Приходящие потоки демультиплексируются до уровня пакетированного элементарного потока (ПЭП) и затем заново "сшиваются" в единый ТП с общей тактовой частотой, синхронизированной с местным источником частоты 27 МГц. Поскольку время прихода пакетов на разные входы не синхронизировано, время пробега их внутри мультиплексора также различается, что может вызвать дрожание меток PCR. Для устранения этого явления для всех ремультиплексируемых сервисов производится коррекция PCR на основе специальных временных меток, вставляемых в пакет на входе мультиплексора.

Основным параметром мультиплексора считается выходная скорость ТП, которая у большинства моделей составляет 80-100 Мбит/с. Разумеется, выставляемая на выходе скорость ТП должна быть не ниже суммы скоростей всех объединяемых потоков. Превышение скорости выходного потока компенсируется введением нулевых пакетов на выходе мультиплексора. Чаще всего на выходе используется интерфейс DVB-ASI.

Ремультиплексоры представляют собой разновидность мультиплексоров, работающих не с отдельными сервисами, а с мультиплексированными ТП. Ремультиплексор выделяет из приходящих ТП нужные сервисы и комбинирует их в новые ТП, изменяя при этом соответствующим образом таблицы служебной информации. Ремультиплексоры еще называют процессорами транспортного потока (Transport Stream Procesor). Современные мультиплексоры/ремультиплексоры предоставляют операторам широкое поле для деятельности. Кроме традиционного одного выхода многопрограммного ТП новое поколение ремультиплексоров имеет возможность формировать несколько независимых ТП на своих выходах. Так, статистический ремультиплексор DM 3200 Network CherryPicker, разработанный компанией Terayon, способен обрабатывать до 16-ти входных потоков и формировать до 4-х независимых многопрограммных ТП. При этом мультиплексор имеет размер всего 1RU. DM 3200 имеет 5 слотов для входных модулей, а гибкая архитектура, используемая в мультиплексоре, позволяет динамически обработать и распределить к любому выходному модулю любой входящий поток MPEG-2.

Динамический характер цифрового видео, свойственный кодированию MPEG, создает остаточную полосу пропускания или нулевые пакеты в передаче DTV. В результате, наиболее важная часть полосы пропускания, которая могла бы использоваться для передачи данных, была потеряна. Фильтрация нулевых пакетов и других нежелательных элементов программ на выходе создает пробелы в транспортном потоке. Эта свободная (неиспользуемая) часть полосы пропускания является идеальной для передачи IP данных. Мультиплексор-оптимизатор полосы TSM-1000A компании Logic Innovation Inc. соответствует стандартному протоколу управления потоком SMPTE 325M. Этот протокол обеспечивает механизм обратной связи для инкапсулятора IP, который управляет скоростью передачи входящих данных. TSM-1000A заполняет доступную часть полосы пропускания инкапсулированными IP данными.

Цифровые модуляторы DVB

Модулятор осуществляет все операции помехоустойчивого кодирования и модуляции радиочастоты, предусмотренные соответствующим стандартом DVB. Параметры внутреннего и внешнего кодеров, перемежителя, а также структурные схемы модуляторов разных стандартов DVB несколько отличаются друг от друга и являются предметом для отдельного рассмотрения.

На сегодняшний день наиболее распространенным является стандарт DVB-S. Выходная ПЧ большинства моделей модуляторов этого стандарта лежит в диапазоне 52-88 МГц или 114-176 МГц (для загрузки ретрансляторов полосой 72 МГц). Информационная скорость цифрового потока для массовых моделей составляет 1-60 Мбит/с, а символьная скорость до 35 Мсимв/с. Некоторые компании выпускают модуляторы с выходной информационной скоростью до 200 Мбит/с. Выходной уровень регулируется шагами по 0,1 дБ в пределах от -20 до +5 дБм. Нестабильность уровня выходного сигнала не должна превышать 0,3 дБ в условиях эксплуатации, в противном случае это приведет к нестабильности работы спутникового ретранслятора. Особенно важно, чтобы изменения уровня не превосходили указанной величины при пропадании или изменении параметров цифрового потока на входе, когда модулятор теряет синхронизацию. Замечено, что некоторые модели могут давать в этих случаях краткосрочные снижения или выбросы выходной мощности глубиной до 10 дБ.

Стандартной функцией можно считать логическую инверсию I и Q потоков на входе модулятора ФМ-4, что проявляется на модулированном сигнале как инверсия радиочастотного спектра. Признаком качественной работы является глубокое (не менее чем на 40 дБ) подавление остатка несущей в режиме модуляции. Неравномерность плоской части спектра в пределах ПЧ +/-0,8 Rсимв должна быть не более 0,5 дБ, на краях спектра скорость спада должна соответствовать трафарету из стандарта с учетом выбранного коэффициента скругления формы импульса. Важно, чтобы фазовые шумы выходного сигнала были ниже, чем у последующих радиочастотных каскадов, и не вносили заметного вклада в общий баланс шумов. Можно ориентироваться на следующие значения:

- 90 дБс @ 100 Гц;
- 95 дБс @ 1 кГц;
- 95 дБс @ 10 кГц;
- 110 дБс @ 100 кГц.

Паразитные составляющие спектра в полосе рабочих частот не должны превышать уровня -50 дБс.

Для цифровых спутниковых систем сбора новостей предлагаются модуляторы, обеспечивающие наряду с QPSK также режимы модуляции 8PSK и 16QAM. Эффективность использования спектра в этих режимах выше, но выше и требования к отношению сигнал/шум на приеме.