Ciparu televīzijas izveidošanās

 

26.–27. aprīlī Rīgā pulcējās digitālās televīzijas speciālisti, lai apspriestu digitālās televīzijas sākumfāzei raksturīgus jautājumus. Ar dažiem no tiem (amerikāņu un eiropiešu standartiem, DTV attīstību Krievijā un tur veiktajiem eksperimentiem) mēs dalāmies ar SP lasītājiem.

 

Pirmo reizi par ciparu radio un televīzijas raidīšanas principiem sāka runāt ASV gandrīz pirms divdesmit gadiem. Amerikāņu motivācija bija saprotama. TV attēla rindu skaits nosaka attēla skaidrumu jeb sīko detaļu izšķirtspēju (vertikālais skaidrums), taču ASV kopš II pasaules kara joprojām izmanto 525 rindu klājuma NTSC standartu, kamēr Eiropā un citās valstīs tiek izmantots 625 rindu klājums. Uzlabotās TV izstrādātāji cerēja, ka izdosies izvairīties no situācijas, kas savulaik izveidojās ar trim krāsu televīzijas standartiem (NTSC, SECAM un PAL). Diemžēl mērķis – vienots pasaules digitālās televīzijas (DTV) standarts – netika realizēts. Palika galvenais projekta uzdevums – parādīt skatītājam augsta attēla skaidruma, daudzkanālu, interaktīvu televīziju, tomēr standartu koncepcijas bija dažādas un arī pirmie ciparu televīzijas virzības posmi bija pilnīgi atšķirīgi. Šobrīd pasaulē tiek piedāvāti trīs standarti - ATSC Amerikas Savienotajās Valstīs, DVB Eiropā, ISDB Japānā.

 

Standartu īpatnības

Viens no interesantākajiem mirkļiem ciparu televīzijas vēsturē šķiet tas, ka sākotnēji izstrādātāju mērķis nebūt nebija ciparu televīzija. Pirmās uzlabotās sistēmas bija analogās, nevis ciparu sistēmas. Piemēram, japāņu radioinženieri pie uzlabota skaidruma TV sistēmām strādāja kopš 1960. gada. Pirmām šāda veida sistēmām bija nepieciešama 30 MHz plata frekvenču josla. Speciālisti vienkārši gribēja piedāvāt ko jaunu, un, viņuprāt, tā varēja būt augstas kvalitātes televīzija. Viņu galvenais mērķis bija pāriet no standarta attēla skaidruma televīzijas (525 rindas) uz augstāka attēla skaidruma televīziju – HDTV (virs 1000 rindām).

Šajā projektā iesaistījās daudzi ievērojami tehnikas ražotāji un izveidojās liela ciparu televīzijas alianse Grand Aliance (sk. arī SP 1998/3, 19. lpp.). Pakāpeniski ASV izveidojās septiņas ciparu televīzijas sistēmas, tāpēc pieņēma lēmumu apvienot to priekšrocības un izveidot vienu. 1987. gadā sāka izstrādāt ATSC, taču pirmā ciparu televīzijas sistēma parādījās tikai 1990. gadā.

ATSC standartu apstiprināja 1996. gadā, tomēr HDTV reglamentējošie parametri un lielumi netika standartizēti. Sākotnēji ATSC standarts pieļāva izmantot 36 DTV signāla formātus. Teorētiski DTV sistēmu varēja organizēt jebkurā no šiem formātiem, bet praktiski, lai nesarežģītu un nesadārdzinātu jau tā ne pārāk lētos DTV uztvērējus, formātu skaits tika samazināts līdz 18. TV attēla rindu skaita izvēle tika ierobežota ar 480, 720 un 1080 t. s. aktīvām rindām, pie sešām kadru frekvencēm (23,98; 24,00; 29,97; 30,00; 59,94 un 60,00 Hz) (sk. 1. tabulu).

 

1. tabula

ATSC attēlu formāti

 

Aktīvās rindas	Aktīvie pikseļi uz rindu	Attēla platuma/augstuma attiecība	Kadru frekvence (Hz) *	Izvēršanas metode
480	640	4:3	1,2,4,5,7,8 4,5	progresīvā rindpārleces
	704	4:3, 16:9	1,2,4,5,7,8 4,5	progresīvā rindpārleces
720	1280	16:9	1,2,4,5,7,8	progresīvā
1080	1920	16:9	1,2,4,5,7,8 4,5	progresīvā rindpārleces

 

* Kadru frekvences kodi: 1 = 23,98 Hz; 2 = 24,00 Hz; 4 = 29,97 Hz; 5 = 30,00 Hz; 7 = 59,94 Hz; 8 = 60,00 Hz .

 

Bet kas šai laikā notiek Eiropā? Atšķirībā no ASV Eiropā 90. gadu sākumā populāra šķita pa pusei analogā, pa pusei digitālā MAC (Multiplexed Analog Components) hibrīdsistēma. Vienas TV attēla rindas laikā tika pārraidīts: laikā saspiests spilgtuma signāls (1,5 reizes), krāsu starpības signāli (3 reizes), kā arī digitālā formātā skaņas pavadījuma signāli plus dati (sinhrosignāli, teleteksts u. c.) (1. zīm.).

 

U, V Digitālais signāls Analogais signāls +0,5 +0.4 0 -0,4 -0,5

References līmenis Skaņas signāli un dati Krāsu starpības signāli

Spilgtuma signāls Laika ass 10,3 ms 17,2 ms 34,4 ms 64 ms

 

1. zīm. Rindas formāts D2-MAC sistēmā.

 

Eksperti vērtēja, ka attēla kvalitāte ir mazliet labāka nekā PAL, NTSC vai SECAM sistēmā. Taču nākošais posms – augstas izšķirtspējas TV ieviešana t. s. HD-MAC, kas bija jārealizē saskaņā ar EUREKA-95 Eiropas projektu, abonentu trūkuma dēļ (?) tā arī nenotika. Patlaban D2-MAC standarta izplatība satelīttelevīzijā aizvien sašaurinās. MAC hibrīdsistēmas, acīmredzot, ir lemtas neveiksmei.

Eiropas DTV speciālisti gāja citu, no ASV atšķirīgu ceļu, viņu galvenais mērķis bija apmierināt tirgus vajadzības. Tika izveidots DVB (Digital Video Broadcasting) konsorcijs, kura sastāvā ietilpa vairākas mērķgrupas. Eiropas ciparu televīzijas projekta priekšgalā sākotnēji bija nevis televīzijas speciālisti, bet ekonomisti un mārketinga speciālisti, kas sāka ar rūpīgu tirgus izpēti. Pētījumu rezultātā tika izstrādātas rekomendācijas izveidot televīziju, kas varētu būt interaktīva un spējīga piedāvāt patērētājam daudz kanālu. Netika plānots ar lēcienu ieviest HDTV, lai gan uzmanība tika pievērsta attēla kvalitātei.

Japāņu sistēma parādījās deviņdesmito gadu beigās. Tā daudzējādā ziņā balstījās uz DVB konsorcija sasniegumiem. Japāņiem mērķis bija piedāvāt parastajam ikdienas skatītājam augstas kvalitātes televīziju ar pakalpojumu integrāciju – ēterā tiek raidīta kāda informācijas plūsma, kas vienlaikus satur televīzijas attēlu ar standarta un HDTV attēla skaidrumu, radio programmas, teleteksta sistēmu, kustīgas un nekustīgas attēla pārraides, vairākas televīzijas atbalsta sistēmas, elektroniskos ceļvežus, laika ziņas, jaunākas ziņas, sistēmas, kas veicina interneta attīstību, datorprogrammas. Nav jāaizmirst, ka jau 1988. gadā Japānā stājās ierindā Japānas raidīšanas korporācijas (NHK) izstrādātā paaugstinātā skaidruma HDTV sistēma ar attēlu 1125 rindu klājumā. Tā bija t. s. MUSE (Multiple SubNyquist Sampling Encoding) uzlabota analogi digitālā hibrīdsistēma, kas pretēji eiropiešu HD-MAC pakāpeniski ieviesās un darbojas vēl patlaban ar vairāk nekā 1,3 miljoniem abonentu.

 

Modulācijas veidi

Lai gan koncepcijas ir principiāli dažādas, tomēr atšķirības nav tik lielas, kādas kādreiz bija krāsu televīzijas standartiem. Tas saistīts ar to, ka datiem, kurus pārraida šajās trijās sistēmas, jābūt kodētiem MPEG2 sistēmā. Tā kā MPEG2 dekoderi ir gandrīz vissarežģītākā televīzijas uztvērēja daļa, tad arī tehniskās atšķirības starp šīm sistēmām nav tik principiālas un nepārvaramas. Skatītāji varbūt ne vienmēr pamana atšķirības starp sistēmām, jo Eiropas variants arī var piedāvāt HDTV kvalitātes televīziju. Piemēram, Austrālijā DVB darbojas augsta attēla skaidruma televīzija, bet Eiropas valstīs – standarta attēla asuma televīzija.

Principiālas atšķirības ir starp šo trīs sistēmu modulācijas veidiem. Amerikāņi pieņēma ciparu variantu modulācijas sistēmai, kas gadu desmitu laikā labi kalpoja analogajā televīzijas apraidē. Tā ir vienjoslas amplitūdas modulācija ar daļēji slāpētu blakus joslu un nesējfrekvenci (2. zīm.).

 

8VSB nesējs Nospiestā apakšējā sānu josla 0,31 MHz Frekvence 6 MHz

 

2. zīm. ATSC DTV raidītāja frekvenču spektrs.

 

Tomēr jaunajam variantam ir arī dažas atšķirības - tā ir ciparu sistēma, t. s. 8VSB (astoņu līmeņu) daudzlīmeņu amplitūdas modulācija, nesējfrekvences līmenis ir neliels (tomēr amerikāņu sistēmā tā ir nepieciešama, lai varētu nodrošināt sinhronizācijas drošību). Parametrus izraudzījās, lai vienkāršotu pāreju no analogās televīzijas uz ciparu televīziju un samazinātu intermodulācijas kropļojumus starp ciparu un analogajā formātā strādājošām stacijām. Tomēr amerikāņu sistēmai pašā ASV izplatība vēl ir neliela un attīstības tempi atpaliek no prognozēm. Tas, iespējams, saistīts ar to, ka HDTV, uzlabota attēla skaidruma televīzija, skatītājam nemaz tik ļoti nav vajadzīga, televīzijas uztvērēji šķiet dārgi, ne visi grib tādus pirkt, jaunu programmu tikpat kā nav, HDTV tiek dublētas tās pašas programmas, kuras pārraida standarta attēla skaidruma formātā (t. i., 525 rindās).

Koncepcijai – attēla skaidrums un tikai pēc tam viss pārējais – vairāk piekristu ķīnieši. Viņu izdevumu struktūrā augstas kvalitātes televīzija, mūzikas centri utt. ir augstākā līmenī nekā amerikāņiem. Tiem pirmajā vietā ir māja, mašīna un tikai pēc tam elektronika, ķīniešiem pretēji - sākumā elektronika, tikai pēc tam viss pārējais. Pēc tirgus pētījumiem ķīnieši ir vairāk nobrieduši pirkt HDTV televizorus, kuri maksā no 2000 līdz 3000 dolāru, nekā bagātie amerikāņi.

Eiropieši pieņēma daudznesēju modulācijas sistēmu COFDM (sk. arī SP 2001/1, 26. lpp.). Tā ir kodēta sistēma ar pretkļūdu aizsardzību, frekvenču blīvējumu, datu multipleksēšanu, ortogonālo frekvenču multipleksēšanu (visas nesējfrekvences, kuras pārraida datu fragmentus, ir ortogonālas), kurai ir augsti raksturlielumi un kura ļauj strādāt ar ļoti zemu signāla/trokšņu attiecību kanālā. Nesēju ortogonalitāte nozīmē to, ka daudzie nesēji izvietoti tādos frekvences punktos, kur blakus nesēju amplitūdas ir vienādas ar nulli. Tā rezultātā uztvērējā katra nesēja demodulators nemana blakus nesēju traucējošo iedarbību, lai gan to spektri var nedaudz pārklāties (sk. arī SP 2001/1, 26. lpp.). Tie ir svarīgi nosacījumi, lai vienkāršotu un uzlabotu DTV uztvērēja raksturlielumus.

Būtiski ir tas, ka maģiskā COFDM modulācija arī augstam trokšņu līmenim, kā arī daudzstaru uztveršanas apstākļos. Tāpēc to bez problēmām var izmantot pilsētās, kur no celtnēm atstaroto daudzstaru radioviļņu uztveršana ir neizbēgama. Tiešā un atstarotā signāla sadarbībā interferences dēļ daži spektra komponenti tiek slāpēti, citi – pastiprināti.

Amerikāņu ATSC modulācijas sistēmā atsevišķu spektra komponentu slāpēšana var tikt kompensēta uz frekvenču korekcijas rēķina, bet, ja atstarojošā signāla un papildsignāla līmenis ir tāds pats kā tiešā signāla līmenis, tad atsevišķu komponentu interferences rezultātā spektra daļa tiek noslāpēta līdz nullei un nekāda korekcija nav spējīga atrisināt šo problēmu. Taču eiropiešu DVB COFDM sistēma ir ar lielu nesējfrekvenču daudzumu, tāpēc dažas atsevišķās nesējfrekvences var uztvērējā viegli atjaunot ar kļūdu atrašanas un korekcijas sistēmu.

Nesējfrekvenču daudzums DVB ir ļoti liels – no 2000 līdz 8000. Tas nozīmē, ka datu plūsma ir sadalīta uz astoņiem tūkstošiem nesēju un simbolu maiņas frekvence ir 8000 reižu mazāka. ATSC sistēmā simbolu maiņas frekvence ir 10,76 MHz. DVB COFDM sistēmā ir cita aina. Pārraidīto datu ātrums tiek it kā pazemināts, jo tos, kaut arī vienlaikus, nes, piemēram, viens no 8000 nesēju. Bet simbola garums tiek palielināts. Tā aktīvais periods ir zem 1 milisekundes (precīzāk, 896 ms). Lai likvidētu atstarotā signāla vai cita DTV raidītāja no tālienes nākušo signāla traucējošo iedarbību, pirms simbola aktīvā perioda paredz t. s. aizsargintervālu. Ja traucējošais atstarotais signāls ir īsāks un nav pārsniedzis aizsargintervālu, tas netraucē. Piemēram, ja 8000 nesēju gadījumā aizsargintervāls ir 224 ms, tad visi atstarotie (laikā aizkavētie) traucējošie signāli pat ar līmeni, kas vienāds ar derīgā signāla līmeni, nodzisīs, līdz kamēr pienāks atbilstošā nesēja atnestais derīgais simbols (bitu kopa). Svarīgais nosacījums ir tikai tas, lai traucēklis būtu īsāks par aizsargintervālu. Tā rezultātā uzlabojas attēla skaidrums pilsētās, radioviļņu daudzstaru izplatīšanās nosacījumos. Ļoti daudzās t. s. ortogonālās nesējfrekvences, kas nodrošina garu simbolu maiņas periodu, rada labvēlīgus apstākļus vienfrekvences valsts tīkla jeb SFN (Single Frequency Network) izveidei.

 

Liktenīgā izvēle

Parasti kaimiņpilsētās raidītāji darbojas dažādās frekvencēs, citādi tie traucē cits citam. DVB sistēmā visas valsts, kontinenta teritoriju var pārklāt ar vienu un to pašu frekvenci. Ja sistēma ir nejutīga pret atstaroto signālu, tas nozīmē, ka tā tieši tāpat nebūs jutīga pret signālu, kurš tiek pārraidīts kaimiņpilsētā, piemēram, 20-30 km attālumā tajā pašā frekvencē. Ja zināms, kuri komponenti interferences rezultātā pastiprinās, bet kuri tiek slāpēti, komponentus var iezīmēt. Visām DTV sistēmām ir raksturīga hierarhiskā pārraide, kad uz vienas nesējfrekvences var pārraidīt vairākas programmas. DVB sistēmas īpatnība ir tā, ka COFDM parametrus var mainīt ļoti lielās robežās.

DVB sistēmai ir daudz kopēja ar kabeļu un satelītu televīziju. Lielākā atšķirība virszemes apraidei ir tā, ka zemes raidīšanai nāk klāt ārējā kodēšana. Šie apstākļi palīdzēja DVB sistēmai kļūt populārai. Pat tās valstis, kuras iepriekš bija nolēmušas pāriet uz ATSC sistēmu, sāk pārdomāt. No lielajām valstīm galīgu lēmumu vēl nav pieņēmusi Ķīna, Brazīlija, kura noraidīja ATSC, bet nevar izdomāt, ko ieviest – japāņu vai eiropiešu sistēmu. Austrālija un visa Eiropa pieņēmusi DVB standartu, Krievija de facto arī pieņēma, kaut gan oficiāla lēmuma vēl nav (lēmums par virszemes apraides veidu valstī jāpieņem valdībai) (sk. arī SP 2001/3, 32. lpp.).

Ar kabeļu un satelīttelevīziju viss ir daudz vienkāršāk. Operatoriem ir lielāka izvēles brīvība, taču ar virszemes apraidi ir citādi. Amerikā vairāki operatori uzstāj, lai atļautu iziet ēterā DVB sistēmā. Arī Aizsardzības ministrija bija pret ATSC sistēmu, jo virszemes televīzijas apraide ir ļoti svarīgs informācijas līdzeklis tajos gadījumos, kad notiek kādas katastrofas - viesuļvētra vai karš -, kad jānodod ārkārtas paziņojumi. Tā kā amerikāņiem ir ļoti labi attīstīta kabeļtīklu struktūra, ATSC sistēma labi darbojas arī daudzstaru pārraides apstākļos. Lielajās pilsētās visās mājās ir kabeļu televīzija ar kvalitatīvām antenām uz jumtiem, tāpēc daudzstaru uztveršanas traucējumu tikpat kā nav. Bet, ja nu Ņujorkā ir viesuļvētra? Tāda sistēma tūlīt iziet no ierindas, un pārraidīt ārkārtas paziņojumus nav iespējams. Bet DVB sistēma labi strādā daudzstaru uztveršanas apstākļos, to var uztvert ar istabas antenu, pat ar vada gabalu, metāla stieni - ar ko pagadās. Tāpēc Aizsardzības ministrija ir pret ATSC sistēmu, tomēr Federālā sakaru komisija paliek pie sava viedokļa, jo process ir aizgājis pārāk tālu, lai tagad to mainītu.

Kāpēc amerikāņi nepieņēma tādu labu sistēmu kā CODFM? Vai tad viņi par to nezināja? Zināja, šo sistēmu piedāvāja kanādieši. Eiropieši izstrādāja DVB standartus, ņemot vērā pētījumus Amerikā. Sistēmas izvēle bija tikai laika jautājums. Amerikāņi sāka darbu pie savām ATSC sistēmām 1987. gadā, kad modulācijas sistēma CODFM tikko lika pirmos soļus ārpus laboratorijas un deva ne visai labus rezultātus. ATSC sistēmas rezultāti bija labāki, un Grand Aliance izvēlējās tieši to, iespējams, pieņemdama, ka neviens neko labāku neizdomās. Bet izrādījās, ka eiropieši, izmantojot amerikāņu pētījumu rezultātus, tomēr izveidoja labāku sistēmu.

 

 

 

 

Digitālā televīzija Krievijā

 

Pēdējo desmit gadu laikā Krievijas televīzijā valdīja gan Eiropas, gan Amerikas standarti. 1998. gada notika pirmā Radiofrekvenču Valsts komisijas sēde ciparu televīzijas jautājumos, kur tika pieņemts lēmums, ka Krievijā ir jāattīsta DVB standarts - līdz 2008. gadam televīzijas sistēmām ir jāatbilst Eiropas standartiem un specifikācijām.

TeleMedium ir pirmā Krievijas televīzijas kompānija, kas sāka digitālās televīzijas pārraidi šīs valsts teritorijā. Lai varētu izstrādāt stratēģiju pārejai uz ciparu televīziju, dažos rajonos noorganizēja tās pārraidi izmēģinājuma režīmā. Sakaru ministrijā pieņēma lēmumu atbrīvot trīs frekvenču kanālus Sanktpēterburgā, Maskavā un Nižņijnovgorodā, lai varētu sākt eksperimentālas pārraides.

2000. gada 26. jūlijā izsludināja konkursu, kura gaitā izdalīja trīs licences eksperimentālas pārraides sākšanai. Parasti šādas licences cena ir vairāk nekā viens miljons ASV dolāru, bet šajā gadījumā par to vajadzēja maksāt tikai 30 ASV dolāru - ar noteikumu, ka operatori veiks kompleksus izmēģinājumus elektromagnētiskās savietojamības noteikšanai, ka arī veselu virkni citu izmēģinājumu un testu, kas turpmāk palīdzēs ciparu televīzijas attīstības stratēģijas izstrādāšanai Krievijā.

Licenci eksperimentālai raidīšanai Sanktpeterburgā saņēma TeleMedium, bet Maskavā un Nižņijnovgorodā - valsts radio meitas struktūra.

2001. gada 19. februārī Sanktpēterburgā notika pirmā ciparu televīzijas pārraide. Nepieciešamais aprīkojums atrodas Sanktpeterburgas Radio un televīzijas pārraides centrā: pieci metru viļņu raidītāji (156 kW), 10 decimetru viļņu raidītāji (98 kW), 15 FM/UĪV raidītāji (95 kW), MMDS (Microwave Multipoint Distribution System) sistēma. Nodrošinātas peidžinga un trankinga iespējas. Temperatūra ģeneratoru telpās ir līdz 50^o C. Multipleksori un aprīkojums ir no BarcoNet un Tandberg, uztvērēji – Nokia, Samsung, PACE, Humax, Visionetics, UniCom, bet raidītāji - Krievijas a/s Mart. Sākumā ciparu pārraidei tika atvēlētas tikai trīs stundas diennaktī, pēc tam šīs laiks tika pagarināts līdz astoņām, tad sešpadsmit stundām, bet vēlāk ciparu televīzijas pārraide notika visu diennakti.

Šobrīd darbojas viena četrstāvu paneļu antena ar diviem analogiem kanāliem. Antenas piekares augstums ir 210 metri, fīdera augstums – 270 m. Raidītāja darbības zonā izvietoja kontroles uztveršanas punktus (uztvērējus, televizorus), kuros veica kontroles mērījumus un novēroja, kas notiek ēterā. Mērījumi tika veikti ar ciparu plūsmu analizatora palīdzību, tika pētīta arī elektromagnētiskā situācija. Speciālisti novēroja, kā notiek signālu uztveršana.

Eiropā starpība starp attēla un skaņas nesošām frekvencēm ir 5,5 MHz, bet Krievijā – 6,5 MHz. Eiropas DVB standartā tajā daļā, kur aprakstīta ciparu televīzijas signāla spektra maska, teikts, ka skaitļi, kas attiecas uz Austrumeiropas valstīm, ir eksperimentāli un pārbaudāmi. Eksperti prognozē, ka nākošajā Austrumeiropas valstu DVB standarta revīzijā prasības pret raidītājiem tiks mainītas, jo Eiropas standartus pilnībā ieviest Krievijā nav iespējams.

 

Mobila uztvere

Ciparu televīzijas signālu var uztvert gan stacionāri, gan ar kompakto antenu, gan arī mobili. Lai novērotu mobilo uztveršanu, TeleMedium speciālisti izmantoja speciāli aprīkotu automašīnu. Mērījumi un novērojumi tika veikti ciparu televīzijas raidīšanas zonā.

Eksperimenta gaitā noskaidroja, ka mobilā uztveršana ir iespējama:

·   tikai QPSK ½ modulācijas režīmā un uztvert var tikai vienu programmu;

·   tikai izmantojot vertikālo polarizāciju;

·   tikai vienas frekvences tīklā.

Noskaidrojās, ka mobilā ciparu televīzijas signāla uztveršana nebūs komerciāli pieprasīta nestabilā attēla dēļ (attēla stabilitāti pilsētas apstākļos ietekmē gan garām braucošie autobusi, gan meteoroloģiskie apstākļi, gan arī reljefs un citi faktori). Taču teorētiski mobilās uztveršanas stabilitāte ir ļoti liela – līdz pat 80 procentiem. Sliktos apstākļos ciparu signāls pazūd uzreiz; analogajā