Системы вещательного телевидения (или системы наземного телевидения за пределами США и Канады) — это системы кодирования или форматирования для передачи и приема сигналов наземного телевидения .
Аналоговые телевизионные системы были стандартизированы Международным союзом электросвязи (МСЭ) в 1961 году, [1] при этом каждая система обозначалась буквой ( A - N ) в сочетании с используемым стандартом цвета ( NTSC , PAL или SECAM ) - например, PAL-B, NTSC-M и т. д.). Эти аналоговые системы для телевещания доминировали до 2000-х годов.
С появлением цифрового наземного телевидения (DTT) на смену им пришли пять основных систем, используемых во всем мире: ATSC , DVB , ISDB и DTMB .
Каждая аналоговая телевизионная система, за исключением одной, начиналась как черно-белая система. Каждая страна, столкнувшись с местными политическими, техническими и экономическими проблемами, приняла стандарт цветного телевидения , который был привит к существующей монохромной системе, такой как CCIR System M , используя пробелы в спектре видео (объясняется ниже), чтобы позволить информации о передаче цвета соответствовать существующим выделенным каналам. Привитие стандартов передачи цвета к существующим монохромным системам позволило существующим монохромным телевизионным приемникам, предшествовавшим переходу на цветное телевидение, продолжать работать как монохромное телевидение. Из-за этого требования совместимости цветовые стандарты добавили второй сигнал к основному монохромному сигналу, который несет цветовую информацию. Цветовая информация называется цветностью с символом C, в то время как черно-белая информация называется яркостью с символом Y. Монохромные телевизионные приемники отображают только яркость, в то время как цветные приемники обрабатывают оба сигнала. Хотя теоретически любая монохромная система могла быть адаптирована к цветной системе, на практике некоторые из исходных монохромных систем оказались непрактичными для адаптации к цвету и были заброшены, когда был осуществлен переход на цветное вещание. Все страны использовали один из трех цветовых стандартов: NTSC, PAL или SECAM. Например, CCIR System M часто использовалась в сочетании со стандартом NTSC для обеспечения цветного аналогового телевидения, и вместе они были известны как NTSC-M.
Было испытано несколько экспериментальных и вещательных систем до Второй мировой войны. Первые из них были механическими и имели очень низкое разрешение, иногда без звука. Более поздние телевизионные системы были электронными и обычно упоминались по номеру строки: 375-строчная (использовалась в Германии, Италии, США), 405-строчная (использовалась в Великобритании), 441-строчная (использовалась в Германии, Франции, Италии, США) или 567-строчная (использовалась в Нидерландах). Эти системы были в основном экспериментальными и национальными, без определенных международных стандартов, и не возобновили вещание после войны. Исключением была британская 405-строчная система, которая возобновила вещание и была первой, стандартизированной МСЭ как Система A , остававшаяся в эксплуатации до 1985 года.
На международной конференции в Стокгольме в 1961 году Международный союз электросвязи определил стандарты для систем вещательного телевидения ( системное буквенное обозначение МСЭ ). [1] Каждый стандарт обозначается буквой (AM).
На диапазонах УКВ I , II и III могут использоваться системы с 405 , 625 и 819 строками :
В диапазонах УВЧ IV и V были приняты только 625-строчные системы, разница заключалась в параметрах передачи, таких как полоса пропускания канала.
После дальнейших конференций и внедрения цветного телевидения к 1966 году [2] каждый стандарт был обозначен буквой (AM) в сочетании со стандартом цвета (NTSC, PAL, SECAM). Это полностью определяет все монофонические аналоговые телевизионные системы в мире (например, PAL-B, NTSC-M и т. д.).
В следующей таблице приведены основные характеристики каждого стандарта. [2] За исключением строк и частоты кадров , другими единицами измерения являются мегагерцы (МГц).
По историческим причинам некоторые страны используют другую видеосистему на УВЧ, чем на УКВ- диапазонах. В нескольких странах, прежде всего в Соединенном Королевстве , телевизионное вещание на УКВ было полностью закрыто. Британская 405-строчная система A, в отличие от всех других систем, подавляла верхнюю боковую полосу, а не нижнюю, что соответствует ее статусу старейшей действующей телевизионной системы, сохранившейся в цветную эпоху (хотя официально она никогда не транслировалась с цветным кодированием). Система A была протестирована со всеми тремя цветовыми стандартами, а производственное оборудование было спроектировано и готово к производству; Система A могла бы выжить как NTSC-A, если бы британское правительство не решило согласовать с остальной Европой 625-строчную видеосистему, реализованную в Великобритании как PAL-I только на УВЧ.
Французская 819-строчная система E была послевоенной попыткой повысить положение Франции в телевизионных технологиях. Ее 819 строк были почти высокой четкостью даже по сегодняшним стандартам. Как и британская система A, она была только VHF и оставалась черно-белой до своего закрытия в 1984 году во Франции и в 1985 году в Монако. Она была протестирована со стандартом SECAM на ранних стадиях, но позже было принято решение принять цвет только в 625-строчной системе L. Таким образом, Франция приняла систему L как в сетях UHF, так и в сетях VHF и отказалась от системы E.
Самая ранняя работающая система HDTV ( MUSE ) была в Японии, ее разработка началась еще в 1979 году. В конце 1980-х годов в стране началось вещание широкополосных аналоговых видеосигналов высокой четкости с использованием чересстрочного разрешения 1125 строк, поддерживаемого линейкой оборудования Sony HDVS .
Во многих частях мира аналоговое телевизионное вещание полностью прекращено или находится в процессе прекращения; смотрите раздел Переход на цифровое телевидение для получения хронологии прекращения аналогового вещания.
Игнорируя цвет, все телевизионные системы работают по сути одинаково. Монохромное изображение, видимое камерой (позже компонент яркости цветного изображения), делится на горизонтальные строки развертки , некоторое количество которых составляет одно изображение или кадр . Монохромное изображение теоретически непрерывно и, таким образом, неограниченно в горизонтальном разрешении, но для того, чтобы сделать телевидение практичным, необходимо было наложить ограничение на полосу пропускания телевизионного сигнала, что накладывает окончательный предел на возможное горизонтальное разрешение. Когда был введен цвет, эта необходимость ограничения стала фиксированной. Все аналоговые телевизионные системы являются чересстрочными : чередующиеся строки кадра передаются последовательно, за которыми следуют оставшиеся строки в их последовательности. Каждая половина кадра называется видеополем , а скорость, с которой передаются поля, является одним из основных параметров видеосистемы. Она связана с частотой сети , на которой работает система распределения электроэнергии , чтобы избежать мерцания, возникающего из-за биения между отклоняющей системой телевизионного экрана и близлежащими магнитными полями, генерируемыми сетью. Все цифровые или «фиксированные пиксельные» дисплеи имеют прогрессивную развертку и должны деинтерлейсировать чересстрочный источник. Использование недорогого деинтерлейсного оборудования является типичным отличием между недорогими и дорогими плоскопанельными дисплеями ( плазменный дисплей , ЖК-дисплей и т. д.).
Все фильмы и другие отснятые материалы, снятые с частотой 24 кадра в секунду, должны быть переведены в видеокадры с помощью телекино , чтобы предотвратить серьезные эффекты дрожания движения. Обычно для форматов 25 кадров/с (европейских и других стран с частотой сети 50 Гц) контент ускоряется до PAL , в то время как для форматов 30 кадров/с (Северная Америка и других стран с частотой сети 60 Гц) используется метод, известный как « 3:2 pulldown », чтобы сопоставить частоту кадров фильма с частотой видеокадров без ускорения воспроизведения.
Стандарты аналогового телевизионного сигнала разработаны для отображения на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), и поэтому физика этих устройств обязательно контролирует формат видеосигнала. Изображение на ЭЛТ рисуется движущимся пучком электронов, который попадает на фосфорное покрытие на передней части трубки. Этот электронный луч управляется магнитным полем, создаваемым мощными электромагнитами вблизи источника электронного луча.
Для переориентации этого магнитного рулевого механизма требуется определенное время из-за индуктивности магнитов; чем больше изменение, тем больше времени требуется электронному лучу, чтобы установиться в новом месте.
По этой причине необходимо выключать электронный луч (соответствующий видеосигналу нулевой яркости) на время, необходимое для переориентации луча с конца одной строки на начало следующей ( горизонтальный обратный ход ) и с нижней части экрана на верхнюю ( вертикальный обратный ход или интервал вертикального гашения ). Горизонтальный обратный ход учитывается во времени, отведенном для каждой строки сканирования, но вертикальный обратный ход учитывается как фантомные линии , которые никогда не отображаются, но которые включены в число строк на кадр, определенное для каждой видеосистемы. Поскольку электронный луч должен быть выключен в любом случае, результатом являются пробелы в телевизионном сигнале, которые могут использоваться для передачи другой информации, такой как тестовые сигналы или сигналы цветовой идентификации.
Временные промежутки преобразуются в гребенчатый частотный спектр сигнала, где зубцы расположены на частоте линии и концентрируют большую часть энергии; пространство между зубцами можно использовать для вставки цветовой поднесущей.
Позднее вещатели разработали механизмы для передачи цифровой информации по фантомным линиям, которые в основном использовались для телетекста и скрытых субтитров :
Телевизионные изображения уникальны тем, что они должны включать области изображения с контентом приемлемого качества, которые некоторые зрители никогда не увидят. [ неопределенно ]
В чисто аналоговой системе порядок полей — это просто вопрос соглашения. Для записанного в цифровом формате материала становится необходимым переупорядочить порядок полей, когда происходит преобразование из одного стандарта в другой.
Другим параметром аналоговых телевизионных систем, незначительным по сравнению с другими, является выбор того, является ли модуляция изображения положительной или отрицательной. Некоторые из самых ранних электронных телевизионных систем, такие как британская 405-строчная (система A), использовали положительную модуляцию. Она также использовалась в двух бельгийских системах (система C, 625 строк и система F, 819 строк) и двух французских системах (система E, 819 строк и система L, 625 строк). В системах с положительной модуляцией, как и в более раннем стандарте передачи белого факсимиле, максимальное значение яркости представлено максимальной мощностью несущей; в отрицательной модуляции максимальное значение яркости представлено нулевой мощностью несущей. Все более новые аналоговые видеосистемы используют отрицательную модуляцию, за исключением французской системы L.
Импульсный шум, особенно от старых автомобильных систем зажигания, вызывал появление белых пятен на экранах телевизионных приемников, использующих положительную модуляцию, но они могли использовать простые схемы синхронизации. Импульсный шум в системах отрицательной модуляции выглядит как темные пятна, которые менее заметны, но синхронизация изображения серьезно ухудшалась при использовании простой синхронизации. Проблема синхронизации была преодолена с изобретением схем фазовой синхронизации . Когда они впервые появились в Великобритании в начале 1950-х годов, одним из названий, используемых для их описания, была «синхронизация маховиком».
Старые телевизоры для систем с положительной модуляцией иногда оснащались инвертором пикового видеосигнала, который затемнял белые интерференционные пятна. Обычно это настраивалось пользователем с помощью элемента управления на задней панели телевизора, обозначенного как «White Spot Limiter» в Великобритании или «Antiparasite» во Франции. При неправильной настройке ярко-белое изображение становилось темным. Большинство систем телевидения с положительной модуляцией прекратили работу к середине 1980-х годов. Французская система L продолжала работать вплоть до перехода на цифровое вещание. Положительная модуляция была одной из нескольких уникальных технических особенностей, которые изначально защищали французскую электронную и вещательную промышленность от иностранной конкуренции и делали французские телевизоры неспособными принимать передачи из соседних стран.
Другое преимущество отрицательной модуляции заключается в том, что, поскольку синхронизирующие импульсы представляют максимальную мощность несущей, относительно легко настроить автоматическую регулировку усиления приемника так, чтобы она работала только во время синхронизирующих импульсов и, таким образом, получать видеосигнал постоянной амплитуды для управления остальной частью телевизора. Это было невозможно в течение многих лет с положительной модуляцией, поскольку пиковая мощность несущей менялась в зависимости от содержания изображения. Современные схемы цифровой обработки достигли аналогичного эффекта, но используя переднюю часть видеосигнала.
Учитывая все эти параметры, результатом является в основном непрерывный аналоговый сигнал , который может быть смодулирован на радиочастотный носитель и передан через антенну. Все аналоговые телевизионные системы используют модуляцию остаточной боковой полосы , форму амплитудной модуляции, при которой одна боковая полоса частично удалена. Это уменьшает полосу пропускания передаваемого сигнала, позволяя использовать более узкие каналы.
В аналоговом телевидении аналоговая аудиочасть трансляции неизменно модулируется отдельно от видео. Чаще всего аудио и видео объединяются на передатчике перед подачей на антенну, но могут использоваться отдельные слуховые и визуальные антенны. Во всех случаях, когда используется негативное видео, FM используется для стандартного монофонического звука; системы с позитивным видео используют звук AM, а технология межнесущего приемника не может быть включена. Стерео или, в более общем смысле, многоканальный звук кодируется с использованием ряда схем, которые (за исключением французских систем) независимы от видеосистемы. Основными системами являются NICAM , которая использует цифровое кодирование звука; double-FM (известная под различными названиями, в частности, Zweikanalton , A2 Stereo, West German Stereo, German Stereo или IGR Stereo), в этом случае каждый аудиоканал отдельно модулируется в FM и добавляется к сигналу вещания; и BTSC (также известная как MTS ), которая мультиплексирует дополнительные аудиоканалы в звуковую несущую FM. Все три системы совместимы с монофоническим FM-аудио, но с французскими AM-аудиосистемами можно использовать только NICAM .
Ситуация с мировым цифровым телевидением гораздо проще в сравнении. Большинство систем цифрового телевидения основаны на стандарте транспортного потока MPEG и используют видеокодек H.262/MPEG-2 Part 2. Они существенно различаются в деталях того, как транспортный поток преобразуется в вещательный сигнал, в видеоформате до кодирования (или, в качестве альтернативы, после декодирования) и в аудиоформате. Это не помешало созданию международного стандарта, включающего обе основные системы, хотя они и несовместимы почти во всех отношениях.
Две основные системы цифрового вещания — это стандарты ATSC , разработанные Комитетом по передовым телевизионным системам и принятые в качестве стандарта в большинстве стран Северной Америки , и DVB-T , система цифрового видеовещания — наземная система, используемая в большинстве стран остального мира. DVB -T был разработан для совместимости форматов с существующими службами прямого спутникового вещания в Европе (которые используют стандарт DVB-S , а также в некоторой степени используются поставщиками спутниковых антенн прямого вещания в Северной Америке ), а также существует версия DVB-C для кабельного телевидения. Хотя стандарт ATSC также включает поддержку систем спутникового и кабельного телевидения, операторы этих систем выбрали другие технологии (в основном DVB-S или фирменные системы для спутника и 256QAM, заменяющие VSB для кабеля). Япония использует третью систему, тесно связанную с DVB-T, называемую ISDB-T , которая совместима с бразильской SBTVD . Китайская Народная Республика разработала четвертую систему, получившую название DMB-T/H .
Наземная система ATSC (неофициально ATSC-T) использует фирменную модуляцию, разработанную Zenith , называемую 8-VSB ; как следует из названия, это метод остаточной боковой полосы. По сути, аналоговая VSB относится к обычной амплитудной модуляции так же, как 8VSB относится к восьмиполосной квадратурной амплитудной модуляции . Эта система была выбрана специально для обеспечения максимальной спектральной совместимости между существующим аналоговым телевидением и новыми цифровыми станциями в уже переполненной системе распределения телевидения в Соединенных Штатах, хотя она уступает другим цифровым системам в борьбе с многолучевыми помехами ; однако, она лучше справляется с импульсным шумом , который особенно присутствует в диапазонах VHF, которые другие страны прекратили использовать для телевидения, но все еще используются в США. Также отсутствует иерархическая модуляция . После демодуляции и исправления ошибок модуляция 8-VSB поддерживает цифровой поток данных около 19,39 Мбит/с, что достаточно для одного видеопотока высокой четкости или нескольких услуг стандартной четкости. См. Цифровой подканал: Технические соображения для получения дополнительной информации.
17 ноября 2017 года FCC проголосовала 3-2 за разрешение добровольного развертывания ATSC 3.0 , который был разработан как преемник оригинального ATSC "1.0", и выпустила Отчет и Приказ по этому поводу. Станции полной мощности должны будут поддерживать одновременную передачу своих каналов на совместимом с ATSC 1.0 сигнале, если они решат развернуть службу ATSC 3.0. [9]
На кабеле ATSC обычно использует 256QAM , хотя некоторые используют 16VSB . Оба они удваивают пропускную способность до 38,78 Мбит/с в той же полосе пропускания 6 МГц . ATSC также используется на спутнике. Хотя они логично называются ATSC-C и ATSC-S, эти термины никогда не были официально определены.
DTMB — это стандарт цифрового телевизионного вещания материкового Китая , Гонконга и Макао . Это система слияния, которая является компромиссом различных конкурирующих стандартов, предлагаемых различными китайскими университетами, которая включает элементы из DMB-T , ADTB-T и TiMi 3.
DVB-T использует кодированное ортогональное частотное разделение мультиплексирования (COFDM), которое использует до 8000 независимых носителей, каждый из которых передает данные на сравнительно низкой скорости. Эта система была разработана для обеспечения превосходной устойчивости к многолучевым помехам и имеет выбор вариантов системы, которые позволяют передавать данные со скоростью от 4 Мбит/с до 24 Мбит/с. Одна американская вещательная компания, Sinclair Broadcasting , подала петицию в Федеральную комиссию по связи с просьбой разрешить использование COFDM вместо 8-VSB, полагая, что это улучшит перспективы приема цифрового телевидения домохозяйствами без внешних антенн (большинство в США), но эта просьба была отклонена. (Однако одна американская цифровая станция, WNYE-DT в Нью-Йорке , была временно переведена на модуляцию COFDM в экстренном порядке для передачи информации сотрудникам экстренных служб в нижнем Манхэттене после террористических атак 11 сентября ).
DVB-S — это оригинальный стандарт прямого кодирования ошибок и модуляции цифрового видеовещания для спутникового телевидения , который появился в 1995 году. Он используется через спутники, обслуживающие все континенты мира, включая Северную Америку . DVB-S используется в режимах MCPC и SCPC для сетевых каналов вещания , а также для прямых спутниковых служб вещания, таких как Sky и Freesat на Британских островах, Sky Deutschland и HD+ в Германии и Австрии, TNT Sat/Fransat и CanalSat во Франции, Dish Network в США и Bell Satellite TV в Канаде. Транспортный поток MPEG , предоставляемый DVB-S, имеет статус MPEG-2.
DVB-C означает Digital Video Broadcasting - Cable (цифровое видеовещание - кабельное) и является стандартом европейского консорциума DVB для широковещательной передачи цифрового телевидения по кабелю . Эта система передает цифровой аудио/видеопоток семейства MPEG-2 , используя модуляцию QAM с канальным кодированием .
ISDB очень похож на DVB, однако он разбит на 13 подканалов. Двенадцать используются для телевидения, в то время как последний служит либо защитной полосой , либо для службы 1seg (ISDB-H). Как и другие системы DTV, типы ISDB отличаются в основном используемыми модуляциями из-за требований различных частотных диапазонов. ISDB-S диапазона 12 ГГц использует модуляцию PSK, цифровое звуковое вещание диапазона 2,6 ГГц использует CDM, а ISDB-T (в диапазоне VHF и/или UHF) использует COFDM с PSK/QAM. Он был разработан в Японии с MPEG-2 и теперь используется в Бразилии с MPEG-4. В отличие от других систем цифрового вещания, ISDB включает управление цифровыми правами для ограничения записи программ.
Поскольку чересстрочные системы требуют точного позиционирования строк сканирования, важно убедиться, что горизонтальная и вертикальная временная развертка находятся в точном соотношении. Это достигается путем пропускания одной через ряд электронных цепей делителя для получения другой. Каждое деление происходит на простое число .
Следовательно, должна быть прямая математическая связь между частотами строк и полей, причем последняя выводится путем деления вниз от первой. Технологические ограничения 1930-х годов означали, что этот процесс деления мог быть выполнен только с использованием небольших целых чисел, предпочтительно не больше 7, для хорошей стабильности. Количество строк было нечетным из-за чередования 2:1. Система из 405 строк использовала вертикальную частоту 50 Гц (стандартная частота сети переменного тока в Великобритании) и горизонтальную частоту 10 125 Гц ( 50 × 405 ÷ 2 ).
Преобразование между различным количеством строк и различной частотой полей/кадров в видеоизображениях — непростая задача. Возможно, наиболее технически сложным преобразованием является преобразование из любой из систем с 625 строками и частотой 25 кадров/с в систему M, которая имеет 525 строк при частоте 29,97 кадров в секунду. Исторически это требовало хранилища кадров для хранения тех частей изображения, которые фактически не выводились (поскольку сканирование любой точки не совпадало по времени). В более позднее время преобразование стандартов стало относительно простой задачей для компьютера.
Помимо разницы в количестве строк, легко заметить, что генерация 59,94 полей каждую секунду из формата, имеющего всего 50 полей, может представлять некоторые интересные проблемы. Каждую секунду, казалось бы, из ничего должны генерироваться дополнительные 10 полей. Преобразование должно создавать новые кадры (из существующего ввода) в реальном времени.
Для этого используется несколько методов, в зависимости от желаемой стоимости и качества преобразования. Самые простые возможные преобразователи просто удаляют каждую 5-ю строку из каждого кадра (при преобразовании из 625 в 525) или дублируют каждую 4-ю строку (при преобразовании из 525 в 625), а затем дублируют или удаляют некоторые из этих кадров, чтобы компенсировать разницу в частоте кадров. Более сложные системы включают интерполяцию полей , адаптивную интерполяцию и фазовую корреляцию .
Стандарты технологий передачи
Несуществующие аналоговые системы
Аналоговые телевизионные системы
Аналоговая телевизионная система аудио
Системы цифрового телевидения
История