Цифровое телевидение ( DTV ) — это передача телевизионных сигналов с использованием цифрового кодирования, в отличие от более ранней технологии аналогового телевидения , которая использовала аналоговые сигналы . Во время своего развития оно считалось инновационным достижением и представляло собой первую значительную эволюцию в телевизионной технологии со времен цветного телевидения в 1950-х годах. [1] Современное цифровое телевидение передается в формате телевидения высокой четкости (HDTV) с большим разрешением, чем аналоговое телевидение. Обычно оно использует широкоэкранное соотношение сторон (обычно 16:9 ) в отличие от более узкого формата ( 4:3 ) аналогового телевидения. Оно более экономично использует ограниченное пространство радиоспектра ; оно может передавать до семи каналов в той же полосе пропускания, что и один аналоговый канал, [2] и предоставляет много новых функций, которые аналоговое телевидение не может. Переход от аналогового к цифровому вещанию начался около 2000 года. Различные стандарты цифрового телевизионного вещания были приняты в разных частях мира; ниже приведены наиболее широко используемые стандарты:
Корни цифрового телевидения связаны с доступностью недорогих, высокопроизводительных компьютеров . Только в 1990-х годах цифровое телевидение стало реальной возможностью. [7] Ранее цифровое телевидение было практически неосуществимо из-за непрактично высоких требований к полосе пропускания несжатого видео , [8] [9] требуя около 200 Мбит/с для сигнала телевидения стандартной четкости (SDTV) [8] и более 1 Гбит/с для телевидения высокой четкости (HDTV). [9]
В середине 1980-х годов Toshiba выпустила телевизор с цифровыми возможностями, используя интегральные микросхемы , такие как микропроцессор, для преобразования аналоговых телевизионных сигналов вещания в цифровые видеосигналы , что позволило реализовать такие функции, как заморозка изображения и показ двух каналов одновременно . В 1986 году Sony и NEC Home Electronics анонсировали свои собственные аналогичные телевизоры с возможностями цифрового видео. Однако они по-прежнему полагались на аналоговые телевизионные сигналы вещания, поскольку настоящие цифровые телевизионные вещания в то время еще не были доступны. [10] [11]
Цифровая телевизионная служба вещания была предложена в 1986 году компанией Nippon Telegraph and Telephone (NTT) и Министерством почт и телекоммуникаций (MPT) в Японии, где планировалось разработать службу «Интегрированной сетевой системы». Однако было невозможно реализовать такую цифровую телевизионную службу на практике, пока принятие форматов сжатия видео DCT с компенсацией движения, таких как MPEG, не сделало это возможным в начале 1990-х годов. [8]
В середине 1980-х годов, когда японские компании по производству бытовой электроники продвигались вперед с разработкой технологии HDTV , а японская общественная телерадиокомпания NHK предложила аналоговый формат MUSE в качестве мирового стандарта. Японские разработки рассматривались как новаторы, грозившие затмить американские компании по производству электроники. До июня 1990 года японский стандарт MUSE, основанный на аналоговой системе, был лидером среди более чем 23 различных технических концепций, которые рассматривались.
В период с 1988 по 1991 год несколько европейских организаций работали над стандартами цифрового видеокодирования на основе DCT для SDTV и HDTV. Проект EU 256, разработанный CMTT и ETSI , а также исследования итальянской вещательной компании RAI , разработали видеокодек DCT , который транслировал SDTV со скоростью 34 Мбит/с и HDTV почти студийного качества со скоростью около 70–140 Мбит/с. RAI продемонстрировала это в трансляции чемпионата мира по футболу FIFA 1990 в марте 1990 года. [9] [12] Американская компания General Instrument также продемонстрировала осуществимость цифрового телевизионного сигнала в 1990 году. Это привело к тому, что FCC убедили отложить принятие решения о стандарте усовершенствованного телевидения (ATV) до тех пор, пока не будет разработан цифровой стандарт.
Когда в марте 1990 года стало очевидно, что цифровой стандарт может быть достигнут, FCC предприняла несколько важных действий. Во-первых, Комиссия заявила, что новый телевизионный стандарт должен быть больше, чем улучшенный аналоговый сигнал , но быть в состоянии обеспечить настоящий сигнал HDTV с разрешением, по крайней мере, вдвое большим, чем у существующих телевизионных изображений. Затем, чтобы гарантировать, что зрители, которые не хотят покупать новый цифровой телевизор, могут продолжать принимать обычные телевизионные передачи, она предписала, что новый стандарт ATV должен быть способен к одновременной трансляции на разных каналах. Новый стандарт ATV также позволял новому сигналу DTV основываться на совершенно новых принципах проектирования. Хотя он несовместим с существующим стандартом NTSC, новый стандарт DTV мог бы включать в себя множество улучшений. [7]
Универсальный стандарт для форматов сканирования, соотношений сторон или строк разрешения не был разработан окончательным стандартом FCC. Этот результат стал результатом спора между индустрией бытовой электроники (к которой присоединились некоторые вещатели) и компьютерной индустрией (к которой присоединились киноиндустрия и некоторые группы общественных интересов) о том, какой из двух процессов сканирования — чересстрочный или прогрессивный — лучше. Чересстрочная развертка, которая используется в телевизорах по всему миру, сначала сканирует четные строки, затем нечетные. Прогрессивная развертка, которая является форматом, используемым в компьютерах, сканирует строки последовательно, сверху вниз. Компьютерная индустрия утверждала, что прогрессивная развертка лучше, потому что она не мерцает , как чересстрочная развертка. Она также утверждала, что прогрессивная развертка обеспечивает более легкое подключение к Интернету и более дешево преобразуется в чересстрочные форматы, чем наоборот. Киноиндустрия также поддерживала прогрессивную развертку, потому что она предлагает более эффективные средства преобразования отснятых программ в цифровые форматы. Со своей стороны, индустрия потребительской электроники и вещатели утверждали, что чересстрочная развертка была единственной технологией, которая могла передавать изображения наивысшего качества, которое тогда (и сейчас) было возможно, т. е. 1080 строк на изображение и 1920 пикселей на строку. Вещатели также отдавали предпочтение чересстрочной развертке, поскольку их огромный архив чересстрочных программ не был легко совместим с прогрессивным форматом. [7]
DirecTV в США запустила первую коммерческую цифровую спутниковую платформу в мае 1994 года, используя стандарт цифровой спутниковой системы (DSS). [13] [14] Цифровое кабельное вещание было протестировано и запущено в США в 1996 году компаниями TCI и Time Warner . [15] [16] Первая цифровая наземная платформа была запущена в ноябре 1998 года как ONdigital в Великобритании, используя стандарт DVB-T . [17]
Цифровое телевидение поддерживает множество различных форматов изображения, определяемых системами вещательного телевидения , которые представляют собой комбинацию размера и соотношения сторон (соотношение ширины к высоте).
В цифровом наземном телевещании (DTT) диапазон форматов можно в целом разделить на две категории: телевидение высокой четкости (HDTV) для передачи видео высокой четкости и телевидение стандартной четкости (SDTV). Эти термины сами по себе не очень точны, и существует множество тонких промежуточных случаев.
Один из нескольких различных форматов HDTV, которые могут передаваться по DTV, это: 1280 × 720 пикселей в режиме прогрессивной развертки (сокращенно 720p ) или 1920 × 1080 пикселей в режиме чересстрочного видео ( 1080i ). Каждый из них использует соотношение сторон 16:9 . HDTV не может передаваться по аналоговым телевизионным каналам из-за проблем с емкостью канала .
SDTV, для сравнения, может использовать один из нескольких различных форматов, принимающих форму различных соотношений сторон в зависимости от технологии, используемой в стране вещания. NTSC может обеспечить разрешение 640 × 480 в формате 4:3 и 854 × 480 в формате 16:9 , в то время как PAL может обеспечить 768 × 576 в формате 4:3 и 1024 × 576 в формате 16:9 . Однако вещатели могут уменьшить эти разрешения, чтобы снизить скорость передачи данных (например, многие каналы DVB-T в Великобритании используют горизонтальное разрешение 544 или 704 пикселя на строку). [18]
Каждому коммерческому вещательному наземному телевизионному каналу DTV в Северной Америке выделяется достаточная полоса пропускания для трансляции до 19 мегабит в секунду. Однако вещателю не обязательно использовать всю эту полосу пропускания только для одного вещательного канала. Вместо этого трансляция может использовать протокол Program and System Information Protocol и подразделяться на несколько видеоподканалов ( т. н. каналов) различного качества и степени сжатия, включая невидеосервисы передачи данных .
Вещатель может выбрать использование цифрового сигнала стандартной четкости (SDTV) вместо сигнала HDTV , поскольку текущая конвенция позволяет разделить полосу пропускания канала DTV (или « мультиплекса ») на несколько цифровых подканалов (аналогично тому, что большинство радиостанций FM предлагают с HD Radio ), обеспечивая несколько каналов совершенно разных телевизионных программ на одном канале. Эта возможность предоставлять либо один канал HDTV, либо несколько каналов с более низким разрешением часто называется распределением своего битового бюджета или многоадресной передачей. Иногда это можно организовать автоматически с помощью статистического мультиплексора . В некоторых реализациях разрешение изображения может быть менее напрямую ограничено полосой пропускания; например, в DVB-T вещатели могут выбирать из нескольких различных схем модуляции, что дает им возможность снизить скорость передачи битов и упростить прием для более удаленных или мобильных зрителей.
Существует несколько различных способов приема цифрового телевидения. Один из старейших способов приема DTV (и телевидения в целом) — это прием с наземных передатчиков с использованием антенны ( в некоторых странах ее называют антенной ) . Этот метод доставки известен как цифровое наземное телевидение (DTT). С DTT зрители ограничены каналами, в радиусе действия антенны которых есть наземный передатчик.
Другие методы доставки включают цифровое кабельное и цифровое спутниковое телевидение . В некоторых странах, где передача телевизионных сигналов обычно осуществляется с помощью микроволн , используется цифровая многоканальная многоточечная служба распределения . Другие стандарты, такие как цифровое мультимедийное вещание (DMB) и цифровое видеовещание - карманное (DVB-H), были разработаны, чтобы позволить портативным устройствам, таким как мобильные телефоны , принимать телевизионные сигналы. Другим способом является телевидение по протоколу Интернета (IPTV), которое представляет собой доставку телевидения по компьютерной сети. Наконец, альтернативным способом является прием цифровых телевизионных сигналов через открытый Интернет ( интернет-телевидение ), будь то из центральной потоковой службы или системы P2P (peer-to-peer).
Некоторые сигналы защищены шифрованием и подкреплены силой закона в соответствии с Договором ВОИС об авторском праве и национальным законодательством, реализующим его, например, Законом США об авторском праве в цифровую эпоху . Доступ к зашифрованным каналам можно контролировать с помощью съемной карты, например, через Common Interface или CableCard .
Цифровые телевизионные сигналы не должны мешать друг другу, и они также должны сосуществовать с аналоговым телевидением до тех пор, пока оно не будет постепенно выведено из эксплуатации. В следующей таблице приведены допустимые отношения сигнал/шум и сигнал/помеха для различных сценариев помех. Эта таблица является важнейшим нормативным инструментом для контроля размещения и уровней мощности станций. Цифровое телевидение более терпимо к помехам, чем аналоговое телевидение. [19]
Люди могут взаимодействовать с системой DTV различными способами. Например, можно просматривать электронную программу передач . Современные системы DTV иногда используют обратный путь, обеспечивающий обратную связь от конечного пользователя к вещателю. Это возможно через кабельное телевидение или через подключение к Интернету, но невозможно с использованием только стандартной антенны.
Некоторые из этих систем поддерживают видео по запросу, используя канал связи, локализованный в пределах района, а не города (наземный) или даже большей территории (спутниковый).
1seg (1-сегментный) — это особая форма ISDB . Каждый канал далее делится на 13 сегментов. Двенадцать выделены для HDTV , а остальные — для узкополосных приемников, таких как мобильные телевизоры и сотовые телефоны .
DTV имеет несколько преимуществ перед аналоговым телевидением , наиболее значительным из которых является то, что цифровые каналы занимают меньшую полосу пропускания, а распределение полосы пропускания является гибким в зависимости от уровня сжатия и разрешения передаваемого изображения. Это означает, что цифровые вещатели могут предоставлять больше цифровых каналов в том же пространстве, предоставлять услуги телевидения высокой четкости или предоставлять другие нетелевизионные услуги, такие как мультимедиа или интерактивность. DTV также разрешает специальные услуги, такие как мультиплексирование (более одной программы на одном канале), электронные программы передач и дополнительные языки (разговорные или с субтитрами). Продажа нетелевизионных услуг может обеспечить дополнительный источник дохода для вещателей.
Цифровые и аналоговые сигналы реагируют на помехи по-разному. Например, распространенные проблемы с аналоговым телевидением включают ореолы изображений, шум от слабых сигналов и другие проблемы, которые ухудшают качество изображения и звука, хотя программный материал все еще может быть пригоден для просмотра. В цифровом телевидении из-за эффекта обрыва прием цифрового сигнала должен быть практически полным; в противном случае ни аудио, ни видео не будут пригодны для использования.
Аналоговое телевидение начиналось с монофонического звука, а затем развилось многоканальное телевизионное звучание с двумя независимыми каналами аудиосигнала. DTV допускает до 5 каналов аудиосигнала плюс канал баса сабвуфера , создавая трансляции, аналогичные по качеству кинотеатрам и DVD. [20]
Для удовлетворительной передачи и приема цифровых телевизионных сигналов требуется меньшая мощность передачи, чем для аналоговых телевизионных сигналов. [21]
Изображения DTV имеют некоторые дефекты изображения, которые отсутствуют на аналоговом телевидении или в кино из-за современных ограничений скорости передачи данных и алгоритмов сжатия, таких как MPEG-2 . Этот дефект иногда называют комариным шумом . [22]
Из-за особенностей работы зрительной системы человека дефекты изображения, локализованные в определенных чертах изображения или появляющиеся и исчезающие, более заметны, чем дефекты, которые являются однородными и постоянными. Однако система DTV разработана для использования других ограничений зрительной системы человека, чтобы помочь замаскировать эти недостатки, например, допуская больше артефактов сжатия во время быстрого движения, когда глаз не может отслеживать и разрешать их так же легко, и, наоборот, минимизируя артефакты на неподвижном фоне, которые, поскольку позволяет время, можно внимательно рассмотреть в сцене.
Операторы вещания, кабельного, спутникового и интернет-DTV контролируют качество изображения кодеров телевизионного сигнала, используя сложные алгоритмы на основе нейронауки, такие как инструмент измерения качества видео на основе индекса структурного сходства (SSIM). Другой инструмент, называемый визуальной информационной точностью (VIF), используется в системе мониторинга качества видео Netflix VMAF .
Эффекты квантования могут создавать контуры — а не плавные переходы — на участках с небольшими градациями амплитуды. Обычно очень плоская сцена, например, безоблачное небо, будет демонстрировать видимые ступеньки по всей своей поверхности, часто появляющиеся в виде концентрических кругов или эллипсов. Это известно как цветное полосатость . Похожие эффекты можно увидеть в очень темных сценах, где на настоящий черный фон накладываются темно-серые области. Эти переходы могут быть плавными или могут показывать эффект рассеивания , поскольку цифровая обработка сглаживается и не может последовательно выделять значение либо абсолютно черного, либо следующего шага по шкале серого.
Изменения в приеме сигнала из-за таких факторов, как ухудшение антенных соединений или изменение погодных условий, могут постепенно снижать качество аналогового телевидения. Природа цифрового телевидения изначально приводит к идеально декодируемому видео, пока принимающее оборудование не начнет улавливать помехи, которые перекрывают желаемый сигнал, или если сигнал слишком слаб для декодирования. Некоторое оборудование будет показывать искаженную картинку со значительными повреждениями, в то время как другие устройства могут перейти от идеально декодируемого видео к отсутствию видео вообще или зависнуть. [23] Это явление известно как эффект цифрового обрыва. [24]
Ошибки блоков могут возникать при передаче сжатых изображений. Ошибка блока в одном кадре часто приводит к появлению черных ящиков в нескольких последующих кадрах, что затрудняет просмотр.
Для удаленных мест, удаленные каналы, которые, как аналоговые сигналы, ранее были пригодны для использования в заснеженном и ухудшенном состоянии, могут, как цифровые сигналы, быть идеально декодируемыми или могут стать полностью недоступными. Использование более высоких частот усугубляет эти проблемы, особенно в случаях, когда нет прямой видимости от приемной антенны до передатчика, поскольку обычно сигналы более высокой частоты не могут так легко проходить через препятствия.
Телевизоры с аналоговыми тюнерами не могут декодировать цифровые передачи. Когда аналоговое вещание в эфире прекращается, пользователи телевизоров с аналоговыми тюнерами могут использовать другие источники программирования (например, кабельное телевидение, записанные носители) или могут приобрести телевизионные приставки-конвертеры для настройки на цифровые сигналы. В Соединенных Штатах был доступен спонсируемый правительством купон для компенсации стоимости внешнего конвертера.
Переход на цифровое телевидение начался примерно в конце 1990-х годов и был завершен в каждой стране по отдельности в большинстве регионов мира.
До перехода на цифровое телевидение аналоговое телевидение транслировало аудио для телеканалов на отдельном от видеосигнала сигнале FM-носителя . Этот FM-аудиосигнал можно было услышать с помощью стандартных радиоприемников, оснащенных соответствующими схемами настройки.
Однако после перехода на цифровое телевидение ни один производитель портативных радиоприемников пока не разработал альтернативный метод воспроизведения портативными радиоприемниками только аудиосигнала цифровых телеканалов; цифровое радио — это не одно и то же.
Принятие стандарта вещания, несовместимого с существующими аналоговыми приемниками, создало проблему большого количества выбрасываемых аналоговых приемников. В 2009 году процитировали одного суперинтенданта общественных работ, который сказал: «Некоторые исследования, которые я читал в отраслевых журналах, говорят, что до четверти американских домохозяйств могут выбросить телевизор в течение следующих двух лет после изменения правил». [25] В Мичигане в 2009 году один переработчик подсчитал, что до одной из четырех семей выбросят или переработают телевизор в следующем году. [26] Переход на цифровое телевидение, миграция на телевизионные приемники высокой четкости и замена ЭЛТ на плоские экраны являются факторами увеличения количества выбрасываемых аналоговых телевизионных приемников на основе ЭЛТ. В 2009 году в одних только США в домах без дела простаивало около 99 миллионов аналоговых телевизионных приемников, и хотя некоторые устаревшие приемники модернизируются с помощью преобразователей, гораздо большее количество просто выбрасывается на свалки, где они представляют собой источник токсичных металлов, таких как свинец , а также меньших количеств таких материалов, как барий , кадмий и хром . [27] [28]
