История
Спутники связи уже несколько десятилетий используются для
передачи телевизионных программ. Старшее поколение помнит, что с помощью
первого отечественного спутника связи "Молния" осуществлялось,
главным образом, телевещание из Москвы в города Сибири и Дальнего Востока.
Вообще-то, спутники являются чуть ли не идеальным средством для доставки
какой-либо информации большому числу абонентов, разбросанных на большой
территории. Поэтому, несмотря на бурное развитие различных применений
спутниковой связи, связанных с передачей данных и голоса, до 80% емкостей
спутников связи и в настоящее время занято телевидением.
Долгие годы спутники использовались лишь для распределения программ крупных
телекомпаний на различные города. Ведь для приема сигналов со спутника
необходимы были антенны диаметром 9-12 метров. Ни о каком массовом использовании
спутников в телевидении не могло быть и речи. Но лет 15 назад многие
энтузиасты, в первую очередь, в США, научились принимать телевизионные
программы на антенны диаметром 3-4 метра. Это дало толчок развитию
индивидуального приема спутникового ТВ. На задних дворах у многих американцев
стали появляться спутниковые антенны. Не заметить появление нового сектора
рынка было нельзя. Как грибы начали расти фирмы, производящие приемные системы
спутникового телевидения. Несмотря на то, что цена их зачастую превышала 15
тысяч долларов, спрос на них постоянно увеличивался.
Телекомпании начали задумываться над созданием многопрограммных систем
спутникового телевизионного вещания (СТВ), позволяющих использовать антенны
размером не более одного метра и стоимостью приемной системы в пределах 500
долларов. Это могло бы создать огромный рынок как для оборудования, так и для
телевизионных программ. Первым весьма удачным проектом в этой области было
создание в Европе системы СТВ "Астра", которая смогла практически
полностью захватить европейский рынок спутникового телевидения.
Новый толчок развитию СТВ дало появление на рынке оборудования цифровой
видеокомпрессии, позволяющей передавать через один спутник не 16 - 24
телепрограммы, а 150 - 200, а также использовать антенны диаметром лишь 45 см. Начался "золотой
век" СТВ. Первый такой проект был осуществлен в США. В России
многоканальное цифровое спутниковое телевидение внедряет телекомпания НТВ+.
В настоящей работе рассмотрение систем СТВ ограничивается сетями распределения
телевизионных программ через спутники средней и большой мощности, позволяющими
использовать приемные антенны диаметром не более 2 м, которые могут
использоваться в головных станциях систем кабельного телевидения и для
индивидуального приема спутниковых телеканалов.
Архитектура
Категории систем СТВ
Системы спутникового телевидения (СТВ) могут рассматриваться с двух точек
зрения: используемой технологии и оборудования, а также организационной
структуры.
С технической точки зрения удобно разделить системы спутникового телевидения по
типу пользователей. Большая часть телевизионных программ распределяется по
спутниковым каналам следующим категориям пользователей:
- Вещательные компании, принимающие передачи крупных телекомпаний и формирующие
на их основе пакеты программ для распределения по наземным эфирным сетям.
Электронный сбор новостей и передача готовых пакетов программ для эфирной
ретрансляции также попадают в эту категорию.
- Головные станции систем кабельного телевидения, распределяющие принимаемые со
спутника пакеты программ по кабельным сетям.
- Приемные станции коллективного пользования TV Receive Only или TVRO, обслуживающие
небольшие группы зрителей.
- Индивидуальные (домашние) приемные системы Direct To Home (DTH), рассчитанные
на использование одним лицом или семьей.
Три последние группы пользователей заинтересованы в использовании минимального
количества антенн для приема максимального количества телевизионных каналов.
Поэтому они всегда отдают предпочтение многопрограммным системам СТВ,
позволяющим принимать на одну антенну, т.е. с одного спутника, не менее 10-15
программ.
С организационной точки зрения системы СТВ удобно подразделять в зависимости от
участия оператора спутниковой системы в формировании пакета транслируемых
программ. В этом случае основными категориями систем будут следующие:
- Оператор сдает в аренду или продает ресурсы спутниковой системы и не
принимает никакого участия в формировании программ. Т.е. он просто транслирует
чьи-то другие программы. В качестве примера можно привести системы
"Астра", "Хьюз Галакси", "Евтелсат Хот Берд".
- Оператор также формирует программные пакеты и получает доход от размещения в
них рекламы и платежей от операторов кабельных сетей за использование этих
программ. Непосредственно со зрителей плата не взимается. Примером такой
системы СТВ является "СтарТВ" на спутнике "АзияСат".
- Оператор спутниковой системы полностью формирует программный пакет и
транслирует его в закодированном виде. Плата за пользование каналами взимается
со зрителей напрямую с использованием оборудования авторизации доступа к сети.
Зачастую также взимается плата с рекламодателей за размещение рекламы в каналах
сети. В качестве примера можно назвать системы "ДирекТВ",
"Би-Скай-Би" и НТВ+.
Принципы построения систем СТВ
В зависимости от способа доставки зрителю принимаемого со спутника
телевизионного сигнала, СТВ осуществляется двумя службами:
1. Фиксированные спутниковые службы (ФСС). В этом случае передаваемый через КА
телевизионный сигнал принимается наземными станциями, с которых затем
ретранслируется индивидуальным пользователям. Обычно для создания таких систем
используются многоствольные спутники с передатчиками средней мощности. Зачастую
часть их ресурсов используется и для других видов связи, таких как передача
данных. В подобных системах работают профессиональные приемные станции обычно с
антеннами диаметром 4, 5 - 9, 0 м, обеспечивающие, так называемое, студийное качество
изображения.
2. Вещательные спутниковые службы (ВСС). Здесь передаваемый со спутника сигнал
предназначен для непосредственного приема зрителями без дальнейшей
ретрансляции. Следует заметить, что к категории непосредственного приема
относится не только индивидуальный прием, но и коллективный прием с
распределением программ по кабельным сетям. Толчок к развитию ВСС дал в
семидесятые годы растущий интерес к приему спутниковых каналов отдельными
энтузиастами, которые принимали передачи ФСС на громоздкие антенны диаметром
около 3 м.
Однако, бурное развитие систем ВСС началось лишь в восьмидесятых в Европе с
запуском специализированного мощного спутника "Астра", для приема
сигнала с которого было достаточно антенн диаметром 60-90 см. Затем последовали
системы "СтарТВ" в Азии и "ДирекТВ" в США. Система
спутникового телевизионного вещания включает в себя следующие подсистемы:
Передающая земная станция по наземным каналам связи получает программы от
различных телекомпаний, формирует из них многопрограммный пакет, преобразует в
форму, удобную для передачи (модулирует) и с помощью мощного передатчика
транслирует его на спутник-ретранслятор. Активный спутник-ретранслятор
принимает сигнал передающей станции, усиливает и передает его через
высокоэффективную направленную антенну на землю. Современные технологии
позволяют формировать достаточно узкий луч, концентрирующий почти всю энергию
бортового передатчика на ограниченной площади поверхности Земли, например, на
территории одного государства. Приемное оборудование с помощью узконаправленных
антенн принимает сигнал со спутника, усиливает его, преобразует в стандартный
телевизионный сигнал (демодулирует) и направляет потребителю. Индивидуальные
приемные системы используют недорогие приемники, размещаемые рядом с
телевизором либо встроенные в него. В системах коллективного пользования
используются более дорогие приемники профессионального типа, установленные в
стойку по одному на каждую принимаемую программу.
Методы формирования сигналов
Качество телевизионного изображения во многом определяется методами его
формирования и передачи. В середине семидесятых, когда спутниковые системы
передачи телевизионных программ только создавались, в них использовался
аналоговый телевизионный сигнал, как и в наземном вещании. До настоящего
времени большое число спутниковых систем по-прежнему продолжают использовать
этот метод при передаче телевизионных сигналов. Однако, такой тип сигнала не
очень хорош для спутниковых систем, и активизировались поиски новых, более
совершенных методов трансляции. Весьма привлекательным было бы использование
цифровых методов передачи, но из-за технических сложностей, в первую очередь
из-за огромной полосы частот, требуемой для передачи стандартного
телевизионного сигнала в цифровом виде, в то время это не представлялось
возможным.
В связи с этим в начале восьмидесятых годов в Европе был разработан и принят
комбинированный цифро-аналоговый стандарт, получивший название МАС
(Multiplexing Analogue Components, т.е. мультиплексирование аналоговых
компонент). Стандарт МАС нашел достаточно широкое распространение в европейских
системах спутникового телевизионного вещания, но так и не смог завоевать
серьезную нишу на рынке. Наконец, в конце восьмидесятых были разработаны
алгоритмы сжатия цифрового видеосигнала, т.н. видеокомпрессии, на основе
которого был принят широко используемый в настоящее время в спутниковом вещании
стандарт MPEG-2 (Motion Picture Expert Group). Именно этот стандарт цифровой
видеокомпрессии стал в последние несколько лет главной движущей силой бурного
развития непосредственного спутникового вещания. На цифровое телевизионное
вещание с использованием этого стандарта планируется постепенно перевести не
только спутниковые, но и наземные эфирные и кабельные системы.
Таким образом, в настоящее время используются три вида передачи телевизионного
сигнала: аналоговый, цифро-аналоговый и цифровой со сжатием.
Аналоговый метод
Стандартный телевизионный сигнал представляет собой электрический ток,
изменяющийся во времени. Форма этих изменений повторяет распределение яркости и
цвета на пути развертки изображения по строкам. Он также включает в себя
различные синхронизирующие и управляющие сигналы, а также сигнал звукового
сопровождения. Такой сигнал является аналогом изображения и называется
комплексным телевизионным сигналом. Поступая на вход телевизионного приемника
этот сигнал с помощью кинескопа и громкоговорителя, а также электронных систем,
которые ими управляют, преобразуется в изображение и звук.
Телевизионный сигнал характеризует совокупность его параметров: число кадров в
секунду, количество строк в кадре, длительность и форма синхронизирующих и
гасящих импульсов, полярность сигнала, частота поднесущей звука, метод
кодирования сигнала цветности совместно с сигналом яркости. Совокупность
значений этих параметров составляет стандарт телевизионного сигнала.
Наиболее широко распространены стандарты с числом строк в кадре 625, частотой
смены кадров 25 (50 полукадров) в секунду и частотой строчной развертки 15625
Гц. Однако в нескольких системах число кадров в строке составляет 525, а число
кадров - 30 (60 полукадров) в секунду. Звуковое сопровождение обычно передается
на частоте 5, 5 - 6, 5 МГц.
С появлением цветного телевидения возникла необходимость создания стандартов на
передачу в дополнение к сигналам яркости и звука сигналов цветности. В
настоящее время используются три системы цветного телевидения, различающиеся
способом кодирования сигналов цветности: PAL, SECAM и NTSC. Все они совместимы
с ранее действующими стандартами черно-белого телевидения и сигнал цветности
добавлен к основному сигналу яркости. При этом черно-белый телевизор просто не
воспринимает сигнала цветности.
Стандарт SECAM используется в странах Восточной Европы, России и во Франции.
Система PAL - в странах Западной Европы и Ближнего Востока. Система NTSC
распространена главным образом на американском континенте.
Подробно о принципах формирования цветного видеосигнала по этим стандартам
можно прочитать в популярной и специальной литературе. Здесь же мы остановимся
лишь на главных особенностях каждого из них.
NTSC (National Television System Committee - национальный комитет телевизионных
систем). Система с одновременной передачей сигнала яркости и цветности. Сигнал
цветности передается отдельной поднесущей с использованием квадратурной фазовой
модуляции. Сигнал цветности модулируется по амплитуде и фазе. Амплитуда сигнала
характеризует насыщенность цвета, а фаза - цветовой тон. Эта система
обеспечивает самую высокую четкость по цвету, в сравнении с двумя другими
системами, но подвержена фазовым и амплитудно-частотным искажениям и требует
высокого технического совершенства приемной и передающей аппаратуры.
PAL (Phase Alternation Line - построчное изменение фазы). Система
предусматривает одновременную передачу сигналов яркости и цветности с
использованием квадратурной модуляции цветовой поднесущей. Ее основное отличие
от системы NTSC - изменение от строки к строке на 180 градусов фазы
цветоразностных сигналов. Эта система обладает следующими достоинствами: Отсутствие
помехи от поднесущей на черно-белых участках изображения. Отсутствие фазовых
искажений, нарушающих цветовой тон. Уменьшены перекрестные искажения между
сигналами яркости и цветности. Вследствие разделения сигналов цветности
достигается удвоение амплитуды каждого из них, что повышает отношение
сигнал/шум. Недостатком системы является снижение цветовой четкости изображения
из-за усреднения сигнала цветности в двух соседних строках.
SECAM (Sequentiel Couler a Memoire - последовательная цветная с памятью).
Отличительной особенностью этой системы является поочередная передача
цветоразностных сигналов на отдельных частотно-модулированных поднесущих, при
непрерывной передаче сигнала яркости. Последовательная передача цветоразностных
сигналов практически полностью устраняет фазовые и перекрестные искажения. К
недостаткам системы следует отнести то, что цветовая четкость в ней снижена
вдвое, так как сигналы цветности передаются через строку, а в телевизионном
приемнике недостающий сигнал берется из предыдущей строки.
Все перечисленные аналоговые системы были разработаны для наземных
телевизионных комплексов, использующих амплитудную модуляцию (АМ) несущей
изображения. В спутниковых аналоговых системах используют частотную модуляцию
(ЧМ). Поэтому стандартный телевизионный сигнал в той или иной системе
подвергается дополнительной обработке с тем, чтобы улучшить его передачу по
спутниковому каналу. Кроме того, в отличие от наземных систем, по спутниковым
каналам обычно передают несколько звуковых каналов, используемых для
организации многоязычного или стереофонического звукового сопровождения.
Аналоговый способ передачи телевизионного сигнала по спутниковым каналам
является хотя и устаревшим, но все еще наиболее распространенным. В последние
годы происходит постепенный переход от аналогового вещания к цифровому. Одним
из путей этого было создание комбинированной цифро-аналоговой системы
спутникового телевизионного вещания.
Цифро-аналоговый метод
Компромиссом между аналоговыми и цифровыми методами передачи телевизионного
сигнала по спутниковым каналам стала цифро-аналоговая система МАС (Multiplexed
Analogue Components - мультиплексирование аналоговых компонент).
Разработка и внедрение стандарта МАС явилось частью глобального европейского
проекта EUREKA-95, который ставил своей целью формирование концепции единого
стандарта для телевидения высокой четкости (ТВВЧ) и разработку полного
комплекта оборудования для производства, обработки, передачи, приема и
воспроизведения видеопрограмм как для профессиональных, так и для бытовых
целей. Было предложено несколько модификаций этого стандарта, включая версии
для телевидения повышенного качества (ТВПК) и ТВВЧ.
Во всех ныне используемых вариантах системы МАС применяется временное
разделение аналоговых составляющих сигналов яркости и цветности. Это позволяет
не только свести практически к нулю фазовые и перекрестные искажения
видеосигнала, но и добиться сокращения спектра сигнала за счет применения
систем его частичного сжатия.
Эти системы обеспечивают следующие, улучшенные по сравнению с традиционными
аналоговыми системами, характеристики телевизионного вещания:
- Отсутствие перекрестных искажений сигналов яркости и цветности.
- Значительное снижение шумов в канале цветности.
- Передачу сигналов звукового сопровождения, синхронизации, телетекста и другой
служебной и дополнительной информации в цифровой форме.
- Повышение разрешения (четкости изображения) за счет большей полосы частот
сигналов яркости и цветности.
На основании базового стандарта МАС в различных странах было разработано
несколько его версий для систем спутникового телевизионного вещания. Они
различаются главным образом способами передачи цифровых и аналоговых сигналов.
Несмотря на заметное преимущество перед аналоговыми методами передачи
телевизионной информации, стандарт МАС так и не смог завоевать значительной
доли на рынке спутникового телевидения.
Во-первых, он по сути своей является компромиссным и не в состоянии полностью
устранить все недостатки аналоговых систем. Качество изображения оказалось не
намного лучше, чем в хорошо отлаженных аналоговых системах. А внедрение систем
ТВПК и ТВВЧ, где стандарт МАС заметно выигрывал, сильно затянулось.
Во-вторых, установка декодеров МАС в приемники СТВ и обычные телевизионные
приемники приводило к заметному повышению их стоимости, что отрицательно
сказалось на спросе на них.
В-третьих, появление в каждой из стран своей версии стандарта МАС привело к
появлению проблем несовместимости оборудования различных фирм. В результате,
попытка создания единого стандарта привела к противоположному - появлению
нескольких новых. В-четвертых, серьезный удар по стандарту МАС был нанесен
весьма успешным выходом на европейский рынок системы многоканального СТВ
"Астра", отказавшейся от использования технологии МАС. В результате,
более дешевые приемники для этой системы стали весьма популярными и очень
быстро система "Астра" смогла завоевать до 90% зрительской аудитории
спутникового телевидения в Европе.
Существенный перелом на рынке спутникового телевидения произошел лишь после
разработки чисто цифровой системы вещания, использующей технологию
видеокомпрессии.
Цифровой метод
Возрастающие требования к качеству телевизионного вещания, подготовки программ
и их сохранения, а также необходимость снижения расходов на всех этапах
производства и трансляции, требуют разработки новых эффективных методов
обработки и передачи телевизионных сигналов. Всем этим требованиям отвечает
использование цифровых методов в телевидении.
Цифровое телевидение - область телевидения, в которой операции обработки,
записи и передачи телевизионного сигнала связаны с его преобразованием в
цифровую форму. Системы цифрового телевидения можно условно разделить на два
основных типа:
1. Аналоговый телевизионный сигнал преобразуется в цифровую форму только для
его цифровой обработки, сохранения телевизионной программы (видеозапись) или
передачи их по каналам связи, а затем трансформируется назад в аналоговую
форму. При этом используются существующие телевизионные передающие и
ретрансляционные станции, и приемное оборудование.
2. Преобразование передаваемого изображения в цифровой сигнал производится
непосредственно в преобразователе свет-сигнал (обычно видеокамера), а обратное
преобразование - в преобразователе сигнал-цвет (телевизионном приемнике). Во
всех остальных звеньях тракта телевизионная информация обрабатывается и
передается в цифровой форме.
В настоящее время в основном применяются системы цифрового телевидения первого
типа. Цифровые методы уже достаточно давно используются в профессиональном
телевидении. Это, в первую очередь, цифровая обработка изображений, создание
специальных эффектов, цифровая видеозапись и так далее. Цифровые методы начали
также применяться в бытовой видеоаппаратуре.
А несколько лет назад, наконец, появилась цифровая система спутникового телевидения.
Единственным аналоговым прибором в тракте остался телевизионный приемник.
Однако внедрение цифровых методов в телевидении идет настолько быстро, что
недалеко то время, когда весь телевизионный тракт станет цифровым. Главными
факторами, влияющими на темпы перехода от аналогового телевидения к цифровому,
являются время и средства, необходимые на модернизацию распределительных и
вещательных сетей и замен