Цифровое телевизионное вещание

Москва
Горячая линия – Телеком
2014

УДК 621.397.6 
ББК 32.841 
     М22 

Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, профессор  С. П. Новицкий,  
доктор техн. наук, профессор  А. А. Спектор 

Мамчев Г. В. 
М22         Цифровое телевизионное вещание. Учебное пособие для 
вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2014. – 448 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0400-2. 
Приведены основные сведения о цифровом представлении и 
обработке телевизионного и звукового сигналов, обобщен и систематизирован материал по международным стандартам кодирования с информационным сжатием MPEG-2, MPEG-4, H.264/AVC. 
В развернутой форме представлены данные об основных характеристиках стандартов цифрового телевизионного вещания первого и 
второго поколений, а также описаны конструктивные особенности 
цифровой телевизионной аппаратуры, устройств с ограниченным 
доступом к телевизионным программам. Особое внимание уделено 
рассмотрению принципов формирования наземной сети телевизионного вещания. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по 
направлению подготовки 210700 – «Ифокоммуникационные технологии и системы связи» квалификации (степени) «бакалавр» и квалификации (степени) «магистр», будет полезно специалистам. 

ББК 32.841 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

Учебное издание 

Мамчев Геннадий Владимирович 

ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ 

Учебное пособие для вузов 

Редактор  Г. П. Катунин 
Верстка Т. А. Измайловой  
Обложка художника  О. Г. Карповой 

Подписано в печать 30.01.2014. Формат 60×88/16. Уч. изд. л. 28. Тираж 500 экз. (1-й завод 100 экз.) 

ISBN 978-5-9912-0400-2                                         ©  Г. В. Мамчев, 2014 
     © Издательство «Горячая линия – Телеком», 2014 

 

 

Оглавление 
 
 
Стр. 
Предисловие ...................................................................................................  
7 
Введение .........................................................................................................   8 
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЦИФРОВОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ  
ТЕЛЕВИЗИОННОГО И ЗВУКОВОГО СИГНАЛОВ ............................   20 

1.1. Принципы цифрового кодирования телевизионного сигнала .......  20 
1.2. Преобразование звуковых сигналов в цифровую форму ...............  43 
Контрольные вопросы ..............................................................................  47 
2. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВЫХ  
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ ..........................................................   48 

2.1. Формирователи цифровых телевизионных сигналов .....................  48 
2.2. Особенности передачи цифровых сигналов по линиям связи ......  49 
2.3. Согласование параметров сигнала с характеристиками канала  
связи .....................................................................................................  52 
2.4. Формирующие фильтры ....................................................................  56 
2.5. Цифровые интерфейсы передачи видео- и звуковых данных .......  57 
Контрольные вопросы ..............................................................................  68 
3.  ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИДЕОКОМПРЕССИИ  
В ТЕЛЕВИДЕНИИ ...................................................................................   70 

3.1. Задача сжатия информации и пути ее решения ..............................  70 
3.2. Международный стандарт кодирования с информационным  
сжатием MPEG-2 ................................................................................  80 
3.2.1. Профили и уровни стандарта MPEG-2 ....................................  80 
3.2.2. Компрессия видеоданных .........................................................  87 
3.2.3. Кодируемые кадры ....................................................................  94 
3.2.4. Компенсация движения .............................................................  97 
3.2.5. Использование ДКП в стандарте MPEG-2 ..............................  100 
3.2.6. Сжатие звукоданных .................................................................  108 
3.2.7. Алгоритмы сжатия звукоданных кодерами различных  
уровней .......................................................................................  114 
3.2.8. Реализация цифрового многоканального звука,  
поддерживаемая стандартом MPEG-2 .....................................  119 
3.2.9. Формирование транспортного потока данных в устройствах  
кодирования стандарта MPEG-2 ..............................................  124 
3.2.10. Качество телевизионных изображений при кодировании  
по стандарту MPEG-2 ..............................................................  135 
3.3. Стандарт представления медиаобъектов MPEG-4 ..........................  140 
3.3.1. Описание сцены в стандарте MPEG-4 .....................................  140 
3.3.2. Принципы доставки потоков данных ......................................  142 
3.3.3. Кодирование визуальных образов ...........................................  144 

ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ 

 
 

 

4 

3.3.4. Кодирование звуковых объектов .............................................  149 
3.3.5. Профили и уровни стандарта MPEG-4 ....................................  155 
3.3.6. Идентификация и защита интеллектуальной собственности  161 
3.4. Стандарт кодированного представления визуальной информации 
H.264/AVC или MPEG-4 Part 10 .......................................................  162 
3.4.1. Структура стандарта видеокомпрессии H.264 ........................  162 
3.4.2. Базовый профиль .......................................................................  168 
3.4.3. Основной профиль .....................................................................  175 
3.4.4. Расширенный профиль ..............................................................  181 
3.4.5. Масштабируемое видеокодирование Н.264/AVC SVC .........  185 
3.4.6. Многоракусное видеокодирование Н.264/AVC MVC ...........  188 
3.4.7. Транспортный механизм стандарта H.264 ..............................  190 
3.4.8. Кодек стандарта Н.264 ..............................................................  192 
3.5. Стандарт описания мультимедийной информации MPEG-7 .........  194 
3.5.1. Общие сведения о стандарте MPEG-7 .....................................  194 
3.5.2. Основные части стандарта MPEG-7 ........................................  195 
3.5.3. Описание главных функций стандарта MPEG-7 ....................  196 
3.5.4. Области применения стандарта MPEG-7 ................................  197 
3.6. Стандарт описания среды мультимедийного контента MPEG-21  199 
3.6.1. Общие сведения о стандарте MPEG-21 ...................................  199 
3.6.2. Основные части стандарта MPEG-21 ......................................  199 
3.6.3. Устойчивая ассоциация идентификации и описания  
цифровых объектов, обусловленная применением стандарта 
MPEG-21 .....................................................................................  200   
 
Контрольные вопросы ...............................................................................  201 
4.  ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО  
ТЕЛЕВИДЕНИЯ ПО ЭФИРНЫМ КАНАЛАМ СВЯЗИ ......................  203 

4.1. Основные требования к системам передачи сигналов цифрового  
телевидения по радиоканалам ...........................................................  203 
4.2. Перемежение и скремблирование .....................................................  205 
4.3. Принцип кодирования, исправляющего ошибки ............................  207 
4.3.1. Коды, исправляющие ошибки ..................................................  207 
4.3.2. Коды Рида-Соломона ................................................................  210 
4.3.3. Сверточное кодирование ...........................................................  215 
4.3.4. Алгоритм декодирования Витерби ..........................................  217 
4.3.5. Каскадное кодирование .............................................................  218 
4.3.6. Основные принципы турбокодирования .................................  220 
4.4. Способы модуляции, применяемые при передаче сигналов  
цифрового телевидения по радиоканалу .........................................  223 
4.5. Стандарт цифрового наземного телевидения DVB-T ....................  235 
4.6. Основные положения нового стандарта цифрового наземного  
телевидения DVB-T2 .........................................................................  262 
4.6.1. Концепция стандарта DVB-T2 .................................................  262 

Оглавление 

 

 

5

4.6.2. Формирование передаваемых пакетов данных ......................  264 
4.6.3. Архитектура стандарта DVB-T2 ..............................................  268 
4.6.4. Описание структурной схемы обработки информации  
на передающей стороне стандарта DVB-T2 ...........................  269 
4.6.5. Сервисные возможности стандартов DVB-T2 .......................  282 
4.6.6. Сравнительная оценка стандартов DVB-T и DVB-T2 ...........  283 
4.7. Стандарт цифрового телевещания для мобильных терминалов  
стандарта DVB-H ...............................................................................  284 
Контрольные вопросы ..............................................................................  295 
5.  КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕЙ 
АППАРАТУРЫ СИСТЕМ ЦИФРОВОГО НАЗЕМНОГО  
ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ СТАНДАРТОВ DVB-T/T2 ..........  298 

5.1. Основные устройства цифрового передающего аппаратурного  
комплекса ............................................................................................  298 
5.1.1. Кодеры цифрового сжатия ........................................................  298 
5.1.2. Мультиплексоры ........................................................................  302 
5.1.3. Гибридные телевизионные передатчики .................................  303 
5.1.4. Конструктивные особенности цифровых телевизионных  
передатчиков ..............................................................................  306 
5.2. Методы измерений и испытаний основных параметров  
цифровых телевизионных радиопередатчиков ...............................  309 
5.2.1. Описание измерительного оборудования ...............................  309 
5.2.2. Измерения основных параметров радиопередатчиков ..........  311 
5.3. Конструкция цифрового телевизионного приемника ....................  316 
5.3.1. Описание обобщенной структурной схемы цифрового  
телевизора ...................................................................................  316 
5.3.2. Конструктивные особенности селекторов каналов  
для цифровых телевизоров .......................................................  319 
5.3.3. Устройство COFDM-демодуляторов .......................................  322 
5.3.4. Особенности функционирования транспортного  
демультиплексора цифрового телевизора ..............................  327 
5.3.5. Практическое использование декодеров стандарта MPEG-2  327 
5.3.6. Система управления цифровым телевизионным  
приемником ................................................................................  329 
5.4. Принципы построения абонентских цифровых  
приставок-декодеров .........................................................................  334 
5.5. Комбинированные телевизоры CDTV/DVB-типа ..........................  336 
Контрольные вопросы ..............................................................................  339 
6.  ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАЗЕМНОЙ СЕТИ  
ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ .........................................................  341 

6.1. Общие сведения о структуре эфирного телевизионного  
вещания ...............................................................................................  341 

ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ 

 
 

 

6 

6.2. Особенности распространения радиоволн, используемых  
для наземного телевизионного вещания ..........................................  344 
6.3. Применение одночастотных сетей цифрового телевидения .........  349 
6.4. Принципы функционирования синхронной региональной сети  
эфирного цифрового телерадиовещания .........................................  355 
6.4.1. Архитектура двухуровневой синхронной сети  
телерадиовещания .....................................................................  355 
6.4.2. Использование технологии разнесенного приема  
в синхронной сети телерадиовещания ....................................  356 
6.5. Расчет мощности телевизионных радиопередатчиков ...................  358 
6.6. Определение минимальной напряженности электромагнитного  
поля для сетей цифрового телевизионного вещания ......................  361 
6.7. Оценка медианных значений напряженности электромагнитного  
поля для сети цифрового телевизионного вещания .......................  364 
Контрольные вопросы ...............................................................................  369 
7.  ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ ПО СПУТНИКОВЫМ, 
КАБЕЛЬНЫМ И ИНТЕРНЕТ-СЕТЯМ ..................................................  370 

7.1. Принципы функционирования спутниковых сетей  
телевизионного вещания ...................................................................  370 
7.2. Цифровые стандарты спутникового телевизионного вещания .....  372 
7.3. Типовые структуры систем кабельного телевидения .....................  375 
7.4. Стандарты цифровых систем кабельного телевидения ..................  387 
7.5. Архитектура мультисервисных систем IP-типа ..............................  395 
7.6. Особенности организации телевизионного вещания в сети  
Интернет ..............................................................................................  402 
Контрольные вопросы ...............................................................................  407 
8.  СИСТЕМЫ С ОГРАНИЧЕННЫМ ДОСТУПОМ  В ЦИФРОВОМ  
ТЕЛЕВИЗИОННОМ ВЕЩАНИИ ..........................................................  409 

8.1. Необходимость ограничения доступа к программам вещания .....  409 
8.2. Принципы построения телевизионных систем с ограниченным  
доступом ..............................................................................................  410 
8.3. Алгоритм скремблирования для систем с ограниченным  
доступом...............................................................................................  416 
8.4. Особенности эксплуатации систем с ограниченным доступом ....  418 
8.5. Маркирование телевизионных программ цифровыми водяными  
знаками ................................................................................................  420 
Контрольные вопросы ...............................................................................  422 
Заключение .....................................................................................................  423 

Библиографический список ..........................................................................  428 

Список сокращений .......................................................................................  433 
 

 

 
 
 
 
 
Предисловие 
 
Главной особенностью технической политики в области телевизионного вещания в Российской Федерации является запланированный переход 
на цифровое вещание в государственном масштабе. 
Переход на цифровое телевизионное вещание вносит существенное 
изменение в рынок труда в области телекоммуникаций и в систему организации учебного процесса в образовательных учреждениях высшего профессионального образования, обусловленные федеральным государственным образовательным стандартом третьего поколения. 
Обучение бакалавров профиля «Цифровое телерадиовещание» направления подготовки 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и 
системы связи» предполагает глубокое усвоение с учетом компетентностного подхода следующих вопросов: 

 
основные положения цифрового представления и обработки телевизионного и звукового сигналов; 

 
особенности функционирования устройств кодирования с информационным сжатием видео- и аудиоданных; 

 
базовые принципы помехоустойчивого кодирования видео- и аудиоданных и передачи сигналов цифрового телевидения по различным каналам связи; 

 
основные характеристики систем цифрового телевизионного вещания первого и второго поколений; 

 
конструктивные особенности цифровой телевизионной приемопередающей аппаратуры; 

 
принципы формирования наземной сети телевизионного вещания; 

 
способы ограничения доступа к программам вещания. 
К сожалению, специальной учебной литературы, доступной для студентов, в которой нашла бы отражение современная техника цифрового 
телевизионного вещания, явно недостаточно. Данное издание призвано 
восполнить имеющийся пробел. 
Содержание учебного пособия отвечает современным достижениям 
науки и техники – как отечественной, так и зарубежной. 
 

 

 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
На сегодняшний день в мире около двух миллиардов телевизоров, телефонных линий – 800 млн., то есть примерно в два раза меньше, а в развивающихся странах соотношение телевизоров и телефонных линий составляет даже 10:1. В настоящее время количество телевизоров сравнимо 
только с числом абонентов мобильной связи. Следовательно, телевидение 
является доминирующей составляющей в информатизации мирового сообщества. 
Не за горами то время, когда аналоговое телевидение со всеми присущими ему искажениями станет частью истории, поскольку наземные, 
спутниковые и кабельные системы передачи, по которым происходит доставка телевизионных программ телезрителям, постепенно переходят на 
цифровые методы. 
Зачем нужно цифровое телевидение? Опыт, накопленный в телевизионном вещании, показал, что телевидение, переходя в цифровую эру, способно предоставить ряд новых возможностей при сохранении экономической эффективности. В целом, применение цифровых методов обработки, 
передачи и консервации телевизионных сигналов по сравнению с аналоговыми дает ряд следующих преимуществ. 
1. Передача телевизионного сигнала в двоичной форме по линии связи с 
помехами позволяет значительно увеличить помехоустойчивость. 
2. Передача телевизионного сигнала в двоичной форме по многозвенной 
линии связи позволяет производить многократную регенерацию и 
скремблирование цифрового сигнала в промежуточных пунктах, осуществлять цифровую коррекцию искажений и подавление флуктуационных 
и периодических помех в промежуточных пунктах и таким образом предотвращает накопление помех вдоль всей линии. Поэтому качество изображения в цифровой телевизионной системе практически полностью 
определяется качеством сигнала, созданного на телевизионном центре, и 
почти не зависит от сложности и протяженности линий связи. Другими 
словами, цифровая телевизионная система обеспечивает прозрачную передачу видеосигналов. В данном случае под прозрачностью понимается 
неизменность сигналов источника, когда сохраняются первоначальное 
качество видеоматериала и его способность к дальнейшей обработке. 
3. Решение проблемы устранения искажений из-за многолучевости и, как 
следствие, повышение качества приема на стационарные, подвижные и 
портативные телевизионные приемники. 

ВВЕДЕНИЕ 

 

 

9

4. Цифровые системы открывают широкие возможности обработки телевизионного сигнала в цифровой форме для устранения в нем статистической и физиологической избыточности перед передачей по каналу 
связи, то есть обеспечивают высокую степень сжатия видеоинформации, 
что позволяет уже сейчас передавать в стандартном радиоканале с полосой пропускания 8 МГц сигналы восьмидесяти телевизионных программ в наземном телевизионном вещании и более 10 программ через 
один ствол спутникового канала связи или одну программу телевидения 
высокой четкости (ТВЧ), а также большие потоки данных при сохранении высокого качества передачи. Соответственно, уменьшаются удельные затраты на телеканал по аренде спутникового оборудования. 
5. Использованы более низкие, по сравнению с аналоговыми системами, 
мощности передачи. Например, зона покрытия черырехкиловаттного 
цифрового передатчика эквивалентна зоне, которую обеспечивает двадцатикиловаттный аналоговый радиопередатчик. В данном случае 
справедливо отметить не только реальную экономию электроэнергии, 
но и значительное уменьшение отрицательного влияния высоких значений напряженности электромагнитного поля на окружающую среду. 
6. Обеспечение высококачественного приема на переносные телевизионные приемники. В ряде случаев прием аналоговых телевизионных сигналов при эфирном вещании вообще невозможен. Так, например, многие десятилетия предпринимались попытки осуществлять прием телевизионных сигналов в железнодорожных поездах. На линиях с электрической тягой (а таких сегодня большинство) принимать эфирные передачи с приемлемым качеством практически невозможно из-за срыва 
синхронизации при следовании вдоль железнодорожного полотна с 
мелькающими опорами и значительными помехами от контактной сети. 
Установлено, что только цифровой метод передачи и приема телевизионных сигналов позволит кардинально решить эту задачу. 
7. Допускается более широкая унификация аппаратуры телевизионных и 
других стволов линий связи с целью создания однотипных коммутирующих, корректирующих и других устройств. 
8. Обеспечивается гибкость передачи, которая позволяет плавно изменять 
скорость передачи цифровой информации в канале связи при соответствующем изменении качества декодированного изображения, адаптируемость к требованиям конкретного потребителя. 
9. Сравнительно легко реализуются операции по уплотнению телевизионного канала дополнительной информацией. Упрощается аппаратура для 
передачи одновременно с видеосигналом сигналов звукового сопровождения, звукового вещания, контрольных частот, сигналов точного 
времени, сигналов телеигр, телегазет и ряда других видов информации. 
Таким образом, обеспечивается возможность введения новых служб 
вещания, развлечений, образования, бытового обслуживания. 

ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ 

 
 

 

10 

10. Возможность регенерации цифрового сигнала позволяет без потери качества широко консервировать телевизионные программы, осуществлять их тиражирование. Хранение информации в двоичном коде может 
быть неограниченно долгим и допускает многократные обращения к 
записям. В случае необходимости хранящаяся информация легко регенерируется, что особенно важно для создания фондовых и архивных 
материалов. Интеграция локальной памяти домашнего компьютерного 
комплекса (магнитные диски, записываемые оптические диски) в систему цифрового телевидения означает возможность автоматической записи программ, предназначенных для конкретного зрителя. 
11. Цифровые модуляторы радиотелевизионных передающих станций 
(РТПС) в сочетании с оптимизацией их режимов с помощью микрокомпьютеров обеспечивают повышение КПД станций, качество передачи сигналов, облегчают обслуживание. 
12. Полное проникновение цифровой техники в телевизионный тракт от 
камеры до монтажных аппаратных удешевляет производство телевизионных программ. Цифровая техника предлагает более эффективную и 
менее дорогую автоматизацию телевизионного вещания. 
13. Цифровые методы обработки и передачи телевизионных сигналов 
способствуют внедрению ТВЧ, многоканальному вещанию в сети Интернет, облегчают международный обмен телевизионными программами. Цифровое телевидение становится частью общемировой сети 
передачи данных Internet, умножая и без того быстро растущее число 
пользователей этой сети. Практически цифровое телевидение делает 
еще один шаг на пути слияния функций телевизоров и переносных 
компьютеров. 
14. Цифровое телевидение позволяет телевизионным вещательным компаниям вступить в прямой контакт со зрителями, предлагая услуги, например, по исключительной демонстрации различных событий и мероприятий. При этом реклама, основанная на изучении пристрастий и 
вкусов зрителей, может стать целевой. 
15. Цифровые технологии позволяют придать телевидению интерактивный 
характер. Интерактивная реклама, услуги по продаже товаров, телевизионные игры будут, видимо, первыми проявлениями интерактивности, 
за которыми должны последовать образовательные и другие программы. 
16. Цифровое телевидение предполагает и высококачественное звуковое 
сопровождение. В идеале – это применение цифровой системы Dolby 
AC-3 (с 1991 года ее применяют в киноаппаратуре), которая обусловливает передачу шести каналов звукового сопровождения (левый и 
правый тыл, левый и правый фронт, центр, низкие частоты). Такую 
систему обозначают «канал 5.1» (коммерческое название данной системы – «Dolby Digital»). Достоинством такой системы следует считать 
неизменность уровня звукового сигнала при переходе с канала на канал