В.3. Структура учебного пособия 7 страница
· коэффициент усиления или коэффициент направленного действия;
· форма диаграммы излучения (направленности) в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
· поляризация излучаемых волн и др.
Для создания максимальной напряженности поля в зоне обслуживания увеличивают мощность излучения, но при малых высотах подъема антенны напряженность поля в ближней зоне может превысить допустимые санитарные нормы.
Коэффициент усиления передающих антенн (относительно изотропного излучателя) в 1-11 диапазонах составляет 6-10, в III диапазоне - до 25, а для ДМВ диапазона IV-V - до 50.
Важное значение имеет постоянство входного сопротивления антенны в пределах полосы передачи, определяемое коэффициентом бегущей волны (КБВ) в питающем фидере. Передающие антенны должны обеспечивать КБВ около 0,9 в полосе передачи.
В качестве передающих антенн используются панельные, турникетные и антенны с радиальным и уголковыми вибраторами.
Передающие телевизионные антенны обычно выполняют в виде системы горизонтальных симметричных вибраторов; расположение и схема питания вибраторов определяют форму диаграммы направленности (ДН) и величину коэффициента усиления (КУ) антенны. Как правило, диаграммы направленности ДН передающих телевизионных антенн в горизонтальной плоскости круговая, а в вертикальной имеет узкий лепесток диаграммы, прижатый к поверхности земли, что увеличивает поток мощности в этом направлении и препятствует излучению под большими углами к горизонту, которое бесполезно. Если размеры поперечного сечения опоры антенны сравнительно невелики и требуется КУ не свыше нескольких единиц, то в метровом диапазоне применяют антенны турникетного типа.
В остальных случаях применяют преимущественно антенны панельного типа, собираемые из отдельных панелей (образованных вибраторами и рядом вспомогательных элементов), которые в зависимости от требуемой формы ДН располагаются (по контуру поперечного сечения опоры) равномерно или неравномерно и излучают радиоволны синфазно или с определенными фазовыми сдвигами. Иногда применяют передающие антенны и других типов.
Так, антенны метрового диапазона Общесоюзного телецентра в Москве (на Останкинской башне) выполнены в виде радиальных штырей, равномерно размещенных по окружности поперечного сечения башни перпендикулярно ее поверхности (этажами, по 8 штырей в каждом). КУ передающих антенн метрового диапазона составляет от нескольких единиц до 12-15, дециметрового - до нескольких десятков. У антенн с большим коэффициентом усиления в диаграмме излучения в вертикальной плоскости увеличивается число боковых лепестков, из-за чего на близких расстояниях от передающей станции появляются зоны с недостаточной напряженностью.
Для практики представляет интерес значение радиуса небольшой зоны около опоры антенны мощной станции, т.к. там тоже могут жить телезрители. В этой зоне возможно, что качество приема по ряду причин может быть неудовлетворительным (недостаточная напряженность поля полезного сигнала, ложные изображения, возникающие в антенно-фидерном тракте передающей антенны и т. д.).
Радиус зоны приема от боковых лепестков Кл может быть точно определен по известной диаграмме направленности и высоте подвеса передающей антенны.
Поскольку полоса частот для сигнала DVB-T осталась такой же, как и для аналогового телевидения, то будем использовать уже существующие антенны. Выберем телевизионную передающую антенну ATV1 для диапазонов МВ и ДМВ (рис. 5.9).
Рис. 5.9. Конструкция антенны ATV-1
В табл. 5.2 приведены технические параметры антенны ATV-1.
Таблица 5.2
| Технические параметры для 16 излучателей |
| Коэффициент усиления | 9 дБ |
| Поляризация | Горизонтальная |
| КСВ | не хуже 1,15 |
| Максимальная подводимая мощность | 2 кВт |
| Входное сопротивление | 75(50) Ом |
| ДН в горизонтальной плоскости | круговая |
| Ширина ДН в вертикальной плоскости | 25° |
| ГЛАВА 6. | ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ И БЛОКИ РЕТРАНСЛЯТОРОВ DVB-T ВЕЩАНИЯ |
6.1. Проблемы приема цифрового телевидения
6.1.1 Значения напряженности поля
6.1.2 Зоны обслуживания при цифровом ТВ
6.1.3 Вероятность приема по местоположению
6.2. Цифровые ретрансляционные сети и их оборудование
6.2.1 Принципы ретрансляции
6.2.2 Маломощные DVB-ретрансляторы ELTI
6.1. Проблемы приема цифрового телевидения
Цифровые сигналы более защищены от помех, чем аналоговые, но нужно учитывать особенность цифровой модуляции – так называемый пороговый характер приема: даже при незначительном уменьшении напряженности поля ниже определенного порога прием прекращается. При приеме сигналов аналогового ТВ качество принимаемого изображения пропорционально ухудшается с уменьшением уровня принимаемого сигнала, поэтому телевизионные программы в аналоговом формате сигналов население смотрит при уровне сигнала существенно ниже нормируемого уровня, в том числе на значительных расстояниях за пределами зон гарантированного обслуживания. После перехода на цифровое вещание возможна ситуация, когда в большом числе населенных пунктов нашей страны телезрители аналогового вещания перестанут принимать программы, если не предусмотреть надлежащие меры. Выбор значений параметров радиопередающих станций (РПС), обеспечивающих наиболее оптимальный охват населения ТВ, - это решение лишь половины задачи. Чтобы решить задачу полностью, понадобится также привести в порядок приемную сеть наземного телевидения, которая сегодня находится в неудовлетворительном состоянии, и определить параметры приемных установок индивидуального пользования, при которых реализуются потенциальные возможности таких РПС.
В наземной сети прием телевидения осуществляется следующими способами:
· с помощью систем коллективного приема сигналов эфирных радиопередатчиков (СКПТ) и систем кабельного телевидения;
· на индивидуальные установки приема сигналов эфирных радиопередатчиков;
· на индивидуальные установки непосредственного приема сигналов спутниковых ретрансляторов.
В городах и крупных населенных пунктах, где развиты широкополосные системы коллективного приема телевидения, население не столкнется с проблемами при переходе на цифровой формат сигнала телевизионного вещания.
В таких сетях на переходный период может применяться предложенное специалистами ОАО "МНИТИ" решение, при котором на головных станциях СКПТ принимаемые цифровые сигналы наиболее важных телевизионных программ преобразуются в аналоговые и в таком виде доставляются телезрителям (и параллельно в цифровом формате). При такой схеме отпадает необходимость установки у телезрителей приставок. Кто захочет принимать цифровые программы, тот приобретет цифровой телевизор. Со временем и остальные абоненты также приобретут цифровые телевизоры взамен аналоговых. В 30 городах России, где развиты широкополосные сети СКПТ, проживает более 30% населения страны, и число абонентов сетей СКПТ будет увеличиваться.
Непосредственный прием сигналов спутниковых ретрансляторов осуществляется на достаточно простые установки, стоимость которых сравнима со стоимостью приставок цифрового телевидения.
В настоящее время их использует всего около 1% населения страны, но число таких установок увеличивается, а при переходе наземной сети на цифровой формат сигналов спрос на них существенно возрастет, поскольку такой вид приема является альтернативой приему сигналов эфирных передатчиков в местах с малой напряженностью поля (на существенном удалении от наземных РПС и в затененных рельефом местности зонах). Правда, последнее затруднение характерно и для непосредственного приема сигналов спутниковых систем вещания. Как видно, основная часть населения России получает телевидение с помощью установок индивидуального пользования. В ближайшее десятилетие эфирное телевидение и радио сохранят свои позиции основного источника социально значимой информации для населения, поэтому настоящий проект посвящен проблеме организации индивидуального приема сигналов наземных эфирных цифровых РПС.
6.1.1 Значения напряженности поля. Существующая наземная сеть телевизионного вещания России построена, исходя из задачи обеспечения двумя центральными телевизионными программами практически всего населения страны. За редким исключением эти программы транслировали передатчики диапазона метровых волн (MB) и, как правило, в полосе частот до 100 МГц (каналы 1-5).
На этих частотах обеспечиваются наилучшие условия распространения радиоволн, используемых для трансляции телевидения. Поэтому удалось достичь охвата двумя программами телевидения 96% населения России.
На сегодня частотный ресурс для организации телевизионного вещания практически исчерпан. В масштабах всей страны на переходном этапе внедрения цифрового телевидения реально рассчитывать на выделение, как правило, частотных каналов в верхней части диапазона дециметровых волн (ДМВ) для параллельного вещания в цифровом формате. Радиоволны этого диапазона волн распространяются значительно хуже радиоволн диапазона MB.
Условием качественного приема является обеспечение надлежащего отношения сигнал/шум (С/Ш) на входе приемника. Исходя из значения этого параметра, вычисляют минимально необходимый уровень напряженности поля передатчика в месте приема, который, в свою очередь, определяет выбор мощности передатчика для охвата требуемой зоны обслуживания. В зависимости от параметров модуляции сигнала цифрового телевидения требуемые значения С/Ш лежат в пределах от 6 до 24 дБ [1]; при модуляции 64-QAM и скорости внутреннего кодирования 5/6 требуемое значение С/Ш = 22,7 дБ.
Для качественного приема аналогового телевидения требуется более высокое значение С/Ш; при планировании сети исходят из значения С/Ш = 36 дБ, хотя измерения показали, что можно смотреть телевизионные передачи и при С/Ш = 30 дБ и даже меньше.
В табл. 6.1 приведены значения напряженности поля:
· в расчете на которые была спланирована существующая передающая сеть;
· при которых возможен качественный прием аналоговых сигналов на современные телевизоры при С/Ш = 36 дБ и при С/Ш = 30 дБ;
· при которых МСЭ рекомендует планировать сети аналогового телевидения на территориях с малой плотностью населения;
· для приема сигналов цифрового телевидения с параметрами модуляции, позволяющими передачу с чистой битовой скоростью 25 Мбит/с: минимально допустимые, требуемые для вероятности приема в 70% и в 95% мест на границе зоны обслуживания. В проекте отечественного ГОСТа на параметры телевизоров значение коэффициента шума принято равным 8 дБ (это на 1 дБ больше значения, на которое ориентируются расчеты в документах МСЭ, но характеристики подавляющей части парка телевизоров в России не соответствуют современному западноевропейскому уровню). В расчете на такое значение коэффициента шума и определены значения минимальной напряженности поля для приема аналогового и цифрового телевидения, приведенные в табл. 6.1 для сегодняшних условий.
Из данных табл. 6.1 видно, что прием аналогового телевидения на современные телевизоры (выпуска не ранее 90-х гг. прошлого века) возможен при значениях напряженности поля существенно меньше тех, которые были приняты при планировании отечественной передающей сети телевидения, исходя из характеристик телевизоров производства 1950-х гг.
Таблица 6.1
| Модуляция | Диапазон частот | I | III | IV-V |
| Аналоговая | При планировании сети (1960-е годы) | |||
| Для приема при отношении С/Ш=36 дБ | 48-49 | 52-54 | 60-64 | |
| Для приема при отношении С/Ш=30 дБ | 42-43 | 46-48 | 54-58 | |
| Рек. МСЭ №417 для малонаселенных зон | 58-64 | |||
| Цифровая | Минимально необходимая | 40-42 | 48-52 | |
| 64-QAM, 5/6 | Для приема в 70% мест на границе зоны | 54-45 | 51-55 | |
| Для приема в 95% мест на границе зоны | 49-51 | 57-61 |
При этом в значительном числе населенных пунктов страны население регулярно смотрит телевизионные передачи при напряженности поля, соответствующей значениям, рекомендуемым МСЭ для малонаселенных районов (см. табл. 6.1), а иногда и еще более низкой. Эти значения практически равны тем, в расчете на которые МСЭ рекомендует планировать наземные сети цифрового телевидения для обеспечения возможности приема в 95% мест на границе зоны обслуживания.
6.1.2 Зоны обслуживания при цифровом ТВ. Номинальная мощность гибридного передатчика в режиме цифровой модуляции примерно в 4 раза меньше, чем в режиме аналогового сигнала. Поэтому при переводе конкретного передатчика в режим цифрового вещания его зона обслуживания может заметно сократиться. Рассмотрим в качестве примера РПС с высотой опоры 180 м, где размещены гибридные передатчики, которые в аналоговом режиме работают с мощностью 5 кВт, а в цифровом режиме с мощностью 1,25 кВт.
На рис. 6.1 представлены кривые распространения сигналов передатчиков цифрового телевидения диапазона MB (частота 200 МГц) и диапазона ДМВ (частота 500 МГц), мощность которых при их работе в аналоговом режиме равнялась бы 5 кВт.
По оси абсцисс обозначены границы зон обслуживания передатчиков при работе с параметрами модуляции цифрового сигнала 64-QAM-5/6 в предположении вероятности приема в 95% мест (51 км для передатчика диапазона MB, 38 км для передатчика IV диапазона ДМВ и 34 км для передатчика V диапазона ДМВ). На этом рисунке также обозначена граница зоны обслуживания (прием при отношении С/Ш = 36 дБ) передатчика III диапазона MB мощностью 5 кВт, работающего в режиме аналогового вещания (62 км). Расчет показал, что такой гибридный передатчик в режиме цифрового сигнала создаст на этом расстоянии медианную напряженность поля, равную 47 дБ/мкВ/м, что на 3 дБ больше значения, необходимого для обеспечения приема более чем в 70% мест (см. табл. 6.1). В диапазоне ДМВ на таком расстоянии расчетная напряженность поля будет равна: 43 дБ/мкВ/м в диапазоне IV и 42 дБ/мкВ/м в диапазоне V.
Это существенно меньше минимально необходимых значений (на 6 и на 9 дБ соответственно); число мест, где возможен прием цифрового телевидения, в первом случае составит 15%, а во втором - 5% от общего числа мест приема на границе зоны обслуживания.
| Расстояние , км |
| МВ |
| ДМВ |
| Граница зоны приема аналогового сигнала в диапазоне МВ |
Рис. 6.1. Кривые распространения сигналов передатчиков
цифрового телевидения диапазона MB и ДМВ
Следовательно, если передатчик диапазона MB перевести в режим цифрового сигнала, зона его обслуживания практически не уменьшится. Если же для вещания социального мультиплек-са применить передатчик диапазона ДМВ такого же класса (соответствующей мощности и стоимости), как и передатчик диапазона MB, который транслирует с этой РПС телевизионные программы канала "Россия" или "Первого канала", число телезрителей может существенно сократиться.
Чтобы практически на всей территории зоны обслуживания аналогового передатчика диапазона MB обеспечить прием цифрового телевидения, нужно применить более помехозащищенные режимы модуляции сигнала.
Гистограммы на рис. 6.2 свидетельствуют о том, что для сохранения аудитории зрителей аналогового телевизионного вещания следует перевести передатчик III диапазона в цифровой режим с параметрами модуляции сигнала 16-QAM, а если транслировать цифровой мультиплекс в диапазоне ДМВ, то с модуляцией QPSK. Естественно, что при этом сократится информационная емкость радиоканала.
6.1.3 Вероятность приема по местоположению. Напряженность поля передатчика на одном и том же расстоянии от радиопередающей станции, но в разных азимутах (а иногда и пределах одного населенного пункта) может иметь разные значения в зависимости от рельефа местности, застройки, условий распространения и других факторов.
| 50% |
| 100% |
| 150% |
| 200% |
| ТВК8 5 кВт |
| ТВК9 1,25 кВт |
| ТВК27 1,25 кВт |
| ТВЧ40 1,25 кВт |
| Номер канала и мощность передатчика |
| 250% |
| Аналог |
| QPSK 1/2 |
| QAM-16 3/4 |
| QAM-64 5/0 |
Рис. 6.2. Размер зоны обслуживания
Сети аналогового телевидения планировали так, чтобы на границе зоны обслуживания не менее чем в 50% мест приема обеспечивались значения напряженности поля передатчика, обеспечивающие на входе телевизора отношение С/Ш = 36 дБ (медианные значения). При этом учитывали, что в местах с меньшей напряженностью поля прием сохранится, хотя и с несколько худшим качеством (практика показала, что прием возможен и при отношении сигнал-шум 30 дБ и даже меньше). Поэтому прием аналогового телевидения был возможен практически везде в пределах зоны обслуживания. Поскольку условия приема сигналов цифрового телевидения более критичны к уменьшению уровня напряженности поля, чем при приеме сигналов аналогового телевидения, МСЭ рекомендует планировать наземные сети цифрового телевидения так, чтобы гарантировать прием в проценте мест на границе зоны обслуживания значительно выше 50%. При этом медианные значения напряженности поля (соответственно и мощность передатчика) должны быть больше минимально необходимых.
На рис. 6.3 графически представлены результаты исследований условий распространения (распределение напряженности поля по месту) сигналов цифрового телевидения. Видно, что для обеспечения вероятности приема в 95% мест на границе зоны обслуживания нужно принять медианное значение напряженности поля на 9 дБ больше минимально необходимого, соответственно для вероятности 70% мест - на 2,9 дБ.
| -30 |
| -20 |
| -10 |
| Процент мест приема |
Рис.6.3 Результаты исследований условий распространения
(распределение напряженности поля по месту) сигналов цифрового телевидения
Из рассмотренного выше примера видно, что для обеспечения вероятности приема в 95% мест излучаемая РПС мощность должна быть в 8 раз больше того номинала, при котором в 50% мест напряженность поля будет равна минимально необходимому значению.
Правомерен вопрос: нужно ли повсеместно стремиться к вероятности приема в 95% мест на границе зоны обслуживания при переходе к цифровому телевидению? Представляется разумным при планировании реальных сетей цифрового телевидения учитывать распределение плотности населения вблизи границ зоны обслуживания в каждом конкретном случае.
На рис. 6.4 представлены данные о распределении численности населения в пределах зон обслуживания некоторых мегаполисов России.
Из этого рисунка видно, что для РПС Омска и Новосибирска при увеличении радиуса зоны обслуживания с 60 до 80 км охват населения увеличивается незначительно, а для РПС Ростова-на-Дону подобное увеличение зоны обслуживания эффективно. Поэтому в некоторых случаях может оказаться допустимым ограничиться требованием охвата гарантированным приемом, например, 70% мест на границе зоны. Тогда можно будет (по сравнению со случаем охвата 95% мест) уменьшить необходимое значение ЭИМ на 6 дБ (вчетверо). При этом в тех населенных пунктах на границе зоны обслуживания, где напряженность поля окажется недостаточной для качественного приема сигналов цифрового телевидения, можно будет применить приемные установки с усовершенствованными характеристиками, обеспечивающими улучшение отношения сигнал/шум на 6 дБ по сравнению с типовой (стандартной) установкой. Одно из таких решений применение ретрансляторов.
| Санкт Петербург |
| Нижний Новгород |
| Новосибирск |
| Омск |
| Ростов на Дону |
| Численность населения в зонах обслуживания разного радиуса |
Рис. 6.4. Распределение численности населения в пределах
зон обслуживания некоторых мегаполисов России
6.2. Цифровые ретрансляционные сети и их оборудование
6.2.1 Принципы ретрансляции. Ретрансляторы для цифрового вещания могут быть созданы на основе как аналоговых, так и цифровых технологий. В последнем случае используется иной метод ретрансляции, который называется "цифровая ретрансляция".
Имеющие в своей основе технологии профессиональных приемных устройств DVB-T, эти ретрансляторы регенерируют сигнал в целях обеспечения более высокого качества в сочетании с новыми возможностями. Цифровые ретрансляторы, благодаря своей функциональности, являются эффективным решением в области расширения зоны покрытия вещательной сети DVB-T.
Вещатели, работающие в стандарте DVB-T, начинают построение своих сетей с передатчиков высокой мощности. Это делается для того, чтобы быстро обеспечить широкую зону покрытия.
Следующим шагом является ее расширение путем установки маломощных ретрансляторов в теневых зонах, то есть там, где прием сигнала затруднен.
Для ретрансляции сигнала DVB-T используются цифровые устройства. Это новый тип ретрансляторов, в котором есть профессиональный цифровой приемник DVB-T, восстанавливающий из радиочастотного сигнала программный поток (и корректирующий все ошибки), после чего выполняются повторная модуляция, повышающее преобразование и усиление. Это означает, что сигнал полностью регенерирован (рис. 6.5).
| Демодулятор |
| Модулятор |
| VP |
Рис. 6.5 Процесс регенерирования сигнала
В случае цифровой ретрансляции весь сигнал полностью регенерируется. Это означает, что ретрансляторы (в своей передающий части) гарантируют качество транслируемого сигнала до тех пор, пока способны демодулировать принимаемый сигнал. Иными словами, качество выходного сигнала не зависит от качества входного, поскольку:
· фазовый шум связан только с параметрами возбудителя самого ретранслятора;
· ослабление сигнала в цифровой вещательной сети компенсируется следующим ретранслятором;
· несколько цифровых ретрансляторов могут быть установлены в каскад без накопления какого-либо ухудшения качества (рис. 6.6).
| Рис. 6.6. Каскад цифровых ретрансляторов |
Ограничения для цифровых ретрансляторов
Задержка внутри цифрового ретранслятора длиннее, чем защитный интервал. Поэтому сигнал не может быть ретранслирован на частоте основного передатчика: основные передатчики и ретрансляторы не могут работать в одночастотной сети (single-frequency network - SFN) даже при несущих 8K и защитном интервале ¼ (рис. 6.7).
| Рис. 6.7. Разнос частот |
Преимущества цифровых ретрансляторов:
· до тех пор, пока ретранслятор способен демодулировать РЧ-канал, качество выходного сигнала не зависит от качества входного;
· MER на выходе составляет не менее 33 дБ;
· теоретически, благодаря предварительной коррекции ошибок FEC и неизменному качеству выходного сигнала цифровые ретрансляторы могут выстраиваться в каскады бесконечной длины. Это является эффективным решением для вещания, например, в районах со сложным рельефом местности (рис.6.8);
| Рис. 6.8 Вещания в районах со сложным рельефом местности |
Процесс демодуляции при выделении программного потока позволяет вещателям использовать локальный мультиплексор для изменения контента в соответствии с требованиями местной ретрансляции (рис. 6.9).
Рис. 6.9. Использование локального мультиплексора для изменения контента в соответствии с требованиями местной ретрансляции
Все чаще и чаще локальная зрительская аудитория хочет смотреть свои собственные местные программы. Таким образом, цифровые ретрансляторы позволяют создавать гибкие решения для сетевого вещания;
Теневые зоны могут быть охвачены при помощи нескольких ретрансляторов. Эти устройства работают вместе в режиме SFN без дополнительной внешней синхронизации (10 МГц и 1 PPS). Цифровые ретрансляторы в целях оптимизации зоны перекрытия могут выполнять буферизацию сигнала во встроенной памяти (рис.6.10);
Рис.6.10. Буферизация сигналов
Поскольку фазовый шум, MER и другие параметры являются очень важными для модуляции по стандарту DVB-T, применение ретрансляторов для расширения зоны покрытия имеет большое значение. Цифровая ретрансляция представляет собой новую концепцию, помогающую расширить зону покрытия при цифровом вещании по стандарту DVB-T, сохраняя при этом высочайшее качество и обеспечивая большую степень гибкости.
Компания Harris Broadcast Europe разработала Spot - цифровой ретранслятор, созданный на основе всех вышеизложенных принципов (рис. 6.11). Благодаря высокоинтегрированным технологиям Harris удалось создать очень компактные, но при этом качественные устройства.
Помимо демодуляции входного сигнала и его ремодуляции, устройства серии Spot обладают рядом свойств, выводящих их за рамки обычных ретрансляторов. В то время как аналоговый ретранслятор просто усиливает существующий сигнал, Spot выполняет полную коррекцию ошибок, поэтому зритель получает хорошее качество изображения на экране своего телевизионного приемника.