Для построения системы мониторинга
Основная цель данной главы – рассмотреть вариант построения сети цифрового вещания с системой дистанционного контроля и управления во взаимосвязи со следующими моментами:
1. Возможности постепенного перехода от аналогового вещания к цифровому;
2. Освобождением в связи с этим частотного ресурса;
3. Необходимости существенного уменьшения эксплутационных расходов;
4. Улучшением эксплуатационных свойств сети (повышения надежности, уменьшения количества обслуживающего персонала, времени простоя и т.д.)
2.1 Обобщенная структура сети мониторинга
Обобщенная структурная схема такой сети представлена на рис. 2.1.
Передающее оборудование в такой сети имеет в своем составе набор измерительных датчиков, органы дистанционной регулировки, систему сбора данных для формирования информационного сообщения, и двунаправленные интерфейсы для связи с центром управления.
В свою очередь центр управления должен иметь в своем составе сервер с программными средствами для обеспечения дистанционного доступа абонентов к закрепленному за ними передающему оборудованию.
Рис. 2.1. Структура сети мониторинга
Структура построения передающего комплекса должна предусматривать возможность автоматического или дистанционного перехода на резерв части передатчика (на пример возбудителя) или передатчика целиком (по схеме n+1).
Последняя функция оказывается целесообразной, если эксплуатируются несколько передатчиков в одном и том же диапазоне частот и не слишком удаленными друг от друга каналами.
Передатчики должны иметь интерфейс для дистанционной перенастройки выходных параметров - частоту синтезаторов на любой из рабочих каналов, мощность выходных каскадов и т.д.
Очевидно, что выходной фильтр в этом случае должен быть вынесен за пределы конструктива передатчика и располагаться после системы коммутации (рис. 2.2).
Учитывая перспективу возможного освобождения ряда частотных каналов МВ диапазона, целесообразно также обсудить актуальную в настоящее время тему о необходимости постепенного отказа от использования для целей ТВ вещания I и II частотных диапазонов и перехода на более ВЧ диапазоны вещания (VHF III, UHF IV, V).
При этом появляются следующие преимущества при построении систем телевещания:
· возможность построения более широкополосных обратных каналов кабельного вещания (что в настоящее время весьма актуально);
· возможность размещения 2-х - 3-х антенн III-V диапазонов вместо 1-ой антенны I-ого или II-ого диапазонов (что также актуально при современной насыщенности вещательных мачт и башен антенными средствами различного назначения).
Рис. 2.2. Схема резервирования n+1 с дистанционным управлением.
Остальные преимущества связаны с уменьшением числа антенн, их взаимовлияния, уменьшением их размеров и габаритов суммирующих устройств, фильтров (материалоемкость, ветроустойчивость, вес, удобство монтажа и т.д.)
Некоторое возможное уменьшение зоны обслуживания за счет больших потерь в фидере и ухудшений условий дифракции сигналов более высоких диапазонов может быть скомпенсировано за счет выбора более высоких точек подвеса малогабаритных антенн каналов III-V диапазонов.
2.2 Состав измерений
Определение состава измерений – наиболее ответственная часть проектируемой системы, поскольку чрезмерное увеличение числа измеряемых параметров ведет к неоптимальному соотношению объема собственно вещательной части передатчика и измерительно-информационной части.
Состав измерений может быть определен после тщательного предварительного анализа свойств оборудования подлежащего поставке, числа обслуживаемых РТПС и степени ответственности при обеспечении вещания на заданную зону. В настоящее время обсуждается выбор необходимого числа параметров из следующего набора:
· мощность;
· частота и состояние задающих генераторов;
· номиналы напряжений, токи источников питания и транзисторов выходных каскадов;
· соотношение несущей видео/несущей аудио;
· уровни синхросигналов и уровни белого (или полный размах);
· девиация частоты звукового канала;
· КСВ;
· контроль паразитных излучений;
· температура и параметры системы охлаждения;
· датчики пожарной сигнализации и контроля несанкционированного доступа.
· другие параметры.
Кроме того, разрабатываются методы формирования интегральных и дифференциальных параметров, методы экстраполяции с целью оценки общего состояния и прогноза работоспособности станции, приоритеты и уровни ошибок, определяются характеристики системы доставки данных в центр контроля и управления, а также оптимизируются структуры передатчиков для конкретных схем резервирования.
Следует также отметить, что наиболее полный мониторинг вещательного района (зоны обслуживания) обеспечивается при организации фиксированных (выделенных) пунктов эфирного контроля (анализатор спектра, приемник - демодулятор, измеритель параметров), работающих в автоматическом режиме и имеющих связь с общей системой контроля.
2.3 Пример реализации
системы дистанционного контроля и управления
В качестве примера рассматриваемой структуры сети ниже приводится краткое описание системы мониторинга и управления итальянской вещательной сети (Мediasat) реализованной на оборудовании фирмы DMT Group.
В последнее время фирмой DMT были сделаны технологические разработки в области ТВ вещателных сетей нового поколения с дистанционным управлением и контролем. Для связи со станцией рассматривалось несколько вариантов, включая радио доступ 2,5G и 3G, сети PSTN, ISDN или ADSL, радио VHF/UHF, цифровая радиосвязь.
Некоторые возможности системы наглядно продемонстрированы на рис. 2.3. Политика DMT состоит в том, чтобы предоставить клиенту широкий диапазон решений по системам дистанционного управления. С этой целью все оборудование DMT имеет как последовательные интерфейсы RS485 и RS232, так и параллельные интерфейсы. Proxy Server, разработанный компанией "DMT", позволяет соединять оборудование DMT с системой управления на основе сетевого алгоритма SNMP через стандартные интерфейсы. Proxy Server может быть сконфигурирован для получения доступа через сеть к параметрам работающего оборудования. Доступ к сети очень удобен и для взаимодействия с местной системой, например, в целях осуществления технической поддержки через портативный компьютер, соединенный с портом RJ45, расположенным на передней панели.
Рис. 2.3. Схема системы управления и мониторинга
В качестве стандартного решения для дистанционного мониторинга и управления передающим оборудованием и вещательными станциями DMT предлагает систему AUGE, которая базируется на последовательном интерфейсе RS485 и протоколе связи ALGORAB.
Каждая контролируемая станция оснащена HUB-ом (CN110R) и различным количеством входных/выходных интерфейсов.
Можно выбрать каналы связи между местами и центром управления, включая радио VHF или UHF, dial-up модемы, модемы GSM, цифровой канал от 64k до 2Мбит/с.
В основе центра управления (рис. 2.4) находится web-сервер, с которым связаны клиенты местной сети через дистанционный доступ. Центр управляет распределением сигналов тревоги через SMS-технологию (система коротких сообщений).
При помощи простого графического интерфейса пользователя оператор центра управления получает информацию о состоянии оборудования на отдаленных станциях. Система позволяет осуществлять дистанционное управление вручную и/или автоматически.
Рис. 2.4. Схема центра управления
Кроме этого система дает возможность анализировать динамику изменений во времени различных параметров и прогнозировать динамику изменений во времени различных параметров и прогнозировать отказы, а также, по совокупности признаков, более точно определять узлы и блоки вещательной станции, подлежащие превентивной замене.
Созданная специально для ТВ-радиосистем, Auge может использоваться и в других целях, где требуется надежное и точное дистанционное управление, благодаря модульному исполнению и гибкости. Управление системой основано на web-технологии и может быть легко переконфигурировано в зависимости от рабочих требований.
AUGE компании "DMT" может использоваться с широким диапазоном оборудования и других крупных производителей.
На наш взгляд, изложенный зарубежный опыт может быть широко использован при модернизации национальных ТВ вещательных сетей и даст существенный положительный экономический и технический эффект в случае эксплуатации телевизионных эфирных вещательных сетей, обслуживающих большие территории со значительным количеством труднодоступных РТПС.
2.4 Выбор оборудования
для построения системы мониторинга
2.4.1 MIB. Управляющая информация и параметры коммутатора хранятся в информационной базе управления (Management Information Base -MIB). Коммутатор использует стандартный модуль информационной базы управления MIB-II. Следовательно, значения входящих в MIB объектов могут быть получены с помощью любых средств сетевого управления, основанных на SNMP. Кроме стандарта MIB-II, коммутатор также поддерживает собственную MIB в виде расширенной информационной базы управления. Объекты этой MIB также могут быть получены путем указания менеджером OID MIB (Object Identifier, идентификатор объекта MIB). Значения объектов MIB могут быть как открытыми только для чтения (read-only), так и для чтения и для записи (read-write).
Объекты read-only MIB могут быть константами, которые запрограммированы в коммутаторе, или переменными, которые изменяются в процессе работы коммутатора. Примерами констант read-only являются количество портов и их типы. Примерами переменных read-only являются статистические значения, такие как количество произошедших ошибок, или сколько Кбайт данных было получено и передано через порт.
Объекты read-write MIB обычно связаны с настройками, осуществляемыми пользователем. Например, ими являются IP-адрес коммутатора, параметры Spanning Tree Algorithm, состояние порта.
Если для управления коммутатором используется система управления SNMP третьих поставщиков, то по запросу можно получить дискету, содержащую MIB коммутатора. Если эта система предоставляет функции просмотра или модификации MIB, то можно получать параметры MIB и изменять их (если атрибуты MIB допустят операцию записи). Тем не менее, процесс получения объектов MIB может быть только последовательным, поскольку нужно знать OID MIB и получать объекты один за другим.
Современные требования к построению телевизионных сетей, в первую очередь крупных и использующих интерактивные приложения, определяют необходимость использования в них механизмов автоматического контроля и управления для повышения надежности их работы. В настоящее время большинство компаний, выпускающих аппаратуру для кабельного телевидения, готово дополнить ее системой менеджмента собственной разработки. Однако эти системы не совместимы с оборудованием других производителей. Таким образом, выбрав головную станцию и поставляемую к ней систему менеджмента, оператор вынужден строить распределительную сеть на оборудовании того же производителя.
Такая ситуация показалась неприемлемой ассоциации кабельных операторов Америки SCTE, которая сформировала группу под названием Hybrid Management Sublayer Commetee для разработки серии стандартов на системы менеджмента сети кабельного телевидения. Отсюда произошло название стандарта HMS (Hybrid Management Sublayer). Все частные системы менеджмента работают на базе компьютерного протокола SNMP. Этот протокол предоставляет ограниченное количество команд для управления переменными, которые для каждого типа управляемого устройства определяются индивидуально. Набор управляемых переменных устройства составляет административную базу данных, или по-английски — MIB (Management Information Base/Blocs).
Взаимодействие элементов, участвующих в администрировании, иллюстрируется рис. 2.5. Эти элементы — сама система менеджмента, головной контроллер и SNMP агент (Agent).
Рис. 2.5. Система администрирования
Система администрирования, как правило, устанавливается на головной станции на одном или нескольких ПК. Головной контроллер — модуль головной станции или первичного оптического узла (HUB). Он предоставляет интерфейс между распределительной сетью и системой администрирования, а с другой стороны, является SNMP агентом для головного оборудования. SNMP агент собирает и хранит данные MIB, а также обеспечивает передачу данных, запрошенных системой администрирования, и выполнение ее команд. SNMP агент размещается в транспондере, который, в свою очередь, может встраиваться в контролируемое периферийное устройство или представлять собой отдельный модуль. Помимо SNMP агента транспондер включает кабельный модем и интерфейс между транспондером и контролируемым устройством.
Головной контроллер взаимодействует с системой администрирования через канал Ethernet по протоколу UDP/IP. Эти связи стандартизированы. А вот протоколы взаимодействия головного контроллера с SNMP агентами периферийных устройств у каждой компании свои. Различается и физическая организация взаимодействия этих элементов в распределительной сети.
Эта часть является объектом HMS стандартизации. Спецификация HMS 004 определяет МАС протокол взаимодействия головного контроллера и SNMP агента, а спецификация HMS 005 — физический уровень взаимодействия, который реализуется модемом, встроенным в транспондер. Помимо этого разрабатываются спецификации, определяющие интерфейсы между транспондером и контролируемыми устройствами, а также HMS для прикладного уровня, то есть определяющие MIBы различного профиля. Часть MIBов уже определена.
2.4.2 Транспондер. Для обеспечения обмена данных в контролируемые активные элементы сети устанавливаются модули EMT-транспондеров (рис. 2.6). Основные компоненты транспондера AC6950 (рис. 2.7):
· радиочастотный модем, обеспечивающий обмен данными в прямом и обратном каналах;
· подключенный к модему микроконтроллер с сервисным портом RS-485 для локального подключения;
· схема автоматического регулирования усиления (AGC);
· аналого-цифровой преобразователь (A/D) для оцифровки измеряемых и управляемых параметров;
· цифро-аналоговый преобразователь (D/A) для работы с данными, полученными в прямом канале от головного контроллера системы;
· датчик света для контроля несанкционированного открывания крышки платформы;
· Eeprom – перепрограммируемое ПЗУ для записи базовых параметров;
· Flash/RAM – память для работы с оперативными данными.
Рис. 2.6. Транспондер AC6950 для платформ серии Access
Рис.2.7. Блок-схема транспондера AC6950
ЕМТ-транспондеры, представляющие собой сменные модули дистанционного менеджмента и мониторинга, устанавливаются непосредственно в слот базовой платы универсальных передатчиков без каких-либо дополнительных кабельных соединений. Модуль мониторинга имеет встроенный микроконтроллер и радиочастотный модем. Скорость передачи данных модема 38 кб/с вполне достаточна для передачи сравнительно небольшого объема информации - телеметрии передатчиков. Для прямого подключения ноутбука линейного инженера модуль транспондера имеет интерфейс RS-485 (коннектор RJ-45).
| Глава 3. | МОНИТОРИНГ ПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ |
3.1 Структура ресивера DVB-T
3.2 Измерение параметров приема (чувствительность)
Структура ресивера DVB-T
Последнее пятилетие XX века ознаменовалось подлинной революцией в развитии телерадиовещания. Произошел стремительный переход к использованию последних достижений в области цифровой обработки и современных методов компрессии видео- и аудиосигналов. На совещаниях соответствующих комитетов и организаций Международного союза электросвязи (МСЭ) были приняты основные решения по унификации стандартов в области цифрового наземного, кабельного и спутникового телевидения. Распоряжением правительства России от 04.12.2009 г. утверждена федеральная целевая программа «Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009-2015 гг.». В связи с этим задачи проектирования, серийного производства и реализации населению страны недорогих отечественных абонентских приставок, предназначенных для приема сигналов цифрового эфирного и кабельного телевидения на аналоговые телевизоры, имеют очень важное значение для модернизации телекоммуникаций и развития информационной инфраструктуры. В данной лабораторной работе дается определение архитектуры построения и описывается программно-математическое обеспечение абонентской приставки, предназначенной для приема и обработки сигналов цифрового эфирного и кабельного телевидения в стандартах DVB-T и DVB-С соответственно. На рис. 3.1 представлена функциональная схема абонентской приставки-ресивера для приема сигналов цифрового телевидения.
Согласно функциональной схеме изделие обеспечивает прием, преобразование и декодирование программ цифрового телевидения в стандартах DVB-T (EN 300 744) и DVB-C (EN 300 429). Абонентская приставка обеспечивает также декодирование транспортного потока для алгоритмов компрессии MPEG-2 и MPEG-4/H.264 AVC (Advanced Video Coding) с разделением/демультиплексированием цифровых сигналов звука и изображения.
Рис. 3.1. Функциональная схема ресивера
Высокочастотный DVB-T сигнал поступает на вход селектора каналов (UHF Tuner) с полосой рабочих частот 174-230 МГц и 470-862 МГц. На выходе селектора образуется балансный сигнал промежуточной частоты (36,166 МГц), который подается на вход COFDM-демодулятора. В абонентской приставке поддерживается демодуляция сигналов со следующими параметрами:
• режимы COFDM: 2, 4 и 8 К;
• ширина канала: 6, 7 и 8 МГц;
• защитные интервалы: 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32;
• виды модуляции несущих: QPSK, 16 QAM, 64 QAM;
• поддержка иерархии;
• скорости помехоустойчивого кодирования: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 и 7/8;
• декодирование Рида-Соломона.
Управление селектором и демодулятором осуществляется центральным процессором по шине I2C. Выходом демодулятора является параллельный транспортный поток.
При приеме сигналов цифрового кабельного телевидения в стандарте DVB-C высокочастотный сигнал поступает на вход селектора каналов (UHF Tuner) с полосой рабочих частот 47-862 МГц. На выходе селектора образуется балансный сигнал промежуточной частоты (36 МГц), который подается на вход QAM-демодулятора. В абонентской приставке поддерживается демодуляция сигналов со следующими параметрами:
• режимы 16, 32, 64, 128 и 256 QAM;
• различные скорости потоков;
• встроенные пре- и постэквалайзеры.
Управление селектором и демодулятором осуществляется центральным процессором по шине I2C. Выходом демодулятора является параллельный транспортный поток. Транспортный поток с выхода демодулятора поступает на демультиплексор. На него можно подавать до трех транспортных потоков одновременно, что в дальнейшем позволит реализовать новые функции приставки: мультиформатность (приставки, работающие одновременно с разными видами входных сигналов, например, DVB-T и DVB-С), «картинка в картинке», запись одной программы при отображении другой и т. д. В данном изделии задействовано два входа. Демультиплексор позволяет также организовать встроенное дескремблирование закрытых программ по нескольким алгоритмам. Считыватель SMART-карт предназначен для интерфейса со SMART-картами при реализации в дальнейшем одной из систем встроенного условного доступа (для просмотра платных телеканалов). Модуль считывателя конструктивно реализован на отдельной двусторонней печатной плате. Выделенные из транспортного потока видео и аудиопрограммы попадают в программно-аппаратный MPEG-2/MPEG-4-декодер стандартного (SD) или высокого (HD) разрешения, являющийся, по сути, отдельным процессором. Декодер соответствует стандартам H.264/AVC MP@L4 и HP@L4.1 (main and high profile) и ISO/IEC13818-2 MP@ML и MP@HL и поддерживает одновременное декодирование двух MPEG-2 или MPEG-4 программ. Для работы декодера требуется внешняя динамическая память (DDR), которая подключается через отдельный высокоскоростной 32-разрядный интерфейс (видеопамять). Можно использовать как одну 32-разрядную, так и две 16-разрядные микросхемы памяти емкостью 64, 128, 256 или 512 Мбит на скорости до 200 МГц. Требуемый объем внешней памяти зависит от режима декодирования: для декодирования программ в формате MPEG-2 достаточно 32 Мбайт памяти, а для декодирования MPEG-4-программ необходимо уже 64 Мбайт; в этом случае совместно с видеопамятью используется и системная память.
Декодированные звук и изображение поступают на видеокодер и аудио цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), где формируются аналоговые сигналы изображения (как композитный, так и компонентные RGB или YPbPr) и звука (для звука имеется также цифровой выход в формате SPDIF). В приставке предусмотрены два канала видео и аудио, через которые могут выводиться одна и та же или разные программы. В изделии реализован также цифровой интерфейс для вывода сигнала высокого (HD) разрешения в формате HDMI (High-Definition Multimedia Interface). Помимо вывода декодированного изображения обеспечивается также еще четыре слоя графической информации (для фоновых изображений, экранных меню, курсоров и т. д.).
Центральный процессор изделия представляет собой 32-битный суперскалярный RISC-процессор, работающий на частоте 266 МГц. Взаимодействие с другими блоками осуществляется по внутренней высокоскоростной шине. Для работы процессор использует внешнюю динамическую память, которая подключается через отдельный высокоскоростной 32-разрядный интерфейс (системная память), причем можно использовать как одну 32-разрядную, так и две 16-разрядные микросхемы памяти емкостью 64, 128, 256 или 512 Мбит на скорости до 200 МГц. При декодировании программ в формате MPEG-4 системная память используется декодером совместно с видеопамятью. Абонентская приставка содержит также 16-разрядный интерфейс общего назначения, к которому можно подключить внешнюю память (Flash для исполняемой программы) или другие внешние устройства: Ethernet-контроллер, модуль условного доступа Common Interface и др.
Для управления внешними устройствами микросхема центрального процессора содержит широкий набор интерфейсов:
• четыре UART-интерфейса;
• три независимые шины I2C (используются для управления модулем сетевого интерфейса, передней панели, а также для связи с энергонезависимой памятью EEPROM);
• два SMARTCARD-контроллера для реализации одного из вариантов встроенного условного доступа;
• USB для подключения внешнего жесткого диска, видеокамеры, клавиатуры и т. д.;
• интерфейс Serial ATA для подключения жесткого диска.
На передней панели устанавливается светодиодный семисегментный индикатор (4 разряда), ИК-приемник сигналов пульта дистанционного управления и кнопки включения основных функций.
Программное обеспечение (ПО) изделия может работать как под операционной системой Linux, так и под другой операционной системой.
На рис. 3.2 представлена упрощенная структурная схема взаимодействия восьми основных задач (потоков) ПО абонентской приставки.
При взаимодействии с аппаратной частью приставки программное обеспечение обеспечивает реализацию следующих основных задач:
• поиск, демодуляцию и сопровождение в реальном масштабе времени программ цифрового эфирного и кабельного телевидения;
• автоматическое структурирование телевизионных программ в группы или списки по способу вещания и типу доступных сервисов;
• создание и обработку (удаление, перемещение, переименование и т. д.) списков программ цифрового телевидения, исходя из предпочтений пользователя (любимые списки);
• декодирование и слежение в реальном масштабе времени за потоками программы в форматах MPEG-2/MPEG-4 (H.264 AVC), а также за дополнительными сервисами программы, такими как субтитры и телетекст;
• непрерывное выделение из транспортного потока событий и создание соответствующей электронной программы телевизионных передач;
• доступ пользователя ко всем сервисам программ, спискам, расписанию передач, а также функциональным возможностям абонентской приставки с помощью графического интерфейса;
• управление абонентской приставкой с помощью пульта дистанционного управления, кнопок, а также отображение текущих режимов работы на семисегментном индикаторе.
Рис. 3.2. Структура программного обеспечения ресивера
Конструктивно изделие представляет собой металлический корпус, в котором расположены четыре печатные платы.
Пластиковая декоративная передняя панель и металлическая задняя панель с отверстиями под разъемы являются съемными, что позволяет относительно легко модифицировать корпус под различные исполнения, различный дизайн или под разные торговые марки приставок в будущем.
Основная четырехслойная плата содержит селекторы каналов, демодуляторы, центральный процессор, память, разъемы для входов и выходов сигналов и т. д. Размеры платы 204×147 мм.
Модуль считывателя SMART-карт выполнен на отдельной двусторонней печатной плате, которая крепится непосредственно к передней панели изделия на защелках и соединяется с основной платой плоским кабелем. Модуль передней панели изготовлен на односторонней печатной плате, которая также крепится непосредственно к передней панели изделия и соединяется с основной платой плоским кабелем.
Модуль питания представляет собой однослойную плату, устанавливаемую на основание корпуса.
На рис. 3.3 показана основная плата (плата декодера), а на рис. 3.4 – внешний вид абонентской приставки, предназначенной для приема сигналов цифрового эфирного и кабельного телевидения
Рис. 3.3. Плата декодера
Рис. 3.4. Общий вид приставки-ресивера