Разработка возбудителя для осуществления канального кодирования и модуляции сигнала по стандарту DVB-T

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Ушбу битирув-малакавий ишида телевизион сигналларни DVB-T стандартида узатиш учун мўлжалланган ра?амли телевизион узаткич тад?и? килинган. Шунингдек, сигнални модулляциялаш ва каналли кодлашни амалга ошириш вазифасини бажарувчи кузгатувчи ишлаб чи?илган.

Аннотация

В данной выпускной-квалификационной работе проведено исследование цифрового телевизионного передатчика для организации вещания в стандарте DVB-T. Разработан возбудитель для осуществления канального кодирования и модуляции сигнала.

Summary

In this final qualification work the research on digital television transmitter for DVB-T standard is provided. The exciter for channel coding and modulation of the television signal is designed.



Оглавление

Введение

1. Обзорная часть

1.1 Состав, основные параметры и общие технические характеристики цифрового телевизионного передатчика

1.2 Классификация и анализ технических решений, тактико-технических характеристик цифрового телевизионного передатчика

1.3 Современные цифровые технологии и особенности построения ТВ передатчиков для DVB-T

1.4 Распределение частотных ресурсов основных соотношений для расчета напряженности поля

1.5 Определение радиуса зоны обслуживания

2. Требования к спектральной характеристике, виду модуляции и другим параметрам, налагаемым стандартом DVB-T

2.1 Вариант ТВ передатчика в системе НЦТВ

2.2 Проектирование сетей наземного телевизионного вещания на основе стандарта DVB-T

2.3 Примеры построения телевизионного вещания в стандарте DVB-T в некоторых странах

2.4 Концепция внедрения телевещания в стандарте DVB-T в Республике Узбекистан

2.5 Сравнительная оценка эффективности использования частотных ресурсов и ЭИМ

3. Разработка возбудителя для осуществления канального кодирования и модуляции сигнала по стандарту DVB-T

3.1 Организация интерактивной системы в НЦТВ

3.2 Категории интерактивных мультимедийных услуг

3.3 Условный доступ (УД) в системах цифрового ТВ вещания стандарта DVB-T

4. Охрана труда и техника безопасности

4.1 Техника безопасности при работе с ПК

4.2 Пожарная безопасность

4.3 Меры по профилактике и противопожарной безопасности

Выводы

Список использованной литературы



Введение

Телевизионное вещание в аналоговых системах PAL, SECAM и NTSC различных стандартов ведется в диапазонах метровых и дециметровых волн около 30 лет и во всем мире сложились широко развитые сети телевизионного вещания, обеспечивающие доставку телевизионных программ потребителям. Одновременно происходило совершенствование аппаратно-студийных средств и развитие в последние годы цифровой техники позволило создать и внедрить в практику формирования и обработки видео и аудио сигналов, цифровую и компьютерные технологии, значительно повышающие качество программных продуктов и расширяющие технические возможности их создания. Однако, существующие сети, ориентированные на передачу аналоговых сигналов, не позволяют реализовать в полной мере возможности, которые открываются при использовании цифровых технологий, как при производстве программных продуктов, так и при представлении новых видов услуг потребителям.

Поддержка банковской системы, модернизация, техническая реконструкция и диверсификация производства, широкое внедрение инновационных технологий во все сферы народного хозяйства - вот верный путь преодоления мирового финансово-экономического кризиса и выхода Узбекистана на новые рубежи в мировом рынке. [1].

В связи с этим, одна из ключевых задач глобального информационного общества - преодоление цифрового разрыва, трактуемого как неравенство граждан в доступе к современным цифровым коммуникационным технологиям и предоставляемым ими услугам, а также превращение цифрового разрыва в цифровые возможности. Интерактивное же цифровое ТВ вещание является важной составляющей ГИО (глобального информационного общества) и представляет собой не только вид вещания, но и мощное средство инфокоммуникаций.

Для ускорения преодоления цифрового разрыва был предложен новый глобальный подход и разработан пакет стандартов, которые предусматривают внедрение многофункционального интерактивного цифрового вещания с использованием в переходный период гибридных аналого-цифровых технологий и сопровождаются преобразованием абонентских терминалов (STB) в гамму программируемых устройств, дополнительно решающих многие инфокоммуникационные задачи. Это интерактивность и медиаметрия (измерение аудитории), мобильный прием мультимедиа, использование цифровых архивов, дистанционное беспроводное управление всем информационным комплексом, абонент массового оповещения при стихийных бедствиях и ликвидации их последствий.

Основой международной стандартизации в данной области стала глобальная модель цифровой системы вещания. Она постепенно совершенствовалась и дополнялась с учетом новых социальных заказов и прогресса в технологиях. Первая модель системы цифрового ТВ вещания была рассмотрена в 1989 году.

Модель содержит модуль вещания, а поскольку обязательным атрибутом становится массовая интерактивность, в модель включен интерактивный модуль и что самое важное, двунаправленная шина, обеспечивающая эту интерактивность. Тем самым подчеркивается конвергенция и неразрывность вещания, телекоммуникаций и компьютерных технологий.

Радиосистемы абонента, впервые предложенные для приема ТВ программ и обратных интерактивных сообщений в соответствующих полосах частот в последние годы развились в универсальные системы беспроводной связи, например, WI-FI. Bluetooth, UWB home RF и другие

Ряд преимуществ даёт дистанционное беспроводное управление домашним инфокоммуникационным комплексом, универсальными радиосистемами абонента с помощью цифровой приставки к ТВ приемнику (STB).

Для повышения привлекательности перехода на цифровое ТВ вещание была поставлена задача преобразования ограниченных первоначально функций абонентских терминалов STB (они были предназначены лишь для приема программ цифрового вещания), в многоцелевые интерактивные устройства, способные обслуживать вещание и многие инфокоммуникационные службы. При этом благодаря достижению многофункциональности программными средствами, стоимость таких устройств практически не возрастает.

Исходя из выше изложенного задачи разработки многофункциональной цифровой передачи это устройства, обеспечиваемого подачу многопрограммного цифрового наземного ТВ вещания и дополнительно современных услуг является актуальной. Магистерская диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы, в которых рассмотрены вопросы проектирования исходя из частотных ресурсов и технических возможности нашей республики.

В процессе проектирования также учтены основные положения, включенные в концепцию внедрения цифрового телевизионного и звукового вещания республики Узбекистан в стандарте DVB-T.



1. Обзор и анализ известных технических решений, современных технологий используемых в ТВ передатчиках наземного вещания

1.1 Состав, основные параметры и общие технические характеристики цифрового телевизионного передатчика

Для черно-белого телевидения в разных странах мира используют 10 стандартов, различающихся между собой числом строк (625 или 525), частотой полей (50…60 Гц), частотой строк (15 625 или 15 750 Гц), полосой частот видео- и радиоканала (включая сигналы звукового сопровождения), видом модуляции несущей звука (ЧМ или АМ), разносом несущих частот видео- и звукового сигналов и некоторыми другими характеристиками.

По способу передачи сигналов цветности различают три основные системы совместимого с черно-белым изображением цветного телевидения: SECAM, NTSC и PAL.

При квадратурной ФМ используют одну поднесущую на частоте 3,5795 МГц (NTSC) или 4,4336 МГц (PAL). Сигнал на поднесущей частоте с помощью фазовращающей цепи разделяется на две составляющие, сдвинутые одна относительно другой на 90⁰, что позволяет каждую из составляющих модулировать своим цветоразностным сигналом.

NTSC (National Television System Color) - первая система цветного телевидения, нашедшая практическое применение. Она была разработана в США и уже в 1953 г. принята для вещания, а в настоящее время вещание по этой системе ведется также в Канаде, большинстве стран Центральной и Южной Америки, Японии, Южной Корее и Тайване. Именно при ее создании были выработаны основные принципы передачи цвета в телевидении.

PAL (Phase Alternation Line). В системе PAL (широко применяется в странах Центральной и Западной Европы, а также в КНДР, КНР и в некоторых странах азиатского континента) сигналы цветности так же, как и в системе NTSC, передаются с помощью квадратурной фазовой модуляции 4-ФМ (QPSK), однако фаза поднесущей одного из модулированных сигналов поочередно от строки к строке изменяется на 180^є.

SECAM (Sequentiel Couleur A Memoire) - первоначально была предложена во Франции еще в 1954г., но регулярное вещание после длительных доработок было начато только в 1967 одновременно во Франции и СССР [3]. В настоящее время она принята также в Восточной Европе, Монако, Люксембурге, Иране, Ираке и некоторых других странах.

Таковы общие принципы кодирования цвета в различных видеосистемах телевидения. Но этим многообразие стандартов не ограничивается. Дело в том, что для формирования полного телевизионного сигнала к видео необходимо добавить звук, а полученный так называемый низкочастотный телевизионный сигнал передать через эфир путем модуляции гармоники одного из доступных радиоканалов (48,5...66 МГц - первый частотный диапазон, 76...100 МГц - второй частотный диапазон, 174...230 МГц - третий частотный диапазон, 470...790 МГц - четвертый частотный диапазон). И здесь даже в рамках одной системы существуют различия, связанные с конкретной шириной спектра видеосигнала и его разносом со звуковой частью, полярностью амплитудной модуляции радиоканала изображения и типом модуляции радиоканала звука.

1.2 Классификация и анализ технических решений, тактико-технических характеристик цифрового телевизионного передатчика

В последние 10-15 лет во всем мире интенсивно ведутся работы по переходу к цифровым. Переход к цифровым методам передачи обычно, связывают с резким улучшением качественных показателей видеоизображения. Системы многопрограммного цифрового ТВ вещания встраиваются в существующие частотные планы распределения телевизионных каналов, предусматривающие полосу пропускания 8 МГц.

При организации цифрового ТВ могут использоваться те же передающие станции, которые действуют для передачи аналоговых программ. Причем, поскольку передача цифровых программ может осуществляться в тех же полосах частот, что и существующие аналоговые каналы, то значительная часть пользователей сможет принимать новые программы без модификации своих антенных систем. Применение существующих передающих станций и тех же полос частот, в которых сейчас работают аналоговые передающие станции, значительно снижает затраты пользователей и вещательных организаций при внедрении цифрового ТВ.

Кроме того, прием сигналов при использовании модуляции OFDM более устойчив к многолучевому распространению, которое характерно для густонаселенных районов, особенно при приеме на переносные и подвижные приемники. Достоинством метода OFDM является также возможность подавления небольших участков спектра излучения, соответствующих, например, частотам несущих изображения и звука аналогового телевизионного сигнала совмещенного канала, что обеспечивает защиту от помех аналоговых и цифровых служб.

Частотные параметры телевизионного сигнала системы DVB-T ориентированы на существующие европейские частотные планы и обеспечивают эфирную совместимость её с действующими аналоговыми телевизионными передачами, что позволяет внедрять цифровое телевидение в полосах, отведённых для ТВ вещания без изменения частотных планов и ограничения работающих станций. При разработке системы DVB-T обращалось внимание на совместимость её сигналов с РЭС других служб, работающих в тех же полосах частот.

В ходе этих испытаний решались следующие задачи:

- проверка ЭМС работы ТВ передатчиков аналогового и цифрового вещания;

- оценка качества разработанного отечественного оборудования цифрового ТВ вещания;

- сопряжение сети НЦТВ с кабельными и спутниковыми распределительными сетями;

- определение границ зоны обслуживания цифровым вещанием; - контроль и измерение основных параметров.

Важнейшая задача системного проекта состояла в разделении на составные части системы, представляющей сложную цепочку взаимодействующих компонентов сети ТВ вещания от студии до терминала пользователя, и в определении типовых интерфейсов.

Особое внимание уделяется комплексным испытаниям аппаратуры в опытных зонах, в ходе которых определяется правильность выбранных направлений разработки устройств, просматривалось уточнение параметров аппаратуры, изучение мешающего взаимовлияния цифровых и аналоговых каналов.

Затронутые выше проблемы можно решить, используя для ТВ вещания в цифровом формате и III диапазон волн, по крайней мере, для трансляции наиболее привлекательных для населения программ (табл.1).

Такое решение послужит основанием для разработки гибридных передатчиков диапазона МВ (пока такая работа даже не ставилась перед промышленностью). В документах международного союза электросвязи предусмотрено использование для цифрового ТВ и диапазона метровых волн, а иностранные фирмы производят гибридные передатчики - МВ и ДМВ диапазонов.

Вторая проблема - это территориальное и частотное планирование, увеличение числа программ, транслируемых в одном населенном пункте.

Таблица 1

Характеристики передатчиков для вещания в различных диапазонах

Диапазон	МВ-I	МВ-III	ДМВ-IV	ДМВ-V
Вид модуляции	Аналог	Аналог	Цифра	Аналог	Цифра	Аналог	Цифра
Мощность передатчика, кВт	5	5	1,4	20	5	20	5
Усиление передающей антенны, дБ	7,8	10	10	12,6	12,6	12,6	12,6
Высота подвеса антенны, м	200	230	230	240	240	240	240
Потери в фидере, дБ	0,55	1,25	1,25	2,1	2,1	2,3	2,3
Излучаемая мощность, дБкВт	14,2	15,8	10,2	23,5	17,5	23,3	17,3
Напряженность поля, дБмкВ/м	50	55	48	65	53	68	57
Радиус зоны обслуживания, км	70,8	66	69,4	52,2	62,9	47,0	55,3

При организации многопрограммной наземной сети ТВ вещания нужно решить ряд задач, в частности: увеличение частотного ресурса и более эффективное его использование, модернизация радиопередающих центров; совершенствование принципов и методов планирования сети. Можно существенно увеличить частотный ресурс, высвободив полосы частот, предусмотренные для вещания, но на деле используемые другими службами. Есть и другие резервы выделение для ТВ вещания 60-69-го каналов, расширение полос частот для систем беспроводного доступа, особенно для систем типа MMDS.

1.3 Современные цифровые технологии и особенности построения ТВ передатчиков для DVB-T

Поясним основные этапы обработки сжатых цифровых телевизионных сигналов и цифрового потока данных в передающем и приемном устройствах наземного телевизионного вещания в модификации стандарта DVB-T.

Аналоговые сигналы видео- и аудиоканалов поступают на вход своих кодеров, где преобразуются в сжатые цифровые сигналы стандарта MPEG-2. Далее три цифровых потока (видео, аудио и данных) поступают на блоки формирования программного потока MPEG-2 и мультиплексора. К мультиплексору подводятся опорные и синхронизирующие сигналы, позволяющие разделить на приемной стороне цифровые потоки видео-, аудиосигналов и данных, а также выделить сигналы, передаваемые для оценки состояния радиоканала и об используемых режимах модуляции.

Видеоканал. Видеоканал преобразуется в цифровой поток с помощью алгоритма MPEG-2. MPEG-2 - это целое семейство совместимых цифровых стандартов сжатия телевизионных сигналов с различной степенью сложности используемых алгоритмов (ISO/IEC 13818-2). В спутниковом вещании в настоящий момент используется так называемый основной уровень с форматом разложения на 576 строк в кадре и 720 отсчетов на строку. Для сжатия видеоданных строятся кадры трех типов. Кадры типа - I (interfarme) - это полные кадры, сжатые по методу, аналогичному JPEG. Такой метод позволяет добиться различной степени компрессии - выше сжатие - больше потерь качества изображения и наоборот. Кадры типа - Р (predicted - предсказанные) получаются с использованием алгоритмов компенсации движения и предсказания вперед по предшествующим кадрам. В Р-кадрах, если сравнивать их с I-кадрами, в три раза выше достижимая степень сжатия видеоданных. Кадры типа - В (bidirectional - двунаправленные) получаются четырьмя различными алгоритмами в зависимости от характера видеоданных. B-кадры содержат изменения относительно предыдущих и последующих кадров, используемых в качестве опорных. Это наиболее сжатые кадры.

Звуковой канал. Звуковые каналы преобразуются в цифровой поток по нескольким алгоритмам. Вообще, звуковой канал с CD-качеством звука (дискретизация 44.1 кГц ) требует скорости передачи до 1400 бит/Сек, что недопустимо много. Использование сжатия по методу MPEG Audio Уровня 3 позволяет добиться сжатия аудиоданных в 4-12 раз. Уровень 1 сжимает данные 1:4 и требует скорости 384 кбит/Сек, Уровень 2 сжимает в 6-8 раз и требует скорости 256..192 кбит/Сек, а Уровень 3 - в 10-12 раз и требует 128..112 кбит/Сек для стереосигнала.

Синхронизация. Синхронизация обеспечивается эталонным генератором 27 МГц на приемной стороне. Для подстройки частоты и фазы эталонного генератора периодически должно передаваться Поле Эталонных часов - PCR (Program Clock Reference). Кроме того, как уже говорилось, видеопоток содержит Метки Времени DTS и PTS.

Стандарт сжатия видео изображения. MPEG-2 - это целое семейство взаимосогласованных совместимых цифровых подстандартов сжатия телевизионного сигнала с различной степенью сложности алгоритмов. Стандарт предусматривает 5 профилей:

1. Простой (simple) -- для реализации видеопотока без В-кадров

2. Главный (main) -- для реализации всех уровней, но без масштабируемости.

3. Масштабируемый по отношению сигнал/шум (SNR scalable)

4. Пространственно масштабируемый (spatiallyscalable)

5. Профессиональный (professional 4:2:2), пространственно масштабируемый и масштабируемый по отношению сигнал/шум.

Каждый из этих профилей можно подразделить на 4 уровня:

1. Низкий (LL)

2. Главный (ML)

3. Высокий 1440 (Н1440)

4. Высокий (HL)

В профиле простой используется наименьшее число операций: компенсация движения и гибридное дискретное косинусное преобразование (ДКП). Профиль главный содержит дополнительную операцию - предсказание по двум направлениям, что улучшает качество изображения.

Профиль, масштабируемый, по отношению сигнал/шум предусматривает повышение устойчивости системы при снижении отношения сигнал/шум. Поток видеоданных разделяют на две части:

Программный поток. Программный поток объединяет элементарные потоки, образующие телевизионную программу. При формировании программного потока образуются блоки из PES-пакетов в рис. 1. Блок содержит заголовок блока, системный заголовок (необязательный), за которым следует некоторое количество PES-пакетов.



Рис. 1. Формирование программного потока

Длина блока программного потока может быть произвольной, единственное ограничение - заголовки блока должны появляться не реже, чем через 0,7 секунды. Это связано с тем, что в заголовке содержится важная информация - опорное системное время. Системный заголовок содержит информацию о характеристиках программного потока, например, максимальная скорость передачи данных, число видео и звуковых элементарных потоков. Декодер использует эту информацию, для того, чтобы решить, может ли он декодировать этот программный поток.

Транспортный поток. Транспортный поток может объединять пакетные элементарные потоки, переносящие данные нескольких программ с независимыми временными базами. Он состоит из коротких пакетов фиксированной длины (188 байтов). Элементарные потоки видео, звука и дополнительных данных разбиваются на фрагменты, равные по длине полезной нагрузке транспортного пакета (184 байта) и мультиплексируются в единый поток, который приведен на рис. 2.

Это процесс подчиняется ряду ограничений:

- первый байт каждого PES- пакета элементарного потока должен быть первым байтом полезной нагрузки транспортного пакета; каждый транспортный пакет может содержать данные лишь одного PES-пакета;

- если PES-пакет не имеет длину, кратную 184 байтам, то один из транспортных пакетов не заполняется данными PES-пакета полностью. В этом случае избыточное пространство заполняется полем адаптации.

Рис. 2. Формирование транспортного потока

Рис. 3. Преобразование данных и телевизионных сигналов в передатчике DVB-T



Расщепление транспортного потока, в случае необходимости, позволяет сформировать два потока с разным уровнем приоритета. Поток, обозначенный пунктиром, имеет низший приоритет (несколько меньшую помехоустойчивость), но вместе с тем обеспечивает повышенную скорость передачи данных. Поток высшего приоритета имеет повышенную степень кодовой защиты от помех. Таким способом реализуется возможность передачи телевизионных программ в двух вариантах; программа низшего приоритета передается с повышенной четкостью (при хорошем прохождении сигналов качество изображения будет высоким). При плохом сигнале передается программа пониженной четкости, но с высшим приоритетом защиты, что позволяет обеспечить равноценное качество изображения. В случае изменения условий приема пользователь может переключать приемник с одного канала на другой, выбирая лучший.

Синхронизация. Принцип постоянной задержки. Кадры телевизионного изображения поступают на вход кодера MPEG-2 с постоянной частотой, точно с такой же частотой должны воспроизводиться кадры телевизионного изображения на выходе декодера приведена на рис. 4. Это означает, что общая задержка в системе, представляющая собой сумму задержек отдельных элементов системы, должна быть постоянной.

Рис. 4. Принцип компрессии с постоянной задержкой



Объем данных, необходимый для представления кодированных изображений, не является постоянной величиной. Он зависит от детальности изображения, от наличия быстро перемещающихся объектов, от способа кодирования (I,B и P изображения характеризуются разными объемами данных). Энтропийное кодирование формирует слова с переменной длиной. А для равномерной загрузки канала связи, данные должны следовать с постоянной скоростью. Проблема решается за счет использования буфера кодера (данные поступают в буфер с переменной скоростью, а выходят - с постоянной).

Кодированные изображения (блоки доступа), в силу отмеченных особенностей кодирования, поступают в декодер с переменной частотой, но воспроизводиться должны с постоянной частотой, равной частоте кадров. Проблема решается за счет буфера в декодере.

Рандомизация. Рандомизация (скремблирование) цифрового потока, что позволяет улучшить условия электромагнитной совместимости с другими системами.

Внешнее кодирование и перемежение. В системе внешнего кодирования для защиты всех 188 байтов транспортного пакета (включая байт синхронизации) используется код Рида-Соломона [5]. В процессе кодирования к этим 188 байтам добавляется 16 проверочных байтов. При декодировании на приемной стороне это позволяет исправлять до восьми ошибочных байтов в пределах каждого кодового слова длиной 204 байта.

Внутреннее кодирование. Внутреннее кодирование в системе вещания DVB-T основано на сверточном коде. Оно принципиально отличается от внешнего, которое является представителем блоковых кодов. При блоковом кодировании поток информационных символов делится на блоки фиксированной длины, к которым в процессе кодирования добавляется некоторое количество проверочных символов, причем каждый блок кодируется независимо от других. При сверточном кодировании поток данных также разбивается на блоки, но гораздо меньшей длины, их называют "кадрами информационных символов".

Внутреннее перемежение и формирование модуляционных символов. Внутреннее перемежение в системе DVB-T тесно связано с модуляцией несущих колебаний. Оно фактически является частотным перемежением, определяющим перемешивание данных, которые модулируют разные несущие колебания. Это довольно сложный процесс, но именно он является основой принципов модуляции OFDM в системе DVB-T.

Допустим, что необходимо передать в одном радиоканале 4 ТВ-программы с высоким качеством изображения. В этом случае скорость цифрового потока для одной ТВ-программы может быть выбрана в пределах 7...8 Мбит/с, и соответственно для 4-х ТВ-программ необходимо передать цифровой поток 28...32 Мбит/с исходя из этих данных по табл. 2.

Таблица 2

Вид модуляции	Биты на поднесущую	Внутренний коэффициент кодирования	Скорость кодирования
			1/4	1/8	1/16	1/32
QPSK	2	Ѕ	4.98	5.53	5.85	6.03
	2	2/3	6.64	7.37	7.81	8.04
	2	ѕ	7.46	8.29	8.78	9.05
	2	5/6	8.29	9.22	9.76	10.05
	2	7/8	8.71	9.68	10.25	10.56
16-QAM	4	Ѕ	9.95	11.06	11.71	12.06
	4	2/3	13.27	14.75	15.61	16.09
	4	ѕ	14.93	16.59	17.56	18.10
	4	5/6	16.59	18.43	19.52	20.11
	4	7/8	17.42	19.35	20.49	21.11
64-QAM	6	Ѕ	14.93	16.59	17.56	18.10
	6	2/3	19.91	22.12	23.42	24.13
	6	ѕ	22.39	24.88	26.35	27.14
	6	5/6	24.88	27.65	29.27	30.16
	6	7/8	26.13	29.03	30.74	31.67

Сверточные коды с относительными скоростями: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8, в результате чего скорость цифрового потока после помехоустойчивого кодирования увеличится в число раз, равное единице, деленной на относительную скорость кода.

Исходя из этих данных табл. 2 не зависят от режима модуляции 8К или 2К, так как при переходе от режима 8К к режиму 2К с уменьшением числа несущих в 4 раза одновременно в 4 раза увеличивается скорость передачи данных на каждой несущей.

Таблица 3

Основные параметры системы с модуляцией COFDM

Модификация	8К	2К
Длительность рабочего интервала, мкс	896	224
Число несущих в спектре группового сигнала	6817	1705
Частотный разнос несущих, Гц	1116	4464
Ширина радиоспектра группового сигнала, МГц	7,61	7,61
Относительная длительность защитного интервала	1/4, 1/8, 1/16, 1/32	1/4, 1/8, 1/16, 1/32
Длительность защитного интервала, мкс	224; 112; 56; 28	56; 28; 14; 0
Длительность символа сообщения, мкс	1120; 1008; 952; 924	280; 252; 238; 231
Территориальный разнос между передатчиками в одночастотной сети, км	67; 34; 17; 8,4	17; 8,4; 4,2; 2

1.4 Распределение частотных ресурсов основных соотношений для расчета напряженности поля

В свободном пространстве, однородной не поглощающей среде с е = 1, радиоволны распространяются прямолинейно, ослабляясь с увеличением расстояния. Действующее значение напряженности электромагнитного поля (Eд) в мВ/м определяется уравнением:

(1)

где: Р_пер - мощность передатчика, кВт;

G_пер - коэффициент усиления передающей антенны в направлении точки приема относительно полуволнового вибратора;

R - расстояние между передающим и приемным пунктами, км.

Для удобства расчетов напряженность поля иногда выражается в децибелах по отношению к напряженности поля, равной 1 мкВ/м и обозначается дБ·мкВ/м или dBмV/м:

(2)

Общей особенностью для метровых и дециметровых волн является то, что они распространяются, в основном, в пределах прямой видимости. Напряженность поля убывает с увеличением расстояния от передающей антенны. У границы зоны прямой видимости возникают колебания уровня напряженности поля из-за отгибания поверхности земли (явление дифракции) и искривленные траектории за счет преломления в атмосфере (явление рефракции). Ввиду отражения от поверхности земли и преломления, обусловленного неоднородным строением атмосферы, в точку приема приходят две или более волн со случайными фазами и амплитудами. На распространение волн также влияют метеорологические условия (температура, влажность, давление и т.д.), рельеф местности и многое другое. Оптическая дальность TV станции определяется радиусом Земли:

(3)

где H и h - высоты передающей и приемной антенн соответственно, м.

Радиовидимость несколько больше оптической из-за частичной дифракции и слабой рефракции в нижних слоях атмосферы увеличивается примерно на 15%. С учетом этого, радиовидимость:



(4)

Очевидно, что длина волны играет важное значение в определении радиуса зоны охвата покрытия. Если аналоговое вещание большей частью ведется в диапазонах МВ (в мегаполисах - в диапазоне ДМВ из-за более свободного частотного ресурса), то DVB вещание преимущественно осуществляют в диапазонах ДМВ из-за большей дальности радиосвязи. Так, например, на средних и больших расстояниях хорошо работает формула Б.А. Веденского:

(5)

из которой собственно следует, что с повышением частоты (т.е. с уменьшением длины волны - л) напряженность электромагнитного поля Е увеличивается.

Необходимо также учесть тот факт, что коэффициент усиления приемной антенны пропорционален частоте. Так, если на частоте 200 МГц коэффициент усиления антенны G_а составляет 8…10 dB (типовое значение), то на частоте 800 МГц - порядка 14…16 dB (также типовое значение).

Значительно более точная формула по расчету напряженности поля получена специалистом в области радиоприемных устройств к.т.н. С.Н. Песковым:

(6)

Данная формула имеет расхождение с Рекомендациями ITU-R Р.1546-1 не более ±2 dB в наихудших точках и может быть использована для любых частот, что создает ее неоспоримые преимущества при проведении расчетов.

1.5 Определение радиуса зоны обслуживания

Все модели начисления оплаты за использование радиочастотного спектра (РЧС), исходя из занимаемого излучением передатчика многомерного частотно-территориально-временного ресурса, требуют определения территориального ресурса, занятого излучением каждого передатчика или излучениями сети передатчиков. В автоматизированных системах управления использованием РЧС, осуществляющих процесс частотного планирования и присвоения частот передатчикам на основе сложных и точных моделей расчета условий распространения радиоволн и зон обслуживания передатчиков (или линий радиосвязи) в том числе с использованием цифровых топографических карт, такие расчеты не представляют труда и могут осуществляться автоматически на основе тех же моделей. В том случае, когда процесс частотного планирования и присвоения частот не автоматизирован и осуществляется вручную на основе таблиц или графиков частотно-территориального разноса, определение террито-риального ресурса для целей начисления оплаты за использование спектра превращается в самостоятельную задачу, требующую той или иной оптимизации применительно к передатчикам различных классов излучений.

Для передатчиков звукового и телевизионного вещания территориальный ресурс, занятый излучением передатчика, может быть вполне отождествлен с размером зоны обслуживания передатчика в км².

Кривые распространения радиоволн, приведенные для примера на рис. 5 и 6 (из Рекомендации ITU-R P.370-7 соответственно) представляют собой зависимости напряженности поля в ОВЧ и УВЧ диапазонах в дБ (µ В/м) от различных параметров для сухопутных трасс.

Частота: 30-250МГц (диапазоны I, II, III); земля; 50% времени; 50% позиций; h₂=10м; ?h=50м; напряженности поля (дБ(µV/m) для 1кВт

- - - - -Свободное пространство

Рис. 5. Кривые распространения радиоволн в диапазон частот 30-250МГц

Кривые также соответствуют различным высотам передающей антенны и высоте приемной антенны, равной 10м. Кривые даются для ряда значений эффективной высоты передающей антенны от 37.5 до 1200 м. Кривые представлены для случая, когда параметр, характеризующий неоднородность местности, равен 50 м., то есть соответствует обычной среднепересеченной местности. Эффективная высота передающей антенны h_ef определяется как ее высота относительно среднего уровня поверхности Земли в пределах между расстояниями 3 и 15 км от передатчика в направлении приемника. Процедуры расчета значений h_ef, используемых для определения радиуса зоны обслуживания, представлены ниже.

Частота: 450-1000МГц (диапазоны IV, V); земля; 50% времени; 50% позиций; h₂=10м; ?h=50м; напряженности поля ( дБ(µV/m) для 1кВт

- - - - - Свободное пространство

Рис. 6. Кривые распространения радиоволн в диапазоне частот 450-1000 МГц

Границы зон обслуживания определяются значениями минимально-используемой напряженности поля Е_mu, которые обычно используются для целей частотного планирования. Их величины приведены в табл. 4.

Таблица 4

Значения минимально используемой напряженности поля Е_mu

Величины радиуса зоны обслуживания R, полученные по кривым рис. 5 и 6 при различных значениях эффективной излучаемой мощности (ЭИМ) Р_ef эффективной высоты передающей антенны h_ef и для значений минимально-используемой напряженности поля, приведенных в таблице 4, представлены в таблицах 5-7 ниже. ЭИМ определяется как:

P_ef=P + G_t + з(дБВт) (7)

где: Р - мощность передатчика в дБ относительно 1Вт то есть в дБВт,

Gt -усиление антенны относительно полуволнового диполя, дБ, з - потери в фидере, дБ.

Для целей данной методики предложено принять з = 0 для всех случаев. Необходимо заметить, что при больших мощностях и низких антеннах и, особенно, для нижних частот, расчетный радиус зоны обслуживания превышает расстояние до радиогоризонта.

Следует упомянуть, что данные рис. 5 и 6 без любого изменения масштаба соответствуют данным таблиц 7 для рядов, соответствующих 30 дБВт (поскольку 1 кВт соответствует 30 дБВт).

Таблица 5

Радиус зоны обслуживания в км для телевидения на частотах ниже 76 МГц, Е_ти = 48 дБ(µ В/м)



Таблица 6

Радиус зоны обслуживания в км для телевидения на частотах ниже 76-108 МГц Е_ти = 52 дБ(µ В/м)

Таблица 7

Радиус зоны обслуживания в км для телевидения на частотах ниже 108-230 МГц Е_ти = 55 дБ(µ В/м)

Таблица 8

Радиус зоны обслуживания в км для телевидения на частотах ниже 230-528 МГц Е_ти = 65 дБ(µ В/м)

Таблица 9

Радиус зоны обслуживания в км для телевидения на частотах ниже 528 МГц Е_ти = 70 дБ(µ В/м)



2. Требования к спектральной характеристике, виду модуляции и другим параметрам, налагаемым стандартом DVB-T

2.1 Вариант ТВ передатчика в системе НЦТВ

Более мощные передатчики на 500, 1000 и 2000 Вт имеют общий высокочастотный усилитель для сигналов изображения и звукового сопровождения, который выполнен, как правило, на твердотельных усилительных элементах.

Выходные каскады телевизионных передатчиков мощностью от 5 до 25 кВт выполняются, как правило, на лампах. Все телевизионные передатчики при комплектовании соответствующим возбудителем могут работать на любом канале МВ и ДМВ диапазонов (48…790 МГц).

Переход из аналогового режима вещания осуществляется путем замены возбудителя. В передатчиках, имеющих два возбудителя, могут быть установлены либо два одинаковых возбудителя, либо один может быть аналоговым возбудителем, а второй цифровым. При наличии в передатчике двух разных возбудителей переход из одного режима вещания в другой осуществляется автоматически после выбора возбудителя на блоке управления.

Одним из основных отличий цифровых передатчиков является то, что уровень внеполосных излучений должен укладываться в маску допуска, установленную стандартом DVB-T. Для этого в особых случаях необходимо использовать дополнительный фильтр внеполосных излучений.

Возбудители (как для аналогового, так и для цифрового вешания) имеют одинаковую структуру. Исходный сигнал формируется модуляторами по промежуточной частоте, а затем с помощью преобразователя переносится в рабочий канал. Все возбудители имеют в своем составе предкорректор, который обеспечивает коррекцию искажений последующего тракта передатчика.

Гибридные (аналого-цифровые) передатчики III-V телевизионных диапазонов предназначены для организации вещания как в традиционном аналоговом, так и в цифровом режиме стандарта DVB-T.

Возбудители для цифрового вешания обеспечивают формирование COFDM-сигнала в соответствии с европейским стандартом EN 300744.

Типовая структура цифрового телевизионного радиопередатчика эфирного наземного телевещания взят из европейского стандарта на методы измерений в системах DVB ETSI NR 101 290 (2001-05) который приведен на рис. 7.

Задачей цифрового телевизионного радиопередатчика системы DVB-T является согласование сигнала с выхода транспортного мультиплексора MPEG-2 с характеристиками канала передачи наземного телевещания (канала распространения радиоволн).

Рис. 7. Структура цифрового телевизионного радиопередатчика

Радиопередатчик системы DVB-T, использующий вид модуляции COFDM MPEG-2 кодированного телевизионного сигнала, можно разбить на два модуля:

1) устройство адаптации, перемежения и канального кодирования пакетированного транспортного потока MPEG-2;

2) устройство модуляции OFDM обработанного цифрового транспортного потока (цифрового потока символов OFDM).

Выделение особенностей построения первого модуля можно осуществить путем определения функций устройства адаптации, перемежения и канального кодирования. Передаваемый на него пакетированный транспортный поток кодера MPEG-2 представляет собой поток данных изображения, звука, а также дополнительной информации. Условие передачи этой информации должны быть закодированы в виде пакетов транспортного потока MPEG-2, то есть предоставлять собой контейнер, приспособленный для доставки пакетированных данных в условиях наземного телевидения.

В состав первого модуля входят следующие функциональные блоки:

- Устройство адаптации и рандомизации транспортного потока MPEG-2, служащее для объединения последовательности транспортных пакетов в группы по восемь и превращения пакетированного потока в квазислучайный.

- Внешний блоковый кодер помехоустойчивого кодирования, предназначенный для защиты от байтовых ошибок в транспортном пакете MPEG-2. Внешний блоковый кодер строится на основе кодера Рида-Соломона.

- Устройство внешнего перемежения данных, предназначенное для изменения порядка следования байтов в пакетах, защищенных от ошибок.

- Внутренний сверточный кодер помехоустойчивого кодирования, используемый для защиты от битовых ошибок [6]. Он работает со специально организованными кадрами информационных символов. Внутренний сверточный кодер строится на основе кодера Витерби.

- Устройство внутреннего частотного перемежения и отображения. Устройство выполняет битовое и символьное перемешивание данных для последующей модуляции множества поднесущих колебаний.

- В состав второго модуля входят следующие функциональные блоки:

- Формирователь модулирующих частот (первичный квадратурный модулятор) с использованием задающего генератора опорных сигналов.

- Модулятор OFDM, предназначенный для многолучевой модуляции поднесущих с ортогональным разделением.

- Преобразователь частоты, служащий для преобразования сигнала DVB-T промежуточной частоты в радиочастотный (эфирный) сигнал DVB-T.

Выходные каскады телевизионных передатчиков мощностью от 5 до 25 кВт выполняются, как правило, на лампах. Все телевизионные передатчики при комплектовании соответствующим возбудителем могут работать на любом канале МВ и ДМВ диапазонов (48…790 МГц).

Таблица 10

Основные параметры передатчика

Наименование параметра	Норма
1. Номинальные выходные мощности радиосигнала, кВт, выбирают из ряда	0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 5, 7.5, 10, 20
2. Изменение выходной мощности при медленных колебаниях напряжения сети от плюс 10% до минус 15% номинального значения при частоте (50±1)Гц, относительно номинального значения выходной мощности, дБ, не более	±0.25
3.Номинальное выходное сопротивление, Ом	50(75)
4. КСВН	?1.3
5. Допустимое отклонение несущей частоты от номинального значения, не более	±100Гц
6. Входной сигнал	Множество транспортных потоков MPEG-2, полученных на выходах мультиплексоров MPEG-2
7. Модуляция несущих	QPSK, 16-QAM или 64-QAM
8. Коэффициент кодирования	1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8
9. Защитный интервал активной длины символа	1/4, 1/8, 1/16, 1/32
10. Неравномерность частотной характеристики (без выходного фильтра) в полосе от минус 3.8 до 3.8МГц, не более	±0.5дБ
11. Неравномерность частотной характеристики (с выходным фильтром) в полосе: от минус 3.5 до 3.5МГц, не более от минус 3.8 до 3.5МГц и от 3.5 до 3.8МГц, не более	±0.5дБ ±0.5дБ/-1дБ
12. Значения интермодуляционных продуктов (без выходного фильтра) на частотах минус 4.3 и 4.3МГц, не более
13. Значения интермодуляционных продуктов (с выходным фильтром) на частотах: - 6.0 и 6.0МГц, не более - 10.0 и 10.0МГц, не более - 12.0 и 12.0МГц, не более	-45 -45 -70
14. Уровень побочных излучений: для передатчиков I-III диапазонов, не более для передатчиков IV-V диапазонов от номинальной пиковой мощности
15. Коэффициент битовых ошибок (BER) после декодера Витерби, не более	10-6
16. Режим модуляции OFDM	8k (2k)
17. Внешний код	Рида-Соломона (188, 204, t=8)
18. Параметры модуляции	б =1 - неиерархическая; б = 2,4 иерархическая

Фильтр подавления внеполосных излучений передатчика предназначен для установки в выходной тракт, обеспечивая передачу сигнала передатчика в рабочем канале и подавление его внеполосных излучений в полосе частот соседних каналов. Для выполнения маски допуска выходного сигнала стандарта DVB-T фильтр должен иметь следующие характеристики:

- неравномерность коэффициента передачи в полосе пропускания ДF_n -[f₀ ± 3,6] МГц <0,5 дБ;

- величина подавления в полосе задерживания в трех вариантах:

F₃₁ - [f₀ ± (4,83-6,0) МГц] <15 дБ;

- величина подавления в полосе задерживания в трех вариантах:

F₃₂ = [ia ± (6,0-16,0) МГц] <30 дБ;

- КБВ в полосе пропускания ДFn >0,9;

- потери рассеяния не более 0,5 дБ;

- неравномерность ГВЗ в полосе частот [f0 ± 3,5] МГц <250 нc.

Построение фильтра, отвечающего всей совокупности предъявленных требований, облегчает и упрощает построение высокочастотного тракта передатчика, но является весьма сложной задачей.

2.2 Проектирование сетей наземного телевизионного вещания на основе стандарта DVB-T

По всему миру широкое развитие получило аналоговое телевидение, и многие страны достигли охвата более 99% населения, по меньшей мере, двумя или тремя национальными сетями. Параллельно работает большое количество местных сетей, имеющих меньшие зоны покрытия. Необходимость достижения большого процента охвата приводит к использованию многих телевизионных передатчиков. Излучаемая ими мощность охватывает широкий диапазон: от почти 1 МВт эффективной излучаемой мощности (э.и.м.) для крупных станций, обслуживающих большие зоны, до менее чем 1 Вт э.и.м. для малых станций, предназначенных для обслуживания, возможно, нескольких сотен человек.

Аналоговые телевизионные системы (PAL, SECAM) очень чувствительны к помехам, создаваемым другими аналоговыми ТВ сигналами, и требуют высоких защитных отношений по совмещенному каналу (примерно от 30 дБ до 45 дБ, в зависимости от величины смещения частоты). Кроме того, соседние каналы, как правило, не могут использоваться в одних и тех же местах передачи. Помимо этого, аналоговые ТВ системы не могут работать в конфигурации одночастотной сети (ОЧС), в которой соседние передатчики охватывают перекрывающиеся зоны обслуживания одними и теми же программами по одним и тем же РЧ каналам. Поэтому существующие аналоговые службы планируются в конфигурации многочастотной сети (МЧС), охватывающей смежные зоны обслуживания по различным РЧ каналам. Одни и те же РЧ каналы повторно используются только в регионах, отстоящих на большое расстояние, чтобы избежать вредных помех в совмещенном канале.

Вследствие этого телевизионный охват характеризуется интенсивным использованием каналов ОВЧ/УВЧ с большими зонами, в которых данный канал не может использоваться повторно из-за высоких защитных отношений, требующихся для аналоговых систем. Общее количество наличных РЧ каналов (максимум 10 каналов на ОВЧ и 48 каналов на УВЧ, по крайней мере, в Районе 1), позволяют организовать только 2 программы в диапазоне ОВЧ и 3-5 программ на зону покрытия, если требуется высокая защита от помех. Более эффективное использование спектра могло бы быть достигнуто за счет применения методов точного смещения частот.

Аналоговые многочастотные сети обычно основываются на нескольких относительно мощных передатчиках, расположенных по возможности на холмах или горах. Подача программ на них осуществляется по кабельным или радиолиниям, а иногда через спутник или по оптическому волокну.

Следует отметить, что современные сети аналогового телевидения используют большой процент наличного спектра диапазонов ОВЧ/УВЧ и работают в конфигурации многочастотных сетей со средней или большой плотностью передатчиков. В каждой зоне обслуживания большое количество РЧ каналов не может повторно использоваться для мощных аналоговых служб из-за возможных помех. Поскольку цифровые системы могут иметь значительно меньшую чувствительность к шумам и помехам, этот спектр можно было бы использовать для введения служб цифрового телевидения, способных работать при меньших уровнях э.и.м. (Однако необходимо позаботиться о том, чтобы эти цифровые службы не создавали помех существующим аналоговым службам.)

Цифровые ТВ системы по сравнению с аналоговыми системами могут предоставить улучшенные РЧ характеристики с точки зрения эффективности использования спектра и требований к мощности.

Прежде всего, цифровые системы позволяют вести многопрограммное вещание: в одном канале шириной 8 МГц в режиме временного мультиплексирования временным разделением каналов могут быть переданы от 2 до 4 программ стандартной четкости (ТВСЧ), со скоростью примерно 6 Мбит/с каждая. Полная пропускная способность от 12 до 24 Мбит/с также может быть выделена для ТВ стандартов более высокого качества, таких как ТВ повышенной четкости (ТВПЧ, требующее примерно от 10 до12 Мбит/с на программу) или ТВВЧ (требующее примерно 24 Мбит/с на программу). Системы с более высокой пропускной способностью, конечно, требуют более высокого минимального отношения C/N.

Цифровые системы могут быть значительно менее чувствительны к шумам и помехам, особенно когда эффективность использования спектра в системе не велика и применяются сложные методы модуляции и исправления ошибок. Это может обеспечить возможность работы при низких уровнях э.и.м. (в зависимости от модуляции), снижая тем самым помехи существующим аналоговым службам.

Тем не менее, следует учитывать, что лучшие системы модуляции и исправления ошибок показывают очень крутые характеристики отказов; цифровая система может работать в неблагоприятных условиях приема без ошибок декодирования, но повышение уровня шума или помехи на 1-2 дБ может внезапно прервать обслуживание. Вследствие этого в процедуры планирования должен быть заложен значительный запас, чтобы обеспечить доступность обслуживания для большого процента мест приема и большого процента времени.

Системы цифровой модуляции и канального кодирования могут обеспечивать различные компромиссы между эффективностью использования спектра и устойчивостью к шумам и помехам. Например, при фиксированном приеме подходящая эффективность использования спектра может быть порядка 4 бит/с/Гц (т. е. полезная скорость передачи в канале шириной 8 МГц составит примерно 24 Мбит/с), тогда как при статическом приеме на портативное оборудование более подходящей величиной может быть 1-2 бит/с/Гц.

Одночастотные сети. Все передатчики в одночастотной сети (ОЧС) используют один и тот же канал. Они имеют общую зону покрытия и не могут работать независимо. Концепции многочастотных и одночастотных сетей, в принципе, основаны на одной и той же топологии сети, а именно на использовании основных передатчиков и если необходимо, вспомогательных передатчиках для перекрытия мертвых зон.

Эффективность использования спектра рассматривается в качестве основного преимущества концепции одночастотных сетей по сравнению с многочастотными. Эффективность использования спектра является важным свойством в ситуации, когда ресурсов спектра недостаточно, например, на начальной фазе внедрения цифрового телевидения, когда большая часть ТВ спектра все еще занята аналоговыми службами, а также на долгосрочный период, когда необходимо будет предоставить большое количество программ, чтобы сделать цифровое телевидение привлекательным для потребителя.

Современные аналоговые службы работают в многочастотных сетях. В диапазоне УВЧ, используя 40 наличных каналов, можно получить от 2 до 4 хорошо защищенных аналоговых программ с полным охватом (в зависимости от географической ситуации в отдельной стране). Цифровые системы будут более эффективны, чем аналоговые.

Можно предположить, что при использовании многочастотных сетей можно реализовать 3-6 сетей полного охвата; при 4 программах на канал общее количество достигнет 12-24 программ.

Можно предположить, что при использовании ОЧС количество сетей полного охвата (и количество доставляемых программ) будет в два-три раза выше. Если бы целью охвата было обслуживание только наиболее плотно населенных зон, то количество наличных каналов теоретически могло бы быть около 40. Все эти числа основаны на теоретических рассуждениях, а при практических рассмотрениях необходимо проверять факт за фактом, например, принимать во внимание службы в соседних странах.

Планирование ОЧС. Поскольку и многочастотные и одночастотные сети базируются на одной и той же топологии передающей сети, ОЧС, в принципе, могут использовать сетевую структуру существующих многочастотных аналоговых сетей. Вообще можно ожидать, что в ОЧС может понадобиться очень немного вспомогательных передатчиков для перекрытия мертвых зон, потому что напряженность поля в них имеет более равномерное распределение.

Основная проблема, с которой столкнулись при внедрении служб DVB-T, основанных на ОЧС, состоит в том, что большая часть ТВ спектра занята аналоговыми службами, использующими структуру многочастотных сетей. Даже если существуют некоторые неиспользуемые присвоения (в данной стране), которые могли бы быть использованы цифровым телевидением, они могут быть заняты только на ограниченное время для реализации обслуживания большой зоны, основанной на ОЧС, так как сеть может функционировать в режиме ОЧС только при условии, что ее канал свободен во всей зоне обслуживания. Если же еще существуют аналоговые службы, использующие данный канал, - и возможно это будет продолжаться все время, пока будет находиться в эксплуатации какая-нибудь национальная или региональная аналоговая служба, - то подверженные влиянию аналоговые передатчики должны быть сдвинуты по частоте. Среди этих передатчиков будут и основные станции, охватывающие значительную часть населения. Сомнительно, что имеет смысл производить эту реорганизацию аналоговой службы, сопровождаемую большими затратами со стороны вещателей и потребителей, если она будет позднее ликвидирована. Однако возможны подходящие конфигурации каналов, которые делают это преобразование практически возможным. В частности, для сетей малых зон, содержащих только два или три передатчика большой мощности, ОЧС могут быть применимы и привлекательны.

Сети ОЧС в большой зоне образуются на основе не менее двух до нескольких десятков передатчиков большой мощности, вместе с объединенными передатчиками средней и малой мощности. Они предоставляют лучший способ обеспечения высокой эффективности использования спектра, присущей ОЧС.