Рекомендации по внедрению DVB эфирного вещания. Основные аспекты DVB-T сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рекомендации по внедрению DVB эфирного вещания. Основные аспекты DVB-T сетей

Настоящая статья является продолжением серии публикаций, посвященных DVB-T технологии. Прежде чем перейти к планированию сетей и расчету их энергетического бюджета, целесообразно рассмотреть основные аспекты DVB-T сетей, включая инсталляцию DVB-Т передатчиков.

Входной сигнал передатчика представляет собой мультиплексированный MPEG-2 транспортный поток (TS), оговоренный в [1]. Поток может содержать несколько TV программ или только аудио/информационные программы, а также их комбинацию.

Спецификация стандарта DVB-T [2] предусматривает диапазон скоростей передачи данных (СПД) от 4,98 до 31,67 Мбит/с (см. таблицу 2 в [3]). При планировании и расчете сети важно знать требуемые скорости для различных видов услуг или по каждой TV программе. Априорно трудно определить скорости, обеспечивающие качество, эквивалентное качественному аналоговому сигналу. Для некритичных программ могут быть рекомендованы скорости порядка 3,5…4,5 Мбит/с, а для динамичных программ (например, спортивных) - порядка 6 Мбит/с. В то же время следует ожидать, что постоянно совершенствующиеся методы кодирования TV сигнала позволят снижать требуемую СПД на 5-10% в год. Однако необходимо помнить, что модернизация технологии кодирования сигнала может потребовать замены абонентских SТB, то есть требуется совместимость с существующими MPEG декодерами. Стереоаудиосигналы могут кодироваться, как минимум, на скорости 192 кбит/с (системы псевдообъемного звучания типа Prologic требуют большей скорости). В настоящее время разрабатываются (а частично уже и утверждены) стандарты на многоканальное звуковое сопровождение, аналогичное Dolby Digital (DD5.1) или DTS (цифровая театральная система). Предлагается остановиться на стандартизованных скоростях порядка 400 и 900 кбит/с, в зависимости от совместимости со стереодекодерами (если требуется такая совместимость, то скорость передачи данных должна быть ориентирована на максимальное значение). инсталляция сигнал ретранслятор эфирный

Выбор абонентом интересующего пакета программ осуществляется традиционной ВЧ селективной настройкой (например, на к.34), а вот просмотр необходимой программы в принятом пакете (обычно в одном пакете размещается 4-61 программ формата MPEG-2 или до 14 программ формата MPEG-4) осуществляется за счет электронного программного гида (EPG). Скорости передачи данных, необходимые для EPG, зависят от интерфейса прикладного программирования (API) и обычно составляют 0,25…0,5 Мбит/с. Добавим также, что для формирования общего TS TV пакета программ может быть использовано как динамичное, так и статистическое мультиплексирование.

Напомним читателям, что MPEG-2 TS может переносить одну или несколько программ. Под программой, согласно стандарту MPEG, понимается одна вещательная услуга. Программа передается в виде одного или более пакетированных элементарных потоков (PES), каждый из которых представляет собой цифровой кодированный компонент программы, например, кодированное видео или кодированное стереоаудио с временными метками, гарантирующими сихронизм декодирования элементарных потоков.

MPEG-2 TS был разработан для мультипрограммных приложений, передаваемых по вещательным каналам, подверженным ошибкам. TS состоит из последовательности пакетов, каждый длиной в 188 октетов, именуемых транспортными пакетами. Каждый транспортный пакет содержит информацию, относящуюся только к одному элементарному потоку.

СПД TS определяется применением. Для адаптации суммы входных СПД к требуемой выходной скорости, оговоренной стандартом DVB-T, MPEG мультиплексор вводит нулевые (пустые) пакеты. Как правило, все эти установки осуществляются в DVB-T модуляторе (возбудителе), имеющим один или два (для иерархического режима работы) ASI входа. Физический уровень (последовательный/параллельный, уровни сигналов, тип коннекторов и т.п.) не оговорен MPEG стандартом. Однако для вещательных приложений DVB TS интерфейсы стандартизованы в [4].

Выходной сигнал передатчика состоит из тысяч несущих, модулированных по фазе и амплитуде. Поэтому он напоминает сигнал с Гауссовским шумом. Отметим, что очень высокие пиковые значения суммарного сигнала ограничиваются в процессе его генерации и усиления. Естественным и наиболее простым путем измерения мощности COFDM сигнала применительно к DVB-T является определение его среднеквадратичного значения (RMS), иногда именуемого как действующее значение. Среднеквадратичное значение мощности наиболее приближено к результату, получаемому путем системного анализа.

Поскольку количество несущих DVB-T системы (в режимах 2k или 8k) является постоянным, а все несущие имеют определенную мощность, то полная мощность DVB сигнала представляет собой сумму всех значений мощностей всех несущих. На практике же может измеряться только полная мощность. Одного символа для оценки мощности недостаточно, но постоянная цепи всех цифровых измерителей мощности намного больше символьного периода, что позволяет, тем самым, осуществлять достоверные измерения.

Полоса частот, занимаемая DVB-T сигналом, определяется приблизительно общим числом несущих и разносом между ними.

В близлежащих частотных диапазонах около номинальной полосы пропускания спектральная плотность мощности также не нулевая.

Ее уровень зависит от предварительной фильтрации после генерации сигнала, нелинейных искажений усилителя мощности и качества фильтрации на его выходе.

Боковые лепестки DVB сигнала простираются в соседние каналы, вызывая тем самым интерференцию с другими полезными сигналами. В связи с этим спецификацией DVB-T [2] оговорены жесткие требования к внеполосному спектру DVB-T сигнала. Шаблоны, определяющие требования к уровням внеполосных сигналов, называются масками. В TV радиоканале спектр системы DVB-T за счет использования схемы модуляции OFDM имеет очень хорошую прямоугольность. Теоретический спектр сигнала OFDM для канала с полосой 8 МГц показан. Для каждой из систем цветности оговариваются свои внеполосные спектральные маски (допустимая внедиапазонная спектральная плотность мощности, выраженная в dB). При этом существует понятие критичной и некритичной маски.

Некритичная маска используется при работе с соседним аналоговым каналом. Обладает минимальными защитными требованиями по отношению к аналоговому каналу и используется в случаях, если:

· аналоговые и цифровые каналы передаются водной поляризации;

· мощностные составляющие этих двух передатчиков равны (пиковая аналоговая мощность РА равна усредненной цифровой мощности HD).

Если выходные мощности аналогового и цифрового передатчиков не равны, то критичные точки (отмечены кружками/треугольниками) некритичной маски должны быть скорректированы в пропорции к крайним мощностным различиям посредством корректирующего коэффициента С:

C[db] = PA.min[dBW] - PD.max[dBW]. (1)

Критичные точки спектральной маски. Оговоренные частотные точки соответствуют физическому смыслу. Например, -12 МГц - крайняя нижняя точка нижнего соседнего канала; -10, 75 МГц - видеонесущая нижнего соседнего канала и т.д.

Критичная маска используется в тех случаях, когда DVB-T передатчик используется совместно с другими видами услуг (низкомощностными или работающими только на прием) в соседних каналах. В этих случаях требования по избирательности (внеканальное подавление) существенно выше, чем в случае некритичной маски.

Номинальная центральная частота (fС) ВЧ сигнала определяется выражением:

fc[МГц] = 474 + nx8, n = 0,1,2,3... (2)

В выражении (2) центральная частота ВЧ сигнала fС указана для ДМВ диапазона с полосой канала 8 МГц. Для улучшения совместного использования спектра допускается смещение центральной частоты fС.

Многочастотные сети (MFN) схожи по своему структурному построению с традиционными сетями. Такие сети допускают вещание независимых программ, но на разных несущих частотах, в силу чего они именуются как многочастотные - MFN (аналогия с существующими аналоговыми сетями). Основной недостаток MFN сетей проявляется при покрытии значительных территорий, охват которых требует нескольких передатчиков, и заключается в том, что вещание в сотах с пересекающимися зонами покрытия не всегда может быть организовано в одних и тех же радиочастотных каналах. MFN сети сложно внедрять на начальном этапе наряду с существованием аналогового вещания из-за ограниченности частотных ресурсов. Количество каналов зависит от устойчивости передачи, то есть от типа модуляции, связанной с применяемой канальной скоростью кодирования, и от объекта планирования (полная область охвата или охват только плотно заселенных областей).

В силу того, что устойчивость цифрового вещания (оцениваемая обычно в dB как мера защитного отношения) выше по сравнению с аналоговым, то логично предположить, что число частотных ВЧ каналов при DVB-T MFN ниже, чем при аналоговом вещании, то есть допустима работа на тех же частотах относительно близлежащих телецентров с перекрывающимися зонами охвата. Однако из-за режима «крутого среза» цифровых сигналов непосредственное применение правил планирования аналоговой передачи (обычный расчет защитных отношений) является неприемлемым. Для DVB вещания вводят технологический коэффициент запаса R = 10…20 dB. Практика полевых испытаний показывает, что с учетом такого коэффициента запаса число ВЧ каналов, необходимых для MFN сетей, приближено к числу ВЧ каналов для аналоговых TV систем.

На начальной стадии формирования DVB-T услуг неизбежно приходится учитывать факт наличия как аналоговых, так и цифровых сигналов в эфире. Более того, при ограниченных частотных ресурсах вещание ведется с чередованием по времени аналогового и цифрового вещания, что обязательно необходимо учитывать при расчете помехозащищенности сети. Таким образом, в силу того, что передатчики MFN сети работают в режиме несинхронного излучения, их число эквивалентно числу передатчиков в аналоговой сети.

Добавим также, что напряженность электрического поля в точке приема в значительной степени зависит от условия распространения радиоволн (рельеф местности, ландшафт и т.п.), а также от времени суток и года (в меньшей степени). В силу этого, для уверенного сплошного покрытия требуемой зоны вещания требуется или установка дополнительных ретрансляторов, или увеличение выходной мощности на тот же коэффициент запаса в 10…20 dB. Если при аналоговом вещании на границе зоны покрытия снижение напряженности поля приведет только к ухудшению C/N, то при цифровой трансляции в силу резкого излома приемной характеристики произойдет полный срыв изображения. Поэтому на практике при ограниченных частотных ресурсах используют комбинированные сети (MFN и SFN).

Одночастотные сети (SFN) характеризуются той же особенностью; все передатчики в фиксированный момент времени синхронно модулированы одинаковым сигналом и излучают мощность на той же частоте. Интересно отметить тот факт, что сигналы, принимаемые антенной от нескольких передатчиков с разных направлений, в силу особенности COFDM модуляции могут внести конструктивный вклад в полный полезный сигнал. Одновременно в отдельных точках приема этот вклад может носить явно выраженный отрицательный характер. Если сигналы от далеко расположенных передатчиков задерживаются на время, превышающее длину защитного интервала Т, то они ведут себя не как полезные, а как мешающие шумовые сигналы. Такой эффект именуется самоинтерференцией сети. Необходимо заметить, что степень влияния задержанных сигналов вне защитного интервала может зависеть от конструктивно-технических особенностей приемника. Снижение эффекта самоинтерференции достигается за счет увеличения длительности защитного интервала. Существует эмпирическое правило: для эффективного снижения самоинтерференции сети длительного устанавливаемого защитного интервала Т [1] должна быть не менее времени распространения между соседними передатчиками. С учетом такой особенности, при больших зонах покрытия более эффективным оказывается режим работы 8k в сравнении с режимом 2k.

Таким образом, при больших зонах покрытия частотная эффективность SFN сетей намного выше, чем MFN сетей. Однако предварительно отметим, что для единого межрегионального покрытия могут потребоваться дополнительно 4…6 радиоканалов, о чем будет сказано в разделе «Сетевое планирование» в последующих публикациях. Очевидно, что пробелы в зоне охвата SFN сети заполняются добавлением нового передатчика (или ретранслятора) без необходимости выделения новых частот.

SFN сети характеризуются также не только частотной, но и мощностной эффективностью. Так, хорошо известно, что напряженность поля от любого конкретного передатчика подвержена сильным локальным изменениям в зависимости от ландшафта и рельефа местности. Если в традиционно планируемых сетях (а также в MFN сетях) при наличии единственного передатчика универсальным решением обеспечения уверенной требуемой зоны покрытия является увеличение мощности передатчика, то в SFN сетях дело обстоит несколько иначе.

Требование отсутствия «пробелов» в зоне покрытия вынуждает использовать установку передатчиков с частично перекрывающимися областями охвата (аналог символики олимпийских колец) при равных вероятностных условиях приема. Таким образом, на границах зон покрытия (например, точка А) полезный сигнал состоит из нескольких слабо скоррелированных мощностных составляющих от различных передатчиков (в нашем случае от передатчиков 1,2,3). Таким образом, границы замирания в напряженности поля одного передатчика могут быть заполнены другими передатчиками. Это явление усреднения приводит к более плавным (размытым) изменениям полной напряженности поля. Соответственно, в SFN сетях могут использоваться передатчики с более низкой мощностью. Такой эффект важен на границах зон покрытия и именуется «сетевым усилением». По этой причине зоны покрытия часто изображают не в виде радиусов или кривых, а в виде яркостно-цветовой гаммы. Очевидно, что такой энергетический выигрыш реализуется только при приеме на всенаправленные антенны с низким (или отрицательным) коэффициентом усиления. Такое «сетевое усиление» в основном увязывают с DVB-H вещанием или DVB-T вещанием, но при рассмотрении мобильного приема. Часто такой эффект наблюдается и при приеме на комнатную антенну.

Рассмотренные особенности SFN сетей обязаны синхронной работе всех передатчиков сети. Способы достижения синхронной работы передатчиков и особенности распределения многоканального сигнала к передатчикам будут рассмотрены в последующих публикациях. Здесь же отметим, что синхронная работа всех передатчиков SFN сети не препятствует изменению модулирующего сигнала на любом из передатчиков сети. Таким образом, для каждой из локальных зон могут передаваться свои собственные программы.

Ретрансляторы предназначены для покрытия теневых зон (низины, впадины, туннели и т.п.) или дополнительного расширения зоны охвата конкретным передатчиком. Такое расширение зоны обслуживания исключает затраты на магистральные линии распределения ТВ потоков, равно как и на цифровые модуляторы, и является очень экономичным решением.

В простейшем случае ретранслятор представляет собой приемную и передающую антенны, между которыми устанавливается усилитель мощности. После приема, фильтрации и усиления цифровой сигнал на той же самой частоте ретранслируется в требуемую теневую зону. Самым важным условием применения такого экономичного ретранслятора является обеспечение необходимой развязки между приемной и передающей антеннами. Обязательным условием отсутствия самовозбуждения является выполнение неравенства:

Кном < |Кобр|, (3)

то есть условие нарушения баланса амплитуд (считается, что условие баланса фаз выдержано как для наихудшего случая) для самогенерации. Сразу акцентируем внимание, на практике выполнить условие (3) при значительных коэффициентах усиления (при малом входном уровне сигнала и большом уровне выходной мощности) удается далеко не всегда, даже при существенных конструктивных ухищрениях и использовании эффективных кабелей с двойной радиоэкранной оплеткой.

От чего же зависит межантенная развязка (коэффициент обратной связи Кобр)? Основными факторами являются:

* высота и габариты опоры (мачты) или здания, где располагается ретранслятор;

* коэффициент радиоэкранной защиты коаксиальных кабелей, их длины, а также качество экранирования самого ретранслятора (усилителя мощности);

* позиция антенн на мачте или здании;

* диаграммы направленности антенн в обеих плоскостях поляризации;

* рельеф местности, которая должна быть охвачена вещанием (например, наличие зданий, которые могут вызвать переотражения);

* ориентация передающей антенны по отношению к основному передатчику.

Следует также отметить, что даже при выполнении условия (3) и отсутствии паразитной генерации следует ожидать ухудшения системных рабочих характеристик из-за наличия положительной обратной связи, в силу чего ретранслятор следует выбирать с особой тщательностью по критерию нелинейных искажений. Сразу акцентируем внимание на то, что проектирование ретрансляционных центров следует поручать проектным организациям, имеющим опыт работы в данном направлении. Желательно также, чтобы эта же проектная организация осуществила монтаж и инсталляцию ретрансляционного узла с испытаниями качества приема в оговариваемых точках теневой зоны.

Практика показывает, что наилучшие результаты по развязке достигаются при использовании высотных радиомачт из бетона. Достижение развязки в 80 dB является реальным2. Если на мачте имеется несколько уровней (как базовые платформы, где могут устанавливаться антенны), то приемную и передающую антенны рекомендуется устанавливать на разных уровнях.

Вывод

В заключение кратко остановимся на домовых ретрансляторах (ДР)(domestic gap fillers). Домовые ретрансляторы (ДР) - это специальное оборудование, предназначенное для усиления сигнала при индивидуальном приеме на комнатную антенну. Действительно, радиус покрытия передатчиком - весьма условное понятие, хорошо знакомое большинству читателей. Уровень сигнала на выходе приемной антенны при заданной мощности передатчика и дальности приема зависит от целого ряда факторов. Основными из них являются высота подъема приемной антенны, ее коэффициент усиления и место установки. Так, если при приеме в частном коттедже основной проблемой будет являться высота подъема антенны и ее хороший коэффициент усиления, то при приеме того же сигнала в высотном современном доме на комнатную антенну ограничивающим фактором уже будет являться коэффициент радиоэкранирования железобетонных стен. В связи с оговариваемыми условиями будет существенно изменяться и радиус покрытия передатчиком (отличие может быть в два раза и более).Таким образом, ДР предназначены для возможности приема DVB сигналов внутри домов на комнатную антенну, то есть в зонах с низкой напряженностью поля. Существуют два основных вида ДР: с канальным (с фильтрацией) и широкополосным (полный диапазон) усилением. ДР с конвертацией по частоте из-за высокой стоимости в пересчете на абонента фактически не используются. Широкополосные ДР способны также доставлять аналоговые сигналы и сигналы сотовой телефонии диапазона 900 МГц. Проблема межантенной развязки в ДР существенно меньше, чем в эфирных мощных ретрансляторах. Такие ДР по цене сравнимы с домовой распределительной сетью. Домовые ретрансляторы постоянно модернизируются и совершенствуются. Выпускаются даже ДР с коллективными абонентскими декодерами и последующими аналоговыми модуляторами. С учетом стоимости индивидуальных абонентских STB экономически они оказываются более выгодными.

Использование любых ДР позволяет существенно расширить зону покрытия DVB-T одним передатчиком. Авторы с удовольствием ответят на все вопросы и критические замечания.

Литература

1. ISO/IEC 13818-1: Information technology - Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio Information: Systems.

2. ETSI EN 300 744: Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television.

3. С.Н. Песков, И.А. Колпаков. Рекомендации по внедрению DVB эфирного вещания. Режимы работы передатчика / «Теле-Спутник» 2007, №2, с.102-108.

4. CENELEC EN 50083-9. Cable networks for television signals, sound and interactive services. Part 9: Interfaces for CATV/SMATV headends and similar professional equipment for DVB/MPEG-2 transport streams.

Размещено на Allbest.ru