Побудова мереж супутникового телебачення високої чіткості у країнах з обмеженим частотно-орбітальним ресурсом

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ЗВ'ЯЗКУ ІМ. О.С. ПОПОВА

УДК 621.397

Побудова мереж супутникового телебачення високої чіткості у країнах з обмеженим частотно-орбітальним ресурсом

Спеціальність 05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Маен Хусайн

Одеса 2010

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова Міністерства транспорту і зв'язку України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Ошаровська Олена Володимирівна, Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, Міністерства транспорту та зв'язку України, доцент кафедри телебачення та радіомовлення

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Арбузніков Валентин Олександрович Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова Міністерства транспорту і зв'язку України, професор кафедри інформаційних технологій

кандидат технічних наук, доцент Лапін Володимир Панасович Державне підприємство “Український науково-дослідний інститут радіо і телебачення ” Міністерства транспорту та зв'язку України, начальник відділу радіочастот

Захист відбудеться 08 вересня 2010 р. в 12.00__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.01 в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м Одеса, вул. Ковальська, 1, головний корпус, ауд. 223

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національної академії зв'язку ім. А.С. Попова за адресою: 65029, м Одеса, вул. Ковальська, 1.

Автореферат розісланий «05 » серпня_ 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Є.В. Васіліу

супутниковий телевізійний мовлення

АННОТАЦІЇ

Маен Хусайн Побудова мереж супутникового телебачення високої чіткості

у країнах з обмеженим частотно-орбітальним ресурсом - рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата наук за спеціальністю 05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи - Одеська національна академія зв'язку ім. О. С. Попова. - м. Одеса, 2010.

Дисертація присвячена дослідженню і розвитку методів проектування та впровадження цифрових супутникових систем телебачення високої чіткості і оцінки пропускної здатності при адаптації до умов розповсюдження радіохвиль по сигналах зворотних каналів для країн з обмеженим частотно-орбітальним ресурсом.

Дисертація містить п'ять розділів. У ній представлено удосконалений метод ефективного використання частотно-орбітального ресурсу, заснований на адаптивному управлінні параметрами передавання сигналів ТБВЧ в супутниковому середовищі. Приведений аналіз і отримані кількісні оцінки є основою для ухвалення технічних рішень на шляху побудови як регіональних, так і національних служб супутникового телевізійного мовлення високої чіткості

Ключові слова: телебачення високої чіткості, телевізійне супутникове мовлення, цифрові технології, частотно-орбітальний ресурс, адаптивні методи кодування и модулювання.

Маен Хусайн. Построение сетей спутникового телевидения высокой четкости в странах с ограниченным частотно-орбитальным ресурсом - рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 - радиотехнические и телевизионные системы - Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова - г. Одесса, 2010.

Диссертация посвящена исследованиям по проблемам, связанным с доступностью частотно-орбитального ресурса для внедрения телевидения высокой четкости и с оценкой пропускной способности среды передачи с учетом требуемого качества вещания, взаимодействия с другими службами, экономических и экологических факторов.

Диссертация содержит пять глав. В ней проведена разработка предложений, направленных на решение задачи внедрения цифрового вещания, представляющей собою многофункциональную техническую и экономическую задачу, по которой решения должны приниматься с учетом специфических объемов и видов требуемых технических средств и услуг, географического положения, размера и рельефа территории.

Сформулированы пути развития систем телевизионного вещания высокой четкости. Построена классификация вещательных и невещательных систем телевидения высокой четкости и проанализированы требования, являющиеся общими для таких систем.

Представлен анализ использования радиочастотного ресурса системами спутниковой связи и особенностей стандартов спутникового вещания второго поколения с точки зрения их использования для передачи программ телевидения высокой четкости. На основе проделанного анализа показана возможность выигрыша в реализуемой скорости цифрового потока до 30 %.

Разработан метод эффективного использования частотно-орбитального ресурса, основанный на адаптивном управлении параметрами передачи сигналов ТВЧ в спутниковой среде. Критерием качества является отношение сигнал/шум на входе приемной системы. На основе геостационарных спутников область покрытия разбивается на определенное количество зон. В одной несущей на линии вниз находятся переносчики, адресованные различным пользователям. Ослабление для каждого пользователя зависит от его местоположения и времени. Спутниковый терминал пользователя проводит постоянную оценку отношения сигнал/шум на основе пилотных символов и отправляет отчет в обратном направлении. Уровень шума приемной системы определяет то значение сигнала, при котором полезное сообщение будет принято с требуемым качеством. Это отношение влияет на выбор адаптивной схемы модуляции и кодирования. Разработан алгоритм определения уровня сигнала на входе приемника земной станции радиовещательной спутниковой службы для реализации телевизионного вещания высокой четкости. Определена статистика распределения параметров физического уровня при использовании метода адаптивного кодирования и модуляции, который учитывает пространственную и временную изменчивость условий распространения в канале связи. Суммарный выигрыш в пропускной способности составляет 40 %.

Представлены результаты исследований по расчету спектральной эффективности каналов для различных спутников согласно разработанной методике. Количество программ ТВЧ увеличивается с 4 до 7 для высокого профиля H.264/AVC со скоростью 8 Мбит/с и с 6 до 11 для высокого профиля H.264/AVC со скоростью 12 Мбит/с. Оценки эффективности использования частотного ресурса при передаче в стандарте DVB-S2 20 программ ТВЧ в каждом из 40 лучей, с 7 лучами в кластере повторного использования частот.

При использовании модуляции 8-QPSK без режима адаптивной схемы модуляции и кодирования суммарная полоса частот для передачи 20 программ ТВЧ составляет 486 МГц и 648 МГц для высокого профиля H.264/AVC со скоростями 8 Мбит/с и 12 Мбит/с соответственно. При использовании режима адаптивной схемы модуляции и кодирования суммарная полоса частот для передачи 20 программ ТВЧ составляет 363 МГц и 521 МГц для высокого профиля H.264/AVC со скоростями 8 Мбит/с и 12 Мбит/с соответственно. Общий выигрыш в этом случае составляет 25% и 20% соответственно.

Проведенный анализ и полученные количественные оценки являются основой для принятия технических решений для построения как региональных, так и национальных служб спутникового вещания в системе телевидения высокой четкости. Результаты анализа могут быть положены в основу количественной интерпретации возможных вариантов внедрения цифрового спутникового телевизионного вещания высокой четкости в национальную информационную среду.

Ключевые слова: телевидение высокой четкости, спутниковое телевизионное вещание, цифровые технологии, частотно-орбитальный ресурс, адаптивные методы кодирования и модуляции

Main Houssain. Satellite high definition television networks realization in the countries with limited frequency-orbital resource - Manuscript.

Thesis for competition of Philosophy Doctor scientific degree on specialty 05.12.17 - Radio and Television Systems - Odessa National Academy of Telecommunications n.a. A.S. Popov. - Odessa, 2010.

The dissertation is devoted to research of some issues, related with availability of a frequency-orbital resource for introduction of high definition TV and an estimation of throughput of the environment of transfer, taking into account demanded quality of broadcasting, interaction with other services, economic and ecological factors.

The dissertation purpose is working out scientific provisions set in whole forming a basis of planning and practical realization of satellite high definition television broadcasting system implementation, for realization HDTV in the satellite environment that is actualy for the Syrian Arabian Republic.

The dissertation contains five clauses. The results of investigations are presented the method of an effective utilization of the frequency-orbital resource, based on adaptive management using parameters of signalling HDTV in the satellite environment. The developed approach to planning satellite high definition television broadcasting combined with other services, both for the most broadcasting services, and for other applications. Following main scientific and practical results have been obtained: the analysis and the received quantitative estimations form a basis for acceptance of technical decisions on a way of construction both regional, and national services in satellite high definition TV broadcasting.

Keywords: high definition TV, satellite television broadcasting, digital technologies, frequency-orbital resource, adaptive methods of coding and modulation

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Більшість розвинених країн світу, у тому числі Європа, Японія, Австралія працюють над науково-дослідними проектами впровадження телебачення високої чіткості (ТВЧ). Найбільш перспективним середовищем поширення ТБВЧ є супутникове середовище. Для подолання технічних проблем використання діапазону 21 ГГц при мовленні зі студійною якістю в форматі ТБВЧ з супутника спрямовано цю дисертаційну роботу. Наукові розробки в області ТБВЧ і супутникового мовлення проводять цілу низка вчених різних країн: М. Кривошеєв, A. Tsuzuku, H. Fukuchi, H. Nishida, Ch. Dosch, M. Mertens, H. Shogen, K. Combarel, L. Lavan, A. Oliphant, D. Wood, S. Baron, M. C. Branco, Xiaoyang Gao, J. Lewis та ін.

В найближчому майбутньому можна очікувати, що Європа почне впроваджувати мультипрограмне супутникове цифрове ТВ мовлення високої чіткості, для якого ймовірно найбільш придатним буде діапазон 21 ГГц. У будь-якому випадку використання нового діапазону може не лише уможливити широке впровадження в майбутньому супутникового ТБВЧ, але також сприяти розвитку телевізійної індустрії. Ще одним кроком є початок використання інтерактивності в ТВ мовленні високої чіткості. У загальному випадку реалізація інтерактивного телебачення передбачає наявність зворотного каналу від користувача до провайдера. Зворотні канали можуть бути самої різної природи: від комутованих каналів телефонної мережі загального користування до спеціального вузькосмугового супутникового зворотного каналу.

Оскільки число користувачів системи інтерактивного телебачення, що одночасно адресуються до Центру, може досягати величезного значення, встає завдання забезпечення множинного доступу з використанням спеціальних протоколів, які відомі і вимагають своєї оптимізації для якісного розв'язання поставлених завдань.

Дисертаційну роботу направлено на розроблення сукупності наукових положень, у цілому утворюючих основу планування, практичної реалізації та впровадження систем супутникового телевізійного мовлення високої чіткості в країнах, для яких реалізацію ТБВЧ в наземному ефірному й кабельному середовищі технічно і економічно ускладнено, що є актуальним, зокрема, для Сирійської Арабської Республіки.

Результати досліджень автора в цьому напрямку складають зміст дисертації:

Актуальність теми представленої роботи визначається тим, що

впровадження цифрового телебачення високої чіткості гостро ставить проблему частотного ресурсу в наземному ефірному середовищі поширення сигналу, особливо для країн, де обмежений ресурс на теперішній час використовується для аналогового телевізійного мовлення і інших радіослужб;

виникає необхідність пошуку нового середовища, в якому може відбуватися впровадження систем високої чіткості. Таким середовищем може бути супутникове середовище, особливо враховуючи рішення Всесвітньої конференції радіозв'язку 2007 року, що визначила важливість використання ресурсу 21,4-22 ГГц для впровадження служб ТБВЧ;

у таких країнах, як Сирійська Арабська республіка, внаслідок складності середовища поширення (переважно гірська місцевість) впровадження телевізійного мовлення високої чіткості з використанням наземного способу доставки програм мовлення стає практично неможливим;

для реалізації проблеми впровадження ТБВЧ в супутниковому середовищі на даний момент не вирішено низку питань, пов'язаних з доступністю частотно-орбітального ресурсу для впровадження телебачення високої чіткості та оцінкою пропускної здатності середовища передавання, з урахуванням необхідної якості мовлення, взаємодії з іншими службами, економічними та екологічними чинниками;

впровадження систем супутникового мовлення вимагає розробки рекомендацій відносно вибору технічних параметрів середовища передавання для реалізації телевізійного мовлення високої чіткості. Залежно від необхідної якості зображення потік відеоданих, що йдуть від Центру до одного користувача, повинен спрямовуватися зі швидкістю від 8-15 Мбіт/с.

Результати досліджень автора в цьому напрямі складають зміст дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження автора складаються з власних досліджень і пов'язані з багатьма дослідницькими програмами і проектами.

Важливість проведення досліджень в області розробки методів створення мереж цифрового супутникового телевізійного мовлення підтверджується в Сирійській Арабській республіці рядом урядових постанов і концептуальних рішень. У світовому масштабі це особливо важливо для країн, що мають складний рельєф місцевості, зокрема, таких, як Сирійська Арабська республіка, де поєднуються пустинні і гористі території, а також вузькі прибережні смуги. Дослідження автора пов'язані з дослідницькими програмами, що проводяться згідно державних планів Сирійської Арабської Республіки по реалізації положень концепцій Всесвітньої конференції з радіозв'язку 2007 року, зокрема Резолюції 525 “Введення телевізійних систем високої чіткості радіомовленнєвої супутникової служби в смузі 21,4-22,0 ГГц в Районах 1 і 3” і Резолюції 526 “Майбутнє прийняття процедур для забезпечення гнучкості використання смуги частот, розподіленій радіомовленнєвій супутниковій службі (РСС) для телебачення високої чіткості (ТВЧ) в широкій радіочастотній (РЧ) смузі і для відповідних ліній ” фідерів і інших документів МСЕ-Р.

Мета і завдання дослідження.

Мета роботи - розробка сукупності наукових положень, що в цілому утворюють основу планування і практичної реалізації впровадження систем супутникового телевізійного мовлення високої чіткості в країнах з обмеженим частотно-орбітальним ресурсом, де реалізація ТБВЧ в наземному ефірному і кабельному середовищі технічно і економічно ускладнена, що є актуальним, зокрема, для Сирійської Арабської Республіки.

Завдання дослідження :

Провести аналіз і дослідження характеристик систем супутникового телевізійного мовлення високої чіткості, з урахуванням вимог ефективного використання частотно-орбітального ресурсу і сумісності з іншими радіослужбами;

Розробити рекомендації по узгодженому вибору параметрів частотно-орбітального ресурсу для супутникового мовлення з вимогами до пропускної здатності мереж інтерактивного мовлення;

Розробити метод планування частотно-орбітального ресурсу й управління ним для найбільш перспективних адаптивних систем супутникового мовлення, що особливо важливо для впровадження мереж ТБВЧ в діапазоні частот 21,4-22 ГГц;

Отримати кількісні оцінки параметрів частотно-орбітального ресурсу, необхідних для практичної реалізації мереж супутникового телевізійного мовлення високої чіткості;

Об'єкт дослідження - процес планування побудови радіомереж супутникового мовлення для телебачення високої чіткості з урахуванням вимог сумісності з іншими радіослужбами.

Предмет дослідження - побудова адаптивної мережі супутникового мовлення телебачення високій чіткості з ефективним використанням частотно-орбітального ресурсу.

Методи дослідження. В роботі використано методи системного аналізу, методи теорії поширення радіохвиль, методи оптимального планування, методи математичної інтерпретації результатів наукових експериментів.

Наукова новизна отриманих результатів

Вперше надано оцінку вимог до частотно-орбітального ресурсу для реалізації систем телебачення високої чіткості для країн з проблемами побудови систем наземного ефірного і кабельного способів доставки сигналів програм телебачення високої чіткості.

Вперше проведено аналіз особливостей стандартів супутникового мовлення другого покоління з точки зору передавання програм ТБВЧ.

Розвинуто модель опису систем телебачення високої чіткості.

Розвинуто модель визначення рівня сигналу на вході приймача земної станції радіомовленнєвої супутникової служби для реалізації телевізійного мовлення високої чіткості.

Удосконалено метод ефективного використання частотно-орбітального ресурсу, заснований на адаптивному управлінні параметрами передавання сигналів ТБВЧ в супутниковому середовищі.

Практичне значення отриманих результатів:

Розроблений підхід до планування супутникового телевізійного мовлення високої чіткості може бути використано як для самої мовленнєвої служби, так і для інших радіослужб.

Рекомендації щодо впровадження супутникової служби мовлення телебачення високій чіткості, у тому числі інтерактивного, розширюють можливості інформаційного обміну в регіональному і національному масштабі та сприяють впровадженню технологій інформаційного суспільства;

Результати аналізу методів підвищення спектральної ефективності може бути покладено в основу кількісної інтерпретації можливих варіантів впровадження цифрового супутникового телевізійного мовлення високої чіткості в національне інформаційне середовище.

Результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальному процесі в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова і в діючому на її базі Центрі майстерності Міжнародного союзу електрозв'язку.

Особистий внесок здобувача. Постановка і проведення наукових досліджень, представлених в дисертації, наукові виводи і пропозиції належать автору.

Особистий внесок здобувача в спільних публікаціях полягає у наступному. В роботах

[1, 3, 5, 6] особисто автору належить модель мережі цифрового мовлення для країн зі складним рельєфом; в роботі [2] - побудова залежності відношення носійне коливання/шум (C/N) від схем модуляції; в роботі [7] - аналіз питань зниження необхідної швидкості передавання на основі стандарту кодування відеоінформації H.264 | MPEG4/AVC; в роботах [8, 9] -порівняння ефективності методів кодування відеосигналів для цифрового телевізійного мовлення.

Апробація результатів роботи

Результати досліджень автора обговорювалися і були схвалені на наступних науково-технічних конференціях:

3-й, 4-й і 5-й Міжнародній науково-технічній конференції “Технологія цифрового мовлення: Стратегія впровадження ” (DBT-2008, DBT-2009, DBT-2010), Одеса, 26 - 27 червня 2008 р., 25 - 26 червня 2009 р., 24 - 25 червня 2010 р.;

Міжнародній науково-практичній конференції в рамках EEBC 2009 “Новые технологии ТВ вещания. Телевидение высокой четкости и цифровой кинематограф ”, КиевЭкспоПлаза, 23 октября 2009 г.

Міжнародній практичній конференції “Цифровые технологии трансляции телеконтента на пути к 2012. Украина и Польша: итоги, планы, реалии”, Київ, 31 березня 2009 р.;

Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми впровадження цифрового мовлення на загальнонаціональному, регіональному та місцевому рівні ”, Одеса, 24 - 25 квітня 2008 р. / Незалежна асоціація телерадіомовників;

63-й науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, науковців, молодих учених, аспірантів і студентів Одеської національної академії зв'язку ім. О.С.Попова, 26 листопада - 2 грудня 2008 р.;

IV міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми телекомунікацій ” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут ”, НДІ телекомунікацій. - Київ. 20-23 квітня 2010 року

Публікації. За результатами дисертаційних досліджень опубліковано 9 наукових праць. Основні результати роботи викладено в 6 статтях, з яких 3 опубліковано в спеціалізованих виданнях, рекомендованих ВАК України. Крім того, результати роботи знайшли своє відображення в 3 статтях, опублікованих в збірниках матеріалів міжнародних науково-практичних конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із 140 сторінок основного тексту і містить вступ, 5 розділів, висновки, 24 рисунки, 23 таблиці, перелік посилань із 81 джерела, а також 1 додаток.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мета і завдання дисертації. Представлено основні положення, що розкривають наукову новизну і практичну цінність роботи.

В першому розділі - Сучасний стан розвитку методів доставки телевізійного сигналу - зроблено оцінку стану прогресу цифрових технологій мовлення в системі телебачення високої чіткості і немовленнєвих технологій ТБВЧ на основі аналізу завдань і результатів досліджень, що проводилися по програмах Міжнародного союзу електрозв'язку.

На основі вивчення документів МСЕ і ETSI представлено аналіз загальних проблем переходу від аналогового до цифрового мовлення в усіх середовищах доставки телевізійної інформації: наземному, кабельному, супутниковому. У усіх країнах Району 1, куди входять

Європа, Африка і країни Близького Сходу, за основу прийнято сімейство європейських стандартів DVB (Digital Video Broadcasting - цифрове телевізійне мовлення). До основних стандартів супутникового мовлення відносяться: DVB-S/S2 (DVB - Satellite -супутникове) використовується для супутникового цифрового телевізійного мовлення; DVB-SH (DVB - Satellite services to Handhelds - супутникова доставка сигналів послуг на портативні приймачі) використовується для гібридного ефірного наземного і супутникового цифрового телевізійного мовлення на портативні переносні пристрої.

Показано, що впровадження цифрового мовлення є багатофункціональним технічним і економічним завданням, і кожна країна прийматиме в цій області окреме рішення з урахуванням специфічних для неї об'ємів і видів необхідних технічних засобів і послуг, географічного положення, розміру і рельєфу території. Сучасні технології дозволяють в нових і в перспективних системах ТБ мовлення та інших споріднених йому застосуваннях, таких як мультимедійне мовлення і цифровий кінематограф, використовувати представлення ТВ контента (метадані, звук, відео, дані і додаткова інформація) у вигляді цифрових файлів.

Вихідний сигнал ТБВЧ з форматом розкладання 1080 Ч 1920 елементів зображення, що відповідає Рекомендації МСЕ-Р ВТ.709-5, на даному етапі технічного прогресу має бути кодований за стандартом MPEG-4 H.264/AVC в цілях ефективного зниження швидкості цифрового потоку відповідно до пропускної здатності каналу передавання.

На основі проведеного аналізу ставляться завдання подальших досліджень і розробок.

В другому розділі - Розробка моделі телевізійного мовлення високої чіткості - розвинуто глобальну модель системи цифрового мовлення ТБВЧ, ядром моделі є контейнер - багатоцільовий цифровий потік, що завантажується цифровими сигналами декількох програм ТБ і звукового мовлення, даних, телемостів, відеоконференцій, мультимедіа та ін. Глобальна модель ТВЧ характеризується рядом особливостей: телевізійні центри повинні виробляти не тільки ТВ програми, але і організовувати виробництво кінофільмів з відповідною якістю (Рис. 1)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Такі технології, як супутникове мовлення, відеозапис, кабельне телебачення, передавання сигналів через широкосмугові оптоволоконні лінії та ін. можуть використовуватися для подачі сигналів ТБВЧ на різні типи відтворюваних пристроїв різним споживачам. Тому з'явилася реальна необхідність гармонізації цих систем.

Побудовано класифікацію мовленнєвих і немовленнєвих систем телебачення високої чіткості і проаналізовано вимоги, що є загальними для таких систем і пов'язаних з ними завдань, що становлять предмет досліджень і розробок.

Модель системи розглядається як платформа багатоцільового мовлення нового рівня, використання якої сприяє прискоренню формування інформаційного суспільства. Злиття мовлення, телекомунікацій, комп'ютерних і мультимедійних технологій, впровадження нових масових і універсальних послуг, Інтернету і інтеграція інформаційних служб вимагає консолідації зусиль на новому терені - єдиній інфокомунікаційній платформі. Це дозволить уточнити ці напрями і інтегрувати стратегію розвитку глобального інформаційного суспільства в столітті, що настало. Таким чином, вже сьогодні прогрес в цифровому мовленні дає основу розвинути визначення глобального інформаційного суспільства, вважаючи, що його характерною рисою стане можливість посилати і отримувати інформацію в будь-якій точці Землі, в будь-який час, у спокої або русі, на будь-якій мові, при забезпеченні технічного екологічного захисту споживачів і інформації, що вони передають, а також дистанційного керування і автоматизованої взаємодії пристроїв абонента, що надають інфокомунікаційні послуги.

В третьому розділі - Дослідження методів, що підвищують ефективність використання частотного ресурсу для систем ТБВЧ - представлено аналіз використання радіочастотного ресурсу системами супутникового зв'язку, на основі якого сформульовано проблему виділення частотного ресурсу для систем супутникового мовлення в форматі високої чіткості.

У цих умовах найгостріше стоїть проблема ефективного використання частотного ресурсу для систем ТБВЧ.

Показано, що для супутникових каналів телевізійного мовлення основним чинником, що спричинює помилки під час приймання цифрових сигналів, є низьке співвідношення C/N на вході приймача, що обумовлено великою відстанню до передавача. В той же час ширина смуги частот супутникових каналів зв'язку значно ширша, ніж каналів наземного і кабельного телевізійного мовлення. Частотний ресурс усіх виведених на орбіту космічних апаратів (КА) за останні 10 років виріс майже в 2 рази і досяг значення більше 400 ГГц (Рис. 2).

Найбільш перспективною смугою частот для подальшого впровадження систем супутникового цифрового телевізійного мовлення високої чіткості є смуга 21,4-22,0 ГГц. Відповідно до Резолюції 525, ВКР-92 розподілила смугу частот 21,4-22,0 ГГц в Районах 1 і 3 радіомовленнєвій супутниковій службі для телебачення високої чіткості.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Сукупний частотний ресурс ССС

Незважаючи на це, на даний момент ще не визначено багато експлуатаційних і регуляторних особливостей використання цього діапазону частот. Враховуючи це, в наступних розділах роботи визначено параметри для супутникового і наземного сегментів, що забезпечують ефективне передавання сигналів телебачення високої чіткості. Приведено зіставлення особливостей побудови систем цифрового телевізійного мовлення з точки зору їх використання з урахуванням як регіональних принципів побудови систем, так і особливостей впровадження в окремих країнах.

Представлено аналіз використання радіочастотного ресурсу системами супутникового зв'язку, зокрема, мовленнєвими, і проблем доступу до радіочастотного ресурсу проведено на основі документів Міжнародного Союзу Електрозв'язку. Визначено перспективні смуги частот, для роботи в яких потрібно організувати розробку і дослідження технічних і регуляторних процедур, що забезпечують ефективність функціонування систем телебачення високої чіткості.

Виконано аналіз і надано рекомендації відносно використання стандарту цифрового супутникового телевізійного мовлення другого покоління DVB-S2. На основі виконаного аналізу показано можливість виграшу в ефективності стандарту DVB-S2 у порівнянні з DVB-S до 30 %.

У розділі 4 - Дослідження основних енергетичних співвідношень в системах радіомовленнєвої супутникової служби - представлено результати досліджень автора, спрямованих на розвиток методів оцінки рівня корисного сигналу на вході приймача земної станції РСС від бортового передавача. Розглянуто загасання, які зазнає сигнал на шляху поширення. Для систем РСС критерієм якості є відношення сигнал/шум на вході приймальної системи. Це відношення впливає на вибір схеми модуляції і кодування, а, отже, на вислідну швидкість цифрового потоку і кількість програм, що їх передають, а також на їх якість. Узагальнена формула для розрахунку відношення носійне коливання/шум на вході приймача земної станції РСС має вид:

(1)

Р - потужність передавача бортової станції РСС, дБВт;

G1 - коефіцієнт підсилення антени передавача бортової станції РСС, дБ;

G2 - коефіцієнт підсилення антени приймача наземної станції РСС, дБ;

L - втрати під час поширенні сигналу, дБ;

N - рівень власних шумів приймача РСС, дБВт.

Рівень шуму приймальної системи визначає значення сигналу, за якого корисне повідомлення буде прийнято з необхідною якістю. На рис. 3 представлено еталонну діаграму направленості антени бортового передавача РСС для випадку співпадаючої поляризації і кросс-поляризації. Отриманий за даними кривим відносний коефіцієнт підсилення антени слід застосовувати під час розрахунку рівня сигналу на вході приймача наземної станції РСС

Надано аналітичні вирази для розрахунку відносного підсилення антени по кривих А, В і С:

(2)

(3)

(4)

Розраховано еталонну діаграму (Рис. 4) направленості антени бортового передавача РСС для випадку співпадаючої поляризації і крос-поляризації (криві побудовано для значення коефіцієнту підсилення антени в осьовому напрямі, що дорівнює 42 дБ). Отриманий за даними кривими відносний коефіцієнт підсилення антени слід застосовувати під час розрахунку рівня сигналу на вході приймача наземної станції РСС.



Рис. 4 Еталонна діаграма направленості антени приймача

Розділ 5 - Визначення шляхів підвищення спектральної ефективності каналів для систем супутникового телевізійного мовлення високої чіткості - містить результати досліджень за розрахунком спектральної ефективності каналів для різних супутників згідно з методом, розвинутим в попередньому розділі. Було враховано загасання у вільному просторі, в сухому повітрі і водяних парах, за використаним методом було розраховано шумову температуру приймальної системи, а також власні шуми приймача наземної станції РСС (Табл. 1). Для кожного супутника враховувалося його місце розташування, а також ослаблення під час випромінювання не в напрямі головного максимуму діаграми направленості антени бортового передавача РСС. Робоча смуга частот складала 27 МГц, робочий діапазон частот складав 22 ГГц.

Таблиця 1 Основні параметри, використовувані в розрахунках

Параметр	Значення
Широта приймальної станції, градуси (п.ш.)	35
Довгота приймальної станції, градуси (с.д.)	44
Діапазон частот, ГГц	22
Смуга частот, Мгц	27
Шумова температура приймальної системи, Ко	170
Діаметр антени приймача наземної станції, м	0.6, 0.9, 1.5
Ефективна випромінювана потужність, дБВт	47

Вирішальним параметром, що визначає спектральну ефективність каналу, є відношення сигнал/шум на вході приймача наземної станції.

Представлені результати розрахунків відношення сигнал/шум для супутників, при різних діаметрах приймальних антен

Визначено характеристики параметрів передавання для супутників, сигнали яких приймають в Сирійській Арабській республіці при переході на новий стандарт супутникового мовлення DVB-S2. Так, для супутника “Hotbird 9”, для діаметра приймальної антени 60 см забезпечується пропускна здатність всього 17,82 Мбіт/с в смузі 27 МГц, а для діаметра 1,5 м - 53,46 Мбіт/с. Супутником, що надає максимальну пропускну здатність в смузі 27 МГц, є “Turksat 2A”. Для діаметра приймальної антени рівної 60 см він надає 71,28 Мбіт/с, а для 1,5 м - 120,42 Мбіт/с.

У системі РСС на основі геостаціонарних супутників область покриття розбивається на певну кількість зон. У носійному коливанні, що його передають на лінії вниз, знаходяться TDM-переносники, що їх адресовано різним користувачам. Ослаблення для кожного користувача залежить від його місця розташування і часу. Супутниковий термінал користувача проводить постійну оцінку відношення на основі пілотних символів і відправляє звіт у зворотному напрямі. Звітність проводитися через фіксовані часові інтервали, проте для кожного користувача визначається випадково, що забезпечує зниження одночасного включення зворотного каналу сигналізації. Передаваний сигнал має тривалість і містить пілотну і корисну частини.

Відношення для пілотного символу в загальному випадку може бути виражено як:

, (5)

де - потужність пілотного сигналу;

- потужність шуму і завади для сигналу, що його приймають.

Корисна потужність сигналу в час дорівнює:

, (6)

де і відповідають синфазній і квадратурній складовим еталонних пілотних символів на виході узгодженого фільтра в момент часу ; і - оригінальні пілотні послідовності. - довжина пілотної послідовності; - кількість пілотних слотів усереднювання. Загальна потужність сигналу, що його приймають, дорівнює:

. (7)

Оцінка значення шум плюс потужність перешкоди

,

отримана як і відношення в каналі визначається як

.

Відповідно до представлених співвідношень залежно від статистики опадів і відношення визначено статистику розподілу параметрів фізичного рівня за використання методу адаптивного кодування і модуляції (Adaptive Coding and Modulation - ACM), який враховує просторову і часову мінливість умов поширення в каналі зв'язку (рис. 5).

Рис. 5 Розподіл параметрів сигналу в режимі АСМ

Сумарний виграш в пропускній здатності складає 40 %. Таким чином, метод АСМ дозволяє істотно збільшити пропускну здатність завдяки урахуванню просторової і часової мінливості умов поширення в каналі зв'язку.

Визначено кількість програм ТБВЧ для цього супутника у разі розподілу параметрів сигналу в режимі АСМ, для високого профілю H.264/AVC зі швидкостями 8 Мбіт/с і 12 Мбіт/с (Рис. 6).

Рис. 6 Кількість програм ТБВЧ для різних параметрів фізичного рівня в режимі АСМ

Кількість програм ТБВЧ збільшується з 4 до 7 для високого профілю H.264/AVC із швидкістю 8 Мбіт/с і з 6 до 11 для високого профілю H.264/AVC із швидкістю 12 Мбіт/с. Проте, як показали дослідження оцінки виграшу режиму АСМ, розподіл параметрів сигналу в режимі АСМ не рівномірний. Розрахунок трафіка в години пік, TBH, здійснюється шляхом додавання необхідного трафіка для усіх категорій. Оскільки прогнози трафіка робляться або в Мбіт/с в місяць, або в хвилинах в місяць, потрібно перетворення цих прогнозованих показників в мегабіти в години пік. Це робиться за допомогою наступних рівнянь:

(8)

(9)

, (10)

де - прогнозований щомісячний глобальний трафік для категорії трафіка i; якщо його надано в Мбіт/с, використовують рівняння (9), а якщо його надано в хвилинах, то використовують рівняння (10); - швидкість кодованого сигналу, кбіт/с; - доля добового трафіка, що доводиться на годинник пік, для трафіка категорії i; - доля глобального трафіка, що доводиться на кластер “гарячих точок ”, для трафіка категорії i; - коефіцієнт зміщення години пік (від 0 до 1) для трафіка категорії i; - коефіцієнт перетворення місяців в дні для трафіка категорії i.

Оцінки ефективності використання частотного ресурсу для передавання в стандарті DVB-S2 20 програм ТБВЧ в кожному з 40 променів, з 7 променями в кластері повторного використання частот.

При використанні модуляції 8-QPSK без режиму АСМ сумарна смуга частот для передавання 20 програм ТБВЧ складає 486 МГц і 648 МГц для високого профілю H.264/AVC зі швидкостями 8 Мбіт/с і 12 Мбіт/с відповідно.

При використанні режиму АСМ сумарна смуга частот для передавання 20 програм ТБВЧ складає 363 МГц і 521 МГц для високого профілю H.264/AVC зі швидкостями 8 Мбіт/с і 12 Мбіт/с відповідно. Загальний виграш в цьому випадку складає 25 % і 20 % відповідно.

Таким чином, виграш ефективності використання радіочастотного ресурсу дещо менший, ніж у разі кількості програм в одному частотному каналі, проте оцінка використання радіочастотного ресурсу в даному випадку дає найбільш об'єктивний результат при використанні режиму АСМ в стандарті DVB-S2.

У додатку А містяться детальні відомості, що доповнюють виклад результатів досліджень автора, приведений в розділах 1 - 5. Представлено документи про впровадження результатів досліджень.

ВИСНОВКИ

В процесі наукових досліджень отримано такі основні наукові і практичні результати.

Приведено узагальнений аналіз і опис систем телебачення високої чіткості, актуальних з точки зору впроваджуваних нині в практиці цифрового телевізійного мовлення.

Надано оцінку вимог до частотно-орбітального ресурсу для реалізації систем цифрового телевізійного мовлення високої чіткості для країн з проблемами побудови систем наземного ефірного і кабельного способів доставки сигналів телепередач високої чіткості.

Проведено аналіз особливостей стандартів супутникового мовлення другого покоління з точки зору їх ефективного використання для передавання програм ТБВЧ.

Розвинуто метод визначення рівня сигналу на вході приймача земної станції радіомовленнєвої супутникової служби для реалізації телевізійного мовлення високої чіткості.

Розвинуто і апробовано методом моделювання метод ефективного використання частотно-орбітального ресурсу, заснований на адаптивному управлінні параметрами передавання сигналів ТБВЧ в супутниковому середовищі.

Розроблено підхід до планування мережі супутникового телевізійного мовлення високої чіткості, поєднаного з іншими радіослужбами, що має актуальність як для самої мовленнєвої служби, так і для інших застосовань і може використовуватися в широкому спектрі застосовань і реалізацій.

Приведений аналіз і отримані кількісні оцінки є основою для прийняття технічних рішень на шляху побудови як регіональних, так і національних служб супутникового телевізійного мовлення високої чіткості.

Розроблені рекомендації щодо впровадження супутникової служби мовлення телебачення високій чіткості, у тому числі, інтерактивного, розширюють можливості інформаційного обміну в регіональному і національному масштабі і сприяють впровадженню технологій інформаційного суспільства.

Результати аналізу може бути покладено в основу кількісної інтерпретації можливих варіантів впровадження цифрового супутникового телевізійного мовлення високої чіткості в національне інформаційне середовище.

ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Маковеенко Д.А. Использование иерархической модуляции при планировании цифрового наземного телевидения в странах со сложным рельефом / Д.А. Маковеенко, Гассан

2. Халиль, Маен Хусайн // Холодильная техника и технология. [зб.наук.праць]-2009.-№ 4.-с.82-84.

3. Маковеенко Д.А. Исследование пропускной способности стандарта цифрового наземного телевидения второго поколения DVB-T2 / Д.А. Маковеенко, Маен Хусайн // Цифрові технології: [зб.наук.праць]. - 2009. - № 6. - С. 27-32.

4. Маен Хусайн. Области применения методов обработки изображений высокой четкости / Маен Хусайн // Холодильная техника и технология. [зб.наук.праць]-2010.-№ 3. - С.74-77.

5. Г. Халиль. Проблемы и перспективы внедрения цифрового телевидения высокой четкости / Г. Халиль, М. Хусайн // Цифрові технології: [зб.наук.праць]. - 2007. - № 1. - С. 49-57.

6. Маен Хусайн. Принципы построения сети наземного эфирного цифрового телевизионного вещания в государствах с преимущественно горным рельефом местности / Маен Хусайн, Гассан Халиль // Цифрові технології: [зб.наук.праць]. - 2007. - № 2. - С.22-26.

7. Гассан Халиль. Проблемы внедрения телевидения высокой четкости и новых поколений телевизионного вещания в странах Ближнего Востока / Гассан Халиль, Маен Хусайн // VII междунар. конф. по телекоммуникациям и телерадиовещанию. - 21-23 октября 2009 г. - Выстовочный центр “КиевЭкспоплаза”. - 2009. - С. 40.

8. Михайлов С.А.. Состояние и перспективы внедрения новейших систем цифрового вещания в мире, в странах Ближнего Востока, на Украине / С.А. Михайлов, Маен Хусайн // Матеріали IV міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми телекомунікацій” Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”. Інститут телекомунікаційних систем, НДІ телекомунікацій. - Київ. 20-23 квітня 2010 р.- С. 28

9. Маен Хусайн. Современное состояние развития методов доставки телевизионных сигналов / Маен Хусайн, Е.В. Ошаровская // Матеріали Міжнародної науково-практічної конференції “Технології цифрового мовлення: Стратегії впровадження” (DVB-2010), 24-25 червня 2010 року. - Одеса: 2010. - С. 78-82.

Размещено на Allbest.ru

...