Оптимизация зоны покрытия цифровым телевидением города Актау Республики Казахстан

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Стандарты цифрового вещания

2. Основные параметры стандарта цифрового телевидения DVB-T

2.1 Метод модуляции

2.2 Групповой спектр радиосигнала OFDM

2.3 Параметры OFDM

2.4 Модуляция несущих в групповом канале OFDM

2.5 Структура кадра OFDM

2.6 Канальное кодирование

2.6.1 Внешнее канальное кодирование

2.6.2 Внутреннее канальное кодирование

3. Одночастотные сети цифрового эфирного вещания - преимущества и особенности построения

3.1 Варианты исполнения

3.2 Ограничения SFN

3.3 Сетевые требования

3.4 Мега-фрейм

4. Выбор оборудования

5. Сетевое планирование

5.1 Понятие медианного напряжения

5.2 Расчет затухании в фидере

5.3 Расчет минимальной напряженности поля на приемной стороне

5.4 Расчет минимально допустимой напряженности поля

5.5 Определение напряженности поля аналитическим методом по кривым распространения

5.5.1 Расчет напряженности поля по кривым распространения

5.5.2 Расчет напряженности поля аналитическим методом

5.6 Аппроксимация к 0,6 длины зоны Френеля

5.7 Расчет параметров приемного оборудования на языке программирования "Turbo Pascal"

6. Безопасность жизнедеятельности

6.1 Анализ существующих условий труда

6.2 Расчет искусственного освещения

6.3 Расчет зануления

7. Бизнес-план

7.1 Сущность проекта

7.2 Характеристика проекта

7.3 Маркетинг проекта

7.4 Организационный план

7.5 Производственный план

7.6 Финансовый план

7.6.1 Расчёт капитальных затрат на приобретение цифрового оборудования и ввода его в эксплуатацию

7.6.2 Расчет эксплуатационных расходов

7.6.3 Оценка доходов

7.6.4 Расчет срока окупаемости и абсолютного экономического эффекта

7.6.5 Расчет экономической эффективности с учетом дисконтирования

Заключение

Список литературы

Приложение А. Зависимость напряженности поля

Приложение Б. Листинг программы на Turbo Pascal

Введение

Информация играет важнейшую роль во всех сферах экономической, политической и общественной жизни. Возможности сбора, систематизации, исследования и оценки информации имеют решающее значение для развития всех институтов современного общества. Но любое использование информации возможно лишь при условии ее передачи на расстояние. А для телевидения как средства массовой информации возможность передачи является условием существования.

Телевидение за все время своего существования претерпело множество изменений. Причем как в содержательном плане, так и в технологическом.

После того как в нашу жизнь вошли цветное телевидение, спутниковое вещание, аналоговый стандарт высокой четкости, грядет новая революция, которая способна изменить уже не качество сигнала, а образ жизни телезрителя. Речь о цифровом телевидении.

В послании народу Казахстана "Стратегия вхождения Казахстана в число пятидесяти наиболее конкурентоспособных стран мира" от 1 марта 2006 года Президент страны Н. Назарбаев, в частности, подчеркнул, что Казахстан для своего стремительного рывка вперед и вхождения в первую полусотню развитых государств, должен быть страной, вбирающей в себя все новое и передовое.

В этих условиях особую актуальность приобретает необходимость дальнейшего развития национального информационного пространства как важнейшего идеологического направляющего процесса интегрирования Казахстана в мировое сообщество, отвечающего насущным требованиям современных реалии. Таковым является один из прорывных проектов - внедрение наземного цифрового телерадиовещания в Республике Казахстан.

Внедрение наземного цифрового вещания телевизионных программ в мире началось еще в 1998 г. Прошло уже 11 лет и приобретен достаточный опыт, который включает в себя ряд ошибок и заблуждений. Их, конечно же, необходимо учесть при переходе от аналогового вещания на цифровое в нашей стране. Сегодня в мире обсуждается основной вопрос: в каком году закончится внедрение цифрового телевизионного вещания в той или иной стране и когда будет прекращено аналоговое ТВ-вещание? Соглашением Женева-2006 для Европы, а также других стран, его подписавших, в частности и Казахстана, прекращение аналогового вещание определено в 2015 году.

Каждая страна идет своим путем, учитывая свои географические особенности, экономическое положение, научно-технический потенциал, сложившуюся структуру телерадиовещания в стране, а также в определенной степени национальный менталитет.

Преимущества ЦТВ по сравнению с аналоговым вещанием велики: на одной частоте в аналоговом виде можно транслировать всего одну телепрограмму, а в цифровом их станет 10 - и это не предел [1]. Сейчас многие люди, живущие в поселках, смотрят одну-две телепрограммы, а кто-то вообще не может принимать ни одной государственной программы. Люди вынуждены покупать спутниковые антенны, чтобы смотреть хоть что-то, и в итоге они становятся оторванными от государственной политики, а новости своей страны даже не знают. Поэтому главной на сегодняшний день задачей является любым способом ускорить внедрение цифрового вещания в стране, довести до каждого жителя и обеспечить ему возможность смотреть наши государственные и национальные программы в достаточном объеме. Кроме того, цифровое вещание обеспечивает возможность применения полилингвистического звукового сопровождения, т. е. картинка будет идти одна, а нужный язык звука зритель может выбрать самостоятельно, это даст экономию ресурсов и равные права граждан во исполнение закона о языках [1]. Вообще, перспективы цифрового вещания огромны. В будущем будет вестись вещание телевидение высокой четкости HDTV, которое обеспечивает лучшее качество и четкость картинки, что будет особенно заметно на телевизорах с большой диагональю. Кроме вещания телепрограмм для просмотра на домашнем телевизоре, цифровой стандарт дает дополнительные возможности для предоставления услуг, таких, например, как мобильное телевидение, в Казахстане абсолютно не развитое, доступ к Интернету, корпоративные вещательные каналы, передачу данных, организацию информационно-развлекательных и интерактивных сервисов. Все это будет интересно пользователям, а операторам принесет дополнительные доходы.

1. Стандарты цифрового вещания

Основными стандартами ЦТВ сегодня являются европейский стандарт DVB, американский ATSC и японский ISDB. Дадим краткую характеристику для каждого стандарта.

В Европе сигналы ЦТВ рассматриваются как часть общего телекоммуникационного "контейнера", в котором передается самая разная информация [2]. Телепрограмма в такой системе - всего лишь некий объект, наравне с другими объектами - файлами данных, рисунками и текстами. Для приема такого контейнера предполагается применять некое новое интеллектуальное программно-управляемое устройство, названное Set Top Box (STB), которое позволяет принимать цифровые потоки из различных физических каналов - спутниковых, кабельных или наземных. Изображение выводится на обычный телевизор, звук - на домашнюю стереосистему, файлы - на персональный компьютер и т. д. При наличии обратного канала и специального программного обеспечения телезритель получает возможность выбирать любую из предлагаемых дополнительных услуг ЦТВ (конечно, при условии, что он за нее платит).

Впечатляющие возможности такой системы уже продемонстрировала британская комиссия телевещания BBC [3]. Здесь, кроме традиционных телепередач, абоненту предлагается, не вставая с кресла у телевизора, принимать и отправлять электронные и факсимильные сообщения; работать с базами данных; при просмотре футбольного матча выбирать ту камеру (из установленных на стадионе), которая "смотрит", например, на любимого игрока, на определенное место на поле или трибунах; участвовать во всевозможных голосованиях и опросах; покупать товары и услуги по кредитной карте и т. п. Это - относительно новый рынок платных услуг, объемы и возможности которого еще не до конца осознаны самими вещателями [3].

В США ситуация иная. Основная ставка развития цифрового телевидения сделана здесь на телевидение высокой четкости (ТВЧ) [4]. Поэтому в стандартной полосе телеканала оператора передают только одну телепрограмму, но программу, в которой и изображение, и звук только высшего качества. Понятно, что, поскольку ресурс использован для обеспечения ТВЧ-вещания, то ничего дополнительного в этот канал вместить уже не удается.

Стандарт DVB-T, безусловно, более гибок, он позволяет оператору ЦТВ выбирать скорость передачи, параметры модуляции и кодирования [5]. Низкоскоростные режимы могут быть использованы для увеличения дальности приема без увеличения мощности передатчика, а также для мобильного сервиса. За эти возможности приходится расплачиваться либо уменьшением числа телепрограмм в телеканале, либо понижением их качества.

Японский ISDB очень похож на DVB и представляет собой некий разумный компромисс между двумя предыдущими [5]. Он еще более гибок, главной его целью декларируется интерактивность и интеграция всех служб вещания.

Что касается качества изображения, то поскольку все три стандарта используют один метод компрессии MPEG-2, при прочих равных условиях качество они должны обеспечивать одинаковое. Это в корне отличает цифровое телевидение от аналогового, где картинка SECAM заметно хуже той же картинки PAL. Кроме того, для ЦТВ вопрос "Что лучше?" совершенно неуместен. Ведь если в аналоговом телевидении способ кодирования цвета и модуляция влияют на качество изображения, то в цифровом ТВ от метода модуляции и кодирования зависит лишь надежность приема, и если прием обеспечен, то картинка всегда получается "чистой" (без сетки, муара, снега и пр.). В противном случае изображение рассыпается на пиксели, и мы имеем просто надпись "нет сигнала" на темном экране. Таким образом, для телезрителя безразлично, по какому цифровому стандарту происходит доставка изображения к телевизору, поскольку качество сигнала у зрителя будет определяться только качеством его приемника. Это, помимо всего прочего, означает еще и то, что от стандарта никак не зависит, сколько заплатит потребитель. Это будет определяться не стандартом, а набором предлагаемых услуг [5].

Что касается частот, то тут имеется две возможности. Первая - использовать новые полосы, где телевидения пока нет, а именно, как предусмотрено Регламентом радиосвязи, - в диапазоне 800 МГц. Вторая - переход на цифру в "традиционных" дециметровых вещательных каналах.

В Великобритании, например, цифровое телевещание ведут в дециметровых каналах, расположенных между каналами аналогового вещания [6]. По правилам на одной территории не могут одновременно работать аналоговые телепередатчики в смежных, зеркальных, гетеродинных каналах. Таким образом, из имеющегося ресурса каналов пока можно использовать, в лучшем случае, чуть больше трети. В Австралии канал ТВЧ в стандарте DVB-T работает на частоте 191,25 МГц; в Италии сообщалось об успешном опыте вещания в горной местности в радиусе 50 км от Милана при помощи 40-ваттного передатчика в 38 канале; в Испании вещают ЦТВ в 26 канале [6].

2. Основные параметры стандарта цифрового телевидения DVB-T

2.1 Метод модуляции

При цифровом эфирном ТВ-вещании основным отрицательным фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений [7].

При многолучевом приеме в декодер поступают две (или более) одинаковые по характеру чередования символов, но сдвинутые по времени цифровые последовательности. Поскольку анализ переданного значения символа "0" или "1" в декодере обычно производится в середине символа, то в случае, если задержка радиосигнала второго луча становится близкой или больше половины длительности символа, происходит резкий рост цифровых ошибок, вплоть до полного разрушения цифрового канала.

При стационарном эфирном ТВ-приеме бороться с многолучевостью можно путем применения остронаправленных многоэлементных ТВ-антенн, что обычно и делается в системах коллективного эфирного приема. Но это не решает проблемы полностью, так как при этом нельзя будет гарантировать уверенный прием цифровых ТВ-программ на переносные и перевозимые ТВ-приемники, в которых используются простые ТВ-антенны. Радикальным решением этой проблемы является применение в эфирных каналах ТВ-вещания технологии COFDM (Coded Orthogonal Division Multiplexing), которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме [7].

При COFDM используется ортогональное частотное мультиплексирование совместно с помехоустойчивым канальным кодированием. Сочетание канального кодирования (аббревиатура С) с ортогональным частотным мультиплексированием (аббревиатура OFDM) обозначается как COFDM. Метод COFDM хорошо известен и широко используется в цифровых системах радиовещания (DAB) в Европе, Канаде, Японии и др.

При COFDM последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей. Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется "символом COFDM". Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков (обычно 1705 или 6817 субпотоков), длительность символа в параллельных потоках получается существенно больше, чем в последовательном потоке данных (соответственно 280 или 1120 мкс - в зависимости от числа используемых субпотоков). Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия эхо-сигналов прекратятся, и канал станет стабильным [7].

Таким образом, при COFDM временной интервал символа субпотока Ts делится на две части - защитный интервал D, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа Tu, за время которого принимается решение о значении принятого символа (рисунок 2.1). Для правильной работы системы эхоподавления необходимо, чтобы защитные интервалы находились не в начале, а в конце символов S2, S3..., то есть в защитном интервале продолжается модуляция несущей предшествующим символом (рисунок 2.1б, г) [7].

Для обеспечения оптимального обмена между топологией (конфигурацией построения) сети ТВ-вещания и эффективностью использования радиоспектра применяются разные значения защитного интервала. Благодаря этому система может использоваться для вещания как в одночастотной сети с большой зоной покрытия, так и для малых зон, обслуживаемых одним передатчиком [7].

Для одночастотной радиосети типичным видом эхо-сигналов являются сигналы от соседних по территориальному размещению радиопередатчиков, передающих одинаковые символы COFDM. Эти сигналы не отличаются от классических эхо-сигналов, и их можно оценивать как эхо-сигналы, если они будут поступать в приемник за время защитного интервала D. Таким образом, выбор длительности защитного интервала будет непосредственно влиять на вид проектируемой одночастотной радиосети. Увеличение длительности защитного интервала позволяет увеличить расстояние между соседними радиопередатчиками. С другой стороны, длительность защитного интервала целесообразно выбирать небольшой, так как, с точки зрения теории информации, защитный интервал не используется для передачи полезной информации и его введение уменьшает объем передаваемой информации [7].

2.2 Групповой спектр радиосигнала OFDM

Такие параметры модема OFDM, как число несущих в групповом спектре, величина их частотного разноса, длительность защитного и рабочего интервала информационного символа, взаимосвязаны и выбираются путем компромиссных решений.

При разработке стандарта DVB-T выбор этих параметров оказался наиболее сложным и дискуссионным вопросом [8].

Частотный разнос Дf между соседними несущими f1, f2... fn в групповом радиоспектре OFDM (рисунок 2.2) выбирается из условия возможности выделения в демодуляторе индивидуальных несущих. При этом возможно применение двух методов частотного разделения (демультиплексирования) несущих. Во-первых, с помощью полосовых фильтров и, во-вторых, с помощью ортогональных преобразований сигналов.



Рисунок 2.1 - Взаимное расположение временных интервалов: а) последовательность информационных символов S1, S2, S3 одного субпотока; б) защитные (Д1, Д2 и Д3) и рабочие интервалы Тu2, Tu3; в) моменты начала и окончания модуляции t2, t3, t4 несущей информационными символами S1, S2, S3; г) несущая, модулированная символами S1, S2, S3

В первом случае частотный разнос между модулированными несущими (рисунок 2.2а) выбирается таким, чтобы их соседние боковые полосы взаимно не перекрывались. Это условие будет выполнено, если величину частотного разноса выбрать равной Дfі=2/Tu, где Tu - рабочий интервал информационного символа (рисунок 2.1). Однако при этом эффективность использования радиоспектра будет невысокой. Поэтому в стандарте OFDM выбран ортогональный метод разделения несущих, при котором значение частотного разноса может быть уменьшено в два раза по сравнению с первым методом, за счет чего в два раза повышается плотность передачи цифровой информации (бит/с)/Гц [8]. В нашем случае две модулированные несущие будут ортогональными, если интеграл от их произведения за время длительности рабочего интервала Tu равен нулю. По этой причине при ортогональном методе демодуляции несущих группового спектра взаимные помехи от соседних несущих будут также равны нулю, несмотря на то, что их соседние боковые полосы взаимно перекрываются. Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между несущими был постоянен и точно равен значению Дf = 1/Tu, то есть на интервале Tu должно укладываться целое число периодов разностной частоты f2 - f1. Выполнение этого соотношения достигается введением в модеме OFDM двух видов сигналов синхронизации: сигналов для синхронизации несущих частот группового спектра и сигналов для синхронизации тактовых частот функциональных блоков демодулятора [8].

2.3 Параметры OFDM

Основные параметры сигналов OFDM приведены в таблице 2.1.

В стандарте эфирного вещания DVB-T предусмотрены два режима модуляции OFDM 8 К и 2 К, для которых используются два значения рабочих интервалов информационных символов: Тu1 = 896 мкс - для режима 8 К и в 4 раза меньшее значение Тu2 = 224 мкс - для режима 2 К. Этим рабочим интервалам соответствуют два значения частотного разноса несущих в групповом спектре OFDM: Дf1 =1/896 мкc = 1116 Гц и Дf2 = 1/224 мкс = 4464 Гц (рисунок 2.2б, в), при которых в групповом спектре OFDM cодержится n1=6817 для первого режима и n2 = 1705 несущих - для второго режима модуляции. Общая ширина спектра группового сигнала в обоих случаях равна 7,61 МГц (рисунок 2.2б, в) [8].

Таблица 2.1 - Основные параметры системы OFDM

Режим модуляции	8 К	2 К
Длительность рабочего интервала Tu в мкс, в числе периодов Т 0 (*)	896	224
	8192	2048
Частотный разнос несущих Д = 1/ Tu, Гц	1116	4464
Число несущих в спектре группового сигнала, n	6817	1705
Ширина радиоспектра группового сигнала несущих, МГц	7,61	7,61
Относительная длительность защитного интервала, D/ Tu	1/4	1/8	1/16	1/32	1/4	1/8	1/16	1/32
Длительность защитного интервала D, в мкс, в числе периодов Т 0. Тактовый период Т 0 =7/64 мкс.	224	112	56	28	56	28	14	7
	2048	1024	512	256	512	256	128	64
Длительность символа сообщения Ts= D+Tu, в мкс, в числе периодов Т 0;	1120	1008	952	924	280	252	238	231
	10240	9216	8704	8448	2560	2304	2176	2112
Максимальное удаление ТВ-передатчиков в одночастотной сети вещания d = c*D, км	67,2	33,6	16,8	8,4	16,8	8,4	4,2	2,1

Таким образом, видно, что спектр группового сигнала OFDM можно разместить в эфирном радиоканале аналогового телевидения с полосой пропускания 8 МГц, обеспечивая между соседними радиоканалами защитные частотные интервалы по ~0,39 МГц. Это важный момент, так как согласованность спектра группового сигнала OFDM с существующими радиоканалами эфирной сети ТВ-вещания упрощает внедрение цифровой системы телевидения.

Рисунок 2.2 - Групповой спектр несущих OFDM (n - номер несущих): а) частотный разнос несущих; б) групповой спектр при частотном разносе каналов 1116 Гц; в) групповой спектр при частотном разносе каналов 4464 Гц

Стандартом для каждого режима модуляции предусмотрены 4 относительных значения защитных интервалов, равные 1/4; 1/8; 1/16 и 1/32 длительности рабочего интервала. Соответствующие им абсолютные значения длительностей защитных интервалов и информационных символов в мкс и периодах тактовой частоты Т 0 = 7/64 мкс приведены в таблице 1.

В этой же таблице указан максимальный территориальный разнос между ТВ-передатчиками одной ТВ-программы в синхронной одночастотной сети эфирного вещания, который может выбираться при проектировании сети в пределах от 67,2 до 8,4 км и от 16,8 до 2,1 км соответственно для режимов модуляции 8 К и 2 К [8].

Режим модуляции 8 К позволяет в одночастотной сети эфирного вещания использовать территориальный разнос между передатчиками одинаковых ТВ-программ до 67 км. При этом получается большая зона покрытия, приемлемые мощности ТВ-передатчиков и стандартные высоты антенно-мачтовых сооружений. Экономические преимущества такой сети становятся особенно заметными при организации ТВ-вещания в странах с большими территориями, за счет сокращения общего числа передающих ТВ-станций сети. По этим причинам в стандарт был введен режим модуляции 8 К [8].

Технически модем 8 К реализуется путем выполнения в модуляторе инверсного дискретного преобразования Фурье и прямого дискретного преобразования Фурье - в демодуляторе телевизора, для чего требуются процессоры с двоичной емкостью 2 = 8192 = 8 К. Однако имеющееся в то время первое поколение таких процессоров не подходило для этих целей ни по быстродействию, ни по стоимости, что не позволяло начать одновременно с принятием стандарта разработку аппаратуры с режимом модуляции 8 К. По этой причине было принято решение ввести в стандарт второй - технически более простой режим 2 К, для которого уже имелись необходимые процессоры с двоичной емкостью 2 = 2048 = 2 К.

В итоге был принят общий стандарт с модуляцией 2 К и 8 К с разным числом несущих. Спецификация стандарта 2 К позволяла начать внедрение цифрового эфирного вещания сразу, а спецификация стандарта 8 К могла быть реализована позднее, после разработки соответствующего процессора. С появлением процессоров 8 К и необходимости построения сети эфирного вещания с большой зоной покрытия, что характерно для Казахстана, предпочтение необходимо отдать режиму модуляции 8 К и использовать его при создании отечественной сети цифрового эфирного вещания [8].

2.4 Модуляция несущих в групповом канале OFDM

Стандартом предусмотрено, что в модеме OFDM могут быть использованы следующие виды модуляции несущих группового сигнала: квадратурная фазовая модуляция (4-ФМ или QPSK), 16- и 64-уровневая квадратурная амплитудная модуляция (16-КАМ или 64-КАМ) с равномерным или неравномерным расположением вершин векторов сигнала в кодовом пространстве сигналов.

Выбор конкретного вида модуляции из указанных производится в зависимости от требуемой скорости передачи данных с учетом избыточности, необходимой для их помехоустойчивого кодирования. Эту избыточность легко оценить, исходя из того, что при помехоустойчивом кодировании в модеме используются 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. То есть, например, при использовании сверточного кода 3/4, скорость цифрового потока возрастает в 4/3=1,33 раза.

Данные, необходимые для выбора вида модуляции в зависимости от требуемой скорости цифрового потока для различных значений относительной скорости сверточного кода и относительной длительности защитного интервала в информационном символе, приведены в таблице 2. Данные этой таблицы не зависят от режима модуляции 8 К или 2 К, так как при переходе от режима 8 К к режиму 2 К с уменьшением числа несущих в 4 раза одновременно в 4 раза увеличивается скорость передачи данных на каждой несущей [9].

В таблице 2.2 также указаны необходимые значения отношения сигнал/шум в эфирном радиоканале для двух случаев эфирного приема - на стационарную, многоэлементную ТВ-антенну и на простую антенну переносного телевизора. Приведенные значения отношения сигнал/шум обеспечивают получение коэффициента ошибок 2 Ч 10 на выходе декодера сверточного кода. Окончательный выбор перечисленных параметров системы цифрового вещания делается путем анализа нескольких альтернативных вариантов [9].

Таблица 2.2 - Скорость передачи данных при неиерархической модуляции 8 К и 2 К

Вид модуляции	Скорость кода	Отношение сигнал/шум в радиоканале, дБ	Полезная скорость, Мбит/с
		Стационарная антенна (F1)	Переносная антенна (Р 1)	D/Tu=1/4	D/Tu=1/8	D/Tu=1/16	D/Tu=1/32
4-ФМ	1/2	3,6	5,4	4,98	5,53	5,85	6,03
4-ФМ	2/3	5,7	8,4	6,64	7,37	7,81	8,04
4-ФМ	3/4	6,8	10,7	7,46	8,29	8,78	9,05
4-ФМ	5/6	8,0	13,1	8,29	9,22	9,76	10,05
4-ФМ	7/8	8,7	16,3	8,71	9,68	10,25	10,56
16-КАМ	1/2	9,6	11,2	9,95	11,06	11,71	12,06
16-КАМ	2/3	11,6	14,2	13,27	14,75	15,61	16,09
16-КАМ	3/4	13,0	16,7	14,93	16,59	17,56	18,10
16-КАМ	5/6	14,4	19,3	16,59	18,43	19,52	20,11
16-КАМ	7/8	15,0	22,8	17,42	19,35	20,49	21,11
64-КАМ	1/2	14,7	16,0	14,93	16,59	17,56	18,10
64-КАМ	2/3	17,1	19,3	19,91	22,12	23,42	24,13
64-КАМ	3/4	18,6	21,7	22,39	24,88	26,35	27,14
64-КАМ	5/6	20,0	25,3	24,88	27,65	29,27	30,16
64-КАМ	7/8	21,0	27,9	26,13	29,03	30,74	31,67

2.5 Структура кадра OFDM

При выборе структуры кадра необходимо обеспечить, во-первых, быстрое вхождение в синхронизм демодулятора цифрового телевизора, с тем чтобы не вызвать чувства раздражения у телезрителей в моменты переключения телевизора с одной программы на другую. Во-вторых, формат кадра OFDM должен быть согласован с форматом транспортного пакета MPEG-2 (длительность пакета 204 байта), с тем чтобы взаимные преобразования этих форматов в модеме могли быть выполнены простыми техническими средствами [9].

В результате учета этих требований в стандарте OFDM была принята двухступенчатая структура передачи данных в виде супер-кадра, состоящего из 4 кадров OFDM. При этом в одном супер-кадре содержится целое число транспортных пакетов MPEG-2, что позволяет производить взаимные преобразования форматов транспортных пакетов и супер-кадра OFDM без введения в модем OFDM стаффинг-синхронизации. В то же время наличие в супер-кадре 4 кадров повышает в 4 раза скорость передачи сигналов синхронизации, за счет чего обеспечивается приемлемое время вхождения в синхронизм демодулятора телевизора.

Структура кадра состоит из 68 символов OFDM, которым присвоены номера от 0 до 67. Длительность кадра равна TF=68*TS, а значения TS (длительности информационных символов) для различных режимов работы приведены в таблице 2.1. Кадр содержит для режимов модуляций 8 К и 2 К, соответственно, 6817 и 1705 несущих.

Для работы приемного устройства необходимо совместно с информационными символами передавать опорные сигналы, во-первых, сигналы для фазовой автоподстройки опорных частот демодулятора, во-вторых, - сигналы тактовой синхронизации функциональных блоков демодулятора, в-третьих, - сигналы для оценки состояния эфирного радиоканала, в-четвертых, - сигналы управления демодулятором, содержащие информацию об используемых режимах модуляции. Для этих целей в каждом символе OFDM для режимов модуляции 8 К и 2 К выделено, соответственно, 769 и 193 опорных несущих, которые по сравнению с информационными несущими передаются с повышенной на 2,5 дБ мощностью [9].

Для фазовой автоподстройки опорной сетки когерентных частот демодулятора используются так называемые фиксированные опорные несущие, частотные позиции которых в каждом символе OFDM постоянны.

Всего для этой цели в режимах 8 К и 2 К используется соответственно 177 и 45 фиксированных несущих. Фиксированные несущие модулируются опорной псевдослучайной последовательностью [9].

Для повышения живучести системы OFDM и снижения числа цифровых ошибок в демодуляторе ведется оценка текущего состояния амплитудно-частотной характеристики сквозного радиоканала модема, на основании чего производится расчет текущей переходной характеристики радиотракта и выбирается оптимальный временной интервал ("временное окно") для декодирования информационных сигналов. Для этой цели используются так называемые рассредоточенные опорные несущие, частотные позиции которых смещаются при переходе от одного символа OFDM кадра к другому символу OFDM (Причем эти изменения номеров рассредоточенных несущих производятся с периодом 4 символа OFDM, т.е., например, частотные позиции рассредоточенных несущих в символе OFDM c номером 0 и номером 3 совпадают. В результате такого периодического сдвига частот, рассредоточенных опорных несущих происходит более точное частотное сканирование сквозной АЧХ радиотракта модема. Для этой цели используются в режимах 8 К/2 К соответственно 524 и 131 рассредоточенных опорных несущих, которые модулируются опорной псевдослучайной последовательностью [9].

Кроме того, для передачи сигналов управления демодулятором в режимах 8 К и 2 К используются соответственно 68 и 17 рассредоточенных несущих.

2.6 Канальное кодирование

Канальный кодек включает в себя систему внешнего и внутреннего кодирования модема. Такая структура кодека позволяет унифицировать ряд его функциональных узлов для эфирных, спутниковых и кабельных систем цифрового вещания за счет того, что общие для этих систем вещания операции по обработке данных выполняются во внешней системе кодирования, а дополнительная обработка данных, зависящая от вида модуляции и среды передачи, выполняется в составе внутренней системы кодирования модема. Такая унификация дает экономический эффект и сокращает сроки внедрения, так как в этом случае для создания аппаратуры цифрового эфирного вещания можно использовать новые технологии и специализированные интегральные схемы, разработанные для систем спутникового и кабельного цифрового вещания. По этой причине в стандарте эфирного цифрового вещания было принято, что используемые во внешней системе канального кодирования модема OFDM структура цикла обработки данных, методы скремблирования, помехоустойчивого кодирования кодом Рида-Соломона и сверточного перемежения данных остаются такими же, как и в системах цифрового спутникового и кабельного вещания. Кроме того, во внутренней системе канального кодирования модема OFDM используется тот же метод сверточного кодирования, который принят в системе цифрового спутникового вещания. Кратко поясним выполняемые ими функции в модеме OFDM [9].

2.6.1 Внешнее канальное кодирование

Цикл обработки данных в системе внешнего канального кодирования модема OFDM синхронен с частотой передачи транспортных пакетов MPEG-2 и включает в себя группу из 8 транспортных пакетов по 188 байтов каждый. Для введения сигнала цикловой синхронизации в первом транспортном пакете цикла производится инверсия символов стартовой синхрогруппы пакета. В остальных семи транспортных пакетах цикла стартовые синхрогруппы не инвертируются.

Скремблирование вводится для устранения длинных серий "0" или "1" в транспортных пакетах MPEG-2, за счет чего обеспечивается устойчивая работа системы тактовой синхронизации приемного устройства. При этом, чтобы не нарушить в демодуляторе цикловую синхронизацию, стартовые синхрогруппы транспортных пакетов скремблированию не подвергаются.

Помехоустойчивое кодирование транспортных пакетов MPEG-2 выполняется совместно со стартовыми синхрогруппами пакетов и производится кодом Рида-Соломона, что позволяет скорректировать 8 пакетов цифровых ошибок размером по 1 байту. После такого кодирования длительность транспортного пакета возрастает с 188 до 204 байтов.

Перемежение данных вводится для защиты от пакетов цифровых ошибок размером больше 1 байта. С этой целью производится перестановка двух соседних байтов транспортного пакета на глубину перемежения 12 байтов. При этом, чтобы не нарушить в демодуляторе цикловую синхронизацию, стартовые синхрогруппы в транспортных пакетах перемежению не подвергаются и остаются на своих временных позициях [9].

2.6.2 Внутреннее канальное кодирование

Внутреннее канальное кодирование модема OFDM вводится с целью защиты передаваемой информации, во-первых, от селективных замираний, несущих в групповом сигнале OFDM при работе в синхронной одночастотной сети ТВ-вещания. Во-вторых, для защиты от помех при многолучевом приеме в переносных ТВ-приемниках, работающих с простыми домашними дипольными антеннами.

Кроме того, эта система помехоустойчивого кодирования должна снизить коэффициент цифровых ошибок на выходе демодулятора с 10...10 до уровня 2 Ч 10, что необходимо для нормальной работы указанной выше унифицированной внешней системы кодозащиты модема OFDM. Для повышения помехоустойчивости цифровой поток с выхода внешней системы кодозащиты модулятора проходит сверточное кодирование.

Необходимо отметить, что заимствованный из системы цифрового спутникового вещания сверточный код не является полностью оптимальным для условий приема демодулятора OFDM. По этой причине при разработке стандарта предлагались и другие коды. Однако сравнительные оценки корректирующих способностей различных кодов и такие же оценки стоимости создания новых технологий и специализированных интегральных схем для реализации новых методов кодирования показали целесообразность унификации и стандартизации сверточного кодирования для эфирного и спутникового вещания, что и было сделано в стандарте. Дальнейшая обработка данных при внутреннем кодировании вводится для защиты от селективных замираний несущих группового спектра OFDM, для чего производится побитное и побайтовое перемежение данных вводится для защиты от пакетов цифровых ошибок размером больше 1 байта. С этой целью производится перестановка двух соседних байтов транспортного пакета на глубину перемежения 12 байтов. При этом, чтобы не нарушить в демодуляторе цикловую синхронизацию, стартовые синхрогруппы в транспортных пакетах перемежению не подвергаются и остаются на своих временных позициях [9].

3. Одночастотные сети цифрового эфирного вещания - преимущества и особенности построения

Одночастотные сети (Single Frequency Network - SFN) - существенное преимущество, предлагаемое цифровой модуляцией COFDM, используемой в стандарте DVB-T. Здесь имеется множество передатчиков, которые покрывают смежные области, и работают на одной частоте, передавая одинаковые программы.

Особенностями SFN сетей являются:

Простота реализации ретрансляторов для исключения теневых зон, увеличения радиуса покрытия и возможности перекомбинации транслируемых программ.

Повторное использование той же самой несущей частоты при многократном покрытии расстояния.

Спектральная эффективность.

Эффект усиления поля при наличии передатчиков с перекрывающимися зонами покрытия.

Отсутствие четкой зоны покрытия (сглаженный контур).

Простота покрытия теневых зон или увеличения зоны покрытия за счет установки простейших ретрансляторов.

3.1 Варианты исполнения

Принципиально возможно исполнение SFN по трем вариантам [10].

Перетрансляция сигнала из одной зоны в другую посредством простейшего переусиления по ВЧ (рисунок 3.1).

В этом случае в составе SFN сети используется единственный, общий для всех COFDM кодер (DVB-T модулятор).



Рисунок 3.1 - Простейший вариант исполнения SFN

Второй вариант использует аналоговое распределение по ПЧ (например, посредством ВОЛС) COFDM сигнала к каждому из передатчиков (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Второй вариант исполнения SFN

При этом также в сети используется единственный COFDM кодер [10].

- В третьем варианте (рисунок 3.3) предусматривается цифровое распределение самого исходного MPEG потока (TS) по любой из имеющейся транспортной сети (например, PDH, ATM, SDH и т.п.).



Рисунок 3.3 - Третий вариант исполнения SFN - цифровое распределение MPEG потока

В этом случае число передатчиков эквивалентно числу COFDM кодеров. Такая технология - самая сложная, но в то же время и самая совершенная, гибкая и мощная. Она может использоваться в комбинации с любой из двух вышеупомянутых альтернативных технологий или в сочетании с обеими сразу. Поэтому выбираем последний вариант исполнения.

3.2 Ограничения SFN

Как было отмечено выше, для одночастотной технологии необходимо, чтобы сигнал, принимаемый от любого передатчика, был идентичен с эхо-сигналом, полученным от любого другого передатчика данной сети. Как следствие, все связанные сигналы данной SFN должны быть идентичными, то есть должны быть синхронизированы по времени, по частоте и на уровне передачи битов [10].

COFDM сигнал состоит из множества параллельных несущих, и каждая из этих тысяч несущих, передаваемая целым семейством передатчиков, работающих в единой SFN, должна излучаться на одной и той же высокой частоте. Требуемая точность частоты зависит от частотного интервала между соседними несущими, который часто именуется как "разнос несущих частот", обозначается f. Если за fк обозначить идеальную позицию кi несущей в спектре ВЧ несущей, то каждый из передатчиков должен излучать эту кi несущую с допуском не хуже:

, (3.1)

что подтверждается практическими испытаниями [10].

Для выполнения этого требования все каскадно включенные гетеродины передатчика (от базовой полосы baseband до выходной частоты) должны иметь допуск по стабильности не хуже, чем это определено формулой (3.1). Так, если разнос несущих частот для режима 8k составляет 1116 Гц, то стабильность частоты должна быть не хуже 1,1 Гц (для режима 2 k - 4,5 Гц). Такая стабильность достигается проще за счет использования гетеродинов с внешним генератором опорного сигнала.

В качестве генераторов синхронизирующих импульсов используют сигналы с GPS (Global Positioning Satellite - спутник глобального местонахождения).

Системы COFDM предусматривают возможность пересечения зон покрытия от разных передатчиков без появления помех. Причем, в пределах определенной зоны наложение сигнала от дальнего передатчика не создает помех, а, напротив, усиливает полезный сигнал. Такой эффект возможен только при временной синхронизации всех передатчиков SFN, так как один и тот же символ должен излучаться в один и тот же момент из нескольких мест, независимо от временной задержки, вводимой магистральной распределительной сетью (МРС). Из-за наличия определенной величины длительности защитного интервала требуемая точность синхронизации не очень высока. Считается, что точность временной синхронизации с разбросом в пределах ±1 мкс является вполне достаточной [10].

Тем не менее, следует отметить встречающиеся практические случаи работы SFN, связанные с неизбежным наличием эхо-сигналов. В частности, когда временная задержка эхо-сигналов превышает длительность защитного интервала, будет наблюдаться эффект очень быстрой деградации рабочих характеристик, обязанной двум причинам:

1) Нарушается правило ортогональности из-за межсимвольных помех, что приводит к резкому увеличению вероятности ошибки (BER). Разумеется, что большее значение BER будет соответствовать более высокой скорости передачи цифрового потока, то есть режиму 64QAM, а не QPSK.

2) При наличии эхо-сигналов, задерживаем свыше четверти полезной длительности символа, детектор приемника не в состоянии правильное его распознать. Следует помнить, что режим Тu/4 является предельным в части предоставления предельно допустимых скоростей, однако наиболее защищенным в части эхо-сигналов [10].

Как следствие, фактическая зона покрытия набором SFN передатчиков строго зависит от рабочих характеристик подсистемы временной синхронизации. Всякое смещение синхронизации в конкретном узле сети можно рассматривать как изменение зоны покрытия или, что фактически эквивалентно, изменение требуемого C/N на входе приемника.

Излучение одного и того же символа в одно и то же время требует, чтобы все несущие были тождественно модулированы. Следовательно, одни и те же биты должны модулировать ту же самую кi несущую. Допуск по этой норме - нуль.

3.3 Сетевые требования

Максимальное время прохождения сигнала в сети - это разность между временем прохождения сигнала от мультиплексера через сеть до самого ближайшего передатчика и временем прохождения того же самого сигнала до самого удаленного передатчика. Эта разность во времени будет зависеть, в основном, от технологии исполнения SFN. Наиболее вероятно, что максимальная разница во времени будет наблюдаться в смешанных сетях, например, когда MPEG-2 TS до одних передатчиков будет доставляться посредством ВОЛС, а до других передатчиков - посредством спутниковой линии связи. Однако очень маловероятно, чтобы разница во времени превышала хотя бы одну секунду [10].

Время прохождения сообщения в пределах рассматриваемой ветви сети не обязательно постоянное. Например, положение спутника на геостационарной орбите не является абсолютно устойчивым и колеблется в пределах куба около 75 км в течение одного месяца. Поэтому время прохождения сигнала по спутниковой линии связи может изменяться на ±250 мкс, что намного больше допуска. Такую особенность необходимо учитывать при рассмотрении механизма сетевой временной синхронизации, который должен быть терпимым к нестабильности времени прохождения сигнала.

В SFN сети все модуляторы питаются от единого мультиплексера через МРС, которая неизбежно вносит временную задержку. Она будет разной у всех передатчиков в силу их разной удаленности от мультиплексера даже при единой технологии распределения сигнала (например, ВОЛС). В силу этого имеется потребность во внешнем абсолютном провайдере времени, способном предложить каждому участку сети генератор синхросигналов с точностью не хуже 1 мкс. Для этой цели наилучшим источником оказался GPS. Для реализации единой временной синхронизации сети в состав каждого из DVB-T модулятора включают специальный GPS приемник, обеспечивающий как опорную частоту (10 МГц), так и опорную фазу абсолютного времени.

В части временной синхронизации добавим, что стандартом предусмотрено множество различных конфигураций модуляторов, в силу чего применительно к SFN трудно гарантировать, что конфигурация всех COFDM кодеров позволит им работать синхронно. Для устранения такой проблемы вводится дистанционное управление кодерами сети с центральный станции, где размещен общий для них мультиплексер. Управление может быть реализовано, например, путем внедрения соответствующих данных в MPEG пакеты. Для целей синхронизации и координации работы всех передающих станций в транспортный поток вводится новая структура - мега-фрейм [10].

3.4 Мега-фрейм

Один фрейм DVB-T вне зависимости от параметров передачи включает 68 OFDM символов. Для режима 8к - 68 символов всегда соответствуют целому числу пакетов MPEG -2 с наложенным кодом Рида-Соломона. Этот факт не зависит от уровня модуляции и относительной скорости внутреннего кодирования. В режиме 2к такая целостность, к сожалению, не соблюдается, поэтому пришлось ввести понятие супер-фрейма, включающего четыре последовательных фрейма (вне зависимости от количества базисных функций быстрого преобразования Фурье). В пределах супер-фрейма упомянутая целостность сохраняется для обоих режимов.

Тем не менее, для потоков MPEG-2 TS, предназначенных для передачи по одночастотной сети, следует ввести еще понятие мега-фрейма, в рамках которых можно обеспечить синхронный рестарт генераторов псевдослучайной последовательности PRBS, налагаемой на информационные потоки для введения энергетической дисперсии.

Архитектура системы раздачи сигнала DVB-T передатчикам одночастотной сети показана на рисунке 3.5. Блоки, введенные для обеспечения синхронной работы передатчиков, выделены серым фоном. Они могут быть выполнены в виде отдельных устройств или быть интегрированы в мультиплексер и/или в модулятор [9].



Рисунок 3.5 - Одночастотная сеть первичного распределения сигнала DVB-T

В состав SFN сети входят следующие функциональные блоки и модули:

MPEG-2 ремультиплексер - ремультиплексирует программы от различных входных каналов, обновляет SI (Service Information) и формирует MPEG-2 TS;

SFN адаптер - формирует мега-фрейм, состоящий из n TS пакетов, соответствующих 8 DVB-T фреймам для режима 8k или 32 фреймам для режима 2k, и вводит Пакет инициализации мега-фрейма (MIP), которому присваивается отдельный PID (Packet IDentifer). MIP c информацией о мега-фрейме с номером M+1 вводится в любую часть мегафрейма с номером M. Он, в частности, содержит указатель, позволяющий обнаружить начало мегафрейма M+1. В MIPM заносится временная разница между последним импульсом эталонной последовательности pps (one pulse per second - один импульс в секунду) от системы GPS, предшествующим началу мегафрейма М+1, и фактическим началом этого мега-фрейма (первого бита его первого пакета). Этот параметр называется меткой временной синхронизации (Synchronization Time Stamp-STS). Длительность мега-фрейса не зависит от величины полезной части символа, типа модуляции и скорости помехозащитного кодирования сигнала DVB-T.

Его длительность будет определяться только защитным интервалом, в зависимости от величины которого она может принимать одно из следующих значений:

1) 0,502656 с (TU = 1/32);

2) 0,517888 с (TU = 1/16);

3) 0,548352 с (TU = 1/8);

4) 0,609280 с (TU = 1/4).

Последовательность на выходе SFN адаптера должна быть полностью совместима с форматом DVB/MPEG-2 TS.

Сетевые адаптеры передатчика/приемника должны обеспечивать прозрачную стыковку параметров потока MPEG-2 TS при переходе из одной среды в другую в процессе передачи от центрального станции к удаленным. Максимальное время задержки МРС (обязанное различным частям МРС) системы синхронизации не должно превышать 1 с. Как правило, сетевые адаптеры являются многоканальными, то есть рассчитанными для одновременной работы с несколькими потоками, в силу чего они пригодны и для иерархического режима работы.

Система синхронизации обеспечивает компенсацию времени распро-странения, сравнивая вводимую временную метку синхронизации STS (Synchronization Time Stamp) с местной системой отсчета времени, и вычисляет дополнительное время задержки, необходимое для синхронизации SFN.

DVB-T модулятор должен обеспечивать фиксированное время задержки между входным цифровым и выходным ВЧ интерфейсами. Информация, вводимая в MIP, может быть использована для управления режимами работы модулятора. Все DVB-T модуляторы должны быть синхронизированы по времени, а все излучаемые сигналы - идентичны с точностью до бита.

GPS - самая эффективная, экономичная и доступная система отсчета времени из существующих в настоящее время. GPS приемники доступны по цене и формируют как опорную частоту в 10 МГц, так и систему отсчета времени 1 импульс в секунду (1 pps). Система эталонного времени в 1 pps, используемая для синхронизации SFN, работает на базе генератора импульсов с периодом 100 нс (с частотой 10 МГц) [10].

4. Выбор оборудования

Для выбора оборудования проанализируем цифровые передатчики двух производителей: Rohde&Schwarz [11] и ЗАО [12] Кабельные сети. Оба передатчика поддерживает сети SFN. Основные функции представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Основные функции и возможности передатчиков

Функции	R&S	Кабельные Сети
Стандарт ЦТВ	DVB-T, DVB-H, ATSC, аналоговый стандарт	DVB-T, DVB-H
Эхоподавление	программное эхоподавление с невысоким коэффициентом ослабления отраженного сигнала, улучшенная избирательность обратного канала	Поддерживает
Выходная мощность	ОВЧ: до 50 Вт, УВЧ: до 100 Вт, аналоговый стандарт - 250 Вт.	До 1000 Вт
Широкополосный вход	170-250 МГц, 470-862 МГц	170-250 МГц, 470-862 МГц
Фильтры	Цифровой фильтр, обеспечивающий высокую избирательность, фильтр ПАВ для подавления помех соседнего канала (5, 6, 7, 8 МГц)	Нет информации
Способы управления	Управление с локального или удалённого компьютера через стандартный веб-браузер, дистанционное обновление программного обеспечения, местное управление и отображение информации, Интерфейс Ethernet (RJ-45).	RS232/485, Ethernet
Блок питание	Высококачественный блок питания с входным напряжением от 90 до 265 В (перем.) или альтернативный блок питания с входным постоянным напряжением 48 В (пост.)	Нет
Приемник GPS	Встроен	точность синхронизации в одночастотной сети ± 200 ns
Синхронизация	Опорная частота 10 MГц, от 0,1 до 5 В (ампл.) или уровни TTЛ, разъём типа BNC. Опорный импульс 1 импульс в секунду (1 Гц, уровни TTЛ, разъём типа BNC)	10 MHz ± 0.5 ppm
Уровень побочных излучений, поступающих в фидер антенной системы	-60 дБ	- 60 dB
Доп. Функции	Широкополосный усилитель с системой ввода предыскажении для цифровых стандартов, встроенная система мониторинга качества сигнала DVB-T/-H, большой выбор опциональных интерфейсов (например, SNMP)	Резервный DVB-T модулятор, Цифровая предкоррекция и высокое качество модуляции, обеспечивающие максимальную зону покрытия. Иерархическая модуляция

Из таблицы видно, что передатчик R&S обладает множеством функции, но выходная мощность мала, т.к предназначена для покрытия вещанием в основном малых территории (городов Европы), а передатчик фирмы Кабельные сети обладает большей мощностью, которая подходит для покрытия больших городов и по цене она намного дешевле. Поэтому выбираем передатчик фирмы Кабельные сети.

5. Сетевое планирование

5.1 Понятие медианного напряжения

Зоной покрытия (обслуживания) принято называть территорию, на границе которой гарантируется прием с заданным качеством. Понятие "гарантируется" весьма условно, поскольку в действительности качество приема зависит от множества факторов: параметров STB, характера местности, времени суток и года и т.п. Границу ЗП определяют как геометрическое место точек, в которых значения напряженности поля Е равны нормируемым (т.е. минимально допустимым) значениям в течение времени Т в L % мест приема. Обычно поле характеризуется средним уровнем, называемым медианным Е_мед. Это уровень, превышаемый в 50 % времени приема (рисунок 5.1) [13]).

Рисунок 5.1 - Представление медианного напряжения

Характеризуя средний уровень принимаемого сигнала, медианный уровень не отражает его отклонения от среднего значения, т.е. глубины замирания или превышения. Два сигнала с одинаковым медианным уровнем могут претерпевать разные отклонения. Кроме медианного, используют также значения уровней, превышаемых в течение другого заданного времени приема Т в процентах и записываемых как Е(Т). Тогда медианный уровень Е_мед = Е(50), а уровни, превышаемые в течение 90 и 10 %, - Е(90) и Е(10) (иногда обозначаются как Е 0,9 и Е 0,1 соответственно).

...