Проектирование распределительной сети телевещания для микрорайона Таврово-2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Основной задачей данной курсовой работы является выбор оптимального способа и технологии доставки телевизионных программ ко всем абонентам на территории Тавровского с.о. района Белгородской области.

От правильного выбора технологии доставки телевизионного контента в район в конечном итоге зависят затраты на строительство и качество каналов передачи, функционирование линии в целом. Такая задача имеет многовариантный характер, так как при одних и тех же затратах на построение и сооружение коаксиальных, гибридных оптико-коаксиальных систем, сотовых, спутниковых и других систем телевизионного вещания, требуемые показатели качества могут быть обеспечены при различных экономических затратах. Соответственно возникает задача выбора оптимальной технологии или совокупности технологий, которые обеспечивали бы устойчивый прием программ цифрового телевидения на всей территории района при минимальных затратах на построение линии.

Целью данной курсовой работы является разработка проекта системы цифрового наземного телевизионного вещания, которая обеспечивала бы устойчивый прием программ цифрового телевидения на территории с ИЖС застройкой на территории Тавровского с.о. района Белгородской области. Переход к цифровым методам передачи обычно связывают с улучшением качественных показателей видеоизображения. Наиболее эффективным путем обеспечения качественного приема является: выбор оптимального места установки приемной антенны и типа антенной системы.

Основной целью развития телерадиовещания до 2015 года является обеспечение населения многоканальным вещанием с гарантированным предоставлением обязательных общедоступных телевизионных каналов и радиоканалов заданного качества, что позволит государству реализовать функции по обеспечению конституционного права граждан на получение информации.

Для достижения указанной цели государство реализует следующие основные функции:

-создание условий для обеспечения граждан России социально значимой информацией;

-определение технической политики вещания;

-обеспечение функционирования инфраструктуры аналогового эфирного вещания до полного перехода на цифровые технологии;

-конверсия радиочастотного спектра и частотно-территориальное планирование;

-создание условий для развития новых видов телевизионной и радиотрансляции, включая трансляцию мобильного и интернет-телевидения, телеканалов высокой четкости и спутниковую непосредственную телерадиотрансляцию;

-определение этапов и сроков перехода на цифровой формат вещания;

-разработка механизмов управления реализацией Концепции;

-совершенствование нормативной правовой базы, в том числе:

-определение единых правил лицензирования вещания независимо от способов и технологий трансляции;

-определение правил лицензирования деятельности в области оказания услуг связи для целей телерадиовещания.

Принятие государством четких правил развития цифрового вещания, включая введение механизма государственного финансирования распространения обязательных общедоступных телевизионных и радиоканалов, позволит вещателям и операторам связи за счет собственных средств максимально быстро создать необходимую инфраструктуру для цифрового телерадиовещания.

1. Анализ существующих условий приёма ТВ сигнала на территории Тавровского с.о. района Белгородской области

Тавровское сельское поселение находится в живописном месте, в 10 км. от Белгородского районного центра. С восточной стороны, в 5-ти километрах от мкр-н. Таврово находится Белгородское водохранилище. Большую его часть занимает равнина. На территории Тавровского поселения преобладают широколиственные леса... Общая численность населения по состоянию на 31 декабря 2009 года составляет 4639 человек

Рис. 1 Схема Тавровского с.о.

Зоны приёма и тени, и анализ услуг.

Климат исследуемой территории умеренно-континентальный, с жарким сухим летом и изменчивой прохладной зимой. Осадков 480-550 мм в год, в основном летом.

· Среднегодовая температура воздуха - 6,3°C

· Среднегодовая влажность воздуха - 76%

· Среднегодовая скорость ветра - 5-7 м/с

Таблица Климат исследуемого района

Климат
Показатель	Янв	Фев	Мар	Апр	Май	Июн	Июл	Авг	Сен	Окт	Ноя	Дек	Год
Средний максимум, °C	?4,8	?3,3	1,9	12,6	20,7	23,6	25,1	24,3	18,6	11,0	2,7	?1,8	10,9
Средний минимум, °C	?11,1	?9,6	?4,9	3,2	9,4	12,6	14,3	13,3	8,4	3,1	?2,5	?6,9	2,4
Норма осадков, мм	52	40	36	46	48	67	72	53	49	40	52	50	605

Самый холодный месяц - январь. Безморозный период составляет 155-160 дней.

Самые дождливые месяцы - июнь и июль.

При анализе местности по фотоснимкам со спутника (рис.1.1) было выявлено, что рельеф местности в районе Тавровского с.о. равнинный с ложбиной на юге поселения ,в которой также имеется застройка. Из-за возникновения зоны радиотени на данной территории будет неуверенный приём существующего телевизионного сигнала.

Рис 1.1 Зоны приёма уровня ТВ-сигнала: Зелёный - уверенный уровень приёма сигнала; Красный - неуверенный уровень приёма сигнала

антенна цифровой телевизионный сигнал

В зоне уверенного приёма абоненты могут принимать основной пакет телеканалов: Россия», «Первый канал», «НТВ», «Культура», «ТВ-Центр», «СТС», «РБК», «Спортивный канал 7 ТВ». В зоне неуверенного приёма такое количество каналов абонентам недоступно.

В ходе курсового проекта необходимо решить задачу обеспечения Тавровского с.о. уверенным приёмом ТВ сигнала. Также необходимо увеличить количество телевизионных каналов, которые смогут принимать абоненты.

2. Анализ стандартов ТВ вещания

2.1 Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T

Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T (Система В в МСЭ-Р) определяется как функциональный блок оборудования, обеспечивающий адаптацию цифрового ТВ сигнала, представленного в основной полосе частот на выходе транспортного мультиплексора MPEG-2, с характеристиками стандартного наземного радиоканала вещания, имеющего ширину полосы частот 8 МГц.

Поскольку система DVB-T, как и любая другая система ЦНТВ, должна использовать существующие частотные планы и в течение достаточно длительного переходного периода обеспечивать вещание наряду с действующими аналоговыми ТВ системами (в России стандарта D,K/SECAM), она должна обладать требуемой помехозащищенностью со стороны аналоговых систем и не должна создавать недопустимых помех для них.

Рис. 2.Структурная схема передающей части системы DVB-T

Выход транспортного мультиплексора является точкой стыка подсистем формирования и передачи транспортных пакетов. Таким образом, входным сигналом тракта адаптации является поток транспортных пакетов фиксированной длины 188 байт, из которых один (первый) байт служит для цикловой синхронизации.

Построение подсистемы кодовой защиты в системе DVB-T выполнено по традиционному для систем ЦНТВ каскадному принципу. Для защиты от ошибок в демодулируемом сигнале COFDM служит внутренний сверточный кодек с набором различных кодовых скоростей и относящийся к нему блок внутреннего перемежения-деперемежения битов. Для исправления пакетов ошибок и дополнительного снижения вероятности ошибки в декодированном сигнале служит внешний кодек Рида-Соломона и внешний перемежитель-деперемежитель байтов транспортного потока.

При разработке подсистемы кодирования для канала в системе DVB-T были максимально учтены требования близости структуры и параметров к спутниковой (DVB-S) и кабельной (DVB-C) системам. Так, схемы внешнего кодирования и внешнего перемежения являются одинаковыми во всех трех системах DVB. Схемы внутреннего кодирования и рандомизации (скремблирования) соответствуют таковым в спутниковой системе DVB-S.

2.2 Система цифрового спутникового ТВ вещания DVB-S2

· Стандарт системы второго поколения (DVB-S2) для видеовещания, интерактивных услуг, сбора новостей и других широкополосных спутниковых (SAT) приложений является дополнением к широко используемому стандарту SAT-вещания DVB-S. Новый стандарт был разработан консорциумом DVB Project (Digital video Broadcasting Project - Проект цифрового видеовещания - организация, занимающаяся разработкой стандартов в области цифрового телевидения для Европы) и детально технически исследован Совместным Техническим комитетом (JТС - Joint Technical Committee) радиовещания Европейского Союза радиовещания (RBU - European Broadcasting Union), Европейским комитетом по электротехнической стандартизации CENELEC и Европейским Институтом Телекоммуникационных Стандартов (ETSI - European Telecommunications Standards).

Основные характеристики DVB-S2

DVB-S2 - это DVB спецификация для широкополосных SAT применений второго поколения, разработанная на базе отработанных технологий DVB-S [2] и DVB-DSNG (Digital Satellite News Gathering - цифровая спутниковая видео журналистика). Под DSNG обычно понимают передвижные системы передачи TV информации с мест событий, именуемые системами сбора новостей. Система DVB-S2 разрабатывалась в основном для:

· услуг TV вещания стандартной четкости (SDTV) и TV высокой четкости (ТВЧ или HDTV);

· интерактивных услуг, включая доступ в Internet;

· профессиональных приложений.

Для всех этих приложений DVB-S2 использует последние достижения как в модуляции, так и в кодировании канала, что позволяет увеличить пропускную способность порядка 30% и более в сравнении с DVB-S. В пределах передаваемого потока данных может использоваться широкий набор адаптивного кодирования, модуляции и уровней защиты от ошибок (т.е. скорости кодирования). Посредством реверсного канала (а это может быть любой физический канал, включая и телефонные линии), информирующего передатчик о фактических условиях приема, могут быть оптимизированы параметры передачи для каждого индивидуального пользователя в режиме вещания “точка-точка”.



Рисунок 2.1 Схема DVB-S2

Важно акцентировать внимание на "изюминке" DVB-S2 - это адаптивное кодирование и модуляция АСМ. Такой режим работы применим для приложений класса "точка-точка" (двухточечные приложения, например, IP вещание в один адрес или DSNG. Суть режима АСМ сводится к тому, что в зависимости от приема сигнала (например, наличия дождя), меняется режим работы модулятора DVB-S2, т.е. изменяются скорость кодирования (СR) и формат модуляции, вследствие чего меняется и требуемое C/Nтреб у абонента. Проще говоря, режим АСМ позволяет достигать максимальной скорости цифрового потока для любых погодных условий. Очевидно, что порог C/N устанавливается на приемной стороне потребителем данной услуги (рис. 3) за счет непрерывного измерения C/N + I (отношение несущая/шум + помеха) и посылки измеренного значения на вещательную наземную передающую станцию посредством реверсного канала. При этом параметры кодирования и модуляции могут изменяться от кадра к кадру 2.3. Система цифрового кабельного ТВ вещания DVB-C.

Структура системы DVB-C максимально гармонизирована со структурой спутниковой системы DVB-S, но в качестве типа модуляции в ней используется M-QAM с числом позиций М от 16 до 256. На рис. 2.2 показана структура оборудования головной станции кабельной линии и абонентского приемника-декодера для такой линии.



Рисунок 2.2 Структурная схема системы DVB-C

Входными сигналами на головной станции являются транспортные пакеты MPEG-2 и такты, получаемые через интерфейс в основной полосе от:

· спутниковой линии,

· технологических линий,

· локальных программных источников и т.п.

Характерной особенностью рассмотренного тракта адаптации является отсутствие внутреннего сверточного кодека и наличие формирования спектра в основной полосе. Защита от пакетированных ошибок производится исключительно за счет перемежения на выходе кодера Рида-Соломона.

После сверточного перемежения непрерывную последовательность байтов необходимо разделить на короткие последовательности битов, каждая из которых соответствует символу QAM, т.е. определенной точке на квадратурной диаграмме модулированного сигнала. Такие последовательности двоичных символов называются кортежами. Длина кортежа

т = log2(M)

где М -- число позиций сигнала M-QAM.

Циклическая задача отображения байтов в кортежи для одного цикла может быть выражена формулой 8k = пт, где: k -- число преобразуемых байтов по 8 бит; п -- число кортежей длиной т бит.

2.3 Система мобильного ТВ вещания DVB-H

Стандарт DVB-H (мобильное вещание) базируется на более раннем вышедшем стандарте DVB-T (цифровое эфирное вещание) в части расширения некоторых устанавливаемых параметров, ориентированных на условия приема цифровых сигналов в мобильных условиях.

Какие же задачи призвана решать система DVB-H? Основными из них являются:

-Экономия тока потребления аккумуляторной батареи мобильного терминала. Эта задача явилась определяющей при формировании концепции мобильного вещания.

-Устойчивый мобильный прием в движении, в том числе на больших скоростях.

-Возможность приема при многолучевом распространении сигнала, особенно в комнатных условиях.

-Полная совместимость с уже существующими сетями DVB-T.

Рисунок 2.3 Концептуальная структура DVB-Н приема

Главные отличия от DVB-T заложены в канальном уровне (т.е. уровне, выше физического уровня). Прежде всего - это квантование по времени (Time Slicing) и введение упреждающей коррекции ошибок (MPE - FEC), что позволило резко увеличить вероятность приема в сравнении с DVB-T.

Принцип временного уплотнения, позволяющего существенно экономить токопотребление DVB-H терминала, показан на рис 2.3, из которого видно, что полезная информация передается/принимается с большой скоростью (например, 10 Мбит/с), но в очень короткий промежуток времени в сравнении со временем ожидания. Для качественного воспроизведения DVB-H TV услуги вполне достаточна скорость цифровой информации в 250 кбит/с. Таким образом, отношение времен отключения приемника и его работы составляет 40 (10/0,25 = 40), что эквивалентно экономии энергии порядка 90%. Стандартом DVB-H в дополнение к существующим режимам 2k и 8k (для DVB-Т) добавлен промежуточный режим 4k, как наиболее адаптированный для работы в ячейке среднего размера SFN сети.

Условные рекомендации по использованию того или иного режима могут быть сформулированы следующим образом:

Режим 8k - для использования SFN сетях любого размера (больших, средних и малых) и допускает наличие Допплеровского сдвига по частоте при высокоскоростном приеме (т.е. прием осуществляется в движении).

Режим 4k - для мало- и средне-размерных SFN сетей при значительных Допплеровских частотных сдвигах. Пригоден для приема на очень высоких скоростях.

Режим 2k - для малоразмерных SFN сетей. Гарантирует уверенный мобильный прием при самых высоких скоростях в движении (т.е при весьма значительных Допплеровских сдвигах по частоте).

Компромиссное решение режима 4k позволяет обеспечить как портативный, так и мобильный прием при наиболее жестких условиях. Наиболее пригодной модуляционной схемой для DVB-H является формат 16 QAM со скоростью кодирования CR = 1/2 или CR = 2/3, которые обеспечивают достаточную пропускную способность для DVB-H услуг при приемлемом отношении несущая/шум (C/N).

Построение DVB-H сетей экономически целесообразно осуществлять на базе уже существующей DVB-T сети при использовании иерархического режима. Иерархическая модуляция допускает передачу двух независимых потоков, имеющих различные рабочие характеристики и скорости передачи данных в одном и том же физическом ВЧ канале (т.е. в полосе 7,61 МГц). В этом случае транспортный поток (TS) канала с высоким приоритетом (НР) обладает помехозащищенностью, близкой к формату QPSK (т.е. максимально возможной). Иерархическая модуляция является самой рентабельной, т.к. она обеспечивает наибольшую эффективность спектра.

3. Выбор способа доставки и распределения транслируемого контента

Существует несколько способов доставки телевизионного контента в район:

· использование существующей системы аналогового вещания из Белгорода или близ лежащей телевизионной станции

· использование каналов спутниковой системы телевещания

Современные системы телевизионного вещания развиваются в трех направлениях:

первое - интенсивный рост числа коллективных и индивидуальных установок спутникового телевизионного вещания;

второе - внедрение широкополосных сетей кабельного телевидения в полосе 5...862 МГц, способных предоставить телезрителю до 100 и более телевизинных программ;

третье - внедрение и развитие наземного ТВ при реализации систем, так называемого сотового телевещания (системы MMDS - Multichannel Microwave Distribution System - многоканальные, микроволновые системы распределения, LMDS - Local Multipoint Distribution System - локальные многоточечные системы распределения, MVDS - Multipoint Video Distribution System - многоточечные системы распределения телевизионных программ).

Рассмотрим подробней виды сотового телевещания:

Система MMDS.

Аббревиатура MMDS имеет несколько значений. Наиболее часто используется Microwave Multipoint Distribution System (MMDS) - микроволновая (СВЧ) многоточечная дистрибутивная система.

В настоящее время в России для вещания в прямом канале выделен диапазон 2,5 - 2,7 ГГц (24 канала с полосой в 8 МГц). Для реверсного канала (в случае интерактивной MMDS) выделяется участок частот в диапазоне 2,1 - 2,3 ГГц.

К достоинству MMDS следует отнести:

- Простоту доставки ТВ сигналов до абонента при охвате значительной площади.

- MMDS обладает относительно низкой стоимостью передающего оборудования, в основном зависящей от числа транслируемых каналов, мощности передающих устройств и вида MMDS.

При низкой канальной мощности передатчика (обычно не более 100 Вт) удается охватить значительную зону вещания (до 50-70 км) за счет высокого коэффициента усиления приемной антенны (18…25 dB). При этом важно выбрать правильное место установки антенной системы с учетом требуемой санитарной зоны (обычно не более нескольких десятков метров) и рельефа местности.

В одноканальном варианте для передачи n каналов применяется n передающих устройств, включающих модулятор (иногда его именуют возбудитель) и собственно канальный передатчик, а суммирование мощностей от всех передатчиков осуществляют в сумматоре.

В многоканальном варианте передаваемые n каналов сначала поступают на свои модуляторы, далее из них формируется групповой сигнал, который и подается на широкополосный передатчик.

Очевидно, что многоканальный вариант экономически более выгоден, однако следует учитывать, что с увеличением числа каналов канальная мощность снижается примерно в 2n раз. Многоканальные передатчики целесообразно использовать в небольших городах и селениях городского типа, в которых радиус зоны покрытия не превышает 6-10 км.

В качестве источников сигнала используют традиционные головные станции, которые применяются и при построении сетей кабельного телевидения (СКТ).

При необходимости увеличения зоны охвата или при наличии теневых зон, устанавливаются ретрансляторы, работающие в автономном режиме.

Ретрансляторы (трансиверы) для систем MMDS представляют собой комбинацию приемника и маломощного передатчика. С учетом автономности работы ретранслятора, его часто выполняют в герметичном пыле - влагозащищенном корпусе и размещают непосредственно вблизи антенны с целью минимизации потерь в кабеле.

В настоящее время MMDS следует рассматривать как мультисервисную беспроводную (WireLess) систему телевидения, т.е. по полной аналогии с СКТ. Такая двунаправленная система должна в обязательном порядке иметь возможность подключения беспроводной головной системы модемов (WMTS - Wireless Modem Termination System), работающей по стандарту DOCSIS 3.0 WMTS.

Структурная схема интерактивной MMDS должна в обязательном порядке включать в себя:

- передатчик;

- приемник;

- головную станцию;

- WMTS, в сочетании с необходимыми серверами (рисунок 3).

Рис. 3. Структурная схема MMDS

Под головной станцией подразумевается комплект (набор) головного оборудования (ГО), необходимого для формирования группового сигнала (т.е. набора каналов, различающихся по частоте, контентному содержанию, целевому назначению, формату модуляции и т.п.), пригодного для трансляции в HFC сетях.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

· Системы MMDS по своему структурному построению очень близки к традиционным кабельным сетям (СКТ). Принципиальное отличие заключается в замене кабельных участков на эфир.

· В MMDS могут транслироваться все виды сигналов, используемые и при построении СКТ: AM TV, DVB-C, DVB-T, DVB-H и другие.

· MMDS обладает более низкой стоимостью и значительно меньшими временными затратами в сравнении с СКТ. Однако MMDS предусматривает использование индивидуальных (или коллективных на небольшое число абонентов) антенн. А это влечет за собой неизбежное снижение числа подключаемых абонентов (включая и возможное наличие теневых зон).

· Значительно большими коммерческими возможностями обладают интерактивные MMDS, предусматривающие обязательное наличие реверсного канала (по проводной телефонной линии или по эфиру, например, GSM).

· Большей зоной охвата обладают канальные MMDS в сравнении с диапазонными. Однако последние обладают более низкой стоимостью.

· Для увеличения зоны охвата (а также увеличения возможностей и качества предоставления мультисервисных услуг) более экономичным является включение нескольких маломощных MMDS по схеме ячеистой структуры. При этом не только снижается стоимость системы в целом, но и облегчаются условия получения лицензии на вещание.

· Весьма значительными преимуществами обладают MMDS, у которых конечный усилитель мощности выполнен в пыле - влагозащищенном корпусе и устанавливается в специальном контейнере в непосредственной близости от передающей антенны.

Система MVDS.

MVDS (Multipoint video distribution system) представляет собой широкополосную систему беспроводных телекоммуникаций типа «точка - многоточка», основным предназначением которой является передача видео (в т.ч. ТВ-программ). Сегодня в системе MVDS к видео сигналу с помощью IP - инкапсулятора можно добавить Internet, голос по IP и другие типы сервисов. Поэтому постепенно стираются различия между системами LMDS и MVDS, хотя первоначально первая из них предназначалась для широкополосной передачи в основном данных, а вторая (MVDS) - только видео.

MVDS можно перевести как «многоточечная распределительная система видео». По своей сути MVDS - это сотовая система передачи информации для фиксированных абонентов на основе радиоканала миллиметрового диапазона волн. По принципу своей организации MVDS копирует принцип организации сети в мобильной сотовой связи. Для покрытия определенной территории (обычно города) разворачивается сеть перекрывающихся сот, в центре каждой из которых устанавливается базовая станция (БС). Одна БС позволяет охватить район в виде окружности (в реальности - это многоугольник) с радиусом в несколько километров и подключить несколько тысяч абонентских станций (АС). Сами БС объединяются друг с другом высокоскоростными наземными каналами связи либо радиоканалами.

В последнее время все большее внимание уделяется системам беспроводной передачи на частотах выше 20 ГГц. В этой области стандартно используются диапазоны 25-32 ГГц и 40,5-42,5 ГГц.

Наиболее привлекательным качеством систем MVDS является ширина предоставляемого диапазона -- 2 ГГц.

Однако распространение сигналов в области 40 ГГц имеет свои особенности, которые во многом определяют специфику построения систем MVDS. Затухание миллиметровых волн в атмосфере значительно выше, чем метровых и дециметровых, и сильно зависит от климатических воздействий.

Еще одной особенностью волн этого диапазона является прямолинейность их распространения. Они не способны огибать даже небольшие препятствия, а напротив -- отражаются от них практически без искажений. Практика показала, что на частоте 40 ГГц удовлетворительно принимаются сигналы, прошедшие 4-кратное отражение. Это свойство может использоваться при проектировании высокочастотных систем раздачи сигнала.

Аппаратура MVDS может использоваться как самостоятельно, так и в составе гибридных кабельных сетей, для организации последней мили.

В системах MVDS могут применяться как аналоговый, так и цифровой способы передачи информации, а также различные системы модуляции. Однако для целей построения мультимедийных сетей актуальна разработка чисто цифровых систем, совместимых со стандартами DVB-С или DVB-S.

Можно выделить 2 типа систем: кабельные и спутниковые.

В «кабельном» типе систем применяются QAM модуляция и ширина каналов 8 МГц, а в «спутниковом» -- QPSK модуляция и ширина канала 36-40 МГц.

Спутниковый вариант MVDS позволял передавать до 30 ТВ каналов стандартного качества и обеспечивал прием сигнала на 25-сантиметровую рупорную антенну в радиусе 10 км, а кабельный -- до 100 каналов, но на расстояние до 4.5 км при условии приема на 60-сантиметровую антенну.

Спутниковый вариант MVDS также имеет свои преимущества. Он больше подходит для раздачи спутникового сигнала. Кроме того, и это самое главное, он позволяет формировать ячейки большего радиуса, что приводит к экономии дорогостоящих передатчиков. Этот вариант больше подходит для сельской местности с малой плотностью застройки.

Мультимедийная сеть MVDS строится на базе головной станции. При формировании информационных потоков могут использоваться самые разнообразные источники -- Интернет, эфирные, кабельные и спутниковые телевизионные каналы, различные местные источники информации. Аналоговые сигналы преобразуются в цифровой вид в MPEG-2 кодерах. Формирование сервисной информации, канальное кодирование и модуляция осуществляются в соответствии с одним из двух стандартов -- DVB-С или DVB-S.

На рисунке 3.1 изображена типичная структурная схема передающей и приемной частей системы MVDS. После формирования цифровых пакетов, каналы модулируются и объединяются для подачи к широкополосным передатчикам. Возможно также использование индивидуальных передатчиков. В передатчике спектр сигнала переносится в область 40 ГГц (это происходит за один или два этапа), усиливается и передается к антенне. Базовые станции могут оборудоваться набором секторных антенн. Это позволяет усилить мощность передаваемого сигнала и обеспечить нужную зону покрытия.

Рис. 3.1 Структурная схема системы MVDS.

Мощность твердотельных усилителей, применяемых в передатчиках MVDS, очень невелика. В канальных передатчиках она измеряется десятками мВт, а в групповых, предназначенных для передачи сотни каналов, -- единицами Вт.

Раздача сигнала к сотовым передатчикам может производиться по оптоволокну, маломощным релейным линиям или с помощью самой MVDS.

У абонента устанавливается антенна, монтируемая на стене здания, малошумящий конвертер и стандартный ресивер. Для приема могут использоваться антенны различной конструкции - рупорные, микрополосковые или параболические.

Система LMDS.

LMDS представляет собой широкополосную систему беспроводных телекоммуникаций типа «точка-многоточка», которая функционирует в диапазоне частот 25-27 Ггц. Система LMDS предназначена для одно- или двусторонней передачи голоса, данных, Интернет-трафика и видео. На сегодня широко распространенного русского акронима для LMDS не существует.

По своей сути технология LMDS - это сотовая система передачи информации для фиксированных абонентов на основе радиоканала миллиметрового диапазона волн. По принципу своей организации система LMDS копирует принцип организации сети в мобильной сотовой связи. Для покрытия определенной территории (обычно города) разворачивается сеть перекрывающихся сот, в центре каждой из которых устанавливается базовая станция (БС). Одна БС системы LMDS позволяет охватить район в виде окружности (в реальности - это многоугольник) с радиусом в несколько километров и подключить несколько тысяч абонентских станций (АС). Сами БС в системе LMDS объединяются друг с другом высокоскоростными наземными каналами связи либо радиоканалами.

Размеры круглой ячейки (зоны покрытия) обычно зависят от системного усиления радиочастотного оборудования, коэффициентов усиления передающих и приемных антенн, потерь в гидрометеорах, которые свойственны региону, в котором располагается система LMDS, и отношения сигнал/шум, требующегося для нормальной работы системы. В отсутствие препятствий радиус ячейки может находиться между 2км и 8км. В практических системах препятствия, такие как здания, растительность и детали рельефа местности, могут заблокировать сигнал в каком-либо из направлений. В таком случае форма ячеек будет нерегулярной и даже иметь «прорези» на границе ячейки, где сигнал от концентратора не может быть принят. Для максимизации возможной площади покрытия необходимо хорошее планирование покрытия, для чего могут быть изготовлены пакеты программ, использующих цифровые карты. В отдельных случаях для реализации режима «прямой видимости» с концентратором используются небольшие активные или пассивные ретрансляторы, расположенные внутри ячейки. Как альтернатива этому большие отражающие поверхности могут использоваться в качестве пассивных отражателей. При этом потери вследствие отражения будут зависеть от неровности поверхности.

Структурная схема сети LMDS включает четыре основных элемента:

-оборудование базовой станции;

-радиочастотное оборудование;

-оборудование абонентской станции (CPE);

-система управления сетью.

На рисунке 3.2 показана коммуникационная цепочка основных подсистем и соединяющие их интерфейсы. В состав оборудования концентратора (Hub) обязательно входят маршрутизатор, с помощью которого производится соединение между беспроводной и проводной сетями, а также переключатель ATM (Switched Network).

Модем (Hub modem) выполняет следующие функции: мультиплексирование, скремблирование, кодирование и модуляцию для нисходящих данных и обратные им операции для восходящих данных. Модем подключается к радиочастотному оборудованию посредством интерфейса на промежуточной частоте (IF). Частота IF обычно находится в пределах между 950МГц и 2150МГц.



Рис. 3.2 Структурная схема системы LMDS на физическом уровне

Таким образом, основные преимущества технологии LMDS следующие:

· Во-первых, LMDS - это беспроводная система, не требующая прокладки достаточно дорогостоящих кабельных линий связи.

· Во-вторых, оперативность развертывания, - сеть LMDS может быть развернута за малый промежуток времени. Установка и наладка клиентского оборудования занимает всего день, а то и несколько часов.

· В-третьих, при возникновении необходимости переезда в другой район система может быть в короткие сроки демонтирована и установлена в другом месте. Если новое место обслуживается оператором LMDS, то достаточно будет переставить только абонентский терминал.

· В-четвертых, относительно невысокая стоимость. Стоимость развертывания абонентского терминала и абонентская плата за канал LMDS меньше, чем за аналогичные по скорости передачи проводные каналы.

LMDS относится к системам технологий прямой видимости. Ее работа зависит не только от мощности передатчика, но и от рельефа местности, окружающих объектов и погодных условий. И если волны низких частот огибают препятствия: деревья, стены, холмы, - то миллиметровые волны, используемые в сотовом телевидении, отражаются от них. Прием в таких теневых зонах становится затруднителен или вовсе невозможен.

При сравнительном анализе всех 3-х систем, в данном проекте было принято решение использовать технологию MVDS (рисунок 3.1). Это решение было принято при учёте ряда факторов:

- Изначально система MVDS предназначена для передачи видео сигнала (в т.ч. ТВ программ)

- Ширина предоставляемого диапазона -- 2 ГГц.

- MVDS подходит для раздачи спутникового сигнала.

- Система позволяет формировать ячейки большего радиуса, что приводит к экономии дорогостоящих передатчиков.

- Этот вариант больше подходит для сельской местности, какой и является Таврово.

- Спутниковый вариант MVDS позволит передавать до 30 ТВ каналов стандартного качества.

Таблица Основные технические характеристики аналоговых и цифровых систем MVDS

Технические характеристики системы	Аналоговая ЧМ	Цифровая 4-ФМ (QPSK)
Мощность передатчика, Вт	4	4
Усиление передающей антенны, дБ	8	8
Число частотных каналов	24	6
Число передаваемых ТВ программ	24	24
Запас на потери в осадках, дБ/км	2,1	2,1
Усиление приемной антенны, дБ	33	33
Запас на юстировку антенны, дБ	2	2
Полоса пропускания приемника, МГц	27	33
Коэффициент шума приемника, дБ	6	6
Пороговое отношение сигнал/шум, дБ	12	6,8
Максимальный радиус зоны обслуживания, км	3	6

Основные технические параметры оборудования систем MVDS:

Передатчики. В качестве усилительных элементов в выходном каскаде передатчика применяют лампы и полупроводниковые приборы. Ламповый передатчик в полосе 2 ГГц может обеспечить мощность до 60 Вт, полупроводниковый - до 25 Вт. Однако стоимость полупроводникового передатчика значительно выше лампового, использование их оправдано там, где предъявляются повышенные требования по габаритным размерам, массе оборудования и по энергопотреблению.

Структурная схема приемника системы MVDS подобна схеме приемника в спутниковых системах с тем лишь отличием, что добавляется еще один малошумящий усилитель в полосе частот 40,5...42,5 ГГц и понижающий конвертер в полосу 10,7...12,7 ГГц для совместимости со спутниковым оборудованием.

В табл. приведены основные технические характеристики передатчика и приемника системы MVDS.

В качестве передающих антенн на базовых станциях систем MVDS применяются антенны с круговой или секторной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, подобной антеннам систем MMDS .

Преимущество секторной антенны перед круговой заключается в более высоком коэффициенте усиления и обеспечении возможности излучения сигналов в двух поляризациях. Последнее обстоятельство особенно важно при работе системы в интерактивном режиме.

Таблица Параметры передатчика и приемника системы MVDS

Название параметра	Значение
	аналоговая система	цифровая система
Передатчик
Выходная мощность на канале, мВт	200	500
Нестабильность частоты, МГц	±0,5	±0,5
Вид модуляции	ЧМ	4-ФМ
Разнос каналов по частоте, МГц	29,5	39
Приемник
Коэффициент шума, дБ	<11	<6
Усиление приемной антенны, дБ	33	33
Поляризация антенны	Линейная
Нестабильность частоты генератора, МГц	±5	±2,5
Групповое время запаздывания, не	<25	<20

В качестве приемных антенн могут применяться либо плоские антенные решетки или рупорные антенны с линейными размерами до 30 см.

Для преодоления препятствий или в зоне глубокой тени могут применяться активные ретрансляторы с мощностью на выходе единицы милливатт и пассивные.

В данном курсовом проекте доведение телевизионного сигнала Тавровского с.о. будет осуществляться по средствам коллективной приёмной установки. На головной станции необходимо расположить антенны для приёма сигналов со спутника и от наземного ретранслятора (в данном случае ОРТПЦ г. Белгород). Доставка контента пользователям будет осуществляться по средствам сотового телевещания. Это связано с тем, что данный вид телевещания идеально подходит для сельской местности. Благодаря так называемым сотам, зона покрытия ТВ сигналом села и всей территории с ИЖС застройкой в этом районе равна 100%, несмотря на холмистый рельеф.

Современные системы такого типа обеспечивают передачу радиосигналов на экологически безопасных уровнях мощности (100 - 300 мВт на канал).

4. Расчёт радиолиний доставки телевизионного сигнала в Тавровский с.о.

4.1 Расчёт радиолинии Белгород - Таврово

Основной пакет телевизионных каналов коллективная приёмная установка в Тавровском с.о. будет принимать посредством РРЛ с ОРТПЦ (г. Белгород). В этот пакет входят 9 каналов: «Россия», «Первый канал», «НТВ», «Культура», «ТВ-Центр», «СТС», «РБК», «Спортивный канал 7 ТВ», «Дарьял ТВ». Выбор места установки Головной станции обусловлен тем, что этот участок является высшей точкой (208,4м) Таврово и, соответственно сигнал будет приниматься и передаваться абонентам с наименьшими искажениями.

Построим профиль пролёта: Белгород (ОРТПЦ) - Таврово:

Таблица Высотные отметки рельефа местности

№ точки	k	h, (м)	R, (км)
1	0	205,1	0
2	0,06	207,5	0,5
3	0,12	180,5	1
4	0,18	185,4	1,5
5	0,24	164,6	2
6	0,3	191,8	2,5
7	0,36	202,5	3
8	0,42	205,2	3,5
9	0,48	206,4	4
10	0,54	203,8	4,5
11	0,6	166,1	5
12	0,66	172	5,5
13	0,72	199,9	6
14	0,78	185,5	6,5
15	0,84	191,4	7
16	0,9	200,8	7,5
17	0,96	208,4	8
18	1	203,3	8,282

Высота РТПС в г. Белгороде составляет 180 м.

Для уверенного приёма сигнала высота подвеса антенны в Таврово должна составлять 10 м. (рисунок)

Рис. 4 Карта высот и профиль трассы Белгород - Таврово.

Рассчитаем просвет по 1й зоне Френеля без учета рефракции:

k=R_1/R =0,03

H_0=sqrt((R*lambda*k*(1-k))/3)= 3,01 (м)

Просвет по 1й зоне Френеля с учетом рефракции:



просвет выбирают с учетом рефракции:

Q=-(R^2/4)*(g+q)*k*(1-k)=0,005 (м)

W=H_0-Q = 3,005 (м)

Z=W+Q = 3,01 (м)

Таким образом просвет с учетом рефракции:

Z=W+Q = 3,01 (м)

А просвет без учета рефракции:

W=3,005(м)

Высоты подвеса антенн определяются из профиля трассы (рисунок 1). Для этого откладываем по вертикали от критической точки рассчитанный просвет.

Рисунок 4.1 Поиск препятствия с учетом и без учета рефракции

Как видно из (Рисунка 4.1) минимальный просвет составляет 19,2(м) , что больше чем рассчитанный минимальный просвет 3.01(м) и 3.005 (м) с учетом и без учета рефракции.

Расчет минимально допустимого уровня сигнала на выходе антенны.

Найдём минимально допустимый уровень сигнала на выходе антенны для приема к.53 (727,25 МГц) системы SECAM (П = 5,75 МГц) с C/N = 42 dB (хорошее качество для индивидуального приема) при использовании мачтового усилителя с коэффициентом шума 2,5 dB. Потери в соединительном кабеле -- 0,4 dB.

1. Суммарный коэффициент шума приемной системы составит:

2. Пользуясь справочными значениями табл. 1 и кривыми, представленными на рис. 2, находим требуемое антенное напряжение:

Ua =59 db.

Вычитаем из этого значения разницу между нормированным (C/N = 54 dB) и требуемым (C/N = 42 dB) значениями:

3.Найдём данное решение алгебраически :

Шумовая температура антенны:

Шумовая температура усилителя:

Отношение сигнал/шум:

Получим: ТА = 289 оС;

Т = 278,3 оК;

Для реализации приёма сигнала будем использовать эфирную всеволновую антенну Lokus L 025.12.(Рисунок 4.2).

Рисунок 4.2. Антенна Lokus L 025.12

Технические характеристики:

МВ 1-5к	1
МВ 6-12к	2
ДМВ 21-60к	8,5-14
Коэффициент стоячей волны
МВ 1-5к	2-5
МВ 6-12к	2-4
ДМВ	1,3-2

Другие характеристики:

Волновое сопротивление, Ом 75
Напряжение питания усилителя, В -
Ток потребления мА, не более -
Поляризация Горизонтальная
Количество элементов 21
Масса, кг 1,31

4.2 Расчёт спутниковой радиолинии

Как известно, для радиосистем спутниковой связи в нисходящем направлении ( спутник - земля ) выделен диапазон частот от 10700 до 12750 Мгц, называемый Ku-диапазоном. Ширина диапазона, соответственно, Fку = 12750 - 10700 = 2050 Мгц. Электромагнитные колебания таких частот испытывают сильное затухание в кабельных линиях, поэтому в приемном устройстве (конверторе) происходит не только усиление колебаний, но и преобразование диапазона (понижение частоты). Для этого используется процесс называемый гетеродинированием. Суть его состоит в следующем: при перемножении принимаемой частоты и частоты опорного генератора, называемого гетеродином, возникают множество новых спектральных составляющих (гармоник) из которых нас интересую две составляющие, разностная и суммарная: Fгет * Fc = F (гет-с) + F (гет + с) (гармоники первого порядка). Суммарная гармоника F (гет+с) давится фильтрами. Разностная чаcтота F (гет-с), называемая промежуточной (ПЧ), выделяется полосовым фильтром, усиливается и поступает в кабель.

Рассчитаем азимут и угол места для каждого спутника с помощью программы: Satellite Antenna Alignment(Программа бесплатная для некоммерческого использования). "Satellite Antenna Alignment" предназначена для расчета углов, необходимых при установке спутниковой антенны. Расчитываются азимут и угол места (элевация) для каждого спутника. Основное отличие от подобных программ - возможность произвести расчет сразу на все спутники. Таким образом складывается ясная картина о том, какие спутники физически видны с места установки антенны, а какие нет. Следует помнить, что в данной программе расчет производится чисто теоретический, по формулам, и в реальных условиях при установке антенны надо учитывать еще множество факторов, такие как различные препятствия (здания, деревья), рельеф местности, высота над уровнем моря, направленность транспондеров, поляризация и т.п. Но тем не менее эта программа позволит вам оценить положение дел достаточно точно.

Работу с программой начнём с занесения географических координат точки установки спутниковой антенны. Введём координаты в разделе "Координаты места установки антенны". Северная широта - "N", южная широта - "S". Аналогично, восточная долгота - "E", западная долгота - "W". Координаты Таврово : 50 градусов 30 минуты 06 секунд северной широты; 36 градусов 34 минут 43 секунд восточной долготы.

После того, как координаты введены, в левой части в таблице получен расчет углов на все спутники сразу. Рассчитывается азимут и угол подъема антенны (угол места). Полученный азимут - это направление на спутник в градусах от направления на север по часовой стрелке. Угол места является углом (в градусах) между направлением сигнала со спутника и касательной плоскости к поверхности земли в точке вашего приема. Если угол места отрицательный, значит спутник скрыт за горизонтом и прием сигнала с него в принципе не возможен. Таким образом, с нашей точки наблюдения теоретически видны спутники, у которых угол места является положительной величиной. Зная азимут вы можете быстро сориентироваться и определить направление на спутник, определить преграды на пути направления антенны (соседние дома, деревья). Как уже было сказано, программа оперирует абсолютными величинами и расчитывает все по формулам. Таким образом, полученный азимут, это угол относительно абсолютного севера, а не от того что может показывать ваш компас, т.к. компас - вещь очень не постоянная, особенно в городских условиях.



Рисунок 4.3 Определение азимута и угла места

Выберем спутник Eutelsat W4, W7. Его азимут = 180 градусов 750 минут, а угол места = 32 градуса 137 минут.

Дополнительно в программе реализован расчет азимута на солнце, и теперь есть возможность обойтись без компаса! Расчет производится для точки, географические координаты которой задавали для расчета азимута на спутники. Высота над уровнем моря считается равной 0 метров. Можно указать дату (по умолчанию берется текущая дата) и произвести расчет движения солнца с дискретностью в одну минуту. Результаты расчета выводятся в таблице в левой части. Для солнца расчитывается как азимут, так и угол места в текущий момент времени. Таким образом, это дает возможность при установке антенны обойтись совсем без компаса. Сначала определяем азимут на нужный спутник. Затем производится расчет азимута на солнце на день, в который планируем устанавливать антенну. Найдя в таблице азимут солнца наиболее равный азимуту на спутник, получаем время (и дату), когда солнце будет в той же стороне что и спутник. В нужный момент времени поворачиваем антенну прямо на солнце, азимут солнца в этот момент совпадает с азимутом спутника. Или просто отмечаем это положение, антенну можно повернуть позднее. При расчете указываем временную зону (Москва +3 часа от Гринвича). Дополнительно программа рассчитывает азимут восхода и захода солнца, а также время и угол места, когда солнце находится строго на юге.

Рисунок 4.4 Азимут на солнце

Программа рисует простенькую схему, отображающую стороны горизонта (рисунок 4.4). Закрашенным сектором обозначается световой день, восточная его часть - это восход солнца, западная часть - заход солнца. На этой же схеме можно схематически отобразить направление на нужный спутник. Выбераем спутник в выпадающем списке, направление на него (азимут) рисуется отдельной линией. Если угол места на спутник отрицательный, то линия не рисуется (спутник не виден).

В настоящее время широко распространены оффсетные спутниковые антенны. Такая антенна, стоя строго вертикально уже имеет некоторый угол подъема (~20-25 градусов). Можно ввести размеры офсетной антенны (высоту и ширину) и программа рассчитает точный угол подъема для этой антенны. Расчет производится только для антенн, у которых высота больше ширины. Размеры антенны вводятся в миллиметрах. Здесь же будет показан угол подъема на выбранный спутник, и угол, на который нужно реально установить антенну (в градусах от плоскости земли)

Рисунок 4.5 Настройка оффсетной антенны

5. Проектирование распределительной сети телевещания для микрорайона Таврово-2.

Во 2-ой главе данного курсового проекта было принято решение использования системы сотового телевещания MVDS для распределения транслируемого контента Таврово.

По своей сути MVDS (рисунок 5) - это сотовая система передачи информации для фиксированных абонентов на основе радиоканала миллиметрового диапазона волн (для оборудования ДОК это частота 40,5-43,5 ГГц). По принципу своей организации MVDS копирует принцип организации сети в мобильной сотовой связи. Для покрытия определенной территории (обычно города) разворачивается сеть перекрывающихся сот, в центре каждой из которых устанавливается базовая станция (БС). Одна БС позволяет охватить район в виде окружности (в реальности - это многоугольник) с радиусом в несколько километров и подключить несколько тысяч абонентских станций (АС).

Рисунок 5.Технология MVDS

На головной станции устанавливается коллективная установка для приёма ТВ сигналов со спутника и с ОРТПЦ г. Белгорода. Принятые сигналы поступают на кодеры каналов. Далее сигналы поступают на мультиплексор и модулятор, объединяясь в единый цифровой поток данных с видом модуляции QPSK. Сформированный сигнал поступает на передающее оборудование. Для обеспечения зоны покрытия необходимо установить две секторные антенны с диаграммой направленности 90 и 60 градусов. Радиус действия такой антенны 5-7 км.

Рисунок 5.1 Структурная схема приёмо-передающей станции

Для обеспечения ТВ сигналом тех абонентов, чьи дома находятся в низине (в зоне радиотени), устанавливается активный ретранслятор.

Приём транслируемого контента населением осуществляется при помощи стандартного спутникового оборудования. С приёмной антенны сигнал поступает на ресивер и далее на телевизионный приёмник.

Что касается оборудования, то одной из типичных систем для создания высокоскоростной сети телевизионного вещания - является система Elva-1. (рисунок 5.1). Это оборудование и было выбрано в данном курсовом проекте.

Оборудование передачи и приема сигналов телевидения, радиовещания и данных Elva-1 предназначено:

· для создания сверхширокополосных каналов вещания цифрового ТВ и/или IP масштаба города, включая вариант IPTV. Система "Elva-1" работает в диапазоне частот 40.5-43.5 ГГц, выделенном в России для цифрового ТВ-вещания и широкополосного доступа.

· для организации однонаправленных каналов связи с пропускной способностью до 45 Мбит/сек .

В Elva-1 используется протокол DVB-S, аналогично спутниковому ТВ. Единственное отличие - сигнал передается в диапазоне частот 40.5-43.5 ГГц.

Входной и выходной сигнал промежуточной частоты для оборудования соответствует диапазону частот L-band (950-2150 МГц). Это позволяет использовать для формирования и приема сигнала стандартное оборудование.

Частотный ресурс

Диапазон 40.5-43.5 ГГц в России разбит на 73 полосы шириной 39 МГц вертикальной поляризации и 73 полосы горизонтальной поляризации. Каждая полоса позволяет передавать объем информации, эквивалентный спутниковому транспондеру, т.е. до 10-12 ТВ программ вещательного качества или до 45 Мб/с данных. Необходимый частотный ресурс определяется объемом передаваемой информации. Для исключения интерференции на границах секторов применяется разная поляризация в смежных секторах соты.

Пропускная способность

Поскольку в каждом секторе соты используется только одна поляризация, пропускная способность составляет до 45 Мб/с данных или до 96 ТВ-программ вещательного качества на одну соту. Пропускная способность всей системы зависит от количества таких сот.

Таблица Технические характеристики

Максимальная скорость передачи	45Mbps
Максимальное количество передатичиков на соту (по стандарту MPT 1560)	96 (на сектор)

Передатчик:

Передающий модуль (Передатчик) представляет собой моноблок, размещаемый на телевышке либо на крыше высокого здания.

Он представляет собой up-converter из диапазона частот 1,2-1,7 ГГц МГц в диапазон 40.5-43.5 ГГц. Выходная мощность - до 150 мВт. Передатчик может транслировать от одного до четырех DVB-S потоков. При этом надо иметь в виду, что при вещании нескольких потоков радиус соты сокращается из-за снижения мощности сигнала, приходящейся на один поток, и перекрестных искажений. Поэтому количество потоков на один передатчик определяет требуемое соотношение стоимость/ дальнодействие.

Рисунок 5.2. Передатчик Elva-1.

Таблица Технические характеристики передатчика Elva-1.

Параметры передатчика
Диапазон частот	40.5 - 42.5 ГГц
Погрешность передачи	± 0.5 МГц
Выходная мощность на канал	150 мВ
Входная частота	950-2150 МГц
Горизонтальная поляризация	90 градусов (опционально 360, 45 градусов)
Вертикальная поляризация	10 градусов

Интерфейс передачи данных:

Стандарт передачи данных	DVB-S
Модуляция	QPSK

Приемник:

Приемный модуль (Приемник) представляет собой моноблок. Размещается в зоне прямой видимости на передающую базовую станцию (Передатчик).

Приемник Elva-1 представляет собой down-converter из диапазона 40.5-43.5 ГГц в диапазон 950-2150 МГц. Выходной сигнал аналогичен сигналу принимаемому со спутникового конвертора.

Рисунок 5.3 Приёмник Elva-1

Приемник комплектуется зеркальной антенной диаметром 30 см, питается напряжением 30 В. Приемник монтируется на вертикальной трубе диаметром 40 .. 70 мм.

Таблица Технические характеристики приёмника Elva-1

Параметры приёмника
Частотный диапазон	40.5 - 42.5 GHz
Размер антенны	30 cm
Усиление антенны	38dBi
Выходное IF	950-2150 МГц
Шумовые показатели	<=8 dB
RF-IF усиление	35 dB
Cross-polar discrimination	20 dB
Стабильность центральной частоты	2.5 MHz

Заключение

В ходе курсового проекта была достигн...