литература / Лекиця 1 часть 2 СиТЦТРВ

Применение одночастотных сетей цифрового телевидения

Анализ особенностей распространения радиоволн отдельных частотных диапазонов, которые используются для наземного телевизионного вещания, показал, что наличие только одного мощного радиопередающего устройства допускает появление участков неудовлетворительного приема телевизионных сигналов даже в зоне уверенного приема. Радикальным способом исключения участков неудовлетворительного приема и расширения, в целом, зоны вещания цифрового телевидения является создание одночастотных семей вещания (SFN Single Frequency Network), в которых трансляция телевизионных программ на большую территорию идет параллельно через ряд радиопередатчиков, работающих на одной и той же частоте.

Принципиально возможно построение SFN по трем вариантам (рис.4...6). Наиболее перспективной является цифровая технология распределения МPEG-сигнала к семейству DVB-T передатчиков одночастотной сети (рис.6). Такой способ распределения телевизионных сигналов достаточно сложный, но в то же время самый совершенный и гибкий. Он может использоваться в комбинации с любой из вышеназванных альтернативных технологий или в сочетании с обеими сразу.

Рис.4. Схема построения одночастотной сети по принципу переретрансляции сигнала (переусиления по высокой частоте

Рис.5. Схема распределения COFDM-сигнала к каждому из телевизионных передатчиков одночастотной сети

Рис.6. Схема цифрового распределения пакетов транспортного потока MPEG-2 к телевизионным передатчикам одночастотной сети

На практике сеть телевизионных передатчиков одночастотной сети может быть достаточно обширной. При этом очень важным является выбор способа доставки сигнала от центра формирования программ до передатчиков. Возможностей таких две: наземные сети связи и сети связи с использованием космического сегмента. В некоторых случаях может быть применен вариант каскадирования ретрансляторов, но этот способ доставки будет приводить к постепенной деградации сигнала, вследствие накопления ошибок

Примером одночастотной сети может служить сеть малых передатчиков, расположенных в зонах плохого приема сигнала основного радиопередатчика и работающих на той же самой частоте, что и основной. Требование отсутствия «пробелов» в зоне покрытия вынуждает использовать установку радиопередатчиков с частично перекрывающимися областями охвата (рис.7) при равных вероятностных условиях приема. Таким образом, на границах зон покрытия (например, точка А на рис.7) полезный сигнал состоит из нескольких слабо скоррелированных мощностных составляющих от различных телевизионных радиопередатчиков (в данном случае от передатчиков 1, 2, 3) в электромагнитном поле одного радиопередатчика.

Рис. 7. Схема расположения зон покрытия, обеспечиваемых отдельными радиопередатчиками, в одночастотной сети цифрового телевещания

Таким образом, области замираний могут быть скомпенсированы излучениями от других передатчиков. Это явление усреднения приводит к более плавным (размытым) изменениям результирующей напряженности электромагнитного поля. Соответственно, в SFN сетях могут использоваться радиопередатчики с более низкой мощностью. Такой эффект важен на границах зон покрытия каждого радиопередатчика и именуется сетевым усилением. Особенно эффективно функционирование одночастотных сетей в случае использования системы цифрового телевидения DVB-T, в которой применяется способ модуляции COFDM-типа, позволяющий работать в условиях многолучевого приема. В таких сетях телевизионный приемник получает сигналы сразу от нескольких передатчиков, приходящие с различной задержкой во времени. Если эти сигналы приходят от близко расположенных передатчиков, то они просто складываются, обеспечивая возрастание итогового уровня полезного сигнала в телевизоре. Сигналы же от более удаленных передатчиков фактически не учитываются декодером приемника за счет наличия защитного интервала и не влияют на прием. При этом длительность защитного интервала должна удовлетворять условию

где d - расстояние между соседними радиопередатчиками;

Vc - скорость распространения электромагнитных колебаний.

Возможные значения расстояния между соседними передатчиками в одночастотной сети при различной длительности защитного интервала приведены в табл. 8.2. На практике режим 2 k в системе DVB-T пригоден для телевизионного вещания одиночным радиопередатчиком и для построения малых одночастотных сетей с ограниченным расстоянием между передатчиками. Режим 8k целесообразно применять в тех случаях, когда необходимо построение больших одночастотных сетей. Режим 32k позволяет строительство общегосударственной одночастотной сети.

Таблица 2 Основные параметры функционирования одночастотной сети телевизионного вещания

При создании одночастотной сети наземного цифрового телевизионного вещания необходимо обеспечить синхронизацию каждого радиопередатчика сети как по времени, так и по частоте. Практически это осуществляется за счет фиксации сигналов системы глобального определения координат GPS (Global Positioning System) специальным приемником, входящим в комплект одночастотного адаптера (SFN-adapter), обеспечивающего синхронизацию от сигнала системы GPS. Все современные передатчики наземного цифрового телевизионного вещания (DVB-T-типа) имеют встроенный одночастотный адаптер, либо он устанавливается как опция к модулятору. COFDM-сигнал состоит из тысяч несущих, каждая из которых, передаваемая целым семейством радиопередатчиков, работающих в SFN, должна излучаться на одной и той же частоте. Требуемая точность частоты зависит от частотного интервала между сходными несущими, который часто называется разносом несущих частот.

Практически всегда, даже при самом тщательном планировании одночастотной сети, на границе зоны уверенного приема имеются участки, где прием телевизионного сигнала затруднен или просто невозможен. Это могут быть низины ландшафта, местность за небольшим естественным возвышением, например, холмом или высотным зданием, пространство в туннеле или даже внутри здания. Модуляция COFDM дает возможность решить эту проблему с помощью небольших ретрансляторов (gap fillers) (рис.8).

Ретрансляторы (gap fillers) представляют собой маломощные и до вольно простые устройства, принимающие и передающие радиосигнал в одном и том же частотном канале и, следовательно, имеющие ту же самую рабочую частоту, что и вся сеть. Их радиоизлучение не может мешать другим радиопередатчикам одночастотной сети (SFN) из-за сравнительно небольшой мощности. В то же время они устойчивы к отраженным сигналам, что обусловлено наличием защитного интервала в системе цифрового телевидения DVB-T.

Ретрансляторы вносят минимальную задержку в переизлучаемый сигнал, в противном случае нарушилась бы синхронизация между их выходными сигналами и сигналом главного, то есть «ведущего» передатчика.

Рис.8.Структурная схема ретранслятора

Однако, часть сигнала, излучаемого передающей антенной ретранслятора, в большинстве случаев будет попадать обратно в его приемную антенну из-за переотражений от зданий, деревьев и т.п. Это может привести к появлению положительной обратной связи. В этих условиях основное техническое ограничение, накладываемое на ретрансляторы, работающие на том же частотном канале, заключается в пространственном разносе (изоляции) между передающей и приемной антеннами. В противном случае, при относительно высокой выходной мощности, составляющей, например, 1 Вт, ретранслятор будет возбуждаться.

Следовательно, особое внимание необходимо обратить на местоположение передающей и приемной антенн ретранслятора для того, чтобы гарантировать максимально возможную изоляцию и в то же время иметь достаточную мощность для покрытия зоны неуверенного приема.

Особенно важно, чтобы приемная и передающая антенны ретранслятора не находились на одной высоте, поскольку на уровне установки передающей антенны излучение максимально. Кроме этого диаграммы направленности приемной и передающей антенны должны быть выбраны таким образом, чтобы снизить до минимума обратную связь.

Ретранслятор может устойчиво работать только в том случае, если уровень принимаемого сигнала от главного передатчика на 5…10 дБ выше уровня сигнала, наведенного от его передающей антенны. Коэффициент как раз и оценивает «развязку» между приемной и передающей антеннами ретранслятора. Чем больше значение коэффициента, тем с большей мощностью может работать ретранслятор и более слабые сигналы основной станции принимать.

Рис 9.Схема применения ретрансляторов (gapfillers) на границе зоны уверенного приема

Современные модели ретрансляторов оборудуются специальной схемой удаления эха (Echocanceller), которая позволяет устойчиво работать при условии, когда наведенный сигнал от передающей антенны на 5 дБ превышает принимаемый сигнал ведущего передатчика.

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 8К и 2К.

Остановимся на причинах, по которым в стандарте эфирного вещания были приняты два варианта режимов модуляции (8К и 2К), поскольку эти факторы необходимо учитывать при проектировании сети вещания.

Режим модуляции 8К позволяет в одночастотной сети эфирного вещания использовать территориальный разнос между передатчиками одинаковых ТВ-программ до 67 км. При этом получается бόльшая 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 8К. Технически режим 8К реализуется путем выполнения в модуляторе инверсного дискретного преобразования Фурье и прямого дискретного преобразования Фурье — в демодуляторе телевизора, для чего требуются процессоры с двоичной емкостью 213 = 8192 = 8К. Однако имевшееся в первой половине 90-х годов прошлого века 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 8К [2]. По этой причине было принято решение ввести в стандарт второй — технически более простой режим 2К, для которого уже имелись необходимые процессоры с двоичной емкостью 211 = 2048 = 2К. В итоге был принят общий стандарт с модуляцией 2К и 8К с разным числом несущих. Спецификация стандарта 2К позволила начать внедрение цифрового эфирного вещания сразу, а спецификация стандарта 8К могла быть реализована позднее, после разработки соответствующего процессора. Отметим, что с появлением процессоров 8К и необходимости построения сети эфирного вещания с большой зоной покрытия предпочтение необходимо отдать режиму модуляции 8К и использовать его при создании сети цифрового эфирного вещания.

6