Учебники / Цифровое телевизионное вещание под редакцией Г. В. Мамчев, 2014

302 5. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИЕМОПЕРЕДАЮIЦEЙ АППАРАТУРЫ

Размер и структура ГВК - параметры, наиболее тесно связанные с изображением, и удачный их выбор позволил бы значительно улучшить качество изображения. Одно из возможных решений - двухпроходное ко­ дирование, когда на первом проходе выбирается структура ГВК, близкая к оптимальной, а на втором проходе осуществляется собственно компрессия изображения. Расчеты показали, что выигрыш составляет около 1 дБ в

среднем и до 5 дБ на отдельных сюжетах.

В стандарте МPEG-2 уже заложен механизм адаптации - выбор поле­ вого или кадрового кодирования. Кадровое кодирование более подходит для медленных движений, полевое - для быстрых. Оптимизация может дать выигрыш в отношении сигнал/шум 0,7 дБ в среднем и по 3 дБ на пи­ ках при быстром движении.

При цифровом сжатии видеоданных наступают моменты, когда качест­ во изображения ухудшается весьма существенно - смена кадра, очень быст­

рые движения, всплески шума. Предотвратить срывы можно путем услож­

нения алгоритма кодирования - использования двух или нескольких прохо­

дов кодера по кадру. При первом проходе кодер получает полезную инфор­

мацию о кадре, оценивает сложность сцены, движения, скорость потока,

шаг квантования, обнаруживает момент смены кадра. Эти данные исполь­ зуются при втором проходе для сохранения постоянного качества изобра­ жения. С увеличением быстродействия процессоров возможно будет перей­

ти к многопроходному кодированию и даже к итеративному режиму, когда

процесс кодирования повторяется до тех пор, пока не будут достигнуты удовлетворительные характеристики качества на всей длине ГВК.

5.1.2. Мультиплексоры

Мультиплексор служит для объединения в единый транспортный поток цифровых потоков от различных источников - кодеров сжатия, вы­

ходов других мультиплексоров, выходов приемников - декодеров и т.д.

Приходящие сигналы могут иметь разную временную базу (то есть форми­ роваться с несколько различающимися тактовыми частотами), и задача мультиплексора - сформировать асинхронный поток с сохранением син­ хронизирующей информации каждого из компонентов.

Принцип действия мультиплексора основан на свойствах буфера па­ мяти - информация записывается в него с одной тактовой частотой, а счи­

тывается с другой, более высокой частотой. Если представить себе цепоч­

ку последовательно соединенных буферов, синхронизированных таким об­

разом, что выходные пачки импульсов не перекрываются во времени, это и

будет мультиплексор.

Основным параметром мультиплексора считается выходная ско­

рость транспортного потока, которая у большинства моделей составляет 55 ... 60 Мбит/с. Существуют и образцы со скоростью до 100 Мбит/с. Разу­ меется, устанавливаемая на выходе скорость потока должна быть по край­ ней мере не ниже суммы скоростей всех объединяемых потоков. Превы-

ции нелинейных искажений последующего тракта. Нелинейные искажения

являются главной причиной появления побочных спектральных состав­ ляющих в выходном сигнале усилителя мощности. Эффективным методом

уменьшения нелинейных искажений является предыскажение, принцип

действия которого основывается на линеаризации амплитудной и фазоам­

плитудной характеристик усилителя мощности. Поэтому в усилительный

тракт передатчика на малом уровне мощности включается предкорректор

нелинейных искажений - нелинейное устройство, передаточные характе­

ристики которого подбираются таким образом, чтобы амплитудная харак­ теристика объединенного устройства предкорректор - усилитель мощно­ сти стала линейной, а фазоамплитудная характеристика - равномерной. Преобразователь обеспечивает перенос сигнала в рабочий канал, а усили­ тельный тракт (усилитель мощности) - необходимую выходную мощность. Переход от одного вида вещания к другому в подобной структуре обеспе­

чивается заменой модуляторов.

Однако не всякий аналоговый возбудитель можно легко трансформи­

ровать для использования в гибридном радиопередатчике. Для этого он

должен, как минимум, иметь вход для подключения внешнего модулятора

системы DVB-T со стандартным значением промежуточной частоты. На­ пример, в серийно выпускаемых модуляторах DVВ-T выходной сигнал

COFDM формируется на промежуточной частоте, равной 36,15 МГц (реже 35,5 МГц). Именно такое значение промежуточной частоты выбрано для то­

го, чтобы с наименьшими трудностями обеспечить стыковку COFDM моду­

лятора с существующими возбудителями аналоговых передатчиков (для превращения последних в цифровые достаточно только подключить выход модулятора Т к входу пч преобразователя). Кроме того, аналоговый

возбудитель должен быть оборудован специальной системой контроля и

управления, обеспечивающей его работу как с аналоговым, так и с цифро­

вым модуляторами. К гетеродину, используемому в гибридных передатчи­

ках, предъявляют повышенные требования в отношении фазовых шумов.

Что касается усилителя мощности, он имеет повышенные характери­

стики линейности, необходимые для передачи цифрового сигнала с макси­

мально возможным уровнем мощности. Ведущие производители деклари­

руют соотношение величин мощности в пике синхроимпульса к средней

мощности цифрового сигнала Digital Ready передатчика равным 3: 1 или, в

крайнем случае, 4:1. Такие соотношения практически недостижимы при

использовании традиционных аналоговых передатчиков, в которых не

приняты меры по повышению линейности усилительного тракта. Таким

образом, усилитель мощности совместно с выходным фильтром должны

обеспечивать передачу сигналов COFDM с заданными параметрами каче­

ства, включая уровень побочных составляющих в спектре выходного коле­ бания, то есть уровень внеполосных спектральных составляющих (УВСС),

с целью минимизации влияния на смежные каналы, в которых еще могут

использоваться аналоговые передатчики.

/

Центральная часть

Рис. 5. З. Частотная характеристика затухания выходного фильтра гибридного радиопередатчика

Опыт разработки современных твердотельных усилителей мощности

для цифрового телевизионного вещания показывает, что уровень внепо­

лосных составляющих спектра на выходе этих усилителей, обусловленный нелинейными искажениями, примерно на 15 ДБ превышает требования стандарта. Подавление УВСС дО необходимого значения производится с

помощью полосового фильтра, установленного на выходе передатчика, и

предкорректора, включаемого на входе усилителя. Амплитудно-частотная

характеристика выходного (полосового) фильтра, используемого в гибрид­

ных телевизионных радиопередатчиках, представлена на рис. 5.3 [49]. Наличие амплитудно-частотных искажений в передатчике приводит к

появлению дополнительной неравномерности амплитуд поднесущих на

входе приемника. Ориентировочные расчеты и экспериментальная провер­

ка показали, что влияние этого фактора становится незначительным при

величине неравномерности ниже 0,5 дБ.

Современные твердотельные усилители мощности, предназначенные для телевизионного вещания, строятся по блочному типу на основе типо­

вых модулей - паллет, монтируемых на радиаторе охлаждения (воздушно­ го либо жидкостного). Паллета представляет собой усилительный модуль

на основе двух мощных транзисторов, включенных по балансной схеме, и

имеет коэффициент усиления от 1О дБ и более в зависимости от диапазона

рабочих частот.

Мощность сигнала на выходе одного модуля составляет, как правило,

150 ... 350 Вт в пике синхроимпульса. Таким образом, усилительные блоки 1,5 кВт, на основе которых чаще всего строятся телевизионные передатчи­ Kи мощностью 2 кВт и более, могут содержать до 1О паллет каждый (два

предварительных и восемь оконечных усилителей, включенных парал­

лельно). При такой архитектуре построения усилителя мощности выход из

строя одной паллеты лишь ненамного снижает уровень выходной мощно­

сти передатчика. Суммирование производится с минимальным влиянием

усилителей друг на друга.

В подавляющем большинстве радиопередатчиков находят применение импульсные источники питания (ИП), отличающиеся малым весом и габа­

ритами, а также высоким КПД. Данные источники очень чувствительны

к различного рода перегрузкам, перегреву, броскам питающего напряжения. В такой ситуации важным фактором, влияющим на надежность работы пе­

редатчика, является количественное соотношение ИП и паллет в усилителе

мощности. Это соотношение может составлять от 1: 1 до 1:8 (в последнем случае один источник питания обеспечивает работу восьми паллет).

При работе с цифровым сигналом номинальные выходные мощности гибридных передатчиков снижаются на 3 ... 6 дБ (50 ... 75%) относительно

номинальных мощностей при аналоговом сигнале в зависимости от уровня

и типа коррекции.

Отвод избыточного тепла, выделяемого при работе телевизионного

передатчика, производится при помощи системы принудительного воз­

душного или жидкостного охлаждения. Практически охлаждение передат­ чика осуществляется протяжкой воздуха через радиаторный канал. Забор воздуха производится с передней панели и выбрасывается через заднюю панель. Вентиляторы работают на отсос.

От эффективности работы системы охлаждения зависит надежность

оборудования. Известно, что продолжительность «жизни» кремниевых по­ лупроводниковых приборов, а также других компонентов радиопередатчи­ ка удваивается с понижением их рабочей температуры на 10°С.

За температурой радиаторов следят цифровые термодатчики. При

достижении температуры радиатора 60°С срабатывает система защиты и блокирует усилитель до снижения температуры.

В настоящее время уже доступны серийно выпускаемые гибридные

передатчики с выходной мощностью цифрового сигнала до 20 кВт, что эк­

вивалентно мощности аналогового сигнала, равной 60 кВт. Имеется воз­ можность работы гибридных радиопередатчиков в составе одночастотных сетей при наличии синхронизации при помощи GРS-приемника.

5.1.4. Конструктивные особенности цифровых

телевизионных передатчиков

На рис. 5.4 приведена стандартная функциональная схема OFDM- передатчика. После последовательно-параллельного преобразования (S/P - Sequential/Parallel) цифровой входной сигнал UВХ обрабатывается по схеме уменьшения РAPR. Полученный в результате сигнал проходит блок ОБПФ

(IFFT - Inverse Fast Fourier Transform), цифроаналоговый преобразователь

ЦАП и фильтр нижних частот (ФНЧ). Сигнал с уменьшенным значением пик-фактора РAPR с помощью преобразователя частоты (ПЧ) переносится на высокие частоты в рабочий канал и фильтруется с помощью полосового фильтра (ПФ). Сигнал с уменьшенным значением PAPR подается на вход усилителя мощности (УМ), на выходе которого получаем усиленный сиг­

нал Uвых.

Уровень мощности внеполосных составляющих спектра выходного

сигнала цифрового радиопередатчика в области отклонений от централь­ ной частоты ±12 МГц не должен выходить за пределы соответствующей

ограничительной маски, частотные характеристики затухания которых

приведены на рис. 5.5.

Стандартная ограничительная маска устанавливает допустимый уро­

вень внеполосных составляющих спектра выходного сигнала радиопере­

датчика, если в соседних радиоканалах работают аналоговые телевизион­

ные передатчики и выполняются следующие условия:

-антенны аналогового и цифрового передатчиков расположены на

одной мачте;

-сигналы, излучаемые аналоговым и цифровым радиопередатчиками,

имеют одинаковую поляризацию;

__________ 1

Рис. 5.4. Обобщенная функциональная схема цифрового радиопередатчика

Затухание, дБ

Рис. 5.5. Ограничительные маски спектра выходного сигнала цифрового радиопередатчика:

- эффективная изотропно-излучаемая мощность цифрового радиопе­

редатчика Рц и пиковая изотропно-излучаемая мощность аналогового ра­ диопередатчика Ра равны.

Если излучаемые мощности передатчиков не равны, то к значениям

подавления внеполосных излучений ограничительный маски следует при­

бавить корректирующую величину дР, определяемую следующим выра­

жениям:

Для радиопередатчиков, работающих в системах DVB-T или DVB-T2,

маска выходного сигнала для критических случаев, имеющая полосу про­

пускания 7,61 МГц, накладывает более жесткие ограничения на уровень

внеполосных составляющих спектра выходного сигнала радиопередатчика

и применяется в особых случаях, определяемых государственными орга­

нами контроля за использованием радиочастотного спектра.

При расширенном наборе несущих в спектре выходного сигнала ра­

диопередатчика системы DVB-Т2 полоса пропускания увеличивается до значения 7,77 МГц.

Важнейшим параметром, характеризующим особенности использова­

ния радиопередатчиков в системах цифрового телевидения, является ко­ эффициент ошибок модуляции МER (Modulation Error Ratio), показываю­ щий насколько фактическое значение комплексной амплитуды одной из

несущих спектра сигнал OFDM отличается от номинальной величины. Схема определения ошибки для одной несущей представлена на

рис. 5.6. На векторной диаграмме сплошной линией обозначено номиналь­

ное положение комплексной амплитуды несущей, модулированной спосо­

бом QPSK, из спектра сигнала OFDM, пунктирной линией - фактическое

положение. В общем случае они не совпадают из-за нелинейных искаже­

ний амплитуды и фазы в усилительном тракте радиопередатчика, и из-за

внесения шума преобразования в модуляторе. В данном случае вектор сиг­

нала ошибок между номинальным и фактическим значениями комплекс­ ной амплитуды данной несущей обозначен символом L1 (см. рис. 5.6).

Следовательно, коэффициент ошибок модуляции МER можно опреде­

лить по следующему выражению:

где i - число символов OFDM в кадре.

Суммирование в соотношении (5.1) ведется по количеству символов в

кадре DVB-T. Усредняя значение МER дЛЯ каждой несущей, вычисляется интегральное значение МER.

Q

•dQ+--+-------.-+--.

• •

Рис. 5.6. Возникновение ошибки при QPSK-моДУляции

в телевизионных передатчиках без коррекции амплитудной и фазовой характеристик коэффициент МER должен быть не хуже -33 ... -34 дБ, с

коррекцией -35 ... -36 дБ.

Практически, коэффициент ошибок модуляции МER оценивается од­

новременно с измерением параметров передачи транспортных потоков

данных.

В стационарных условиях коэффициент ошибок модуляции МER мо­ жет быть измерен с помощью контрольного приемника DTU-235 фирмы DekTec, для оценки МER в полевых условиях удобно использовать изме­ рительный приемник PDA-7 фирмы R.O.V.E.R. Уровень среднеквадратич­ ной ошибки коэффициента МER может быть определен измерительным приемником ЕРА 40 фирмы Rohde & Schwarz.

5.2. Методы измерений и испытаний основных параметров

цифровых телевизионных радиопередатчиков

5.2.1. Описание измерительного оборудования

Требования к измерительным средствам. Типовой комплекс изме­

рительного оборудования для систем цифрового эфирного вещания стан­ дартов DVB-T/T2 должен включать в себя следующие приборы:

-генератор телевизионного цифрового сигнала;

-измерительный цифровой приемник DVB-Т/Т2;

-анализатор транспортного потока;

-анализатор спектра.

Генератор телевизионного цифрового сигнала должен:

•обеспечивать настройку скорости транспортного потока от 0,5 до 216

Мбит/с;

•содержать несколько типов тестовых сигналов (нуль пакеты, псевдо­

случайные последовательности, однопрограммный поток, многопро­

граммный поток, динамические и статические таблицы);