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

Магистральная сеть ектв, выполненная на базе волоконно-опти­

ческих линий связи, состоит из двух независимых подсетей - распредели­

тельной для передачи большого числа сигналов цифровых программ теле­

видения и наложенной транспортной подсети для передачи интерактивных

данных. Причем для передачи цифровых телевизионных сигналов исполь­

зуются отдельные волокна, а для организации дуплексного канала переда­

чи данных - пара других волокон. В качестве разветвительных элементов

на волоконно-оптическом кабеле используются магистральные ответви­

тели, в состав которых входят оптические кросс-коннекторы и синхрон­

ные цифровые мультиплексоры.

Магистральные ответвители выполняют все функции по добавлению, удалению и транзиту информации. Эти модули имеют двунаправленные электрические и оптические интерфейсы STM-1 (Synchronous Transport Module - синхронный транспортный модуль). Наличие стандартных ин­ терфейсов дает возможность передачи цифровых потоков по различным типам взаимодействующих сетей. Магистральные ответвители обеспечи­

вают также возможность передачи IР-потоков от стандартных ATM-сетеЙ.

Вся обработка цифровых сигналов базируется на существующих меж­

дународных стандартах МPEG-2, 4, АТМ и SDH. Международные стан­

дарты кодирования с информационным сжатием МPEG-2, 4 обеспечивают оптимальный метод компрессии цифровых видеосигналов для передачи по

сетям SDH. Особенности SDH-структур позволяют иметь практически не­

ограниченное количество каскадно включенных магистральных ответвите­

лей. Это обеспечивает возможность построения крупных городских ка­ бельных сетей большой протяженности.

Непосредственно к магистральной транспортной сети ектв примы­ кает субмагистральная волоконно-оnтическая сеть, строящаяся также по кольцевой схеме и включающая в себя оптические субмагистральные от­

ветвители (емо), к которым подключаются ОВУ.

Оптико-волоконный узел является оконечным устройством волокон­ но-оптической магистрали ектв и обеспечивает переход от оптоволокон­ ной К коаксиальной части. ОВУ располагается в непосредственной близо­ сти от группы обслуживаемых домов или прямо в большом многоквартир­

ном доме, что сокращает длину коаксиальных линий распределительной сети, уменьшает количество усилителей и влияние помех.

ОВУ преобразует оптические сигналы в электрические и, наоборот, электрические сигналы в оптические. Кроме того, он разветвляет электри­

ческие сигналы прямого потока на несколько направлений коаксиальной

части ектв (обычно на четыре направления). В ОВУ может также исполь­

зоваться предварительное разветвление оптических сигналов на четыре со­

ставляющие (волны) по технологии спектрального мультиплексирования

WDM (Wavelength Division Multiplexing). В этом случае число коаксиаль­

ных направлений распределительной сети будет составлять 16.

Коммутационным оборудованием центров сктв являются коммута­ торы АТМ, обеспечивающие выход вИнтернет, в городскую телефонную сеть общего пользования, к службам охраны и пожарной безопасности. Выход к волоконно-оптическим системам передачи прямого и обратного потоков осуществляется по протоколу SDH.

Главный центр сктв обеспечивает:

•принятие сигналов нескольких десятков программ из различных источ­

ников (центральное и местное телевизионное и звуковое эфирное веща­ ние, спутниковое вещание и т.д.);

•кодирование телевизионных и звуковых сигналов;

•создание базового пакета телевизионных и звуковых программ;

•передачу сигналов базового пакета программ в магистральную транс­

портную сеть;

•контроль за работой районных центров сктв и транспортной сети.

Сигналы от различных источников принимаются ГЦ сктв. Принятые ГЦ сктв аналоговые сигналы оцифровываются и затем кодируются. Цифровые сигналы от внешних источников, в первую очередь, дескремб­

лируются, то есть с них снимается кодировка условного доступа. К приня­ тым И обработанным сигналам добавляются сигналы местных программ,

рекламных роликов. Таким образом формируется групповой сигнал, соот­

ветствующий пакету программ сктв, который скремблируется и направ­ ляется в транспортную сеть на РЦ, на которых также может осуществлять­

ся вставка местных программ и рекламных роликов.

Районные центры сктв транслируют групповой сигнал в аву. По­ следние преобразуют оптические сигналы в электрические и распределяют

их по коаксиальным распределительным ветвям (в домовые и абонентские сети).

Использование районных центров сктв обеспечивает:

•возможность добавления к базовому пакету программ дополнительной информации, которая будет приниматься только в данном районе;

•приближение сервисных служб (охраны, пожарной безопасности, учета

коммунальных услуг и т.д.) К заказчикам услуг;

•дает возможность персоналу той или иной службы оперировать только

с абонентами, размещенными в данном районе;

•создание локальных пакетов услуг, что позволяет уменьшить число ка­

налов в распределительной сети.

Способы построения домовой распределительной сети

Имеется несколько принципиально возможных способов построения ДРС, использующих абонентские разветвители. Как правило, распредели­

тельные кабели в многоквартирных домах прокладываются вдоль лестнич­

ных клеток каждого подъезда. В этом случае от установленных на каждом

этаже абонентских разветвителей в отдельные квартиры отходят абонент­ ские кабели длиной порядка 20 м.

384 7. ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ВЕЩАНИЕ

соответствует практическому случаю), а q = (-1,5 ... -0,3) дБ [67]. Разброс значений коэффициента q обусловлен разным затуханием распределитель­ ного кабеля на различных частотах. Из анализа графических зависимостей на рис. 7.8 следует, что в самом худшем случае (q = -1,5 дБ) мощности, от­

водимые к абонентским розеткам, например на первом и двадцатом эта­

жах, отличаются примерно в 103раз. Такой разброс отводимой мощности

не позволяет обеспечить высококачественное воспроизведение телевизи­ онных программ у всех абонентов, живущих на разных этажах. Поэтому на практике часто используется способ питания в середине распределитель­ ного кабеля. Рассмотрим подобную схему питания на примере ДРс, в ко­

торой один домовой усилитель одновременно используется на два подъез­

да одного здания (рис. 7.9). В этом случае в состав дрс дополнительно

включаются три разветвителя мощности на два направления каждый, в ка­

честве которых можно использовать магистральные ответвители. Один из

разветвителей, подключенный непосредственно к домовому усилителю,

служит для деления мощности распределяемых радиосигналов на два

подъезда. Два других разветвителя обеспечивают раздельное питание от-

РО

Рис. 7.9. Функциональная схема ДРС:

1 - домовой усилитель; 2 - ответвители; 3 - абонентские разветвители; 4 - абонентские розетки

резков распределительного кабеля в каждом из подъездов. Причем от од­

ного из отводов данных разветвителей питание подается только на часть

этажей, то есть на один из отрезков распределительных кабелей в каждом

подъезде. На другую часть этажей питание поступает по дополнительным

кабелям от вторых отводов разветвителей ко вторым отрезкам распредели­ тельных кабелей. Нагрузочные резисторы Rи обеспечивают согласование отрезков коаксиального кабеля. Однако подобная схема ДРС требует до­ полнительного расхода распределительного кабеля и не обеспечивает в полной мере равенства мощностей, отводимых к абонентским розеткам.

Для более равномерного деления мощности радиосигналов между абонентскими розетками иногда предлагается использовать в ДРС або­ нентские разветвители с большим количеством градаций коэффициента

ответвления, что достаточно сложно реализовать на практике. Кроме того,

данный режим работы практически невозможно обеспечить в случае рас­

пределения радиосигналов в широком диапазоне частот из-за сильной за­

висимости коэффициента q от частоты.

Поэтому, наиболее эффективным вариантом построения ДРС, обеспе­

чивающим достаточно равномерное деление мощности радиосигналов, яв­

ляется использование абонентских разветвителей с ограниченным числом

градаций коэффициента ответвления, включенных по схеме питания,

приведенной на рис. 7.9.

Для обеспечения прохождения сигналов прямого и обратного потоков домовые усилители интерактивных СКТВ должны быть двунаправленны­ ми. Двунаправленность усилителей обеспечивается применением отдель­

ных усилительных модулей, разделенных фильтрами - диnлексорами. Для

обеспечения требуемого качества услуг и стабильности параметров прямо­

го и обратного каналов усилители имеют устройства ручного (аттенюа­ торы) и автоматического регулирования усиления и устройства регулиро­ вания наклона частотной характеристики (эквалайзеры), поддерживающие

выходные параметры усилителя на заданном уровне независимо от коле­

баний параметров окружающей среды.

Применение однокабельной двунаправленной распределительной до­ мовой сети имеет следующие особенности:

• поскольку для телевизионного и звукового вещания, а также для

nрямого потока интерактивных сигналов отводится большая часть частот­ ного спектра в наиболее удобном участке частот 47 .. 862 МГц, то для сиг­ налов обратного потока остается только диапазон частот 5 .. .42 МГц. Та­ кая полоса весьма мала и находится в области, подверженной электромаг­ нитным помехам, особенно в ее низкочастотном участке. По этой причине участок частот 5 ... 15 МГц является малопригодным для высокоскоростно­

го доступа к интерактивным услугам;

• ввод в линейные двунаправленные усилители ДРС фильтров-диn­

лексоров снижает динамический диапазон усиления и повышает стоимость самих усилителей;

•в двунаправленных домовых усилителях из-за наличия петли обрат­ ной связи (через диплексорные фильтры) снижаются коэффициенты уси­ ления усилителей прямого и обратного каналов, что приводит к ухудше­ нию отношения сигнал/помеха в обратном канале и уменьшению числа об­ служиваемых абонентов;

•обратный канал имеет свойство «собирать» помехи от всех абонен­ тов, подключенных к сети. Для подавления этих помех необходимо уста­ навливать фильтры-пробки даже у абонентов, не пользующихся обратным каналом. Это увеличивает затраты на организацию ДРС;

•построенный по такой схеме обратный канал ДРС является слабоза­ щищенным от преднамеренных помех с любого абонентского отвода.

Перечисленные особенности однокабельной двунаправленной ДРС

усложняют организацию высокоскоростной интерактивной сети, а наи­

БОЛЫllие трудности создает проблема накопления помех от абонентской разводки. Большой уровень помех может создать проблему в эксплуатации обратного канала и использовании интерактивных услуг.

Кардинальным решением данного вопроса является построение двухкабельной ДРС. Принцип построения подобной ДРС иллюстрируется рис. 7.10 [68]. Такая сеть строится в виде двух кабелей, один из которых

УД

ОД

ОД

Рис. 7.10. Схема двухкабельной однонаправленной ДРС:

УД - домовой усилитель; ОД - домовой ответвитель; АЛ - абонентская линия; ДРО - домовое распределительное оборудование

используется как прямой канал для передачи сигналов телевидения и зву­

кового вещания, а также сигналов интерактивных услуг прямого потока.

Другой кабель служит для передачи сигналов обратного потока. Такая ДРС хотя и увеличивает на 7 ... 10% затраты на прокладку второго кабеля, однако обладает рядом достоинств, полностью компенсирующих увели­ чение расходов. Основные достоинства подобной ДРС заключаются в

следующем.

Так как прямой и обратный каналы полностью разделены, появляется возможность увеличить полосу частот обратного канала до 200 МГц и без каких-либо перестроек эксплуатировать обратный канал как в полосе час­ тот 5 ... 42 МГц, так и в полосе 5 ... 200 МГц. В сети могут работать все ви­ ды оборудования, рассчитанные на разные полосы частот обратного канала.

Во всех домовых усилителях отсутствуют фильтры диплексоры, что удешевляет и улучшает их характеристики (например, коэффициент шума и максимальный выходной уровень). Расширение полосы частот обратного канала позволяет разбивать распределительную сеть на «кусты» с числом

обслуживаемых абонентов более 500, что также существенно удешевит сеть. Появляются дополнительные возможности по защите обратного ка­ нала и ДРС в целом от внешних воздействий.

7.4. Стандарты цифровых систем кабельного

телевидения

Стандарт DOCSIS

Первым стандартом, предназначенным для передачи пакетных данных по сетям СКТВ, был DOCSIS 1.0, разработанный в США в 1998 г. консор­

циумом Cable Labs в сотрудничестве с отраслевой группой MCNS (Multimedia Cable Network System), объединяющий широкий круг производите­

лей оборудования кабельных сетей. Данный стандарт был жестко ориенти­ рован на использование Интернета, то есть на реализацию единой стан­

дартной платформы для IР-услуг, таких как передача голоса по IP (VoIP),

интерактивное телевидение, VoD, а также ряд других дополнительных сервисов. Вследствие этого стандарт DOCSIS предусматривает в основном

использование стандартных кадров Ethernet. Одновременно спецификация

DOCSIS допускает несколько равноправных вариантов инкапсуляции IP-

пакетов, включая, например, IP over АТМ, IP over Ethemet, в зависимости

от организации сетей провайдера интерактивных услуг и пользователя ус­

луг. Кроме того, стандарт DOCSIS 1.0 учитывал параметры телевизионных

каналов, действующих в Северной Америке (ширина полосы частотного

канала 6 МГц; диапазон частот, отведенный для передачи сигналов в об­

ратном направлении, 5 .. .42 МГц) [69].

В 1999 г. был разработан модернизированный стандарт DOCSIS 1.1, в котором была предусмотрена служба QoS (Quality of Service - гаранmиро-

ванное качество обслуживания), что в значительной степени улучшило работу с услугами реального времени - голосовым трафиком и видеопото­ ками. Для использования в европейских странах оборудования, изготов­ ленного в США по стандарту DOCSIS 1.1, была создана версия Euro DOCSIS, которая является приложением к DOCSIS 1.1. В этой версии учтены отличия европейских сетей СКТВ от американских: ширина телевизион­ ных каналов принята равной 8 МГц, а диапазон частот, отведенный для передачи сигналов в обратном направлении, то есть от абонента, взят рав­ ным 5 ... 65 МГц.

Затем в США был разработан стандарт DOCSIS 2.0, принятый для внедрения в Северо-Американском регионе. Основным преимуществом стандарта DOCSIS 2.0 по сравнению с предыдущей версией DOCSIS 1.0 стала более высокая (до 30 Мбит/с) скорость передачи данных в обрат­ ном канале. В новой версии стандарта DOCSIS используются сразу два способа множественного доступа к каналу передачи: с временным (Ad-

vanced Frequency Agile TDMA, то есть А-TDMA) и кодовым (S-CDMA)

разделением.

В соответствии со стандартом DOCSIS обратный канал может зани­ мать полосу частот 0,2; 0,4; 0,8; 1,6 или 3,2 МГц. В целом стандарт DOCSIS определяет, что для предоставления услуг передачи данных использу­ ются модуляция QAМ-64 или QAМ-256 в прямом канале и QAМ-16 или QPSK в обратном канале. Следовательно, максимальная скорость, которую

можно получить в прямом канале составляет около 39 Мбит/с. Европей­

ской разновидностью стандарта DOCSIS является Euro DOCSIS, в соответ­ ствии с которой на европейский рынок должны поставляться кабельные модемы, использующие для организации прямого канала полосу 8 МГц вместо 6 МГц. Соответственно, в этом случае при использовании модуля­

цИИ QAМ-64 можно достичь скорости 38,3 Мбит/с, а модуляция QAМ-256 позволяет добиться скорости 52,8 Мбит/с (эффективные скорости цифро­ вого потока ниже). С технической точки зрения в частотном канале с поло­

сой 6 МГц можно с помощью известных многопозиционных методов мо­ дуляции передавать данные и с более высокой скоростью, но это ухудшает

распознаваемость передаваемых символов на приеме и повышает вероят­

ность ошибочного декодирования данных. Поэтому при необходимости повысить скорость в прямом направлении передачи оператор СКТВ дол­ жен выделить полосу частот еще одного телевизионного канала. В обрат­ ном канале кабельные модемы позволяют передавать данные со скоростью

от 290 кбит/с до 9,2 Мбит/с в зависимости от отведенной полосы и исполь­

зуемого способа модуляции. С целью повышения помехозащищенности в

прямом и обратном каналах предусмотрено помехозащитное кодирование кодом Рида-Соломона. Значение скоростей цифрового потока в прямом и обратном каналах СКТВ, достигаемые при использовании разных типов модуляции, приведены в табл. 7.1 и 7.2.

Скорости, достигаемые в прямом частотном канале СКТВ шириной 6 МГЦ, при различных типах модуляции согласно DOCSIS 1.0/1.1

Таблица 7.2

Скорости цифрового потока, достигаемые в обратном канале СКТВ

шириной 6 МГц, при различной ширине канала и разных типах модуляции

согласно DOCSIS 1.0/1.1

Значения скоростей цифрового потока, представленные в данных таб­

лицах требуют некоторого пояснения. Символьная скорость равна количе­

ству состояний несущей (символов) в единицу времени. Символьные ско­ рости различаются для разных видов модуляции. Скорость передачи циф­

рового потока - это общая скорость битового потока с учетом избыточных бит помехозащитного кодирования, дополнительных бит заголовка, пре­

амбулы и защитного интервала. Эффективная скорость передачи - это ско­ рость передачи полезной информации без учета избыточных бит, поэтому

она всегда несколько ниже общей скорости битового потока. Скорости в

обратном канале соответствуют его пропускной способности (максималь­ ной скорости), но реальная скорость будет зависеть от количества одно­ временно функционирующих активных модемов, поскольку обратный ка­

нал является многопользовательским. При выборе метода модуляции из разрешенных стандартом способов оператор СКТВ должен исходить из

физических характеристик своей кабельной сети, ее подверженности по­ мехам. Следует помнить, что чем более информативен какой-либо способ

модуляции, то есть, чем б6льшую скорость передачи данных он обеспечи­

вает, тем менее он защищен от помех, и наоборот.

Стандарт DOCSIS устанавливает ряд параметров, позволяющих контролировать уровень QoS, предоставляемый абонентам сети, что осо­ бенно актуально при передаче информации, чувствительной к задержкам