Телевидение / Распред частот,стандарты в телевиз вещании лк7
.docРаспределение частот, стандарты, используемые в телевизионном вещании
В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция взаимодействия различных систем передачи цифровой информации, когда в общий цифровой поток вводятся телевизионные и радиовещательные программы, телефония, передача данных, пакетная передача информации (IP, Frame Relay, ATM). Происходит процесс конвергенции отраслей телевидения и телекоммуникаций, означающий внедрение в телевизионное вещание информационных технологий.
В телерадиовещательных системах используются три среды распространения сигналов:
Тропосфера в наземных (эфирных) каналах, где для передачи сигналов могут применяться метровые и дециметровые волны, а также сантиметровые в полосе 27…29 ГГц и миллиметровые в полосе 4,5…43,5 ГГц. Системы в полосах частот 27…29 и 40,5…43,5 ГГц относят к сетям распределения программ телерадиовещания.
Кабели оптический и коаксиальный создают направляющую среду в кабельных сетях распределения программ.
Космос используется в спутниковых системах связи и телерадиовещания, причем, как правило, применяются спутники, размещаемые на геостационарной орбите (в экваториальной плоскости с удалением от Земли примерно 36 тыс. км).
Современные системы кабельного телевидения представляют собой гибридные оптико-коаксиальные сети, позволяющие пропустить всю полосу частот от 5 до 862 МГц, отведенную для телевизионного вещания. Причем в полосе 5…40 МГц размещаются не только служебные сигналы, но и обратные каналы, по которым абонент запрашивает через головную станцию, интересующую его информацию из соответствующих банков данных.
При наличии обратных каналов по системе кабельного телевидения абоненту может быть предоставлен ряд дополнительных услуг.
По утверждениям специалистов, стоимость оптико-коаксиальной сети на 200-300 тыс. абонентов при трансляции 42 телевизионных программ и организации интерактивного сервиса будет в 2-3 раза меньше, чем стоимость такой же системы, построенной на основе лишь коаксиальных кабелей.
Кабельные сети за счет ограниченной протяженности обладают рядом достоинств: позволяют объединить программы с аналоговой и цифровой передачей информации, имеют возможность предоставить абоненту высокоскоростной канал передачи данных.
По распределению частот территории стран СНГ, Европы, Африки, Турции и стран Аравийского полуострова решениями МККР (МСЭ-Р) отнесены к району 1. Соответственно для систем радиовещания в данном районе выделены следующие полосы частот: 48,5…66 МГц (1 и 2-й телеканалы), 66…74 МГц звуковое вещание с ЧМ, 76…100 (3-5 телеканалы), 100…108 звуковое вещание с ЧМ, 148…174 МГц (служебные и специальные каналы, частично используемые сейчас в сетях кабельного телевидения), 174…230 (6-12-й телеканалы), 470…582 (21-34 телеканалы) и 582…790 (35-60-й телеканалы). Кроме указанных выше, выделены для наземного телевизионного вещания полосы частот 10,7…12,75 ГГц, 27,5…29,5 ГГц, 40,5…42,5 ГГц и 84…86 ГГц. Данные полосы частот, кроме 84…86 ГГц, в настоящее время успешно осваиваются в современных системах MMDS, LMDS, MVDS.
Для черно-белого телевидения в разных странах мира используют 10 стандартов, различающихся между собой числом строк (625 или 525), частотой полей (50…60 Гц), частотой строк (15625 или 15750 Гц), полосой частот видео- и радиоканала (включая сигналы звукового сопровождения), видом модуляции несущей звука (ЧМ или АМ), разносом несущих частот видео- и звукового сигналов и некоторыми другими характеристиками. Следует иметь в виду, что видеосигнал передается в негативном или позитивном изображении.
По способу передачи сигналов цветности различают три основные системы совместимого с черно-белым изображением цветного телевидения: SECAM, NTSC и PAL.
В системе SECAM (применяется во Франции, в странах СНГ и странах Восточной Европы и Азии) каждый из двух цветоразностных сигналов модулирует по частоте цветовую поднесущую в смежных строках. Частоты поднесущих при отсутствии модуляции 4,4065 и 4,25 МГц, девиация поднесущей ±250 и ±230 кГц соответственно. Обе поднесущие частоты лежат с области малых составляющих спектра яркостного сигнала и модулируются цветоразностными сигналами. При этом применяют частотную модуляцию с частичным подавлением верхних боковых полос. Цветоразностные сигналы передаются поочередно через строку. В течение передачи одной строки передается один цветоразностный сигнал, в течение передачи следующей строки – другой. Вследствие этого канал связи «уплотняется», однако ширина спектра остается неизменной.
В европейских странах в значительной степени стандартизованы параметры сигналов, используемых в телевидении, чтобы можно было обмениваться телевизионными программами, а также для обеспечения взаимозаменяемости элементов и узлов. Эти параметры входят в телевизионный стандарт. Основные из них следующие:
Количество строк…………………………………………………………625
Частота строк, Гц…………………………………………………….....15625
Период напряжения строк, мкс……………………………………………64
Частота полукадров, Гц…………………………………………………….50
Период полукадра, мс………………………………………………………20
Частота кадров, Гц…………………………………………………………..25
Соотношение сторон (изображения)………………………………………4:3
Кадровый гасящий импульс занимает, строки…………………………19-31
Импульс синхронизации кадров занимает, строки……………………….2,5
Длительность строчного гасящего импульса, мкс………………….10,8-12,4
Длительность импульса синхронизации строк, мкс…………………5,1-6,4
В системе NTSC (распространена в странах американского континента и Японии) цветоразностные сигналы передаются методом квадратурной фазовой модуляции на поднесущей частоте fп=3,579545 МГц, соответствующей половинному значению 455-й гармоники строчной частоты, т.е. fп=455 fстр/2.
В системе PAL (Phase-Alternation-Line, чередование строк) (широко применяется в странах центральной и западной Европы, КНДР, КНР и других странах азиатского континента) сигналы цветности также, как и в системе NTSC, передаются с помощью квадратурной фазовой модуляции 4-ФМ (QPSSK), однако фаза поднесущей одного из модулированных сигналов поочередно от строки к строке изменяется на 180º.
Частота поднесущей в зависимости от принятой разновидности стандарта изменяется в пределах 3,5795…4,4336 МГц.
При квадратурной ФМ используют одну поднесущую на частоте 3,5795 МГц (NTSC) или 4,4336 МГц (PAL).
Сигнал на поднесущей частоте с помощью фазовращательной цепи разделяется на две составляющие, сдвинутые одна относительно другой на 90º, что позволяет каждую из составляющих модулировать своим цветоразностным сигналом.
В системе PAL применяется число строк – 525, частота кадров – 30, полоса частот видеосигнала – 4 МГц, каждый законченный кадр заполняется построчно сверху донизу, выполняется 50 проходов экрана каждую секунду.
В Великобритании разработан комбинированный цифроаналоговый метод передачи (стандарт МАС – Multiplexing Analogue Components - уплотнение аналоговых компонент), при котором сигналы яркости и цветности сжимаются во времени и передаются поочередно на периоде активной части строк. Сжатие аналоговых сигналов производится стробированием с некоторой тактовой частотой, накоплением их в буферной памяти, ускоренным считыванием с новой, более высокой тактовой частотой и обратным преобразованием в аналоговую форму.
Сигналы звукового сопровождения данных и синхронизации передаются в цифровом виде с применением помехозащищенного кодирования.
Сигналы MAC в меньшей степени подвержены перекрестным искажениям яркостных и цветоразностных компонент и менее чувствительны к шумовой помехе, особенно сигналы цветности.
В настоящее время предложено и реализовано шесть модификаций системы MAC применительно к разным стандартам видеосигнала (625 или 525 строк), отличающимся тактовыми частотами, числом тактовых интервалов, структурой уплотнения, опорными сигналами, параметрами преобразования сигналов яркости и цветности, а также методами кодирования и параметрами модуляции звука.
Принципиальной особенностью системы MAC является возможность передачи данных при пакетном или непрерывном методе передачи.
Объединение цифровых потоков видеосигнала, нескольких каналов звука (от 4 до 8), телетекстовой информации производится пакетным методом, для чего в начале каждой строки передается кодовое слово. Кадровая синхронизация и сведения о методе засекречивания, числе звуковых каналов вводится в последнюю строку.
Видеосигналы передаются в 24…310 и 336…622 строках (в стандарте 625 строк). В остальные строки может быть введена телетекстовая информация.
Для кабельного ТВ предложен стандарт D2-MAC/packet.
Передачи спутникового телевещания в стандарте D2-MAC ведутся во Франции и Германии, в Англии – принят стандарт D-MAC, в скандинавских странах (Швеция, Норвегия) – передачи в стандарте C-MAC через европейские спутники.
Качество изображения и звука в D2-MAC выше, чем при передаче аналоговых сигналов в PAL.
В соответствии с международными соглашениями, для систем спутникового телевизионного вещания на участке Космос-Земля выделены следующие полосы частот: 620…790, 2500…2690 МГц, 10,95…11,7 и 11,7…12,5 ГГц.
В полосе частот 10…11,7 ГГц могут работать системы фиксированной спутниковой службы любой страны мира. Полоса частот 11,7…12,5 ГГц представлена радиовещательной службе для государств Европы, Африки, СНГ, Турции и Монголии. Эта полоса частот разбита на 40 частотных каналов с разносом между несущими 19,18 МГц. Благодаря многократному использованию их по дуге геостационарной орбиты от 37º з.д. до 170º в.д. удается обеспечить 984 одновременно работающих каналов. Для спутников стран СНГ выделено пять позиций на геостационарной орбите: 23,44,74,110 и 140º в.д., а также 36 номиналов частот в полосе 11,7…12,5 ГГц. Достаточно большой разнос между спутниками по долготе, применение двух видов поляризации (горизонтальной и вертикальной) позволяют обеспечить в странах СНГ около 70 передаваемых одновременно программ с аналоговыми сигналами.
Спектр аналогового телевизионного сигнала составляет примерно 10 МГц. Известно, что при отсутствии сжатия спектра телевизионного сигнала, т.е. до устранения в нем избыточности, для высококачественного цифрового телевидения необходимо обеспечить передачу по каналу цифрового потока со скоростью 216 Мбит/с [3,3]. Таким образом, без устранения избыточности в таком телевизионном сигнале требуется существенное расширение частотной полосы канала.
Совместными усилиями специалистов ряда стран постепенно удалось добиться сжатия спектра аналогового телевизионного сигнала без заметной потери качества изображения. В настоящее время такое сжатие спектра за счет устранения в телевизионном сигнале избыточной информации составляет примерно 40 раз. В США, Японии и Европе проводились разработки по системам телевидения с повышенной четкостью и цифровым методам передачи телевизионного сигнала. В США для цифрового телевидения разработан стандарт Digi Cypher. В Японии детально разработан новый стандарт качества на 1125 строк – MUSE (Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding - система кодирования с многократной субдискретизацией).
Объединенными усилиями специалистов Международной организации стандартизации и Международной электротехнической комиссии (IEC) разработаны стандарты MPEG-(Moving Picture Experts Group) для цифрового телевидения и радиовещания. Стандарт MPEG-1 оптимизирован для скоростей передачи цифровых сигналов 1,5…8 Мбит/с и MPEG-2 – для скоростей 2…15 Мбит/с. Оба стандарта рассчитаны для телевещания с развертками 525 строк, 30 кадров/с и 625 строк 25 кадров/с с форматами 4:3, 16:9. Стандарт MPEG-2 использует чересстрочную развертку, а MPEG-1 – построчную, так как ориентирован на применение в персональных компьютерах и системах мультимедиа.
В стандарте MPEG-2 цифровой поток телевизионного сигнала со скоростью 216 Мбит/с сжимается до 2…15 Мбит/с (верхняя цифра соответствует передаче сигналов телевидения с высокой четкостью).
Известно, что телевизионное изображение имеет определенную избыточность – это либо практически неподвижный фон, либо передний план. Алгоритм MPEG-2 позволяет устранить эту избыточность с помощью межкадрового и внутрикадрового кодирования [3,3]. При межкадровом кодировании видеоизображения выбираются опорные кадры (intra-кадры), которые считаются основными и кодируются без обращения к другим кадрам. Остальные кадры анализируются микропроцессором системы, сравнивающим их с опорными кадрами и между собой и вырабатывающим сигналы различия на основе алгоритма предсказания с компенсацией движения. Эти кадры разделяются ещё на два типа: Р-кадры (Predictive), закодированные на основе предыдущего и последующего кадров. Организация всех типов кадров (I, P и B) и их последовательности является достаточно гибкой, избыточность, закодированная в сигнале различия, устраняется с помощью дискретного косинусного преобразования (ДКП) сигнала. Внутрикадровое кодирование состоит в уменьшении пространственной избыточности в кадре и также производится с помощью ДКП.
Таким образом, сжатие видеосигнала в стандарте MPEG-2 основано на сложных алгоритмах предсказания и применении дискретного косинусного преобразования.
В канале звукового сопровождения стандарта MPEG-2 кодирование и сжатие данных также производится по специально разработанным алгоритмам. Качество звука после восстановления в приемнике соответствует качеству компакт-дисков.
В транспортном потоке на одной несущей могут передаваться одна или несколько программ (до семи) телевидения, радиовещания и данные путем мультиплексирования с помощью временного уплотнения.
Отметим очевидные по сравнению с аналоговыми способами преимущества передачи телевизионной информации в цифровом виде по спутниковым каналам:
- применение информационного сжатия позволяет намного сократить объем передаваемой информации, а, следовательно, сократить полосу частот;
- при неизменной мощности передатчика спутника-ретранслятора уменьшение скорости передачи в канале приводит к увеличению энергии сигнала, приходящейся на элементарную посылку, и следовательно, уменьшению вероятности ее сбоя (уменьшению коэффициента ошибок). Таким образом, при заданной вероятности сбоя информационного символа появляется возможность уменьшить эквивалентную изотропно-излучаемую мощность (ЭИИМ) ретранслятора, равную произведению мощности передатчика на коэффициент усиления передающей антенны) или при неизменной (ЭИИМ использовать приемные антенны меньшего диаметра;
- в полосе ствола ретранслятора можно передавать большее количество телевизионных программ;
- переход от аналогового к цифровому методу телевизионного вещания почти не затрагивает приемопередающее СВЧ оборудование системы, однако требования к линейности передающих трактов цифровых систем оказываются выше, чем в аналоговых системах.
В свете сказанного становится понятным крупномасштабный переход от аналогового способа передачи телевизионных сообщений к цифровому с использованием эффективных методов сжатия видео- и аудиоинформации.
Наряду с интенсивным развитием систем спутникового и кабельного телевидения, внедрением интегральных сетей распределения программ спутникового, кабельного и наземного телевидения в последние годы во многих странах Европы и Америки ведутся работы по созданию наземных систем сотового телевидения MVDS и LMDS.
В самом деле, многоканальные системы ретрансляции телевизионных программ, работающие в диапазоне 2,5…2,7 ГГц, из-за большой загруженности радиорелейными сетями прямой видимости, спутниковыми системами, не обеспечивают высококачественных сигналов. Кроме того, этот участок диапазона имеет ограниченную пропускную способность.
Традиционные телевизионные ретрансляторы метрового и дециметрового диапазонов не эффективны в жилых массивах крупных городов из-за переотражений от высокоэтажных строений. Электромагнитные излучения мощных передатчиков неблагоприятно действуют на живые организмы в ближней зоне от передатчика.
Стоимость развертывания сети сотового телевизионного вещания в условиях больших городов во много раз ниже общих затрат на монтаж и эксплуатацию гибридных оптико-коаксиальных систем кабельного телевидения.
В настоящее время работы по внедрению систем сотового телевидения ведутся достаточно широко в Северной Америке, где для этих целей используется диапазон 27,5…29,5 ГГц, и в Европе – в диапазоне 40,5…42,5 ГГц. В этих системах в полосе примерно 2 ГГц модно передавать от 96 до 128 аналоговых телевизионных сигналов и в 3-4 раза больше цифровых, в которых применяется информационное сжатие сигналов. При этом каждый аналоговый радиоканал занимает полосу 27…36 МГц, а цифровой всего 8…9 МГц.
Частотное планирование в сети производится методом разделения каналов либо по частоте, либо по поляризации, либо и то, и другое.
Абонентское оборудование представляет собой обычный спутниковый ресивер, работающий в полосе 950…2050 МГц, и СВЧ-блок, который включает рупорную антенну диаметром 15…25 см и малошумящий конвертер. Такую малогабаритную установку легко переносить и монтировать в помещении.
Зона обслуживания ТВ вещанием определяется границами зоны уверенного приема радиосигналов, в пределах которых сигнал не зависит от времени суток, года и других факторов. Эти границы фиксируются по медианному (среднестатистическому по времени и месту) значению напряженности поля излучения радиосигнала изображения.
Чтобы зоны уверенного приема радиосигналов изображения и звукового сопротивления были примерно одинаковы, номинальная мощность канала изображения выбирается в 10 раз больше мощности канала звукового сопровождения ТВ передатчика.
Эффективное значение напряженности поля, мкВ/м, в зоне уверенного приема может быть оценено по формуле Введенского
,
где h1, h2, м, r, км, - высоты передающей и приемной антенн и расстояние между антеннами; Р, кВт, λ, м – мощность и длина волны излучения радиопередатчика; D – коэффициент усиления передающей антенны (для турникетной – примерно равен числу ее этажей).
Из-за того, что УКВ при распространении испытывают очень малую рефракцию в атмосфере, радиус действия телевизионного радиопередатчика примерно ограничен расстоянием прямой видимости, км:
,
где h1 и h2, м.
Поэтому увеличение мощности излучения передатчика позволяет увеличить напряженность поля в зоне прямой видимости, но почти не расширяет зону обслуживания телевизионным вещанием. Эта зона может быть увеличена с помощью радиорелейных, кабельных и космических линий связи (с ретрансляцией радиосигналов передающими станциями).