Мультиплексоры

Мультиплексор служит для объединения в единый транспортный поток цифровых потоков от различных источников– кодеров сжатия, выходов других мультиплексоров, выходов приемников – декодеров и т.д. Приходящие сигналы могут иметь разную временнýю базу (то есть формироваться с несколько различающимися тактовыми частотами), и задача мультиплексора – сформировать асинхронный поток с сохранением синхронизирующей информации каждого из компонентов.

Принцип действия мультиплексора основан на свойствах буфера памяти – информация записывается в него с одной тактовой частотой, а считывается с другой, более высокой частотой. Если представить себе цепочку последовательно соединенных буферов, синхронизированных таким образом, что выходные пачки импульсов не перекрываются во времени, это и будет мультиплексор.

Основным параметром мультиплексора считается выходная скорость транспортного потока, которая у большинства моделей составляет55…60 Мбит/с. Существуют и образцы со скоростью до 100 Мбит/с. Разумеется, устанавливаемая на выходе скорость потока должна быть по крайней мере не ниже суммы скоростей всех объединяемых потоков. Превышение скорости выходного потока компенсируется введением нулевых пакетов на выходе мультиплексора.

Гибридные телевизионные передатчики

Проанализировав требова­ния к аналоговым и цифровым передатчикам и учитывая неизбежность достаточно длительного переходного периода к цифровому телевизионному вещанию, рядом фирм различных стран была разработана и внедряется концепция двойного использования современных радиопередающих средств,так называемыхгибридных (аналого-цифровых) передатчиков, которые также носят название «DigitalReady», то есть буквально, «передатчик, готовый к цифре». Замене подлежит только модулятор.

Данная концепция предполагает единство структуры и максимальную унификацию составных частей, что значительно упрощает переход от аналогового вещания к цифровому и снижает экономические расходы. Структурная схема такого радиопередатчика представлена на рис. 5.2 [45].

В

Рис. 5.2.Структурная схема гибридного телевизионного передатчика

соответствии с принятой в настоящее время практикой построения структурных схем передатчиков для телевизионного вещания сначала производится формирование сигнала на относительно низкой (промежуточной) частоте, затем этот сигнал с помощью преобразования и фильтрации переносится на рабочую частоту.

Сигналы телевизионного вещания, подаваемые на передатчик, форми­руются модуляторами – либо аналоговым, либо цифровым (COFDMмодулятором). Далее следует предкорректор, предназначенный для компенсации нелинейных искажений последующего тракта. Нелинейные искажения являются главной причиной появления побочных спектральных составляющих в выходном сигнале усилителя мощности. Эффективным методом уменьшения нелинейных искажений является предыскажение, принцип действия которого основывается на линеаризации амплитудной и фазоамплитудной характеристик усилителя мощности. Поэтому в усилительный тракт передатчика на малом уровне мощности включается предкорректор нелинейных искажений – нелинейное устройство, передаточные характеристики которого подбираются таким образом, чтобы амплитудная характеристика объединенного устройства предкорректор – усилитель мощности стала линейной, а фазоамплитудная характеристика – равномерной. Преобразо­ватель обеспечивает перенос сигнала в рабочий канал, а усилительный тракт (усилитель мощности) – необходимую выходную мощность. Переход от одного вида вещания к другому в подобной структуре обеспечивается заменой модуляторов.

Однако не всякий аналоговый возбудитель можно легко трансформировать 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. Например, в серийно выпускаемых модуляторах DVB-T выходной сигнал COFDM формируется на промежуточной частоте, равной 36,15 МГц (реже 35,5 МГц). Именно такое значение промежуточной частоты выбрано для того, чтобы с наименьшими трудностями обеспечить стыковку COFDM модулятора с существующими возбудителями аналоговых передатчиков (для превращения последних в цифровые достаточно только подключить выход модулятора DVB-T 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 цифровым модуляторами. К гетеродину, используемому в гибридных передатчиках, предъявляют повышенные требования в отношении фазовых шумов.

Что касается усилителя мощности, он имеет повышенные характеристики линейности, необходимые для передачи цифрового сигнала с максимально возможным уровнем мощности. Ведущие производители декларируют соотношение величин мощности в пике синхроимпульса к средней мощности цифрового сигнала DigitalReadyпередатчика 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 сигналовCOFDMс заданными параметрами качества, включая уровень побочных составляющих в спектре выходного колебания, то естьуровень внеполосных спектральных составляющих(УВСС), с целью минимизации влияния на смежные каналы, в которых еще могут использоваться аналоговые передатчики.

Рис. 5.3.Частотная характеристика затухания выходного фильтра

Опыт разработки современных твердотельных усилителей мощности для цифрового телевизионного вещания показывает, что уровень внеполосных 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 гибридных телевизионных радиопередатчиках, представлена на рис. 5.3 [46].

Наличие амплитудно-частотных искажений в передатчике приводит к появлению дополнительной неравномерности амплитуд поднесущих на входе приемника. Ориентировочные расчеты и экспериментальная проверка 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 типовых модулей – паллет, монтируемых на радиаторе охлаждения (воздушного либо жидкостного). Паллета представляет собой усилительный модуль на основе двух мощных транзисторов, включенных по балансной схеме, и имеет коэффициент усиления от 10 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 передатчики мощностью 2 кВт и более, могут содержать до 10 паллет каждый (два предварительных и восемь оконечных усилителей, включенных параллельно). При такой архитектуре построения усилителя мощности выход из строя одной паллеты лишь ненамного снижает уровень выходной мощности передатчика. Суммирование производится с минимальным влиянием усилителей друг на друга.

В подавляющем большинстве радиопередатчиков находят применение импульсные источники питания (ИП), отличающиеся малым весом и габаритами, 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 передатчика, 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 воздушного или жидкостного охлаждения. Практически охлаждение передатчика 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 полупроводниковых приборов, а также других компонентов радиопередатчика 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 эквивалентно мощности аналогового сигнала, равной 60 кВт. Имеется возможность работы гибридных радиопередатчиков в составе одночастотных сетей при наличии синхронизации при помощи GPS-приемника.

Основными параметрами, характеризующими особенности использования радиопередатчиков в системе цифрового телевидения стандарта DVB-T, являются:

• уровень внеполосных спектральных составляющих;

• коэффициент ошибок модуляцииMER(ModulationErrorRatio) показывает насколько фактическое значение комплексной амплитуды одной из несущих спектра сигналаOFDMотличается от номинальной величины.

Схема определения ошибки для одной несущей представлена на рис. 5.4. На векторной диаграмме сплошной линией обозначено номинальное положение комплексной амплитуды несущей, модулированной способом QPSK, из спектра сигналаOFDM, пунктирной линией – фактическое положение. В общем случае они не совпадают из-за нелинейных искажений амплитуды и фазы в усилительном тракте радиопередатчика, и из-за внесения шума преобразования в модуляторе. В данном случае вектор сигнала ошибок между номинальным и фактическим значениями комплексной амплитуды данной несущей обозначен символом(см. рис. 5.4).

С

Рис. 5.4.Возникновение ошибки приQPSK-модуляции

ледовательно, коэффициент ошибок модуляцииMERможно определить по следующему выражению:

,

где i– число символовOFDMв кадре.

Суммирование в соотношении ведется по количеству символов в кадре DVB-T. Усредняя значениеMERдля каждой несущей, вычисляется интегральное значениеMER.

В телевизионных передатчиках без коррекции амплитудной и фазовой характеристик коэффициент MERдолжен быть не хуже –33 … –34 дБ, с коррекцией –35 … –36 дБ.

В стационарных условиях коэффициент ошибок модуляции MERможет быть измерен с помощью контрольного приемникаDTU-235 фирмыDekTec, для оценкиMERв полевых условиях удобно использовать измерительный приемникPDA-7 фирмыR.O.V.E.R. Уровень среднеквадратичной ошибки коэффициентаMERможет быть определен измерительным приемникомEFA40 фирмыRohde&Schwarz.

В отечественных временн ыхнормах и стандарте на радиопередатчики для цифрового эфирного телевизионного вещания качество работы оценивается также величиной эквивалентных энергетических (шумовых) потерь END [47]. Фактически эффективность функционирования системы телевизионного вещания может быть однозначно отражена с помощью оценки величины вероятности ошибки на выходе демодулятора (). Влияние искажений в радиопередатчике, приводящих к увеличению, заменяется воздействием «белого» гауссовского шума, сопровождающимся таким же увеличением. Последствию влияния искажений передатчика присвоен термин «эквивалентные шумовые потери» (Equivalent Noise Degradation – END).

В общем случае величина ENDскладывается из трех составляющих:– эквивалентные энергетические потери, обусловленные нелинейными искажениями;– эквивалентные энергетические потери, связанные с искажениями в линейных элементах радиопередатчика;– эквивалентные энергетические потери на выходе модулятора.

В правильно спроектированном радиопередатчике значения исущественно меньше других видов энергетических потерь, поэтому основные усилия по оптимизации режима передатчика следует сосредоточить на уменьшении величины.

Снижение результирующего значения отношения сигнал/шум в системе телевизионного вещания за счет параметра не должно превышать 0,1 дБ.