.А.В. Кривошейкин

Л.Х. Нурмухамедов

Основы построения систем цифрового кабельного телевидения

Учебное пособие

Введение

Цифровая форма представления сигнала давно уже перестала быть объектом для обсуждений и споров. Эта форма используется практически на всех этапах создания, консервации и транспортирования телевизионного сигнала.

Система телевизионного вещания предназначена для доставки телевизионных программ от источника программ к абоненту. Она включает в себя студийное оборудование, оборудование канала передачи и абонентские устройства. Студийное оборудование осуществляет преобразование, обработку, консервацию и кодирование аудио и видеоинформации. Так как это оборудование является источником программ, то именно в нём было впервые использовано цифровое представление сигнала. Первоначально цифровое студийное оборудование участвовало только во внутреннем цикле создания в студии телевизионной программы. Оно обеспечивало широкие возможности работы с аудио и видеоматериалом, недоступные аналоговым методам. Однако сигналы, выходящие со студии для подачи в систему телевизионного вещания были аналоговыми, так как сама система вещания оставалась аналоговой.

Телевизионный сигнал в цифровой форме имеет спектр частот в десятки раз шире, чем аналоговый. Поэтому реальный переход к цифровому телевизионному вещанию оказался возможным только после разработки методов цифрового сжатия (компрессирования) видео и аудиосигналов в соответствии со стандартами MPEG2 [1], MPEG4 [2] . Эти стандарты предусматривает организацию элементарных программных потоков (ПП), соответствующих одной телевизионной программе и мультиплексирование нескольких ПП в единый транспортный поток (ТП).

Таким образом, входным сигналом в системе цифрового телевизионного вещания (ЦТВ) является стандартизованный транспортный поток в форматах MPEG2, MPEG4 который поступает в эфирный, спутниковый или кабельный канал передачи.

Несмотря на использование компрессии ширина спектра ТП значительно шире полосы частот, выделяемой в системе ЦТВ для его передачи. Поэтому в канале передачи предусматривается многоуровневая модуляция сигнала несущей радиочастоты цифровым сигналом, которая обеспечивает согласование ширины спектра цифрового сигнала ТП с шириной канала передачи.

Организация системы ЦТВ, т.е. состав и правила выполнения операций над сигналом ТП определяется стандартами DVB (Digital Video Broadcasting) и, в частности, DVB – T для эфирного вещания [2], DVB – S для спутникового вещания [3], DVB – C для кабельного вещания [4,5].

Совершенно ясно, что введение в эксплуатацию ЦТВ имеет явные преимущества для компаний, предоставляющих услуги телевизионного вещания. Это обусловлено, в частности, тем, что на одной несущей частоте может быть передано сразу несколько ТВ программ, что значительно снижает затраты на организацию вещания.

Качество видео и аудиосигналов, доставляемых абоненту в системе ЦТВ, выше, чем для аналоговых систем вещания. Однако простое улучшение качества телевизионного изображения по сравнению с достаточно высоким качеством для современных аналоговых систем ТВ вещания вряд ли является привлекательным стимулом для абонентов. Только предоставление дополнительных услуг может обеспечить рентабельность ЦТВ. Именно поэтому стандарт предусматривает построение интерактивной сети ЦКТВ, предоставляющей абонентам возможность подключения к скоростному INTERNET, пользование услугами электронной почты, возможность проведения игр между абонентами, банковские услуги на дому и т.д. И всё это происходит на фоне получения абонентами полного набора ТВ программ. Стандарт ETSI ES 200 800 [4] описывает структуру передающего и абонентского оборудования и операции над сигналами, предусмотренные при организации вещательного канала. Стандарт ETSI EN 300 429 [5] описывает структуру передающего и абонентского оборудования и операции над сигналами, предусмотренные при организации интерактивного канала.

В России построение сетей кабельного телевидения регламентируется стандартом ГОСТ Р52023 – 2003, в котором установлены параметры сетей и методы их измерений. Стандарт распространяется как на системы аналогового, так и цифрового кабельного телевидения.

1 Стандарт гост р52023 – 2003. Сети распределительные систем кабельного телевидения

1.1 Область применения

Рассматриваемый стандарт [1] распространяется на распределительные сети систем кабельного телевидения с частотным разделением каналов и полосой частот от 5 до 1000 МГц, предназначенные для двунаправленной или однонаправленной передачи радиосигналов телевидения, радиовещания и других сигналов электросвязи.

Полоса частот от 40 до 1000 МГц предназначена для распределения радиосигналов в прямом направлении, полоса частот от 5 до 30 МГц – для передачи радиосигналов в обратном направлении. Допускается расширение полосы частот обратного направления за счет полосы частот прямого направления.

Стандарт устанавливает параметры, технические требования, методы измерений и испытаний кабельных распределительных сетей при проектировании, строительстве, сертификации и эксплуатации.

1.2 Классы систем кабельного телевидения

Система кабельного телевидения включает в себя технические средства и кабельные линии связи, обеспечивающие услуги связи (телевидение, радиовещание и другие сообщения электросвязи).

Кабельная распределительная сеть (КРС) обеспечивает передачу радиосигналов в системе кабельного телевидения.

Входом распределительной сети является вход головной станции, выходом распределительной сети - выход абонентской розетки. Головная станция является частью кабельной распределительной сети и включает в себя совокупность технических средств и устройств, обеспечивающих усиление, преобразование и формирование радиосигналов телевидения, радиовещания, а так же обработку других радиосигналов. Головная станция включена между выходами источников сигналов и входом линейной сети.

Рисунок 1.2.1 Структурная схема головной станции

На рисунке 1.2.1 представлена структурная схема головной станции для случая, когда на её вход подаётся входной радиосигнал одного из каналов телевидения с несущей f_нес, лежащей в диапазоне от 40 МГц до 1000 МГц в соответствии с ГОСТ Р52023 – 2003. Источниками радиосигналов, подаваемых на вход, могут быть радиосигналы эфирного и спутникового телевизионного вещания. Этот радиосигнал поступает на один вход смесителя 1, на второй вход которого подаётся сигнал, генерируемый гетеродином 1. Частота сигнала гетеродина 1 f_{гет 1} отличается от несущей частоты входного радиосигнала f_вх на промежуточную частоту f_пром = 38 МГц. Сигнал на выходе смесителя 1 содержит суммарно- разностные продукты преобразования, включая радиосигнал с частотой несущей f_пром = 38 МГц.

Сигнал с выхода смесителя 1 подаётся на полосовой фильтр ПФ1, подавляющий все продукты преобразования, кроме радиосигнала с частотой несущей f_пром = 38 МГц. Усиленный сигнал поступает на один вход смесителя 2, на второй вход которого подаётся сигнал, генерируемый гетеродином 2. Частота сигнала, генерируемого гетеродином 2, отличается от несущей частоты выходного радиосигнала f_вых на промежуточную частоту f_пром = 38 МГц. Сигнал на выходе смесителя 2 содержит суммарно разностные продукты преобразования, включая радиосигнал с частотой выходного радиосигнала f_вых. Сигнал с выхода смесителя 2 подаётся на полосовой фильтр ПФ2, подавляющий все продукты преобразования, кроме радиосигнала с частотой несущей f_вых. Этот радиосигнал поступает на усилитель. Таким образом, головная станция осуществляет преобразование несущей частоты входного радиосигнала f_вх в несущую частоту выходного радиосигнала f_вых. Для каждой кабельной сети существует частотный план, определяющий пару преобразования f_вх → f_вых. Головная станция является многоканальной. Поэтому в её состав входит сумматор, обеспечивающий суммирование выходных сигналов отдельных каналов. Выходной сигнал сумматора является выходным сигналом многоканальной головной станции кабельного телевидения. Кроме перечисленных выше источниками сигналов для головной станции могут быть полные телевизионные сигналы на выходе оборудования местной студии телевидения. В этом случае в выделенном канале головной станции вместо преобразования частот несущих f_вх → f_вых осуществляется модуляция сигнала промежуточной частоты f_пром = 38 МГц полным телевизионным сигналом с выхода оборудования местной студии. Модулированный сигнал поступает на полосовой фильтр ПФ1 и далее обрабатывается в соответствии со схемой, изображённой на рисунке 1.2.1.

Первоначально кабельная распределительная сеть обеспечивала своим абонентам доставку одной или нескольких телевизионных программ путём подачи на антенный вход телевизионного приёмника радиосигналов наземного (эфирного) телевидения. С этой целью на каждом доме устанавливалась индивидуальная антенна, принимавшая радиосигналы, излучаемые антенной телерадиопередающего центра.

По мере развития телевизионного вещания оказалось целесообразным для нескольких близстоящих зданий реализовать принцип кабельной распределительной сети. Он состоит в использовании специального оборудования, называемого головной станцией, которая осуществляет качественный приём радиосигналов телевидения с преобразованием несущей частоты радиосигнала в соответствием с частотным планом. Полученный на выходе головной станции радиосигнал поступает в кабельную распределительную сеть. Реализация этого принципа привела к созданию четырёх классов системы кабельного телевидения в зависимости от района обслуживания. Системы кабельного телевидения подразделяют на классы:

СКТ-1 – одно или несколько зданий;

СКТ-2 – район;

СКТ- 3 - город или округ;

СКТ- 4- регион или город.

Описание классов приведено в таблице 1.2.1

Таблица 1.2.1

Класс системы	Область применения	Виды сигналов на входе КРС	Состав оборудования КРС	Условия работы
СКТ-1	Одно или несколько близстоящих зданий	Радиосигналы наземного телевидения и радиовещания Сигналы спутникового телевидения и радиовещания Радиосигналы кабельных модемов	Местная (локальная) КРС в составе: местная ГС, одна или несколько домовых сетей	Однонаправленная или двунаправлен ная передача радиосигналов
СКТ-2	Район	Радиосигналы наземного телевидения и радиовещания Сигналы спутникового телевидения и радиовещания Радиосигналы кабельных модемов Сигналы местных студий	Районная КРС в составе: местная ГС, гибридная или коаксиальная магистральная сеть, домовые сети	Двунаправлен ная передача радиосигналов Предоставляе мые услуги определяются оборудованием системы
СКТ-3	Город (округ города)	Оптические сигналы волоконно-оптической транспортной сети Радиосигналы наземного телевидения и радиовещания Сигналы спутникового телевидения и радиовещания Радиосигналы системы MMDS Радиосигналы кабельных модемов Сигналы местных студий	Городская КРС в составе: узловая ГС гибридная магистраль ная сеть, домовые сети	Двунаправлен ная передача радиосигналов Предоставляе мые услуги определяются оборудова нием системы
СКТ-4	Регион (город)	Сигналы городских (центральных) студий Оптические сигналы волоконно-оптических соединительных линий Радиосигналы наземного телевидения и радиовещания Сигналы спутникового телевидения и радиовещания Радиосигналы системы MMDS Радиосигналы кабельных модемов	Региональная КРС в составе: центральная ГС, волоконно-оптическая транспортная сеть, узловые ГС, гибридные магистраль ные сети, домовые сети	Передача радиосигналов по транспортной сети на узловые головные станции системы СКТ-3 и на оптические узлы систем Предоставление широкого набора услуг
Примечание: Классификация систем кабельного телевидения условна, состав оборудования может быть изменен в процессе эксплуатации.