10.1. Структура передающей сети телевизионного вещания

10.2. Планирование передающей телевизионной сети

10.3. Системы кабельного телевидения

10.4. Спутниковые системы телевизионного вещания

10.5. Сотовые системы телевидения

10.6. Контроль и измерения в телевизионных системах передачи

Целью изучения данной темы является ознакомление с диапазоном частот, в котором ведется ТВ вещание, со способами обеспечения совместной работы большого количества ТВ станций, знание принципов построения систем кабельного телевидения, спутниковых систем ТВ вещания, систем сотового телевидения, а также принципов организации контроля качества ТВ вещания.

10.1. Структура передающей сети телевизионного вещания

Для ТВ вещания используется метровый и дециметровый диапазоны волн электромагнитных колебаний, соответствующие очень высоким и ультравысоким частотам, которые иногда с целью удобства называются ультракороткими волнами или УКВ.

Сигналы ТВ программ передаются абонентам (телезрителям) в основном с помощью наземной ТВ передающей сети, систем кабельного телевидения (СКТВ) и системы непосредственного ТВ вещания (НТВ), использующей связные искусственные спутники Земли (ИСЗ), находящиеся на геостационарной орбите (ГСО), а также сотовыми системами телевидения.

Наземная ТВ передающая сеть состоит из телецентров, работающих совместно с радиотелевизионными передающими станциями (РТПС), ТВ ретрансляторов и технических средств передачи ТВ сигналов на большие расстояния. Телецентры представляют собой комплексы радиотехнической аппаратуры, помещений и служб, необходимых для создания ТВ программ. С телецентров сформированные ТВ сигналы непосредственно передаются на РТПС. К настоящему времени в России используются 350 РТПС с передатчиками мощностью 1кВт и более, причем 300 из них являются многопрограммными, и 10000 РТПС с передатчиками мощностью менее 1кВт, из которых около 4000 многопрограммные. Основным назначением ТВ ретрансляторов является обеспечение более равномерного покрытия густонаселенной территории ТВ вещанием. ТВ ретрансляторы требуются, как правило, в двух случаях: во-первых, вне зоны уверенного приема основной мощности РТПС и, во-вторых, внутри зоны в местах, в которых по географическим причинам сигнал основной станции ослаблен и не обеспечивает удовлетворительного качества приема. Около 1000 ретрансляторов имеют передатчики более 1кВт, а 12000 – передатчики мощностью менее 1кВт. Причем около 10000 ретрансляторов имеют спутниковые приемные антенны.

Распределение сигналов ТВ программ на большие расстояния по территории России осуществляется с помощью разветвленной сети радиорелейных линий (РРЛ) и спутниковых систем связи Орбита, Экран, Москва. Причем наземная распределительная сеть включает в себя свыше 300 тысяч каналокилометров РРЛ.

В состав современной сети ТВ вещания нашей страны входят также около 70 млн. телевизоров.

Организовано ТВ вещание по зональному принципу с поочередным повторением передачи центральных программ для каждой из пяти существующих зон со сдвигом во времени на два часа.

С целью классификации выделенная для ТВ вещания полоса частот электромагнитных колебаний условно разбита на пять частотных диапазонов, в которых может быть размещено 73 радиоканала;

 

1 диапазон 48,566 МГц (радиоканалы 1 и 2);

2 диапазон 76100 МГц (радиоканалы 35);

3 диапазон 174230 МГц (радиоканалы 612);

4 диапазон 470582 МГц (радиоканалы 2134);

5 диапазон 582960 МГц (радиоканалы 3582).

Следует заметить, что между вторым и третьим радиоканалами расположена полоса частот, отведенная для ОВЧ ЧМ, т.е. для УКВ ЧМ вещания, равная 7 МГц (6673 МГц).

Частоты f, f, ограничивающие полосу любого дециметрового канала, и частота несущей изображения f радиоканала могут быть определены по номеру канала N из следующих соотношений:

f= 470 + (N-21)8 = 302 + 8N, МГц;

f= 470 + (N-20)8 = 310+8N, МГц;

f= 470 + (N-21)8+1,25 = 303,25+8N, МГц.

Выбор нижней границы 1 диапазона определяется тем, что для упрощения конструкции ТВ приемников и снижения частотных искажений при выделении полного ТВ сигнала из радиосигнала необходимо, чтобы несущая частота изображения в несколько раз превышала максимальную частоту спектра модулирующего ТВ сигнала f 6,25 МГц. Кроме того, частотный диапазон примерно до 40 МГц практически полностью занят для целей радиовещания и радиосвязи и других радиослужб. Верхняя граница 5 частотного диапазона ограничена длинами радиоволн, на которых начинают сказываться значительное их поглощение в атмосфере и влияние ее неоднородностей - дождя, тумана и т.д.

10.2. Планирование передающей телевизионной сети

Планирование передающей ТВ сети заключается в определении места расположения РТПС и выборе их параметров (мощность передатчиков, высота подвеса антенн, частота излучения), чтобы обеспечивались удовлетворительные условия приема в заданной полосе без взаимных помех между ТВ станциями. При этом следует иметь ввиду, что ТВ передающие станции и радиоретрансляторы большой мощности имеют радиус действия обычно 5070 км, а ретрансляторы малой мощности излучают ТВ сигналы в радиусе 1020 км.

Наиболее экономичное планирование передающей ТВ сети достигается в том случае, если ТВ передающие станции размещаются по углам равностороннего треугольника (рисунок 10.1). В этом случае каждый ТВ передатчик, имеющий передающую антенну с круговой диаграммой направленности, обеспечивает возможность приема ТВ сигнала на расстоянии r < г₀, где r₀ - средний радиус зоны прямой видимости. Из рисунка 10.1 видно, что для сплошного покрытия территории площадью S ТВ вещанием с помощью нескольких ТВ радиопередатчиков, имеющих одинаковый средний радиус зоны обслуживания г, расстояние между соседними ТВ радиопередатчиками нужно выбирать из условия г г. При этом образуются области, в которых возможен уверенный прием одновременно от нескольких ТВ радиопередатчиков. Радикальным средством ослабления взаимных помех для телевизоров, расположенных в этих областях, является работа соседних ТВ радиопередатчиков в разных ТВ радиоканалах. При этом учитывается избирательность ТВ приемников по соседним каналам приема.

Рисунок 10.1. Схема размещения ТВ радиопередатчиков

Из рисунка 10.1 следует, что каждый элементарный треугольник площадью S обслуживается тремя радиопередатчиками. При этом каждый радиопередатчик является общим для шести треугольников. Следовательно, если заданную территорию площадью S можно условно разбить на k треугольников площадью S, то количество радиопередатчиков n, необходимых для обеспечения ТВ вещанием этой территории, равно

n= 3k/6 = k/2.

Выделим в пределах общей территории большой треугольник площадью S, в вершинах которого располагаются ТВ радиопередатчики, работающие в одном радиоканале. Сторона такого треугольника, соответствующая расстоянию d между радиопередатчиками, работающими в совмещенном канале, практически находится в пределах 400500 км в зависимости от особенностей рельефа местности. Будем считать, что в пределах этой территории можно выделить М больших треугольников. Тогда в пределах всей зоны ТВ вещания может быть расположено n= М/2 радиопередатчиков, работающих в одном канале. Зная значения n и n, легко определить число радиоканалов N, необходимых для обслуживания ТВ вещанием всей территории площадью S.

N= .

Из вышеприведенного выражения следует, что для уменьшения числа радиоканалов необходимых для охвата ТВ вещанием заданной территории, надо уменьшить расстояние между передатчиками, работающими в одном радиоканале и увеличить радиус вещания каждой ТВ станции.

При планировании сети ТВ вещания, а именно при конкретном распределении номеров радиоканалов для соседних передающих станций с целью исключения заметности взаимных помех должны соблюдаться нормы на значения защитного отношения А, которое определяется выражением

A = U/U,

где U_С - напряжение полезного сигнала на антенном входе телевизора; U - напряжение сигнала помехи. Следовательно, для сохранения высокого качества воспроизводимых ТВ изображений отношение полезного сигнала к мешающему на входе ТВ приемника должно быть не ниже защитного отношения. Наибольшее защитное отношение требуется при работе ТВ передатчиков в совмещенном (одинаковом) радиоканале. Например, величина защитного отношения по совмещенному радиоканалу должна быть такой, чтобы полезный сигнал на входе телевизора был больше мешающего не менее, чем на 40 дБ. Для обеспечения такого значения защитного отношения на практике необходимо удалять друг от друга ТВ радиопередатчики, работающие в одинаковых радиоканалах, на очень значительные расстояния. Вследствие различной степени заметности отдельных частотных составляющих помехи, а также неравномерности частотной характеристики избирательности ТВ приемника, величина защитного отношения неодинакова по спектру радиоканала (рисунок 10.2).

Рисунок 10.2. Частотные зависимости защитного отношения

1-СНЧ=0, 2-СНЧ= ± 1/3f

Определенным смещением несущих частот (СНЧ) передающих ТВ радиостанций можно уменьшить заметность помех и тем самым снизить требуемые значения защитного отношения, что позволит сократить расстояние между радиопередатчиками, работающими в совмещенных каналах. В свою очередь, это дает возможность снизить число радиоканалов, необходимых для организации однопрограммного ТВ вещания в пределах заданной территории.

Метод СНЧ основан на использовании дискретных частотных свойств ТВ сигналов. Причем величина ослабления мешающего действия помех зависит от величины сдвига и точности его поддержания. Различаются два режима работы СНЧ - обычный и прецизионный (точный).

При обычном режиме СНЧ учитывается смещение в пределах периода строчной развертки. При этом не требуется большая абсолютная стабильность величины сдвига спектров (несущих частот радиопередатчиков). Например, при СНЧ на 1/2 строчной частоты f получается наибольший выигрыш в защитном отношении (до 20 дБ). При СНЧ на 2/3 или 4/3 f, равной 15625 Гц для российского ТВ стандарта, защитное отношение уменьшается до 15 дБ. Применять СНЧ на 1/2 f можно только при расположении радиопередатчиков на одной линии, т.е. при обслуживании узко вытянутой территории. При работе нескольких передатчиков, работающих в одном радиоканале на смежных территориях, применяется СНЧ на 2/3 или 4/3 f. В случае трех радиопередатчиков, работающих в одном радиоканале, один должен иметь номинальное значение несущей частоты изображения f, другой f+2/3 f, а третий f-2/3f. Следовательно, несущие частоты второго и третьего радиопередатчиков имеют сдвиг на 4/3 f.

При прецизионном СНЧ учитывается сдвиг в пределах периода частоты кадров, т.е. сдвиг должен быть кратным частоте кадров, равной 25 Гц. Для выполнения данного условия относительная нестабильность f_z, должна находиться в пределах , а абсолютная нестабильность несущей изображения радиопередатчика не более ±2,5 Гц. Прецизионное смещение дает дополнительный выигрыш по сравнению с обычным СНЧ на 10 дБ. Выигрыш в защитных отношениях, достигаемый при точном СНЧ по сравнению с обычным СНЧ, позволяет значительно сократить расстояния между мешающими передатчиками, а в уже сложившейся передающей сети существенно снизить взаимные помехи, что способствует дальнейшему повышению качества ТВ приема.

Мешающее действие помех может быть также уменьшено применением различной поляризации радиоволн, излучаемых РТПС, работающими в совмещенном радиоканале. Практически в этом случае защитное отношение может быть снижено на 10 дБ.

В результате планирования передающей ТВ сети, выполненного как с соблюдением норм на защитные отношения, так и с недопущением взаимных помех установлено, что имеющихся частотных радиоканалов едва хватает для обеспечения большинства районов страны двумя-тремя ТВ программами (четыре-пять ТВ радиоканалов могут быть выделены лишь для отдельных городов). В то же время система ТВ вещания должна обеспечить повсеместный и одновременный прием не менее 510 ТВ программ, в том числе местных и региональных.

В мировой практике наметилось два основных пути построения сети многопрограммного ТВ вещания.

Первый путь - это создание систем кабельного ТВ различной емкости с подачей на них ТВ сигналов нескольких десятков программ путем приема от ближайших ТВ передатчиков или передачи по радиорелейным, кабельным и спутниковым линиям связи. Предполагается также и создание специальных ТВ программ, в том числе и платных.

Второй путь - это внедрение спутниковых систем непосредственного ТВ вещания в диапазоне 12 ГГц с установкой у абонента дополнительного приемо-передающего устройства для подачи стандартного ТВ сигнала на вход телевизора.

Ближайшее будущее большинства систем ТВ вещания заключается в переходе на цифровые технологии. Первыми примерами цифровых систем передачи ТВ сигналов явились спутниковые линии связи, в которых стал использоваться стандарт сжатия спектра ТВ сигналов MPEG-2, позволяющий по одному стандартному спутниковому каналу передавать несколько ТВ программ при условии их приема, в первую очередь, головными станциями систем кабельного телевидения.

Наконец, наметилась тенденция к внедрению наземного цифрового ТВ вещания. Пионерами в данной области ТВ вещания являются США, где Конгрессом принято решение о переходе на полностью цифровую систему вещательного телевидения высокой четкости с прогрессивной разверткой (на 1000 строк) с уплотненным радиоканалом в срок до 2008 года. Создатели новой системы считают, что она должна стать единой мировой системой телевидения. Предполагается, что Канада, Япония, а также ряд европейских стран присоединятся к этой системе в ближайшее время.

Введение в эксплуатацию новой ТВ системы обеспечит значительное улучшение качества изображения и звукового сопровождения, позволит телевидению эффективно взаимодействовать с различными цифровыми системами связи, а также с компьютерными сетями. Цифровое телевидение во многом будет определять качество жизни людей в XXI веке.

10.3. Системы кабельного телевидения

Принципы построения систем кабельного телевидения. СКТВ называются системы приема и распределения значительного числа сигналов высококачественных ТВ программ большому числу абонентов по кабельным линиям связи. В районах с низкой напряженностью электромагнитного поля, в условиях многолучевого распространения радиоволн (в больших городах с разноэтажными зданиями, горных, холмистых районах) использование СКТВ оказывается единственно возможным техническим решением, позволяющим обеспечить высококачественный прием цветных ТВ программ.

Известны три основных структуры построения СКТВ: древовидная, радиальная, кольцевая. Древовидная схема распределительной сети СКТВ, обеспечивающая экономное расходование кабеля, по своей структуре напоминает крону дерева. При радиальном построении распределительной сети СКТВ от головной станции (ГС) к каждому абоненту прокладывается специальный кабель, по которому организуется передача ТВ сигналов нескольких программ (схема подключения основная звезда). По конфигурации распределительная сеть СКТВ радиального типа аналогична телефонной сети, поэтому появляется возможность их объединения. Это упростит построение и удешевит эксплуатацию таких СКТВ, а в будущем позволит организовать единую универсальную сеть двусторонней широкополосной связи с абонентами. Для организации двустороннего обмена между абонентами может применяться система с кольцевой схемой распределения ТВ сигналов. В этом случае магистральный кабель прокладывается по кольцевой трассе, т.е. вход и выход кабеля заводится на ГС. При этом один и тот же магистральный кабель может использоваться для организации двусторонней связи. Основной недостаток СКТВ кольцевого типа заключается в невозможности одновременной передачи по магистральному кабелю достаточно большого количества различных ТВ сигналов.

Конкретное техническое решение СКТВ во многом определяется типом используемых кабельных линий связи. В распределительных сетях современных СКТВ в основном применяются коаксиальные кабели. Однако, в разрабатываемых СКТВ планируется широкое использование оптических кабелей, т.е. волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Предполагается создание как комбинированных, так и полностью волоконно-оптических СКТВ. В комбинированных СКТВ в качестве магистральных кабелей используются ВОЛС, а домовая распределительная сеть выполняется на коаксиальном кабеле.

В современных СКТВ в основном применяется аналоговый способ передачи ТВ сигналов, так как при длине распределительной сети в пределах нескольких десятков километров обеспечивается достаточная помехоустойчивость систем благодаря достаточно высокой помехозащищенности как коаксиального кабеля, так и ВОЛС.

Рисунок 10.3. Структурная схема СКТВ на коаксиальном кабеле

Способы построения систем кабельного телевидения на коаксиальном кабеле. Большинство современных СКТВ имеет в основном древовидную схему распределительной сети. Обобщенная функциональная схема подобных СКТВ приведена на рисунке 10.3. На ГС 1, представляющей собой центральное оборудование системы, осуществляется преобразование по частоте ТВ сигналов разных программ. С помощью разветвителя на несколько направлений 2 от ГС отходят несколько магистральных линий 3, состоящих из однотипных кабельных участков, магистральных усилителей (УМ), магистральных ответвителей 5. От магистральных линий отходят субмагистральные линии 6, содержащие однотипные кабельные участки, субмагистральные усилители 7, направленные ответвители 8. Наконец, от субмагистральных линий ответвляются кабели домовой распределительной сети (ДРС) 9, содержащей домовые усилители 10 и пассивные направленные ответвители 11, с помощью которых осуществляется подключение абонентских розеток 12.

Для распределения радиосигналов вещательных ТВ программ в кабельных распределительных сетях современных СКТВ допускается, наряду с радиоканалами в 1-3 диапазонах частот, дополнительное использование частотных диапазонов 110-174 и 230-300 МГц. В данных полосах частот, не применяемых для эфирного ТВ вещания, предусмотрена организация 16 специальных радиоканалов для распределения ТВ сигналов со следующим частотным распределением. СК-1 110-118 МГц; СК-2 118-126 МГц; СК-3 126-134 МГц; СК-4 134-142 МГц; СК-5 142-150МГц; СК-6 150-158 МГц; СК-7 158-166 МГц; СК-8 166-174 МГц; СК-11 230-246 МГц; СК-13 246-254 МГц; СК-14 254-262 МГц; СК-15 262-270 МГц; СК-16 270-278 МГц; СК-17 278-286 МГц; СК-18 286-294 МГц. Для приема ТВ сигналов, передаваемых в специальных радиоканалах, перед входами стандартных телевизоров необходима установка частотных преобразователей, т.е. конверторов.

Характерной особенностью подобных современных СКТВ является передача ТВ сигналов преимущественно только в одном направлении от ГС к абонентам. Однако, в древовидных СКТВ в принципе можно организовать узкополосные обратные каналы в частотном диапазоне, свободном от передачи ТВ сигналов в прямом направлении. Обычно для организации обратных каналов используется диапазон частот 540 МГц.

Используемое в настоящее время типовое оборудование СКТВ в основном имеет два варианта исполнения - серий 200 и 300.

Комплекс оборудования серии 200 предназначен для создания СКТВ с числом абонентов порядка 10000 и дает возможность распределять до пяти ТВ радиосигналов различных программ в 1 и 3 частотных диапазонах и радиосигналов ОВЧ ЧМ радиовещания в диапазоне 6673 МГц.

Оборудование СКТВ серии 300 относится к поколению радио- ТВ аппаратуры, выполненной на базе интегральной и микропроцессорной техники. СКТВ серии 300 обеспечивает прием ТВ радиосигналов метрового и дециметрового диапазонов волн (14 частотные диапазоны с конвертированием их в сигналы метрового диапазона волн с последующим распределением по кабельным распределительным сетям различной сложности (от простых - десятки - сотни абонентов, до сложных - двусторонняя распределительная сеть с 20000 и более абонентов). В СКТВ данного типа предусмотрена возможность сопряжения ГС с приемным оборудованием спутникового ТВ вещания, ВОЛС и РРЛ связи. Диапазон частот прямой передачи расширен до 300 МГц. С целью увеличения числа организуемых каналов аппаратура обеспечивает работу в специальных частотных диапазонах: 110174 МГц, 230300 МГц. Обратный канал (530 МГц) используется для передачи внутрисистемных сигналов, служебной информации и может быть задействован для организации дополнительных информационных услуг.

Например, за счет использования данного канала абоненты СКТВ смогут дополнительно получить доступ к различным базам данных для обмена цифровой информацией. Возможно подключение абонентов и к различным разветвленным системам сигнализации: пожарной, охранной, экстренного вызова медицинской помощи и т.д. Наличие дополнительного обратного канала открывает большие возможности по организации в будущем информационной службы коммунального хозяйства, обеспечивающей автоматическое снятие, передачу и обработку на ЭВМ показаний счетчиков расхода электроэнергии, воды, газа тепла в жилых домах, сигнализацию о состоянии лифтов, кодовых замков в подъездах и т.д.

В действующих СКТВ максимально возможное число организуемых ТВ радиоканалов соответствует 20 при полосе пропускания распределительной сети от 40 до 230 МГц, 28 при полосе частот 40294 МГц. Однако, на практике из-за ограничений на возможность совместного усиления и передачи ТВ сигналов ввиду недостаточной избирательности телевизоров по соседним каналам максимально возможное количество используемых радиоканалов снижается более чем в два раза, т.е. приходится чередовать рабочие и нерабочие каналы.

В последние годы в ряде стран интенсивно разрабатываются и уже эксплуатируются СКТВ нового поколения, позволяющие распределять ТВ сигналы не только в диапазоне метровых волн, но и в диапазоне ДЦВ. Новейшее поколение аппаратуры СКТВ использует в распределительной сети рабочие частоты в интервале 5600 МГц (с учетом обратного канала). Примером подобных СКТВ является отечественная система КТ-600, позволяющая организовать до 60 ТВ радиоканалов.

Конструктивные особенности систем кабельного телевидения на основе волоконно-оптического кабеля. По распределительной сети СКТВ, выполненной с использованием ВОЛС, ТВ сигналы могут передаваться способами частотного уплотнения. Частотное уплотнение ВОЛС возможно либо с помощью набора несущих частот с модуляцией каждой несущей частоты своим ТВ сигналом, либо посредством формирования полного многоканального сигнала с частотно-уплотненными каналами на относительно низких частотах с последующим переносом уже сформированного сигнала на оптическую несущую. Однако первый из названных способов в настоящее время в оптическом диапазоне практически не может быть реализован из-за отсутствия необходимого набора оптических генераторов и фильтров разделения каналов; для реализации второго способа требуются широкополосные ВОЛС на одномодовых ОВ.

Чрезвычайно малые размеры поперечного сечения и масса ОВ делают выгодным использование пространственного уплотнения ТВ сигналов (ТВ сигналу каждой программы отводится свое ОВ в ВОЛС). Целесообразность применения этого метода объясняется еще и тем, что требуемая ширина полосы частот каждого из каналов, организованных на одиночном ОВ, относительно невелика (порядка 68 МГц) и ее легко реализовать не только на градиентных, но даже на ступенчатых волокнах. В данном случае по каждому ОВ рассматриваемой ВОЛС СКТВ предполагается передавать аналоговый ТВ сигнал, сигнал звукового сопровождения ЧМ поднесущей, расположенной за пределами видеоспектра и служебный цифровой сигнал (для передачи данных) на второй поднесущей, расположенной еще выше по шкале частот. При использовании принципа пространственного уплотнения суммарный сигнал, включающий в себя ТВ, звуковой и служебный сигналы, модулирует оптическую несущую, которая может быть одинаковой для всех ОВ кабеля. В будущем при переходе на ОВ с лучшими показателями по затуханию и широкополосности для уменьшения количества ОВ в ВОЛС при передаче ТВ сигналов большого числа различных программ станет целесообразным формирование для каждого ОВ многоканального сигнала с частотно-уплотненными ТВ сигналами нескольких программ.

Рисунок 10.4. Функциональная схема СКТВ, использующей ВОЛС с пространственным разнесением ТВ сигналов

Возможная функциональная схема СКТВ, использующей ВОЛС с пространственным разделением ТВ сигналов, реализующей принцип обратной связи от абонентов (режим интерактивности), приведена на рисунке 10.4. В состав данной СКТВ входят: ГС 1, содержащая устройства приема, преобразования и усиления ТВ сигналов вещательных программ 2, видеомагнитофон 3, телекинодатчик 4, ТВ синтезатор знаков 5, блок приема, обработки ТВ сигналов, принимаемых непосредственно от абонентов, с целью их передачи другим абонентам 6, мини-ЭВМ 7, которая управляет работой всех СКТВ; передающие оптические устройства 8 на базе лазерных диодов, приемное оптическое устройство 9, содержащее фотодиод; распределительная сеть, состоящая из магистральных ВОЛС 10 с магистральными разветвителями 11, субмагистральных ВОЛС 12 с направленными ответвителями 13 абонентских линий; видеокоммутаторы 14, имеющие на входах и выходах приемные 15 и передающие 16 оптические устройства, включающие в себя электронный коммутатор ТВ сигналов 17, управляющую микро-ЭВМ 18; абонентское оборудование 19, которое состоит из блока оптических соединений 20, приемного 21 и передающего 22 оптических устройств, оконечного управляющего устройства 23, ТВ приемника 24, передающей камеры 25 и клавиатурного устройства 26.

На ГС от приемных антенн или по специальным линиям связи поступают ТВ сигналы различных программ а также ТВ сигналы от абонентов. Кроме того, ряд программ может формироваться непосредственно самой ГС, например, с помощью видеомагнитофона, телекинодатчика, ТВ синтезатор знаков. Магистральные и субмагистральные ВОЛС должны соединить несколько десятков 0В, которые используются в основном для передачи ТВ информации от ГС к абонентам, однако часть волокон предназначается для передачи видеоинформации от абонентов к ГС. Видеокоммутаторы служат для подключения абонентского оборудования к соответствующему ОВ субмагистральной ВОЛС с целью выбора требуемой ТВ программы. Микро-ЭВМ видеокоммутатора связана как с мини-ЭВМ ГС, так и с клавиатурными и оконечными управляющими устройствами, находящимися непосредственно у абонентов и станциями для подачи команд на выбор ТВ программ. Микро-ЭВМ управляет подачей абоненту ТВ сигнала выбранной программы по команде, поступающей от абонента, а также передачей видеоинформации, формируемой у абонентов, в ГС. От видеокоммутатора через блок оптических соединений отходят абонентские линии, содержащие два ОВ. По одному ОВ передается ТВ сигнал выбранной программы, по другому - ТВ информация от абонентов в видеокоммутаторы.

1 – для СИД, 2 – для ЛД

Рисунок 10.5. Изменение выходной оптической мощности от силы тока накачки

Недостатками такой схемы построения СКТВ на ВОЛС являются необходимость использования электронных коммутаторов для подключения абонентских отводов к тому ОВ, по которому передается ТВ сигнал выбранной программы, а также техническая сложность осуществления большого количества разветвлений и отводов ТВ сигналов от ОВ.

Основные сведения о компонентах волоконно-оптических систем передачи. Важнейшимикомпонентами волоконно-оптических систем передачи являются источники и приемники оптического излучения.

В системах связи по ВОЛС широко применяются источники излучения двух видов: светоизлучающие (СИД) и лазерные (ЛД) диоды. Как в СИД, так и в ЛД генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок в полупроводниках, результатом которой является образование фотонов. Для СИД и ЛД характерна прямая модуляция интенсивности излучения путем изменения тока накачки I, проходящего через излучатель. Примерные зависимости интенсивности излучения P от значений тока накачки I [Р = f(I)], называемые ватт-амперными характеристиками излучателей, показаны на рисунке 10.5.

Важнейшим параметром излучателей света является эффективность ввода излучения в ОВ , = P/P, где P- полная мощность излучения; Р - мощность излучения, попавшая в ОВ. При использовании типовых ОВ для СИД составляет (1 , а для ЛД 0,20,5. СИД уступают также и по величине максимально допустимой частоты модуляции. Поэтому в широкополосных системах связи, рассчитываемых на максимально допустимые расстояния между промежуточными усилительными пунктами, применяются исключительно ЛД. В системах передачи на короткие расстояния (десятки и сотни метров), когда затухание ОВ невелико, целесообразно применение СИД.

Прогресс в развитии СИД связан с появлением конструкций, в которых осуществляется усиление спонтанного излучения без обратной связи. Подобные СИД называются люминесцентными. Они занимают по параметрам промежуточное значение между ЛД и поверхностными СИД. Спектр излучения суперлюминесцентных СИД сплошной, так же как и у поверхностных, однако, значительно уже (35 нм). Диаграмма направленности излучения более узкая, чем у поверхностных СИД. Эффективность ввода суперлюминесцентных СИД в многомодовые волокна выше, чем у поверхностных. Мощность излучения лежит в пределах 110 мВт, мощность, вводимая в многомодовый световод составляет 0,11 мВт.

Значительные перспективы использования в системах связи по ВОЛС имеют волоконные лазеры.

Рисунок 10.6. Принципиальная схема простейшего оптического передающего модуля со светоизлучающим диодом

В качестве оптических передатчиков в СКТВ целесообразно использовать серийные передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), которые предназначены для передачи по ВОЛС цифровых сигналов.

ПОМ состоит из оптической головки и электронной схемы, основным назначением которой является модуляция излучаемого света. В оптической головке с СИД должны находиться полупроводниковый лазер, модулятор, фотодиод и специальная электрическая схема, с помощью которой стабилизируется режим работы ЛД. Необходимые для стабилизации данные поступают на вход схемы от фотодиода, регистрирующего интенсивность излучения ЛД.

На рисунке 10.6 приведена принципиальная схема простейшего ПОМ с СИД. В данном случае модулятор представляет собой микроэлектронную схему - преобразователь напряжение-код, управляющую током накачки I в цепи питания светодиода.

Преобразование оптической мощности (при модуляции по интенсивности) в электрический сигнал осуществляется с помощью полупроводниковых фотодиодов. На практике, в основном, используются лавинные фотодиоды (ЛФД) и фотодиоды p-i-n типа. ЛФД получили в СКТВ на ВОЛС наиболее широкое распространение, несмотря на то, что они требуют источник высокого напряжения (порядка 220 В) (для получения необходимого напряжения смещения), а также устройств автоматической регулировки для стабилизации величины лавинного усиления и устранения влияния температуры. При передаче по ВОЛС цифровой информации, которая допускает малое отношение сигнал-шум, применяются только ЛФД. P-i-n фотодиоды имеют худшие значения основных параметров по сравнению с ЛФД, но они относительно дешевы.

Серийный приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ) представляет собой собранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетектора (р-i-n фотодиода или ЛФД) и малошумящего предварительного усилителя. На рисунке 10.7 приведены принципиальные схемы ПРОМ двух типов-модуля с подключением фотодетектора к усилителю (схема прямой линии) и модуля с трансимпедансным усилителем, в котором осуществляется обратная связь через резистор R.

При использовании ЛФД в качестве фотодетектора можно изменять подаваемое на него напряжение обратного смещения и таким путем регулировать коэффициент лавинного умножения (усиления) фотодиода.

а) схема с интегрирующим усилителем,

б) с трансимпендансным усилителем

Рисунок 10.7. Принципиальные схемы оптических приемных модулей

Рисунок 10.8. Структурная схема многоканального оптического приемника

В случае применения р-i-n диода в качестве фотодетектора электронная схема предварительного усилителя упрощается. Она сводится к двойному амплитудному детектору, схеме сравнения и фильтру. Однако тогда динамический диапазон модуля получается значительно меньшим, чем при использовании ЛФД с устройством АРУ. Если в волоконно-оптической системе передачи (ВОСП) используется многоканальная передача ТВ сигналов на отдельных поднесущих, то оптический приемник содержит в цепи нагрузки фотодиода 1 N последовательно соединенных модулей 2, осуществляющих предварительную обработку принятых сигналов (рисунок 10.8). Входная цепь каждого модуля представляет собой двухконтурную колебательную систему 3, где первый контур (L1, С1) непосредственно связан с фотодиодом, а второй (L2, С2, R2) - с предварительным канальным усилителем 4. При такой схеме включения второй контур настраивается на частоту соответствующей поднесущей f. Частота настройки первого контура и его индуктивная связь со вторым выбирается из условия получения более равномерной АЧХ коэффициента передачи входной цепи и обеспечения максимально возможного отношения сигнал-шум на выходе канального демодулятора 6. Для улучшения избирательности оптического приемного устройства по соседнему каналу перед каждым демодулятором устанавливается ПФ 5, выделяющий полосу частот поднесущей f, модулированной ТВ сигналом. В зависимости от типа используемого фотодиода (ЛФД, р-i-n типа) и значения поднесущей, на которой осуществляется передача ТВ сигнала, на выходах демодуляторов обеспечивается отношение сигнал-шум, равное 3555 дБ. Причем величина может быть дополнительно увеличена на 49 дБ за счет специальной обработки ТВ сигнала, например, с помощью блока адаптивной фильтрации (БАФ) 7. Работа БАФ основана на анализе спектра демодулированного ТВ сигнала и коммутации частотноограничивающих ФНЧ с частотами среза, соответственно равными 2 и 6 МГц.

Особенности модуляции и демодуляции телевизионных сигналов, передаваемых по волоконно-оптическим линиям связи. В современных ВОСП ТВ сигналы могут передаваться как в цифровой, так и в аналоговой форме. Цифровой способ передачи требует аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований и значительно более широкой полосы пропускания (более 100 МГц на один ТВ сигнал). В настоящее время цифровой способ практически может быть применен только на магистральных линиях распределительной сети.

Непосредственная модуляция мощности оптического излучения или модуляции интенсивности представляет собой наиболее простой в реализации способ передачи при использовании полупроводниковых оптических излучателей. Однако при передаче ТВ сигналов по ВОЛС методом непосредственной модуляции оптической несущей по интенсивности трудно обеспечить низкий уровень нелинейных искажений (менее 2%) ТВ сигнала при большом (более 50 дБ) отношении сигнал-шум, которое, в первую очередь, зависит от глубины модуляции. С ростом глубины модуляции возрастают и нелинейные искажения.

Способом модуляции, обеспечивающим эффективное использование частотного спектра, является амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой (АМ-ЧПБ). При таком способе модуляции сигналы представлены в виде, в котором они обрабатываются абонентскими телевизорами без каких-либо дополнительных устройств.

ЧМ несущей с последующей модуляцией мощности оптического излучения обеспечивает повышение отношения сигнал-шум по сравнению с АМ, но требует более сложной аппаратуры (ЧМ модуляторов и демодуляторов). При этом снижаются требования к линейности модуляционной характеристики, благодаря чему может допускаться большая глубина модуляции, чем при АМ, а, следовательно, увеличиваться предельная дальность передачи. Системы с ЧМ ТВ сигналов в основном применяются на магистральных линиях. В распределительных сетях СКТВ системы передачи с ЧМ ТВ сигналов использовать нецелесообразно из-за их сложности. В этом случае абонентские телевизоры дополнительно оборудуются специальными селекторами ЧМ сигналов, осуществляющими демодуляцию, т.е. преобразование ЧМ ТВ сигналов в АМ сигналы. Частотный разнос между передаваемыми ТВ сигналами составляет 40 МГц. Многоканальные системы передачи ТВ сигналов с ЧМ также не являются перспективными для СКТВ на ВОЛС, так как им присущи практически те же недостатки, что и системам с АМ-ОПБ.

Более перспективно в СКТВ применять сложные виды модуляции с использованием импульсного режима работы оптических излучателей, при котором допускается большая глубина модуляции. Поэтому представляет интерес использование в СКТВ помехоустойчивых аналого-импульсных методов модуляции, к числу которых, в первую очередь, относятся широтно-импульсная модуляция (ШИМ), частотно-импульсная модуляция (ЧИМ).

Среди аналого-импульсных модуляторов и демодуляторов ТВ сигналов к наиболее освоенным в настоящее время относятся частотные. Известно, что ЧМ при больших индексах модуляции обеспечивает высокое качество передачи ТВ сигналов в условиях нелинейных характеристик тракта связи. Поэтому очень перспективным является применение ЧИМ, приближающейся по своим параметрам к ЧМ. Переход от ЧМ к ЧИМ достаточно просто осуществляется с помощью амплитудного ограничителя и формирователя импульсов постоянной длительности, сформированных частотно-модулированным генератором, частота повторения которых меняется по закону модулирующего сигнала. В спектре ЧИМ сигнала его низкочастотные компоненты несут информацию о модулирующем сигнале.

Непосредственное выделение низкочастотных компонент (линейного спектра частот) из ЧИМ сигнала осуществляется фильтром низких частот. Предварительно с помощью усилителя-ограничителя (порогового устройства) производится регенерация переданных импульсов постоянной длительности.

В данном случае выделенный линейный сигнал U(t) можно представить в виде суммы следующих сигналов:

где U_0i - амплитуда соответствующей несущей частоты при отсутствии АМ;

m - коэффициент глубины модуляции;

F - частота модулирующего сигнала;

f - частоты соответственно несущих ТВ (яркостного) сигнала (f=f), сигнала цветности (f=f), сигнала звукового сопровождения (f=f).

Амплитуды данных несущих частот имеют следующие уровни при отсутствии АМ: U= 0дБ; U=-8дБ; U=-2дБ.

После детектирования ЧИМ сигнала осуществляется его частотное преобразование на несущую частоту выбранного ТВ радиоканала.

ЧИМ позволяет использовать наиболее дешевые элементы волоконно-оптической техники, устройства цифровой техники и обеспечивает качество передачи, мало уступающее цифровым методам, но превосходит их по простоте и стоимости. В будущем системы передачи с ЧИМ полностью перейдут на применение цифровой техники.

В настоящее время цифровой способ начинает применяться на супермагистральных волоконно-оптических линиях, связывающих, например, две ГС различных СКТВ или ГС с местным телецентром. Примером цифровой волоконно-оптической системы передачи для СКТВ является аппаратура Телебит-4, предназначенная для передачи со скоростью 486 Мбит/с по ОВ на длине волн 1,3 мкм четырех ТВ сигналов с использованием восьмиразрядного композитного кодирования сигналов системы SECAM-III, с частотой дискретизации 13,5 МГц, и девяти стереосигналов звукового сопровождения с использованием четырнадцатиразрядного кодирования с частотой дискретизации 48 кГц. Для улучшения качественных характеристик СКТВ предусмотрено использование десятиразрядного композитного кодирования видеосигнала с частотой дискретизации до 20 МГц и шестнадцатиразрядного кодирования звуковых сигналов с частотой дискретизации 96 кГц.

Перспективы развития СКТВ. Современные СКТВ рассматриваются как этап на пути их трансформации в высокоскоростные интегрированные сети общего пользования, способные передавать сигналы речевой и видеоинформации, электронной почты, факсимильных сообщений, данных в цифровом виде.

Подобные системы позволят каждому своему абоненту связаться с другим абонентом в любой точке земного шара, например, в видеотелефонном режиме за счет выхода через связной ИСЗ в единую всемирную телесеть. СКТВ первого поколения - это в большинстве случаев будут волоконно-оптические системы на 500 и более интерактивных каналов с использованием цифровых методов передачи и сжатия спектра ТВ сигналов. Главным достоинством будущих кабельных систем станет представление абонентам большого количества новых услуг.

К таким можно отнести:

• подачу видеопрограмм по запросу абонентов (видео по заявке);

• проведение видео и аудиоконференций, телереферендумов, голосования, различных аукционов, определение рейтинга ТВ программ,

• заказ покупок на дому;

• передачу абонентских сообщений о различных экстремальных ситуациях в органы правопорядка;

• телеигры;

• передачу информации и справок по запросу (содержание газет и журналов, результаты игр, Телетекст, реклама, информация местного значения, сводки погоды и т.п.);

• передачу каталога программ вещания и сведений об их содержании по запросу;

• введение по заказу субтитров в ТВ изображение;

• альтернативный выбор источника программ при многоканальной передаче, например, положений передающей ТВ камеры при наблюдении спортивных состязаний;

• управление дополнительной информацией или данными, относящимися к передаваемой программе;

• подачу объявлений по обратным каналам.

К СКТВ нового поколения каждый абонент сможет подключить компьютеризированный комплекс устройств интерактивной обработки и воспроизведения аудио и визуальной информации, получившей общее название Мультимедиа. Центральным элементом этого комплекса является персональный компьютер, заменяющий совокупность таких отдельных устройств обработки информации, как телевизор, видеомагнитофон, проигрыватель компакт-дисков, акустическая система, факсимильный аппарат, телефонный и видеотелефонный аппараты. Таким образом, под термином Мультимедиа понимается компьютеризированная система со многими средами, т.е. обрабатывающая самые различные виды информации. Мультимедиа основывается на совокупности технологий, причем ни одна из них не доминирует над другими.

На первом этапе абонентов СКТВ, владеющих только обычными телевизорами, можно будет снабжать индивидуальными приставками, которые обеспечат им доступ к различным информационным банкам в интерактивном режиме. Данные абонентские устройства позволят большинству пользователей СКТВ воспользоваться всеми видами информационных услуг.

10.4. Спутниковые системы телевизионного вещания

Спутниковое ТВ вещание (СТВ) является сегодня одним из самых экономичных и надежных способов передачи ТВ сигналов высокого качества в любую точку обширной территории нашей страны. К преимуществам СТВ относятся; возможность приема сигнала практически неограниченным числом приемных установок, высокая надежность ИСЗ связного типа, независимость затрат на приемную установку от расстояния между источником ТВ сигнала и абонентом (в пределах зоны обслуживания), незначительное влияние атмосферы и географических особенностей местности на устойчивость приема.

Эти преимущества обусловили развитие во многих странах мира работ по созданию СТВ. Некоторые системы рассчитаны на прием ТВ сигналов непосредственно на простые индивидуальные или коллективные приемные установки с малой антенной и согласно классификации Регламента радиосвязи относятся к радиовещательной спутниковой службе (РСС). Это так называемые спутники непосредственного ТВ вещания (НТВ).

В то же время многими странами широко используются системы подачи и распределения ТВ программ через ИСЗ малой и средней мощности в диапазонах частот 4 или 11 ГГц (соответственно диапазоны С и Ки), относящиеся к фиксированной спутниковой службе (ФСС или FSS). Первоначально эти системы обеспечивали прием ТВ сигналов на головные станции кабельных сетей или эфирные ретрансляторы для последующего распределения абонентам. В последние годы благодаря техническому прогрессу стал возможен прием сигналов со спутников ФСС на сравнительно недорогую приемную антенну типа VSAT (Very Small Aperture Terminal), вполне доступную корпоративным пользователям. Аббревиатура VSAT переводится как терминал с антенной очень малого размера. Корпоративные сети VSAT объединяют географически удаленных пользователей в единую цифровую двустороннюю сеть связи. При современных энергетических показателях бортовых комплексов геостационарных ИСЗ терминалы VSAT могут быть оснащены параболическими антеннами диаметром 0,50,6 м (Ка диапазон, область частот от 15,4 до 50,2 ГГц) и 11,5 м (Кu диапазон), а также твердотельными усилителями мощности 5 Вт. Поэтому, понятию "НТВ" приходит более широкое понятие "непосредственный прием", не связанное с конкретными службами и диапазонами частот.

В настоящее время программы ТВ вещания составляют более 70% трафика спутниковых систем в мире, а в отдельных системах достигают 100%. К наиболее крупным коммерческим международным системам спутниковой связи относятся Intelsat, Eutelsat, Intersputnik, Arabsat, Asiasat. Среди них бесспорным лидером является международная система Intelsat, орбитальная группировка которой насчитывает более 25 спутников.

На территории России распределение двух общенациональных программ (ОРТ и ВГТРК) ведется по зоновому принципу с использованием массовых распределительных систем "Экран" и "Москва", базирующихся на геостационарных спутниках.

Система "Экран", использующая одноименный спутник работает в диапазоне частот 0,714 ГГц (L диапазон). В диапазоне 0,714 ГГц спутниковое вещание сосуществует с наземным ТВ вещанием, в связи с чем плотность потока мощности на территории других государств ограничена Регламентом радиосвязи на уровне – 129 дБВт/м². На территории нашей страны оказалось возможным высвободить необходимое число каналов наземного ТВ вещания в дециметровом диапазоне (5254 ТВ каналы) для спутникового вещания. При этом удалось получить простые и достаточно дешевые приемные устройства. Система "Экран" обеспечивает зону обслуживания более 9млн. км² и охватывает районы Сибири, Крайнего Севера, частично Дальнего Востока.

Для расширения зоны обслуживания без опасности создания помех наземным службам в 1979 году была введена в эксплуатацию спутниковая система "Москва", работающая в диапазонах частот 6/4 ГГц (С диапазон). В данной системе повышенная до 40 Вт мощность бортового передатчика в сочетании с узконаправленной бортовой передающей антенной обеспечивает максимально допустимое значение эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ). Особенностью системы "Москва" является то, что для электромагнитной совместимости ее с существующими наземными и спутниковыми средствами было использовано искусственное рассеяние мощности путем дисперсии несущей. Несущая дополнительно отклоняется с частотой 2,5 Гц и девиацией ± 4 МГц. Это позволило соблюсти установленные МСЭ нормы на допустимую спектральную мощность потока (-152 дБВт/м² в полосе 4 кГц) при высокой интегральной плотности потока мощности у поверхности Земли - 120 дБВт/м². В зону, обслуживаемую одним ИСЗ, входят два-три часовых пояса, т.е. ее размер выбран с учетом принятых принципов организации многозонового ТВ и звукового вещания в стране. Приемная параболическая антенна земной станции имеет диаметр зеркала 2,5 м с шириной диаграммы направленности ± 1°. В качестве входного устройства стало возможным применять неохлаждаемый параметрический усилитель с температурой шума 100° К. Таким образом, создана распределительная ТВ система с приемом на сравнительно простые земные станции в диапазоне 4 ГГц, не требующие постоянного квалифицированного обслуживания. В комплект приемной станции "Москва" входит ТВ ретранслятор мощностью 1,10 или 100 Вт или устройство для работы на СКТВ. "Москва" является системой прямого распределения ТВ программ.

С 1988 года работает ТВ система "Москва - Глобальная", которая позволяет принимать программы отечественного телевидения практически во всех странах мира.

Первоначально в системе "Москва" использовались геостационарные ИСЗ "Горизонт", имеющие всего 8 стволов. В последние годы стали запускаться многоствольные связные ИСЗ нового типа "Экспресс", имеющие различные модификации: "Экспресс-А" (17 стволов), "Экспресс-К-1" (52 ствола), "Экспресс-К-2, (К-3)" (54 ствола). Готовятся к запуску многофункциональные связные ИСЗ нового типа - "Ямал-200" (44 ствола), "Ямал-300" (48 стволов), имеющие более высокую энерговооруженность. Другими важнейшими отличиями новых ИСЗ типа "Экспресс" и "Ямал" являются более высокая точность удержания на орбите (по долготе) до ± 0,1° и значительно больший срок службы, достигающий 15 лет.

1, 2 - радиоканалы соответственно с правосторонней и левосторонней круговой поляризацией сигналов

Рисунок 10.9. Схема распределения радиоканалов в диапазоне частот 11,7 - 12,5 ГГц для системы НТВ

В диапазоне частот 11,712,5 ГГц, выделенном для НТВ, стандартные радиоканалы планируются с полосой частот 27 МГц и разносом между средними частотами, равным 19,18 МГц, при условии частичного частотного перекрытия соседних каналов (рисунок 10.9). Для обеспечения электромагнитной совместимости при использовании радиоканалов с частично перекрывающимися полосами частот в системе многопрограммного НТВ предусмотрено применение прямой (правосторонняя) и обратной (левосторонняя) круговой поляризации в соседних радиоканалах, снижающей уровень взаимных помех на 1020 дБ. Практически спутниковое вещание в аналоговом виде на одну зону на поверхности Земли может осуществляться только по 46 радиоканалам, разнесенным друг от друга на полосу частот, равную ширине четырех радиоканалов.

Первой в России системой спутникового НТВ является система "НТВ Плюс", зона обслуживания которой охватывает европейскую часть России и Урал. Технической основой системы являются два отечественных связных ИСЗ типа "Галс", размещенных в точке 36° восточной долготы. Последняя модификация спутников данной серии - "Галс-Р16" со сроком службы 10 лет имеет 16 стволов и точность удержания на орбите (по долготе) ± 0,1 °. Подачу сигналов на ИСЗ осуществляет передающая станция в Останкино, включающая две антенны диаметром 9,2 м, каждая из которых работает со своим ИСЗ, и набор радиотехнического и измерительного оборудования для многоствольной трансляции. В общей сложности на двух ИСЗ типа "Галс" функционируют четыре высокочастотных ствола. Прием в основной части зоны обслуживания ведется на антенну диаметром 0,6 м.

1 - передающая станция 1; 2 - передающая станция 2; 3 -ТВ студия; 4 – передающая станция 3

Рисунок 10.10. Схема организации ТВ вещания в системе "НТВ Плюс"

С 1997 года в этой же точке 36° восточной долготы начал функционировать еще один спутник - европейский TDF-2, предоставленный в аренду международным консорциумом Eutelsat. Он позволяет передавать на ту же территорию (рисунок 10.10) дополнительно две ТВ программы в аналоговом виде. Для подачи программ на TDF и управления спутником построен новый телепорт в Екатеринбурге. Из Москвы в Екатеринбург ТВ программы передаются по спутниковой линии в цифровом формате MPEG-2.

Передаваемые в системе ТВ программы - пять оригинальных программ телекомпании "НТВ Плюс". На дополнительных поднесущих передаются несколько стереофонических звуковых программ других вещательных компаний.

По планам развития сети вещания "НТВ Плюс" предполагается запуск двух новых ИСЗ. Восьмиствольный ИСЗ диапазона 12 ГГц под условным названием "МОСТ" изготавливается американской компанией Hughes Aircraft. Расчетная ЭИИМ на границе обслуживания данного спутника составляет 50 дБВт. Для управления спутником и подачи программ на него в Москве предусматривается строительство нового передающего центра с комплексом оборудования для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов. Часть оборудования на новом спутнике предназначена для цифрового вещания. При сохранении и развитии аналоговой сети планируется начать параллельную передачу нескольких цифровых пакетов в формате MPEG-2 с общим числом платных программ до 24 ... 30.

Второй спутник - отечественный ИСЗ нового поколения "Галс-Р16" предполагается запустить в ближайшие годы. Его стволы будут использоваться для трансляции ТВ программ в аналоговом и цифровом виде.

Зона обслуживания сети "НТВ Плюс" будет расширяться на восток. Для этого один из спутников будет выведен в точку 56° восточной долготы, что обеспечит покрытие обширных пространств Сибири до Байкала ТВ вещанием с возможностью непосредственного приема сигналов с ИСЗ на параболические антенны малых размеров.

10.5. Сотовые системы телевидения

По мнению многих специалистов в области телевидения для организации МПТВ считается целесообразной замена традиционного наземного способа передачи ТВ сигналов, в том числе и цифровых, микроволновой распределительной ТВ системой с низким уровнем излучения электромагнитных волн. На практике используются различные варианты микроволновых распределительных ТВ систем, которые соответственно имеют следующие названия: MMDS - Multichannel Microware Distribution System - локальная многоточечная система распределения; LMDS – Local Multipoint Distribution System - локальная многоточечная система распределения; MVDS – Multipoint Video Distribution System - многоточечная система распределения ТВ программ. Очень часто подобные системы называются сотовыми системами телевещания (системы Cellular Vision) [19]. Следует заметить, что разница в названиях данных систем весьма условна, поскольку рекомендации для них разрабатывались в разных странах, находящихся в различных континентах.

Основные достоинства сотовых систем телевидения заключаются в следующем:

• высокое качество сигналов и практически полное отсутствие "мертвых" зон за счет выбора размеров соты (ячейки) в пределах от 1 до 6 км;

• возможность для абонентов выбора большого числа ТВ программ при наличии в сети множества сот;

• высокая надежность сети при рассредоточенных ретрансляторах;

• обеспечение экологически безопасных для населения уровней электромагнитных излучений радиопередатчиков; . .

• сравнительная дешевизна абонентской установки за счет использования комнатной малогабаритной антенны с линейными размерами 1525 см;

• высокое качество сигналов из-за сравнительно низкого уровня помех в выделенных для этих систем диапазонах частот (2545 ГГц);

• независимость условий приема от ТВ стандартов NTSC, PAL, SECAM за счет оцифровки сигналов;

• относительно низкая стоимость развертывания сети сотового телевидения в условиях больших городов по сравнению с монтажом и эксплуатацией гибридных оптико-коаксиальных СКТВ.

Частным случаем сотовых систем телевидения является система MMDS, которая представляет собой широкополосный передающий комплекс, осуществляющий трансляцию передаваемой на его вход информации в полосе частот шириной 200 МГц. Она аналогична радиорелейной линии, но отличается тем, что предназначена для охвата ТВ вещанием больших территорий и площадей. В России для систем MMDS выделена полоса частот 25002700 МГц при условии использования амплитудной модуляции (АМ). В состав передающего комплекса входит один или несколько радиопередатчиков, сумматоры, линии связи между радиопередатчиками и передающей антенной, одна или несколько передающих антенн. По сравнению с передатчиками традиционного наземного телевидения мощность передатчиков MMDS значительно ниже. Ее типовое значение в области частот 2,5 ГГц не более 100 Вт. Возможен как индивидуальный прием сигнала в пределах прямой видимости с помощью малогабаритных приемных антенн, совмещенных с конвертором, который переносит принимаемый групповой сигнал в область более низких частот, так и через антенные устройства SMATV, обеспечивающие ТВ сигналами жилые массивы. В случае невозможности обслуживания необходимой территории с одной точки, в теневых зонах устанавливаются автономные ретрансляторы.

Например, в Москве на основе системы MMDS организовано распространение программ телевидения, принимаемых с разных спутников по 19 каналам спутникового вещания. Передатчик и две антенны, установленные на Останкинской башне, позволяют охватить вещанием всю Москву и ближайшее Подмосковье. Аналогичные системы вещания на основе MMDS построены и в ряде других городов и областей. Госсвязьнадзором России уже выдано более 30 разрешений на развертывание MMDS , в семи городах MMDS уже находятся в эксплуатации.

Непосредственно к сотовым системам телевидения относится очень перспективная система LMDS, работающая в полосе частот более 23 ГГц, т.е. на почти миллиметровых волнах, и использующая помехоустойчивый вид модуляции QPSK, применяемый в спутниковом вещании.

Система сотового телевидения LMDS работает по следующему принципу: в пределах зоны охвата устанавливается сеть радиопередатчиков (базовых станций - БС) с радиусом действия около 56 км. Приемное устройство использует плоскую небольшую по размерам антенну, которая может устанавливаться как в помещении, так и вне его. Если в системе спутникового телевидения такая система воспринимает сигнал только с одного спутника, то в системе LMDS телезритель получает сигналы сразу с нескольких спутников. Специальные устройства, установленные на БС, улавливают сигналы различных программ с разных ИСЗ и ретранслируют их абонентам. Такая система обеспечивает возможность абонентам принимать в среднем до 100 ТВ программ, причем отпадает необходимость иметь дешифратор (как в случае с обычной спутниковой системой) - к телезрителям ТВ сигналы с различных спутников поступают уже в расшифрованном виде. Система LMDS удобна еще и тем, что может работать в интерактивном режиме и включать в себя целый набор телекоммуникационных услуг.

Сотовые системы телевещания MVDS работают в полосе частот 40,5 42,5 ГГц и используют радиопередатчики мощностью около 1 Вт. В данном случае один радиопередатчик с ненаправленной антенной или группа передатчиков с антеннами секторной направленности, имеющими большой коэффициент усиления, составляют БС. Радиопередатчик БС передает в эфир сигнал с несколькими несущими в диапазоне частот миллиметровых волн. Излучаемый сигнал имеет ширину спектра 12 ГГц и содержит информацию большого числа разных цифровых видеопрограмм. Этот сигнал непосредственно принимается удаленными приемниками абонентов. Широкополосный сигнал представляет смесь из сигналов региональных программ и принимаемых со связных ИСЗ. Многоканальный сигнал может поступать на вход радиопередатчика уже скомпонованным на специальной региональной станции, либо непосредственно формироваться на БС с помощью соответствующих мультиплексоров.

С помощью системы MVDS в полосе частот 2 ГГц можно организовать от 96 до 128 аналоговых ТВ каналов с предоставлением интерактивных услуг (или в несколько раз больше цифровых), причем каждый из них будет занимать полосу частот от 29,5 до 39 МГц. Однако следует иметь в виду, что максимального значения число частотных каналов достигает лишь при работе одиночной БС. При наличии в сети множества сот обычно применяются БС с четырехсекторными антеннами. Частотное планирование сети осуществляется благодаря использованию различных радиочастот и/или поляризации излучаемого сигнала в каждом секторе. Фиксирование абонентской антенны в такой системе позволяет использовать сигналы с различной поляризацией. В результате выполнения указанных условий, исключающих влияние соседних БС друг на друга, возможное число транслируемых программ уменьшается в четыре раза.

Современные системы такого типа обеспечивают передачу радиосигналов на экологически безопасных уровнях мощности - 100300 мВт на один канал.

Следует особенно отметить, что подобные системы хорошо работают именно в городах, где СВЧ-сигнал доходит до абонентов, не находящихся в зоне прямой видимости, после многократного отражения от стен домов. Однако полностью надеяться на это нельзя, поэтому для улучшения приема в особо затененных местах применяют сравнительно недорогие устройства - пассивные ретрансляторы.

Абонентское оборудование сотовых систем телевидения представляют собой традиционный спутниковый тюнер, работающий в диапазоне частот 9502050 МГц. Антенна выполняется вместе с СВЧ-приемником, осуществляющем первое преобразование частоты с целью ее понижения, в едином блоке, представляющем собой легкое компактное устройство диаметром около 150 (в диапазоне 40 ГГц) или 250 мм (в диапазоне 23 ГГц).

10.6. Контроль и измерения в телевизионных системах передачи

Принцип организации контроля качества телевизионного вещания. Большой объем технических средств, используемых в процессе ТВ вещания, требует непрерывного контроля за его качеством.

Широко распространенным средством постоянного контроля является наблюдение ТВ изображения на экранах мониторов. Мониторы включаются во всех узловых точках тракта телецентра, начиная от ТВ камеры и кончая выходом на радиопередатчик или на междугороднюю линию связи.

В эксплуатационных условиях быструю оценку качества изображения и тракта передачи производят с помощью испытательных таблиц. Если изображение таблицы соответствует установленным нормам, то гарантируется номинальное качество при наблюдении реальных сюжетов. Таблицы содержат элементы, с помощью которых можно судить об искажения сигналов и иметьпредставление о соответствующих изменениях параметров отдельных звеньев тракта.

Однако наиболее широко используется не контроль самих параметров изображения, а измерение характеристик технических средств, обеспечивающих передачу и прием ТВ сигналов и определяющих в конечном счете качественные параметры ТВ изображения. При этом очень важно определить, какой участок тракта вносит искажения. Для этого в интервалах КГИ передаются измерительные (испытательные) сигналы для контроля основных параметров элементов тракта в процессе передачи. Такой контроль производится в течение всего времени работы ТВ линии связи.

Измерительные сигналы системы непрерывного контроля работы телевизионного тракта. В соответствии с ГОСТ 18471-83 установлена стандартная форма измерительных сигналов, передаваемых в интервалах испытательных строк (сигналы 1, 2, 3, 4, 5) (рисунки 10.11-10.15).

Измерительный сигнал 1 передается в интервалах строк 17 и 20. Он состоит из прямоугольного импульса B длительностью 10 ±0,5 мкс, синусквадратичного импульса В длительностью 166 ± 10 нс на уровне половины его размаха, составного синусквадратичного импульса F длительностью 2,0±0,1 мкс, состоящего из суммы синусквадратичного импульса и синусоидального колебания, модулированного этим же синусквадратичным импульсом, и пятиступенчатого сигнала D с размахом каждой ступени 140 + 4 мВ (см. рисунок 10.11). Импульс В используется для контроля диаграммы уровней и переходной характеристики ТВ тракта в области средних времен. Импульс F позволяет определить различие усиления и расхождения во времени сигналов яркости и цветности, а сигнал D дает возможность контролировать нелинейность амплитудной характеристики ТВ тракта. Размах каждого из измерительных импульсов составляет 700 ± 7 мВ.

Измерительный сигнал 2 (строки 18 и 21) состоит из двух последовательно передаваемых прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности С₁ с размахом 210 мВ и 6 пакетов синусоидальных колебаний с частотами 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 4,8; 5,8 МГц, расположенных на пьедестале (см. рисунок 10.12). Пакеты синусоидальных колебаний предназначены для контроля АЧХ тракта в 6 точках.

Рисунок 10.11. Осциллограмма измерительного сигнала I

Рисунок 10.12. Осциллограмма измерительного сигнала II

Рисунок 10.13. Осциллограмма измерительного сигнала III

Рисунок 10.14. Осциллограмма измерительного сигнала IV

Измерительный сигнал 3 (строки 330 и 333) состоит из прямоугольного импульса B, синусквадратичного импульса В и пятиступенчатого сигнала D с наложенными на него синусоидальными колебаниями частотой 4,43 МГц (см. рисунок 10.13). Размах синусоидальных колебаний на каждой ступени 280 мВ. Сигнал D позволяет оценить дифференциальное усиление и дифференциальную фазу, характеризуемую изменением фазы цветовой поднесущей на разных уровнях относительно фазы поднесущей по уровню гашения.

Измерительный сигнал 4 (строки 331 и 334) состоит из трехуровневого сигнала G₂ (синусоидальные колебания частоты цветовой поднесущей 4,43 МГц, модулированные трехступенчатым сигналом) и опорного сигнала цветовой поднесущей Е, расположенного на пьедестале с размахом 350 мВ, представляющего собой синусоидальные колебания, модулированные прямоугольным импульсом (см. рисунок 10.14). С помощью сигнала G₂ определяется различие в усилении яркостного и цветоразностных сигналов, а также оценивается нелинейность сигнала цветности. Сигнал Е позволяет определить нелинейность яркостного сигнала.

Сигнал 5 (строки 16, 19, 329, 332) состоит из четырех прямоугольных импульсов переменной длительности от 1 до 10 мкс через 1 мкс (рисунок 10.15). С помощью данного сигнала обеспечивается возможность опознавания до 10000 пунктов введения совокупности измерительных сигналов.

Рисунок 10.15. Осциллограмма измерительного сигнала V

Во время передачи измерительных сигналов электронные лучи кинескопов в ТВ приемниках погашены с помощью КГИ, поэтому помех приему изображения не создается. Передаваемые измерительные сигналы не оказывают влияния и на качество синхронизации в ТВ системе, поскольку они размещаются между уровнями белого и черного во временном интервале между ССИ.

Требования, предъявляемые к основным параметрам ТВ трактов передачи, непосредственно нормируются для гипотетической эталонной цепи, которая представляет собой кабельную или радиорелейную линию связи протяженностью 2500 км с двумя переприемами по видеочастоте.

Контроль диаграммы уровней и переходной характеристики. Контроль диаграммы уровней и переходной характеристики в области малых и средних времен (область средних и высоких частот) осуществляется с помощью прямоугольного импульса В(см. рисунок 10. 11). Размах этого импульса соответствует контрольному уровню белого, относительно которого оценивают величины других измерительных сигналов. Переходная характеристика в области средних времен оценивается по искажениям (спаду) горизонтального участка прямоугольного импульса, соответствующего передаче уровня белого. Искажения в области малых времен характеризуются изменением формы фронта и спадом горизонтального участка прямоугольного импульса. При осциллографическом методе измерения искажения фронта и вершины импульса В₂ не должны выходить за границы трафарета (рисунок). Этот трафарет рассчитан на допусковый контроль линейных искажений ТВ сигнала при прохождении по протяженным линиям связи.

Частотная характеристика канала связи для передачи ТВ сигналов эквивалентна частотной характеристике ФНЧ с частотой среза, равной максимальной частоте спектра ТВ сигнала на уровне 0,707 (f6,0 МГц), а прямоугольный измерительный импульс В₂ занимает спектр частот, который превышает полосу пропускания канала связи. Поэтому форма осциллограммы измерительного импульса В₂ на выходе канала всегда имеет искажения, вызванные не только искажениями в полосе пропускания канала, но и ограничением спектра измерительного импульса в канале связи. При этом не всегда легко оценить искажения, созданные каналом в полосе его пропускания. Измерительные импульсы должны обладать ограниченным спектром частот, соответствующим рабочей полосе пропускания канала связи. Неудобство измерений с помощью сигнала прямоугольной формы заключается еще и в том, что при наличии искажений плоской вершины трудно фиксировать положение уровней 0,1U₀ и 0,9U₀, (U₀ -номинальный размах импульса B₂), между которым отсчитывается время нарастания фронта. Поэтому для измерения переходной характеристики тракта в области малых времен применяют синусквадратичный импульс В₁, который имеет форму положительной полуволны, описываемую уравнением

Рисунок 10.16. Трафарет поля допуска переходной характеристики

Рисунок 10.17. Форма синусквадратичного импульса

Рисунок 10.18. Спектральная функция синусквадратичного импульса

где - длительность импульса на уровне 0,5 его номинальной (первоначальной) амплитуды U₀. График синусквадратичного импульса при U₀=1В показан на рисунке 10.17, а спектр импульса - на рисунке 10.18. Из анализа относительной спектральной функции S(k) следует, что преимущество синусквадратичного импульса заключается в том, что его частотный спектр в основном сосредоточен в полосе от 0 до f=1/. В данном случае =1/f=1/166 нс. Искажения синусквадратичного импульса не должны выходить за границы трафарета (рисунок 10.19), где - нормирующий коэффициент. Величину его выбирают от 0,05% до нескольких процентов в зависимости от допустимых искажений ТВ сигнала при прохождении отдельных звеньев тракта.

Рисунок 10.19. Трафарет поля допуска импульсной характеристики

Для оценки линейных искажений ТВ сигнала, обусловленных его прохождением через тракт передачи, дополнительно к переходной характеристике измеряется неравномерность АЧХ тракта. На практике неравномерность АЧХ оценивают с помощью опорных прямоугольных импульсов С₁ и пакетов синусоидальных колебаний С₂ (см. рисунок 10.11), наблюдаемых на экране осциллографа в пункте выделения измерительных сигналов. Размах синусоидальных колебаний измеряют на каждой из указанных частот и сравнивают с импульсами С. На основе этих данных строится график АЧХ тракта передачи.

Измерение нелинейных характеристик телевизионного тракта. Линейность амплитудной характеристики ТВ тракта на практике приближенно оценивают по измерительному сигналу ступенчатой формы D₁, содержащему пять ступенек одинаковой величины (рисунок 10.11), с использованием осциллографического способа. При наличии нелинейности размах отдельных ступенек будет отличаться от номинального значения 0,14 В. Критерием нелинейности является отношение наименьшего размаха ступеньки к наибольшему. Погрешность измерения амплитудной характеристики по ступенчатому каналу составляет 5-10%.

Влияние яркостного сигнала Е_Y на сигнал цветности проверяется с помощью ступенчатого сигнала D₂ с наложенными на него синусоидальными колебаниями условной поднесущей 4,43 МГц с равными амплитудами (см. рисунок 10.13). Нелинейность амплитудной характеристики тракта передачи сигнала Е приводит к дифференциальному усилению сигналов цветности в динамическом диапазоне от уровня черного до уровня белого, а также к фазовым сдвигам поднесущей, зависящим от уровня яркостного сигнала.

Оценка дифференциального усиления производится по формуле

m= [(m- m)/m%,

где m_max и m - максимальное и минимальное значения амплитуд синусоидальных колебаний на ступеньках сигнала D₂. Допустимым принимается значение m=32%.

Дифференциальную фазу поднесущей определяют разность максимального и минимального сдвигов фаз синусоидальных колебаний (в градусах) на разных уровнях синусоидального сигнала: = - . Принцип измерения дифференциальной фазы заключается в сравнении фазы колебаний на ступеньках (на разных уровнях) сигнала D с фазой опорного колебания (сигнал Е, см. рисунки 10.13, 10.14). Допустимой считается величина =30 .

Оценку нелинейных искажений сигнала цветности производят по измерительному сигналу сложной формы G₂, состоящему из яркостного Е_Y с постоянным номинальным уровнем A₀₀ и ступенчатого сигнала цветности (см. рисунок 10.14). Номинальные значения амплитуд A₁₀, А₂₀, A₃₀ синусоидальных колебаний с частотой 4,43 МГц на отдельных ступеньках находятся в соотношении 1:3:5. В этом случае нелинейные искажения сигнала цветности m, вызывающие нарушение пропорциональности между размахами цветовой поднесущей отдельных ступенек, определяется по следующим формулам:

%; %,

где А₁, А₂, A₃ - размахи поднесущей соответственно меньшей, средней и большей ступенек сигнала на выходе проверяемого тракта, измеряемые с помощью осциллографа. Для оценки искажений используется наибольшее из полученных значений и .

Измерительный сигнал G₂ используется также для проверки влияния сигнала цветности на сигнал яркости. Искажения яркостного сигнала m с номинальным уровнем A₀₀ наблюдаются по осциллограмме при выключении и включении сигнала цветности, в данном случае цветовой поднесущей, наложенной на яркостный сигнал. Для подавления поднесущей сигнал G пропускается через ФНЧ с частотой среза 23 МГц.

Оценку этих искажений производят по формуле

m%,

где A₀ - максимальная или минимальная величина яркостного сигнала (пьедестала), на котором расположены пакеты поднесущей разного размаха, при выключении сигнала цветности.

Оценка передачи сигналов цветности. Измерение расхождения во времени сигналов яркости и цветности. Данный вид измерений производится с помощью составного синусквадратичного импульса F (см. рисунок 10.11). При наличии расхождения искажаются границы отличающихся по цвету и яркости участков изображения. Расхождение во времени иллюстрирует рисунок 10.20. Временной сдвиг t между этими сигналами не должен превышать 50100 нс.

Различие усиления сигналов яркости и цветности. Различие усиления сигналов яркости и цветности проверяется путем сравнения размахов импульсов В₂ и F (см. рисунок 10.11). В этом случае импульс B₂ является опорным, его размах соответствует уровню белого. Одной из основных причин различия является неравномерность АЧХ в области частоты 4,43 МГц, где размещен спектр сигналов цветности. Допустимое различие усиления находится в пределах ± 3 дБ.

Рисунок 10.20. Расхождение сигналов яркости и цветности

Вопросы для самоконтроля

10.1. Какими способами ТВ программы доводятся до телезрителей?

10.2. В каких диапазонах радиоволн ведется ТВ вещание?

10.3. Как обеспечивается совместная работа большого количества ТВ станций?

10.4. С какой целью осуществляется смещение несущих частот передающих ТВ радиостанций?

10.5. Назовите принципы построения систем кабельного телевидения.

10.6. Поясните особенности древовидной структуры построения СКТВ.

10.7. Перечислите основные преимущества использования ВОЛС по сравнению с коаксиальным кабелем.

10.8. Какие способы построения СКТВ на коаксиальном кабеле используются на практике?

10.9. Дайте общую характеристику типовому оборудованию СКТВ.

10.10. В чем заключаются конструктивные особенности СКТВ на основе ВОЛС?

10.11. Расскажите об основных принципах работы источников и приемников оптического излучения.

10.12. Какие способы модуляции находят применение в распределительных сетях СКТВ, использующих ВОЛС?

10.13. Поясните особенности передачи ТВ сигналов по спутниковым каналам связи.

10.14. Дайте общую характеристику сотовым системам телевидения.

10.15. Охарактеризуйте основные принципы организации контроля качества ТВ вещания.

10.16. Перечислите основные типы измерительных сигналов систем непрерывного контроля работы ТВ тракта и дайте их общую характеристику.

10.17. Каким способом осуществляется контроль диаграммы уровней и переходной характеристики ТВ тракта?

10.18. В чем заключаются преимущества измерения переходной характеристики ТВ тракта с помощью синусквадратичного импульса?

10.19. Расскажите об особенностях измерения нелинейных характеристик ТВ тракта.

10.20. Как осуществляется контроль передачи сигналов цветности?

Список рекомендуемой литературы

1. Сети телевизионного и звукового ОВЧ ЧМ вещания / М.Г.Локшин, А.А.Шур, А.В.Кокорев, Р.А.Краснощеков.-М.: Радио и связь, 1988.- 144с.

2. Зубарев Ю.Б., Глориозов Г.Л. Передача изображений: Учебник для вузов, 2-ое изд.- М.: Радио и связь, 1989.- 336с.

3. Реушкин Н.А. Системы коллективного телевизионного приема.- М.: Радио и связь, 1992.- 168с.

4. Волоконно-оптические системы передачи / Под ред. В.Н.Гомзина.- М.: Радио и связь, 1992.- 416с.

5. Системы спутниковой связи / А.М.Бонч-Бруевич, В.Л.Быков, Л.Я.Кантор и др. Под ред. Л.Я.Кантора: Учебное пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1992.- 224с.

6. Левченко В.Н. Спутниковое телевидение.- СПб.: BHV- Санкт-Петербург, 1998.- 288с.

7. Кривошеев М.И. Основы телевизионных измерений.- 3-е изд.- М.: Радио и связь, 1989.- 608с.