WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

«ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНТЕРАКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ ЭФИРНОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ ...»

-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

(ТУСУР)

На правах рукописи

Попов Александр Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНТЕРАКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ

ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ ЭФИРНОГО



ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ

Специальность 05.12.04 – радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник М.И. Курячий Томск – 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР НАЗЕМНОГО ЭФИРНОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО

ВЕЩАНИЯ СТАНДАРТА DVB

1.1 Стандарты эфирного цифрового телевизионного вещания

1.1.1 Стандартизация эфирного цифрового телевизионного вещания............. 14 1.1.2 Основные преимущества системы DVB–T2

1.1.3 Внедрение стандарта DVB–T2 на территории Российской Федерации.. 23 1.1.4 Методы построения сети DVB–T2 в регионах Российской Федерации.. 24 1.1.5 План частотных присвоений и выделений для эфирного ЦТВ................ 26

1.2 Методики расчета и определения зон покрытия ТВ передатчиков............... 28 1.2.1 Распространение радиоволн диапазона телевизионного вещания.......... 28 1.2.2 Формула Б.А. Введенского

1.2.3 Модель Окамура–Хата

1.2.4 Оценка зон обслуживания телевизионных передатчиков

1.2.5 Программный продукт «Пиар»

1.3 Методы исследования помехоустойчивости систем DVB-T2

1.3.1 Способ повышения помехоустойчивости сигнала в стандарте DVB-T2 41 1.3.2 Методика исследования помехоустойчивости систем ЦТВ в SFN сети. 43 1.3.3 Методика исследования помехоустойчивости систем ЦТВ с учетом многолучевого приема

1.4 Критерии оценки систем эфирного ЦТВ

1.4.1 Визуальный критерий оценки качества изображения систем эфирного ЦТВ

1.4.2 Оценка качества изображения с помощью программного продукта ImageJ

1.4.3 Оценка качества цифрового канала связи и COFDM

1.5 Интерактивные связи в системах эфирного ЦТВ

1.6 Выводы по разделу

2. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ЗОН УВЕРЕННОГО

ПРИЕМА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ

2.1 Программа для расчета зон покрытия «ZONA»

2.2 Оптимизация измерений

2.2.1 Критерии оптимизации выбора параметров системы

2.2.2 Определение и подбор критериев оптимальности систем эфирного ЦТВ с точки зрения максимальной эффективности

2.2.3 Перевод величин уровня сигнала в значения напряженности поля........ 67

2.3 Мониторинг параметров сигнала DVB–T2

2.4 Выводы по разделу

3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ

ЭФИРНОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ

3.1 Планирование и проведение лабораторного эксперимента

3.2 Обработка экспериментальных данных

3.4 Выводы по разделу

4. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМЫ ЭФИРНОГО ЦИФРОВОГО

ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ

4.1 Методика определения зон обслуживания и покрытия ЦТВ

4.2 Планирование и проведение натурных испытаний

4.3 Обработка результатов эксперимента

4.4 Выводы по разделу

5 ИНТЕРАКТИВНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

В СИСТЕМАХ ЦТВ

Состав интерактивного устройства

5.1 Принцип работы интерактивного устройства

5.2 Обоснование метода регулирования

5.3 5.3.1 ПИД управление

5.3.2 Пропорциональное управление

5.3.3 Интегральное управление

5.3.4 Дифференциальное управление

5.3.5 Частота сбора данных и выполнения цикла управления

5.4 Устойчивость системы эфирного ЦТВ с интерактивным устройством...... 124 5.4.1 Начальные условия устойчивости системы с обратной связью............. 127 5.4.2 Анализ устойчивости с помощью алгебраических критериев............... 128 5.4.3 Анализ устойчивости с помощью частотных критериев





5.4.4 Анализ устойчивости системы с помощью логарифмических амплитудно-частотных характеристик

5.5 Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Свидетельства о государственной регистрации программ.... 145 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акты использования результатов

ПРИЛОЖЕНИЕ В Отчет о ходе и результатах эксперимента в филиале РТРС «Кемеровский ОРТПЦ»

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Отчет о ходе и результатах эксперимента в филиале РТРС «Томский ОРТПЦ»

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Проходная характеристика аттенюатора

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Листинг части исходного кода программы «Zona»................ 182 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Изображение на анализаторе ИТ–15Т при проведении натурных испытаний

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Согласно Федеральной целевой программе (ФЦП) «Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009–2018 годы» для преодоления информационного неравенства в РФ и обеспечения более чем 98% населения наземным цифровым телевизионным вещанием (ЦТВ) общедоступными программами, необходимо построить более 3600 новых объектов сети эфирного ЦТВ. 22 сентября 2011 года Правительственная комиссия по развитию телерадиовещания в РФ приняла решение о переводе создаваемой ФГУП «Российская телевизионная и радиовещательная сеть» (РТРС) сети эфирного цифрового телевидения на вещание в стандарте DVB–T2 [1]. Таким образом, повысилась актуальность решения задач, связанных со стандартом DVB–T2 [2], а также стало перспективным решение задач, возникающих при проектировании и запуске 4-го и последующих частотных мультиплексов, строительство которых Государство регламентирует не так жестко, как 1, 2 и 3-го [3].

Для решения задач по охвату населения регионов вещанием сигнала стандарта DVB-T2, система эфирного ЦТВ должна обеспечивать формирование зоны обслуживания с заданным уровнем напряженности электромагнитного поля (излучаемой мощности передатчика). Определить напряженность электромагнитного поля в точке можно несколькими способами (формула Введенского, модели Окамуры–Хата и т.п.). В указанных способах не учитываются условия, которые могут существенно влиять на размеры зон уверенного приема и соответственно на охват территорий [4, 5, 6, 7]. Задача осложняется тем, что при расчете необходимой выходной мощности передатчика необходимо учитывать и другие параметры: тип модуляции сигнала, скорость транспортного потока, высоту подвеса передающей антенны и т. п. При этом существуют и нечисловые характеристики, например, субъективная оценка качества получаемого изображения и звукового сопровождения [8]. Недостатком вышеуказанных способов является их ограниченность в оперировании комбинациями параметров формирователей сигнала (защитный интервал, символьная скорость, количество несущих частот и т.д.) [2, 6, 7]. Чтобы усовершенствовать систему эфирного ЦТВ в части повышения её помехоустойчивости, требуется ввести ограничения, которым данная система должна соответствовать.

При проектировании систем эфирного ЦТВ, задействованных в трансляции сигнала стандарта DVB–T2, как правило, исходят из условий, чтобы добиться 95% времени и 95% места покрытия сигналом заданной территории [4, 9, 10]. С этой целью в данных системах используется мониторинг передающего оборудования. При этом характеристики приемного оборудования не контролируются.

Методы моделирования и расчета зон покрытия, которые описаны в работах Okumura J., Hata M., Куликова А.М., Тельпуховского Е.Д. и др., требуют проводить корректировку результатов под реальные условия, поскольку существующие методы расчета не учитывают факторы, влияющие на систему (промышленные шумы, помехи и т.д.). Лучшим способом расчета является тот, который учитывает больше факторов влияния помех, городской застройки и электромагнитной совместимости. Данные проблемы нашли отражение в работах Введенского Б.А., Зубарева Ю.Б., Карякина В.Л., Красносельского И.Н., Кривошеева М.И., Пономарёва Г.А., Мамаева Н.С., Мамчева Г.В., Носова В.И., Серова А.В., Фишера У., Скляра Б. и др.

Результаты исследований показали, что если ввести определенные ограничения, например, обеспечить значение MER (коэффициент ошибок модуляции) на заданном уровне с помощью введения обратной связи, то можно повысить эффективность системы с точки зрения определения не только выходных параметров передатчиков (выходная мощность, вид модуляции сигнала, защитный интервал, символьная скорость), но и корректировки значений параметров в точке приёма. Обеспечение заданного значения MER приводит к снижению скорости передачи данных и повышению помехоустойчивости системы за счет увеличения защитного интервала, символьной скорости и т.п.

При проектировании систем ЦТВ, как правило, опираются на отдельно заданные параметры и не учитывают их комбинации. Например, сигнал передается с определенной модуляцией, скоростью внутреннего кода, защитным интервалом, выходной мощностью и фиксированной скоростью передачи данных, которая позволяет передать необходимый контент телевизионных программ.

Путем изменения вышеуказанных параметров можно добиться той же скорости передачи данных, но с другой помехоустойчивостью, что в определенном случае подбора критериев повысит эффективность работы канала связи.

Обзор известных систем эфирного ЦТВ и патентный поиск [11, 12, 13] не выявили решения задачи по повышению помехоустойчивости систем эфирного ЦТВ с помощью введения обратной связи между приемником и передатчиком.

Таким образом, задачи исследования и разработки методов повышения помехоустойчивости систем эфирного ЦТВ, связанных с использованием обратной связи, а также созданием аппаратно-программного комплекса, разработанного на их основе, являются актуальными.

На основании вышеизложенного можно сформулировать цель настоящей работы и определить основные задачи исследования.

Целью работы является повышение помехоустойчивости систем эфирного цифрового телевизионного вещания за счет использования интерактивных устройств для контроля и управления их параметрами.

Для достижения цели необходимо решить следующие основные задачи.

Провести обзор существующих методов оценки помехоустойчивости систем 1.

эфирного ЦТВ и расчета зон уверенного приема сигналов цифровых телевизионных передатчиков и сформулировать вопросы, подлежащие исследованию.

Разработать алгоритмы и на их основе аппаратно-программный комплекс для 2.

реализации и внедрения системы эфирного ЦТВ с обратной связью.

Разработать методики проведения эксперимента в лабораторных условиях и 3.

натурных испытаний по исследованию помехоустойчивости систем эфирного ЦТВ с обратной связью.

Провести лабораторные и натурные испытания для проверки полученных 4.

результатов исследований и разработанных методик оценки помехоустойчивости систем эфирного ЦТВ с использованием аппаратнопрограммных интерактивных устройств.

Разработать и исследовать методику оценки помехоустойчивости на основе 5.

обработки и анализа изображений звездных диаграмм модуляции COFDM.

Разработать и исследовать интерактивные устройства для реализации 6.

обратной связи с целью повышения помехоустойчивости систем эфирного ЦТВ.

Объектом исследования являются системы эфирного ЦТВ.

Предметом исследования является обратная связь между приемником и передатчиком в системах эфирного ЦТВ, реализуемая интерактивными аппаратно-программными устройствами, позволяющая повысить их помехоустойчивость.

Научная новизна работы. Научной новизной обладают следующие основные результаты работы.

Разработана и исследована система эфирного ЦТВ с повышенной 1.

помехоустойчивостью, основанная на использовании обратной связи между приемником и передатчиком с помощью интерактивных устройств, которые позволяют изменять выходные параметры передатчика для обеспечения заданных значений параметров сигнала в точке приема.

Сформулирована новая методика исследования помехоустойчивости систем 2.

эфирного ЦТВ, отличающаяся проведением комплексных дискретных измерений её основных параметров (уровень сигнала, MER, BER).

Сформулирована методика, позволяющая оценить помехоустойчивость 3.

систем эфирного ЦТВ, основанная на обработке распределения вектора ошибок модуляции OFDM по яркостным признакам изображений звездных диаграмм.

Разработана метод и алгоритм использования систем эфирного ЦТВ с 4.

обратной связью на основе информации о сигналах в точках приема.

Практическая значимость.

Усовершенствование систем эфирного ЦТВ за счет использования 1.

интерактивных устройств и информации о сигнале в точках приема позволило повысить их помехоустойчивость.

Предложенная методика исследования помехоустойчивости систем эфирного 2.

ЦТВ позволяет решать задачи определения предельных значений уровня сигнала, коэффициента ошибок модуляции, при которых декодирование изображения и звукового сопровождения становится невозможным.

Разработанная методика анализа звездных диаграмм по яркостным 3.

признакам позволяет количественно оценивать помехоустойчивость систем эфирного ЦТВ.

С использованием разработанных методик и аппаратно-программного 4.

комплекса оценены размеры зон уверенного приема цифровых телевизионных передатчиков в городах Томск, Юрга и Кемерово.

Результаты работы используются в лабораторных практикумах по 5.

профильным дисциплинам на кафедре телевидения и управления ТУСУР.

Научные положения, выносимые на защиту.

Применение интерактивных устройств для реализации обратной связи в 1.

системах эфирного ЦТВ позволяет экономить до 15% электроэнергии за счет снижения потребляемой мощности передатчиков при соблюдении необходимой зоны покрытия и экономии их эксплуатационного ресурса.

Предложенная функция зависимости уровня сигнала на входе приемника от 2.

выходной мощности передатчика позволяет использовать интерактивный канал связи в системах эфирного ЦТВ с целью повышения их помехоустойчивости до 3 дБ и эффективности использования зон обслуживания территорий сигналом цифровых ТВ передатчиков до 11%.

Предложенный метод анализа изображений звездных диаграмм по их 3.

яркостным признакам позволяет оценить помехоустойчивость систем эфирного ЦТВ при любых характеристиках сигнала стандарта DVB-T2.

Ценность научных работ соискателя.

Научные работы соискателя имеют высокую ценность, что подтверждается публикациями их результатов в рецензируемом журнале из перечня ВАК РФ и материалах конференций. Основные результаты исследований апробированы на следующих научно- технических конференциях и семинарах.

«Перспективные направления в науке, обществе, образовании, экономике и 1.

праве», г. Новокузнецк, 2009 г.

Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и 2.

молодых ученых «Научная сессия ТУСУР», г. Томск, 2008 - 2012 гг.

Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и 3.

системы управления», г. Томск, 2010 и 2012 гг.

Международная научно-техническая конференция «Распознавание», 4.

г. Курск, 2012 и 2013 гг.

XI Международная конференция «Телевидение: передача и обработка 5.

изображений», г. Санкт-Петербург, 2014 г.

XI Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи 6.

«SIBCON-2015», г. Омск, 2015 г.

Результаты работы используются в филиалах PТРC «Кемеровский OРТПЦ» и 7.

«Томский OРТПЦ», что подтверждено актами внедрения и использования.

Результаты работы использованы при реализации аналитической 8.

ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 – 2011 гг.)», проект № 2.1.2/12356 и № 2.1.2/2601, фонда Бортника (договор на выполнение НИОКР №046), фундаментальных исследований по Госзаданию «Наука 2012-2014 годы» (проект №7.1241.2011).

Соответствие работы паспорту специальности. Согласно паспорту специальности 05.12.04 – «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» диссертация соответствует пункту 5 паспорта специальности «Исследование и разработка новых телевизионных систем и устройств с целью повышения качества изображения и помехоустойчивости работы».

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований получены лично автором либо при его непосредственном участии.

Постановка задач выполнена совместно с научным руководителем М.И. Курячим.

В работах, опубликованных единолично и в соавторстве, автором получены теоретические результаты, которые подтверждены результатами экспериментальных исследований. Автором самостоятельно разработана и апробирована методика для исследования помехоустойчивости систем эфирного ЦТВ, разработана оригинальная методика оценки помехоустойчивости систем эфирного ЦТВ на основе результатов обработки и анализа изображений звездных диаграмм сигнала COFDM. Автором предложена, исследована и проверена на практике система эфирного ЦТВ с повышенной помехоустойчивостью за счет использования информации о сигнале в точке приема, разработан и реализован интерактивный аппаратно-программный комплекс для реализации обработки информации о сигнале на входе приемника в системах эфирного ЦТВ.

Полнота изложенных материалов в печатных работах.

По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 15 работ (7 работ без соавторов), в том числе 3 статьи в рецензируемом журнале из перечня ВАК РФ, 10 докладов в трудах Международных и Всероссийских конференций, 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы и 7 приложений. Общий объем работы составляет 200 страниц, в том числе 69 рисунков и 12 таблиц. Список используемых источников содержит 111 наименования.

1. ОБЗОР НАЗЕМНОГО ЭФИРНОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО

ВЕЩАНИЯ СТАНДАРТА DVB

В данной главе проводится обзор стандартов систем эфирного цифрового телевизионного вещания (ЦТВ), методов и моделей расчета и определения зон покрытия (обслуживания) цифровых телевизионных передатчиков. Описываются параметры стандартов эфирного ЦТВ, необходимые для проведения исследований и оценки результатов [14]. Описываются программы для расчета зон покрытия цифровых телевизионных передатчиков [15]. Приводятся основные сведения о методах оптимизации и описания используемых в работе критериев оценки помехоустойчивости систем эфирного ЦТВ и качества изображения [16].

Утвержденный в Российской федерации ранее стандарт DVB–T (англ. Digital Video Broadcasting – Terrestrial) – европейский стандарт эфирного (наземного) цифрового телевидения, один из семейства стандартов DVB используется, прежде всего, в различных европейских, азиатских и африканских государствах, а также в Австралии как стандарт вещания цифрового эфирного телевидения. В DVB–T используется стандарты сжатия видео MPEG – 2 и MPEG – 4 AVC с модуляцией COFDM [17, 18, 19].

В данное время цифровое эфирное телевещание в стандарте DVB–T ведётся в большинстве стран Европы: Беларусь, Литва, Латвия Эстония, Польша, Германия, Франция, Великобритания (5 мультиплексов. DVB–T используется только для SD–телеканалов. DVB–T2 – для HD–вещания), Чехия, Словакия, Венгрия, Болгария, Израиль. В настоящее время DVB–T2 [17, 18, 19] внедряет Австралия, Новая Зеландия, Индия, Колумбия. Стандарт DVB–T во многих странах постепенно заменяется на усовершенствованный стандарт второго поколения DVB–T2 [20].

Внедряемое на территории Российской Федерации телевидение стандарта DVB–T2 (англ.

Загрузка...
Digital Video Broadcasting – Second Generation Terrestrial) –второе поколение стандарта DVB–T, европейского стандарта эфирного (наземного) цифрового телевидения. Стандарт DVB–T2 призван увеличить как минимум на 30% ёмкость сетей цифрового телевидения по сравнению с DVB–T, при той же инфраструктуре сети и частотных ресурсах. В DVB–T2 используется стандарт сжатия видео MPEG–4 AVC с модуляцией OFDM. DVB–Т2 принципиально отличается как архитектурой системного уровня (МАС–уровня – Media Access Control), так и особенностями физического уровня, вследствие чего приёмники DVB–T несовместимы с DVB–T2. Стандарт DVB–T2 позволяет предоставлять различные цифровые сервисы и услуги:

– оповещение о чрезвычайных ситуациях;

– доступ к государственным услугам в электронном виде;

– телегид;

– цифровое радиовещание;

– 3D и стереотелевидение.

Интерактивное гибридное телевидение в стандарте HbbTV, который объединяет все современные возможности интернета и цифрового телевидения;

3D телевидение в новом стандарте DVB 3D–TV, который находится в разработке и появится в будущем [21, 22].

В России в настоящее время цифровое эфирное телевещание в стандарте DVB–T2 осуществляет только «Российская телевизионная и радиовещательная сеть». С 1 марта 2012 года РТРС начало цифровое эфирное телевещание в стандарте DVB–T2 в Татарстане. Это первый регион России, где реализовано вещание в данном стандарте. Зона охвата – 40–60 км вокруг Казани, охват населения 1,5 млн. человек [23].

Распоряжением Правительства РФ от 3 марта 2012 года N287–р в «План использования полос радиочастот в рамках развития перспективных радиотехнологий в Российской Федерации» внесено изменение о переносе планируемого срока начала предоставления услуг в формате DVB–T2 с 2015 года на 2012 год. С 18 декабря 2012 года началось тестовое вещание в Томске [24]. С 23 августа 2013 года началось тестовое вещание в Кемерове и Ленинск– Кузнецком [25].

–  –  –

1.1.1 Стандартизация эфирного цифрового телевизионного вещания В данном подразделе речь пойдет о правилах трансляции программ стандарта т.е. о стандартах. Они четко определяют границы вопроса DVB-T2, распространения сигнала нового стандарта.

Особое место в международной стандартизации телевизионного вещания занимала исследовательская комиссия 11–я ИК, которая была основана 30.08.1948 году [26].

С начала 70–х годов одним из основных направлений работы 11–ой ИК стала стандартизация цифрового ТВ вещания. К 2000 г. была завершена разработка рекомендаций по цифровым системам эфирного и спутникого ТВ вещания с использованием существующих радиоканалов. Одной из важных и сложных задач международной стандартизации цифрового эфирного ЦТВ стало изыскание эффективных методов передачи ТВ программ по эфирной передающей сети с учетом ограничений при выделении радиочастотных каналов. Решению этой задачи способствовал сформулированный глобальный подход к разработкам систем ТВ вещания на базе цифровых технологий, существенной компонентой которого явилась предложенная стратегия внедрения цифровых ТВ систем с сохранением существующих эфирных и спутниковых каналов.

К 1992 году были подготовлены предложения о взаимодействии ЦГ 11/3 с группой экспертов по подвижным изображениям MPEG (Moving Picture Expert Group) для разработки стандарта кодирования MPEG–2 применительно к цифровому эфирному ТВ вещанию. Целевая группа ЦГ 11/3 завершила свою деятельность, разработав пакет основополагающих рекомендаций по цифровому эфирному вещанию в 1996 году на своем заключительном собрании в Сиднее (Австралия).

Работа групп была завершена к собранию 11–й ИК в феврале 2000 года, на котором новый модифицированный текст Рекомендации ВТ.1306, представленный Председателем Рабочей группы 11А (EBU) был принят единогласно.

В настоящее время разработаны, исследованы и предложены для международного внедрения гармонизированные и сопряженные между собой системы эфирного цифрового телевизионного вещания, включенные в Рекомендацию ВТ.

1306 «Методы исправления ошибок, цикловой синхронизации данных, модуляции и излучения для цифрового эфирного телевизионного вещания. Среди всех систем эфирного цифрового ТВ вещания наиболее динамично развивается система DVB–T2. Этому способствует широкая стандартизация всех субсистем и технологий, которые находят применение не только сегодня, но и в перспективе с учетом прогресса других телекоммуникационных систем и изменения структуры и конъюнктуры рынка.

Систему DVB–T2 уже приняли в качестве национального стандарта многие страны. Распоряжением Правительства РФ было признано целесообразным внедрение в Российской Федерации европейской системы цифрового ТВ вещания DVB. Система DVB–T принята также странами, участвующими в Региональной конференции радиосвязи 2004–2006 годов по планированию эфирного цифрового вещания.

Система цифрового эфирного ТВ вещания DVB–T (система в Рекомендации МСЭ–Р ВТ.1306) DVB–T2 (Европейский стандарт ETSI EN 302755, рекомендации обычно обеспечивает адаптацию цифрового ТВ сигнала, DVB A133) представленного в основной полосе частот на выходе транспортного мультиплексора MPEG–2/4, с характеристиками стандартного эфирного радиоканала вещания, имеющего ширину полосы частот 7 или 8 МГц.

При разработке подсистемы кодирования для канала в системе DVB–T2 были максимально учтены требования близости структуры и параметров к спутниковой (DVB–S) и кабельной (DVB–C) системам ЦТВ [26, 27, 28, 29].

1.1.2 Основные преимущества системы DVB–T2

Стандарт DVB–T2 является улучшенным и функционально расширенным последователем стандарта DVB–T. В нем сохранены основные идеи обработки сигнала (скремблирование, перемежение данных, кодирование), но при этом каждый этап усовершенствован и дополнен. В целом изменения в стандарте DVB–T2 не коснулись только модуляции.

В системе DVB–T2 для инкапсуляции информации может применяться не только транспортный поток MPEG, но и транспортный поток общего назначения (GSE), что позволяет снизить объем передаваемой служебной информации и сделать адаптацию транспортного потока к сети более гибкой [30].

В новом стандарте применяется так называемая концепция PLP (physical layer pipes – каналы физического уровня): передача в одном физическом канале нескольких логических каналов. Возможны два режима: с передачей одного PLP – режим «A», с передачей нескольких PLP (multiPLP) – режим «B». В режиме «B»

несколько транспортных потоков передаются одновременно, причем каждый из них помещается в свой PLP. Это позволяет обеспечить сосуществование в одном радиочастотном канале услуг (рисунок 1.1, а), передаваемых с разной степенью помехоустойчивости: режим модуляции и режим помехоустойчивого кодирования может выбираться для каждого PLP индивидуально (рисунок 1.1, б), т.е. оператор может выбирать большую скорость передачи или лучшую помехоустойчивость для каждой программы в формируемом пакете. Приемник же декодирует только выбранный PLP и отключается на время передачи PLP, которые не интересуют абонента, что обеспечивает энергетическую экономию.

а б Рисунок 1.1 – Пример использования PLP В стандарте DVB–T2 усложнена система перемежения. Используется битовое, частотное и дополнительно – временное перемежение. Оно осуществляется не только внутри одного модуляционного символа, но и внутри суперкадра, что позволяет увеличить устойчивость сигнала к импульсным помехам и изменению характеристик тракта передачи.

Дополнительно в одночастотных сетях может поддерживаться технология MISO (multiple input – single output), использующая кодирование Аламоути. В этом случае передатчики в одночастотной сети передают не в точности один и тот же сигнал, что позволяет избежать на приемной стороне так называемых «провалов».

Следует отметить, что стандарт DVB–T2 предусматривает восемь вариантов размещения пилот–сигналов. Если в системе DVB–T количество пилот–сигналов составляло 8 % от общего числа несущих, то в системе DVB–T2 это значение может варьироваться: 1; 2; 4 и 8 %. Выбор схемы размещения зависит от величины защитного интервала.

Для увеличения пропускной способности дополнительно введен режим модуляции 256–QAM и размерности быстрого преобразования Фурье (FFT) 16k и 32k, а также добавлены новые значения защитных интервалов: 1/128, 19/128, 19/256.

В стандарте DVB–T не использовалась модуляция 256–QAM. Сверточные коды (СК) и коды Рида – Соломона (РС) не обеспечили бы должной защиты от ошибок. Данная проблема решена в стандарте DVB–T2. Основными механизмами, позволяющими повысить помехоустойчивость системы, являются новые алгоритмы кодирования и вращение сигнального созвездия.

В стандарте DVB–T2 вместо сверточных кодов используются коды с низкой плотностью проверки на четность (LDPC), а вместо кода Рида – Соломона – короткий код Боуза – Чоудхури – Хоквенгема (BCH). Зависимости коэффициента битовых ошибок (BER) от отношения «сигнал/шум» представлены на рисунке 1.2.

Выигрыш в отношении «сигнал/шум» за счет использования новых методов помехоустойчивого кодирования для стандарта DVB–T2 при идентичном BER составил 5 дБ.

Еще одним новшеством в стандарте DVB–T2 является вращение сигнального созвездия, позволяющее улучшить помехоустойчивость системы.

Рисунок 1.2 – Зависимости коэффициента битовых ошибок (BER) от отношения «сигнал/шум»

В таблице 1.1 приведены значения угла поворота созвездия в зависимости от типа модуляции.

Таблица 1.1 – Значения угла поворота созвездия для различных типов модуляции

–  –  –

Каждый вектор такого созвездия приобретает свои индивидуальные координаты I и Q. Соответственно в случае потери информации об одной из координат ее можно будет восстановить. В результате перемежения компоненты I и Q передаются раздельно, что уменьшает вероятность их одновременной потери.

Соответственно поворот созвездия дает выигрыш в отношении «сигнал/шум» до 5 децибел.

В сетях эфирного ЦТВ выбор параметров передачи тесно связан с выбором оптимального соотношения между помехоустойчивостью и пропускной способностью системы. Проведем сравнительный анализ данных параметров в системах DVB–T и DVB–T2.

Сравним скорости передачи при фиксированном отношении «сигнал/шум».

Рассмотрим режимы с максимальной скоростью передачи данных [2]. Для стандарта DVB–T: 8k, 1/32, 64–QAM, для стандарта DVB–T2: 32k, 1/128, 256– QAM (таблица 1.2).

Очевидно, что при равных отношениях «сигнал/шум» скорость передачи в стандарте DVB–T2 по сравнению с предшественником увеличивается на 40–50 %.

Это означает, что при том же радиусе зоны покрытия количество передаваемых программ можно увеличить на 50–60 %.

Таблица 1.2 – Сравнение скорости передачи для одинаковых отношений «сигнал/шум»

–  –  –

3/4 18,6 27,14 2/3 18,4 40,23 5/6 20 30,16 3/4 20,6 45,24 7/8 21,1 31,67 4/5 22 48,27 Важно отметить, что при идентичных параметрах передачи (64–QAM, относительная скорость кодирования 3/4, защитный интервал 1/4) отношение «сигнал/шум» в стандарте DVB–T составляет 18,6 дБ, а в стандарте DVB–T2 – 15,4 дБ. Соответственно зона уверенного приема при прочих равных параметрах будет значительно увеличена при построении сети стандарта DVB–T2.

Проведем сравнение отношений «сигнал/шум» при одинаковых скоростях передачи (таблица 1.3).

Таблица 1.3 – Сравнение отношений «сигнал/шум» при одинаковых скоростях передачи

–  –  –

Отношение «сигнал/шум» при той же скорости передачи данных на 5–6 дБ меньше в стандарте DVB–T2. Соответственно при том же радиусе зоны обслуживания мощности передатчиков можно уменьшить в 3–4 раза.

Данные в таблицах 1.2 и 1.3 представлены для режимов передачи, позволяющих обеспечить максимальную пропускную способность системы, которая достигается при максимальной размерности FFT, наивысшем порядке модуляции и минимальном защитном интервале. При таких условиях максимальное расстояние между соседними передатчиками в одночастотной сети составит 8,4 км. Очевидно, что при проектировании сети такие расстояния окажутся недостаточными. Поэтому необходимо использовать другие защитные интервалы, позволяющие увеличить расстояние между передатчиками (таблица 1.4), несмотря на то, что пропускная способность системы уменьшится.

Таблица 1.4 – Максимальные расстояния между передатчиками

–  –  –

19/128 19/256 19/128 1/128

–  –  –

1/16 1/32 1/16 1/8 1/4 1/8

–  –  –

134,4 159,6 16,8 33,6 39,9 67,2 79,8 33,6 67,2 79,8 4,2 8,4

–  –  –

передатчиками, км Если в стандарте DVB–T скорость передачи для различных режимов определена точно и ее значения отражены в таблицах нормативных документов, то для стандарта DVB–T2 такие таблицы приведены только для максимальных скоростей передачи. В общем случае пропускная способность системы стандарта DVB–T2 зависит от следующих параметров: размерности FFT, типа модуляции, параметров кодов LDPC и BCH, длительности защитного интервала, выбранной схемы пилот–сигналов, использования режима PLP или multiPLP и некоторых других и вычисляется в соответствии с методикой, изложенной в [31].

Правильный подбор комбинации всех описанных параметров позволит минимизировать потери в заданной зоне покрытия, оптимизировать значения мощностей передатчиков, пропускную способность и помехоустойчивость системы (рисунок 1.4). При этом в стандарте DVB–T2 различных комбинаций параметров значительно больше, чем в стандарте DVB–T, что делает его более гибким для проектирования сетей цифрового телевизионного вещания.

Рисунок 1.4 – Максимальная пропускная способность систем DVB–T и DVB–T2

Возникают определенные сомнения: так ли хорош стандарт DVB–T2 и не сменит ли его так же быстро, например, стандарт третьего поколения? Для ответа на поставленный вопрос необходимо определить максимальные возможности стандарта DVB–T2. Для этого изобразим зависимость максимальной пропускной способности от требуемого отношения «сигнал/шум» для стандартов DVB–T, DVB–T2, а также определим границу Шеннона, которая является теоретическим пределом увеличения пропускной способности системы.

Характеристики стандарта DVB–T2 приближаются к границе Шеннона, поэтому дальнейшее «интенсивное» повышение помехоустойчивости и увеличение пропускной способности вряд ли возможно в рамках существующей модели эфирного цифрового телевизионного вещания. Маловероятно, что в ближайшем будущем появится стандарт эфирного телевидения третьего поколения семейства DVB. Стандарт нового поколения открывает значительные перспективы по увеличению количества вещаемых программ стандартной четкости и созданию мультиплекса с программами высокой четкости.

Дальнейшее развертывание третьего мультиплекса эфирного ЦТВ стандарта DVB–T2 позволит обеспечить все население страны высококачественным многопрограммным телевидением – решить проблему информационного неравенства «города» и «частного сектора», а также повысить надежность распространения сигналов оповещения ГО и ЧС.

В работе представлен способ по «экстенсивному» повышению помехоустойчивости системы эфирного ЦТВ за счет использования стандартизированных характеристик.

1.1.3 Внедрение стандарта DVB–T2 на территории Российской Федерации

Внедрение эфирного цифрового телевидения в Российской Федерации проходит стремительными темпами. Планируется, что уже окончанию 2015 года охват населения пакетами программ РТРС–1 эфирного цифрового телевизионного вещания стандарта DVB–T2 составит более 95 % [1].

Пакет из десяти телевизионных и трех радиопрограмм будет доступен жителям при условии наличия абонентской телевизионной приставки, либо телевизора с тюнером DVB–T2. Дальнейшее развитие сети эфирного ЦТВ связано с разработкой третьего и последующих мультиплексов.

Одной их задач при планировании сети эфирного ЦТВ является экономия радиочастотного ресурса, поэтому строительство сети второго и третьего мультиплексов, как и первого, будет по возможности осуществляться по принципу одночастотных сетей (все передатчики в синхронной зоне работают на одной и той же частоте и передают один и тот же сигнал одновременно).

На данный момент на территории Российской Федерации построено 3587 новых объектов вещания сигнала нового стандарта. Активно проводятся рабочие и приемные комиссии по приемки объектов в эксплуатацию и сетей эфирного ЦТВ в целом, этот вопрос будет освещен в подразделе 1.1.4.

1.1.4 Методы построения сети DVB–T2 в регионах Российской Федерации

Существенным положением первого этапа создания сети цифрового телерадиовещания в Российской Федерации в условиях дефицита частотных каналов для строящихся передающих станций цифрового телевизионного вещания (ПСЦТВ) является использование одночастотных сетей, в которых все смежные ПСЦТВ конкретной локальной зоны работают на одном ТВ канале.

В регионах в соответствии с разработанным частотно–территориальным планом (ЧТП) для сети трансляции в РФ первого мультиплекса организуется несколько локальных зон с разными частотными каналами.

Как отмечалось ранее, планируется передача первого мультиплекса, состоящего из 10 телевизионных и 3 радиовещательных программ: «Первый канал», «Россия–1», «Матч-ТВ», «НТВ», «5 Канал», «Россия–К», «Россия–24», «Карусель», «Общественное телевидение России», «ТВ–Центр», «Вести ФМ», «Маяк», «Радио России».

Архитектура построения сети на начальном этапе должна обеспечивать ее наращивание для вещания 3–х мультиплексов.

Прежде чем приступать к строительству сети цифрового телевидения, необходимо ответить на ряд принципиальных вопросов. При строительстве сетей аналогового телевидения многие из этих вопросов не имели значения, потому что речь шла о передаче абоненту одного телевизионного канала.

Сеть цифрового телевидения способна передавать не только несколько теле– или радиопрограмм, но и различную дополнительную информацию. Еще одно принципиальное отличие – зона приема аналогового телевидения зависела только от мощности передатчика и характеристик антенны, поскольку использовался только один режим модуляции. В цифровом телевидении существует зависимость между зоной приема и количеством передаваемых каналов. Собственно в этом и состоит вопрос – от чего отталкиваться: от необходимой зоны приема и, исходя из этого, выбирать количество каналов, или исходя из количества каналов?

Сразу будет невозможно ответить на этот вопрос, не имея исходных данных.

Поэтому начать процесс планирования необходимо с определения перечня населенных пунктов или регионов, которые необходимо охватить вешанием, и перечня каналов, которые планируется транслировать. В процессе проектирования, эти два перечня необходимо сбалансировать Процесс планирования является итеративным, когда последующие данные постоянно уточняются и корректируются по результатам анализа предыдущего набора данных. Очень важным при создании сети является вопрос инфраструктуры: в желаемом населенном пункте должна быть возможность для установки передатчика, наличие электрических сетей, возможность подачи сигнала на передатчик от центра формирования мультиплексов и т. п.

После того как перечень территорий готов и режим модуляции понятен, можно оценить технические затраты на радиочастотное оборудование: стоимость антенн, передатчиков, фидеров и т. п., а также затрат на их установку, сроки поставки и т. п. Также необходимо оценить состав технических средств центра формирования программ, которые требуются для организации сервисов (кодирование, мультиплексирование, электронной программы передач и т. п.).

После составления смет, размера территории вещания и количество сервисов может быть снова откорректировано, теперь исходя уже из соображений экономики.

В последнюю очередь можно оценить объемы получающегося трафика с учетом использования выбранного оборудования. После подбора оборудования необходимо убедиться в том, что выбранных параметров модуляции, пропускной способности канала доставки транспортного потока до передатчиков будет достаточно. Если окажется, чего его недостаточно, то необходимо рассмотреть возможности увеличения пропускной способности либо снова пересматривать исходную информацию (список сервисов, площадь приема и т. п.).

После разработки примерного плана, можно приступать к анализу наличия свободных частот, получению необходимых лицензий согласно плана частотных присвоений и т. п.

1.1.5 План частотных присвоений и выделений для эфирного ЦТВ

Процесс внедрения цифрового телевидения отличается от внедрения других технологий. Появление нового, как правило, не отменяет старого. Цифровое телевидение же должно полностью заменить аналоговое.

После многих лет разговоров о необходимости внедрения в Российской Федерации цифрового телевизионного вещания в стандарте DVB эта задача переходит в практическое русло. Активная роль в этих процессах будет принадлежит ФГУП «РТРС», так как это предприятие обеспечивает общегосударственное и коммерческое эфирное телерадиовещание на территории России. В ведении ФГУП «РТРС» находится до 85% всех телепередатчиков страны, поэтому оно является естественной монополией на рынке телевещания страны. ФГУП «РТРС» приступило к замене старых, уже выработавших свой ресурс, аналоговых телепередатчиков, на гибридные аналого–цифровые передатчики, способные работать в цифровом режиме вещания. В стране уже несколько лет успешно действуют зоны цифрового телевещания в стандарте DVB-T2 [32].

Цифровые ТВ системы по сравнению с аналоговыми системами обеспечивают улучшенные радиочастотные характеристики с точки зрения эффективности использования спектра и требований к мощности.

В процессе планирования выделений администрации "предоставляется" конкретный канал для обеспечения покрытия в заданной зоне в пределах ее зоны обслуживания, называемой зоной выделений. Местоположения передатчиков и их характеристики на этапе планирования неизвестны и должны быть определены ко времени преобразования выделения в одно или несколько присвоений.

В процессе планирования присвоений конкретный канал присваивается для места расположения отдельного передатчика с определенными характеристиками передачи (например, излучаемая мощность, высота антенны и т. д.). На рисунке

1.5 изображены территории частотных присвоений на территории Кемеровской области согласно документу [33].

Рисунок 1.5– План частотных присвоений на примере Кемеровской области

Из документа [34] выбраны заявленные координаты (широта, долгота) точек, через которые проходят линии периметров участков, в данном случае участки в Кемеровской области. Каждой территории на карте соответствуют радиоканалы, определённые международным документом и ратифицированным на территории РФ.

1.2 Методики расчета и определения зон покрытия ТВ передатчиков 1.2.1 Распространение радиоволн диапазона телевизионного вещания В свободном пространстве, однородной непоглощающей среде с диэлектрической проницаемостью, равной единице, фронт радиоволны распространяется прямолинейно, ослабляясь только с увеличением расстояния от излучателя, независимо от длины волны. В этих условиях действующее значение напряженности электромагнитного поля в милливольтах на метр (в дальнейшем «напряженности поля») определяется следующим основополагающим уравнением [35].

173 P G Eдейств, (1.1) r где r – расстояние между передающим и приемным пунктами, км; Р – мощность передатчика, кВт; G – коэффициент усиления антенны в направлении пункта приема относительно элементарного (всенаправленного или изотропного) диполя, который излучает энергию равномерно во все стороны. Если G выражено относительно полуволнового диполя, то под корень вводится множитель 1,5, который равен коэффициенту усиления полуволнового диполя в направлении максимального излучения относительно изотропного излучателя, т. е.

коэффициент 173 заменяется на 212. Для получения амплитудного значения напряженности поля вводится дополнительный множитель 2 и коэффициент 173 заменяется на 245 (или 212 на 300) [5].

Для удобства расчетов в ряде случаев напряженность поля выражается в децибелах по отношению к напряженности поля, равной 1 мкВ/м, и обозначается дБмкВ/м. В этом случае E 106.59 20 lg r 10 lg P 10 lg G, (1.2) где r – в километрах, Р – в киловаттах.

При этом часто в качестве исходной принимается напряженность поля, создаваемая при излучении полуволновым диполем мощности 1 кВт. Тогда напряженность поля в децибелах E 106.59 20 lg r.

В реальных условиях радиоволны распространяются с потерей энергии, что учитывается введением в (1.1) специального множителя, называемого также функцией ослабления F. В (1.2) соответственно добавляется слагаемое 201gF. В определенных условиях множитель ослабления может превышать единицу, т. е.

происходит увеличение (усиление) напряженности поля.

Радиоволны распространяются как в непосредственной близости от поверхности Земли в пределах прямой видимости и частичного огибания ее поверхности вследствие явления дифракции, так и путем отражения их на различных высотах от неоднородностей тропосферы и ионосферы. Первые волны называются земными или поверхностными, а вторые – пространственными.

Степень влияния процессов дифракции, отражения и других процессов на распространение радиоволн зависит от их длины: волны различной длины ослабляются (поглощаются) неодинаково. Так, волны метрового и дециметрового диапазонов (и вообще волны короче 10 м), использующиеся для телевизионного вещания, распространяются в основном прямолинейно. Они слабо дифрагируют вокруг Земли и слабо отражаются от тропосферы и ионосферы, уходя в космическое пространство. Поэтому радиус действия телевизионных станций определяется в основном пределами прямой (оптической) видимости между передающей и приемной антеннами. Расстояние прямой видимости в километрах с учетом кривизны Земли и высот подъема передающей и приемной антенн h1 и h2 в метрах определяется формулой, полученной решением соответствующей геометрической задачи.

r 3.57( h1 h2 ). (1.3) Практически радиовидимость несколько больше оптической. Это объясняется частичной дифракцией радиоволн (огибанием сферической поверхности Земли у горизонта), а также слабой рефракцией радиоволн (отклонением направления распространения радиоволн от прямолинейного) в нижних слоях атмосферы.

Дальность радиовидимости увеличивается примерно на 15% по сравнению с оптической, что учитывается соответствующим изменением коэффициента в формуле расстояния прямой видимости. Выражение (1.3) для расстояния радиовидимости приобретает вид r 4.12( h1 h2 ) (1.4) Обычно при расчетах высота приемной антенны выбирается равной 10 м.

Расстояние прямой видимости и радиовидимости для этих условий может быть найдено из графиков (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 – Зависимость дальности прямой видимости (кривая 1) и радиовидимости (кривая 2) от высоты подъема передающей антенны при высоте приемной антенны h2 = 10 м

–  –  –

h2 – высота подвеса приемной антенны, м;

kr – коэффициент кривизны земной поверхности;

E – напряженность поля в месте приема мВ/м;

– длина волны, м.

Эта формула была получена в 1928 г. академиком Б. А. Введенским и носит его имя.

Интерференционная формула Введенского справедлива для плоской Земли и не учитывает ее сферичности, которая начинает сказываться на больших расстояниях. Эта формула не учитывает также наличия рефракции (искривления траектории) радиоволн, которая хотя и слабо выражена, но все же имеет место, особенно в длинноволновой части дециметрового диапазона. Практически формула Введенского дает несколько заниженные значения напряженности поля в зоне дифракции, вследствие чего в приведенном виде она может применяться на расстояниях, равных 0,7–0,8 расстояния прямой видимости (1.3). Влияние кривизны Земли и рефракции в формуле (1.5) учитывается введением соответствующих поправок в множитель ослабления F. Поле в этой зоне может быть рассчитано, но по более сложным дифракционным формулам.

За горизонтом, зоне тени, поле быстро убывает, так как волны метрового и особенно дециметрового диапазонов распространяются прямолинейно, практически не огибая земной поверхности. В связи с этим существенное расширение радиуса действия станции может быть достигнуто только увеличением зоны прямой видимости, т. е. подъемом антенны над поверхностью Земли. Увеличение же излучаемой мощности повышает уровень поля в зоне прямой видимости; не приводя к заметному ее расширению [5].

–  –  –

Выделяют две группы моделей распространения радиоволн в условиях крупного города:

– статистические;

– детерминированные.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
Похожие работы:

«Самищенко Алексей Сергеевич Научные основы дактилоскопии и перспективы их развития Специальность 12.00.12 — криминалистика; судебно-экспертная деятельность; оперативно-розыскная деятельность Диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель:...»

«СМИРНОВА ЛАРИСА ПЕТРОВНА ДИЗАЙН ИЗДЕЛИЙ ПО УХОДУ ЗА РЕБЁНКОМ ПЕРВОГО ГОДА ЖИЗНИ Специальность: 17.00.06 – Техническая эстетика и дизайн ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата искусствоведения Научный руководитель: доктор искусствоведения, профессор Грашин Александр...»

«Попов Александр Сергеевич ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНТЕРАКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ ЭФИРНОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ Специальность 05.12.04 – радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Диссертация на соискание учёной степени кандидата...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.