Введение

После принятия правительством в 2006 году концепции программы внедрения цифрового эфирного телевизионного вещания в Украине в течение четырех лет процесс разработки программы протекал довольно вяло. Тем не менее за это время был построен фрагмент экспериментальной сети и разработан план построения национальной сети стандарта DVB-T, который выглядел вполне респектабельно. Но в конце 2010 и начале 2011 г.г. все резко изменилось. Сразу, без проведения каких-либо предварительных исследований, был определен оператор общенациональной сети эфирного вещания теперь уже стандарта DVB-T2, и были установлены сроки выполнения первого этапа работ. Все это без утвержденного правительством плана. Такая стремительность одновременно и радует, и пугает. С одной стороны, мы отстаем от Европы в среднем на 10 лет. Но, с другой стороны, оператор (а им стало, как известно, ООО «Зеонбуд») не имеет опыта таких работ и не провел никаких исследований, кроме, возможно, теоретических. Широкому кругу специалистов о проекте известно мало. Исправление же ошибок на системном уровне может стоить очень дорого. Это заставило авторов данной статьи обратиться к опыту начального этапа построения сети цифрового эфирного вещания в Испании. В статье представлена экспериментальная сеть DVB-T, созданная компанией Ретевизион в рамках испанского проекта VIDITER (Наземное Цифровое Видео) и европейских проектов: ACTS VALIDATE (Испытания и Развертывание Развитой сети Интегрированного Цифрового Телевидения в Европе) и ACTS MOTIVATE (Мобильное Телевидение и Инновационные Приемники).
Подытожен опыт и приведены некоторые из результатов различных испытаний, выполненных Ретевизион. В настоящее время компания Ретевизион входит в группу Abertis (www.abertistelecom.com/es/).

На наш взгляд, примерно такие же исследования должны были бы предшествовать утверждению окончательного варианта Программы внедрения цифрового эфирного вещания в Украине. Остановимся на некоторых наиболее важных моментах.

1. Одночастотные сети.

Перед аналоговым беспроводным телевизионным вещанием постоянно встает проблема, как предотвратить интермодуляцию с соседними каналами, которая не дает возможности вплоть до очень больших расстояний повторно использовать тот же самый канал. Это приводит к крайне неэффективному использованию частотного спектра. Как показано на Рисунке 1, если в обычной одночастотной сети используется девять частот, то каждый из каналов будет запрещен для повторного использования приблизительно на 89% общей площади покрытия сети.
Альтернативной таким Многочастотным Сетям (MFN) может быть сеть, которая использует ряд передатчиков, распределенных по всей территории (города, области или даже страны) и передающих на одной и той же частоте с временной синхронизацией символов. Сеть такой конфигурации называют Одночастотной Сетью (SFN). Преимущества SFN с точки зрения эффективности использования спектра очевидны. Принимая во внимание тот факт, что для передачи единственной программы SDTV в аналоговой сети MFN придется задействовать более девяти радиочастотных каналов, мы можем также удостовериться в том, что в сети SFN, которая использует единственный канал RF, может передаваться больше чем одна программа. При этом используется в девять раз меньшая полоса частот, чем в MFN! Иными словами, используя тот же самый спектр, можно передать в 45 раз больше программ (если в одном канале передается пять программ SDTV)!
Кроме того, если правильно использовать благоприятное воздействие эха, длительность которого не должна превышать длительности защитного интервала, то на краях зон обслуживания двух соседних передатчиков будет необходима меньшая плотность потока мощности, создаваемая отдельным передатчиком, т.к. одновременно будут приниматься сигналы от обоих передатчиков, что способствует увеличению общего отношения несущая/шум.
Для ликвидации участков затенения может также использоваться прямая ретрансляция сигнала при помощи ретранслятора сопредельного канала, называемого “заполнителем промежутка” — Gap-Filler.
Вопрос рационального использования частотного спектра не является праздным, поскольку на освободившиеся при переходе к цифровому вещанию частоты («цифровой дивиденд») претендуют сети мобильной связи (LTE) и сети мобильного телевидения, которые эффективны только в этом диапазоне частот. Забрав эти частоты под сеть фиксированного вещания, мы лишимся перспективы внедрения мобильных систем связи и вещания. Поэтому при выделении частот для цифрового эфирного вещания игнорировать потребности этих систем нельзя. С другой стороны, мы не имеем права создавать национальную сеть только как сеть SFN, т. к. в этом случае мы лишаем местные студии возможности передавать свои программы и свою рекламу. Очевидно, что подход к построению национальной сети должен быть компромиссным. Она должна быть разделена на минимальное количество региональных зон, внутри которых должны строиться сети SFN.

Вывод. Национальная сеть цифрового эфирного вещания должна состоять из ограниченного количества зон, внутри которых должны быть созданы SFN.

2. Ограничения, свойственные SFN.

Использование SFN дает не только преимущества, но и требует соблюдения некоторых ограничений. Перечислим главные ограничения, которые возникают при использовании SFN:

2.1 Ограничения, вызванные необходимостью синхронизации.

Все сигналы, передаваемые передатчиками SFN, должны быть синхронизированы по частоте, времени и битам.
Синхронизация по частоте требует, чтобы генераторы всех каскадов, принадлежащих каждому передатчику, имели общий опорный генератор.
Синхронизация по времени требует, чтобы каждый передатчик передавал «энный» символ в момент времени Tn ±1 (где Tn обозначает идеальный момент передачи для «энного» символа). Синхронизация по битам требует, чтобы один и тот же символ передавался в одно и то же время.
Все поднесущие должны быть модулированы тождественно. Следовательно, одни и те же биты должны модулировать одни и те же поднесущие.
Для выполнения этих требования, спецификацией DVB-T предусмотрен т.н. Пакет Идентификации Мегафрейма — MIP [TR101191]. С помощью адаптера SFN, расположенного на выходе Транспортного Потока (TS), пакеты MIP периодически вводятся в TS. В модуляторах эти дополнительные пакеты используются для синхронизации по битам и времени.
Механизм синхронизации основан на использовании двух глобальных внешних опорных сигналов: опорного сигнала с частотой 10 МГц и опорного сигнала времени 1 pps (1 импульс в секунду); а примером глобальной системы, обеспечивающей такие опорные сигналы, является GPS (Система глобального позиционирования).

2.2 Требования к передатчику.

Полный набор специфических требований к передатчикам был определен в рамках проекта ACTS VALIDATE. Вот главные из них:

Стабильность Частоты. Каждая несущая должна быть передана на частоте, лежащей в пределах интервала f (Df/100). Передатчик SFN для синхронизации нуждается во внешней опорной частоте (10 МГц).

Фазовый Шум Генераторов. Одним из ограничивающих факторов, который был выявлен в процессе испытаний передатчиков и транспонсеров, является фазовый шум генераторов. В некоторых случаях передатчики, которые идеально подходят для передачи PAL, оказываются непригодными для передачи DVB-T из-за фазового шума.

Уровень выходной мощности. Максимальная мощность, которая может быть получена на выходе данного передатчика, ограничена нелинейными эффектами в усилителях, которые оказывают влияние на качество приема. Для передатчика любого типа, который используется для передачи DVB-T и вещает с фиксированной мощностью, величина мощности – это один из факторов, который определяет размеры зоны покрытия. Если передатчик работает с выходной мощностью, имеющей уровень ниже того, который соответствует заданной линейности, то возможности этого передатчика используются не полностью. При превышении этого уровня мощности мы получаем уменьшение размеров зоны покрытия за счет вносимых нелинейностью дополнительных параметрических потерь, которые могут вызвать больший эффект, чем ожидаемое увеличение зоны покрытия за счет простого увеличения мощности. Типичный запас по выходной мощности находится в пределах 6 дБ или даже больше.

2.3 Требования к профессиональным Gap Filler-ам.

Gap-Filler (транспонсер) – это простой DVB-T ретранслятор, который принимает сигнал основного передатчика, фильтрует, усиливает и переизлучает его в зону затенения.

Требования, аналогичные тем, которые предъявляются к передатчикам, следует отнести также и к профессиональным gap filler-ам или транспонсерам. Хотя в этом случае должна быть принята в расчет также экономичность. Зачастую транспонсеры должны быть намного дешевле, чем передатчики, и, следовательно, требования к ним не должны быть настолько жесткими, как требования к передатчикам.
Дополнительным требованием для gap filler-ов является ограничение максимально допустимого усиления в данном месте. Величина усиления gap filler-а ограничивается величиной коэффициента передачи его цепи обратной связи, который, в основном, определяется величиной изоляции входной антенны от выходной. Полевыми испытаниями было установлено, что изоляция выше 100 дБ, хотя и с трудом, но может быть достигнута. Максимальное усиление транспонсера в этом случае ограничивается уровнем изоляции минус некоторый запас, который необходим для того, чтобы избежать проблем с неустойчивостью, вызывающей сильные дополнительные параметрические потери и могущей даже вызвать нестабильность системы в зоне покрытия gap filler-а. Типичная величина запаса безопасности может составлять приблизительно 20 дБ.

2.4 Аспекты первичной распределительной сети.

Первичная распределительная сеть предназначена для транспортировки телевизионного сигнала в любом формате от центральной станции к местам установки вещательных передатчиков.
Телевизионный сигнал может транспортироваться в цифровом формате (то есть в виде Транспортного Потока MPEG-2) или в аналоговом формате (то есть в виде несущей, модулированной согласно спецификации DVB-T). При этом возможны два случая:

а) Децентрализованная генерация сигнала DVB-T предполагает транспортировку цифрового Транспортного Потока MPEG-2 через первичную распределительную сеть и последующую обработку сигнала в каждом месте установки передатчика. В качестве первичной сети могут использоваться фиксированные наземные линии связи (например, оптическое волокно, беспроводная связь) или линии спутниковой связи. Для этой цели могут быть применены различные технологии или их комбинация (например, ATM, PDH, SDH, DVB и т. д.). В результате использования этого метода реализуются два преимущества:

Гибкость: могут быть введены дополнительные звенья мультиплексирования MPEG-2, например, для того чтобы внести изменения в региональный мультиплекс. В SFN с централизованным формированием мультиплекса это невозможно.

Качество сигнала: после прохождения сети первичного распределения сохраняется исходное отношение несущая/шум.
Недостатком данного метода является то, что для его внедрения нужны несколько модуляторов DVB-T (по одному в каждом месте установки передатчика), что увеличивает полную стоимость сети и подразумевает потребность в их синхронизации (см. ограничения для SFN).
Другая проблема — это наличие джиттера, который может быть внесен в цифровой сигнал при его мультиплексировании и ремультиплексировании.

в) Централизованная генерация сигнала DVB-T предполагает модуляцию телевизионного сигнала согласно спецификации DVB-T на центральной станции и последующую транспортировку его через первичную распределительную сеть в виде несущей, модулированной по методу COFDM.
В качестве первичной сети могут использоваться фиксированные наземные линии связи (например, беспроводные линии) или линии спутниковой связи.
Главное преимущество использования этого метода состоит в том, что количество модуляторов DVB-T в сети уменьшено. В предельном случае возможно даже использование для всей сети единственного модулятора.
При применении в первичной распределительной сети спутниковых линий связи, которые не вносят даже того рассеяния статических задержек, которое обычно вносится наземными линиями связи, исчезает большинство проблем с синхронизацией сети.
Недостатком этого метода будет потеря гибкости при формировании мультиплекса программ путем динамической замены программы из-за отсутствия в составе передатчиков ремультиплексоров. Так или иначе, это не будет большим недостатком в случае организации обычной SFN, в которой ремультиплексирование не используется.
Другая очень важная проблема состоит в том, что конечный сигнал теряет в качестве (то есть отношение C/N за счет первичной распределительной сети ухудшается, и эта деградация не может быть впоследствии компенсирована). В конечном счете, это приводит к некоторому уменьшению размеров зоны обслуживания.

2.5 Аспекты вторичной распределительной сети

Вторичная распределительная сеть предназначена для телевизионного вещания из точки установки передатчика на приемники конечных пользователей.
Как упоминалось ранее, DVB-T обеспечивает несколько режимов работы для того, чтобы адаптировать сигнал к особенностям беспроводного канала. Каждому из режимов работы сети соответствует определенное соотношение между чистым битрейтом, который может быть ассигнован телевизионным программам, и полным битрейтом, который получается после введения в поток дополнительных бит, предназначенных для защиты сигнала от эха, шума, федингов, и т.д.

Важным следствием применения SFN является тот факт, что, несмотря на увеличение выходной мощности передатчиков и высоты подъема передающих антенн, размеры зоны покрытия ячейки сети не могут быть увеличены сверх определенной величины. Эта величина определяется параметрами передаваемого сигнала (см. Таблицу 1), и даже в самом лучшем случае для стандарта DVB-T расстояние между передатчиками соседних ячеек не может быть больше 68 км.

Вывод. Преимущество SFN – это возможность использования специально для больших сетей SFN режима 8 k (то есть 6817 поднесущих), поскольку этот режим допускает работу в условиях эха большей длительности (т. к. обеспечивает более длительные защитные интервалы), чем та длительность эха, которую допускает режим 2 k.

3. Регуляторные требования в Испании.

Далее будут кратко изложены требования Испанских Технических Правил (введенных 16 октября 1998 г.) для систем Цифрового Наземного Телевидения.

3.1 Частотные присвоения.

Следующие диапазоны частот выделены для сервисов DVB-T:

a) 470 — 758 МГц (каналы: 21 — 56)
b) 758 — 830 МГц (каналы: 57 — 65) – Полностью доступны с 31 октября 1999 г.
c) 830 — 862 МГц (каналы: 66 — 69) – Полностью доступны с 30 июня 1999 г.

3.2 Планирование сервисов.

Четыре канала SFN с национальным покрытием, которые включают в себя, по меньшей мере, по четыре сервиса в каждом канале, располагаются в полосе часто 830-862 МГц.
Один канал с национальным покрытием и региональным ремультиплексированием (региональная сеть SFN), обеспечивающий четыре сервиса, получает частотные присвоения в полосе 758-830 МГц. Предполагается одновременная передача сигналов цифрового и аналогового телевидения.
Один региональный SFN канал, в котором передается, по крайней мере, четыре сервиса, будет размещен в полосе 758-830 МГц. Также предполагается его одновременная передача с региональным аналоговым телевидением.
Еще N каналов, имеющих региональное покрытие, будут размещены в полосе 758-830 МГц.
Полоса 470-758 МГц используется для аналогового телевидения, MFN и местного радиовещания вплоть до выключения аналога, которое должно было произойти 1 января 2013 г., но на самом деле уже произошло 1 января 2010 г.

На Рисунке 2 показаны четыре этапа плана развертывания. С точки зрения покрытия упор делается на население, а не на территорию.

Этап I: национальные каналы SFN, 50% покрытие, продолжительность 12 месяцев с 30 июня 1999 г.
Этап II: национальный канал с региональным каналом ремультиплексирования, 50 %-ое покрытие, продолжительность восемь месяцев с 31 октября 1999 г.
Этап III: все каналы, 80% покрытие, продолжительность 18 месяцев с 30 июня 2000 г.
Этап IV: все каналы, 95% покрытие, продолжительность 10 лет с 31 декабря 2001 г.

3.3 Эксплуатационные режимы DVB-T.

Технические требования в соответствии с Европейским Телекоммуникационным стандартом EN 300 744 для передатчиков цифрового телевидения таковы: полоса канала 8 МГц, режим 8 k.

4. Экспериментальная сеть Retevisión.

Экспериментальная сеть DVB-T компании Retevisión была построена в рамках испанского проекта VIDITE и европейского проекта ACTS VALIDATE. Она состоит из двух передатчиков; один из них расположен в Торреспанья (Мадрид), а другой в Навасерраде (расстояние между ними приблизительно 50 км). Излучаемая ими мощность DVB-T – 900 Вт и 200 Вт соответственно. Сеть также включает один профессиональный gap filler (с выходной мощностью 10 Вт), расположенный на расстоянии 5 км от передатчика в Торреспанья.
Предварительный расчет сети производился в промежутке с февраля 1996 до ноября того же года. Впоследствии сеть, формируемая как Многочастотная Сеть (MFN), испытывалась до марта 1997 г. Цель испытаний состояла в сборе данных, необходимых для сравнения с данными последующих измерений в SFN. Параллельно были выполнены несколько лабораторных испытаний для того, чтобы проверить соответствие оборудования главным параметрам спецификаций DVB-T.
Сеть с конфигурацией SFN в канале №26 была построена в марте 1998 г. Проведенные затем полевые испытания дали очень обнадеживающие результаты для внедрения наземных цифровых вещательных служб в Испании.
Главные особенности DVB-T при применении в SFN, которые соответствуют особенностям применения в Испании (с точки зрения законодательной сферы и возможности повторного использования существующих точек размещения вещательных передатчиков), были определены для городских, пригородных и сельских условий.
В рамках проекта ACTS MOTIVATE, являющегося развитием ACTS VALIDATE, было проведено много испытаний, запланированных на 1999 г., с тем, чтобы оценить возможности портативного и мобильного приема.

5. Топология сети.

Компанией Retevisión была сформирована полная ячейка сети цифрового наземного телевидения, предназначенная для передачи сигналов стандарта DVB-T и состоящая из четырех частей:

• Производственная телевизионная студия и основная диспетчерская.
• Источник кодирования, устройство ввода данных и мультиплексор программ.
• Первичная распределительная сеть (так называемая сеть сбора и транспортировки).
• Вторичная распределительная сеть (так называемая вещательная сеть).

Производственная телевизионная студия и основная диспетчерская располагались в помещении фирмы Retevisión, а лаборатория — в Позуэло де Аларконе (Мадрид). Их роль состояла в том, чтобы снабжать экспериментальную сеть мультиплексом программ (из четырех программ), объединенных в Транспортный Поток (TS). Дополнительный канал данных для доступа в Интернет, необходимый для того, чтобы можно было передавать вещательным службам данные испытаний, был также встроен в TS.

5.1 Первичная распределительная сеть.

Первичная распределительная сеть была разработана для того, чтобы транспортировать сигнал из Лаборатории Retevisión в Позуэло к двум местам расположения передатчиков: Торреспанья и Навасеррада.
Транспортная сеть передавала MPEG-2 TS от Лаборатории Retevisión до Торреспанья через оптоволоконную линию связи. Для передачи сигнала из этого пункта ко второму месту установки передатчика (Навасеррада) использовалась цифровая радиолиния.
При проведении испытаний большое значение придавалось первичному распределению сигнала. Для этой цели, помимо исследования ранее упомянутых методов, производились также испытания по передаче потоков MPEG-2 TS по SDH и PDH. Кроме того, первичное распределение сигнала по аналоговому каналу (централизованная генерация сигнала DVB-T), также было применено во время испытаний. Для того чтобы доставить к местам установки передатчиков сигнал DVB-T, модулированный OFDM, использовался транспондер спутника Hispasat. Хотя результат был вполне удовлетворительным, все же этот вариант показал несколько худшие параметры с точки зрения отношения несущая/шум, чем распределение в цифровой форме.

5.2 Вторичная распределительная сеть

Вторичная распределительная сеть была создана для работы как в режиме MFN (две частоты), так и в режиме SFN в канале №26. Как ранее упоминалось, испытуемая сеть была составлена из двух передатчиков и профессионального gap filler-а (транспонсера).
Текущая конфигурация предполагает децентрализованую генерацию сигнала DVB-T, поэтому в каждом месте установки передатчика имелся модулятор, оборудованный приемником GPS для синхронизации по частоте, времени и битам.
Модуляторы DVB-T допускают повторное формирование режимов, достигаемое благодаря использованию специальных данных, которые передаются в Транспортном Потоке MPEG-2, следуя тем правилам, которые определены спецификацией MIP для SFN (TR101191).

6. Данные, полученные при лабораторных испытаниях.

Далее будут представлены некоторые избранные результаты соответствующих самым современным требованиям лабораторных испытаний.

6.1 Прием в условиях AWGN.

На Рисунке 4 представлены теоретические и измеренные минимальные величины отношения несущая/шум в условиях наличия Аддитивного Белого Гауссовского Шума (AWGN) для режима 8 K и типа модуляции 64 QAM. Нужно отметить, что значения, полученные в результате измерений, всегда на 3 дБ хуже, чем теоретические. При этом измеренная величина коэффициента шума для профессионального оборудования оказалась большей, чем ожидаемая. Как исходная для расчета покрытия была принята величина 9 дБ, которая рекомендовалась на основании результатов, полученных на стадии проекта ACTS VALIDATE.

6.2 Защитное отношение.

Сигнал DVB-T подвергался прямому воздействию со стороны сигналов PAL большой мощности как в сопредельных, так и в смежных каналах.
Измеренные защитные отношения (PR) при воздействии сопредельного канала, в котором передается сигнал PAL, для сигнала с режимом 8 K, при модуляции поднесущей 64 QAM, для кодового отношения 2/3 и защитного интервала 1/4 составляют приблизительно 2 дБ. Это означает, что сигнал DVB-T может противостоять интерференции с сопредельным каналом PAL, если пиковая мощность синхронизирующих импульсов будет не более чем на 2 дБ выше средней мощности сигнала DVB-T.
Измеренные значения PR для соседних каналов (порядка -24 дБ) являются на 10 дБ более жесткими, чем ранее предсказанные для коммерческого оборудования.
Относительно интерференции с другими сигналами DVB-T можно утверждать, что величины PR для сопредельного канала приблизительно равны измеренным значениям отношения C/Nmin для канала AWGN.

6.3 Многолучевое распространение.

Параметры DVB-T, относящиеся к противодействию эхо-сигналам, были всесторонне оценены, и о них сообщалось ранее в различных источниках, относящихся к проектам ACTS VALIDATE и ACTS MOTIVATE.
Параметрические потери (DC/N) при воздействии эха с относительным уровнем 0 дБ в ранее упомянутом рабочем режиме (то есть, 8 k, 64 QAM, 2/3, 1/4) и в пределах защитного интервала не превышали 8 дБ.
Также была проверена возможность нормального приема сигналов DVB-T в типичных Рэлеевских каналах. Эта проблема особенно важна для случаев портативного и мобильного приема.

6.4 Эффекты нелинейности.

Характеристики системных параметрических потерь, вызванных эффектами нелинейности в передатчиках профессиональных gap filler-ов, были измерены для различного оборудования и в различных режимах работы DVB-T. Режимы для Рисунка 5 (8 k, 64 QAM, защитный интервал 1/4).

6.5 Обратная связь в сетях SFN.

Использование профессиональных gap filler-ов (транспонсеров) в сетях SFN для покрытия затененных участков требует от проектировщика сети такого выбора величин усиления для транспонсеров, при котором будет достигнуто максимальное увеличение покрытия, но не будет допущен отрицательный эффект от чрезмерно высокого усиления, которое приводит к возникновению эффектов, связанных с паразитной обратной связью. На Рисунке 6 показана характеристика параметрических потерь из-за положительной обратной связи, измеренных в типичном транспонсере.

6.6 Влияние фазового шума гетеродинов.

На Рисунке 7 показаны измеренные фазовые шумы, относящиеся к гетеродину транспонсера. Можно видеть, что кривая (верхняя на рисунке) следует за предсказанной характеристикой (нижняя кривая на рисунке показывает фазовые шумы генератора сигналов). Фазовые шумы были проверены на соответствие спектральной маске, предложенной проектом ACTS VALIDATE.

6.7 Другие измерения

Были выполнены и другие лабораторные исследования, для того чтобы оценить соответствие испытуемого оборудования спецификации DVB-T в реальных условиях. Исследовались  некоторые наиболее интересные аспекты: реальное распределение уровней сигналов DVB-T посредством измерений с помощью MATV (Master Antenna Television), техническая реализуемость использования внутреннего gap filler-а в сетях SFN и оценка поведения демодуляторов при наличии импульсного шума.
Лабораторные испытания для разных типов модуляции при портативном и мобильном приеме были проведены в течение 1999 г.

7. Полевые испытания.

После этого были проанализированы некоторые результаты самых показательных полевых испытаний. Полевые испытания были выполнены в сети DVB-T Retevisión, локализованной в районе Мадрида. Сеть формировалась и как MFN, и как SFN, передающая в канале №26 (514 МГц).
Для того чтобы можно было провести измерения в различных зонах (городской, пригородной и сельской), было применено мобильное устройство, оборудованное следующими элементами:

• Телескопическая направленная антенна (на мачте 10 м)
• сенаправленная антенна (на мачте 1,5 м)
• Приемник GPS
• DVB-T демодулятор
• MPEG-2 декодер
• Телевизор
• Измеритель BER
• Измеритель напряженности поля
• Анализатор спектра
• PC типа Notebook

В первую очередь во время испытаний были рассмотрены следующие режимы работы:

• 8 k FFT, 64 QAM,
• 2/3 FEC, 1/4 GI
• 8 k FFT, 64 QAM,
• 3/4 FEC, 1/4 GI

7.1 Спектральная характеристика принимаемого сигнала.

Частотный спектр, характеризующий принятый сигнал DVB-T, был измерен с помощью анализатора спектра в режиме сканирования с шириной полосы разрешения 120 КГц и шагом 50 КГц.

Стандартное отклонение выбранных величин спектра в пределах номинальной ширины полосы свидетельствует о типе канала передачи. В Таблице 2 показана принятая классификация каналов согласно значениям их σ.

σ (сигма) — это стандартное отклонение (standard deviation), одно из важнейших понятий математической статистики. В данном случае характеризует рассеяние в канале передачи.

На Рисунках 8 и 9 показаны спектры, полученные для Райсеановского (типичного для сельских условий и условий пригорода) и Рэлеевского (типичного в городских условиях) каналов.

В отдельных районах Мадрида наблюдалась сильная интерференция с сопредельным каналом PAL, однако в некоторых случаях оборудование DVB-T все еще могло декодировать и воспроизвести переданные телевизионные изображения.
Спектр сигнала, принятого в этих пунктах, выглядит так, как показано на Рисунке 10.

7.2 Поправочные коэффициенты для 70%, 90%, 90% и 99% местоположений.

Для того чтобы вычислить минимально допустимую напряженность поля в целях планирования сети (фиксированный прием), по результатам полевых испытаний вводятся поправочные коэффициенты для местоположений, сосредоточенных на небольшой площади (как правило, 100 x 100 м). Нужно отметить, что эти поправочные коэффициенты учитывают те эффекты, которые не учитываются моделями распространения (т.е. моделями многолучевости).

7.3 Процедура измерений.

Поместив антенну Яги (волновой канал) наверху десятиметровой мачты, перемещали мобильное устройство (со скоростью несколько км/ч) на расстояние 100 м. Во время движения с помощью измерительного оборудования производилось больше чем 1000 измерений (через каждые 9,5 см). Характеристики режимов DVB-T, которые исследовались при этих измерениях, показаны в Таблице 3.

Результаты

На Рисунке 11 показана кривая напряжения принятого сигнала, соответствующая реальному файлу данных. По оси X представлены различные точки, расположенные вдоль трассы с общей длиной 100 м, а ось Y показывает измеренное напряжение в дБмкВ.
Для этой кривой можно вычислить среднюю величину (V50%) и дополнительно уровни сигнала (V70% и V95%), где Vx% определяется из следующего выражения:

где f (v) является функцией плотности вероятности.

Поправочные коэффициенты (Cx%) определены как различие между уровнем сигнала в V50% и уровнем сигнала в Vx%.
Стандартное отклонение вычислено для каждого набора измерений (~1000 образцов).

В MFN оценка производилась с использованием теоретических величин, то есть в предположении логарифмически-нормального распределения напряженности поля для мобильного устройства в условиях пригорода за вычетом средних значений, соответствующих каждой трассе, как это было предопределено дисперсией напряженности поля.
На Рисунке 12 показано распределение значений напряженности поля, измеренных для мобильного устройства в пригородной области, за вычетом среднего значения, соответствующего каждой трассе с тем, чтобы подчеркнуть дисперсию напряженности поля.

Однако в SFN напряженность поля, как это и можно было предположить, не следует за нормально-логарифмическим распределением. Для ячейки с малым покрытием эта оценка достаточно хороша, но по мере увеличения размеров зоны покрытия увеличивается разница между измереными и вычисленными значениями. В принципе, это в большой степени зависит от структуры сети и продуманного местоположения приемника.
На Рисунке 12 показано распределение измеренных и вычисленных значений для
пригородной зоны в SFN. Нужно отметить, что нанесенные на график значения были получены за счет вычитания среднего значения напряженности поля, соответствующего отдельной трассе.

7.4 Аналоговые спутниковые каналы передачи.

Этот анализ был выполнен для того, чтобы проверить реализуемость использования аналоговой линии спутниковой связи в качестве основной распределительной сети для сигналов DVB-T.
Централизованная генерация DVB-T сигналов и их аналоговое распределение через спутник предполагает определенные преимущества для SFN, главные из них таковы:

• Возможность использования единственного модулятора DVB-T для всей сети.
• Минимизация требований, связанных с синхронизацией в процессе модуляции.
• Более быстрое развертывание вещательной сети. Все места установки передатчиков сразу доступны.

Но имеются и некоторые существенные недостатки, среди них такие:

• Местное ремультиплексирование невозможно. Хотя это и не требуется для SFN.
• Уменьшение отношения C/N, которое приводит к некоторому уменьшению размеров зоны покрытия относительно ее размеров, характерных для цифрового распределения.

Процедура испытаний.

Передача сигнала DVB-T была выполнена посредством использования системы аналогового телевидения с модуляцией FM для передачи через Систему Фиксированной Спутниковой связи (FSS) Hispasat.
Промежуточная частота 70 МГц модулировалась по частоте сигналом DVB-T и пропускалась через полоснопропускающий фильтр с полосой пропускания 36 МГц, для того чтобы согласовать полосу частот сигнала с шириной полосы транспондера.
Затем этот сигнал был преобразован в частоту передачи в повышающем преобразователе так, чтобы обеспечить входной уровень для усилителя на лампе бегущей волны (TWT).
Сигнал, полученный от спутника, усиливался малошумящим усилителем (LNA). Впоследствии он преобразовывался понижающим преобразователем в промежуточную частоту (ПЧ = 70 МГц), и к его мощности добавлялась мощность генератора шума для того, чтобы получить возможность изменения отношения C/N в демодуляторе FM. Таким образом, стало возможным установить допустимые пределы увеличения шума, вносимого линией.
Для того чтобы оценить действие спутникового канала, были произведены два различных анализа; первый, названный шлейфом через спутник, был реализован по схеме, о которой речь шла выше, а второй, называемый шлейфом по FM, состоял в формировании и демодуляции FM DVB-T сигнала без его передачи через спутник.
Режимы DVB-T были следующими: 8 k, 64 QAM, 1/4 GI и FEC 2/3 и 5/6.

Результаты

На Рисунке 13 показаны характеристики линии связи (BER в зависимости от отношения C/N) в случаях шлейфа по FM и шлейфа через спутник.
Нужно отметить, что шлейф через спутник подразумевает не только деградацию отношения C/N, но также и изменение крутизны характеристики по сравнению со шлейфом по FM.
Другими предварительно установленными параметрами были:

• Девиация частоты 25 МГц была принята как оптимальная величина для достижения наилучшего отношения C/N независимо от рабочего режима.
• Снижение величины граничного шума из-за линии связи составляло приблизительно 3 дБ для режима R=2/3 и 8 дБ для режима R=5/6.

7.5 Минимальное отношение несущая/шум для нормального приема.

Во время полевых испытаний было также измерено минимальное отношение C/N на приеме. Для этого более 300 измерений были выполнены для портативного и фиксированного приема с помощью мобильного
устройства, описанного ранее и использующего усовершенствованное программное обеспечение.
В результате были представлены результаты, полученные в пригородной среде для сигнала DVB-T с использованием рабочего режима 8 k, 64 QAM,
1/4 GI, 2/3 FEС DVB-T.
Все числа представляют отношение
C/Nmin, измеренное в различных контрольных точках, и сравниваются с теоретическими величинами (для каналов Ricean и Rayleigh). Должны быть приняты в расчет два соображения:

• Параметрические потери для приемника величиной 3 дБ включены.
• Теоретические значения относительно SFN находятся в процессе исследований. Поэтому и для MFN, и для SFN используется та же самая примерная величина.

На Рисунках 14 и 15 представлены результаты, соответствующие случаю MFN и SFN.
В общем, принятое минимальное отношение несущая/шум было близким к ожидаемому, а среднее значение – позиционировалось между теоретическими для Ricean и Rayleigh. Стандартное отклонение одинаково для MFN и SFN.

Заключение

Приведенные здесь результаты исследований относятся к оценке соответствия параметров оборудования спецификации DVB-T, в особенности те из них, которые имели первоочередное значение для планирования сети Цифрового Наземного Телевидения. Методы решения некоторых возникающих при этом проблем продемонстрированы на практике.
Проведенные фирмой Retevision исследования экспериментальной сети были очень важны для того, чтобы оценить различные аспекты реализации сетей, такие как изучение начального покрытия, многолучевых искажений в канале, надежности противодействия интермодуляции (как с цифровыми, так и с аналоговыми сигналами), эффекта нелинейных искажений в передатчике, действия фазовых шумов генераторов и т.д.
Кроме того, важнейшие для создания сетей параметры DVB-T (и, более конкретно, в конфигурации SFN) были проверены в реальных условиях, что обеспечило обнадеживающие результаты для последующего более уверенного внедрения сети регулярного Цифрового Наземного Телевидения, строительство которой в Испании началось еще летом 1999 г.
Поскольку на данный момент построение сети цифрового эфирного ТВ вещания в Украине находится примерно на той же стадии, мы убеждены, что приведенные в статье сведения будут полезны инженерам, которые будут непосредственно заниматься ее реализацией, с той лишь разницей, что проверку необходимо будет производить на соответствие стандарту DVB-T2.

Автор:
Петр Ксензенко, председатель правления ЗАО «РОКС»;
Валерий Варданян, представитель корпорации TELCOR в странах Восточной Европы;
Петр Химич, гл. специалист ЗАО «РОКС».