: архив : архив журнала "625" : 2003 : #9

• Оглавление обзора • Цифра на горизонте • Вопросы нормирования   параметров передатчиков   для цифрового ТВ-вещания • Цифровые и цифро-   аналоговые (гибридные)   ТВ-передатчики • Передатчики   для цифрового наземного   телевизионного вещания • Маломощные   DVB-ретрансляторы ELTI • Spot – обеспечение   непрерывности вещания   в сетях DVB-T при помощи   цифровых ретрансляторов • Передатчики для   цифрового ТВ фирмы NEC • Передатчики для ретранс-   ляции Rohde & Schwarz • Радиовещательные   передатчики Technosystem   и Screen Service Italia • Передатчики   для цифрового теле-   визионного вещания Thales   Broadcast & Multimedia • Измерение трактовых   параметров цифровых   телевизионных   радиопередатчиков

Цифра на горизонте
Сергей Петров

Пожалуй, ни один вопрос не вызывает столько споров среди профессионалов вещательного рынка, как перспектива перехода к цифровому телевидению. Спектр суждений и оценок, которые при этом высказываются, лежит в диапазоне от возможности ускоренного перехода к цифровому ТВ-вещанию в ближайшие три-пять лет до отказа в обозримом будущем от "цифровизации" эфира вообще и локализации технологических новшеств только в кабельных и спутниковых сетях. Что до последних, то процесс там, как говорится, уже пошел, однако это вряд ли особенно волнует подавляющее большинство россиян, чьи телевизоры подключены к единому информационному прост-ранству исключительно посредством эфирных антенн диапазонов МВ и ДМВ. А ТВ-передатчики являются тем самым оборудованием "последней мили", которое позволяет счастливым обладателям почти 90 миллионов телевизоров не чувствовать себя одинокими на необъятных просторах нашей страны. Сегодня эти передатчики - сплошь аналоговые (исключения не в счет), но не позже 2015 года все они поголовно должны стать цифровыми, во всяком случае, этот срок указан как dead line в "Концепции развития услуг связи в области телерадиовещания в Российской Федерации на период до 2010 года и в перспективе до 2015 года", разработанной по заданию Министерства связи России. Итак, мы уже знаем - когда, осталось понять - как.

К сожалению, Россия не числится среди пионеров в сфере производства оборудования для телерадиовещания. Однако нет худа без добра - есть возможность спокойно изучить опыт более расторопных соседей. На сегодняшний день в мире существует три стандарта цифрового наземного телевидения: американский ATSC, европейский DVB-T и, наконец, японский ISDB-T. Если японский стандарт является лишь определенной модификацией DVB-T, то американский отличается от последнего весьма значительно. Поскольку основным преимуществом цифрового ТВ-вещания является возможность передать в полосе аналогового канала шириной 6, 7 или 8 МГц не одну, а сразу несколько программ одновременно, то и задачей, стоявшей перед разработчиками нового стандарта, была техническая реализация этого замечательного принципа. Из теории информации известно, что пропускная способность канала (скорость передачи цифровых данных) определяется произведением ширины полосы в частотной области на динамический диапазон. Очевидно, что простейшим способом передачи цифровых двоичных сигналов является двухуровневая амплитудная модуляция, однако максимальная скорость передачи данных в этом случае составляет 2F бит/с, чего, конечно же, совершенно недостаточно. Переход к многоуровневой модуляции позволяет пропорционально повысить пропускную способность канала (так как максимальная скорость равна nF бит/с, где n - число уровней амплитуды сигнала, а F - ширина полосы). Эти несложные соображения легли в основу стандарта ATSC с системой модуляции 8-VSB (8-уровневая система с частично подавленной боковой полосой - vestigial side band). Система, принятая в США, использует одну несущую и обеспечивает доставку цифрового потока 19,29 Мбит/с по каналу наземного ТВ-вещания с полосой 6 МГц. В отличие от бесхитростного основного посыла американского стандарта, европейский DVB-T отличается элегантностью и теоретической утонченностью. Он базируется на методе ортогонального частотного разделения каналов с кодированием (coded orthogonal frequency division multiplexing - COFDM). COFDM - это многочастотная система вещания, в которой частотный спектр разделяется между большим количеством несущих, причем каждая из них модулируется цифровым потоком с очень низкой скоростью передачи. Стандарт DVB-T предусматривает два режима работы: 2k и 8k. Основные параметры, характеризующие передачу данных в системе DVB-T, приведены в таблице.

Первый взгляд на параметры, приведенные в таблице, может привести в уныние даже искушенного инженера - цифровой модулятор, формирующий несколько тысяч несущих колебаний, представляется слишком сложным и дорогостоящим устройством. Это обстоятельство, однако, не смутило российских специалистов: после нескольких лет дискуссий, которые, к слову, не затихли до сих пор, уже почти никто не сомневается, что стандартом цифрового наземного ТВ-вещания в России станет именно DVB-T.

На практике для реализации методов COFDM вовсе не требуется использование тысяч генераторов и модуляторов. В действительности, формула, описывающая сигнал COFDM, представляет собой вещественную часть обратного преобразования Фурье (ОПФ) и, кстати, является важной частью стандарта DVB-T, поскольку именно она определяет алгоритм практической реализации предлагаемого способа модуляции. Современные цифровые процессоры, осуществляющие быстрое ОПФ, обеспечивают вполне приемлемое аппаратурное воплощение методов COFDM. И хотя стоимость модулятора DVB-T в настоящее время еще достаточно высока (не менее 6…8 тысяч долларов США), год от года она неуклонно снижается, вселяя оптимизм в сторонников скорейшего перехода к цифровому телевидению. Возможностями микросхемотехники в значительной степени объясняется и наличие двух режимов COFDM - 2k и 8k. Очевидно, что преимущества стандарта DVB-T тем весомее, чем большее число несущих используется для формирования сигнала на выходе цифрового передатчика. В частности, максимальный разнос между передатчиками в одночастотной сети, равный 67,2 км, можно обеспечить лишь при числе несущих 6817 (режим 8k), как это видно из таблицы. Однако достигнутый к 1995 г. (когда принимался стандарт DVB) уровень электронной техники не позволял оперировать таким числом несущих. Многие специалисты тогда считали, что ради ускорения принятия стандарта можно снизить требования к одночастотной сети и ограничить количество несущих диапазоном 1500…2000, что и послужило основанием для появления режима 2k. Правда, сегодня это хоть и недавняя, но уже история, и современные цифровые ТВ-передатчики позволяют работать в любом из названных режимов.

Структурная схема модулятора DVB-T

Структурная схема модулятора DVB-T показана на рисунке. Модуляторы, поставляемые на рынок, как правило, имеют в стандартной конфигурации два входных интерфейса - последовательный ASI и параллельный SPI. Формирование сигнала COFDM происходит следующим образом. Для каждой несущей определяется, какие данные она должна передавать. В соответствии с этим на основе принятой модуляционной схемы (обычно QPSK, 16-QAM или 64-QAM) вычисляются необходимые амплитуда и фаза каждой несущей, после чего с помощью операции быстрого ОПФ вычисляется форма сигнала во временной области. В выпускаемых серийно модуляторах DVB-T выходной сигнал COFDM формируется на промежуточной частоте (ПЧ), равной 36,15 МГц (реже 35,5 МГц). Именно такое значение ПЧ выбрано для того, чтобы обеспечить стыковку с существующими возбудителями аналоговых передатчиков - для превращения последних в цифровые достаточно просто подключить выход модулятора DVB-T к входу блока преобразователя ПЧ-ВЧ.

К сожалению, не всякий аналоговый возбудитель можно легко трансформировать в цифровой. Для этого он должен, как минимум, иметь вход ПЧ, а также блок управления и контроля, позволяющий работать не только с аналоговыми, но и с цифровыми сигналами. Еще одним отличием цифрового ТВ-передатчика от аналогового является метод построения усилительного тракта. Как известно, существуют два варианта реализации телевизионного аналогового передатчика: с раздельным и совместным трактом формирования и усиления каналов изображения и звука. В последнем случае требования к линейности усилителя мощности существенно выше, поскольку взаимодействие несущих колебаний сигналов изображения и звука на нелинейных усилительных элементах тракта приводит к образованию комбинационных частот, попадающих, в том числе, и в полосу ТВ-канала. Очевидно, что сложность построения усилительного тракта в системах с совместным усилением возрастает с ростом уровня выходной мощности. Как правило, современные аналоговые ТВ-передатчики с уровнем мощности в пике синхроимпульса до 5 кВт строятся только по схеме с совместным усилением. При уровнях, превышающих 5 кВт, производители передающего оборудования нередко, наряду с совместными, предлагают и раздельные схемы построения передатчиков. Однако последние мало пригодны для последующей трансформации в устройства, работающие в цифровом формате вещания, - ведь передатчики DVB-T уже по принципу формирования сигнала строятся исключительно по схеме с совместным усилением. Но если реализация трактов с совместным усилением встречает трудности уже при передаче аналогового сигнала с двумя несущими, то что говорить о необходимости передать без искажений цифровой поток, сформированный из нескольких тысяч колебаний со строго определенными амплитудно-фазовыми соотношениями! Тем не менее, едва ли не любой усилитель мощности аналогового ТВ-передатчика, построенного по схеме с совместным усилением, может обеспечить передачу цифрового сигнала с заданным уровнем искажений. Вопрос только в том, на каком уровне мощности это будет достигнуто.

В странах, приступивших к построению сетей цифрового ТВ-вещания еще в конце прошлого века, введен в оборот термин Digital ready передатчик, то есть буквально, "передатчик, готовый к цифре". Такое устройство, изначально предназначенное для передачи аналогового ТВ-сигнала, преобразуется в цифровой передатчик путем замены модулятора (или целиком возбудителя) и, при необходимости, выходного фильтра. Что касается усилителя мощ-ности, он имеет повышенные характеристики линейности, необходимые для передачи цифрового сигнала с максимально возможным уровнем мощности. Ведущие производители декларируют соотношение величин мощности в пике синхроимпульса к средней мощности цифрового сигнала Digital ready передатчика равным 3:1 или, в крайнем случае, 4:1. Такие соотношения практически недостижимы при использовании традиционных аналоговых передатчиков, в которых не приняты меры по повышению линейности усилительного тракта.

В отечественной литературе вместо digital ready используется термин "гибридный" или "аналого-цифровой" передатчик, что представляется не вполне точной характеристикой устройства, поскольку смысловой акцент здесь переносится с готовности к трансформации (в будущем) на уже существующую возможность, объективно отсутствующую. Как уже отмечалось выше, аналоговый передатчик, подготовленный к последующему переводу в цифровой формат вещания, должен обладать следующими особенностями:

• возбудитель должен иметь вход для подключения внешнего модулятора DVB-T со стандартным значением ПЧ;
• система контроля и управления должна обеспечивать работу как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами;
• усилитель мощности совместно с выходным фильтром должен обеспечивать передачу сигналов COFDM с заданными параметрами качества, включая уровень побочных составляющих в спектре выходного колебания.

Использование таких передатчиков в сети вещания позволит операторам и/или вещателям оптимизировать затраты на закупку оборудования с учетом перспективы перехода на цифровой формат. А поскольку подобная перспектива, как за рубежом, так и в России, лежит в пределах планируемого срока службы вновь приобретаемых передатчиков, таковые в обязательном порядке должны быть гибридными (или digital ready - как кому больше нравится). Однако простого наличия у устройства набора упомянутых особенностей совершенно недостаточно! Необходимо, чтобы передатчик гарантированно обеспечивал заранее заданное соотношение величин мощности в пике синхроимпульса к средней мощности цифрового сигнала. В противном случае невозможно определить зону обслуживания при последующем переходе на "цифру". Следует помнить, что цифровой сигнал применительно к картинке на экране телевизора, в отличие от аналогового сигнала, относится к категории пороговых - либо он есть, либо его нет.

Структурная схема передающей системы цифрового телевидения

Структурная схема передающей системы цифрового телевидения показана на рисунке. Так (или примерно так) будет выглядеть комплект оборудования у заказчика, успешно преодолевшего все трудности переходного периода и вышедшего в эфир в полноценном цифровом формате. Отличия от приведенной схемы могут заключаться, в частности, как в числе программ, одновременно передаваемых в стандартной полосе ТВ-канала 8 МГц (до 6 при хорошем качестве принимаемого сигнала), так и в наличии канала передачи данных (например, интернет-трафика с асимметричным доступом). Если при этом будет использоваться стандарт DVB-T, то, в отличие от американской системы ATSC, оператор получит дополнительные преимущества:

• устойчивый прием на обычную комнатную антенну;
• устойчивый прием на антенну, находящуюся в движении, например, установленную на автомобиле;
• возможность построения одночастотных сетей вещания, то есть сетей, в которых передатчики работают на одной и той же рабочей частоте;
• возможность иерархической передачи и приема.

Рассмотрим последний пункт подробнее. Способность к иерархической модуляции - важная особенность систем вещания с COFDM. Данные на выходе мультиплексора транспортного потока расщепляются на два независимых транспортных потока MPEG-2, которым присваиваются разные степени приоритета. Поток с высшим приоритетом кодируется с целью обеспечения высокой помехозащищенности, поток с низшим приоритетом - с целью обеспечения высокой скорости передаваемых данных. Затем оба кодированных потока объединяются и передаются вместе. Таким образом, появляется возможность передачи по одному каналу двух различных программ или одной ТВ-программы в двух версиях. Первая версия характеризуется высокой помехозащищенностью, но ограниченной четкостью, вторая - высокой четкостью, но ограниченной помехозащищенностью. Это открывает новые возможности. Так на стационарную антенну с помощью высококлассного приемника может быть принята версия с высокой четкостью, но эта же программа будет принята простым и дешевым приемником в варианте с ограниченной четкостью. Помехозащищенная версия будет также приниматься в тяжелых условиях приема, например, в движении или на комнатную антенну. При меняющихся условиях приема возможно переключение приемника с одной версии на другую.

Ведущие производители вещательного оборудования предлагают широкий спектр цифровых ТВ-передатчиков для работы со всеми известными стандартами. В настоящее время уже доступны серийно выпускаемые устройства с выходной мощностью цифрового сигнала до 20 кВт, что эквивалентно мощности аналогового сигнала, равной 60 кВт. Практически все предлагаемые на рынке передатчики DVB-T поддерживают режимы 2k и 8k, а также типы модуляции QPSK, 16-QAM и 64-QAM. Возможность работы в составе одночастотных сетей с синхронизацией при помощи GPS-приемника и обеспечение иерархической модуляции чаще всего предлагаются опционально. Таким образом, индустрия вещательного оборудования уже подготовила все виды устройств, необходимых для перехода на "цифру". Осталось лишь ответить на сакраментальный вопрос: где взять деньги на этот переход?

[дальше]