Проект системы цифрового телевещания для микрорайона

Концепция внедрения наземного цифрового телевизионного вещания (НЦТВ) в части определения концептуальных положений использования радиочастотного спектра охватывает основополагающие вопросы создания цифровых сетей в России, которые в перспективе должны заменить существующие аналоговые сети.

Настоятельная необходимость такой замены диктуется как прогрессом в области цифровых технологий, обеспечивающим слияние средств вещания, связи, информационных служб и компьютерных систем, так и потребностью в более эффективном использовании радиочастотного спектра.

Необходимость внедрения НЦТВ в России обуславливается не только возрастающей перегруженностью радиочастотного спектра, вызывающей острейший дефицит частотных каналов в ТВ вещании, и социальными запросами общества, нуждающегося в качественно новой инфраструктуре вещания и телекоммуникаций, но и сложившейся в развитых странах мира ситуацией в области радиовещания, которая характеризуется, во-первых, началом этапа замены аналоговых методов передачи на цифровые, и, во-вторых, тенденцией к внедрению единых общеевропейских и даже мировых стандартов и систем, причем этап перехода на цифровые системы предусматривается очень коротким. Прогнозируется, что в Росси переход от аналоговых методов передачи к цифровым завершится в ближайшие 5 лет.

Таким образом, для России крайне важна скорейшая разработка и начало осуществления программы внедрения сетей цифрового ТВ вещания, иначе ей грозят как отставание в удовлетворении социальных потребностей общества, так и неконкурентоспособность отечественного оборудования на мировом и внутреннем рынках. Кроме того, возрастут трудности в координации ТВ станций, расположенных в координационной зоне с зарубежными странами.

Внедрение НЦТВ позволяет более эффективно использовать частотный ресурс и получить значительный экономический эффект от реализации возможности использования существующих передающих телевизионных средств для трансляции значительно большего количества телепрограмм и передачи больших потоков данных.

Разработка и организация массового производства новых видов приемной и передающей аппаратуры позволит загрузить предприятия радиопромышленности и организовать новые рабочие места.

Основной задачей данной курсовой работы является выбор оптимального способа доставки телевизионных программ к абонентам микрорайона и подбор оборудования.

От правильного выбора технологии доставки телевизионного контента в район в конечном итоге зависят затраты на строительство и качество каналов передачи, функционирование линии в целом. Такая задача имеет многовариантный характер, так как при одних и тех же затратах на построение и сооружение коаксиальных, гибридных оптико-коаксиальных систем, сотовых, спутниковых и других систем телевизионного вещания, требуемые показатели качества могут быть обеспечены при различных экономических затратах. Соответственно возникает задача выбора оптимальной технологии или совокупности технологий, которые обеспечивали бы устойчивый прием программ цифрового телевидения на всей территории района при минимальных затратах на построение линии.

Целью данной курсовой работы является разработка проекта системы наземного телевизионного вещания, которая обеспечивала бы устойчивый прием программ цифрового телевидения на всей территории микрорайона поселка Северный г. Белгорода.

1. Анализ местности и существующие условия приема телевизионного сигнала для поселка северный г. Белгорода

Северный — посёлок городского типа в Белгородском районе Белгородской области России. Население 9566 человек (2009 год). Площадь поселка 890,62 га.

Расположен в 2 км к северу от Белгорода по обеим сторонам автомагистрали М2 Москва-Симферополь. Расстояние до ближайшей железнодорожной станции (Беломестное на линии Москва-Белгород) 5 км к востоку.

Климат исследуемой территории умеренно-континентальный с довольно мягкой зимой со снегопадами и оттепелями и продолжительным летом. Средняя годовая температура воздуха изменяется от +5,4 градуса на севере до +6,8 градуса на юго-востоке. Самый холодный месяц — январь. Безморозный период составляет 155−160 дней, продолжительность солнечного времени — 1800 часов. Почва промерзает и нагревается до глубины 0,5−1 метр. Осадки неравномерны. Наибольшее их количество выпадает в западных и северных районах области и составляет в среднем 540−550 мм. В восточных и юго-восточных в отдельные годы уменьшается до 400 мм.

Рисунок 1.1 — Климат исследуемого района

Северная граница городского поселения «Поселок Северный» проходит по руслу реки Ерик, идет в восточном направлении до автодороги «Крым», поворачивает на юг и идет по ее правой стороне. Далее не доходя 100 метров до автобусной остановки, поворачивает на восток, пересекает автодорогу «Крым» и в восточном направлении идет по границе муниципального образования «Белгородский район» и муниципального образования «Яковлевский район» до западной границы приусадебных земель села Беломестное, затем в западном направлении вдоль водозаборных скважин, доходит до тальвега балки Кондров Яр и по его тальвегу в разных направлениях доходит до объездной автодороги «Белгород-Павловск», пересекает ее и идет в западном направлении включая территорию «Ротонды» до автодороги «Крым», затем поворачивает на север и в районе птицефабрики «Северная» пересекает автодорогу «Крым», идет в западном направлении по южной обочине автодороги «Крым — улица Чичерина», доходит до границы муниципального образования «город Белгород» и в разных направлениях идет до границы Стрелецкого сельского поселения, проходит с западной стороны бывшей территории химсклада (территория садоводческое товарищество «Защитник») до урочища Соболево, затем, поворачивая на восток огибает опушку урочища в разных направлениях до западной границы (садоводческое товарищество «Юбилейное») и затем в северном направлении по землям общего пользования садоводческих товариществ выходит на дамбу. От дамбы (конечная остановка маршрутных такси) по дороге с твердым покрытием и далее по тальвегу балки до русла реки «Ерик» автодороги «Крым» (начальная точка).

Поселок Северный расположен в северной части города. Средняя высота над уровнем моря составляет около 200 м. Микрорайон площадью 1,5 км² на 60% застроен многоэтажными зданиями и на 40% 2-х, 3-х этажными коттеджами.

На сегодняшний день в микрорайонах с многоэтажной застройкой развита система предоставления услуг кабельного телевидения и сети Интернет. Основной проблемой в кабельных сетях является отсутствие интерактивности в системах и сложность и дороговизна модернизации существующих систем кабельного телевидения в городе при внедрении обратного канала.

Жители частных секторов пользуются услугами аналогового эфирного телевидения с ОРТПЦ Белгород. При этом частные секторы, находящиеся на севере, северо-востоке обслуживаются некачественно и испытывают большие неудобства при приеме основного пакета телепрограмм с телевышки в Белгороде. Это обусловлено тем, что уровень сигнала, поступающего с ОРТПЦ, заметно ослабляется, натыкаясь на препятствия в виде лесополосы в северо-восточной части поселка и масштабной застройкой высотными зданиями на юге.

Рисунок 1.2 — поселок Северный г. Белгорода В соответствии с анализом местности поселка Северный г. Белгорода, целесообразно применение системы сотового телевидения, так называемой point-to multy points, которая занимает одно из первых мест среди развивающихся в настоящее время новых систем связи и вещания.

2. Выбор и обоснование способа доставки транслируемого контента

Эксперты констатируют высокую динамику развития альтернативных эфирному способов доставки контента и прогнозируют перспективный рост платных форм телевидения в России. Сегодня рынок платного ТВ складывается из числа тех, кто является абонентом той или иной формы платного телевидения — кабельного, эфирно-кабельного, спутникового, мобильного или IPTV. По оценкам экспертов, это 7−10 миллионов домохозяйств.

Для подавляющего большинства населения нашей страны основной формой телевидения по-прежнему остаются бесплатные эфирные каналы. Дальнейший рост рынка платного телевидения может происходить именно за счет последних.

Вообще проблема доставки телевизионного сигнала и обеспечения технического проникновения телеканалов является одной из важнейших проблем и особенностей российского телевизионного рынка. Согласно исследованию, на сегодняшний день в России существует пять способов приема телевизионного сигнала в домохозяйствах. Чаще всего используются эфирные антенны — индивидуальные (на крыше в случае частного дома или комнатные «усы») или коллективные (общая антенна на подъезд или на дом), набравшие 45% и 43% соответственно. Всего эфирными антеннами так или иначе пользуется 82% горожан. Местные кабельные сети доставляют телесигнал 17% городского населения, а спутниковыми антеннами для приема телеканалов пользуется 4% горожан.

Уверенное «лидерство» эфирных антенн связано с преобладанием в нашей стране эфирного способа транспортировки телевизионного сигнала. Телевидение долгое время существовало и развивалось именно как эфирное, а альтернативные способы — кабель и спутник — получили распространение сравнительно недавно, в отличие от Европы и Америки, где кабель и спутник часто являются доминирующими способами распространения телевидения.

При этом каждый из российских городов представляет собой уникальную среду с точки зрения приема телесигнала в домохозяйствах. В одних городах может преобладать какой-либо единственный способ, в других — в той или иной пропорции сочетаться все возможные варианты и т. п.

Иными словами, возможности выбора телеканалов для городского населения увеличились в среднем в два раза. Это удвоение произошло как за счет развития коммерческих телесетей, которые активно наращивали техническое проникновение, так и за счет появления новых эфирных каналов. За последние 10 лет появилось 13 новых эфирных телеканалов общенационального масштаба — как правило, нишевой (аудиторной и тематической) направленности. Расширение числа доступных населению телеканалов происходило также за счет развития альтернативных технологических платформ доставки телевизионного контента (кабельное, спутниковое, IPTV и пр.).

Но, каким бы способом ни осуществлялась доставка телеканалов в дом телезрителя, сегодня ему в среднем доступно 14,5 каналов. Эта средняя цифра складывается из двух неравных составляющих: 60% городского населения принимают дома меньше, чем 15 телеканалов, а 26% - более 16 каналов. При этом картина по городам России очень разная, даже по городам-миллионникам. Так, например, в Санкт-Петербурге, Владивостоке, Екатеринбурге, Нижнем Новгороде почти 60% жителей проживают в мультиканальных домохозяйствах (более 15 каналов), а в Москве самый низкий процент домохозяйств, где принимают от 21 канала и больше. Это объясняется прежде всего особенностями доставки сигнала, сложившимися в разных городах.

При такой разнообразной динамике доставки транслируемого контента в городах, предлагается несколько оптимальных способов доставки ТВ контента для поселка Северный, это:

· использование существующей системы аналогового вещания из Белгорода или близ лежащей телевизионной станции;

· использование каналов спутниковой системы телевещания Кроме этого в районах с интенсивной многоэтажной застройкой рекомендуется использовать сети кабельного телевидения и системы коллективного приема.

В соответствии с федеральной целевой программой по развитию телерадиовещания в России на 2009;2015 гг. существует пакет обязательных общедоступных телеи радиоканалов по всей территории страны.

Общероссийские обязательные общедоступные телеканалы:

1. Общероссийский государственный телевизионный канал «Культура» (федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийская государственная телевизионная и радиовещательная компания»).

2. Детско-юношеский телевизионный канал.

3. Общероссийский телевизионный канал «Спорт» (федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийская государственная телевизионная и радиовещательная компания»).

4. Первый канал (открытое акционерное общество «Первый канал»).

5. Петербург — 5 канал (открытое акционерное общество «Телерадиокомпания «Петербург»).

6. Российский информационный канал (РИК) (федеральное и государственное унитарное предприятие «Всероссийская государственная телевизионная и радиовещательная компания»).

7. Российское телевидение (федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийская государственная телевизионная и радиовещательная компания»).

8. Телекомпания НТВ (открытое акционерное общество «Телекомпания НТВ»).

Общероссийские обязательные общедоступные радиоканалы

1. Вести ФМ (федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийская государственная телевизионная и радиовещательная компания»).

2. Маяк (федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийская государственная телевизионная и радиовещательная компания»).

3. Радио России (федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийская государственная телевизионная и радиовещательная компания»).

Этот обязательны й пакет телепрограмм, должен транслироваться с телевышки ОРТПЦ г. Белгорода.

В соответствии с рассмотренными особенностями доставки пакета основных программ на станции в поселке Северный будет осуществляться с помощью существующей системы аналогового вещания из Белгорода.

Чтобы улучшить качество предоставляемых услуг, объем информации и увеличить окупаемость проекта, каждому телезрителю помимо бесплатного пакета будет предоставляться дополнительный пакет с каналами, принимаемыми головной станцией со спутника.

3. Сотовые системы наземного телевизионного вещания

3.1 Система MMDS

Появление новых технологий доставки телевизионных (ТВ) программ населению обогащает нашу лексику новыми понятиями. Так, например, все большее распространение получают системы беспроводной передачи, работающие на более высоких частотах, чем обычные сети вещательного телевидения с эфирным распределением сигнала.

Сравнительно недавно в США и Канаде, а затем и в других странах появились так называемые системы MMDS (Microwave Multipoint Distribution Systems), или микроволновые многолучевые системы распределения ТВ программ. Появление таких систем было обусловлено быстрым ростом количества ТВ программ, которые уже не могли «уместиться» в частотных диапазонах эфирного вещания, а также тем обстоятельством, что привычный для вещательного телевидения централизованный принцип распределения ТВ программ для новых форм ТВ вещания уже не является оптимальным. Например, при развитии интерактивного телевидения в эфирном вещании, на передающей стороне оказывается значительно проще собрать информацию, поступившую по «обратному каналу» от телезрителей, если данное передающее устройство обслуживает ограниченную область территории — район города, микрорайон и т. д.

Развиваясь в основном как альтернатива системам кабельного телевидения, системы MMDS удачно решали задачу распределения относительно большого количества ТВ программ на определенной ограниченной территории.

Изначально такие системы работали в частотном диапазоне 2.5−2.7 ГГц, затем для них был выделен диапазон свыше 25−32 ГГц, при этом из-за особенностей распространения радиоволн этого диапазона зона обслуживания носила более «локальный» характер, что и определило название таких систем — LMDS (Local Multipoint Distribution Systems). Наконец, дальнейшие попытки увеличить «гибкость» системы распределения ТВ программ, расширить количество программ, снизить мощность передатчика привели к созданию в странах Европы аналогичных систем распределения, работающих в диапазоне 40.5−42.5 ГГц. Этот диапазон первоначально был выделен в Европе для ТВ вещания, поэтому системы эти стали называться MVDS (Multipoint Video Distribution Systems). Такие системы довольно быстро получили широкое распространение, так как показали высокую эффективность при работе в самой разнообразной местности. В густонаселенных кварталах крупных городов они оказывались часто незаменимыми, тем более, в условиях перегруженности частотных диапазонов эфирного вещания. Особенности распространения радиоволн высокочастотного диапазона требовали располагать антенны приемных устройств на расстоянии прямой видимости от передающей антенны. Передающие антенны устанавливались на возвышении и обслуживали ограниченную территорию. Благодаря этим особенностям, такой способ распределения ТВ программ стали называть «сотовым» телевидением, подразумевая локальный характер распределения сигнала внутри каждой обслуживаемой зоны.

С помощью передающей антенны с круговой диаграммой и небольшой излучаемой мощностью обслуживается зона радиусом до 50 км. Уверенный прием достигается с помощью относительно маленькой приемной антенны, расположенной в прямой видимости от антенны передатчика.

Такой приемной антенной может служить либо индивидуальная, либо коллективная антенна спутникового телевидения, обслуживающая жилой дом. Поскольку зона обслуживания ограничена, такая система является существенным конкурентом для кабельных систем телевидения и часто обозначается термином (Wireless Cable — беспроводная кабельная сеть).

В сравнении с телевизионными передатчиками эфирного вещания, передатчики таких систем обходятся значительно меньшей мощностью излучения — в диапазоне 2,5 ГГц, например, эта мощность составляет менее 100 Вт. В диапазоне 40 ГГц — около 1 Вт. Однако при этом и радиус действия оказывается значительно меньше. В рассмотренных диапазонах частот прием осуществляется в точках прямой видимости от передающей антенны. Это условие ведет к снижению процента охвата возможных точек приема в обслуживаемой области. Преимущество, однако, состоит в том, что приемные антенны оказываются маленькими и незаметными. Диаметр зеркала такой антенны лежит в пределах от 15 до 45 см.

Существующие в настоящее время аналоговые системы MMDS работают в различных частотных диапазонах, при этом многие из них — в диапазоне от 2 до 3 ГГц. Этот диапазон используется в США, странах Ближнего Востока и Австралии. Существенным недостатком работы в этом диапазоне частот является относительно узкий используемый частотный интервал, около 200 МГц, что сильно ограничивает максимально возможное количество передаваемых ТВ программ. В сравнении с кабельными системами ТВ вещания, при использовании аналогового способа передачи, это обстоятельство в настоящее время является недостатком систем MMDS. В диапазоне частот свыше 40 ГГц предусмотрен более широкий частотный интервал, 2 ГГц.

С применением цифрового кодирования сигнала значительно возрастает возможное число передаваемых программ, что повышает рентабельность таких систем ТВ вещания. Если рассматривать применение систем сотового телевидения с точки зрения передачи цифрового сигнала, то оказывается, что на частотах работы MMDS, до 10 ГГц, может применяться та же технология передачи сигнала, что и в системах кабельного телевидения (способ модуляции, например, 64-QAM). В рамках европейского проекта по цифровой передаче ТВ сигнала (проект DVB) проводилось исследование с целью выяснить, насколько при таком способе передачи сигнала необходима внутренняя защита от ошибок путем применения сверточного кодирования. Результаты исследований были направлены в ETSI (European Telecommunications Standards Institute) в качестве вклада в разработку стандарта. В частотном диапазоне свыше 10 ГГц аналогично может быть использован стандарт DVB-S, регламентирующий передачу сигнала по спутниковым каналам с модуляцией типа QPSK. Соответствующий стандарт применительно к системам MVDS был также разработан в рамках проекта DVB и утвержден ETSI.

Структурная схема интерактивной MMDS должна в обязательном порядке включать в себя:

— передатчик;

— приемник;

— головную станцию;

— WMTS, в сочетании с необходимыми серверами (рисунок 4).

Рисунок 3.1 — Структурная схема MMDS

Под головной станцией подразумевается комплект (набор) головного оборудования (ГО), необходимого для формирования группового сигнала (т.е. набора каналов, различающихся по частоте, контентному содержанию, целевому назначению, формату модуляции и т. п.), пригодного для трансляции в HFC сетях.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

· Системы MMDS по своему структурному построению очень близки к традиционным кабельным сетям (СКТ). Принципиальное отличие заключается в замене кабельных участков на эфир.

· В MMDS могут транслироваться все виды сигналов, используемые и при построении СКТ: AM TV, DVB-C, DVB-T, DVB-H и другие.

· MMDS обладает более низкой стоимостью и значительно меньшими временными затратами в сравнении с СКТ. Однако MMDS предусматривает использование индивидуальных (или коллективных на небольшое число абонентов) антенн. А это влечет за собой неизбежное снижение числа подключаемых абонентов (включая и возможное наличие теневых зон).

· Значительно большими коммерческими возможностями обладают интерактивные MMDS, предусматривающие обязательное наличие реверсного канала (по проводной телефонной линии или по эфиру, например, GSM).

· Большей зоной охвата обладают канальные MMDS в сравнении с диапазонными. Однако последние обладают более низкой стоимостью.

· Для увеличения зоны охвата (а также увеличения возможностей и качества предоставления мультисервисных услуг) более экономичным является включение нескольких маломощных MMDS по схеме ячеистой структуры. При этом не только снижается стоимость системы в целом, но и облегчаются условия получения лицензии на вещание.

· Весьма значительными преимуществами обладают MMDS, у которых конечный усилитель мощности выполнен в пыле — влагозащищенном корпусе и устанавливается в специальном контейнере в непосредственной близости от передающей антенны.

3.2 Система MVDS

MVDS (Multipoint video distribution system) представляет собой широкополосную систему беспроводных телекоммуникаций типа «точка — многоточка», основным предназначением которой является передача видео (в т.ч. ТВ-программ). Сегодня в системе MVDS к видео сигналу с помощью IP — инкапсулятора можно добавить Internet, голос по IP и другие типы сервисов. Поэтому постепенно стираются различия между системами LMDS и MVDS, хотя первоначально первая из них предназначалась для широкополосной передачи в основном данных, а вторая (MVDS) — только видео.

MVDS можно перевести как «многоточечная распределительная система видео». По своей сути MVDS — это сотовая система передачи информации для фиксированных абонентов на основе радиоканала миллиметрового диапазона волн. По принципу своей организации MVDS копирует принцип организации сети в мобильной сотовой связи. Для покрытия определенной территории (обычно города) разворачивается сеть перекрывающихся сот, в центре каждой из которых устанавливается базовая станция (БС). Одна БС позволяет охватить район в виде окружности (в реальности — это многоугольник) с радиусом в несколько километров и подключить несколько тысяч абонентских станций (АС). Сами БС объединяются друг с другом высокоскоростными наземными каналами связи либо радиоканалами.

В последнее время все большее внимание уделяется системам беспроводной передачи на частотах выше 20 ГГц. В этой области стандартно используются диапазоны 25−32 ГГц и 40,5−42,5 ГГц.

Наиболее привлекательным качеством систем MVDS является ширина предоставляемого диапазона — 2 ГГц.

Однако распространение сигналов в области 40 ГГц имеет свои особенности, которые во многом определяют специфику построения систем MVDS. Затухание миллиметровых волн в атмосфере значительно выше, чем метровых и дециметровых, и сильно зависит от климатических воздействий.

Еще одной особенностью волн этого диапазона является прямолинейность их распространения. Они не способны огибать даже небольшие препятствия, а напротив — отражаются от них практически без искажений. Практика показала, что на частоте 40 ГГц удовлетворительно принимаются сигналы, прошедшие 4-кратное отражение. Это свойство может использоваться при проектировании высокочастотных систем раздачи сигнала.

Малый радиус распространения миллиметровых волн определил применение техники MVDS в сетях с маломощными передатчиками, построенных по сотовому принципу. Широкая полоса в сочетании с сотовой структурой делает эту технику очень подходящей для организации интерактивных мультимедийных сетей, включающих телевидение, телефонию, видеоконференции, высокоскоростной доступ к Интернет и передачу данных.

Аппаратура MVDS может использоваться как самостоятельно, так и в составе гибридных кабельных сетей, для организации последней мили.

В системах MVDS могут применяться как аналоговый, так и цифровой способы передачи информации, а также различные системы модуляции. Однако для целей построения мультимедийных сетей актуальна разработка чисто цифровых систем, совместимых со стандартами DVB-С или DVB-S.

Можно выделить 2 типа систем: кабельные и спутниковые.

В «кабельном» типе систем применяются QAM модуляция и ширина каналов 8 МГц, а в «спутниковом» — QPSK модуляция и ширина канала 36−40 МГц.

Спутниковый вариант MVDS позволял передавать до 30 ТВ каналов стандартного качества и обеспечивал прием сигнала на 25-сантиметровую рупорную антенну в радиусе 10 км, а кабельный — до 100 каналов, но на расстояние до 4.5 км при условии приема на 60-сантиметровую антенну.

Спутниковый вариант MVDS также имеет свои преимущества. Он больше подходит для раздачи спутникового сигнала. Кроме того, и это самое главное, он позволяет формировать ячейки большего радиуса, что приводит к экономии дорогостоящих передатчиков. Этот вариант больше подходит для сельской местности с малой плотностью застройки.

Мультимедийная сеть MVDS строится на базе головной станции. При формировании информационных потоков могут использоваться самые разнообразные источники — Интернет, эфирные, кабельные и спутниковые телевизионные каналы, различные местные источники информации. Аналоговые сигналы преобразуются в цифровой вид в MPEG-2 кодерах. Формирование сервисной информации, канальное кодирование и модуляция осуществляются в соответствии с одним из двух стандартов — DVB-С или DVB-S.

На рисунке 5 изображена типичная структурная схема передающей и приемной частей системы MVDS. После формирования цифровых пакетов, каналы модулируются и объединяются для подачи к широкополосным передатчикам. Возможно также использование индивидуальных передатчиков. В передатчике спектр сигнала переносится в область 40 ГГц (это происходит за один или два этапа), усиливается и передается к антенне. Базовые станции могут оборудоваться набором секторных антенн. Это позволяет усилить мощность передаваемого сигнала и обеспечить нужную зону покрытия.

Рисунок 3.2 — Структурная схема системы MVDS

Мощность твердотельных усилителей, применяемых в передатчиках MVDS, очень невелика. В канальных передатчиках она измеряется десятками мВт, а в групповых, предназначенных для передачи сотни каналов, — единицами Вт.

Раздача сигнала к сотовым передатчикам может производиться по оптоволокну, маломощным релейным линиям или с помощью самой MVDS.

У абонента устанавливается антенна, монтируемая на стене здания, малошумящий конвертер и стандартный ресивер. Для приема могут использоваться антенны различной конструкции — рупорные, микрополосковые или параболические.

3.3 Система LMDS

LMDS представляет собой широкополосную систему беспроводных телекоммуникаций типа «точка-многоточка», которая функционирует в диапазоне частот 25−27 Ггц. Система LMDS предназначена для одноили двусторонней передачи голоса, данных, Интернет-трафика и видео. На сегодня широко распространенного русского акронима для LMDS не существует.

По своей сути технология LMDS — это сотовая система передачи информации для фиксированных абонентов на основе радиоканала миллиметрового диапазона волн. По принципу своей организации система LMDS копирует принцип организации сети в мобильной сотовой связи. Для покрытия определенной территории (обычно города) разворачивается сеть перекрывающихся сот, в центре каждой из которых устанавливается базовая станция (БС). Одна БС системы LMDS позволяет охватить район в виде окружности (в реальности — это многоугольник) с радиусом в несколько километров и подключить несколько тысяч абонентских станций (АС). Сами БС в системе LMDS объединяются друг с другом высокоскоростными наземными каналами связи либо радиоканалами.

Размеры круглой ячейки (зоны покрытия) обычно зависят от системного усиления радиочастотного оборудования, коэффициентов усиления передающих и приемных антенн, потерь в гидрометеорах, которые свойственны региону, в котором располагается система LMDS, и отношения сигнал/шум, требующегося для нормальной работы системы. В отсутствие препятствий радиус ячейки может находиться между 2 км и 8 км. В практических системах препятствия, такие как здания, растительность и детали рельефа местности, могут заблокировать сигнал в каком-либо из направлений. В таком случае форма ячеек будет нерегулярной и даже иметь «прорези» на границе ячейки, где сигнал от концентратора не может быть принят. Для максимизации возможной площади покрытия необходимо хорошее планирование покрытия, для чего могут быть изготовлены пакеты программ, использующих цифровые карты. В отдельных случаях для реализации режима «прямой видимости» с концентратором используются небольшие активные или пассивные ретрансляторы, расположенные внутри ячейки. Как альтернатива этому большие отражающие поверхности могут использоваться в качестве пассивных отражателей. При этом потери вследствие отражения будут зависеть от неровности поверхности.

Дополнительную возможность могут предоставить сильно перекрывающиеся ячейки. Такое решение позволяет интеллектуальным системам в условиях ухудшения прохождения в любой из ячеек использовать альтернативные трассы передачи, которые могут позволить части абонентов, находящихся в зоне действия данного концентратора, принять сигнал от другого концентратора.

Несмотря на то, что спектр LMDS является достаточно широким по отношению к частотным диапазонам, предназначенным для систем точка-точка (PTP) и PMP, работающих на более низких частотах, для увеличения информационной емкости часто используется деление на секторы.

Структурная схема сети LMDS включает четыре основных элемента:

— оборудование базовой станции;

— радиочастотное оборудование;

— оборудование абонентской станции (CPE);

— система управления сетью.

На рисунке 6 показана коммуникационная цепочка основных подсистем и соединяющие их интерфейсы. В состав оборудования концентратора (Hub) обязательно входят маршрутизатор, с помощью которого производится соединение между беспроводной и проводной сетями, а также переключатель ATM (Switched Network).

Модем (Hub modem) выполняет следующие функции: мультиплексирование, скремблирование, кодирование и модуляцию для нисходящих данных и обратные им операции для восходящих данных. Модем подключается к радиочастотному оборудованию посредством интерфейса на промежуточной частоте (IF). Частота IF обычно находится в пределах между 950МГц и 2150МГц.

Рисунок 3.3 — Структурная схема системы LMDS на физическом уровне

В состав радиочастотного оборудования входят: блок повышающего и понижающего конверторов, усилитель мощности (HPB), малошумящий усилитель (LNA) и фильтры. В высокочастотном диапазоне наблюдаются значительные потери в радиолиниях, так что RF элементы стремятся располагать поближе к антенне. За счет использования режима с множеством несущих в одном трансивере увеличивается пропускная способность, а также снижается стоимость и сложность оборудования.

Абонентское оборудование (CPE) состоит из блока внешней установки (ODU) и внутреннего блока (IDU). В свою очередь, ODU состоит из антенны диаметром 25−30 см и блока RF. Блоки ODU и IDU соединяются с помощью интерфейса CPE IF. Модем CPE обрабатывает данные для реализации стандартных интерфейсов, таких как, например, T1 или E1.

Система управления сетью (NMS) производит мониторинг жизнеспособности и параметров системы LMDS за счет служебных приложений и приложения управления. Функции NMS включают в себя: организацию работы сети, администрирование, а также распределение и предоставление услуг. Служебные приложения — это программа управления, части которой распределены по всем элементам сети. Приложение управления — это единственное из приложений, которое предполагает использование графического интерфейса пользователя. Оно позволяет оператору видеть всю сеть доступа и оптимизировать ее параметры.

Таким образом, основные преимущества технологии LMDS следующие:

· Во-первых, LMDS — это беспроводная система, не требующая прокладки достаточно дорогостоящих кабельных линий связи.

· Во-вторых, оперативность развертывания, — сеть LMDS может быть развернута за малый промежуток времени. Установка и наладка клиентского оборудования занимает всего день, а то и несколько часов.

· В-третьих, при возникновении необходимости переезда в другой район система может быть в короткие сроки демонтирована и установлена в другом месте. Если новое место обслуживается оператором LMDS, то достаточно будет переставить только абонентский терминал.

· В-четвертых, относительно невысокая стоимость. Стоимость развертывания абонентского терминала и абонентская плата за канал LMDS меньше, чем за аналогичные по скорости передачи проводные каналы.

LMDS относится к системам технологий прямой видимости. Ее работа зависит не только от мощности передатчика, но и от рельефа местности, окружающих объектов и погодных условий. И если волны низких частот огибают препятствия: деревья, стены, холмы, — то миллиметровые волны, используемые в сотовом телевидении, отражаются от них. Прием в таких теневых зонах становится затруднителен или вовсе невозможен.

При сравнительном анализе всех 3-х систем, в данном проекте было принято решение использовать технологию MVDS (рисунок 5). Это решение было принято при учёте ряда факторов:

— Изначально система MVDS предназначена для передачи видео сигнала (в т.ч. ТВ программ)

— Ширина предоставляемого диапазона — 2 ГГц.

— MVDS подходит для раздачи спутникового сигнала.

— Система позволяет формировать ячейки большего радиуса, что приводит к экономии дорогостоящих передатчиков.

— Этот вариант больше подходит для сельской местности,

— Спутниковый вариант MVDS позволит передавать до 30 ТВ каналов стандартного качества.

В соответствии с принятой в России концепцией развития вещательного телевидения, ближайшее будущее системы ТВ вещания — это цифровая многопрограммная система ТВ вещания. Такая система будет интерактивной, потому что большинство услуг, предоставляемых системой ТВ вещания населению, могут быть реализованы только в интерактивной системе ТВ вещания. Перечень этих услуг является во всем мире уже достаточно определенным, особенно после успешной эксплуатации систем цифрового интерактивного телевидения в США и странах Европы.

4. Расчет радиолинии Белгород (ОРТПЦ) — поселок Северный

Основной пакет телевизионных каналов коллективная приёмная установка в Северном будет принимать по средствам ррл с ОРТПЦ (г. Белгород). В этот пакет входят 9 каналов: «Россия», «Первый канал», «НТВ», «Культура», «ТВ-Центр», «СТС», «РБК», «Спортивный канал 7 ТВ», «Дарьял ТВ».

Построим профиль пролёта: Белгород (ОРТПЦ) — поселок Северный:

Таблица 1. Высотные отметки рельефа местности

Таблица 2. Местные предметы профиля 1 пролета

Высота РТПС в г. Белгороде составляет 180 м.

Для уверенного приёма сигнала высота подвеса антенны в поселке Северный должна составлять 30 м. (рисунок 4.1)

Рисунок 4.1 — Карта высот Рисунок 4.2 — Профиль трассы Белгород (ОРТПЦ) — поселок Северный Общеизвестно, что эфирное вещание телеканалов осуществляется в 3-х диапазонах: первый метровый, третий метровый и дециметровый. И для приема всех трех эфирных диапазонов следует использовать всеволновые антенны.

Если сравнивать с комплектом из трёх антенн (антенной системой), то можно сказать, что всеволновая антенна — это наиболее экономичный вариант. Хотя и обладает одним из недостатков — более слабый прием сигнала с передающего телецентра.

Всеволновые антенны являются оптимальным вариантом, если рассматривать их с точки зрения экономии места и средств. Уникальная конструкция работает неплохо, имеет невысокую стоимость, надёжна и довольно проста в установке. Такой тип антенны даёт прекрасные результаты в зоне уверенного приема.

Как и каждая антенна, данная конструкция имеет не только преимущества, но и свои недостатки. К примеру, наличие препятствия на пути сигнала может существенно ухудшить условия приема телеканалов. Есть возможность скорректировать некоторые недостатки. Это осуществляется методом установки дополнительных устройств, например, усилителей и фильтров. В качестве примера для приема эфирного телевидения модель всеволновой антенны L 025.09.

Рисунок 4.3 — Антенна ЭКСТРА (L 330.09)

Технические характеристики:

Коэффициент усиления, дБи, не менее:

МВ 1−5 каналы: 20

МВ 6−12 каналы: 21

ДМВ 21−60 каналы: 27−34

Габаритные размеры (ДхШхВ), мм: 1146×2000×285

Коэффициент стоячей волны:

МВ 1−5 каналы: 2

МВ 6−12 каналы: 2

ДМВ 21−60 каналы: 2

Другие характеристики:

Волновое сопротивление, Ом 75

Напряжение питания усилителя, В 12±1

Ток потребления, мА, не более 50

Поляризация горизонт.

Количество элементов 16

Масса, кг 1,37

5. Спутниковое телевещание

Спутниковое телевизионное вещание — это передача через космический спутник-ретранслятор телевизионного изображения и звукового сопровождения от наземных передающих станций к приемным. В сочетании с кабельными сетями, спутниковая телевизионная ретрансляция сегодня является основным средством обеспечения многопрограммного высококачественного телевизионного вещания.

В зависимости от организации, спутниковое ТВ-вещание может осуществляться двумя службами:

1. Фиксированной спутниковой службой (ФСС). В этом случае передаваемые через КА телевизионные сигналы принимаются с высоким качеством наземными станциями, расположенными в зафиксированных заранее пунктах. С этих станций через наземные ретрансляторы телевизионный сигнал доставляется индивидуальным потребителям (рис. 5.1).

2. Радиовещательной спутниковой службой (РВСС). В этом случае ретранслируемые КА телевизионные сигналы предназначены для непосредственного приема населением (непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием, при котором телезрители принимают программу по кабельной сети) (рис. 5.2).

Рисунок 5.1 — Ретрансляция спутниковых сигналов наземным телецентром Рисунок 5.2 — Непосредственное телевизионное вещание Большое распространение получили относительно простые и недорогие установки с антеннами небольших размеров для непосредственного приема телевизионных сигналов со спутников. Система спутникового телевизионного вещания включает в себя следующие подсистемы (рисунок 5.3):

Передающий телевизионный центр.

Активный спутник-ретранслятор.

Приемное оборудование.

Рисунок 5.3 — Применение спутниковой ретрансляции для ТВ вещания Современные технические средства позволяют сформировать достаточно узкий пучок волн, чтобы при необходимости сконцентрировать практически всю энергию передатчика КА на ограниченной территории, например, на территории одного государства. Часть территории, которую необходимо охватить вещанием при заданном уровне сигнала, называют зоной обслуживания. Ее вид и размеры зависят от диаграммы направленности передающей антенны спутника-ретранслятора. Несмотря на то, что антенна всегда направлена в точку прицеливания — за ней следят специальные устройства — зона обслуживания имеет сложную геометрическую форму. Если диаграммы направленности бортовых антенн КА достаточно широки чтобы охватить всю видимую с него часть Земли, то зона обслуживания является глобальной.

В спутниковом телевидении уровень излучаемого с космического аппарата сигнала принято характеризовать произведением мощности (в ваттах) подводимого к антенне сигнала на коэффициент ее усиления (в децибелах) относительно изотропного (всенаправленного) излучателя. Эту характеристику называют эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью (ЭИИМ) и измеряют в децибелах на ватт. Уровень сигнала в точке приема определяется плотностью потока мощности у поверхности Земли относительно потока мощности 1Вт, проходящего через 1 м² (дБВт/м2).

В 1977 году состоялась Всемирная административная радиоконференция по планированию радиовещательной спутниковой службы, на которой был принят ныне действующий Регламент радиосвязи. В соответствии с ним земной шар разделен на три района, для вещания на каждый из которых выделены свои полосы частот.

В Регламенте указаны полосы частот метрового и дециметрового диапазонов, в которых работают радиопередающие средства телевизионного вещания.

Таблица 4. Полосы частот систем спутникового вещания

Для систем спутникового вещания выделены полосы частот, представленные в табл. 4 два последних диапазона-Ка и К — почти не используются и пока считаются экспериментальными. Однако вещание спутниковых телепрограмм в этих диапазонах позволит значительно уменьшить диаметр приемных антенн. Например, если антенны Ku-диапазона (10,70 — 12,75 ГГц) имеют характерные размеры 0,6 — 1,5 м, то антенны К-диапазона (84 — 86 ГГц) при том же значении коэффициента усиления будут иметь размеры 0,10 — 0,15 м. Кроме того, информационная емкость этих диапазонов значительно выше. Под информационной емкостью понимается количество телевизионных каналов, которые можно разместить в данном диапазоне частот.

Основная проблема в освоении этих диапазонов — экономическая, а именно — проблема создания недорогих массовых индивидуальных приемников.

Сформулированные в Регламенте радиосвязи основные положения, касающиеся систем непосредственного спутникового телевизионного вещания (СНТВ), сводятся к следующему:

В системах СНТВ используются спутники-ретрансляторы, расположенные на геостационарной орбите.

В данных системах рекомендуется передача частотно-модулированного сигнала.

Величина отношения сигнал/шум не должна быть меньше 14 дБ.

Плотность потока мощности в зоне обслуживания не должна превышать — 103 дБВт/м2 для индивидуального приема и — 111 дБВт/м2 — для коллективного.

Для увеличения объема передаваемой информации рекомендуется двукратное использование рабочих частот, что возможно благодаря развязке по поляризации.

В 1988 г. наша страна присоединилась к «Конвенции по распространению несущих программ сигналов, передаваемых через спутники» (Брюссель, 1974 г.). В связи с этим в нашей стране индивидуальный прием спутниковых телевизионных программ РВСС и ФСС может осуществляться без ограничений, если принятые программы не распространяются далее посредством эфира, по кабельной сети или в виде магнитных записей. Коллективный прием сигнала, предполагающий последующее распространение программ, может производиться только по разрешению их создателей.

5.1 Выбор и расчет наиболее подходящих спутников для заданного района

Спутниковое вещание ведется из центра трансляции телекомпании через искусственный спутник земли на антенну коллективного приема телевидения. Все спутники находятся на постоянной орбите над экватором земного шара, каждый спутник находится на определенном градусе системы координат и имеет отклонение не более нескольких градусов. Зона покрытия зависит от нахождения спутника и направленности луча.

Наиболее уверенный прием телевизионного сигнала осуществляется со спутника серии Eutelsat W4/W7, т.к. он охватывает большую часть территории России и Белгородская область находится на территории приема с максимальной мощностью.

Спутник Eutelsat W4 находится в позиции 36° вос. дол. Спутник был запущен 25 мая 2000 года. Владельцем спутника является компания Eutelsat. Основной интерес для российских зрителей представляет пакет «НТВ-Плюс», идущий со спутника Eutelsat w4. Пакет направлен на русскоязычную аудиторию, поэтому язык вещания каналов — русский. Но также имеются каналы на английском, французском, китайском языках. Все каналы идут в кодировке Viaccess 2.5. Для приема каналов, входящих в пакет «НТВ-Плюс», нам понадобится установить спутниковую антенну диаметром 0.4−0.6 м. Для приема каналов линейной поляризации необходим диаметр антенны 1.2 м.eutel.

Очень важно то, что гарантированный срок службы спутник Eutelsat W7 составляет 15 лет, а значит это гарантирует долгосрочную стабильную работу проектируемых систем без перенастройки на другие спутники.

Вычисление угла места и азимута для поселка Северный на спутник Eutelsat W7 осуществляется с помощью программы Satellite Antenna Alignment (Рис. 5.4), (программа бесплатная для некоммерческого использования), предназначена для расчета углов, необходимых при установке спутниковой антенны.

Для этого необходимо ввести известные координаты города и спутника в программу, а также диаметр антенны.

Исходя из карт зоны покрытия спутника, можно выбрать офсетную антенну необходимого диаметра. Как видно из (Рис. 5.5) для спутника Eutelsat W7 используется антенна диаметром 90 см.

Рисунок 5.4 — Определение азимута, угла места Рисунок 5.5 — Настройка офсетной антенны Список принимаемых каналов со спутника Eutelsat W4, W7:

Программой вычислены угол места и азимут в поселке Северный для антенны, направленной на спутник Eutelsat W4 (36⁰⁾, а также требуемые углы наклоны и подъема на спутник.

Таблица № 6. Угол места и азимут, вычисленные программой

Строго говоря, для определения размера приемной антенны следует проанализировать всю линию связи, включая и линию связи вверх (от наземного передатчика до спутника связи), и линию связи вниз (от спутника до наземной приемной станции). Тем не менее применение в ТВ вещании методов управления мощностью на линии связи вверх и другие определенные традиционные допущения позволяют отдельно рассчитать линию связи вниз. На практике для определения параметров оборудования, устанавливаемого на месте приема сигналов, вполне достаточно упрощенного метода расчета, представленного в настоящей главе.

Основная цель расчета линии связи — определение или проверка того, насколько данное оборудование подходит для обеспечения устойчивого приема сигналов от выбранного спутника в заданном месте расположения приемной системы.

Конечно, можно вместо проведения собственных расчетов полагаться либо на общий расчет линии связи, который предоставляют операторы спутниковой связи, либо сосредоточиться на готовых комплектах приемных систем, предназначенных для работы с общедоступными спутниками. Такой подход не является ошибочным, но он сильно ограничивает вас по многим направлениям. Например, общий расчет линии связи всегда является компромиссным и диктует определенный общепринятый стандарт качества сигнала и его доступности, что может не соответствовать требованиям потребителей. Например, клиент может быть иностранцем, проживающим в вашей стране, и хочет принимать сигналы вещания своей собственной страны. Какой диаметр антенны необходим в этом случае? Таким образом, существует множество причин, по которым расчет линии связи может понадобиться.

6. Проектирование распределительной сети телевещания для поселка Северный в частных секторах

В первой главе данного курсового проекта было принято решение использования системы сотового телевещания MVDS для распределения транслируемого контента для поселка Северный.

В поселке есть несколько микрорайонов с многоэтажной застройкой, в которых здания расположены относительно не далеко друг от друга. Расположив головную станцию на одном из высоких зданий в центре микрорайона, появляется возможность обеспечить цифровым телевидением не только многоэтажные дома, но и частные секторы.

Для этого необходимо для микрорайонов с многоэтажными зданиями спроектировать систему коллективного приема телевидения для больших объектов, а на головной станции этой системы расположить передатчик MVDS, который бы открывал доступ к цифровому телевидению абонентам в частных секторах города.

Рисунок 6.1 — Зона покрытия Анализ местности города показывает, что наиболее целесообразно расположить головную станцию на девятиэтажном доме. Это позволит обеспечить все частные секторы города в радиусе до 7 км качественным цифровым телевидением.

Основой соты является передающая базовая станция (БС), расположенная в центре. Для передачи радиосигнала используются секторные антенны с диаграммой направленности 30, 60 или 90 градусов.

Рисунок 6.2 — Вариант соты с 6 секторами При необходимости охвата большей территории устанавливается несколько сот.

Рисунок 6.3 — Разделение зоны вещания на соты Максимальная дальность действия передатчика — от 7 до 10 км, в зависимости от статистики осадков в регионе.

Рисунок 6.4 — Технология MVDS

Для конкретного проектирования системы MVDS, нужно в первую очередь учитывать статистику дождей, а также системные и энергетические параметры оборудования. Важен при этом выбор системы передачи информации (цифровой или аналоговой) и учет требований к качеству принимаемой информации. Использование наиболее прогрессивной цифровой технологии обеспечивает радиус действия соты в среднем примерно около 6 км. Поэтому для города с максимальным диаметром застройки менее 10 км вполне допустимо ограничиться всего одной сотой MVDS. Здесь, конечно, надо иметь в виду, что для высококачественного приема сигналов необходима прямая видимость между антеннами абонента и базовой станцией. Естественно, что в условиях многоэтажной застройки города добиться этого практически невозможно.

В больших городах, где требуется использование нескольких сот, еще в процессе проектирования должна быть решена задача разделения частот между базовыми станциями. Особенно важно это для мегаполисов. Здесь число необходимых сот измеряется десятками. В нашем случае будет использоваться одна сота.