CC BY
147
БОЛЬШОВ1 Олег Анатольевич, кандидат технических наук ПЕРМИНОВ2 Павел Александрович
РАЗРАБОТКА ОБРАТНОГО КАНАЛА СВЯЗИ В СИСТЕМЕ БЕСПРОВОДНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА (СОТОВОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ)
Данная статья направлена на создание системы сотового телевидения в России. В работе проведено рассмотрение и анализ стандарта вещания DVB-T, разработана структурная схема обратного канала связи, рассчитана энергетика обратного канала.
Ключевые слова: сотовое телевидение, зона обслуживания, достоверность передачи цифровой информации.
This article is directed on creation of cellular TV system in Russia. In work consideration and the analysis of the announcement DVB-T standard is spent, the block diagram of a return communication channel is developed, energetics of the return channel is calculated. Keywords: cellular TV, a service zone, reliability of the digital information transfer.
Несмотря на бурное развитие кабельного и спутникового вещания, наземное вещание остается наиболее дешевым, доступным и востребованным средством доставки той или иной информации до абонента. Еще в 1998 г. организацией DVB Project (Digital Video Broadcasting Project - Проект цифрового видеовещания) были выработаны основные положения стандарта DVB-C (C - Cable - кабель) для кабельного телевизионного вещания и стандарта DVB-S (S - Satellite - спутник) для спутникового телевизионного вещания, позже была выработана концепция наземного стандарта вещания DVB-T (T - Terrestrial
— наземное). Началась эра цифрови-зации. Особенно быстро развивалось спутниковое телевизионное вещание (СТВ). Всего за 5 лет практически все спутники начали вести вещание только в цифровом формате. Это обстоятельство дало мощный толчок к переходу наземного телевизионного вещания (НТВ)
так же на цифровой формат. Цифровое телевидение (Digital Television - DTV) -модель передачи видео- и аудиосигнала от транслятора к телевизору, использующая цифровую модуляцию и сжатие для передачи данных. Цифровое телевидение - это отрасль телевизионной техники, в которой прием, обработка, передача и хранение телевизионного сигнала осуществляется в цифровой форме. При приеме цифровой сигнал превращается в аналоговый, и изображение воспроизводится на экране в привычном для нас виде.
По сравнению со многими зарубежными странами в России еще не достаточно развиты телекоммуникационные системы, исключение составляют крупные города. Во многих странах мира многопрограммное телевидение (более 50 программ), Интернет, телефония, включая мобильную, стали привычным и обыденным делом. В России же это еще недоступно широ-
ким слоям населения. На это есть свои причины:
♦ огромная территория и, как следствие, большая удаленность между городами, поселками и селами;
♦ изрезанность территории водными преградами, болотами, вечной мерзлотой, лесами, горами что создает сложные условия для прокладки кабельных сетей и строительства эфирных наземных ретрансляторов;
♦ различные климатические зоны с перепадами температуры от —50 до + 50° С;
♦ низкий жизненный уровень большинства населения.
Все эти причины, с одной стороны, требуют высоких материальных затрат для создания современных телекоммуникационных систем (мультимедийных), с другой, — требуют, чтобы уровень оплаты услуг этих систем был доступен для большого числа абонентов.
' - доцент кафедры радиосистем передачи информации и управления Московского авиационного института (ГТУ);
2 — студент факультета радиоэлектроники летательных аппаратов Московского авиационного института (ГТУ).
В настоящее время в России получили развитие телекоммуникации, основанные на применении спутников, оптоволоконных кабельных систем и радиоретрансляторов. Однако все эти системы не являются интегральными системами по обеспечению телекоммуникационных услуг в едином информационном пакете, и создание их по отдельности приводит к большим материальным затратам. В связи с этим, по мнению авторов, для России необходимо применение новейших интегральных телекоммуникационных технологий.
Такой технологией могут служить системы беспроводного широкополосного радиодоступа (LMDS - Local Multipoint Distribution Systems; MVDS - Multipoint Video Distribution Systems), представляющие собой высокочастотные, широкополосные, высокоскоростные маломощные линии передачи информации. Эти системы предназначены для решения проблемы «последней мили» и строятся по сотовому принципу, так как обладают ограниченной дальностью действия из-за малых мощностей передающих устройств, входящих в их состав. Системы беспроводного широкополосного радиодоступа, далее - сотовые системы (сотовое ТВ), могут обеспечить целый спектр услуг связи:
♦ многопрограммное ТВ-вещание;
♦ обеспечение доступа в Интернет;
♦ высокоскоростная передача данных;
♦ интерактивное телевидение;
♦ телефония, телеконференции и т.д. Производством оборудования для систем LMDS (MVDS) занимается целый ряд зарубежных компаний: Hewlett-Packard, Stanford Telekom, mm-Tech, Dudley Lab, Technosystem и другие. В России подобная аппаратура до сих пор серийно не производилась, а внедрение технологий LMDS производится рядом компаний путем закупки оборудования достаточно высокой стоимости у перечисленных выше зарубежных фирм.
Актуальность и важность этой проблемы для России определяется нынешним экономическим положением в стране и необходимостью создания новейших интегральных телекоммуникационных систем с приемлемой стоимостью как для промышленно развитых регионов, так регионов со сла-
бым развитием. Кроме того, именно такие системы отечественного производства должны обеспечивать информационную безопасность государства, которую невозможно обеспечить на системах, построенных полностью на зарубежном оборудовании.
В своем развитии цифровое телевидение прошло ряд этапов. На каждом этапе сначала выполнялись научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, создавались экспериментальные устройства и системы, а затем принимались стандарты, как правило, международные, которые должны выполняться всеми организациями, ведущими телевизионное вещание и выпускающими видеопрограммы, и всеми фирмами — производителями аппаратуры.
При выборе того или иного стандарта разработчики прежде, чем принять решение о его внедрении, должны учесть большое количество условий и критериев.
1. Стандарт должен поддерживать концепцию контейнера данных и переносить любые типы данных - изображение, звук, интернет-трафик или любую их комбинацию, пока это позволяет емкость контейнера.
2. Стандарт должен обеспечивать высокую помехозащищенность, максимальную гибкость использования спектра с возможным обменом емкости канала на размеры зоны обслуживания, возможность передачи служебных таблиц, телетекста, ввод системы условного доступа.
3. Стандарт должен быть максимально совместим со стандартами на спутниковую (DVB-S) и кабельную (DVB-С) системы передачи для удешевления производства многостандартных декодеров.
4. Система должна допускать обслуживание с существующих передающих центров и прием на существующие антенны.
5. Должен поддерживаться прием на комнатные антенны и переносимые приемники.
6. Приемник должен иметь выход цифровых данных для выделения сигналов дополнительных служб, желательно наличие модема для организации канала взаимодействия.
7. Уровень выбранной технологии должен соответствовать достигнутым возможностям промышленности
для быстрого развертывания производства.
В рамках данной статьи рассматривается создание обратного канала связи, который может обеспечить одновременную передачу нескольких потоков информации от абонента к оператору. Принимая во внимание все вышеперечисленные условия, можно сделать заключение о том, что наиболее подходящим стандартом вещания является стандарт DVB-T (Digital Video Broadcasting — Terrestrial), так как он позволит вести вещание с использованием уже апробированного стандарта DVB-S и тем самым существенно снизить затраты по разработке и развертыванию всей системы.
DVB-T - обозначение стандарта цифрового наземного телевизионного вещания, разработанного в рамках проекта DVB. Стандарт DVB-T для цифрового эфирного ТВ-вещания в диапазоне дециметровых волн (ДМВ) для Европы и других стран был принят в 1996 г. - на два года позже аналогичных стандартов для спутниковых (DVB-S) и кабельных (DVB-C) каналов связи. Эта задержка была вызвана необходимостью применения более сложных технических методов передачи цифровой информации при сохранении приемлемой стоимости цифрового эфирного телевидения, а также из-за не очень высокой коммерческой конъюнктуры ввиду отсутствия свободных ТВ-кана-лов в диапазоне ДМВ для большинства стран Европы. Снизить стоимость цифрового телевидения возможно за счет применения в стандарте DVB-T апробированных технических решений и технологий, разработанных для систем цифрового спутникового и кабельного вещания. Это требует унификации ряда методов обработки цифровых сигналов в указанных системах. Данная задача была решена путем разработки коммерческих требований к цифровой системе эфирного вещания, на основании которых были выбраны необходимые технические решения. При цифровом эфирном ТВ-вещании основным разрушающим фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема (рис. 1). Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зда-
Телецентр
Рис. 1. Помехи от многолучевого приема
ний и других сооружений. При многолучевом приеме в декодер поступают две (или более) одинаковые по характеру чередования символов, но сдвинутые по времени цифровые последовательности. Поскольку анализ переданного значения символа («0» или «1») в декодере обычно производится в середине длительности сигнала, то в случае если задержка радиосигнала второго луча становится близкой к половине или больше половины длительности сигнала, происходит резкий рост цифровых ошибок, вплоть до полного разрушения цифрового канала.
При стационарном эфирном ТВ-при-еме бороться с многолучевостью можно путем применения остронаправленных многоэлементных ТВ-антенн, что обычно и делается в системах коллективного эфирного приема. Но это не решает проблемы полностью, так как при этом нельзя будет гарантировать уверенный прием цифровых ТВ-про-грамм на переносные и перевозимые ТВ-приемники, в которых используются простые ТВ-антенны.
В DVB-T (наземное вещание) используются 16-ОЛМ или 64-ОЛМ (QPSK) совместно с технологией ортогональ-
ного частотного мультиплексирования (COFDM - Coded Orthogonal Division Multiplexing) и иерархической модуляцией.
В данной работе не рассматривается COFDM, а описывается только QPSK совместно с помехоустойчивым канальным кодированием. Сочетание канального кодирования с QPSK-модуляцией хорошо известно и широко используется в цифровых системах радиовещания (DAB) в Европе, Канаде, Японии и др.
Принцип работы доступа к Интернету через DVB-T такой же, как у спутникового Интернета, с той лишь разницей, что передача данных к клиенту производится не со спутникового, а с наземного передатчика совместно с TV-сигналом.
После того, как пользователь войдет в сеть Интернет через обычный модем, он должен будет войти в VPN-сеть провайдера эфирного Интернета. С этого момента модем на клиентской машине только передает данные в сеть. Каждый запрос отправляется через Интернет на серверы компании, предоставляющей услуги по доступу к сети через DVB-T. Будь то файл, который вы собираетесь
скачать, или HTML-страница, серверы провайдера беспроводного Интернета через свои высокоскоростные каналы будут скачивать запрошенный вами объект и передавать его к вам уже по эфиру. Каждый запрос кодируется с помощью MAC-адреса карты DVB-T, чтобы снизить вероятность несанкционированного доступа к принимаемым вами данным. Плата DVB-T принимает данные, расшифровывает их, и в итоге ваш компьютер получает запрошенный именно вами объект и посылает подтверждение на сервер. Работа в режиме online подразумевает двустороннее общение между клиентским компьютером и сервером. То есть ПК пользователя отправляет как запросы, так и подтверждения.
Так же компания-провайдер может иметь сервисы для односторонней передачи данных пользователю - так называемые offline-сервисы или «работа по подписке». В этом случае пользователю не надо иметь постоянный канал обратной связи с Интернетом. Клиент просто подписывается на интересующий его контент, который может быть предоставлен компанией. После этого серверы провайдера сами выкачивают из Интернета нужную информацию и передают ее по эфиру подписчикам. Система работает по принципу пейджинговой связи и не требует подтверждения от клиента. Для предотвращения ошибок в принятых файлах из-за неуверенного приема или, например, секундного «подвисания» компьютера в момент приема данных провайдер обычно вносит в передаваемую информацию определенный процент избыточности данных, обеспечивающий успешное восстановление сбойных фрагментов по алгоритму Рида-Соломона. В случае если во время передачи данных ваш компьютер был выключен или не настроен на прием, то вы не получите никакой информации. По подписке распространяются не только веб-сайты, но так же и видеопрограммы. Например, обучающие программы для школ.
Кстати, в сравнении со спутниковым Интернетом работа через DVB-T более комфортна, так как в этом случае задержки на передачу и прием пакетов намного меньше. Судите сами - в случае со спутниковым Интернетом сигнал должен проделать путь от информа-
ционного центра на спутник (расстояние примерно 36 000 километров), а затем обратно. Итого получается, что сигнал проходит около 72 000 километров, а это минимум 0,24 секунды. В наземном Интернете DVB-T расстояния меньше и, как следствие, меньше задержки. Информацией, передаваемой передатчиком сотового ТВ, могут быть спутниковые телевизионные программы, программы местного телевидения, кабельного вещания или отдельных телестудий, а также данные Интернет и телефонии, требующие интерактивности с абонентами.
При этом сотовое ТВ решает самую главную задачу — обеспечение «последней мили» при доведении информации до абонентов - и обеспечивают целый спектр связных услуг:
♦ многопрограммное ТВ-вещание;
♦ обеспечение доступа в Интернет;
♦ высокоскоростная передача данных;
♦ интерактивное телевидение;
♦ телефония, телеконференции и т.д. Сотовое телевидение это система связи третьего поколения, которая получает самое широкое распространение в развитых странах. Так, в настоящее время в США вся территория разбита на 493 зоны сотового вещания и создано уже около 1000 операторов. Фирма «Майкрософт» вкладывает в принятую в США программу перехода на сотовое вещание 15 млрд. долл., а правительство еще 2 млрд.
Технология сотового ТВ может быть успешно применена для решения доставки в учебные заведения и Интернета, и обучающих телевизионных программ, причем скорости доставки информации в учебные заведения превосходят все ныне существующие в стране. Создание системы беспроводного широкополосного радиодоступа в России может решить те многие проблемы, которые до настоящего времени не решены. Система сотового ТВ должна обеспечивать предоставление следующих услуг:
♦ цифровое в формате DVB и/или аналоговое с частотной модуляцией телевидение;
♦ радиодоступ в Интернет со скоростью в прямом канале не менее 40 Мбит/с и в обратном - не менее 5 Мбит/с
♦ передачу данных для корпоративных пользователей (видоеконфе-ренцсвязь).
LAN
Данные видео <---------
Данные аудио <--------
Рис. 2. Общая схема системы передачи данных
В качестве исходных данных выбраны следующие позиции:
♦ доступ в Интернет обеспечиваются подключением базовых станций к ВОЛС.
♦ телевизионный контент формируется с помощью приема телепрограмм со спутников, подключением к ВОЛС и/или передачей через радиорелейные станции.
Создание обратного канала связи для абонентского терминала обеспечит следующие услуги:
♦ радиодоступ в Интернет;
♦ видеоконференцсвязь.
Поэтому в обратный канал связи будет поступать информация от трех источников: аудиосигнал, сигнал видеоизображения и сигнал обратного канала интернет-трафика.
Кодирование аудио- и видеоданных будет происходить при помощи кодеров МРЕС-2, которые могут существенно сократить объем передаваемой информации.
Интернет-трафик будет передаваться путем инкапсуляции 1Р-пакетов в пакеты транспортного уровня МРЕС-2 согласно протоколу ETSI 301192 (1Р-оуег-DVB). Процесс ввода данных 1Р в поток МРЕС-2 DVB-T осуществляют инкапсу-ляторы или, по-другому, IP-DVB шлюзы. Адресация передаваемой информации осуществляется путем присвоения каждому абоненту уникального 48-битного МАС (физического) адреса приемного
устройства. Специальное программное обеспечение на передающей стороне управляет потоками передаваемой информации, ведет учет трафика и тарификацию, осуществляет расчеты с абонентами. Инкапсулятор управляется и конфигурируется Центральным устройством конфигурации (CCU - Central Configuration Unit) - программным приложением, работающим на платформе Windows NT. Это приложение подключается к локальной сети контроля и управления, оно контролирует действия абонентов, выбирает прокси-сервер для каждого сеанса связи, обслуживает таблицу маршрутизации на прокси-сервере и взаимодействует с внешними системами тарификации и аутентификации.
Таким образом, общая схема системы передачи данных будет иметь вид рис. 2.
Базовый приемный комплект или абонентский терминал предназначен для приема и передачи данных в прямом и обратном канале в режиме TDMA (множественный доступ с временным разделением) и представляет собой устройство, обеспечивающее одновременный прием и передачу нескольких потоков данных. В комплект поставки абонентского терминала входят:
♦ антенна;
♦ блок обработки и формирования сигнала;
♦ соединительные кабели и разъемы.
Данные видео
Данные аудио
■=£Н
Интернет-трафик [
Инкапсуляция по протоколу ЕТвІЗОІДО Данные видео
Данные аудио
Интернет-трафик
Рис. 3. Структурная схема обратного канала связи
Отдельно поставляется оборудование, позволяющее проводить видеоконференции. Подключение компьютера к сети Интернет может быть произведено двумя способами — через интерфейс ЕШетеІ (витая пара, разъем Ю-45) или через стандартный иЯБ-ин-терфейс.
Основные технические характеристики базового приемного комплекта передачи данных приведены в табл. 1. Стандарт БУБ-Т поддерживает модульную структуру, что позволяет оптимальным образом подбирать и настраивать нужным образом систему. В качестве основы выберем одну из стандартных схем организации передающей части (рис. 3), которая будет состоять из мультиплексора, рандо-мизатора, внешнего кодера, внешнего перемежителя, внутреннего кодера и модулятора.
Рассмотрим каждый блок и его функции в отдельности.
MPEG-кодеры осуществляют сжатие передаваемой информации и устранений в ней избыточности. В рассматри-
Таблица 1. Основные технические характеристики базового приемного комплекса
Параметр Значение
Передатчик
Диапазон рабочих частот, ГГц 27,5 - 29,5
Коэффициент усиления, дБ, не менее 30
Мощность, дБм 19
Антенна
Поляризация линейная
Ширина диаграммы направленности в азимутальной плоскости, град. 90
Эксплуатационные характеристики
Диапазон рабочих температур, °С -40... + 50
Влажность, % 100
Масса, кг, не более 5
Напряжение питания, В 12 - 24
Потребляемая мощность, Вт, не более 25
ваемой системе будет использоваться кодер MPEG-2.
Форматы сжатия семейства MPEG сокращают объем информации следующим образом:
♦ устраняется временная избыточность видео (учитывается только разностная информация);
♦ устраняется пространственная избыточность изображений путем подавления мелких деталей сцены;
♦ устраняется часть информации о цветности;
♦ повышается информационная плотность результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания.
Форматы MPEG сжимают только опорные кадры — I-кадры (Intra frame
— внутренний кадр). В промежутки между ними включаются кадры, содержащие только изменения между двумя соседними I-кадрами, — P-кадры (Predicted frame — прогнозируемый кадр). Для того чтобы сократить потери информации между I- и P-кадром, вводятся так называемые B-кадры (Bidirectional frame — двунаправленный кадр). В них содержится информация, которая берется из предшествующего и последующего кадров. При кодировании в форматах сжатия MPEG формируется цепочка кадров разных типов. Примерно то же самое происходит с кодированием аудиоинформации.
Мультиплексор осуществляет объединение нескольких потоков сигналов в один общий поток с временным уплотнением TDMA (Time Division Multiple Access).
Рандомизатор - рандомизация данных является первой операцией, выполняемой в системе DVB-T. Ее цель - превратить цифровой сигнал в квазислу-чайный и тем самым решить две важные задачи. Во-первых, это позволяет создать в цифровом сигнале достаточно большое число перепадов уровня и обеспечить возможность выделения из него тактовых импульсов (такое свойство сигнала называется самосинхронизацией). Во-вторых, рандомизация приводит к более равномерному энергетическому спектру излучаемого радиосигнала (как известно, спектральная плотность мощности случайного шума постоянна на всех частотах, поэ-
тому превращение сигнала в квазислу-чайный способствует выравниванию его спектра). Благодаря равномерному спектру повышается эффективность работы передатчика и минимизируется мешающее действие радиосигнала цифрового телевидения по отношению к аналоговому телевизионному сигналу, излучаемому другим передатчиком в том же канале.
Внешний кодер — в системе внешнего кодирования для защиты всех байтов транспортного пакета (включая байт синхронизации) используется код Рида-Соломона, который является одним из наиболее мощных кодов, исправляющих многократные пакеты ошибок. Он применяется в каналах, где пакеты ошибок могут образовываться столь часто, что их уже нельзя исправлять с помощью кодов, исправляющих одиночные ошибки. Код Рида-Соломона — это очень эффективный и удобный в реализации (к;Ы)-блочный код, позволяющий обнаруживать и исправлять ошибки в байтах. Входным словом для него является блок из к байтов, выходным — кодовое слово из N байтов, состоящее из к исходных и (Ы — к) проверочных байтов. При этом гарантировано, что при декодировании в кодовом слове будут обнаружены и исправлены { = (Ы — к)/2 байтов независимо от их расположения внутри кодового слова. Параметр { носит название корректирующей способности кода. Кодирование с помощью кода Рида-Соломона может быть реализовано двумя способами: систематическим и несистематическим. При несистематическом кодировании информационное слово умножается на некий неприводимый полином в поле Галуа. Полученное закодированное слово полностью отличается от исходного, и для извлечения информационного слова нужно выполнить операцию декодирования, а уже потом можно проверить данные на содержание ошибок. Такое кодирование требует больших затрат ресурсов только на извлечение информационных данных, при этом они могут быть без ошибок. При систематическом кодировании к информационному блоку из к символов приписываются 21 проверочных символов, при вычислении каждого проверочного символа используются все к символов исход-
ного блока. В этом случае нет затрат ресурсов при извлечении исходного блока, если информационное слово не содержит ошибок, но кодировщик/ декодировщик должен выполнить к(Ы — к) операций сложения и умножения для генерации проверочных символов. Кроме того, так как все операции проводятся в поле Галуа, то сами операции кодирования/декодирования требуют много ресурсов и времени. Быстрый алгоритм декодирования, основанный на быстром преобразовании Фурье, выполняется за время порядка 1пЫ2.
Перемежитель — устройство, предназначенное для более эффективной борьбы с пакетами ошибок. Полезным в перемежении является то, что длинные пакетные ошибки, обусловленные шумами и помехами в канале связи и искажающие последовательно идущие байты данных, в результате обратного перемежения в приемнике разбиваются на небольшие фрагменты и распределяются по разным кодовым словам кода Рида—Соломона. В каждое кодовое слово попадает лишь малая часть пакетной ошибки, с которой легко справляется система обнаружения и исправления ошибок при сравнительно небольшом объеме проверочных данных. Прямое и обратное переме-жения могут выполняться с помощью практически одинаковых схем, но только порядок изменения задержки в ветвях схемы обратного перемежения в приемном устройстве должен быть изменен на противоположный. Внутренний кодер - внутреннее кодирование в системе вещания DVB-T основано на сверточном коде. Оно принципиально отличается от внешнего, которое является представителем блоковых кодов. При блоковом кодировании поток информационных символов делится на блоки фиксированной длины, к которым в процессе кодирования добавляется некоторое количество проверочных символов, причем каждый блок кодируется независимо от других. При сверточном кодировании поток данных также разбивается на блоки, но гораздо меньшей длины, их называют «кадрами информационных символов». Обычно кадр включает в себя лишь несколько битов. К каждому информационному кадру также добавляются проверочные символы, в
Таблица 2. Зависимость соотношения сигнал/шум от скорости кодирования и типа канала связи для ОРБК
Модуляция Скорость кодирования Требуемое соотношение сигнал/шум для BER = 5*10~10 Битовая скорость (Мбит/с)
Гауссов канал Рисиан-канал Релеевский канал
QPSK 1/2 3,1 3,6 5,4 4,98
2/3 4,9 5,7 8,4 6,64
3/4 5,9 6,8 10,7 7,46
5/6 6,9 8 13,1 8,29
7/8 7,7 8,7 16,3 8,71
Рис. 4. Фазовое созвездие для QPSK
результате чего образуются кадры кодового слова, но кодирование каждого кадра производится с учетом предыдущих информационных кадров. Для этого в кодере всегда хранится некоторое количество кадров информационных символов, доступных для кодирования очередного кадра кодового слова (количество информационных символов, используемых в процессе сверточного кодирования, часто называют «длиной кодового ограничения»). Формирование кадра кодового слова сопровождается вводом следующего кадра информационных символов. Таким образом, процесс кодирования связывает между собой последовательные кадры. Как было уже сказано, скорость внутреннего кода или отношение числа символов в информационном кадре к общему числу символов, передаваемых в одном кодовом кадре, может изменяться в соответствии с условиями передачи данных в канале связи и требованиями к скорости передачи данных. Чем выше скорость кода, тем меньше его избыточность и тем меньше его способность исправлять ошибки в канале связи.
Модулятор - передача данных по радиоканалу производится модуляцией параметров несущего колебания информационным сигналом. При передаче цифровой информации значения амплитуды и фазы колебания несущей частоты должны принимать дискретные значения в однозначном соответствии с информационной последовательностью. Формирование сигнала — существенно нелинейная операция. В стандарте DVB-T приняты основные виды модуляции (QPSK, 16-ОЛМ и 64-ОЛМ). Однако выбор конкретного типа модуляции зависит от решаемых задач. В табл. 2 приведена зависимость типа модуляции от скорости ко-
дирования и типа канала связи. В данной проектируемой системе применяется QPSK-модуляция со скоростью кода 3/4. Эти параметры обеспечивают необходимую конечную скорость потока данных и приемлемую вероятность ошибки.
В QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) используется созвездие из четырех точек, размещенных на равных расстояниях на окружности. Используя 4 фазы, QPSK может кодировать два бита на символ, как показано на рис. 4.
QPSK может рассматриваться как квадратурная модуляция, ее проще представить в виде двух независимых модулированных несущих, сдвинутых на 90°. При таком подходе четные (нечетные) биты используются для модуляции синфазной составляющей, а нечетные (четные) — квадратурной составляющей несущей.
Как известно, мощность сигнала на входе приемника определяется по формуле [2]:
РПРМ = РПРД ^прд Впрм / (ЬТР Ьдоп) (1)
где РПРД - мощность передатчика, ВПРД и ВПРМ - коэффициенты направленного действия передающей и приемной антенн соответственно, ЬТР - затухание сигнала на трассе распространения, ^ДОП - дополнительные энергетические потери в радиолинии.
Техническая реализация данной работы подразумевает установку на базовую станцию трех типов антенн с различными коэффициентами направленного действия БПРМ, равными соответственно 19 дБ (60°), 22 дБ (30°) и 25дБ (15°),а абонентский терминал комплектуется одним типом антенны с БПРД = 30 дБ. Поэтому проведем расчет для всех трех вариантов построения системы.
Затухание на трассе распространения определяется по формуле [3]
LT.
(4п)2
А
' 2
MAX '
(2)
где б.МАХ - дальность связи. Дополнительные энергетические потери в атмосфере определены в результате измерений и равны
LAon = 105яБ/1° = 3,16.
Требуемую мощность сигнала на входе приемника можно вычислить из определения соотношения сигнал/шум Ь2 = Ес /Ыа = РПРМ тс /Ы0, , где Ес - энергия сигнала, N - спектральная плотность мощности шума, N = кТш, к = 1,38'10-23 Дж/К - постоянная Больцмана, Тш - шумовая температура широкополосного шума, действующего на входе приемника. Тш = 600 К, Ь2 - соотношение сигнал/шум на входе демодулятора — определяется из графика, приведенного на рис. 5 [4], для вероятности ошибки Рош = 10-10 и скорости каскадного кодирования 3/4 (совокупность кодера Рида-Соломона, сверточного кодера и сверточного перемежителя).
Примем h2 = 4,5дБ или 2,82 раза. Длительность канального сигнала тс определяется как длительность информационного сигнала, умноженная на скорости кодера Рида-Соломона и сверточного кодера с учетом вида модуляции:
1 188 3 1
с R 204 4 2
■ 0,069 • 10 с, (3)
где К — скорость передачи, что по условию 5 Мбит/с.
Таким образом, мощность сигнала на входе приемника равна:
Рпрм = Ь2 'Тш'к /%с = 6,014-10-“ Вт. (4)
Построим график функции РПРМ №мах) (рис. 6) и определим графически величину зоны покрытия.
Рис. 6. К расчету зоны обслуживания в обратном канале (от абонентского устройства к базовой станции)
Таблица 3. Зависимость дальности связи от коэффициента направленного действия приемной антенны
Коэффициент направленного действия приемной антенны &МАХ , дБ 3,8 5,1 7,5
Дальность связи ВПРМ , км 19 22 25
По графику на рис. 6 определяем, что величина зоны покрытия для различных коэффициентов направленного действия антенны соответственно равны значениям, приведенным в табл. 3. Это означает, что при заданных выше условиях обеспечивается устойчивый прием сигнала базовой станцией на расстоянии до 7,5 км от абонентского терминала при условии, что базо-
вая станция оборудована антенной с ВПРМ = 25 дБ(15°). Выбор конкретного типа антенны является весьма нетривиальной задачей, подходить к которой нужно с учетом множества воздействующих факторов. Определяющим фактором в этом случае является плотность населения на обслуживаемой территории, то есть для того чтобы оптимальным образом распределить затраты на
развертывание системы, но при этом обслужить как можно большее число абонентов, необходимо правильно выбрать тип антенны и место установки базовой станции. В случае если система внедряется на территории с малой плотностью населения, очевидно, что базовую станцию нужно укомплектовать антенной с самой широкой диаграммой направленности, так как это позволит покрыть наибольшую территорию и обслужить всех потенциальных абонентов без установки дополнительного оборудования. И, напротив, в случае высокой плотности населения целесообразнее устанавливать антенну с узкой диаграммой направленности, так как это дает возможность увеличивать число обслуживаемых абонентов при помощи установки дополнительных антенн
Литература
1. Мамаев Н.С. Спутниковое телевизионное вещание. — М.: Радио и связь, 1995. — 392 с.
2. Рихтер С.Г. Цифровое радиовещание. — М.: Горячая линия. — Телеком, 2008. — 560 с.
3. Локшин Б.А. Цифровое вещание: От студии к телезрителю. — М.: Радио и связь, 2001. — 220 с.
4. Карякин В.Л. Цифровое телевидение. — М.: Салон-Пресс, 2008. — 351 с.
ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ АВТОРОВ
I. Требования к авторским материалам
1. Текст: ■ формат Microsoft Word; ■ поля документа - все по 2 см; ■ шрифт - Times New Roman, кегль 12;
■ межстрочный интервал - 1,5 (в таблицах - 1,0); ■ текст должен быть без отступов и переносов; ■ страницы должны быть пронумерованы - внизу справа
2. Рисунки (схемы, графики и т.п.), формулы - должны быть выполнены либо средствами Microsoft Word, либо в форматах EPS (предпочтительно), CDR, AI.
3. Фото - присылаются отдельными файлами в форматах PSD (предпочтительно), TIFF, IPEG, с разрешением не менее 300 dpi.
4. Список литературы должен быть представлен в соответствии с действующим ГОСТом
II. Сведения об авторах
■ Фамилия, полное имя и отчество автора (авторов, если их несколько); ■ ученая степень и ученое звание автора (авторов); ■ контактный телефон и E-mail автора (авторов); ■ места работы (учебы) и должности всех авторов11
III. Аннотация
Статья должна сопровождаться краткой аннотацией и списком ключевых слов на русском и английском языках.
IV. Общая информация
■ Публикации принимаются только оригинальные статьи (ранее нигде не публиковавшиеся); ■ все научные статьи проходят обязательное рецензирование; ■ авторы несут ответственность за недостоверные сведения, содержащиеся в их материалах; ■ за публикации не рекламного характера плата не взимается.
1) - по желанию авторов их места работы и должности могут не публиковаться в журнале, но эти сведения обязательно должны быть в редакции.
