CC BY
62
УДК 621.316.722
Снижение шумов ингрессии в интерактивных мультимедийных кабельных системах
В.М. Артюшенко, К.А. Енютин, А.В. Маленкин
Рассмотрены вопросы, связанные с уменьшением уровней шумов ингрессии в интерактивных мультимедийных сетях кабельного телевидения; показано, что одним из эффективных методов борьбы с шумами ингрессии является применение технологии Ingress Safe®, позволяющей улучшить уровень отношения несущая/шум в среднем на 6 дБ.
Reduction of ingression noises in the interactive multimedia cable systems was considered. It is shown that the Ingress Safe® technology is one of the effective means of reduction of ingression noises. The technology makes it possible the C/N correlation to improve by 6 dB.
Введение
Современное телевизионное вещание уже невозможно представить без высокотехнологичных интерактивных систем кабельного телевидения (СКТ) [1-3]. Обусловлено это не только возрастающими потребностями в уровне информатизации общества, но и необходимостью расширения спектра предоставляемых населению информационных услуг. Наступает эра цифрового телевидения с ее огромным информационным потенциалом. Уже недостаточно иметь информационный поток в сторону абонента. Для диагностирования состояния системы, мониторинга и предоставления абонентам дополнительных услуг необходимо наличие обратного информационного канала в сторону головного оборудования.
Системы кабельного телевидения являются достаточно универсальными системами связи, на базе которых потребителю можно предоставить не только широкий спектр телевизионных и радиовещательных программ, но и при использовании обратного канала реализовать системы передачи данных, обладающие большими функциональными возможностями.
Современная СКТ способна обеспечить передачу двунаправленных потоков информации в цифровом формате с различной скоростью - для телефонии, передачи данных, доступа в Интернет, телеметрии (охранная и пожарная сигнализация и т.д.), а также различных узкополосных сигналов, например, для мониторинга состояния оборудования сети СКТ [4-6].
Быстрое развитие технологий, в первую очередь тех, которые связаны с перспективными цифровыми методами модуляции, временным и частотным уплотнением, открывает широчайшие возможности для передачи различных видов информа-
ции с использованием гибридной информационной среды. Для передачи такого объема информации в СКТ в двух направлениях наиболее целесообразно использовать гибридную волоконно-коаксиальную сеть Hybrid Fiber Coax (HFC).
Такая сеть состоит из волоконно-оптической магистрали, иногда называемой оптической транспортной сетью, и коаксиальных участков, ограничивающих распределение сигнала от 500 до 2000 абонентов. Сигналы в транспортной сети передаются к узлам оптической сети с использованием амплитудной модуляции. От оптических узлов они распределяются с помощью магистрального усилительного оборудования. Последним отрезком передачи в такой сети является дистрибутивная или домовая сеть.
Создание интерактивных сетей кабельного телевидения является экономически выгодным мероприятием. Это прежде всего связано с привлечением внебюджетных инвестиций: акционирование, абонентская плата, реклама, оказание различных коммерческих услуг.
Важнейшим этапом проектирования интерактивных систем кабельного телевидения является расчет уровней напряжений информационного сигнала в обратном канале СКТ, при которых необходимо обеспечить требуемое качество и скорость передачи информации в условиях интенсивного воздействия внешних электромагнитных помех -шумов ингрессии. Шумы ингрессии формируются разными источниками мощных радиосигналов, которые проникают в коаксиальный кабель и смешиваются с передаваемым сигналом.
Шумы ингрессии, возникающие на частотах обратного канала, могут быть охарактеризованы как мощные внешние радиосигналы, появляющиеся в произвольные моменты времени в узкой частот-
ной полосе. Эти сигналы могут проникнуть в кабельную сеть в любом месте, где поврежден экран кабеля. Благодаря своей физической природе они имеют тенденцию динамично изменяться во времени (от миллисекунд до минут), по частоте (наибольшая интенсивность в диапазоне 5...15 МГц).
Данный вид шумов практически не поддается расчетам. Тем не менее, в качестве исходных данных рекомендуется использовать значение уровня шумов ингрессии 36.42 дБмкВ (в наихудший период времени с 19 до 23 ч).
Представляют опасность небрежно инсталлированные или корродированные домовые и распределительные разъемы, абонентские кабели низкого качества, абонентские терминалы, прокладка кабеля самими абонентами, поврежденный распределительный кабель, поврежденное распределительное оборудование, а также недостаточно надежное заземление системы.
Основными источниками шумов ингрессии являются системы радиокоммуникаций, электромоторы, переключатели, выключатели, высоковольтные линии передач, электростатические разряды.
Шумы ингрессии, поражающие СКТ, могут создавать множество проблем, таких как перегрузка лазеров обратного канала, искажение сигналов обратного канала, уменьшение частотного ресурса обратного канала и др.
При суммировании шумов ингрессии происходит их фазовая корреляция, которая приводит к тому, что суммирование пораженных ингрессией сигналов, поступающих с двух «веток» сети СКТ, приводит к ухудшению совокупного отношения несущая/шум (С/К) более чем на 3 дБ (10^2). Если бы корреляции между шумами не было, то ингрес-сия, как и обычный шум, при суммировании добавляла бы в знаменатель 3 дБ (10^2). В случае 100%-ного совпадения ингрессия складывалась бы как напряжение и увеличение шума составило бы 6 дБ (201082) [7].
Как правило, реальная величина шумовой добавки колеблется в пределах от 131о§2 до 171082, при этом С/К снижается на 3,9—5,1 дБ.
Практика и многочисленные измерения показывают, что более 80% шумов ингрессии проникает в сеть через разводку в доме абонента. Большая часть ингрессии появляется в сети в результате самостоятельной установки абонентом дополнительных усилителей, делителей, разъемов и коаксиальных кабелей. Как правило, все это электротехническое оборудование характеризуется низким уров-
нем экранирования. Например, у коаксиального кабеля домовой распределительной сети экранировка обычно лежит в пределах от 25 до 40 дБ. Разъемы с пластиковой изоляцией 1ЕС, применяемые для подключения телевизоров, также имеют слабое экранирование и являются источником шумов.
Радикально решить проблемы с наводками можно только при условии создания качественной разводки в доме абонента. Однако для этого нужен доступ в его дом, что, как правило, возможно, только в том случае, если абонент подписывает договор на предоставление ему интерактивных услуг. Большинство же квартир и частных домов остаются недоступными. На отводах к таким абонентам можно использовать фильтры, отсекающие полосу обратного канала.
С чисто технической точки зрения это отличное решение, но установка тысяч таких фильтров требует огромных вложений. Более того, по мере подключения абонентов к интерактивным услугам фильтры приходится просто выкидывать. Поэтому предпочтительнее использовать способ борьбы, не требующий периодических замен.
Рассмотрим абонентскую разводку более подробно. Большинство абонентов имеет как минимум два телевизора, самостоятельно подключенные ими через сплиттер и коаксиальный кабель. В силу низкого уровня экранирования кабеля и сплиттера такая конструкция, по существу, представляет собой дипольную антенну для приема шумов ингрессии, которые направляются в обратный канал СКТ. В данном случае шумами ингрессии будут являться все нежелательные радиочастотные сигналы, среди которых можно выделить следующие категории: помехи, создаваемые сигналами промежуточной частоты телевизора, радио или видеомагнитофона (10,7/38,9 МГц); помехи диапазона гражданской связи (27 МГц); радио коротковолнового диапазона; бытовые устройства (пылесосы, кухонная аппаратура, фены и т.д.).
Этот список, хотя и не полный, включает в себя наиболее распространенные источники ингрессии. Их общей особенностью является то, что один источник ингрессии поражает одновременно и сплиттер, и разные «ветки» коаксиального кабеля, т. е. шумы, приходящие из разных «веток», будут коррелированны по частоте и фазе.
В этом можно убедиться на примере сигналов коротковолнового радио, когда они в качестве помехи проникают в сеть и поражают все абонентские отводы. Как правило, это происходит в тех случаях,
когда абонент СКТ находится недалеко от передающей антенны.
Если рассматривать волну, близкую к стоячей, то в точке попадания волны на кабельную сеть ее фронт близок к прямой линии, поэтому сигнал в трех смежных точках СКТ приходит с очень незначительной разницей в фазе, а фазовый разнос, дополнительно вносимый за счет разницы в длине абонентских отводов, минимален.
Можно показать, что при разнице между длиной отводов в один метр частотный разнос сигналов на 10 МГц дает фазовый сдвиг примерно в 8°, а частотный разнос на 20 МГц - сдвиг примерно 16°.
На рис. 1 показан стандартный разветвитель (сплиттер), применяемый в СКТ, имеющий один общий порт и два или более портов для ввода/вывода отдельных «веток». Они являются выходами для сигналов прямого канала и одновременно входами для обратного канала. То есть сплиттер работает, в частности, как сумматор шумов ингрессии.
Рис. 1. Типовой разветвитель, применяемый в СКТ
На рис. 2 показана работа сплиттера как сумматора помех.
Поскольку помехи на оба входа поступают из одного источника, то их частота, уровень и фаза примерно одинаковы и их сумма превысит каждый из исходных сигналов примерно на 6 дБ.
Уровень радиочастотного сигнала по напряжению может быть выражен как и = Ш t,
где Ш = 2лК
Разветвитель имеет два одинаковых сигнала на входах обратного канала, для которых справедливы следующие соотношения:
•^1 = -^Ъ ит\ = ит2; Ш t\ = Ш Ы ф 1 ^ ф 2.
Вычислим сумму этих сигналов:
и = ит\$,тШ t + ит2 8т(Ш t + ф ).
При ф = 0° оба сигнала будут суммироваться, при ф = 180° оба сигнала «добавятся» в противо-фазе, т. е. сумма окажется нулевой.
Приведенные вычисления могут быть проиллюстрированы графически, в форме векторного представления суммарного сигнала (рис. 3).
____________а)____________________б)______________
Рис. 3. Графическая иллюстрация векторного представления суммарного сигнала: а - (j 1 - j 2)= 45°; б - (j 1 - j 2)= 225°
На рис. 3,o вектор одного сигнала ингрессии Ui имеет фазовый угол 90°, а второй U2 - 45°. Сумма этих сигналов изображена как Uj. При Ui = 1 В, U2 = 1 В и (j 1 - j 2) = 45° имеем Uj = 1,414 В.
На рис. 3,6 показаны те же сигналы, но вектор U1 сдвинут по фазе еще на 180°, т. е. фазовый угол между сигналами ингрессии составляет 270° вместо 90°. Сумма сигналов (вектор Uj) при этом существенно меньше. При U1 = 1 В, U2 = 1 Ви (j 1 - j 2) = 225° имеем Uj = 0,7 В.
Таким образом, в данном случае фазовая инверсия сигнала приведет к уменьшению уровня суммарного шума вдвое.
На практике шумы ингрессии на двух соседних входах разветвителя будут также коррелированны по фазе и частоте, но уровни сигналов будут разными.
На рис. 4 приведены примеры суммирования сигналов ингрессии с разными амплитудами и разными фазовыми разносами. Если фаза одного из сигналов не сдвинута на 180°, то суммарный сигнал всегда больше. Исключение составляет случай, изображенный на рис. 4,г, где сигналы ингрессии имеютразносв 180°.
Практическая реализация фазовой инверсии Ingress Safe® показана на рис. 5 [7].
В одном из портов двухвыходного сплиттера устанавливается широкополосный трансформатор. Если шумы ингрессии, поступающие на оба порта, имеют общий источник, то теоретически, в силу
Рис. 2. Суммирование помех при работе сплиттера
і!
Рис. 4. Результаты суммирования двух сигналов ингрессии с разными амплитудами и фазовыми разносами: а -(ф 1 - ф 2) = 0°; б - (ф 1 - ф 2) = 45°; в - (ф 1 - ф 2) = 90°; г - (ф 1 - ф 2) = 180° кривая 1 - сигнал ингрессии и1 = 1В; кривая 2 - сигнал ингрессии и2 = 0,5 В; кривая 3 - суммарный сигнал ингрессии И^.
Рис. 5. Принципиальная схема реализация фазовой инверсии с использованием технологии Ingress Safe®
фазовой инверсии одного из сигналов, эти шумы должны взаимно уничтожаться. Но если через такой разветвитель суммируются сигналы от двух кабельных модемов, то на них инверсия никак не отразится, так как они не коррелированны ни по фазе,
ни по частоте. Не будет сказываться она и на разветвляемых сигналах прямого канала.
На рис. 6 представлены усредненные результаты спектроанализатора, измеряющего случайные шумы ингрессии в полосе частот обратного канала от 5 до 55 МГц. Измерения осуществлялись для двух случаев. В первом случае к спектроанализатору подключался вход обычного разветвителя, к одному из портов которого был подключен провод, работающий как антенна, набирающий шумы ингрессии. Во втором случае к спектроанализатору подключали тот же разветвитель, но отрезки кабеля, набирающие ингрессию, были подключены уже к двум его портам.
Рис. 6. Усредненные результаты измерения шумов ингрессии на входе обычного разветвителя: кривая 1 - шумы ингрессии при наличии одного порта; кривая 2 - шумы ингрессии при наличии двух портов
На рис. 7 представлены усредненные результаты спектроанализатора, подключенного к разветвителю Ingress Safe®. В первом случае к спектроанализатору подключался вход разветвителя Ingress Safe®, к одному из портов которого был подключен отрезок кабеля. Во втором случае отрезки кабеля, набирающие шумы ингрессии, были подключены к двум портам разветвителя Ingress Safe®.
Рис. 7. Усредненные результаты измерения шумов ингрессии на входе разветвителя Ingress Safe®: кривая 1 - шумы ингрессии при наличии одного порта; кривая 2 - шумы ингрессии при наличии двух портов
Сравнивая представленные на рис. 6 и 7 зависимости, видно, что уровень суммарной ингрессии
при использовании разветвителя Ingress Safe® зачастую более чем на 30 дБ ниже, чем при использовании обычного сплиттера. Однако следует заметить, что эти измерения производились в ситуации, близкой к идеальной.
Статистика реальных измерений показывает, что в среднем применение технологии Ingress Safe® улучшает уровень C/N примерно на 6 дБ [7]. Подобное повышение C/N наблюдалось в коаксиальном кластере, объединяющем около 1000 абонентских отводов. Так как эффект от фазовой инверсии тем выше, чем больше частотное и фазовое совпадение двух шумовых сигналов, то разветвители с Ingress Safe ® следует устанавливать прямо у абонентов или в максимальной близости от их домов.
Данная технология может быть интегрирована в пассивные устройства любого рода, а в уже имеющиеся инсталляции можно добавлять внешние фазовые инверторы сигнала.
Потери на входе каждого порта сплиттеров с Ingress Safe® составляют приблизительно 0,4 дБ, а потери на внешних фазовых инверторах - приблизительно 0,5 дБ, однако потеря 0,5 дБ на 50% отводов компенсируется выигрышем C/N в 6 дБу 100% абонентских подключений.
На рис. 8 показана схема двух- (а) и четырехвыводных (б) ответвителей с интегрированной системой Ingress Safe® [7].
Рис. 8. Схема ответвителей с интегрированной системой Ingress Safe®: а - двухвыводной; б - четырехвыводной
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы.
Применение технологии Ingress Safe® в среднем улучшает уровень C/N примерно на 6 дБ. Несмотря на то, что потери на входе каждого порта сплиттеров с Ingress Safe® около 0,4 дБ, а потери на внешних фазовых инверторах - около 0,5 дБ, потеря 0,5 дБ на 50% отводов компенсируется выигрышем C/N в 6 дБ у 100% абонентских подключений.
Технология Ingress Safe® может быть интегрирована в пассивные устройства любого рода, а в уже имеющиеся инсталляции можно добавлять внешние фазовые инверторы сигнала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Артюшенко В.М., Ашиткое К.И. ,3еликман М.И.и др. Системы интерактивного кабельного телевидения диапазона частот до 600 МГц / Под ред. Ф.Л. Айзина и О.И. Шелухина. - М.: ГАСБУ, 1994.
2. Артюшенко В.М., Соленое В.И. Монтаж систем кабельного телевидения.-Алма-Аты.: КазНИИЭО АПК, 1996.
3. Песков С.Н., Таценко В.Г., Шишов А.К. Интегрированные интерактивные сети передачи информации на основе коллективных сетей кабельного телевидения. - Теле-Спутник, 1998, № 6, с. 62 - 64.
4. Суворов А.А. Повышение эффективности реверсного канала интерактивной сети системы кабельного телевидения.- Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2006, т.4, №3, с.16 - 20.
5. Песков С.Н., Барг А.И., Нестеркин В.А. Основные положения по реверсному каналу. Ч. 1: Понятия и определения реверсного канала. - Сайт компании «Контур-М».
6. Песков С.Н., Шишов А.К. Опыт построения интерактивных мультимедийных кабельных сетей коллективного телевизионного приема. Ч. 3: Реверсный канал. - «625», 2004, №3.
7. Бителева А. Система снижения шумов ингрессии Ingress safe. По материалам фирмы Tratec. - ТелеСпутник, 2007, №3 (137).
Поступила 07. 05. 2008 г.
