Одночастотные сети цифрового эфирного вещания – преимущества и особенности построения


Применение цифрового телевидения в наземном телевизионном вещании представляет новые технологические возможности, которые должны быть полностью поняты, чтобы лучше всего использовать этот мощный инновационный инструмент. Одночастотные сети (Single Frequency Network — SFN) существенное преимущество, предлагаемое цифровой модуляцией COFDM, используемой в стандарте DVB-T.

Здесь, мы можем иметь множество передатчиков, которые покрывают смежные области, и работают на одной частоте, передавая одинаковые программы. При этом использование всего одного канала излучения происходит без взаимного влияния, значительно экономя частотный ресурс. Одночастотные сети используются в Англии, Швеции, Испании и Франции. Они представляют собой отнюдь не лабораторный интерес: это — испытанный и эффективный способ эксплуатации сети вещания в реальных условиях.Одночастотную аналоговую сеть вещания сделать фактически невозможно. В аналоговых системах, используя технологию смещения несущей частоты, теоретически можно уменьшить интерференцию в пределах зоны действия каждого передатчика по отношению к передатчикам, покрывающим смежную область. Однако, на практике появляются области существенного влияния, в которых качество сигнала ухудшается значительно, даже в случае чрезвычайно хорошо запланированных зон покрытия и применения направленных антенных систем. Цифровые одночастотные сети (SFN) построены следующим образом. Прежде всего, особые требования предъявляются к точности/стабильности частоты. Для передатчиков многочастотных сетей (MFN) нормой является отклонение в 100 Гц, а для передатчиков SFN точность должна быть намного больше. В сетях SFN все передатчики должны быть синхронизированы на одной частоте, что обычно обеспечивается сигналом спутниковой навигационной системы GPS. Сигнал, излучаемый спутниками GPS, может быть получен почти всюду в мире и содержит очень точную информацию времени.Точность/стабильность частоты при этом будет иметь порядок величины 1 Гц. Каждый передатчик SFN должен передать точно тот же самый Транспортный Поток (TS — цифровой поток данных, содержащий программы) и излучать его синхронно с другими передатчиками. Внутри Транспортного Потока, обычно при генерации в Мультиплексоре, цифровой поток данных разделяют на «Мегаструктуры», и в них добавляются данные MIP (Пакет Инициализации Мегаструктуры — MIP), чтобы синхронизировать излучение каждого передатчика в сети. Синхронизация достигается благодаря сигналу частотой 1 Гц (1pps — 1 импульс в секунду) принимаемый приемниками GPS. Теперь сигналы всех передатчиков излучаются синхронно на одной частоте и имеют одинаковые биты данных. Для одночастотной сети вещания главным достоинством цифровой модуляции СOFDM является успешная борьба с эхо-сигналами, которые могут возникать из-за отражений от окружающих предметов или при работе нескольких передатчиков на одном и том же радиочастотном канале. Собственно говоря, система COFDM способна использовать с выгодой некоторые виды эхо-сигналов (т.е. те, которые усиливают принимаемый сигнал) и игнорировать эхо-сигналы, которые сказываются отрицательно на полезном сигнале. Главная особенность, позволяющая в сети SFN избежать взаимного влияния в зонах, где накладываются сигналы — защитный интервал. Защитный интервал — временной интервал, после передачи каждого символа, в течение которого передатчик не излучает никакого полезного сигнала. Это позволяет приемнику, Синхронизированному с передатчиком не принимать сигналы в течении защитного интервала. Таким образом, приемники, не подвержены возможным «наложениям» символов, которые могли бы сделать полученный сигнал невозможным для демодуляции, даже если его уровень будет достаточно хорошим. Чем длиннее защитный интервал, тем больше времени, чтобы гасить нежелательное эхо. Но при этом ниже количество данных , которые могут быть переданы (скорость передачи Bit rate — число и/или качество программ). Защитный интервал может быть установлен от нескольких микросекунд до, более чем 200 микросекунд, чтобы гасить отраженные сигналы, прибывающие от разных передатчиков, как близко расположенных, так и расположенных на расстоянии до 70 км. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света; то есть приблизительно 300 м. в 1 микросекунду. В режиме 2K IFFT (модуляция OFDM с 1705 несущими), имеющем символьную скорость выше, чем в режиме 8 K IFFT (6817 несущих), возможные защитные интервалы имеют более короткую продолжительность, будучи всегда выраженными как доля продолжительности времени символа (1/4; 1/8; 1/16; 1/32). Поэтому в сетях SFN чаще используют режим 8 K IFFT с более длинными защитными интервалами. Различия между режимами 2К IFFT и 8К IFFT. Выбор величины защитного интервала для одночастотной сети оказывает решающее влияние на топологию сети: поскольку длительность интервала определяет допустимую для данной сети величину задержки эхо-сигнала, то она и определяет максимальное расстояние между передатчиками. Резюме. Чтобы построить сеть одночастотную сеть цифрового вещания (SFN): — Транспортный Поток должен быть сформирован мультиплексором, который, должен иметь приемник GPS (чтобы гарантировать точность частоты сгенерированных данных); и иметь возможность вставлять Пакеты Инициализации Мегаструктуры (MIP), — Все передатчики должны быть синхронизированы приемниками GPS, — Планирование сети (выбор мощности и местоположения передатчиков, диаграммы направленности антенных систем, и т.д.) должно быть выполнено, таким образом, чтобы уменьшить до минимума, возможные, области интерференции, — Сеть должна быть «оптимизирована», регулировкой защитного интервала, чтобы свести интерференцию в зонах взаимного влияния передатчиков к минимуму. Всегда, даже при самом тщательном планировании одночастотной сети на границе зоны уверенного приема имеются места, где прием сигнала затруднен или даже невозможен. Это могут быть низины ландшафта, местность за небольшим холмом или высотным зданием, пространство в туннеле или даже внутри здания. Модуляция СOFDM предлагает нам возможность решить эту проблему при помощи ретрансляторов (Gap Fillers). Они представляют собой маломощные и довольно простые устройства, которые принимают и передают на одном и том же канале, и следовательно, имеют туже самую частоту, что и вся сеть. Их излучение не может мешать другим передатчикам одночастотной сети (SFN), вследствие небольшой мощности. В то же время, они устойчивы к отраженным сигналам, что обусловлено наличием защитного интервала. Техническое ограничение ретрансляторов, работающих на том же канале — изоляция между передающей и приемной антеннами. Так, в случае, если выходная мощность ретранслятора слишком высока, он будет возбуждаться. Следовательно, особое внимание нужно обратить на местоположение передающей и приемной антенн, чтобы гарантировать максимальную возможную изоляцию, и, в то же время, иметь достаточную мощность для покрытия зоны неуверенного приема. Приведем пример, основанный на реальных данных. Чтобы иметь изоляцию 80 дБ между передающей и приемной антенной, достаточно использовать хорошую направленную приемную антенну с высоким коэффициентом усиления (например, 15 dBi), и иметь уровень принимаемого сигнала -40dBm (соответствующий 67 дБмкВ). Выходная мощность ретранслятора при этом может быть 1Вт. В зависимости от установки параметров цифрового DVB-T ретранслятора мощностью 1Вт, площадь покрытия может быть сопоставима с площадью покрытия аналогового передатчика мощностью 100Вт. Ретрансляторы (Gap Fillers) производятся в различном исполнении, в зависимости от уровня мощности и особенностей применения: o «профессиональные» ретрансляторы, с двойным преобразованием частоты, с ПАВ фильтром и различными уровнями выходной мощности до 10Вт, o «упрощенные» ретрансляторы, без преобразования частоты, с выходной мощностью до нескольких сотен милливатт. Следует заметить, что ПАВ фильтр вносит значительную задержку (обычно около 1,5мксек), что, однако несущественно, благодаря вводимому защитному интервалу, особенно в режиме IFFT 8 K.

Подготовлено по материалам статей сайтов http://www.abe.it/ и
http://www.abe-digital-lega.ru/?to=site_categs&action=desc&id=6