85933

Разработка проекта системы цифрового наземного телевизионного вещания на территории города Шебекино

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Целью данной курсовой работы является разработка проекта системы цифрового наземного телевизионного вещания, которая обеспечивала бы устойчивый прием программ цифрового телевидения на территории города Шебекино. Переход к цифровым методам передачи обычно связывают с улучшением качественных показателей видеоизображения.

Русский

2015-04-01

2.9 MB

11 чел.

ВВЕДЕНИЕ

Эпоха аналогового телевидения подходит к концу. Недаром Еврокомиссия обязала все страны, входящие в Европейский Союз, закончить полный переход к цифровому телевещанию уже к 2015 г. Многие государства решили незамедлительно выполнить данный переход. К примеру, инженеры в области телекоммуникаций Финляндии и Швеции добились того, что их страны почти полностью были покрыты сетью цифрового телевидения уже в 2007 году.

В России цифровое телевиденье развивается тоже, но не так быстро, как хотелось бы нам.  Как утверждает министр связи и массовых коммуникаций Российской федерации Щёголев О. И., наша страна, входящая в Региональное содружество в области связи (РСС), может полностью заменить аналоговое телевидение цифровым к 2015 г. Кроме нас, данный переход к 2015 году на цифровое вещание  поддержали остальные страны-участницы РРС: Азербайджан, Армения, Белоруссия, Грузия, Казахстан, Киргизия, Молдавия, Таджикистан, Туркмения. В настоящее время в нескольких российских городах уже организовано экспериментальное цифровое телевещание. По их опыту и будут судить об уровне расходов и перспективах, которые даст рядовому зрителю переход на цифровое телевещание.

Целью данной курсовой работы является разработка проекта системы цифрового наземного телевизионного вещания, которая обеспечивала бы устойчивый прием программ цифрового телевидения на территории города Шебекино. Переход к цифровым методам передачи обычно связывают с улучшением качественных показателей видеоизображения. Наиболее эффективным путем обеспечения качественного приема является: выбор оптимального места установки приемной антенны и типа антенной системы.

Основной задачей данной курсовой работы является выбор оптимального способа и технологии доставки телевизионных программ ко всем абонентам города Шебекино.

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.   

  1.  Анализ существующих условий приёма ТВ сигнала в городе Шебекино.     

Город Шебекино является административным центром Шебекинского района Белгородской области. Город расположен на большой равнине, сразу за Харьковской горой, в приграничной с Украиной территории, в 7 км от реки Северский Донец, в 32 км по автотрассе от Белгорода. Площадь города 41 км2 . Общая численность населения по состоянию на 2010 год составляет 45415 человек.

Рис 1. Снимок со спутника города Шебекино.

 

  Климат исследуемой территории умеренно-континентальный, с жарким сухим летом и изменчивой прохладной зимой. Осадков 480-550 мм в год, в основном летом.

  •  Среднегодовая температура воздуха - 6,3°C
  •  Среднегодовая влажность воздуха - 76%
  •  Среднегодовая скорость ветра - 5-7 м/с

Таблица 3. Климат исследуемойтерритории.

Климат

Показатель

Янв

Фев

Мар

Апр

Май

Июн

Июл

Авг

Сен

Окт

Ноя

Дек

Год

Средний максимум, °C

−4,8

−3,3

1,9

12,6

20,7

23,6

25,1

24,3

18,6

11,0

2,7

−1,8

10,9

Средний минимум, °C

−11,1

−9,6

−4,9

3,2

9,4

12,6

14,3

13,3

8,4

3,1

−2,5

−6,9

2,4

Норма осадков, мм

52

40

36

46

48

67

72

53

49

40

52

50

605

Самый холодный месяц – январь. Безморозный период составляет 155-160 дней.

самые дождливые месяцы - июнь и июль.

При анализе местности по фотоснимкам со спутника (рис.1) было выявлено, что рельеф местности в городе Шебкино носит равнинный характер, разброс высот небольшой, но город находится в приграничной с Украниной территории, также в зоне неуверенного приёма белгородского Ортпц и районной ррс, что находится рядом с селом Зимовное. В ходе курсового проекта необходимо решить задачу обеспечения города Шебекино и всей территории с ИЖС застройкой в районе города уверенным приёмом ТВ сигнала. Также необходимо увеличить количество телевизионных каналов, которые смогут принимать абоненты.

2.Анализ стандартов ТВ вещания.

2.1.Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T.

      Система цифрового наземного ТВ вещания DVB-T (Система В в МСЭ-Р) определяется как функциональный блок оборудования, обеспечивающий адаптацию цифрового ТВ сигнала, представленного в основной полосе частот на выходе транспортного мультиплексора MPEG-2, с характеристиками стандартного наземного радиоканала вещания, имеющего ширину полосы частот 8 МГц.

Поскольку система DVB-T, как и любая другая система ЦНТВ, должна использовать существующие частотные планы и в течение достаточно длительного переходного периода обеспечивать вещание наряду с действующими аналоговыми ТВ системами (в России стандарта D,K/SECAM), она должна обладать требуемой помехозащищенностью со стороны аналоговых систем и не должна создавать недопустимых помех для них.

Рис7.Структурная схема передающей части системы DVB-T

Выход транспортного мультиплексора является точкой стыка подсистем формирования и передачи транспортных пакетов. Таким образом, входным сигналом тракта адаптации является поток транспортных пакетов фиксированной длины 188 байт, из которых один (первый) байт служит для цикловой синхронизации. 

Построение подсистемы кодовой защиты в системе DVB-T выполнено по традиционному для систем ЦНТВ каскадному принципу. Для защиты от ошибок в демодулируемом сигнале COFDM служит внутренний сверточный кодек с набором различных кодовых скоростей и относящийся к нему блок внутреннего перемежения-деперемежения битов. Для исправления пакетов ошибок и дополнительного снижения вероятности ошибки в декодированном сигнале служит внешний кодек Рида-Соломона и внешний перемежитель-деперемежитель байтов транспортного потока.

При разработке подсистемы кодирования для канала в системе DVB-T были максимально учтены требования близости структуры и параметров к спутниковой (DVB-S) и кабельной (DVB-C) системам. Так, схемы внешнего кодирования и внешнего перемежения являются одинаковыми во всех трех системах DVB. Схемы внутреннего кодирования и рандомизации (скремблирования) соответствуют таковым в спутниковой системе DVB-S.

2.2. Система цифрового спутникового ТВ вещания DVB-S.

        Система  (DVB-S) предназначена для первичного и вторичного распределений программ цифрового ТВ вещания по спутниковым каналам с различной шириной полосы транспондера. Оператор может выбирать скорость передачи символов данных с целью оптимизации использования полосы частот спутникового ретранслятора. Передача сигналов отдельных составляющих программ ТВ вещания осуществляется на одной цифровой несущей с временным разделением каналов. Передача цифровых сигналов МПТВ осуществляется в полосах частот как фиксированных, так и вещательных спутниковых служб. Полоса частот канала определяется транспондером используемого ИСЗ и требуемой скоростью данных.

Система DVB-S полностью совместима с форматом транспортного пакетирования данных, соответствующего стандартам MPEG-2 [4]. Цифровой кадр системы DVB-S синхронен с мультиплексированными транспортными пакетами MPEG-2.

Система DVB-S представляет собой функциональный блок, обеспечивающий сопряжение цифрового сигнала программы ТВ вещания на выходе транспортного мультиплексора MPEG-2 с характеристиками спутникового канала. Структурная схема передающей части системы DVB-S показана на рис.  8.

На передаче выполняются следующие преобразования потока данных для его адаптации к каналу:

  •  транспортное мультиплексирование и рандомизация для дисперсии энергии;
  •  внешнее кодирование с помощью кода Рида-Соломона;
  •  сверточное перемежение;
  •  внутреннее кодирование с использованием выколотого сверточного кода;
  •  формирование сигнала в основной полосе частот;
  •  модуляция.

Рисунок 8. Структурная схема передающей части системы DVB-S

        Для спутниковых систем ТВ вещания характерны ограниченная мощность передаваемого сигнала и, следовательно, повышенная чувствительность к воздействию шумов и интерференционных помех. Совместное использование энергетически эффективной квадратурной фазовой модуляции QPSK и каскадного кодирования для канала на базе укороченного кода RS и сверточного кода в сочетании с алгоритмом декодирования Витерби с мягким решением обеспечивает высокую помехоустойчивость системы в условиях воздействия шумовых и интерференционных помех, а также нелинейности бортового ретранслятора.

         Благодаря согласованной фильтрации и прямому исправлению ошибок высокое качество приема достигается даже в экстремальных условиях, когда уровень принимаемого сигнала близок к значениям, соответствующим пороговым значениям отношений несущая/шум и несущая/интерференционная помеха. При этом гарантируется не более одной ошибки в час, что эквивалентно вероятности ошибок около 10-10-10-11 на входе демультиплексора MPEG-2 в приемнике-декодере.

2.3. Система цифрового кабельного ТВ вещания DVB-C.

Структура системы DVB-C максимально гармонизирована со структурой спутниковой системы DVB-S, но в качестве типа модуляции в ней используется M-QAM с числом позиций М от 16 до 256. На рис. 4.33 показана структура оборудования головной станции кабельной линии и абонентского приемника-декодера для такой линии.

Рисунок 9. Структурная схема системы DVB-C

Входными сигналами на головной станции являются транспортные пакеты MPEG-2 и такты, получаемые через интерфейс в основной полосе от:

  •  спутниковой линии,
  •  технологических линий,
  •  локальных программных источников и т.п.

Характерной особенностью рассмотренного тракта адаптации является отсутствие внутреннего сверточного кодека и наличие формирования спектра в основной полосе. Защита от пакетированных ошибок производится исключительно за счет перемежения на выходе кодера Рида-Соломона.

После сверточного перемежения непрерывную последовательность байтов необходимо разделить на короткие последовательности битов, каждая из которых соответствует символу QAM, т.е. определенной точке на квадратурной диаграмме модулированного сигнала. Такие последовательности двоичных символов называются кортежами. Длина кортежа т = log2(M), где М —   число позиций сигнала M-QAM.

Циклическая задача отображения байтов в кортежи для одного цикла может быть выражена формулой 8k = пт, где: k —   число преобразуемых байтов по 8 бит; п —   число кортежей длиной т бит.

2.4. Система мобильного ТВ вещания DVB-H.

Стандарт DVB-H (мобильное вещание) базируется на более раннем вышедшем стандарте DVB-T (цифровое эфирное вещание) в части расширения некоторых устанавливаемых параметров, ориентированных на условия приема цифровых сигналов в мобильных условиях.

Какие же задачи призвана решать система DVB-H? Основными из них являются:

-Экономия тока потребления аккумуляторной батареи мобильного терминала. Эта задача явилась определяющей при формировании концепции мобильного вещания.

-Устойчивый мобильный прием в движении, в том числе на больших скоростях.

-Возможность приема при многолучевом распространении сигнала, особенно в комнатных условиях.

-Полная совместимость с уже существующими сетями DVB-T.

Рисунок 10. Концептуальная структура DVB-Н приема.

    Главные отличия от DVB-T заложены в канальном уровне (т.е. уровне, выше физического уровня). Прежде всего - это квантование по времени и введение упреждающей коррекции ошибок (MPE - FEC), что позволило резко увеличить вероятность приема в сравнении с DVB-T.

Принцип временного уплотнения, позволяющего существенно экономить энергопотребление DVB-H терминала, показан на рис.3, из которого видно, что полезная информация передается/принимается с большой скоростью (например, 10 Мбит/с), но в очень короткий промежуток времени в сравнении со временем ожидания. Для качественного воспроизведения DVB-H TV услуги вполне достаточна скорость цифровой информации в 250 кбит/с. Таким образом, отношение времен отключения приемника и его работы составляет 40 (10/0,25 = 40), что эквивалентно экономии энергии порядка 90%. Стандартом DVB-H в дополнение к существующим режимам 2k и 8k (для DVB-Т) добавлен промежуточный режим 4k, как наиболее адаптированный для работы в ячейке среднего размера SFN сети.

Условные рекомендации по использованию того или иного режима могут быть сформулированы следующим образом:

Режим 8k – для использования SFN сетях любого размера (больших, средних и малых) и допускает наличие Допплеровского сдвига по частоте при высокоскоростном приеме (т.е. прием осуществляется в движении).

Режим 4k – для мало- и средне-размерных SFN сетей при значительных Допплеровских частотных сдвигах. Пригоден для приема на очень высоких скоростях.

Режим 2k - для малоразмерных SFN сетей. Гарантирует уверенный мобильный прием при самых высоких скоростях в движении (т.е при весьма значительных Допплеровских сдвигах по частоте).

       Компромиссное решение режима 4k позволяет обеспечить как портативный, так и мобильный прием при наиболее жестких условиях. Наиболее пригодной модуляционной схемой для DVB-H является формат 16 QAM со скоростью кодирования CR = 1/2 или CR = 2/3, которые обеспечивают достаточную пропускную способность для DVB-H услуг при приемлемом отношении несущая/шум (C/N).

       Построение DVB-H сетей экономически целесообразно осуществлять на базе уже существующей DVB-T сети при использовании иерархического режима. Иерархическая модуляция допускает передачу двух независимых потоков, имеющих различные рабочие характеристики и скорости передачи данных в одном и том же физическом ВЧ канале (т.е. в полосе 7,61 МГц). В этом случае транспортный поток (TS) канала с высоким приоритетом (НР) обладает помехозащищенностью, близкой к формату QPSK (т.е. максимально возможной). Иерархическая модуляция является самой рентабельной, т.к. она обеспечивает наибольшую эффективность спектра.

3.Выбор способа доставки и распределения транслируемого контента.

Существует несколько способов доставки телевизионного контента в район:

1) использование существующей системы аналогового вещания из Белгорода или близ лежащей телевизионной станции

2) использование каналов спутниковой системы телевещания

Современные системы телевизионного вещания развиваются в трех направлениях:

первое - интенсивный рост числа коллективных и индивидуальных установок спутникового телевизионного вещания;

второе - внедрение широкополосных сетей кабельного телевидения в полосе 5...862 МГц, способных предоставить телезрителю до 100 и более телевизинных программ;

третье - внедрение и развитие наземного ТВ при реализации систем, так называемого сотового телевещания (системы MMDS - Multichannel Microwave Distribution System - многоканальные, микроволновые системы распределения, LMDS - Local Multipoint Distribution System - локальные многоточечные системы распределения, MVDS - Multipoint Video Distribution System - многоточечные системы распределения телевизионных программ).

Рассмотрим подробней  виды сотового телевещания:

Система MMDS.

        Аббревиатура MMDS имеет несколько значений. Наиболее часто используется Microwave Multipoint Distribution System (MMDS) – микроволновая (СВЧ) многоточечная дистрибутивная система.

В настоящее время в России для вещания в прямом канале выделен диапазон 2,5 – 2,7 ГГц (24 канала с полосой в 8 МГц). Для реверсного канала (в случае интерактивной MMDS) выделяется участок частот в диапазоне 2,1 – 2,3 ГГц.

К достоинству MMDS следует отнести:

  •  Простоту доставки ТВ сигналов до абонента при охвате значительной площади.
  •  MMDS обладает относительно низкой стоимостью передающего оборудования, в основном зависящей от числа транслируемых каналов, мощности передающих устройств и вида MMDS.

При низкой канальной мощности передатчика (обычно не более 100 Вт) удается охватить значительную зону вещания (до 50-70 км) за счет высокого коэффициента усиления приемной антенны (18…25 dB). При этом важно выбрать правильное место установки антенной системы с учетом требуемой санитарной зоны (обычно не более нескольких десятков метров) и рельефа местности.

В одноканальном варианте для передачи n каналов применяется n передающих устройств, включающих модулятор (иногда его именуют возбудитель) и собственно канальный передатчик, а суммирование мощностей от всех передатчиков осуществляют в сумматоре.

В многоканальном варианте передаваемые n каналов сначала поступают на свои модуляторы, далее из них формируется групповой сигнал, который и подается на широкополосный передатчик.

Очевидно, что многоканальный вариант экономически более выгоден, однако следует учитывать, что с увеличением числа каналов канальная мощность снижается примерно в 2n  раз. Многоканальные передатчики целесообразно использовать в небольших городах и селениях городского типа, в которых радиус зоны покрытия не превышает 6-10 км.

В качестве источников сигнала используют традиционные головные станции, которые применяются и при построении сетей кабельного телевидения (СКТ).

При необходимости увеличения зоны охвата или при наличии теневых зон, устанавливаются ретрансляторы, работающие в автономном режиме.

Ретрансляторы (трансиверы) для систем MMDS представляют собой комбинацию приемника и маломощного передатчика. С учетом автономности работы ретранслятора, его часто выполняют в герметичном пыле - влагозащищенном корпусе и размещают непосредственно вблизи антенны с целью минимизации потерь в кабеле.

В настоящее время MMDS следует рассматривать как мультисервисную беспроводную (WireLess) систему телевидения, т.е. по полной аналогии с СКТ. Такая двунаправленная система должна в обязательном порядке иметь возможность подключения беспроводной головной системы модемов (WMTS – Wireless Modem Termination System), работающей по стандарту DOCSIS 3.0 WMTS.

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

  •  передатчик;
  •  приемник;
  •  головную станцию;
  •  WMTS, в сочетании с необходимыми серверами (рисунок 4).

Рис. 4. 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.

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.

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.

Рис. 5. 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.

Система LMDS.

LMDS представляет собой широкополосную систему беспроводных телекоммуникаций типа «точка-многоточка», которая функционирует в диапазоне частот 25-27 Ггц. Система LMDS предназначена для одно- или 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 2км и 8км. 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.

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.

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..

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

- Этот вариант больше подходит для застройки города Шебекино.

Таблица   4. Основные технические характеристики аналоговых и цифровых систем MVDS

Технические характеристики системы

Аналоговая ЧМ

Цифровая 4-ФМ (QPSK)

Мощность передатчика, Вт

4

4

Усиление передающей антенны, дБ

8

8

Число частотных каналов

24

6

Число передаваемых ТВ программ

24

24

Запас на потери в осадках, дБ/км

2,1

2,1

Усиление приемной антенны, дБ

33

33

Запас на юстировку антенны, дБ

2

2

Полоса пропускания приемника, МГц

27

33

Коэффициент шума приемника, дБ

6

6

Пороговое отношение сигнал/шум, дБ

12

6,8

Максимальный радиус зоны обслуживания, км

3

6

Основные технические параметры оборудования систем MVDS:

Передатчики. В качестве усилительных элементов в выходном каскаде передатчика применяют лампы и полупроводниковые приборы. Ламповый передатчик в полосе 2 ГГц может обеспечить мощность до 60 Вт, полупроводниковый - до 25 Вт. Однако стоимость полупроводникового передатчика значительно выше лампового, использование их оправдано там, где предъявляются повышенные требования по габаритным размерам, массе оборудования и по энергопотреблению.

Структурная схема приемника системы MVDS подобна схеме приемника в спутниковых системах с тем лишь отличием, что добавляется еще один малошумящий усилитель в полосе частот 40,5...42,5 ГГц и понижающий конвертер в полосу 10,7...12,7 ГГц для совместимости со спутниковым оборудованием.

В табл. 5 приведены основные технические характеристики передатчика и приемника системы MVDS.

В качестве передающих антенн на базовых станциях систем MVDS применяются антенны с круговой или секторной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, подобной антеннам систем MMDS .

Преимущество секторной антенны перед круговой заключается в более высоком коэффициенте усиления и обеспечении возможности излучения сигналов в двух поляризациях. Последнее обстоятельство особенно важно при работе системы в интерактивном режиме.

Таблица 5. Параметры передатчика и приемника системы MVDS.

Название параметра

Значение

аналоговая        система

цифровая          система

                                                   Передатчик

Выходная мощность на канале, мВт

200

500

Нестабильность частоты, МГц

±0,5

±0,5

Вид модуляции

ЧМ

4-ФМ

Разнос каналов по частоте, МГц

29,5

39

Приемник

Коэффициент шума, дБ

<11

<6

Усиление приемной антенны, дБ

33

33

Поляризация антенны

Линейная

Нестабильность частоты генератора, МГц

±5

±2,5

Групповое время запаздывания, не

<25

<20

В качестве приемных антенн могут применяться либо плоские антенные решетки или рупорные антенны с линейными размерами до 30 см.

Для преодоления препятствий или в зоне глубокой тени могут применяться активные ретрансляторы с мощностью на выходе единицы милливатт и пассивные.

В данном курсовом проекте доведение телевизионного сигнала до города Шебекино будет осуществляться по средствам коллективной приёмной установки. На головной станции необходимо расположить антенны для приёма сигналов от наземного ретранслятора (в данном случае ОРТПЦ г. Белгород). Доставка контента пользователям будет осуществляться по средствам сотового телевещания. Выбор этого способа доставки обусловлен тем, что Шебекино лежит в равнине, в городе большая часть домов не больше 5 этажей. Ретрансляционная станция благодаря удобному расположению на горе охватывает весь город. Кабельная сеть не способно обеспечить всё население города телевизионными программами, ввиду того что такие районы города как «МАШзавод», «МелКоП», «Титовка» находятся на большом расстоянии от центра города. Проведение кабельной сети в эти части города экономически невыгодно, поэтому сотовое телевиденье является идеальным вариантом. Современные системы такого типа обеспечивают передачу радиосигналов на экологически безопасных уровнях мощности (100 - 300 мВт на канал).

4.Расчёт радиолиний доставки телевизионного сигнала в город Шебекино

4.1. Расчёт радиолинии Белгород –Шебекино.

        Основной пакет телевизионных каналов коллективная приёмная установка в г. Шебекино будет принимать посредством 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».

Выбор места установки Головной станции обусловлен тем, что этот участок  является высшей точкой (180) и , соответственно сигнал будет приниматься и передаваться абонентам с наименьшими искажениями.

       Построим профиль пролёта: Белгород (ОРТПЦ) –Шебекино:

Таблица 6. Высотные отметки рельефа местности.

№ точки

k

h, (м)

R, (км)

1

0.1

136

0

2

0.23

122

5

3

0.36

128

10

4

0.5

143

15

5

0.66

156

20

6

0.8

181

25

7

1

180

28

Высота РТПС в г. Белгороде составляет 180 м.

Для уверенного приёма сигнала высота подвеса антенны в Шебекино должна составлять 30 м. (рисунок 7.)

Рис. 7 Карта высот и профиль трассы Белгород –Шебекино.

      

Рассчитаем просвет по 1й зоне Френеля без учета рефракции:

 k=R_1/R =0,5

 H_0=sqrt((R*lambda*k*(1-k))/3)= 5(м)

Просвет по 1й зоне Френеля с учетом рефракции:

просвет выбирают с учетом рефракции: 

Q=-(R^2/4)*(g+q)*k*(1-k)=1,2 (м)

W=H_0-Q = 3,80 (м)

Z=W+Q = 5 (м)

Таким образом просвет с учетом рефракции:

Z=W+Q = 5 (м)

А просвет без учета рефракции:

W=3,80(м)

Высоты подвеса антенн определяются из профиля трассы (рисунок 1). Для этого откладываем по вертикали от критической точки рассчитанный просвет.

Рисунок 8. Поиск препятствия с учетом и без учета рефракции  

Как видно из из (Рисунка 8) минимальный просвет составляет 33,5(м) , что больше чем рассчитанный минимальный просвет 5(м) и 3,80(м) с учетом и без учета рефракции.

Расчет минимально допустимого уровня сигнала на выходе антенны.

Найдём минимально допустимый уровень сигнала на выходе антенны для приема к.53 (727,25 МГц) системы SECAM (П = 5,75 МГц) с C/N = 42 dB (хорошее качество для индивидуального приема) при использовании мачтового усилителя с коэффициентом шума 2,5 dB. Потери в соединительном кабеле — 0,4 dB.
1. Суммарный коэффициент шума приемной системы составит:

2. Пользуясь справочными значениями табл. 1 и кривыми, представленными на  рис. 2, находим требуемое антенное напряжение:
Ua =59 db. 

Вычитаем из этого значения разницу между нормированным (C/N = 54 dB) и требуемым (C/N = 42 dB) значениями:

 

3.Найдём данное решение алгебраически :

Шумовая температура антенны:

Шумовая температура усилителя:

    

    Отношение сигнал/шум:

Получим:
ТА = 289 оС;

Т = 278,3 оК;

Для реализации приёма сигнала будем использовать эфирную всеволновую антенну Lokus L 025.12.(Рисунок 8). 

Рисунок 8. Антенна Lokus L 025.12

Технические характеристики:

-Диапазон частот, МГЦ: 40-800

-Коэффициент усиления, дБи, не менее: ДМВ 21-60 каналы 13,5

-Габаритные размеры (ДхШхВ),мм: 530х700 (без вибраторов)

 

Другие характеристики:

-Волновое сопротивление, Ом : 75

-Напряжение питания усилителя, В: 12±1

-Ток потребления, мА, не более: 65

-Поляризация: горизонт.

-Количество элементов: 20

-Масса, кг: 0,96

5. Проектирование распределительной сети телевещания для города Шебекино.

         Во 2-ой главе данного курсового проекта было принято решение использования системы сотового телевещания MVDS для распределения транслируемого контента для города Шебекино.  

        По своей сути MVDS (рисунок 13) - это сотовая система передачи информации для фиксированных абонентов на основе радиоканала миллиметрового диапазона волн (для оборудования ДОК это частота 40,5-43,5 ГГц). 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).

Рисунок 13.Технология MVDS

           

   

 На рис. 14 можно наблюдать план г. Шебекино  с расположением головной станции.

Рисунок 14. Система распределения ТВ вещания в Шебекино.

    

 На головной станции устанавливается коллективная установка для приёма  ТВ сигналов с ОРТПЦ г. Белгорода. Принятый сигнал поступают на кодеры каналов. Далее сигналы поступают на мультиплексор и модулятор, объединяясь в единый цифровой поток данных с видом модуляции QPSK. Сформированный сигнал поступает на передающее оборудование. Для обеспечения зоны покрытия необходимо установить две секторные антенны  с диаграммой направленности 90 и 60 градусов. Радиус действия такой антенны 5-7 км.

Рисунок 15. Структурная схема приёмо-передающей станции.

  •  для создания сверхширокополосных каналов вещания цифрового ТВ и/или IP масштаба города, включая вариант IPTV. Система "Elva-1" работает в диапазоне частот 40.5-43.5 ГГц, выделенном в России для цифрового ТВ-вещания и широкополосного доступа.
  •  для организации однонаправленных каналов связи с пропускной способностью до 45 Мбит/сек .

В Elva-1 используется протокол DVB-S, аналогично спутниковому ТВ. Единственное отличие - сигнал передается в диапазоне частот 40.5-43.5 ГГц.

Входной и выходной сигнал промежуточной частоты для оборудования соответствует диапазону частот L-band (950-2150 МГц). Это позволяет использовать для формирования и приема сигнала стандартное оборудование.

Частотный ресурс

Диапазон 40.5-43.5 ГГц в России разбит на 73 полосы шириной 39 МГц вертикальной поляризации и 73 полосы горизонтальной поляризации. Каждая полоса позволяет передавать объем информации, эквивалентный спутниковому транспондеру, т.е. до 10-12 ТВ программ вещательного качества или до 45 Мб/с данных. Необходимый частотный ресурс определяется объемом передаваемой информации. Для исключения интерференции на границах секторов применяется разная поляризация в смежных секторах соты.

Пропускная способность

Поскольку в каждом секторе соты используется только одна поляризация, пропускная способность составляет до 45 Мб/с данных или до 96 ТВ-программ вещательного качества на одну соту.  Пропускная способность всей системы зависит от количества таких сот.

Таблица 8. Технические характеристики

Максимальная скорость передачи

                    45Mbps

Максимальное количество передатичиков на соту (по стандарту MPT 1560)

                    

96 (на сектор)

Передатчик:

      Передающий модуль (Передатчик) представляет собой моноблок, размещаемый на телевышке либо на крыше высокого здания.

Он представляет собой up-converter из диапазона частот 1,2-1,7 ГГц МГц в диапазон 40.5-43.5 ГГц. Выходная мощность - до 150 мВт. Передатчик может транслировать от одного до четырех DVB-S потоков. При этом надо иметь в виду, что при вещании нескольких потоков радиус соты сокращается из-за снижения мощности сигнала, приходящейся на один поток, и перекрестных искажений. Поэтому количество потоков на один передатчик определяет требуемое соотношение стоимость/ дальнодействие.

Рисунок 18. Передатчик Elva-1.

Таблица 9. Технические характеристики передатчика Elva-1.

Параметры передатчика

Диапазон частот

                 40.5 - 42.5 ГГц

Погрешность передачи

                 ± 0.5 МГц

Выходная мощность на канал

                 150 мВ

Входная частота

                 950-2150 МГц

Горизонтальная поляризация

                 90 градусов (опционально                       360, 45 градусов)

Вертикальная поляризация

                 10 градусов

Интерфейс передачи данных:

 Стандарт передачи данных

DVB-S

  Модуляция

QPSK

Приемник:

          Приемный модуль (Приемник) представляет собой моноблок. Размещается в зоне прямой видимости на передающую базовую станцию (Передатчик).

Приемник Elva-1 представляет собой down-converter из диапазона 40.5-43.5 ГГц в диапазон 950-2150 МГц. Выходной сигнал аналогичен сигналу принимаемому со спутникового конвертора. .

Рисунок 19. Приёмник Elva-1.

             Приемник комплектуется зеркальной антенной диаметром 30 см, питается напряжением 30 В. Приемник монтируется на вертикальной трубе диаметром 40 .. 70 мм.

        Таблица 10. Технические характеристики приёмника Elva-1.

Параметры приёмника

Частотный диапазон

                   40.5 - 42.5 ГГц

Размер антенны

                   30 см

Усиление антенны

                   38 дБ

Выходное IF

                   950-2150 МГц

Шумовые показатели

                   <=8 дБ

RF-IF усиление

                   35 дБ

Cross-polar discrimination

                   20 дБ

Стабильность центральной частоты

                   2.5 МГц

Заключение.

В ходе курсового проекта была достигнута цель проектирования системы наземного телевизионного вещания, которая обеспечивала бы устойчивый прием программ цифрового телевидения на территории города Шебекино. Доведение ТВ контента до микрорайона осуществляется по средствам коллективной приёмной установки. Все программы принимаются с ОРТПЦ Белгород. Для распределения телевизионного сигнала было принято решение использовать технологию сотового телевидения MVDS. Также было подобрано необходимое оборудование.

В процессе выполнения проекта приобретены дополнительные навыки в работе с программами: Prof edit (демоверсия), Satellite Antenna Alignment (бесплатная программа для некоммерческого использования), Google планета Земля, DDRL (демо версия) и другие.

Список использованных источников.

  1.  Сертификат Соответствия РРС-1-43/40 от 2008 г.
  2.  http://www.dokltd.ru/catalog/tvip
  3.  http://vlobatch.narod.ru/RRL/MetRRL.htm
  4.  Л.Г. Мордухович, А.П. Степанов  «Радиорелейные линии связи» Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования. Москва «Радио и связь» 1987.
  5.   Атлас автомобильных дорог РФ .
  6.   Системы связи и радиорелейные линии. Учебник для электротехнических институтов связи. Под ред. Н.И. Калашникова. – М.: Связь, 1977.
  7.   Google Earth
  8.  Н.С. Мамаев, Мамаев Ю.Н., Теряев Б.Г. «Цифровое телевидение» под ред. горячая линия - Телеком 2001.
  9.  Ю.Б. Зубарев, М.И. Кривошеев, И.Н. Красносельский «Цифровое телевизионное вещание» Москва 2001.

    10. И. А. Сидоренко «Цифровые методы формирования и обработки сигналов в радиовещании и телевидении». УМКД. – Белгород: БелГУ, электронный ресурс, 2010.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25199. Поняття феномену в феноменологічній філософії 24 KB
  Він розрізняв даності зовнішнього досвіду фізичні феномени та безпосередньо очевидні психічні феномени які інтенційно містять у собі весь предмет. Феномени не подвоюють світ як деякі це вважають. Навпаки феномени показують виявляють себе як деяку цілісно схоплену одиницю.
25200. М. Вебер «Протестантська етика та дух капіталізму» 35 KB
  Вебер Протестантська етика та дух капіталізму М. Вебер – один з найвизначніших соціологів автор роботи Протестантська етика та дух капіталізму 1907 яка вважається однією з найкращих з аналізу причин виникнення сучасного капіталізму. Щодо духу капіталізму то під ним Вебер розуміє комплекс зв’язків що існують в історичній дійсності які ми розглядаємо як єдине ціле під кутом їх культурного значення. Риси капіталізму можна побачити ще в Древньому Китаї Індії Вавилоні.
25201. Суперечка між західниками та слов’янофілами 26.5 KB
  Суперечка між західниками та слов’янофілами західники – виступали за ліквідацію кріпосного права і розвиток Росії за західним взірцем Герцен Огарев розвиток ідей Просвітництва слов’янофіли – обґрунтування необхідності особливого порівняно з західноєвропейським самобутнього шляху розвитку Росії Киреевский Хомяков основою суспільного життя вважали релігію а саме православ’я Лише народи що сповідують православ’я і перш за все росіяни можуть розраховувати на прогрес а інші народи – лише тією мірою якою вони сприймуть православну...
25202. Емпіризм і Раціоналізм у філософії Нового часу 26.5 KB
  Емпіризм – філософський напрям що визнає чуттєвий досвід джерелом знань і вважає що зміст знання може бути представлен в досвіді або зводитись до нього. Емпіризм зіштовхнувся з труднощами виокремлення вихідних компонентів досвіду і реконструкції на цій основі усіх видів і форм знання. Його девізом було знання сила€ тому головними методами пізнання він вважав спостереження аналіз експеримент порівняння. Джерелом пізнання людини є враження відчуттів які виникають під впливом матеріальних об’єктів.
25203. Філософія неогегельянства 28.5 KB
  Центральний пункт гегелівської діалектики – вчення про протилежності оцінюється як хибне МакТаггарт. Абсолютний дух розглядається як сукупність індивідуальних свідомостей МакТаггарт як вища форма індивідуальності Бозанкет.
25204. І.Кант Пролегомени до всякої майбутньої метафізики 29.5 KB
  Сутність метафізики: розум займається виключно самим собою і знайомство з об’єктами які набуваються безпосередньо від роздумів над своїми власними поняттями не потребуючи для цього досвіду взагалі; таке пізнання не виводиться з досвіду. Кожний окремий досвід є тільки частина всієї сфери досвіду але саме абсолютне ціле всього досвіду не є досвід і тим не менш складає проблему для розуму. Поняття ж розуму мають повноту тобто збираючу єдність усього можливого досвіду і стають трансцендентними. Таким чином як розсудок потребує для досвіду...
25205. Постсруктуралізм як самокритика структуралізму 28 KB
  – критика авторасуб’єкта і літературного твору в якості його продукту. Якщо для структуралізму структура – це самодостатнє ціле яке не потребує ні адресата ні комунікативної ситуації ні автора автор – лише простий виконавець структурних приписів то з позиції П. проголошує війну на два фронти – і проти структури і проти автора які пригнічують будьяку різноманітність і різнобарв’я дійсності. протиставив принцип багатозначного прочитання твору; а структуралістському розчиненню автора в мові його роз’єднанню на множину дискурсивних...
25206. Жак Дерріда: людина і світ як текст 28.5 KB
  Жак Дерріда: людина і світ як текст Дерріда – ключова фігура постструктуралізму і деконструктивізму. Класична філософія вичерпала себе метод її подолання – деконструкція яка націлена на знищення метафізичних смислів що містяться в тексті. Мета – звільнення від метафізики присутності задля можливості розуміти текст як феномен який сам себе породжує.Відкриття того що говорить текст 2.
25207. Cубстанційна концепція моральних добра і зла 35 KB
  Добро і зло в цих системах мають субстанційну природу це два самостоятельних рівноправних початка світу. Боротьба цих двох початків визначає розвиток світу. Добро і зло в данному випадку онтологізуються це надлюдські сили які складають дуальну основу світу. Абсолютне Благо верховний принцип існування нерухомого світу ідей і матерія як косное неструктурированное начало составляют вместе рамки проявления добра и зла их онтологічна основа.