Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор наземного эфирного цифрового телевизионного вещания стандарта DVB 12
1.1 Стандарты эфирного цифрового телевизионного вещания 14
1.1.1 Стандартизация эфирного цифрового телевизионного вещания 14
1.1.2 Основные преимущества системы DVB–T2 16
1.1.3 Внедрение стандарта DVB–T2 на территории Российской Федерации 23
1.1.4 Методы построения сети DVB–T2 в регионах Российской Федерации 24
1.1.5 План частотных присвоений и выделений для эфирного ЦТВ 26
1.2 Методики расчета и определения зон покрытия ТВ передатчиков 28
1.2.1 Распространение радиоволн диапазона телевизионного вещания 28
1.2.2 Формула Б.А. Введенского 30
1.2.3 Модель Окамура–Хата 31
1.2.4 Оценка зон обслуживания телевизионных передатчиков 33
1.2.5 Программный продукт «Пиар» 35
1.3 Методы исследования помехоустойчивости систем DVB2 40
1.3.1 Способ повышения помехоустойчивости сигнала в стандарте DVB2 41
1.3.2 Методика исследования помехоустойчивости систем ЦТВ в SFN сети 43
1.3.3 Методика исследования помехоустойчивости систем ЦТВ с учетом многолучевого приема 48
1.4 Критерии оценки систем эфирного ЦТВ 51
1.4.1 Визуальный критерий оценки качества изображения систем эфирного ЦТВ 52
1.4.2 Оценка качества изображения с помощью программного продукта ImageJ 53
1.4.3 Оценка качества цифрового канала связи и COFDM
1.5 Интерактивные связи в системах эфирного ЦТВ 54
1.6 Выводы по разделу з
2. Программное обеспечение для расчета зон уверенного приема телевизионных передатчиков 57
2.1 Программа для расчета зон покрытия «ZONA» 57
2.2 Оптимизация измерений
2.2.1 Критерии оптимизации выбора параметров системы 64
2.2.2 Определение и подбор критериев оптимальности систем эфирного ЦТВ
с точки зрения максимальной эффективности 66
2.2.3 Перевод величин уровня сигнала в значения напряженности поля 67
2.3 Мониторинг параметров сигнала DVB–T2 76
2.4 Выводы по разделу 80
3. Лабораторные исследования помехоустойчивости систем эфирного цифрового телевизионного вещания 82
3.1 Планирование и проведение лабораторного эксперимента 82
3.2 Обработка экспериментальных данных 85
3.4 Выводы по разделу 91
4. Натурные испытания системы эфирного цифрового телевизионного вещания 92
4.1 Методика определения зон обслуживания и покрытия ЦТВ 92
4.2 Планирование и проведение натурных испытаний 97
4.3 Обработка результатов эксперимента 101
4.4 Выводы по разделу 111
5 Интерактивные устройства для обеспечения обратной связи в системах ЦТВ 112
5.1 Состав интерактивного устройства 112
5.2 Принцип работы интерактивного устройства 113
5.3 Обоснование метода регулирования
5.3.1 ПИД управление 116
5.3.2 Пропорциональное управление 118
5.3.3 Интегральное управление 120
5.3.4 Дифференциальное управление 122
5.3.5 Частота сбора данных и выполнения цикла управления 124
5.4 Устойчивость системы эфирного ЦТВ с интерактивным устройством 124
5.4.1 Начальные условия устойчивости системы с обратной связью 127
5.4.2 Анализ устойчивости с помощью алгебраических критериев 128
5.4.3 Анализ устойчивости с помощью частотных критериев 129
5.4.4 Анализ устойчивости системы с помощью логарифмических амплитудно-частотных характеристик 130
5.5 Выводы по разделу 131
Заключение 132
Список литературы 134
- Методики расчета и определения зон покрытия ТВ передатчиков
- Критерии оптимизации выбора параметров системы
- Обработка экспериментальных данных
- Планирование и проведение натурных испытаний
Методики расчета и определения зон покрытия ТВ передатчиков
В данном подразделе речь пойдет о правилах трансляции программ стандарта DVB2, т.е. о стандартах. Они четко определяют границы вопроса распространения сигнала нового стандарта.
Особое место в международной стандартизации телевизионного вещания занимала исследовательская комиссия 11–я ИК, которая была основана 30.08.1948 году [26].
С начала 70–х годов одним из основных направлений работы 11–ой ИК стала стандартизация цифрового ТВ вещания. К 2000 г. была завершена разработка рекомендаций по цифровым системам эфирного и спутникого ТВ вещания с использованием существующих радиоканалов. Одной из важных и сложных задач международной стандартизации цифрового эфирного ЦТВ стало изыскание эффективных методов передачи ТВ программ по эфирной передающей сети с учетом ограничений при выделении радиочастотных каналов. Решению этой задачи способствовал сформулированный глобальный подход к разработкам систем ТВ вещания на базе цифровых технологий, существенной компонентой которого явилась предложенная стратегия внедрения цифровых ТВ систем с сохранением существующих эфирных и спутниковых каналов.
К 1992 году были подготовлены предложения о взаимодействии ЦГ 11/3 с группой экспертов по подвижным изображениям MPEG (Moving Picture Expert Group) для разработки стандарта кодирования MPEG–2 применительно к цифровому эфирному ТВ вещанию. Целевая группа ЦГ 11/3 завершила свою деятельность, разработав пакет основополагающих рекомендаций по цифровому эфирному вещанию в 1996 году на своем заключительном собрании в Сиднее (Австралия). Работа групп была завершена к собранию 11–й ИК в феврале 2000 года, на котором новый модифицированный текст Рекомендации ВТ.1306, представленный Председателем Рабочей группы 11А (EBU) был принят единогласно.
В настоящее время разработаны, исследованы и предложены для международного внедрения гармонизированные и сопряженные между собой системы эфирного цифрового телевизионного вещания, включенные в Рекомендацию ВТ.1306 «Методы исправления ошибок, цикловой синхронизации данных, модуляции и излучения для цифрового эфирного телевизионного вещания. Среди всех систем эфирного цифрового ТВ вещания наиболее динамично развивается система DVB–T2. Этому способствует широкая стандартизация всех субсистем и технологий, которые находят применение не только сегодня, но и в перспективе с учетом прогресса других телекоммуникационных систем и изменения структуры и конъюнктуры рынка. Систему DVB–T2 уже приняли в качестве национального стандарта многие страны. Распоряжением Правительства РФ было признано целесообразным внедрение в Российской Федерации европейской системы цифрового ТВ вещания DVB. Система DVB–T принята также странами, участвующими в Региональной конференции радиосвязи 2004–2006 годов по планированию эфирного цифрового вещания.
Система цифрового эфирного ТВ вещания DVB–T (система в Рекомендации МСЭ–Р ВТ.1306) DVB–T2 (Европейский стандарт ETSI EN 302755, рекомендации DVB A133) обычно обеспечивает адаптацию цифрового ТВ сигнала, представленного в основной полосе частот на выходе транспортного мультиплексора MPEG–2/4, с характеристиками стандартного эфирного радиоканала вещания, имеющего ширину полосы частот 7 или 8 МГц.
При разработке подсистемы кодирования для канала в системе DVB–T2 были максимально учтены требования близости структуры и параметров к спутниковой (DVB–S) и кабельной (DVB–C) системам ЦТВ [26, 27, 28, 29]. 1.1.2 Основные преимущества системы DVB–T2
Стандарт DVB–T2 является улучшенным и функционально расширенным последователем стандарта DVB–T. В нем сохранены основные идеи обработки сигнала (скремблирование, перемежение данных, кодирование), но при этом каждый этап усовершенствован и дополнен. В целом изменения в стандарте DVB–T2 не коснулись только модуляции.
В системе DVB–T2 для инкапсуляции информации может применяться не только транспортный поток MPEG, но и транспортный поток общего назначения (GSE), что позволяет снизить объем передаваемой служебной информации и сделать адаптацию транспортного потока к сети более гибкой [30].
В новом стандарте применяется так называемая концепция PLP (physical layer pipes – каналы физического уровня): передача в одном физическом канале нескольких логических каналов. Возможны два режима: с передачей одного PLP – режим «A», с передачей нескольких PLP (multiPLP) – режим «B». В режиме «B» несколько транспортных потоков передаются одновременно, причем каждый из них помещается в свой PLP. Это позволяет обеспечить сосуществование в одном радиочастотном канале услуг (рисунок 1.1, а), передаваемых с разной степенью помехоустойчивости: режим модуляции и режим помехоустойчивого кодирования может выбираться для каждого PLP индивидуально (рисунок 1.1, б), т.е. оператор может выбирать большую скорость передачи или лучшую помехоустойчивость для каждой программы в формируемом пакете. Приемник же декодирует только выбранный PLP и отключается на время передачи PLP, которые не интересуют абонента, что обеспечивает энергетическую экономию.
Критерии оптимизации выбора параметров системы
В основу алгоритма работы программы заложена математическая функция интерполяции. Зная несколько значений напряженности электромагнитного поля на промежутке между передающей и приемной антеннами, возможно построить сглаженную кривую приближенную к реальной.
Сталкиваясь с инженерными расчетами часто приходится оперировать наборами значений, полученных экспериментальным путем. Как правило, на основании этих наборов требуется построить функцию, на которую могли бы с высокой точностью попадать другие получаемые значения. Такая задача называется аппроксимацией кривой. Интерполяцией называют такую разновидность аппроксимации, при которой кривая построенной функции проходит точно через имеющиеся точки исходных данных. На рисунках 2.5 и 2.6 изображен интерфейс программы, вкладки «Напряженность» и «Зона покрытия г. Новокузнецк». Интерфейс программы «Zona 1.0» В таблице 2.2 приведены экспериментальные и расчетные данные.
Из полученных данных следует, что рассчитанные значения напряженности электромагнитного поля отличаются от измеренных. Отличие является незначительным, если учесть то, что программа не в полной мере учитывает неровности земной поверхности. Также немаловажный фактор расхождения рассчитанных значений с измеренными – это погрешность прибора.
В многокритериальных задачах довольно часто реализуется случай неопределенности цели. В этом случае выбор вариантов осуществляется не по их оценкам с помощью единой целевой функции, а по целой группе оценок, находящихся в противоречии друг с другом. Например, задача расчета зон покрытия цифровых телевизионных радиостанций явно или неявно ставится как задача выбора наилучшего, оптимального варианта из множества доступных. Если бы был только один критерий, отражающий его целевой функционал (целевая функция), скажем, напряженность электромагнитного поля в точке приема, то в этом смысле проблемы бы не было. Имея конечное множество исходных вариантов, был бы выбран самый высокий уровень напряженности поля (уровня сигнала на входе приемника). Обычно, ситуация осложняется тем, что при расчете учитываются и другие показатели (оценки), такие как выходная мощность телевизионной радиостанции, количество ошибок транспортного потока, скорость транспортного потока, высота подвеса передающей антенны, отношение сигнал/шум и т. д. При этом возникают и нечисловые характеристики, такие как субъективная оценка качества принимаемого изображения, вид модуляции и т.п.
Текущая задача оптимизации относится к задачам, где объём или соотношение имеющихся ресурсов зафиксирован, и необходимо найти наилучший вариант их использования для получения лучшего результата [58].
Пропускная способность системы DVB–Т2 будет определяться выбором целого ряда системных параметров. Выбор параметров представляет собой процедуру оптимизации работы системы, например, поиск компромисса между долей служебной информации и временем переключения с канала на канал или между пропускной способностью и устойчивостью к помехам.
Задача параметрической оптимизации в общем случае ставится как многокритериальная задача с ограничениями (2.2): ух,) -»ШШ, і є [1: А:], х є D a R", D = {x є R" &( ,) 0, /є[1: m], gt( ,) = 0, je(m + l:S)}, (2 2) где x - входные параметры, - внешние параметры, у - выходные параметры, D -вектор структурных параметров. Вектор {у1 ук} образует множество критериальных выходных параметров, имеющих смысл частных критериев оптимальности и характеризующих качество объекта оптимизации.
Допустим, сложился случай, когда напряженность электромагнитного поля будет достаточной для приема транспортного потока с минимальным количеством ошибок, будет соблюдена зона уверенного приема цифровой телевизионной радиостанции, также конечные изображения и звук будут соответствовать оценке «отлично» в шкале субъективной оценки качества, должны соответствовать «Руководству по измерениям» TTR 101290 [60] и спецификации ETSI ETR 101290 [61].
Для уверенного приема сигнала в заданной точке зоны уверенного приема помимо информации о напряженности поля в точке приема, необходимо оценить помехоустойчивость системы эфирного ЦТВ. На практике часто встречаются такие случае, что при достаточном уровне сигнала на входе приемника и полном соответствии значений его параметров требованиям нормативных документов, изображение содержит множественные артефакты. Для бесперебойной и качественной работы системы эфирного ЦТВ необходимо комплексно подходить к выбору ее анализируемых параметров (вид модуляции, выходная мощность передатчика, защитный интервал и т.д.). Алгоритм выбора анализируемых параметров системы представлен на рисунке 2.8 [62].
Алгоритм работает по принципу компаратора, то есть на различных этапах преобразования сигнала происходит сравнение реального сигнала с эталонным. На первом этапе уровень напряженности и зона покрытия сравниваются с эталонными значениями, если уровень напряженности достаточен, то далее идет сравнение по признакам (ошибки транспортного потока и т.д.) и на последнем этапе анализируется качество изображения средствами программного продукта, например, Imatest, ImageJ [8].
Обработка экспериментальных данных
Для малого значения коэффициента усилитель мощности передатчика приходит к нужному положению, но достаточно медленно. Увеличение коэффициента приводит к более быстрой реакции системы. Однако, если дальше увеличивать коэффициент, то усилитель более быстро достигает требуемой номинальной мощности, но дальше идёт "перелёт" (общепринятый термин которым обозначается этот эффект в «перерегулирование»), из-за чего система не приходит к требуемому положению быстрее, чем при меньших коэффициентах. Если продолжить увеличивать коэффициент, то наступит ситуация, когда система станет бесконечно осциллировать (колебаться) вокруг заданной точки и не придет в требуемое состояние.
Система эфирного ЦТВ с интерактивным устройством "перелетает" необходимое положение при больших коэффициентах из-за задержки с реакцией на управляющее воздействие. Если вернуться к рисунку 5.7, то можно увидеть, что передатчик не сразу набирает номинальную мощность при подаче на него управляющего сигнала. Эта задержка, с задержкой обратной связи приводит к "перелёту" через требуемое положение на рисунке 5.8.
На рисунке 5.9 приведены результаты управления цифровым передатчиком с интерактивным устройством, реализующим чисто интегральное управление. Как видно система вообще не стабилизируется. Как и в случае с системой с пропорциональным управлением у цифрового передатчика под чистым интегральным управлением колебания будут становиться только больше, вплоть до «разрушения» выходных каскадов усилителей. показывает, как себя ведёт система эфирного ЦТВ с обратной связью и интерактивным устройством под чистым интегральным управлением. Как видно время стабилизации системы стало значительно больше, чем при пропорциональном управлении (см. рисунок 5.8), но зато теперь система стабилизируется при требуемом состоянии, даже при некоторых внешних воздействиях.
Из последнего графика ясно, как используется интегральный компонент управления. В состоянии интегратора "запоминается" всё, что произошло в предыдущие моменты времени и это позволяет контроллеру избегать "долгосрочных ошибок", т.е. поведения при котором мы видим, что не достигли требуемого положения, а никакого управляющего воздействия не вносим. Следует отметить, что у этой компоненты есть и недостатки – интерактивное устройство всегда реагирует с некоторым запозданием, когда система уже длительное время получает совершенно неправильные команды. Чтобы стабилизировать предыдущие две системы потребуется добавить в принятие решения немного информации о текущем состоянии системы, которое доступны только в пропорциональной компоненте.
На рисунке 5.14 показано как ведёт себя цифровой передатчик под пропорционально-интегральном (ПИ) управлением. Если сравнить его с рисунками 5.8 и 5.11, то видно, что время на стабилизацию увеличилось по сравнению с чисто пропорциональной схемой, но стабилизация идёт в правильное положение, которое и требовалось.
Вследствие того, что добавлена интеграция отклонения по времени, становится важным частота, с которой работает цикл управления.
Скорость изменения состояния интегратора равна среднему отклонению умноженному на коэффициент интегратора умноженному на частоту цикла управления. Так как интегратор сглаживает замеры отклонения по времени, допустимы некоторые отклонения от нормальной частоты вызова управляющего цикла, но в любом случае эти отклонения должны быть чем-то ограничены. В худшем случае рекомендуется, чтобы частота вызова цикла управления не отклонялась более чем на 20% на каждом участке из 10 вызовов. Иногда лучше пропустить часть значений, чтобы сохранить требуемую частоту вызова управляющего цикла. Для ПИ-контроллера оптимальная точность вызова цикла управления лежит в пределах 1-5%.
Если требуется значительно изменить состояние управляемой системы, которое не может быть произведено за короткий интервал времени - тогда всё это время отклонение будет велико и это огромное отклонение накопится в состоянии интегратора, что вызовет в свою очередь его "вылетание". В том случае, когда система достигнет своего целевого положения, в интеграторе будет находиться повышенное накопленное отклонение, которое вызовете дальнейший значительный "перелёт" через необходимое положение и система так же значительное время будет продолжать двигаться уже за пределами целевого значения. В лучшем случае это будут затухающие колебания, в худшем - система никогда не стабилизируется и будет осциллировать с завышенной амплитудой.
Пропорциональное управление соответствует использованию "сиюминутной" информации о системе, а интегральное управление использует информацию о "прошлом" системы. Если получен элемент, который соответствует использованию "прогнозной" информации о системе, то возможно использовать его для стабилизации системы. Таким искомым элементом является дифференциатор.
Дифференциальная компонента [109] сама по себе представляет разность между предыдущим состоянием системы и текущим её состоянием, что позволяет оценить скорость изменения состояния системы и предугадать в каком состоянии окажется система в следующий момент времени.
При использовании дифференциальной компоненты становится возможным стабилизация платформы в системе сверхточного позиционирования.
Дифференциальная компонента управления очень мощная, но она же и самая проблемная из представленных типов управления. Проблемы, с которыми придётся столкнуться - нерегулярность частоты сбора данных, шумы и высокочастотные колебания. Если состояние системы меняется с постоянной скоростью, а время между запуском управляющей итерации варьируется, то можно получить неверную информацию о скорости системы. Поскольку обычно время между итерациями управления достаточно мало, шумы такого сорта могут быть очень значительными и будут сильно мешать задаче управления.
Планирование и проведение натурных испытаний
При проектировании одночастотной сети цифровых телевизионных радиостанций, как правило, параметры сильно завышают, чтобы добиться 100% покрытия заданной территории. Для выполнения задачи по охвату населения регионов вещанием цифрового пакета телевизионных программ, сеть цифрового эфирного вещания должна обеспечить цифровое эфирное вещание по стандарту DVB–T2 с формированием зон обслуживания при заданном уровне напряженности поля. Рассчитать выходную мощность передатчика можно несколькими методами, но во всех методах не учитываются граничные условия, которые могут существенно влиять на размеры зон покрытия и соответственно на охват территорий (рисунок 1). Установим, что есть необходимость на расстоянии r для «квазигладкой местности» от цифрового телевизионного передатчика (ЦТП) принимать радиосигнал с уровнем U. В тоже время может сложиться ситуация, когда уровня сигнала недостаточна для уверенного приема и радиус зоны покрытия составит r – r, также уровень сигнала может быть избыточной и радиус зоны покрытия составит r + r.
Обычно ситуация осложняется еще тем, что при расчете учитываются и другие показатели (оценки), такие как выходная мощность телевизионного передатчика, количество ошибок транспортного потока, скорость транспортного потока, высота подвеса передающей антенны, отношение сигнал/шум и т. д. При этом возникают и нечисловые характеристики, такие как субъективная оценка качества принимаемого изображения, вид модуляции.
Важным этапом в расчете зон покрытия является их коррекции под реальные условия, потому что все существующие методы расчета априори не могут учесть все факторы, влияющие на напряженность электромагнитного поля.
Чтобы усовершенствовать любой способ и привести расчеты к более точным результатом, требуется ввести критерии, которым данный способ должен соответствовать. Предварительные изыскания показали, что если следовать определенным ограничениям (1), то можно повысить точность расчетов и сократить время на определение зон покрытия. где [/- уровень сигнала на входе приемника (дБмкВ), preBER - частота появления ошибочных битов до декодера, postBER - частота появления ошибочных битов после декодера, MER - коэффициент ошибок модуляции, г - радиус зоны покрытия (м), Ui, ri, r2 - константы.
Между тем, многие из критериев являются противоречивыми; улучшение одного из них при изменении вектора управляемых параметров приводит к ухудшению другого.
Следует добавить, что изыскания не в полном объеме прошли испытания, возможно, потребуют изменений или уточнений.
В основе работы сред планирования (большинства компьютерных программ, например, Пиар 4.56 и др.) лежат детерминированные и статистические методики, которые широко используются проектировщиками сетей распространения телевизионного контента, в которых учитываются геоинформационные составляющие.
В проектировании, как правило, опираются на заданные параметры и никак не учитывают их комбинации и рекомбинации. Например, если задана модуляция CAM –64, мощность P, зона покрытия r, скорость внутреннего кода и определенная скорость передачи данных. Путем изменения модуляции и скорости кодов, можно добиться той же скорости передачи данных, но уже с другой мощностью и помехоустойчивость, что в определенном случае подбора критериев может повысить эффективность, либо сигнал будет приниматься с ошибками.
Недостатком упомянутых выше программ и методов для планирования зон покрытия является их ограниченность в оперировании комбинациями параметров транспортного потока и параметрами цифровых телевизионных передатчиков. Кроме того, для планирования зон покрытия требуются высококвалифицированные кадры с большим опытом в сфере планирования и расчетов.
В связи с этим возникает потребность создания алгоритмов оптимизации и повышения эффективности расчетов зон покрытия цифровых телевизионных радиостанций.
Обзор научно-технических публикаций показал отсутствие каких-либо алгоритмов или методик по оптимизации расчетов зон покрытия цифровых телевизионных радиостанций.
Множество {ух_ук} образует множество критериальных выходных параметров, имеющих смысл частных критериев оптимальности и характеризующих качество объекта оптимизации. Наличие нескольких частных критериев, по существу, отражает ту неопределенность цели, которая явно или не явно присутствует при оптимизации любого сколько-нибудь сложного объекта.
Установим, что есть необходимость на расстоянии г от ЦТРСт (рис. 1) принимать радиосигнал с напряженностью поля Е. В тоже время может сложиться ситуация, когда напряженность поля недостаточна для уверенного приема и радиус зоны покрытия составит г - г, также напряженность поля может быть избыточной и радиус зоны покрытия составит г + г.
На рисунке 2 изображены: прибор для измерения параметров эфирного сигнала стандарта DVB2 (2); антенно-фидерный тракт (1); преобразователь напряжения 12 В в 220 В (5), необходимый для питания прибора; приемник GPS для определения месторасположения устройства (3), персональный компьютер (4), подсоединяемый через USB-разъем, необходимый для анализа качества изображения и аудиосигнала и для обработки результатов измерений.
Для измерения уровня сигнала телевизионного передатчика после подключения системы по указанной схеме необходимо настроить анализатор на канал, на котором работает передатчик. Данные об уровне, MER, сигнал/шуме, BER сигнала стандарта DVB2 будут отображаться на дисплее ПК.
Наряду с измерениями, в каждой точке проводились испытания по приему сигнала на обычную телевизионную ДМВ – антенну и бытовую портативную приставку. Во всех точках испытания изображение и звук на контрольном мониторе были стабильны, без помех, шумов и «рассыпания» до критического уровня сигнала в 35,5 дБмкВ.