Технические науки/6.Электротехника и радиоэлектроника.

Липкович Э.Б., Ткаченко А.П., Яцковский А.Н.

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Беларусь

Инженерная методика расчета зон обслуживания в системе НЦТВ по стандарту DVB-T

На этапе проектирования систем и сетей наземного цифрового ТВ вещания (НЦТВ) необходимо, исходя из ряда известных и задаваемых параметров, оценить границы зон покрытия цифровым вещанием.

По стандартам DVB-T, H, C, S, S2 и SH при расчете зон обслуживания может варьироваться около 60 параметров, среди которых: тип модуляции QPSK; 16-, 32-, 64-, 128- и 256-QAM, COFDM; относительная длина защитного интервала ; относительная скорость сверточного кодирования – 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 или 7/8; высота подвеса антенны, выходная мощность передатчика, объем передаваемой информации. Необходимо также учесть рабочий диапазон частот; ширину полосы канала вещания; способы кодирования (сверточное, Рида-Соломона, турбо); режим передачи 2K, 4K или 8K; статическое мультиплексирование; применение приоритетного (иерархического) режима; способ приема (стационарный, внутри помещения, мобильный) и ряд других вспомогательных. В отличие от стандартов спутникового DVB-S и кабельного DVB-C вещания, в которых применяется традиционный режим передачи “несущая на канал”, в НЦТВ DVB-T и H используется многочастотный режим передачи с 6817 несущими (режим 8K) или 1705 несущими (режим 2K, где K=1024), а также 4K (для DVB-H) в радиоканале (с шириной полосы частот 8,0; 7,0 или 6,0 МГц в странах со стандартами D/K, K1, I, L; B/G, B/H и M,N соответственно). Следует оптимально выбрать параметры передачи для обеспечения уверенного приема в зоне с максимальными границами покрытия.

Рассматривается разработанная инженерная методика расчета границ покрытия НЦТВ по стандарту DVB-T при оптимизации стационарного приема, которая легко распространяется и на другие способы приема. С учетом некоторых особенностей она составляет основу и для методик расчета зон обслуживания системами DVB-H, DVB-S, S2 и SH (будут также опубликованы). Отличительная особенность методики состоит в том, что все исходные данные, приведенные в виде таблиц или графиков, аппроксимированы и представлены в виде формул, что существенно упрощает получение конечного результата и разработку программного обеспечения.

Основной задачей методики является установление дальности покрытия в зависимости от совокупности основных и вспомогательных параметров передачи. Расстояние от передающей станции до приемного оборудования на границе зоны обслуживания является функцией напряженности поля в точке приема, величина которой связана с уровнем сигнала в точке приема выражением

(1)

где – средняя частота ТВ канала в ГГц; – коэффициент усиления приемной антенны в дБ.

На границе зоны обслуживания , а минимальный уровень сигнала, при котором на выходе приемника обеспечивается требуемая вероятность ошибки , зависит от отношения несущая/шум (ОНШ) на входе демодулятора:

(2)

где – отношение несущая-шум на входе демодулятора, при котором на выходе декодера Виттерби (или Рида-Соломона) обеспечивается заданная вероятность ошибки, дБ;

– постоянная Больцмана, равная 1,38·10^–23 , (Вт/град)·Гц;

– эффективная шумовая температура (ЭШТ) приёмного устройства, К;

– шумовая полоса приёмника, примерно равная ширине полосы , занимаемой модулированным радиосигналом, Гц.

В системе НЦТВ величина принята равной 7,61 МГц, тогда =68,8 дБ·Гц. Величина с учётом действия внешних шумов определяется по формуле:

(3)

где – температура окружающей среды, равная 290 К;

– коэффициент, учитывающий влияние внешних шумов, наводимых на антенну (шумы космоса, промышленные шумы), дБ;

– потери в фидере приёмного устройства, дБ;

– коэффициент шума приёмника, дБ.

Требуемая величина ОНШ зависит от порядка модуляции, скорости кодирования и типа канала (Гаусса, Райса или Релея). При приеме на стационарную антенну моделью канала связи является канал Райса. Требуемое значение ОНШ, в зависимости от заданной вероятности ошибки на выходе декодера Виттерби, рассчитывается по выражению:

(4)

где – энергетический запас на снижение ОНШ для реального канала связи ( дБ для QPSK, дБ для 16-QAM и дБ для 64-QAM.

Пороговое отношение сигнал/шум , при котором возникает срыв синхронизации и “рассыпание” изображения, описывается формулой

(5)

Учитывая выражения (2) – (4), можно (1) записать в виде

(6)

Добротность приемника зависит от , и . На этапе планирования сети НЦТВ с одним передающим центром параметры приемного оборудования задаются исходя из рекомендаций. Для упрощения совокупность параметров можно описать зависимость

. (7)

Таким образом, выражение (6) упрощается и принимает вид

(8)

Для стационарного приема необходимо реализовать уверенный прием в 95 и 70% мест [1]. При этом нужно учесть энергетический запас 9 дБ для 95 % мест и 2,9 дБ для 70 %. В результате на границе зоны обслуживания . Если считать, что прием осуществляется на частоте 48 канала (610 МГц), то

(9)

(10)

Для определения расстояния между передатчиком и границей зоны покрытия, пользуются кривыми распространения (по рекомендации МСЭ-Р1546), которые построены для усредненного города без фрагментации его отдельных частей. Предварительно необходимо определить эквивалентное значение уровня напряженности поля , учитывая заданные мощность передатчика , потери в фидерном тракте и усиление антенны , т.е.

(11)

где = ЭИМ – разность между ЭИМ передатчика в дБ∙кВт и уровнем 0 дБ∙Вт, при котором построены кривые распространения, дБ∙кВт.

Положим, что в системе НЦТВ , и , то , . Полагая также, что передача осуществляется по каналу с полосой 8 МГц с , модуляцией 16-QAM и , определим информационную скорость цифрового потока

(12)

Если среднюю скорость передачи на одну программу принять равной 4,35 Мбит/с, то в полосе 8 МГц можно передать 4 цифровых ТВ программы.

В приведенных выражениях в явном виде учтены параметры канала приема-передачи и величина вероятности ошибок на выходе декодера Виттерби приемника. С помощью них и цифровых карт местности можно рассчитать зоны покрытия НЦТВ при стационарном приеме. Получены также соотношения для мобильного приема и приема внутри помещений.

Литература

1. ETS 300 744. Digital Broadcasting systems for television, sound and data services. Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television – 2004.

2. Капуро П.А., Липкович Э.Б., Ткаченко А.П. Расчет параметров в сетях наземного ТВ-вещания по стандарту DVB-T// Известия белорусской инженерной академии: материалы шестой международной НТК “Современные средства связи”. – 2001. – №1. – С. 124-125

3. Липкович Э.Б., Кисель Д.В. Проектирование и расчет систем цифрового спутникового вещания.: Учеб.-метод. пособие. – Мн.: БГУИР, 2006. – 135 с.