Структура передающей сети телевизионного вещания

Сигналы телевизионных программ передаются абонентам (телезрителям) в основном с помощью наземной телевизионной передающей сети, систем кабельного телевидения (СКТВ) и системы Непосредственного телевизионного вещания, использующей связные искусственные спутники Земли, находящиеся на геостационарной орбите (ГСО), а также систем сотового телевидения и сети Интернет.

Наземная телевизионная передающая сеть состоит из телецентров, работающих совместно с радиотелевизионными передающими станциями (РТПС), телевизионных ретрансляторов и технических средств передачи телевизионных сигналов на большие расстояния. Телецентры представляют собой комплексы радиотехнической аппаратуры, помещений и служб, необходимых для создания телевизионных программ. С телецентров сформированные телевизионные сигналы непосредственно передаются на РТПС.

Сеть телевизионного вещания Российской Федерации является одной из крупнейших в мире и охватывает до 98,8% населения (двумя программами - 96,4%, тремя - 65,2%, четырьмя и более - 31%). Эти показатели обеспечиваются комплексной сетью телевизионного вещания, включающей:

- 334 радиотелевизионные передающие станции мощностью от 5 До 50 кВт, из них 294 могут передавать две и более программ, 7 тыс. ретрансляторов мощностью 1...1000 Вт (всего в стране эксплуатируются более 13 тыс. телевизионных передатчиков);

- около 300 тыс. км наземных, в основном радиорелейных, телевизионных каналов;

- 29 спутниковых телевизионных каналов на 14 космических аппаратах (связных искусственных спутниках Земли);

- около 9 тыс. приемных телевизионных станций спутниковых систем коллективного типа.

Основным назначением телевизионных ретрансляторов является обеспечение более равномерного покрытия густонаселенной территории телевизионным вещанием. Телевизионные ретрансляторы требуются, как правило, в двух случаях: во-первых, вне зоны уверенного приема основной мощности РТПС и, во-вторых, внутри зоны в местах, в которых по географическим причинам сигнал основной станции ослаблен и не обеспечивает удовлетворительного качества приема. Причем около 18 000 ретрансляторов имеют спутниковые приемные антенны.

Распределение сигналов телевизионных программ на большие расстояния по территории России осуществляется с помощью разветвленной сети радиорелейных линий (РРЛ) и спутниковых систем связи «Орбита», «Экран», «Москва». Причем наземная распределительная сеть включает в себя свыше 300 тыс. канало-километров РРЛ.

В состав современной сети телевизионного вещания нашей страны входят также около 85 млн. телевизоров.

Организовано телевизионное вещание по зональному принципу с поочередным повторением передачи центральных программ для каждой из пяти существующих зон со сдвигом во времени на два часа.

В РФ для организации телевизионного и звукового радиовещания с частотной модуляцией (ОВЧ ЧМ) выделены определенные полосы частот. С целью классификации выделенные для телевизионного вещания в стране полосы частот электромагнитных колебаний условно разбиты на пять частотных диапазонов, в которых может быть размещено 73 радиоканала:

I диапазон 48,5...66 МГц (радиоканалы 1 и 2);

II диапазон 76...100 МГц (радиоканалы 3-5);

III диапазон 174...230 МГц (радиоканалы 6-12);

IV диапазон 470...582 МГц (радиоканалы 21-34);

V диапазон 582...960 МГц (радиоканалы 35-82).

Радиоканалы первых трех частотных диапазонов соответствуют метровым волнам, а радиоканалы четвертого и пятого частотных диапазонов - дециметровым волнам. Следует заметить, что между вторым и третьим диапазонами расположена полоса частот, отведенная для ОВЧ ЧМ вещания, равная 7 МГц (66...73 МГц).

Частоты f_н, f_в, ограничивающие полосу любого дециметрового канала, и частота несущей изображения f_0из радиоканала могут быть определены по номеру канала из следующих соотношений:

f_н = 470 + (N_к - 21 )8 = 302 + 8N_к МГц;

f_в = 470 + (N_к - 20)8 = 310 + 8N_к, МГц;

f_0из = 470 + (N_к — 21)8 + 1,25 = 303,25 + 8N_к, МГц.

Выбор нижней границы I диапазона определяется тем, что для упрощения конструкции телевизионных приемников и снижения частотных искажений при выделении полного телевизионного сигнала из радиосигнала необходимо, чтобы несущая частота изображения в несколько раз превышала максимальную частоту спектра модулирующего телевизионного сигнала f_B = 6,25 МГц. Кроме того, частотный диапазон примерно до 40 МГц практически полностью занят для целей радиовещания и радиосвязи и других радиослужб. Верхняя граница V частотного диапазона ограничена длинами радиоволн, на которых начинают сказываться значительное их поглощение в атмосфере и влияние ее неоднородностей - дождя, тумана и т.д.

Планирование передающей телевизионной сети

Каждый радиоканал предназначается для передачи сигналов изображения и звукового сопровождения одной телевизионной программы. Ширина полосы частот радиоканала определяется используемым в РФ телевизионным стандартом, т.е. соответствует 8 МГц. В цифровом телевидении при использовании стандарта кодирования с информационным сжатием MPEG-2 по одному стандартному радиоканалу уже сейчас можно передавать до восьми телевизионных программ.

Исторически сама сеть телевизионного вещания в России и ее технические средства развивались в предопределении повсеместной трансляции трех-четырех программ центрального телевидения; существующие РТПС были построены в расчете именно на такую нагрузку. Подавляющее большинство типовых опор мощных РТПС в стране имеет высоту 180 м; кроме антенн для телевидения и ОВЧ ЧМ вещания на этих опорах размещают антенны передатчиков других служб и ведомств. Очевидно, что размещение большого числа передающих антенн на существующих опорах РТПС, включая даже такое уникальное сооружение, как Останкинская башня, является серьезной технической проблемой.

Частотные планы, в соответствии с которыми долгое время строилась передающая сеть наземного вещания, также были разработаны для обеспечения охвата двумя-тремя программами центрального вещания практически всего населения страны (не менее 98%). Для реализации таких планов предназначались мощные РТПС, места установки которых намечались исходя из требований сплошного охвата вещанием населенной территории страны. Нередко при этом (особенно в густонаселенных регионах России) РТПС строились на удалении нескольких десятков километров от областных центров. Мощные (от 20 до 50 кВт) передатчики этих РТПС обеспечивали надлежащее качество приема и в самих областных центрах. В условиях уже сложившейся сети оказалось почти невозможно подыскать новые частотные каналы для передатчиков максимальной мощности подобных РТПС; в лучшем случае удастся найти дополнительные частоты в диапазоне дециметровых волн . для передатчиков мощностью 1 ...5 кВт. Но передатчики мощностью 1 кВт при высоте подвеса передающих антенн 125 м обеспечивают надлежащий уровень сигнала в зоне радиусом около 20 км. Следовательно, при их размещении на перечисленных выше областных РТПС в самих областных центрах уровень сигналов не будет достаточным для качественного приема телевизионных программ. По этой причине начата установка новых передатчиков непосредственно в центре некоторых городов европейской части России.

При определении значений основных параметров РТПС и выборе для нее частоты основным критерием является возможность работы рассматриваемого передатчика без взаимных помех в сложившейся передающей сети. Следовательно, электромагнитная совместимость является основным критерием при выборе частот для организации вещания в каждом конкретном пункте.

Для того чтобы принять с удовлетворительным качеством программу телевидения (например, в полосе частот каналов 6-12) или стереофонического звукового вещания с помощью достаточно сложных (многоэлементных) наружных антенн, поднятых над уровнем земли на 10 м, нужно, чтобы напряженность электромагнитного поля передатчика была не менее 500 мкВ/м.

В то же время мешающее влияние такого передатчика будет вполне ощутимо при создаваемой им напряженности поля 1 мкВ/м, т.е. в 500 раз меньше той, при которой возможен нормальный прием его передачи. Соответственно, зона мешающего влияния радиовещательной станции значительно превышает зону обслуживания. Так, передатчик мощностью 5 кВт с передающей антенной, обладающей коэффициентом усиления 6 раз и поднятой над землей на 150 м, имеет зону обслуживания радиусом 54 км. При этом расстояние, на котором он может создавать помехи приему других радиостанций, работающих на той же частоте (в совмещенном канале), равно около 400 км.

Помимо помех по совмещенному каналу, возможны также помехи от так называемых смежных (непосредственно граничащих по частоте) гетеродинных и зеркальных каналов. Чтобы не создавать все эти перечисленные ситуации, применяют специальные методы оптимального планирования.

Планирование передающей телевизионной сети заключается в определении места расположения РТПС и выборе их параметров (мощность передатчиков, высота подвеса антенн, частота излучения), чтобы обеспечивались удовлетворительные условия приема в заданной полосе без взаимных помех между телевизионными станциями. При этом следует иметь в виду, что телевизионные передающие станции и радиоретрансляторы большой мощности имеют радиус действия обычно 50...70 км, а ретрансляторы малой мощности излучают телевизионные сигналы в радиусе 10...20 км.

Наиболее экономичное планирование передающей телевизионной сети достигается в том случае, если телевизионные передающие станции размещаются по углам равностороннего треугольника (рис. 9.1) [40].

В этом случае каждый телевизионный передатчик, имеющий передающую антенну с круговой диаграммой направленности, обеспечивает возможность приема телевизионного сигнала на расстоянии r < r₀, где r₀ - средний радиус зоны прямой видимости. Из рис. 9.1 видно, что для сплошного покрытия территории площадью S телевизионным вещанием с помощью нескольких телевизионных радиопередатчиков, имеющих одинаковый средний радиус зоны обслуживания r, расстояние между соседними телевизионными радиопередатчиками нужно выбирать из условия r_n . При этом образуются области, в которых возможен уверенный прием одновременно от нескольких телевизионных радиопередатчиков. Радикальным средством ослабления взаимных помех для телевизоров, расположенных в этих областях, является работа соседних телевизионных радиопередатчиков в разных телевизионных радиоканалах. При этом учитывается избирательность телевизионных приемников по соседним каналам приема.

Рис. 9.1. Схема размещения телевизионных радиопередатчиков

Из рис. 9.1 следует, что каждый элементарный треугольник площадью ∆s обслуживается тремя радиопередатчиками. При этом каждый радиопередатчик является общим для шести треугольников. Следовательно, если заданную территорию площадью S можно условно разбить на k треугольников площадью ∆S, то количество радиопередатчиков n_n1, необходимых для обеспечения телевизионным вещанием этой территории, равно

n_n1 = 3k/6 = k/2.

Выделим в пределах общей территории большой треугольник площадью ∆S, в вершинах которого располагаются телевизионные радиопередатчики, работающие в одном радиоканале. Сторона такого треугольника, соответствующая расстоянию d между радиопередатчиками, работающими в совмещенном канале, практически находится в пределах 400...500 км в зависимости от особенностей рельефа местности. Будем считать, что в пределах этой территории можно выделить M_S больших треугольников. Тогда в пределах всей зоны телевизионного вещания может быть расположено n_n2 = M_S2 радиопередатчиков, работающих в одном канале. Зная значения n_n1 1 и n_n2, легко определить число радиоканалов N_K, необходимых для обслуживания телевизионным вещанием всей территории площадью S.

Из вышеприведенного выражения следует, что для уменьшения числа радиоканалов, необходимых для охвата телевизионным вещанием заданной территории, надо уменьшить расстояние между передатчиками, работающими в одном радиоканале, и увеличить радиус вещания каждой телевизионной станции.

При планировании сети телевизионного вещания, а именно при конкретном распределении номеров радиоканалов для соседних передающих станций с целью исключения заметности взаимных помех должны соблюдаться нормы значения защитного отношения А, которое определяется выражением

A=U_c/U_n

где U_c - напряжение полезного сигнала на антенном входе телевизора; U_n - напряжение сигнала помехи. Следовательно, для сохранения высокого качества воспроизводимых телевизионных изображений отношение полезного сигнала к мешающему на входе телевизионного приемника должно быть не ниже защитного отношения.

Наибольшее защитное отношение требуется при работе телевизионных передатчиков в совмещенном (одинаковом) радиоканале. Например, величина защитного отношения по совмещенному радиоканалу должна быть такой, чтобы полезный сигнал на входе телевизора был больше мешающего не менее, чем на 40 дБ. Для обеспечения такого значения защитного отношения на практике необходимо удалять друг от друга телевизионные радиопередатчики, работающие в одинаковых радиоканалах, на очень значительные расстояния. Вследствие различной степени заметности отдельных частотных составляющих помехи, а также неравномерности частотной характеристики избирательности телевизионного приемника, величина защитного отношения неодинакова по спектру радиоканала (рис. 9.2) [40].

Определенным смещением несущих частот (СНЧ) передающих телевизионных радиостанций можно уменьшить заметность помех и тем самым снизить требуемые значения защитного отношения, что позволит сократить расстояние между радиопередатчиками, работающими в совмещенных каналах. В свою очередь это дает возможность снизить число радиоканалов, необходимых для организации однопрограммного телевизионного вещания в пределах заданной территории.

Метод СНЧ основан на использовании дискретных частотных свойств телевизионных сигналов. Причем величина ослабления мешающего действия помех зависит от величины сдвига и точности его поддержания. Различаются два режима работы СНЧ - обычный и прецизионный (точный).

Рис. 9.2. Частотные зависимости защитного отношения: 1 - СНЧ = 0; 2 - СНЧ = ±1/3f_z

При обычном режиме СНЧ учитывается смещение в пределах периода строчной развертки. При этом не требуется большая абсолютная стабильность величины сдвига спектров (несущих частот радиопередатчиков). Например, при СНЧ на 1/2 строчной частоты f_z получается наибольший выигрыш в защитном отношении (до 20 дБ). При СНЧ на 2/3 или 4/3f_z, равной 15625 Гц для российского телевизионного стандарта, защитное отношение уменьшается до 15 дБ. Применять СНЧ на 1/2f_z можно только при расположении радиопередатчиков на одной линии, т.е. при обслуживании узко вытянутой территории. При работе нескольких передатчиков, работающих в одном радиоканале на смежных территориях, применяется СНЧ на 2/3 или 4/3 f_z. В случае трех радиопередатчиков, работающих в одном радиоканале, один должен иметь номинальное значение несущей частоты изображения f_0из, другой f_0из + 2/3f_z а третий f_0из - 2/3f_z. Следовательно, несущие частоты второго и третьего радиопередатчиков имеют сдвиг на 4/34f_z.

При прецизионном СНЧ учитывается сдвиг в пределах периода частоты кадров, т.е. сдвиг должен быть кратным частоте кадров, равной 25 Гц. Для выполнения данного условия относительная нестабильность f_z должна находиться в пределах 5-10^-6, а абсолютная нестабильность несущей изображения радиопередатчика не более ±2,5 Гц. Прецизионное смещение дает дополнительный выигрыш по сравнению с обычным СНЧ на 10 дБ. Выигрыш в защитных отношениях, достигаемый при точном СНЧ по сравнению с обычным СНЧ, позволяет значительно сократить расстояния между мешающими передатчиками, а в уже сложившейся передающей сети существенно снизить взаимные помехи, что способствует дальнейшему повышению качества телевизионного приема.

Мешающее действие помех может быть также уменьшено применением различной поляризации радиоволн, излучаемых РТПС, работающими в совмещенном! радиоканале. Практически в этом случае защитное отношение может быть снижено на 10 дБ.

На практике планирование телевизионной сети дополнительно усложняется разнотипностью парка телевизоров, находящихся в эксплуатации у населения нашей страны. Например, сигналы гетеродинов телевизоров отечественного производства с частотой промежуточной несущей изображения, равной 38 МГц, могут создавать помехи приему в каналах с номером «n + 4», а зарубежного производства с частотой 39,5 МГц - в каналах с номером «n + 5». В данном случае под n понимается номер канала, сигнал которого непосредственно принимается телевизором. В сети с равномерным распределением каналов для удовлетворительного качества приема в первом случае требуемое защитное отношение равно 25 дБ, во втором - 44 дБ (почти в 10 раз больше). Телевизоры с разными значениями частот промежуточных несущих создают зеркальные помехи также в разных каналах. Поэтому увеличивается число запрещаемых при планировании сочетаний частотных каналов.

Таким образом, возможности диапазона метровых волн для развития телевизионного вещания в густонаселенной части территории Росси практически исчерпаны. Но и имеющиеся резервы диапазона дециметровых волн на исходе. Не менее сложное положение со звуковым вещанием с ЧМ.

Основные проблемы выделения частот и организации многопрограммного телевизионного вещания можно рассмотреть на примере Москвы. В настоящее время в Москве для эфирного телевизионного вещания в диапазоне дециметровых волн выданы разрешения на использование восьми частотных каналов: 24, 27, 31, 33, 35, 38, 49 и 51. Несовместимыми с этими каналами являются 26 каналов (22, 23, 25, 26, 28, 29, 30, 32, 34, 36, 37, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 46, 47, 48, 50, 52, 57, 58, 59 и 60). Как видим, каждый разрешенный канал, в среднем, исключает возможность применения еще трех других, хотя в общем случае с одним каналом несовместимы шесть каналов (два смежных и четыре зеркальных). В Москве же выбор каналов выполнен так, что некоторые каналы оказались несовместимыми более чем по одному признаку. Так, канал 32 является смежным одновременно для 31-го и 33-го каналов и зеркальным для 24-го.

Как видно, из всех 40 каналов диапазона дециметровых волн для Москвы уже «закрыты» 85%, при этом следует учесть необходимость выделения частотных каналов для Московской и соседних областей. Подобная сложная ситуация характерна для всех крупных городов страны.

Особенностями внедрения в эксплуатацию цифровых систем наземного телевизионного вещания являются, во-первых, способность передачи в каждом регионе в 4-6 раз большего числа сигналов разных телевизионных программ при том же числе задействованных радиоканалов по сравнению с аналоговым вещанием, а, во-вторых, более низкие (примерно в пять раз) мощности передачи.

Важнейшее достоинство метода модуляции COFDM, используемого в системе цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T, заключается в возможности создания одночастотных сетей (SFN - Single Frequency Network). В этом случае трансляция телевизионных программ на большую территорию идет параллельно через ряд передатчиков, работающих на одной и той же частоте. В таких сетях телевизионный приемник получает сигналы сразу от нескольких передатчиков, приходящие с различной задержкой во времени. Если эти сигналы приходят от близко расположенных передатчиков, то они просто складываются, обеспечивая возрастание итогового уровня полезного сигнала в телевизоре. Сигналы же от более удаленных передатчиков фактически не учитываются декодером приемника за счет наличия запретного интервала и не влияют на прием. Длительность запретного интервала должна удовлетворять условию T_GX(d/V_c), где d - расстояние между соседними телевизионными передатчиками; V_c - скорость распространения электромагнитных колебаний. На практике режим 2k пригоден для телевизионного вещания одиночным передатчиком и для построения малых одночастотных сетей с ограниченным расстоянием между передатчиками. Режим 8k применяется в тех случаях, когда необходимо построение больших одночастотных сетей. Для примера в табл. 9.1 приведены возможные значения максимального разноса между передатчиками в одночастотной сети в зависимости от длительности защитного интервала [18].

Одновременно на развитии современных систем многопрограммного телевизионного вещания сказываются результаты последних исследований в области распространения электромагнитных волн метрового и дециметрового диапазонов в жилых районах различных крупных городов мира. Установлено, что при сравнительно небольшой высоте подвеса передающей антенны над землей (менее 100 м) в больших городах с разноэтажной высотной застройкой или холмистым рельефом местности образуется значительное число «затененных» районов, возникает множество переотражений электромагнитных волн от высокоэтажных строений. Неэффективность традиционных способов телевизионного вещания, заключающаяся в использовании телевизионных радиопередатчиков и ретрансляторов метрового и дециметрового диапазонов волн, приводит к тому, что наличие радиопередатчиков с мощностью даже 100 кВт все равно не гарантирует высококачественного приема телевизионных программ на всей территории города. Следует также иметь в виду, что электромагнитное излучение мощных радиопередатчиков в ближней зоне от них неблагоприятно действует на все живые организмы. Все перечисленные недостатки традиционных способов телевизионного вещания обусловлены спецификой выбранных диапазонов частот.

Таблица 9.1. Основные параметры одночастотных сетей цифрового телевизионного вещания

Из-за названных причин во многих странах мира постепенно осуществляется переход на системы телевизионного вещания с низким уровнем излучения. Причем вновь создаваемые системы телевизионного вещания в основном развиваются в трех направления:

- внедрение широкополосных сетей СКТВ, работающих в полосе частот 5...900 МГц. Подобные СКТВ способны предоставить телезрителям до 100 и более телевизионных программ, в том числе и в цифровом виде;

- интенсивный рост коллективных и индивидуальных установок спутникового телевизионного вещания;

- внедрение и развитие наземного телевидения при реализации систем так называемого сотового телевидения.

Таким образом, привычное для нас эфирное телевизионное вещание в перспективе будет неуклонно вытесняться из городов. Лишь на периферии с ее невысокой плотностью абонентов традиционные способы телевизионного вещания в метровом и дециметровом диапазонах волн просуществуют еще, наверное, долго, что связано с их достаточно большой дальностью действия и отсутствием значительных помех при распространении радиоволн.