ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ НАЗЕМНОГО ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ 

Баегизова Айгулим Сейсенбековна

канд. физ.-мат. наук, и.о. доц. кафедры «Радиотехника, электроника и телекоммуникации», Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева,

Казахстан, г. Нур-Султан

Изтилеу Алуаш Сейилханкызы

магистрант 2-го курса специальности «Радиотехника, электроника и телекоммуникации» физико-технического факультета, Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева,

Казахстан, г. Нур-Султан

Ермуханбетова Динара Нурбеккызы

магистрант 2-го курса специальности «Радиотехника, электроника и телекоммуникации» физико-технического факультета, Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева,

Казахстан, г. Нур-Султан

АННОТАЦИЯ

За последние два десятилетия наземное телевизионное вещание эволюционировало от аналоговой технологии к цифровой, что позволило повысить эффективность использования спектра, повысить устойчивость к шуму и помехам, а также улучшить качество сигнала. Телевидение высокой четкости (HDTV) было введено для улучшения впечатлений зрителей. HDTV и телевидение сверхвысокой четкости создают проблему обеспечения квази-безошибочной производительности при частоте битовых ошибок всего 10^-12; т.е. менее одной неисправимой ошибки в течение одного часа непрерывной передачи потока данных 5 Мбит/с. Такой низкий уровень ошибок требует надежных стандартов, тщательного планирования сети и оптимизированной работы сервиса. Данная статья восполняет существующий пробел в тщательном обзоре методов распространения и моделей вещания. Проводится анализ явления распространения, касающиеся различных аспектов планирования сети вещания, оценки стандартов вещания и работы службы вещания. В статье также представлена техническая перспектива современных стандартов телевизионного вещания и обсуждается актуальность исследований в области распространения с учетом будущих проблем развития и регулирования.

Ключевые слова: радиовещание, цифровое наземное телевидение, распространение радиосигналов.

Введение

Первые трансляции по всему миру начались в 1930-х годах, когда США, Германия и Великобритания были одними из первых стран, которые начали передачи. В 1950-х годах телевидение стало предпочтительным средством передачи информации в домах, заменив радио и фильмы в США [1]. С тех пор использовались стандарты аналогового телевидения, такие как NTSC (Америка), SECAM (Франция) и PAL (Европа), в которых использовались диапазоны частот СВЧ/УВЧ для видео и только СВЧ для аудио. Информация об изображении передавалась с использованием остаточной модуляции боковой полосы (VSB МБП) по одному каналу, в то время как аудио передавалось с использованием FM.

До конца 1990-х годов цифровое телевизионное вещание на дом считалось непрактичным и дорогостоящим в реализации, но как только в Европе был создан альянс цифрового видеовещания (DVB), стало ясно, что аналоговые стандарты должны уступить место полностью цифровым технологиям. В этом контексте первыми были разработаны системы цифрового спутникового и кабельного вещания, за которыми последовало цифровое наземное телевидение. Первым стандартом был DVB-S (спутниковый) в 1993 году, за которым последовал DVB-C (кабельный) в 1994 году [2]. DVB-T (наземный) был более сложным, поскольку он предназначался для борьбы с шумом и многолучевостью. Более того, это была одна из первых коммерческих беспроводных систем, использующих мультиплексирование с ортогональным разделением частот (OFDM) [3].

DVB-T был стандартизирован в 1997 году и не был внедрен до 2002 года. В дополнение к DVB-T, другими популярными стандартами DTTB первого поколения были: Интегрированное цифровое эфирное вещание (ISDB-T) в Японии и на Филиппинах; и Цифровое телевизионное мультимедийное эфирное вещание (DTMB-T) в Китае. В течение десятилетия 2000 года были разработаны дополнительные стандарты. DVB-H, предназначенный для портативных приемников, был стандартизирован в 2004 году [4-8].

В ходе литературного обзора, были собраны стандарты, которые используются в реализации наземного цифрового телевещания (НЦТВ). В таблице 1 представлены результаты проведенного обзора.

Таблица 1.

Стандарты следующего поколения для НЦТВ

Исследования в области распространения были сосредоточены на понимании и характеристике различных эффектов (например, преломления волн, отражения от земли, дифракции и т.д.), которые влияли на качество сигнала в широком масштабе. Эти усилия были сильно мотивированы бумом развертывания телевизионных услуг в домашних условиях, происходившим примерно в те годы [7-9]. Позже, с появлением большей вычислительной мощности, стала популярной разработка моделей распространения, главным образом для оценки охвата от точки до зоны, и для проектирования сети можно было использовать кривые распространения; например Окумура-Хата [13], Лонгли-Райс [14] и др. Также были разработаны модели для характеристики наиболее значительных эффектов распространения, например дифракции, ослабления дождя и т.д. С разработкой самых последних стандартов, которые учитывают мобильность, эффекты Доплера и потери при входе в здание должны были быть учтены для точной оценки уровня сигнала на стороне приемника. Кроме того, контроль помех стал необходимым, поскольку новые беспроводные технологии сосуществуют на частотах, близких к тем, которые лицензированы для цифрового телевидения.

В исследование включены классические модели, некоторые из которых рассматривались для фиксированных линий связи и вещания до 2013 года. В работе [10] исследования сосредоточены только на рассмотрении моделей и эффектов узкополосного распространения в помещении. Таким образом, этот документ восполняет существующий пробел в тщательном исследовании методов распространения радиовещания. Мы вносим свой вклад в эту область, описывая и анализируя явления распространения, касающиеся различных аспектов планирования сети вещания, оценки стандартов вещания и работы службы вещания.

1 АРХИТЕКТУРЫ И СЦЕНАРИИ РЕАЛИЗАЦИИ

МСЭ установил эталонную модель НЦТВ, изображенную на рис. 1 [15]. Модель включает в себя кодирование и сжатие источника, мультиплексирование и передачу услуг, кодирование радиочастотного канала, модуляцию и распространение. На стороне приемника включены демодулятор, декодер канала и декомпрессия содержимого.

Рисунок 1 Модель цифрового телевидения, адаптированная из [15]

Параметры сетей НЦТВ в сценариях развертывания, представленных в этом разделе, собраны в таблице 2 [16].

Таблица 2.

Базовые параметры для НЦТВ сетей [16]

Проектирование сети цифрового вещания и эффективное частотное планирование включают такие критерии, как максимальные уровни мощности, коэффициенты защиты, расстояние между передатчиками, высота передающей антенны и режим приема. Помехи являются важным ограничивающим фактором. Быстрый переход от почти идеального приема НЦТВ к полному отсутствию приема может произойти, если зоны покрытия не защищены должным образом.

2 ЭФФЕКТЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В КАНАЛАХ ВЕЩАНИЯ

На распространение радиосигналов в системе телевизионного вещания влияет взаимодействие электромагнитной волны с распространяющейся средой, вызывая различного рода эффекты, которые необходимо учитывать при оценке системы, планировании сети и эксплуатации службы вещания. Изменения скорости, фазы, дисперсии, ухудшения сигнала и т.д. Могут быть смоделированы в зависимости от возникновения конкретных эффектов распространения. НЦТВ может страдать от дыр в покрытии, вызванных характеристиками распространения полос частот, препятствиями на местности и искусственными помехами. Аналоговое телевидение не требует точного прогнозирования скорости, в отличие от цифрового телевидения [17]. На рис. 2 представлены изменения в свойствах сигнала для не прямой видимости и наземных фиксированных линий связи.

Рисунок 2. Изменения в свойствах сигнала [18]

В большинстве мероприятий по планированию, связанных с наземным вещанием, наиболее распространенные методы прогнозирования относятся к группе эмпирических моделей. Мотивация двоякая. С одной стороны, обычная зона обслуживания и эффективные высоты антенн передатчика и приемника несовместимы с детерминированными и некоторыми полуэмпирическими методами [19]. С другой стороны, компромисс между ошибкой прогнозирования, требуемой точностью высоты местности, степенью детализации базы данных и сложностью вычислений благоприятствует эмпирическим. Классификация моделей распространения показана на рис. 4.

Рисунок 3. Модели потерь на тракте, используемые в НЦТВ

Эмпирическая модель НЦТВ состоит из Окамура-Хата, Cost 231, Рекомендация 1546 МСЭ. Полуэмпирическая модель состоит из Рекомендации 1812 и Икегами. Детерминированный модель состоит из Икегами и трассировки излучений [20].

Заключение

Планирование сети наземного телевещания - сложная задача. Проектирование сетей вещания включает аспекты управления частотами и базы данных с информацией, относящейся к оборудованию; точное знание данных о местности, где должна быть развернута система; и подробную информацию о распределении населения внутри зоны обслуживания. Кроме того, характер используемой модели распространения будет иметь первостепенное значение для реалистичных прогнозов и эффективного и точного определения размеров сети. В этом разделе приводится результаты анализов наиболее широко распространенные модели распространения между точками для планирования широковещательной сети. Предпосылки каждой модели различны; некоторые из них являются эмпирическими, некоторые детерминированными, а другие используют комбинацию эмпирических и детерминированных компонентов.

Наконец, планирование НЦТВ требует координации использования спектра, что необходимо для достижения всемирного соглашения по определенным инструментам прогнозирования.

Список литературы:

1. Encyclopedia. History of Television Broadcasting. Accessed: Feb. 3, 2021. [Online]. Available: https://www.encyclopedia.com/media/ encyclopedias-almanacs-transcripts-and-maps/television-broadcastinghistory
2. W. Y. Zou and Y. Wu, ‘‘COFDM: An overview,’’ IEEE Trans. Broadcast., vol. 41, no. 1, pp. 1–8, Mar. 1995.
3. G. Faria, J. A. Henriksson, E. Stare, and P. Talmola, ‘‘DVB-H: Digital broadcast services to handheld devices,’’ Proc. IEEE, vol. 94, no. 1, pp. 194–209, Jan. 2006.
4. L. Dai, Z. Wang, and Z. Yang, ‘‘Next-generation digital television terrestrial broadcasting systems: Key technologies and research trends,’’ IEEE Commun. Mag., vol. 50, no. 6, pp. 150–158, Jun. 2012.
5. I. Eizmendi, M. Velez, D. Gomez-Barquero, J. Morgade, V. Baena-Lecuyer, M. Slimani, and J. Zoellner, ‘‘DVB-T2: The second generation of terrestrial digital video broadcasting system,’’ IEEE Trans. Broadcast., vol. 60, no. 2, pp. 258–271, Jun. 2014.
6. R. Chernock, J. C. Whitaker, and Y. Wu, ‘‘ATSC 3.0—The next step in the evolution of digital television,’’ IEEE Trans. Broadcast., vol. 63, no. 1, pp. 166–169, Feb. 2017.
7. J. Epstein and D. Peterson, ‘‘An experimental study of wave propagation at 850 MC,’’ Proc. IRE, vol. 41, no. 5, pp. 595–611, May 1953.
8. J. Damelin, W. A. Daniel, H. Fine, and G. V. Waldo, Development of VHF and UHF Propagation Curves for TV and FM Broadcasting. Washington, DC, USA: Federal Communications Commission, 1966.
9. W. C. Boese and H. Fine, ‘‘Present knowledge of propagation in the VHF and UHF TV bands,’’ IRE Trans. Broadcast Transmiss. Syst., vol. 3, no. 1, pp. 39–47, Jan. 1956.
10. Y. Okumura, E. Ohmori, T. Kawano, and K. Fukuda, ‘‘Field strength and its variability in VHF and UHF land-mobile radio service,’’ Rev. Elect. Commun. Lab., vol. 16, nos. 9–10, pp. 825–873, 1968.
11. R. A. G. Longley and P. Rice, Preiction of Tropospheric Radio Transmission Loss Over Irregular Terrain: A Computer Method-1968, vol. 67. Boulder, CO, USA: Institute for Telecommunication Sciencess, 1968.
12. Handbook Digital Terrestrial Television Broadcasting Networks and Systems Implementation, document ITU-R R-HDB-63-2016-R1, International Telecommunication Union Oct. 2016.
13. B.-Y. Kim, M.-S. Bang, S.-H. Kim, J. S. Choi, J. Kim, D.-W. Kang, and K.-H. Jung, ‘‘A study on feasibility of dual-channel 3DTV service via ATSC-M/H,’’ ETRI J., vol. 34, no. 1, pp. 17–23, Feb. 2012.
14. A/153 Part 1, ATSC Mobile DTV System, ATSC Digit. Telev. Standard, London, U.K., 2013.
15.  A/153 Part 10, Mobile Emergency Alert System, ATSC Digit. Telev. Standard, London, U.K., 2013.
16. D. Barquero, Next Generation Mobile Broadcasting, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2013.
17. L. Vangelista, N. Benvenuto, S. Tomasin, C. Nokes, J. Stott, A. Filippi, M. Vlot, V. Mignone, and A. Morello, ‘‘Key technologies for next generation terrestrial digital television standard DVB-T2,’’ IEEE Commun. Mag., vol. 47, no. 10, pp. 146–153, Oct. 200
18. A. Yamada, H. Matsuoka, T. Ohya, R. Kitahara, J. Hagiwara, and T. Morizumi, ‘‘Overview of ISDB-tmm services and technologies,’’ in Proc. IEEE Int. Symp. Broadband Multimedia Syst. Broadcast. (BMSB), Jun. 2011, pp. 1–5.
19. A/103 Non-Real-Time Delivery, ATSC Digit. Telev. Standard, London, U.K., 2014.
20. A/105 Interactive Services, ATSC Digit. Telev. Standard, London, U.K., 2015.