В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Александр Артамонов
Заместитель генерального
директора по новой технике,
ОАО "МАРТ"
Лев Протопопов
Ведущий научный сотрудник, ОАО "МАРТ"
Освоение технологии цифрового телевизионного вещания повлекло за собой не только необходимость создания принципиально новых устройств, но и пересмотр требований ко всем элементам системы, включая передатчик. Специфика требований к передатчикам для цифрового эфирного вещания определяется исключительно свойствами используемых сигналов. Эти сигналы характеризуются практически полным отсутствием детерминированных компонентов в спектре выходного колебания, сравнительно большим значением пикфактора и высокими требованиями к уровню внеполосных составляющих спектра. Поэтому появился новый тип оборудования — передатчики для цифрового эфирного вещания, которые, как и передатчики для аналоговых систем, делятся на классы в зависимости от мощности и диапазона рабочих частот
Требования к передатчикам цифрового телевизионного вещания
Первым нормативным документом был Руководящий документ "Временные нормы на радиопередатчики. Основные параметры, технические требования и методы измерений", который утвержден Министерством связи и информатизации РФ 1 февраля 2002 г. Он впервые вводил два основных параметра радиопередатчиков для цифрового эфирного ТВ-вещания:
Следующим шагом в области разработки нормативных документов явилась разработка государственного стандарта, назначение которого состояло в повышении статуса разработанных ранее временных норм.
Одним из последних нормативных документов являются "Правила применения оборудования систем телевизионного вещания", разрабатываемые в соответствии со статьей 21 Федерального закона от 07.07.03 „. № 126-ФЗ "О связи", которая в части "Правил применения передатчиков наземного вещательного телевидения" впервые формулирует требования к аналоговым, цифровым и аналого-цифровым (гибридным) передатчикам.
Необходимо подробно остановиться на гибридных передатчиках, пригодных как для аналогового, так и для цифрового ТВ-вещания. Переход от аналогового к цифровому ТВ-вещанию связан с заменой аналоговых ТВ-передатчиков на цифровые. В течение переходного периода среди вновь устанавливаемых передатчиков повышается доля цифровых, однако по-прежнему велико и количество аналоговых, что связано с интенсивно протекающим процессом цифровизации распределительной сети ТВ-вещания и с обеспечиваемой при этом возможностью доставки в пункты вещания значительно большего числа ТВ-программ, среди которых по-прежнему много программ аналогового вещания. По мере перехода аналоговых программ на цифровой режим вещания вновь устанавливаемые в настоящее время аналоговые передатчики должны быть демонтированы и заменены на цифровые задолго до истечения их эксплуатационного ресурса. Финансовых издержек, связанных с такой неэффективной заменой, можно избежать, если в пунктах вещания установить гибридные аналого-цифровые передатчики, пригодные как для аналогового, так и для цифрового вещания, то есть обеспечить использование вновь устанавливаемых передатчиков аналогового вещания также и для передачи цифрового сигнала. При этом вновь устанавливаемые гибридные аналого-цифровые передатчики могут традиционно включать в себя блок амплитудного модулятора и фильтр частичного подавления боковой полосы, необходимые для аналогового ТВ-вещания. Вместе с тем переход на цифровой режим вещания будет осуществляться лишь в виде замены модулятора аналогового ТВ-вещания на модулятор цифрового ТВ-вещания (без замены самого передатчика). Разумеется, гибридные аналого-цифровые передатчики должны обладать техническими параметрами, отличающимися от параметров ныне действующих аналоговых передатчиков так, чтобы подача на них многопрограм много сигнала цифрового ТВ-вещания не стала причиной низкого качества цифрового ТВ-вещания и не привела к мешающим воздействиям на соседние частотные каналы.
Несмотря на сравнительно малое различие между техническими решениями при построении передатчиков для аналоговой и цифровой систем (за исключением модулятора), требования к их параметрам имеют ряд заметных отличий как количественного, так и качественного характера. В связи с этим ниже рассмотрены особенности некоторых параметров передатчиков для цифрового ТВ-вещания, а именно тех, к которым режим цифрового ТВ-вещания предъявляет более строгие требования, чем режим аналогового вещания (либо просто иные требования, чем при аналоговом вещании), и которые должны быть объектом особого внимания при доработке существующих передатчиков аналогового вещания, имеющей целью сделать их пригодными для цифрового ТВ-вещания.
Построение усилительного тракта и применение коррекции искажений усилительного тракта
Несмотря на чрезвычайно высокую точность цифровых систем предкоррекции, эффект от их применения в конкретных условиях оказывается заметно ниже ожидаемого. Такое положение объясняется следующими факторами: наличием разброса характеристик отдельных модулей, мощности которых суммируются на выходе, ограничением ширины полосы частот в тракте формирования выходного колебания и многоэкстремальным характером зависимости эффективности предкоррекции от вида корректирующей функции. Опыт разработки современных твердотельных усилителей мощности для цифрового телевизионного вещания (ЦТВ) показывает, что уровень внеполосных составляющих спектра (УВСС) на выходе этих усилителей, обусловленный нелинейными искажениями, примерно на 15 дБ превышает требования стандарта. Подавление УВСС до необходимого значения производится с помощью полосового фильтра, установленного на выходе передатчика, и предкорректора, установленного на входе усилителя. В этой ситуации одной из задач при проектировании передатчика является оптимизация распределения вкладов каждого из упомянутых способов подавления УВСС с целью минимизации суммарных затрат. Так как эффективность предкорректора практически не связана с его стоимостью, то естественно потребовать, чтобы необходимая величина подавления обеспечивалась без применения фильтра. Однако при попытке реализации этого решения приходится сталкиваться с целым рядом факторов, ограничивающих эффективность предкоррек-тора.
В соответствии с принятой в настоящее время практикой построения структурных схем передатчиков для телевизионного вещания сначала производится формирование сигнала на относительно низкой (промежуточной) частоте, затем этот сигнал с помощью преобразования и фильтрации переносится на рабочую частоту. При наличии дополнительных преобразований, осуществляемых предкорректром, ширина спектра усиливаемого колебания может существенно превосходить номинальное значение полосы частот.
Проверка возможности коррекции УВСС нелинейных искажений и оценка влияния искажений, вносимых фильтром в тракте усиления, производилась с помощью математической модели, структурная схема которой представлена на рис. 1.
Опыт показывает
Результаты оценки минимальных значений относительной ширины полосы фильтра (по сравнению с шириной спектра сигнала), при которых эффективность коррекции не уменьшается, приведены в табл. 1, где для эллиптического фильтра в скобках указаны значения максимально достижимой эффективности коррекции; при увеличении ширины полосы фильтра она уже не улучшается. Это явление обусловлено нелинейностью фазовой характеристики эллиптического фильтра и в некоторой степени может быть компенсировано корректором ГВЗ.
В общем случае характеристика нелинейного усилителя описывается при помощи конечного числа параметров. Часть из них (например, коэффициент усиления при малых уровнях, ток насыщения и т.п.) может быть выставлена в процессе регулировки с достаточно высокой точностью. В гораздо меньшей степени поддается регулировке область перехода от линейного участка характеристики в область насыщения.
Опыт настройки передатчиков показывает, что при сравнительно малой разнице между характеристиками нелинейных усилителей (не более 20%) можно добиться такого же эффекта от коррекции, как и в случае использования одного усилителя. При увеличении разброса эффективность коррекции уменьшается.
Для эффективного использования предкоррекции в нелинейных усилителях мощности необходимо соблюдать следующие условия:
Рекомендации по выбору режимов работы передатчика для цифрового телевидения
1. Общие соображения
Настоящие рекомендации могут быть использованы при выборе параметров отдельных элементов в ходе проектирования, при компоновке передающего комплекса из отдельных узлов и при настройке готового оборудования в процессе эксплуатации.
Основными параметрами, характеризующими особенности использования передатчиков для передачи цифрового телевидения, являются уровень внеполосных спектральных составляющих (УВСС) и величина эквивалентных энергетических (шумовых) потерь (END).
Достижение требуемых значений этих показателей может быть выполнено несколькими способами путем выбора соответствующего распределения величин искажений между различным узлами передатчика. Выбор конкретного решения зависит как от общих технических требований к передающему комплексу (мощности, типа антенны, требований к электромагнитной совместимости и т.п.), так и от ряда других факторов (требований к стоимости аппаратуры, конкретных параметров имеющихся устройств и т.п.). Ввиду достаточно большого количества сочетаний исходных данных и критериев оценки конечных результатов в общем случае не представляется возможным предложить однозначный алгоритм оптимизации данной задачи. Поэтому здесь описаны основные зависимости между режимами работы отдельных узлов передатчика и качеством колебаний на выходе этих узлов, а также приведены рекомендации по выбору наиболее предпочтительных соотношений значений упомянутых параметров в различных частях передатчика.
На рис. 2 приведена структурная схема передатчика, содержащая все элементы, ответственные за появление УВСС и END.
Наиболее ответственной частью схемы является модулятор, от свойств которого зависит возможность успешного решения поставленной задачи. Величина УВСС на его выходе не должна превышать 45 дБ, a END — 0,1 дБ.
Предкорректор предназначен для коррекции характеристик нелинейности усилителя мощности.
Определение функций предкоррек-ции характеристик АМ/АМ и АМ/ФМ выполняется в интерактивном режиме по критерию минимума УВСС на выходе передатчика.
Величина END, обусловленная фазовыми шумами, неравномерностью зависимостей коэффициента передачи уровня и угла наклона фазы от частоты, не должна превышать 0,1 дБ.
Усилитель мощности характеризуется максимально допустимым уровнем мощности и характеристиками АМ/АМ и АМ/ФМ.
Полосовой фильтр предназначен для подавления УВСС до величины, соответствующей требованиям стандарта. Величина END, обусловленная неравномерностью зависимостей коэффициента передачи уровня и угла наклона фазы от частоты, не должна превышать 0,1 дБ.
В АФУ величина END также не должна превышать 0,1 дБ.
Измерительный приемник предназначен для измерения величин УВСС и END, а также оценки значения пикфактора. При измерениях малых значений END (меньше 0,2 дБ) целесообразно использовать специальный измерительный генератор, формирующий сигнал OFDM.
Все требования к характеристикам рассмотренных выше составных частей передатчика носят рекомендательный характер и в отдельных случаях могут отличаться от указанных значений.
Из опыта проектирования и эксплуатации передатчиков известно, что параметры модулятора, возбудителя, полосового фильтра и АФУ весьма консервативны и их улучшение требует чрезвычайно больших усилий. Таким образом, представляется целесообразным в первую очередь использовать при оптимизации характеристик передатчика зависимости, связанные с влиянием пикфактора на свойства сигнала в различных участках схемы передатчика.
2. Зависимости УВСС и END от пикфактора
Поскольку ограничение сигнала OFDM при прохождении через нелинейные цепи передатчика неизбежно, то для оценки влияния этих искажений на качество формируемого колебания целесообразно рассмотреть зависимость УВСС и END от уровня ограничения при прохождении сигнала OFDM через нелинейное устройство с характеристикой вида:
(1)
где а — максимально допустимое значение уровня усиливаемого колебания.
Выбор функции (1) обусловлен тем обстоятельством, что при фиксированном уровне ограничения (величина а) влияние такой нелинейности на УВСС минимально.
Величина пикфактора (в дБ) в этом случае определяется по формуле:
(2)
где σ — среднеквадратичное значение усиливаемого колебания.
Зависимости УВСС и END (в режиме 64-КАМ) от величины пикфактора приведены на рис. 3 и 4.
С точки зрения требований к энергетической эффективности значение параметра р нужно выбирать как можно меньшим. Требования к УВСС и END в этом случае являются ограничивающими факторами.
3. Рекомендации по выбору наиболее предпочтительного варианта соотношений режимов отдельных узлов передатчика
Как уже упоминалось, целью настройки передатчика является выбор такого соотношения между режимами отдельных узлов, при котором выходная мощность была бы максимальной, а величины УВСС и END удовлетворяли бы требованиям стандарта.
В общем случае величина END складывается из трех составляющих: END(p) — эквивалентные энергетические потери, обусловленные нелинейными искажениями; ENDo — эквивалентные энергетические потери, обусловленные искажениями в линейных элементах передатчика; ENDM -эквивалентные энергетические потери на выходе модулятора.
В корректно спроектированном передатчике значения END0 и ENDM существенно меньше других видов энергетических потерь, поэтому основные усилия по оптимизации режима передатчика следует сосредоточить на управлении величинами УВСС и END(p) путем изменения пикфактора.
В соответствии требованиям стандарта (или Временных норм) на цифровые передатчики для телевидения возможной является ситуация, когда УВСС не должен превышать 45 дБ, для чего согласно зависимости, приведенной на рис. 3, величина пикфатора должна быть не менее 10 дБ. Аналогично получаем из рис. 4 при требованиях к величине END(p) + ENDo + ENDM <0,5 ДБ минимально допустимое значение р = 9 дБ.
Следовательно, в этом режиме (р = 10 дБ) требования к параметрам УВСС и END(p) + ENDo + ENDM могут быть удовлетворены при условии, что с помощью системы предкоррекции характеристика нелинейности передатчика достаточно хорошо приближается к виду, соответствующему формуле (1).
В тех случаях, когда по условиям применения передатчика требования к УВСС отличаются от 45 дБ, выбирается максимальное значение пикфактора, полученное путем анализа зависимостей, приведенных на рис. 3 и 4.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #8, 2006
Посещений: 30740
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
