Naziemna telewizja cyfrowa – wybrane zagadnienia

Naziemna sieć jednoczęstotliwościowa telewizji cyfrowej

W sieci jednoczęstotliwościowej SFN (Single Frequency Network) wszystkie nadajniki w systemie pokrywającym dany region kraju pracują w tym samym kanale telewizyjnym (rys. 7) nadając ten sam program. Wymaga to wysokiego stopnia synchronizacji, gdyż sygnały emitowane z różnych nadajników muszą być nie tylko identyczne, ale również emitowane w tym samym czasie, ewentualne z precyzyjnie kontrolowanym opóźnieniem. Oczywiście przede wszystkim sygnały fal nośnych również muszą spełniać te wysokie wymagania odnośnie stałości częstotliwości.

Rys. 7. Sieć nadajników jednoczęstotliwościowych DVB-T SFN. Ozn.: f₁ – częstoliwość nadajników pracujących np. w kanale 48.

Przy projektowaniu sieci nadajników takie parametry, jak wymiary i kształt pokrycia danego obszaru oraz wykorzystanie widma radiowego są ze sobą ściśle powiązane. 

Sieci jednoczęstotliwościowe, ze względu na obszar pokrycia dzieli się na:

• ogólnokrajowe, gdy w całym kraju wykorzystuje się ten sam kanał. Zastosowanie takiej sieci jest uzależnione od ustaleń z państwami sąsiadującymi, co nieraz może być sprawą trudną. W sieci ogólnokrajowej cały obszar państwa ma wszędzie takie same programy. Taka sieć jest jednak dość trudna do realizacji również ze względu na zakłócenia interferencyjne;
• regionalne, gdy wszystkie nadajniki w danym regionie mają taką samą częstotliwość pracy, ale sąsiednie obszary kraju wykorzystują już inne kanały telewizyjne. Programy odbierane w tych różnych obszarach mogą być takie same lub różne. W wielu krajach europejskich takie regiony mają obszar o średnicy do 200 km;
• lokalne, gdy główny nadajnik i stacje przekaźnikowe pracują na tej samej częstotliwości, ale już sąsiedni nadajnik na tym samym terytorium wykorzystuje inny kanał. Lokalne nadajniki mogą emitować różny program w pewnych godzinach lub cały czas. 

Z reguły dla sieci ogólnokrajowych lub regionalnych wykorzystuje się 5–6 kanałów, a dla pokrycia obszaru lokalnego wystarczą 2–3 kanały. SFN bazująca na infrastrukturze sieci nadajników analogowych jest odpowiednia dla odbioru z anteny umieszczonej na dachu. Jednak w wielu przypadkach, szczególnie dla odbioru przenośnego lub ruchomego wymagany jest większy przedział ochronny, co wiąże się z gęstszą siecią nadajników. 

Moc wszystkich sygnałów odbieranych w SFN w czasie z przedziałem ochronnym jest traktowana jako sygnał użyteczny. Poza przedziałem ochronnym tylko część mocy jest skojarzona z symbolem podstawowym OFDM i traktowana jako część składowa sygnału użytecznego. Pozostała część mocy sygnałów jest kojarzona z wcześniejszą lub późniejszą sekwencją symbolu OFDM i jest traktowana jako produkt modulacji międzysymbolowych. Dlatego jeśli opóźnienie sygnału stopniowo wzrasta poza przedział ochronny, wówczas użyteczny sygnał maleje, a tym samym zakłócenia międzysymbolowe wzrastają.

Każdy nadajnik w sieci SFN powinien emitować taki sam symbol w tym samym czasie. A co za tym idzie, echa np. z nadajników wspólnokanałowych, powinny być w czasie przedziału ochronnego. Odbiorniki OFDM muszą mieć ustawione okno czasowe dla próbek użytecznych symboli OFDM i z nimi zsynchronizowane. Dzięki temu sygnały w czasie przedziału ochronnego mogą być pominięte, gdy sygnał odbiornika jest złożony z kilku symboli OFDM. Jeśli nadajnik dostarcza taki sam symbol OFDM w tej samej chwili lub nieznacznie opóźniony (o kilka mikrosekund), różnica czasu opóźnienia propagacji odbiornika OFDM pozostaje w czasie przedziału ochronnego i wówczas następuje sumowanie sygnałów odebranych, gdyż one stanowią ten sam symbol OFDM.

W systemie DVB-T przewidziano przedziały ochronne 1/32, 1/16, 1/8 i ¼ czasu trwania symbolu użytecznego. Dla trybu 8k dopuszcza się czas trwania przedziału ochronnego wynosi 28, 56, 112 i 256 μs, a dla 2k odpowiednio 7, 14, 28 i 56 μs.

Wybór odpowiedniego parametru przedziału ochronnego dla telewizji cyfrowej pozwala na ograniczenie wpływu opóźnienia powodującego zakłócenia odbioru programów. Poza tym, wybór odpowiedniego przedziału ochronnego dla danej SFN jest istotny przy ustalaniu topologii sieci: z czasu trwania przedziału ochronnego wynika maksymalny czas opóźnienia ech dopuszczalnych przez system, co jest związane z maksymalną dopuszczalną odległością pomiędzy nadajnikami wspólnokanałowymi, będącymi źródłami aktywnych ech. Optymalizacja parametrów pozwala na budowę rozległych sieci mających dużą odległość pomiędzy usytuowanymi nadajnikami dużej i średniej mocy. Inne parametry pozwalają na pracę lokalną z sygnałem telewizyjnym o większej gęstości pola przy nadajnikach małej mocy.

Zakłócenia międzysymbolowe są przyczyną dwóch ograniczeń w stosowaniu SFN. Po pierwsze, dla danego punktu odbiorczego sygnały główne pochodzą od najbliższych nadajników, do tego zaś dopuszczalne czasy ich opóźnień nie powinny przekraczać w sposób znaczący przedziału ochronnego. Wynika z tego zależność polegająca na tym, że sąsiednie nadajniki muszą być usytuowane niezbyt daleko od siebie, a ich maksymalna odległość musi być ściśle określona.

Zgodnie z Rekomendacją ETSI TR 101-190 przedział ochronny wybrany dla naziemnej telewizji cyfrowej powinien bazować na odległościach pomiędzy nadajnikami. Odległość między sąsiednimi nadajnikami w sieci SFN nie powinna być znacząco większa niż ta wynikająca z czasu propagacji.

Fale elektromagnetyczne rozprzestrzeniają się z prędkością światła c, która wynosi 299 792 458 m/s. Znając odległość s pomiędzy nadajnikiem a punktem odbiorczym, można obliczyć czas τ potrzebny dla przebycia tej drogi przez sygnał telewizyjny (czas opóźnienia). Przykładowo, jeśli fala jest emitowana z nadajnika odległego o 2100 m od odbiorczej anteny telewizyjnej, wówczas czas potrzebny na przebycie tej drogi wynosi:

Uwzględniono to w wymaganiach dotyczących naziemnej telewizji cyfrowej, a mianowicie:

• tryb 2k i przedział ochronny 7, 14, 28 i 56 μs. Wynikająca stąd odległość wynosi odpowiednio 2,1; 4,2; 8,4 i 16,8 km;
• tryb 8k i przedział ochronny 28, 56, 112 i 224 μs. Wynikająca stąd odległość wynosi odpowiednio 8,4; 16,8; 33,6 i 67,2 km.

Przykładowo, dla trybu 8k i przedziału ochronnego ¼, a więc przedziału ochronnego 256 μs, dopuszczalne opóźnienie pomiędzy sąsiednimi nadajnikami może być takie, że nadajniki te muszą być usytuowane w odległości nie większej niż 67,2 km od siebie. 

Badania dotyczące maksymalnej odległości pomiędzy nadajnikami sieci SFN naziemnej telewizji cyfrowej wskazują, że oprócz tych dwóch parametrów, odległości i przedziału ochronnego, istotną rzeczą jest również efektywna izotropowa moc wypromieniowania EIRP (Effective Isotropical Radiated Power).

Pomimo, że nawet maksymalny dystans pomiędzy nadajnikami jest zachowany, to konieczne jest uwzględnieni właściwości całej sieci w danym obszarze, aby określić całkowite zakłócenia systemu, które są związane z wartością stosunku nośnej do szumu C/N i gęstością nadajników w sieci.

Dość trudne jest planowanie rozległych sieci, gdyż sygnały nawet z odległych nadajników mają zwykle poziom porównywalny do tych znajdujących się w pobliżu. Tym bardziej, że poziomy sygnałów odbieranych z odległych nadajników muszą być uwzględniane dla małych procentów czasu, np. 1%, by gwarantować odbiór programów z określonym progiem, np. przez 99% czasu. Z tych względów sieci ogólnokrajowe mogą być budowane, gdy ich przepływność jest rzędu 5…6 Mbit/s. Dla większości sieci ta przepływność jest z reguły większa i wynosi 13…24 Mbit/s i wówczas zwykle można uzyskać obszar pokrycia o średnicy 150…250 km.

Sieci SFN a MFN

Korzyść ze stosowania sieci wieloczęstotliwościowych MFN (Multiple Frequency Networks) – w porównaniu z SFN – jest taka, że można wykorzystać dużą część istniejącej infrastruktury analogowej (rys. 8). Pozwala to nadawcom na zmniejszenie kosztów wprowadzania naziemnej telewizji cyfrowej, a jest nie bez znaczenia dla korzyści odbiorcy. Jest to szczególnie znaczące przy większej liczbie programów cyfrowych, gdy są one emitowane na tych samych kanałach i z tego samego miejsca, co poprzednio programy analogowe, a nawet z zachowaniem polaryzacji. Pozwala to odbiorcom na stosowanie tych samych, istniejących anten i kabli doprowadzających sygnał z anteny do odbiornika.

Rys. 8. Sieć nadajników wieloczęstotliwościowych DVB-T MFN. Ozn.: f₁, f₂, f₃ – odpowiednie częstotliwości nadajników, np. kanałów 48, 55 i 58

W wielu krajach, które muszą przejść na nadawanie cyfrowe, wprowadzenie sieci SFN napotyka na trudność związaną z tym, że widmo radiowe zajmowane dotychczas przez nadawców analogowych jest wykorzystywane przez sieć MFN. Nawet jeśli istnieją wolne kanały przeznaczone dla cyfrowego nadawania,

z reguły możliwość stosowania w rozległej sieci konfiguracji SFN jest ograniczona, gdyż może ona pracować tylko w obszarze, gdzie taki kanał jest wyraźnie zadeklarowany. Jeśli dany kanał jest jeszcze wykorzystywany dla nadawania analogowego, co będzie miało miejsce aż do czasu, gdy przekaz tradycyjny w danym kraju czy jego regionie zniknie, wymusi to zmianę częstotliwości.

Wśród takich nadajników jest większość głównych stacji nadawczych w obszarach o dużej populacji. Powstaje wówczas pytanie, czy jest potrzeba ponoszenia dużych kosztów, zarówno przez nadawców, jak i odbiorców, porzucenia telewizji analogowej. Rozwiązaniem byłoby znalezienie takiej konfiguracji kanałów, przy której transformacja w stronę telewizji cyfrowej będzie jak najkorzystniejsza. Szczególnie w niezbyt rozległych sieciach, kompromis pomiędzy kilkoma nadajnikami dużej mocy i siecią SFN może być bardzo wskazany i wykonalny.

Rozwiązaniem, wprowadzonym w niektórych krajach, nawet dla dość dużego obszaru, może być udostępnienie dla naziemnej telewizji cyfrowej jednego lub kilku kanałów, które wcześniej były wykorzystywane przez inne służby. Wówczas istnieje możliwość wprowadzenia sieci SFN nawet o ogólnokrajowym zasięgu, co jest rzeczą niezwykle atrakcyjną, a także najwłaściwszym rozwiązaniem z punktu interesu narodowego.

Jednak wprowadzenie sieci SFN w całym kraju może być niezwykle kłopotliwe, szczególnie w przypadku, gdy w sąsiednich państwach dana częstotliwość wykorzystywana jest dla analogowego nadawania telewizyjnego lub nadawania cyfrowego używanego przez inne służby.

Planowanie SFN a DVB-T2

Niezwykle istotną rzeczą jest zwiększenie przepływności platform naziemnej telewizji cyfrowej. Umożliwia to wprowadzanie pewnych standardów kodowania danych, pozwalających na znaczną kompresję transmisji, poprzez stosowanie systemu:

• MPEG4, który jest dwukrotnie bardziej efektywny pod względem wykorzystania widma elektromagnetycznego niż stosowany wcześniej standard MPEG2;
• DVB-T2, dla którego szacuje się o 50% większą przepływność dla tych samych warunków odbioru, z zachowaniem tej samej wartości C/N.

DVB-T2 umożliwia pracę w trybie 16k, a nawet 32k, a dzięki większej długości symboli dla tych trybów, nawet dla tych samych wartości względnych przedziałów ochronnych 1/32, 1/16, 1/8 i ¼ ich wartość bezwzględna (w mikrosekundach) wzrasta. Umożliwia to wzrost rozmiarów sieci SFN, przy zachowaniu wartości bezwzględnych przedziałów ochronnych, dzięki czemu można uzyskać większą przepływność transmisji, gdyż względna wartość przedziału ochronnego jest niezmienna.

Transmisja z trybem 16k, a nawet 32k jest odpowiednia zarówno dla odbioru stacjonarnego, jak i przenośnego oraz ruchomego, choć warto podkreślić, że tylko w ograniczonym zakresie, gdyż przy większych prędkościach wzrasta znacząco efekt Dopplera dla fal nośnych.

Należy zauważyć, że wprowadzanie systemu naziemnej telewizji cyfrowej MPEG4 lub DVB-T2 wiąże się ze znacznymi kosztami i to zarówno dla nadawców, jak i odbiorców. Znacznym obciążeniem dla klientów jest zakup set-top-boxów, dlatego warto o tym pamiętać, gdyż w pewnych sytuacjach to abonenci telewizyjni mogą zdecydować, jakie systemy zdominują nasz rynek. Nie można wykluczyć, że będą to systemy technologicznie bardzo zaawansowane. Przykładowo, ze względu na programy HDTV, atrakcyjniejszy dla klientów może okazać się system DVB-T2.

Szczególnie, jeśli wprowadzane na rynek odbiorniki DVB-T2 będą umożliwiały odbiór programów już pracujących multipleksów naziemnej telewizji cyfrowej, choć w tym przypadku wymagana jest pewna strategia migracji, aby minimalizować negatywny wpływ wprowadzania nowych technologii.

Z tego przeglądu wynika, że naziemna telewizja cyfrowa jest nowym technologicznym wyzwaniem, zarówno dla nadawców, jak i zwykłych odbiorców programów telewizyjnych, a jej popularność bierze się z licznych możliwości i udogodnień dla obu stron.

Literatura

[1] Bogucki J.: Telewizja cyfrowa – zarys zagadnienia. Elektronika, 5, 2011.

[2] Bogucki J.: Odbiór satelitarnej telewizji cyfrowej. Teledigital, 5, 2010.

[3] Bogucki J.: Współczesna telewizja. TV-Sat Magazyn, 5, 2010.

[4] Ministerstwo Infrastruktury: Wszystko, co powinieneś wiedzieć o odbiorze naziemnej telewizji cyfrowej. http://cyfryzacja.gov.pl/

[5] Richardson I., E., G.: H 264 and MPEG-4 Video Compression; Video Coding for Next-Generation Multimedia. John Wiley, 2003.

[6] EBU: The introduction of Multimedia Services in particular in the frequency bands allocated to the broadcasting services, 2006.

[7] ETSI TR 101 190 V1.3.1 Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation guidelines for DVB terrestrial services; Transmission aspects, 2008.

[8] ETSI TR 102 864 V1.1.1 Access, Terminals, Transmission and Multiplexing (ATTM); Assessment of Cable Equipment with Digital Dividend; New Electronic Communication Networks (ECN) Operating in the UHF band 790 MHz to 862 MHz, 2011.

[9] ETSI EN 300 744 V1.5.1 Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television, 2004-06.

[10] Spectracom. DVB-T Single Frequency Network Architecture. http://www.spectracomcorp.com

[11] Enensys Technologies: Technical Overview of Single Frequency Network. http://www.bcs.co.in/whitepapers