Основы кабельного телевидения

1 Теоретические аспекты  организации сетей  кабельного телевидения 

1.1 Понятие телевидения.  Классификация

Передача на расстояние изображений объектов и  звука называется телевидением. Сущность телевизионной передачи состоит  в последовательном преобразовании отдельных элементов оптического  изображения объекта в видеосигналы, а звукового сопровождения в  аудиосигналы, передаче этих сигналов по каналам связи (радиоканалу или кабельному каналу) в пункт приема и их обратном преобразовании в видимое телевизионное изображение и звук.

Оптическое изображение  объекта формируется и проецируется на поверхность электронно-оптического  преобразователя, объективом телекамеры. Каждый элемент оптического (светового) изображения преобразуется каждым микроскопическим элементом электронно-оптического  преобразователя, в электрический  сигнал пропорционально освещенности объекта. Таким образом, оптическое изображение преобразуется в  свою электрическую копию. Каждый элемент  изображения характеризуется яркостью, цветностью и координатами в плоскости  изображения. Для передачи и воспроизведения  изображения в телевидении принят принцип поочередной и построчной (слева направо) передачи элементов  изображения, основанный на инерционности  человеческого зрения.

Процесс последовательной передачи (воспроизведения) всех элементов  изображения с определенной скоростью  и в определенном порядке называют разверткой изображения. Согласно принятому  в России стандарту изображение (кадр) разбивается на 625 строк. В  одну секунду передается 25 кадров. Полное число строк одного кадра передается в два приема (двумя полукадрами). Частота смены полей (полукадров) составляет 50 Гц. В первом полукадре передаются нечетные, а во втором — четные строки изображения. Такая развертка изображения называется чересстрочной. Развертка, при которой весь телевизионный кадр формируется последовательно, одна строка за другой, называется построчной (прогрессивной). Для обеспечения синхронности разверток в передающих и приемных устройствах телевизионной системы в начале каждой строки и каждого кадра передаются управляющие строчные и кадровые импульсы.

Постоянное возрастание  требований к качеству телевизионного изображения, с одной стороны, и  совершенствование телевизионной  аппаратуры, с другой, привело к  появлению в некоторых странах  системы телевидения, обеспечивающей высокую четкость изображения, —  Телевидения высокой четкости (ТВВЧ) — и освоению выпуска телевизоров  ТВВЧ.

Телевидение высокой  четкости предусматривает формирование и передачу широкоформатного изображения (форматом 16:9), каждый кадр которого состоит  из большого количества строк, например 1125, и воспроизводится с частотой 100 Гц.

Принцип передачи и воспроизведения цветных изображений  в телевидении основан на теории трехкомпонентности цветового зрения, согласно которому все многообразие природных цветов можно воспроизвести оптически с помощью трех основных цветов: красного, зеленого и синего. В соответствии с этим принципом в телевизионной передающей камере цветное изображение разделяется на три одноцветных (монохромных) изображения основных цветов — красное, зеленое и синее. Затем их преобразуют в три исходных видеосигнала, пропорциональных соответственно красной, зеленой и синей составляющим цвета. Для формирования телевизионного сигнала и передачи его в канал связи в системе цветного телевидения применяют специальные методы цветового кодирования информации. Способ передачи цветовой составляющей в телевизионном сигнале определяется используемой системой цветного телевидения.

В настоящее  время в различных странах  мира для организации цветного телевизионного вещания используются три основные системы аналогового цветного телевидения, совместимые с черно-белым телевидением, но не совместимые друг с другом, так как различаются способами  и конкретными параметрами цветового  кодирования: PAL (принята в ФРГ, Великобритании, Нидерландах и ряде других стран Западной Европы, а также в Австралии); SECAM (принята во Франции, России и некоторых странах Европы и Африки); NTSC (принята в США, Японии и других странах).

Совокупность  нормированных характеристик и  параметров системы вещательного телевидения  определяет телевизионный стандарт. В настоящее время в мире действует  более 10 стандартов аналогового телевизионного вещания, обозначенных заглавными буквами  латинского алфавита В, D, G, Н, I, К, KI, L, М, N, а также различные аналого-цифровые и цифровые стандарты.

Системы цветного и черно-белого телевидения совмещены, т. е. передачи телевизионных сигналов цветных и черно-белых программ передаются по одним и тем же каналам  связи и стандартам.

В разных странах  применяются различные варианты трех вышеуказанных систем, определяемые используемыми телевизионными стандартами. В России действует стандарт SECAM-D/K. В большинстве европейских стран, используется стандарт PAL-B/G. В США, Канаде, Японии, Южной Корее и некоторых  других странах телевизионное вещание  осуществляется по стандарту NTSC-M. Две буквы, идущие в обозначении через дробь после названия системы, например, SECAM-D/K, означают, что используются два стандарта, первый в диапазоне метровых волн (МВ), а второй в диапазоне дециметровых волн (ДМВ).

Передача на расстояние изображений объектов и  звука осуществляется при помощи радиосигналов или сигналов (электрических, оптических), передаваемых по кабелю. Различают "эфирное" (наземное), сотовое, спутниковое  и кабельное телевидение.

На сегодняшний  день "эфирное", или наземное, телевидение  остается самым распространенным средством  доставки зрителям вещательных программ. Для передачи программ в "эфир" используют электрические колебания  высокой частоты, которые в отличие  от низкочастотных аудио и видеосигналов  могут свободно распространяться в  окружающем пространстве на значительные расстояния в виде радиоволн. Сигналы  изображения и звука излучаются передающими антеннами телецентров, каждый на своей радиочастоте. Сигналы "эфирного" телевидения передаются при помощи ультракоротких (УКВ) радиоволн  в полосе частот от 48 до 862 МГц. Эта  полоса частот условно разделена  на 5 диапазонов, объединенных в две  группы: метровый, или MB (VHF) — диапазоны I, II, III; и дециметровый, или ДМВ (UHF) — диапазоны IV, V.

Из-за особенностей распространения ультракоротких радиоволн  качественный прием программ "эфирного" телевидения может осуществляться только в зоне прямой видимости между  приемной и передающей антеннами, называемой зоной уверенного приема.

Наряду с "эфирным" телевидением широко используется передача телевизионных сигналов по кабельным  сетям. Для кабельного телевидения  используются диапазоны, получившие название S-диапазон (Sonderkanal) и Н-диапазон (Hyperband). Использование кабеля позволяет уменьшить

влияние внешних  помех на полезный сигнал и, следовательно, передать его более качественно. В настоящее время широкое  распространение получили локальные  сети кабельного телевидения, функционирующие  чаще всего в пределах небольшого населенного пункта, микрорайона, а  иногда и одного здания, например многоквартирного дома или гостиницы. По этой сети с небольшой приемной телевизионной станции за абонентскую плату передаются программы "эфирного" и спутникового телевидения.

Спутниковое телевидение  является на сегодняшний день самым  динамично развивающимся способом передачи телевизионных сигналов на большие расстояния. Частоты, на которых  передаются спутниковые программы  гораздо выше частот наземного телевидения, поэтому для их приема необходима специальная антенна и ресивер. Спутниковый ресивер предназначен для преобразования спутникового сигнала в сигнал воспринимаемый обычным телевизором.

В последние  годы развивается новый способ "эфирной" трансляции телевизионных программ — сотовое телевидение. Свое название он получил из-за принципа покрытия сигналом территории обслуживания, аналогичного принципу, положенному в основу сотовой телефонной связи.

Абонентское оборудование состоит из антенны со сверхвысокочастотным (СВЧ) приемником (конвертором), объединенными  в единый компактный блок, и традиционного  спутникового тюнера, работающего в  диапазоне частот 950-2050 МГц. По каналам  сотового телевидения можно передавать как аналоговые сигналы систем PAL, SECAM, NTSC, так и цифровые нового стандарта DVB. Радиус распространения сигналов достигает до 3-6 км. Поэтому для  покрытия сигналом больших площадей используют сеть маломощных передатчиков. Наличие множества ячеек сети позволяет предлагать пользователям  в каждой из них свой набор телевизионных  программ, что выгодно отличает сеть сотового телевидения от существующих "эфирных систем".

1.2 Принципы построения  систем кабельного телевидения 

     Для обеспечения высококачественного  ТВ приема в районах с низкой напряженностью поля и в городах с разноэтажной застройкой, где высок уровень отраженных сигналов, ТВ программы необходимо передавать по проводным линиям связи, в качестве которых используются коаксиальные и волоконно-оптические кабели. Поэтому в этих распределительных системах кабельного телевидения (КТВ) помех будет меньше, число ТВ каналов может быть увеличено на порядок, до 100 и более.

     В кабельных сетях основные принципы и элементы сети схожи. Осиновые элементы будут неизменны для любой  сети КТВ, различаться будут они  только от технических и экономических требования предъявляемых оператором для своей сети. Так одним из самых главных элементов является головная станция кабельного телевидения, далее и рассмотрим основные аспекты ее построения и классификации.

     Головные  станции в системах кабельного телевидения  предназначены для приема и обработки  телевизионных сигналов с целью  их последующего распределения. Выходы центральной головной станции являются входами транспортной сети (радиорелейной  или, чаще, оптической), роль которой  заключается в доставке сигналов от оборудования головной станции к  кабельным распределительным сетям. В этой главе рассмотрим структуру  и основные элементы оборудования головной станции, их функции, классификацию  головных станций, способы получения  исходных сигналов головной станцией, в частности, прием программ наземного  вещания и спутниковый прием, а также технические параметры  станции. Головная станция задает исходные параметры сигнала, поэтому именно она определяет возможное номинальное  качество сигнала, приходящего в  конечную абонентскую точку. Максимальное количество абонентов в системе  коллективного приема ограничено шумовыми характеристиками оборудования головной станции и характеристиками распределительного оборудования. 
 
Под оборудованием головной станции понимается комплекс оборудования, предназначенного для формирования качественного группового телевизионного сигнала с целью его дальнейшего направления в распределительную кабельную сеть. Основным источником сигналов для центральной головной станции является эфирный прием - от спутниковых (СТВ) или наземных (НТВ) станций телевизионного вещания. В состав головного оборудования системы КТВ могут входить первичные внешние устройства, предназначенные для формирования исходного сигнала (антенные устройства, видеокамеры, видеомагнитофоны), собственно головная станция (ГС) и выходные устройства (частотные диплексеры, сумматоры и делители мощности, оптические передатчики), состав которых зависит от конкретной конфигурации создаваемой системы. В состав оборудования ГС могут входить мачтовые и спутниковые антенные устройства, антенные и предварительные усилители, полосовые фильтры, генераторы, диапазонные и канальные усилители, модуляторы и демодуляторы, частотные конверторы. Очевидно, головная станция составляет основу всей системы КТВ, определяет ее конфигурацию, масштаб области обслуживания и параметры сигнала. Головные станции (ГС), удельный вес которых в стоимости всей СКТВ составляет 10%, в большой степени определяют технический уровень всей сети. От того, какие параметры имеет головная станция, зависит максимальное число транслируемых каналов, протяженность магистралей, число абонентов и, самое главное, качество изображения на экранах телевизионных приемников. 
 
В действующем ГОСТ Р52023-2003 поверхностно отражены требования, предъявляемые к параметрам головной станции. Это отражает тот факт, что отечественная промышленность практически прекратила выпуск современного оборудования для систем КТВ. В то же время в Европе и США множество фирм выпускает широкий спектр головного оборудования позволяющего построить систему КТВ любой конфигурации и масштаба. Среди наиболее известных производителей можно назвать фирмы SUMAVISION, PBI, TERRA, WISI, IKUSI.. Европейский стандарт EN 50083 определяет характеристики головного оборудования. Поскольку существует множество моделей головных станций разного типа и емкости, рассмотрим общие требования к головным станциям. 
 
Для правильного выбора головной станции, пригодной для проектируемой системы КТВ, необходимо принимать во внимание следующие характеристики: 
 
• уровень распределения (транспортный, магистральный, домовой); 
• максимальное количество абонентов; 
• максимальное число транслируемых ТВ каналов (спутникового и наземного вещания); 
• возможность приема цифровых и аналоговых ТВ каналов; 
• возможность использования одного и того же оборудования для приема и распределения ТВ каналов спутникового и наземного вещания; 
• стоимость системы на одного абонента. 
 
В соответствии с иерархической трехуровневой архитектурой системы КТВ все головные станции можно разделить на три типа по их функциональному назначению: 
 
• центральные, 
• узловые (подголовные), 
• местные (локальные). 
 
Тип станции указывает на иерархический уровень системы, для которого она предназначена и, соответственно, определяет ее категорию качества и выходную емкость. Выходы головной станции любого типа являются входами сети следующего, более низкого, уровня кабельной системы передачи. Центральная головная станция предназначена для передачи сигнала в пределах всей области обслуживания системы КТВ. К функциям центральной ГС относится принятие программ из различных источников (спутниковых, эфирных, местных), кодирование каналов, создание базовых пакетов каналов, преобразование аналоговых сигналов в цифровые, контроль и менеджмент остального оборудования кабельной сети. С выхода центральной ГС сигнал подается к узловым ГС посредством транспортных линии (радиорелейных или кабельных). Узловая станция предназначена для обслуживания распределительного сегмента. С выхода узловой ГС сигнал подается в магистральную распределительную сеть данного сегмента, имеющую структуру транк-фидер или на основе одного кабеля. Для небольших систем (СКТ-1) предназначен вариант, называемый местной головной станцией, с выхода которой сигнал может сразу подаваться в домовую сеть. Качественные характеристики типов головных станций различаются. Очевидно, что наилучшими характеристиками обладают ГС первого типа, принимающие сигналы наземного и спутникового телевидения и формирующие качественные групповые сигналы для дальнейшей трансляции их в кабельной сети. 
 
Классификация головных станций по ГОСТ Р52023-2003. Согласно стандарту EN 50083, в пятой части которого отражены общие требования к головным станциям, классификация головных станций производится по типу системы коллективного приема, которую она должна обслуживать: MATV (Master Antenna Television System), SMATV (Satellite Master Antenna Television System) и CATV (Community Antenna Television System). Этой классификации более соответствуют станции зарубежного производства. Классификация, принятая в EN 50083, не рассматривается как требование, а лишь является рекомендуемой для производителей головного оборудования и операторов систем ТВ. Оператор ТВ имеет возможность выбора станции любого класса, исходя из соотношения цена-качество и принимая во внимание функциональность будущей системы. 
 
Местные головные станции, относящиеся к классу MATV, используются для локального коллективного обслуживания абонентов, например в пределах распределительной домовой сети. Это классический способ коллективного использования антенны диапазона НТВ. Распределение сигнала осуществляется в диапазоне частот эфирного (кабельного) телевидения 5 - 862 МГц. Сигнал подается на абонентские розетки без конвертирования и демодуляции. Подобные системы создаются для небольшого количества абонентов в пределах одного многоквартирного здания. Если кроме антенны диапазона НТВ установлена спутниковая антенная, то возможно использование системы MATV без частотного уплотнения. В этом варианте коллективного приема диапазон частот кабельного ТВ (5 - 862 МГц) не совпадает с диапазоном выходных частот спутниковых антенн (950 - 2150 МГц), следовательно, сигналы от спутниковой и эфирной антенн можно раздавать по общему кабелю. При этом все устройства такой сети должны обеспечивать работу в диапазоне 5-2150 МГц, а каждый абонент должен иметь спутниковый ресивер. 
 
Профессиональные головные станции класса SMATV предназначены для снабжения спутниковыми сигналами СТВ и сигналами НТВ групп многоквартирных домов и распределительных сетей. Согласно EN 50083-5, станции SMATV делятся на два подкласса: станция класса SMATV-A предназначена для трансмодуляции QPSK-сигналов спутникового ТВ в QAM-сигналы с последующим распределением, а станция класса SMATV-B предназначена для непосредственной трансляции сигналов в модуляции QPSK, причем возможны два варианта конфигурации SMATV-B. Первый, называемый SMATV-IF, является довольно дорогим для абонента способом приема, поскольку множество функций головной станции переносится на абонентское оборудование. Раздача сигнала с выхода головной станции осуществляется без конвертирования и демодуляции, в диапазоне спутниковой ПЧ (выше 950 МГц). Такие системы обладают большими возможностями, но требуют, чтобы у каждого абонента был установлен понижающий конвертор и спутниковый ресивер, а все пассивные элементы распределительной сети должны быть способны работать в диапазоне 5 - 2150 МГц. Как правило, подобные системы создаются для небольшого количества абонентов. Второй вариант конфигурации, называемый SMATV-S, предназначен для распределения сигнала QPSK в диапазонах МВ/ДМВ (например, в расширенном S-диапазоне 230 - 470 МГц). Станция класса SMATV-A использует трансмодуляторы QPSK-QAM для распределения цифровых спутниковых программ. В этих устройствах спутниковый цифровой QPSK-сигнал демодулируется, а затем полученным цифровым потоком модулируется несущая частота в диапазоне MB или ДМВ. 
 
Цифровой канальный процессор (channel processor) переносит спутниковый цифровой сигнал, занимающий полосу частот 36 МГц, в полосу одного телевизионного канала 8 МГц. Заметим, что при трансмодуляции транспортный цифровой поток MPEG-2/DVB не демультиплексируется и не декодируется, а просто преобразуется из спутникового стандарта DVB-S в кабельный DVB-C. Для приема цифровых программ у каждого абонента должен быть установлен ресивер-декодер MPEG-2/DVB с демодулятором QAM. 
 
Профессиональные головные станции класса CATV (Community Antenna Television System) предназначены для обслуживания группы многоквартирных домов и распределительных сетей с конвертированием спутниковых каналов в диапазоны MB и ДМВ, а также для преобразования частот каналов НТВ. При конвертировании спутниковых каналов на головной станции выполняется трансмодуляция ЧМ или QPSK сигналов в AM сигналы. Для сигналов НТВ это не требуется, хотя относительно недавно появились цифровые каналы НТВ. Сигнал с частотной модуляцией в диапазоне 950 - 2050 МГц с выхода антенного оборудования подается на спутниковые ресиверы и демодулируется. Затем канальные процессоры формируют сигнал в кабельном диапазоне 47 - 862 МГц с амплитудной модуляцией, т.е. в том же виде, который воспринимается телевизионным приемником. Ретрансляция цифровых каналов QPSK осуществляется аналогичным образом. Канал принимается цифровым ресивером, декодируется и переносится модулятором в диапазон MB или ДМВ. В такой системе спутниковые ресиверы используются абонентами коллективно, как и в системе SMATV. Но отличие состоит в том, что не требуется установка демодулятора QAM у абонента. Если оператор КТВ не кодирует свой сигнал, то у абонента не устанавливается никакой аппаратуры, кроме телевизора. Этот способ используется для раздачи телевизионных каналов в распределительных сетях, рассчитанных только на диапазоны MB и ДМВ. 
 
Центральная головная станция может относиться к классу CATV или SMATV. Узловая головная станция должна иметь класс CATV. Местная головная станция может иметь класс MATV или SMATV. В настоящее время широкое распространение получают головные станции комбинированного типа с электронной перестройкой входных и выходных параметров, сочетающие в себе свойства станций классов CATV и SMATV. Они предназначены для распределения аналоговых и цифровых сигналов СТВ и НТВ в распределительных сетях с количеством абонентов до 5000.

      Немаловажным  фактором является выбор кабельной  продукции для передачи сигнала  по магистральным междомовым и домовым сетям, а так же абонентского подключения. До недавнего времени традиционным средством передачи видеосигнала сигнала являлся коаксиальный кабель. Но основным его недостатком являются присущие медным проводникам сопротивление и емкость, которые ограничивают дальность передачи сигнала. Волоконная оптика предлагает элегантное и экономически выгодное решение. Использование светового луча для передачи сигнала, широкая полоса пропускания позволяют передавать сигнал высокого качества на значительные расстояния без использования усилителей и повторителей. 
Основными преимущества использования волоконной оптики являются:

• более широкая полоса пропускания (от 100 МГц до 1 ГГц), чем у медного кабеля (от 3 до 20 МГЦ);
• невосприимчивость к электрическим помехам, отсутствие "земляных петель";
• низкие потери при передаче сигнала, ослабление сигнала составляет около 1,5 дБ/км (для коаксиального кабеля RG59 – 30 дБ/км для сигнала 10 мГц);
• не вызывает помех в соседних кабелях или других оптоволоконных кабелях;
• увеличение дальности передачи;
• хорошее качество передаваемого сигнала;
• оптоволоконный кабель миниатюрен и легок;
• Пропускная способность намного выше.

По назначению, волоконно-оптические кабеля (ВОК) можно разделить на:

• монтажные (соединительные). Используются для механической коммутации и подключения аппаратуры;
• объектовые. Используются для высокоскоростных соединений внутри строений. Как правило, в них используются покрытие, слабо распространяющее горение, выделяющих малое количество дыма, и не содержащее галогенов (LSF/OH - low smoke and fume zero halogen);
• городские, зоновые. Соединяют здания, районы, города области. Обычно сети, построенные с их использованием, имеют протяженность от 1-2 до 100 км.
• магистральные. Предназначены для передачи информационных потоков на большие расстояния. Для этого используются кабеля с очень качественными оптическими волокнами.  

По  месту прокладки:

• по подземным коммуникациям телефонных и других служб;
• предназначенные для прокладки в грунте. Усиленная броня, защита от грызунов.
• подвесные (на столбах освещения, трубостойках, контактных опорах железных дорог, опорах ЛЭП, и т.п.). Длина пролета может доходить до 450 м.
• подводные.