Перейти к основному содержанию

Сети кабельного телевидения

Название: 
Сети кабельного телевидения
Автор: 
Волков С. В.
Издательство: 
Телеком
Страниц: 
616
Год издания: 
2004
Язык: 
русский
Формат: 
pdf
Размер: 
18.66 МБ

 

 

Краткое содержание

Предисловие

Глава 1. Принципы построения систем кабельного телевидения

До недавнего времени самым распространенным, а иногда и единственным, средством доставки телевизионных сигналов в частные квартиры и дома было эфирное телевизионное вещание. Для этого использовались и используются по настоящее время открытые метровые и дециметровые радиоканалы, органи­зуемые передающим и приемным оборудованием в свободном пространстве. Частоты вещания распределены в соответствии с частотным планом, установ­ленным государственными органами контроля радиосвязи. Радиочастотный спектр эфирного телевизионного вещания, таким образом, был предоставлен для свободного общественного использования. Примерно с конца 50-х годов XX века постепенно стало развиваться другое направление в области телеви­зионного вещания - кабельное телевидение. В системах кабельного телевиде­ния для передачи сигнала стала использоваться закрытая среда распростра­нения электромагнитных волн. Развитие этих двух типов систем шло парал­лельно, но соотношение темпов и масштабов их развития традиционно было в пользу эфирных систем. Однако в течение последних десяти лет системы ка­бельного телевидения приобретают все большую популярность, чему есть множество объективных причин. Системы кабельного телевидения (далее так­же будем называть их системами КТВ), являясь средством коллективного рас­пределения телевизионного сигнала, свободны от многих недостатков эфирных систем. Среди первых достоинств кабельных систем можно назвать высокое качество сигнала, высокую защищенность передачи и новые дополнительные возможности, связанные с их эксплуатацией. Определяемые в этой главе поня­тия являются ключевыми в понимании принципов построения систем КТВ и не­обходимы для изучения материала всех последующих глав.

Считается, что системы кабельного телевидения появились в начале 1950-х годов в США. Тогда они начали строиться как коммерческая альтернатива те­левизионному вещанию по открытому радиоканалу в тех районах, где эфир­ный прием был затруднен. Постепенно системы кабельного телевидения про­двигались и в те районы, в которых не было проблем с эфирным приемом, кон­курируя с общедоступными и бесплатными эфирными системами. Разумеется, для этого оператору кабельной системы приходилось заинтересовывать або­нентов, предлагая им расширенный и улучшенный сервис. Благодаря этому со временем кабельные системы заняли свое прочное место в средних и крупных городах. И хотя главным направлением в телевизионном вещании долгое вре­мя оставалось эфирное ТВ, спрос на кабельные системы не ослабевал и они продолжали развиваться.

Важнейшим шагом в развитии телевизионных кабельных сетей явилось их оснащение обратным направлением передачи от абонента на головную стан­цию или так называемым обратным каналом. Первоначально обратное на­правление использовалось и в некоторых системах КСКПТ для передачи внут­рисистемных сигналов в целях усовершенствования системы управления се­тью. Но позже оказалось, что технология обратного канала как нельзя более подходит для создания интерактивной среды, в которой каждый абонент мог бы передавать свою информацию оператору сети, например, сообщая ему о своем желании подписаться на тот или иной канал или делая электронные платежи или заказывая те программы, которые ему интересны.

Переход на цифровые технологии в кабельных сетях является закономерным этапом их эволюции и предоставляет еще большие возможности. Эти техноло­гии получают все более широкое применение благодаря разработке новых быст­родействующих процессоров цифровой обработки сигнала. Внедрение в систе­мы КТВ компьютерных технологий, автоматизация системы учета и ведения лич­ных счетов абонентов (биллинга) и системы управления сетью КТВ поднимает кабельную индустрию на качественно новый уровень. Он связан с превращением сетей КТВ из чисто телевизионных в интегральные системы с предоставлением абоненту телевизионных программ, доступа в компьютерные сети, цифровой телефонии, электронной почты, видео по запросу и многих других услуг.

Понятие “кабельное телевидение” (КТВ) является довольно общим и часто не совсем корректно используется для обозначения любых способов организа­ции телевизионной передачи по кабелю. Правильнее было бы сказать, что сис­темы КТВ явились логическим продолжением развития систем коллективного приема телепрограмм {СКПТ) или, крк их принято определять в зарубежной литературе, (САТУ). Эти понятия часто используются как синонимы, поэтому для простоты будем пользоваться этим уже привычным термином.

В настоящее время классификация систем кабельного телевидения с ис­пользованием терминов СКПТ и КСКПТ устарела. Согласно действующему ГОСТ Р52023-2003 любую систему кабельного телевидения следует называть СКТ, а для различия систем по масштабу введены классы. Далее в книге будут встречаться обе аббревиатуры {система КТВ и СКТ) - означают они одно и то же. Различают 4 класса систем кабельного телевидения в зависимости от мас­штаба кабельной распределительной сети. Местной сети соответствует систе­ма класса СКТ-1, районной сети соответствует система класса СКТ-2, город­ской сети соответствует система класса СКТ-3, региональной сети соответст­вует система класса СКТ-4. В табл. приведена классификация систем ка­бельного телевидения по масштабу и выполняемым функциям. Если проводить параллель со старой классификацией, то СКТ-1 приблизительно соответствует СКПТ, СКТ-2 - КСКПТ, СКТ-3 - СКТ, а СКТ-4 - КСКТ (крупной СКТ). Чтобы оце­нить масштабы систем разных классов, можно примерно оценить количество абонентов каждой из них: для СКТ-1 - менее 1000, для СКТ-2 - менее 50000, для СКТ-3 - менее 100000, для СКТ-4 - более 100000. Заметим, что эта клас­сификация условна, а состав оборудования может меняться в зависимости от условий эксплуатации.

Глава 2. Единицы измерения

Для проектирования и строительства систем кабельного телевидения, а также контроля их качественных показателей в ходе длительной эксплуатации необходима, прежде всего, система стандартных единиц измерения. В ходе проектирования она позволяет количественно учитывать основные факторы, характеризующие процесс передачи сигнала, к которым относятся потери, вно­симые кабелем и пассивными приборами, усиление, создаваемое усилителя­ми, и многие другие. В ходе эксплуатации она обеспечивает возможность под­держки уровня сигнала и качества передачи ее всех точках системы. Любой сигнал, передаваемый по кабельной сети, является электромагнитной волной, поэтому все его характеристики могут быть измерены с помощью стандартных единиц, принятых в электротехнике. В этой главе будут рассмотрены все еди­ницы, применяемые для измерения параметров сигнала и характеристик при­боров в сетях кабельного телевидения.

Электромагнитная энергия распространяется в свободном пространстве и в любом веществе в виде электромагнитных волн, поэтому любой передаваемый по кабельной сети сигнал, электрический или оптический, является электро­магнитной волной. Электромагнитная волна, как и любая другая волна, харак­теризуется, как известно, тремя параметрами - амплитудой, частотой и на­чальной фазой. Кроме амплитуды для сигналов определяют еще среднеквадратическое значение, которое является эквивалентом мощности. Амплитудой, отложенной по вертикальной оси, может быть любая энергетиче­ская характеристика, например, напряженность электромагнитного поля, мощ­ность, ток или напряжение. В электротехнике и, в частности, при проектирова­нии систем передачи информации используют две системы единиц измерения амплитуды - систему абсолютных единиц и систему относительных единиц. Система абсолютных единиц оперирует теми действительными значениями физических величин, которые измеряются в реальном мире (Вольт, Ампер, Ватт). Система относительных единиц имеет дело с отношениями, которые яв­ляются универсальными единицами, не привязанными к каким-либо физиче­ским величинам. Базовой единицей относительной системы является Бел. В терминах отношений можно выразить любую абсолютную физическую величи­ну и в этом состоит главное преимущество относительной системы. Удобство относительных единиц также и в том, что их использование значительно упро­щает расчеты, которые сводятся всего к двум арифметическим операциям - сложению и вычитанию.

Глава 3. Формирование сигнала

В этой главе изложены основные сведения о структуре телевизионного сиг­нала, его спектре, способах формирования отдельного и группового телевизи­онного сигнала. Определены особенности сигналов аналогового и цифрового телевидения. Все это в совокупности необходимо для понимания принципов действия приемо-передающего оборудования телевизионной сети и распреде­ления частот телевизионного вещания, которое учитывается при формирова­нии частотного плана проектируемой кабельной сети. Формирование частотно­го плана кабельной сети представляет собой важнейшую задачу, с которой, вероятнее всего, придется столкнуться разработчику на первом же этапе про­ектирования. Частотное планирование является необходимой мерой для обес­печения приемлемого качества передачи в кабельной сети. Часть главы по­священа качеству передачи. В аналоговых и цифровых сетях качество переда­чи характеризуется разными параметрами, имеющими, однако, общий физиче­ский смысл.

В основе систем цветного телевидения лежит теория трехкомпонентного цветового восприятия, согласно которой человеческий глаз воспринимает лю­бой цвет как суперпозицию трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Смешивая эти цвета в разных пропорциях можно получить все остальные цве­та видимого спектра. Как известно, цвет предмета является его субъективной характеристикой, а физической характеристикой является длина волны его светового излучения. Все предметы, находящиеся вокруг нас, испускают свето­вое излучение, длина волны которого зависит от свойств самого предмета. Все видимые цвета находятся в диапазоне длин волн от 380 до 780 нм. Свет с наи­большей длиной волны воспринимается как красный, свет с наименьшей дли­ной волны воспринимается как фиолетовый, а свет, воспринимаемый как зеле­ный находится примерно в середине видимого спектра {около 500 нм). Чувстви­тельность глаза к свету разных длин волн различна. Так глаз наиболее чувст­вителен к зеленому цвету, менее - к красному и еще менее - к синему. Таким образом, любое изображение есть воспринятое сетчаткой глаза и обработан­ное мозгом световое излучение предмета.

Идея передачи изображения на расстояние довольно проста. При формиро­вании телевизионного сигнала телевизионная камера, на светочувствительные элементы которой поступает первичное (натуральное) изображение, осуществ­ляет спектральное разложение светового излучения на три основные спек­тральные компоненты: красную, зеленую и синюю. Затем все три цве­товые компоненты передаются по каналу связи, а на приемной стороне по тому же правилу производится синтез вторичного (телевизионного) изображения на экране кинескопа.

Развертка превращает исходное изображение в последовательность анало­говых электрических сигналов на передаче и формирует из этих сигналов теле­визионное изображение на приеме. В приемном и передающем оборудовании развертка должна осуществляться синхронно и по одному и тому же правилу. Существует множество способов развертки изображения. В телевизионном вещании принята линейно-строчная развертка, при которой электронный луч перемещается по изображению слева направо и сверху вниз. Один проход луча слева направо описывает одну строку изображения. Совокупность всех строк изображения называется кадром. Скорости прохода вдоль строки и чередова­ния строк должны быть постоянны на приеме и передаче. Для обеспечения это­го в конце каждой строки и каждого кадра передаются синхроимпульсы. Син­хроимпульсы располагаются на так называемых площадках гасящих импуль­сов, длительности которых соответствуют времени обратного хода луча справа налево (время возвращения луча к началу строки). Во время обратного хода луч не производит никаких изменений в изображении, поскольку уровень сигна­ла в это время чуть ниже уровня черного цвета. Уровень синхроимпульсов, в свою очередь, еще ниже. По этим строго определенным уровням телевизион­ный приемник и разбивает телевизионный сигнал на отдельные строки, из ко­торых затем устройства развертки восстанавливают переданное изображение. Сигнал, несущий всю вышеназванную информацию, называется полным теле­визионным сигналом, передаваемым в эфир или в кабельную сеть на несущей частоте определенного ТВ канала.

По способу передачи ТВ сигнала все телевизионные технологии можно раз­делить на два класса - аналоговые и цифровые. Далее рассмотрим отличи­тельные особенности сигналов аналогового и цифрового телевидения, но пе­ред этим обсудим важнейшие понятия систем передачи - модуляцию и муль­типлексирование сигналов.

Глава 4. Частотная характеристика

При проектировании любой системы передачи в первую очередь имеем де­ло с ее амплитудно-частотной характеристикой в пределах всей полосы частот, которую использует данная система для передачи информации. Как уже было сказано, современные системы «ТВ используют полосу от 5 до 1000 МГц. В этой полосе передается множество телевизионных и нетелевизионных сигна­лов. Амплитудно-частотные характеристики практически всех реальных уст­ройств неравномерны и нелинейны в большей или меньшей степени. Чем вы­ше неравномерность и нелинейность частотной характеристики в пределах по­лосы передачи, тем хуже будет верность воспроизведения передаваемой ин­формации на выходе системы. При увеличении числа передаваемых сигналов нелинейность амплитудно-частотной характеристики системы проявляется сильнее, вызывая значительные искажения сигналов. Поскольку амплитудно- частотная характеристика системы передачи складывается из характеристик отдельных ее элементов, можно логически выделить в ее формировании доли влияния кабеля и различных приборов. Большую часть линейных отклонений амплитудно-частотной характеристики в кабельной системе передачи можно компенсировать с помощью устройств, называемых эквалайзерами.

Важнейшей характеристикой любого прибора кабельной системы, как актив­ного, так и пассивного, является его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). АЧХ отображает зависимость уровня сигнала на выходе прибора или системы от частоты входного сигнала в рабочей полосе частот. Значение АЧХ на каждой частоте связано со значением коэффициента передачи (КП) систе­мы, который является отношением ее выходного уровня к входному. Зависи­мость суммарного усиления и ослабления прибора или системы (в децибелах) от частоты будем называть частотной характеристикой коэффициента переда­чи. Она соответствует АЧХ, но в данном случае удобнее, так как все элементы кабельной сети оцениваются потерями или усилением. В частности, характери­стика КП для пассивного прибора представляет собой набор значений потерь, а для активного прибора - это набор значений усиления в пределах рабочей полосы частот.

Для любого прибора производитель определяет рабочую полосу частот, в ко­торой его можно использовать. Это значит, что в пределах этой полосы прибор гарантировано пропускает все входные сигналы с заданным коэффициентом пе­редачи. Если, допустим, потери передачи аттенюатора нормированы, то они не превысят названных потерь для любого сигнала, частота которого находится в пределах данной рабочей полосы.

Основной частотной характеристикой для любого компонента кабельной системы является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Вид кривой АЧХ определяет величину усиления или затухания прибора на любой частоте в пределах его рабочей полосы частот. Применительно ко всей кабельной сис­теме говорят о частотной зависимости коэффициента передачи, получаемой в результате сложения АЧХ всех компонентов системы. Амплитудное искажение спектра передачи объясняется физическими свойствами коаксиального кабеля. С хорошей степенью точности затухание в кабеле можно считать зависящим от квадратного корня из частоты. Частотные свойства других компонентов кабель ной сети (активных и пассивных приборов) выражены гораздо слабее, и ими можно пренебречь.

Наклон спектра передачи необходимо выравнивать на каждом кабельном участке для улучшения рабочих показателей всей системы путем введения на­клона обратного характера. Для выравнивания спектра в кабельных сетях ис­пользуются эквалайзеры, характеристика затухания которых в общем случае также нелинейно зависит от частоты. Наклон может корректироваться на выхо­де кабельного участка, когда эквалайзер включается перед усилительным уст­ройством или методом пред коррекции, когда эквалайзер включается на входе кабельного участка после усилительного устройства. Величина предваритель­ного наклона может сильно различаться в зависимости от количества исполь­зуемых ответвителей. Она возрастает, например, в распределительном фи­дерном кабеле городской сети, или, если используется кабель с более высоки­ми потерями или если используются усилители с меньшим усилением. При оп­ределении необходимой величины предварительного наклона должны учиты­ваться все эти факторы, но наиболее существенна зависимость этой величины от верхней частоты передачи. Для верхней частоты 1000 МГц она может дости­гать 15 дБ...18 дБ.

Частотные характеристики потерь в широкополосных системах требует серьезного внимания и проведения серии расчетов. Необходимо учитывать, что несоответствие частотных характеристик КВ и кабеля способно вносить существенный вклад в неравномерность АЧХ КП магистральной сети. Изло­женный подход применим к любому участку кабельной системы, независимо от ширины полосы системы передачи и количества пассивных и активных прибо­ров в ней.

Глава 5. Шумы в кабельных системах

В этой главе описаны виды шумов в кабельной системе передачи, проявле­ние шума в телевизионном изображении, механизмы возникновения шумов, способы оценки шума в цифровых и аналоговых системах. Сначала будут рас­смотрены показатели, с помощью которых характеризуется шум отдельного устройства, а затем методы расчета шумовых показателей кабельной системы в целом.

Обратите внимание, что в этой и последующих главах рассматриваются кас­кады усилителей, протяженность которых заведомо выше протяженности ре­альных систем. Это делается лишь в учебных целях, чтобы показать поведение качественных характеристик системы в экстремальных условиях.

Понятие "шум” применяется ко всему, что маскирует полезный сигнал. В са­мом широком смысле шум представляет собой случайный сигнал (помеху), по­ведение которого трудно предсказать. Помеха может оказаться в любом участ­ке спектра и иметь любую амплитуду. Источниками шума в кабельных сетях являются, главным образом, активные устройства. В коаксиальных системах передачи к ним относятся, магистральные и домовые усилители, а также ан­тенные усилители и усилительное оборудование головных станций (централь­ной и узловых). В оптических системах передачи источниками шума являются оптические передатчики и приемники. Шум в коаксиальных системах сущест­венно больше, чем в оптических, что связано с самим принципом их построе­ния, поэтому далее мы, в основном, будем рассматривать явление шума в ко­аксиальных системах. Однако, полностью оптических систем пока не существу­ет, а современные системы строятся по принципу сочетания коаксиальной и оптической структур в одной системе. В оптической части все равно нужно учи­тывать шум, вносимый устройствами преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот, а также шум неотъемлемого элемента любой сис­темы передачи - головной станции. Шум антенных усилителей и головных станций является определяющим параметром для числа абонентов кабельной сети. В коаксиальной части шумы магистральных и домовых усилителей накла­дывают ограничение на протяженность области обслуживания сети. Появление шума в кабельной системе передачи тесно связано с двумя факторами - есте­ственным затуханием сигнала при передаче по физической среде и внешними электромагнитными наводками в коаксиальном кабеле и оборудовании. Вторая проблема решается с помощью высокого экранирования кабеля и оборудова­ния, а также частотного планирования, о котором говорилось во второй главе. В этой главе нас будет интересовать шум, связанный с затуханием сигнала при передаче в кабеле. Механизм его возникновения состоит в следующем.

Шум в коаксиальной кабельной системе передачи имеет тепловое происхож­дение, т.е. возникает в результате тепловых флуктуаций электронов. Тепловой шум устанавливает нижнюю границу напряжения шума любого устройства или источника сигнала, имеющего резистивные элементы. Тепловой шум имеет не прерывный спектр - его амплитуда примерно постоянна во всей полосе частот. Главным количественным показателем шума в системе передачи является от­ношение “несущая-шум" С/М Основными источниками шума в системе являются активные устройства. Факторами, участвующими в расчетах внутреннего шума прибора, являются ширина полосы этого прибора, его шумовая температура и сопротивление источника сигнала. Выбором коэффициента шума Р, коэффици­ента усиления К усилителя и изменением выходных уровней в системе можно создавать любое требуемое отношение СЛМ на выходе усилителя.

При последовательном включении (каскадировании) нескольких активных устройств шум накапливается. Накопленный в каскаде шум можно оценить с помощью логарифмических диаграмм методом комбинирования или с помо­щью точных расчетных формул. Шум каскада усилителей складывается их шу­мов, вносимых каждым усилителем в каскаде. Соответствующий выбор выход­ного уровня предыдущего усилителя, кабеля с определенными потерями и рас­стояния между усилителями также позволяет регулировать отношение С/М кас­када. Распределительная кабельная сеть, конечно, не единственный источник шума во всей системе КТВ. В системе КТВ существует несколько точек, пред­назначенных для контроля ее рабочих характеристик. Контрольные точки рас­положены как на входе распределительной сети {выходе головной станции), так и на ее выходе (абонентские точки). Поэтому для распределительной ка­бельной сети создается своя спецификация, которая должна быть совместима со спецификациями других источников шума в системе.

Глава 6. Искажения в кабельных системах

Глава 7. Пассивное оборудование

Глава 8. Коаксиальные кабели и компоненты

Глава 9. Волоконно-оптические кабели

Глава 10. Усилительное оборудование коаксиальных систем

Глава 11. Активное оборудование оптических систем

Глава 12. Головная станция

Глава 13. Уровень сигнала и качество передачи

Глава 14. Автоматическая регулировка усиления

Глава 15. Проектирование усилительного участка

Глава 16. Проектирование распределительной сети

Глава 17. Проектирование транспортной сети

Глава 18. Гибридные системы передачи

Глава 19. Абонентское оборудование

Глава 20. Передача данных по кабельной сети

Глава 21. Питание кабельной сети

Глава 22. Прокладка и защита кабельной сети

Список литературы

Предметный указатель

Техническая библиотека

Вверх