INNOVATIVE WAY TO SOLVE THE PROBLEM OF CERTIFICATION OF DVB-T2 TRANSMITTERS IN RUSSIA

Full Text

Введение В настоящее время актуальной проблемой в технике цифрового телерадиовещания стала сер- тификация передатчиков стандарта DVB-T2, экс- плуатируемых на территории 85 регионов Рос- сии. Одним из основных требований к сетевым передатчикам, необходимым для сертификации, является требование калиброванной по времени задержки информационного сигнала в модулято- рах сетевых передатчиков. Зарубежные сетевые передатчики калибруют- ся до введения в эксплуатацию в заводских ус- ловиях. Сложность решения проблемы в России заключается в том, что в соответствии с проектом НИИР введенные в эксплуатацию передатчики не предназначены для сетевой работы. Отсутствие калибровки задержек времени обработки инфор- мационных сигналов является основной причи- ной технического брака в цифровом телерадиове- щании, обусловленного срывом синхронизации в работе сетевых передатчиков. Решение проблемы сертификации прежде всего связано с необходимостью и возможностью технической реализации калибровки передатчи- ков, находящихся в эксплуатации, при ограни- ченном финансировании реконструкции сетей телерадиовещания. Вопросы, связанные с исследованием причин отсутствия синхронной работы передатчиков, а также причин периодического срыва синхро- низации, изучались автором в процессе работы ФГУП «Российская телевизионная и радиовеща- тельная сеть» (РТРС) по реализации Федераль- ной целевой программы «Развитие телерадио- вещания в Российской Федерации на 2009-2018 годы» в рамках Центра повышения квалифика- ции специалистов филиалов РТРС на базе ПГУТИ в г. Самаре. Рассмотрим основные этапы теоретических исследований и практических экспериментов, проведенных автором и позволяющих в настоя- щее время разработать и утвердить правила тех- нической эксплуатации сетевых передатчиков и решить проблему сертификации передатчиков стандарта DVB-T2 в России. Исследование методов обеспечения иден- тичности информационного сигнала в сетевых передатчиках стандарта DVB-T2. Анализ работы отечественных передатчи- ков в SFN (Single Frequency Network) сети. Алгоритм настроек телевизионных передат- чиков. Измерения задержек информационного сиг- нала в каналах передачи данных. Техническая реализация метода измерения и калибровки задержек сигнала в модуляторах передатчиков. Технология измерения и калибровки задер- жек сигнала. Модернизация одночастотных сетей РФ на основе технических решений, защищенных авто- ром патентами, в соответствии с правилами тех- нической эксплуатации сетевых передатчиков. Цель статьи - обоснование специфичных требований к сетевым передатчикам цифрового телерадиовещания, позволяющих учесть их при разработке проекта «Правила применения пере- датчиков эфирного телевидения» на уровне Мин- комсвязи РФ (см. этапы 1-6), а также анализ воз- можности реализовать седьмой этап совместно со специалистами Московского научно-исследо- вательского телевизионного института (МНИТИ) и Ассоциацией разработчиков и производителей аппаратуры телерадиовещания (АРПАТ), облада- ющих современными производственными техно- логиями для решения проблемы сертификации передатчиков стандарта DVB-T2 в России. Общие сведения На территории РФ в 2018 г. завершено стро- ительство сетей цифрового телевизионного ве- щания в стандарте DVB-T2 в соответствии с Федеральной целевой программой «Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009-2018 годы» [1] по проекту, разработанно- му в НИИР [2]. Однако до настоящего времени не разработаны требования к техническим харак- теристикам передатчиков, предназначенных для работы в сетях SFN. В результате цифровые пере- датчики эфирного телевидения первого и второго мультиплекса, находящиеся в эксплуатации на территории 85 регионов России, не сертифици- рованы [4]. Проект «Правила применения передатчиков эфирного телевидения» обсуждался на уровне Минкомсвязи России в ноябре, декабре 2019 г. в кругу лиц, которых затрагивает эта проблема, прежде всего с разработчиками телевизионного оборудования и специалистами компаний, ока- зывающих услуги в области наземного эфирного цифрового телевизионного вещания. Вступление новых правил в силу планировалось в первом квартале 2020 г. Возможно, по причине пандемии коронавируса разработка проекта была приоста- новлена. Следует отметить, что многие специалисты в настоящее время считают [5], что проблемы с синхронизацией связаны только в сетях, оснащенных передатчиками с большим разбросом за- держек при обработке информационного сигнала в модуляторах. Действительно, в этом случае одночастотные сети неработоспособны с вероятностью, близкой к единице. Устранив эту проблему с помощью коррекции времени излучения в мощных пере- датчиках от 1 до 10 кВт, в которых время обра- ботки в модуляторах значительно отличается от времени обработки в модуляторах передатчиков средней и малой мощности, в целом сеть стала работоспособной во всех 85 регионах России. Однако в работоспособных сетях после коррек- ции времени излучения мощных передатчиков сохраняются срывы синхронизма в зонах, осна- щенных передатчиками средней и малой мощно- сти, приводящие к ухудшению качества приема или невозможности приема телевизионных про- грамм. Технический брак в этих областях объясняет- ся теми же причинами, то есть отсутствием ка- либровки в модуляторах средней и малой мощ- ности передатчиков. Но так как разброс задержки в модуляторах передатчиков средней мощности значительно меньше, чем в модуляторах передат- чиков высокой и средней мощности, то отказы синхронизации происходят с меньшей вероят- ностью, когда метка времени попадает в проме- жуток между задержками передатчиков (см. ри- сунок 2). Следует отметить, что метка времени формируется централизованно для всех регионов России в Федеральном центре мультиплексиро- вания. Для обеспечения синхронизма в проблемных зонах меняют задержки излучения передатчи- ков. Однако при этом, как правило, появляются проблемы в других зонах вещания благодаря ин- терференционным явлениям, которые также при- водят к ухудшению качества приема или невоз- можности приема телевизионных программ. В результате все попытки устранения недо- статков проекта [2] коррекцией времени излуче- ния передатчиков в проблемных зонах вещания приводят к ухудшению качества приема в других зонах. Очевидно, что, если в результате калибров- ки зазор удается минимизировать до нескольких микросекунд, а метку времени установить пре- вышающей величину задержки (более подробно см. далее), вероятность срыва синхронизма пере- датчиков одночастотной сети будет близка к ну- левой. В [5] дано подробное объяснение причин срыва синхронизма в одночастотных сетях, где модуляторы не калиброваны по времени обра- Рисунок 1. Формат пакета T2-MI с полями метки времени ботки информационного сигнала. Показано, что нейтрализация проблем, создаваемых мощны- ми передатчиками в одночастотных сетях путем коррекции времени излучения, позволяет восста- новить работоспособность сетей, но не обеспе- чивает надежного и бесперебойного телерадио- вещания во всех зонах. На наш взгляд, для решения проблемы обе- спечения надежного и бесперебойного телера- диовещания в России [13] необходимо устра- нить причины технического брака и технических остановок в работе сетей, построенных в соот- ветствии с проектом [2]. Невозможно решить серьезную проблему без устранения причин воз- никновения этой проблемы. Методы обеспечения идентичности информационного сигнала в сетевых передатчиках стандарта DVB-T2 Учитывая принципиальные изменения в ме- тодах синхронизации передатчиков стандартов DVB-T и DVB-T2 [4; 5; 10], консорциум DVB опу- бликовал документ [3], посвященный измерени- ям интерфейса T2-MI, оформленный как допол- нение к TR 101 290. Пакеты потока T2-MI (см. рисунок 1), пред- назначенные для синхронизации времени из- лучения передатчиков, имеют метку времени T2_timestamp. Возможны два механизма фор- мирования метки: абсолютной метки seconds_ since_2000 и относительной subseconds. Для формирования абсолютной метки предназначено поле seconds_since_2000 (40 бит). Абсолютная метка содержит число секунд, прошедших с на- чала 2000 г. В случае когда поле seconds_since_2000 имеет значение 000000000016, формируется относитель- ная метка subseconds (27 бит). Метка времени subseconds задается в формирователе транспортного потока T2-MI (T2-шлюзе). Значение метки после прихода очередного импульса 1pps равно количеству субсекундных единиц, умноженному вания. Поле bw (4 бита) указывает на полосу про- пускания канала. В данном случае 416, что соот- ветствует стандартному каналу 8 МГц. Поле utco (13 бит) задает смещение (в сек) между текущим временем и временем по Гринвичу. Используется только при формировании абсолютной метки. Анализ работы отечественных передатчиков в SFN-сети Учитывая, что методы обеспечения синхро- низации SFN-сети [4; 5; 7] во многом определя- ются техническими характеристиками модулято- ров передатчиков, в [7] проведен анализ работы отечественных передатчиков ООО «Триада» в SFN- сети с модуляторами ProTelevision и TeamCast. Исследования показали отсутствие синхро- низации информационного сигнала из-за рас- хождения задержек в модуляторах. Проведенный анализ установил причину неработоспособности передатчиков в SFN-сети. Дана количественная оценка величине расхождения задержек (см. ри- сунок 2). Время излучения задается временными метками в T2-шлюзе; PPS - один импульс в сек. Из рисунка 2 следует, что при попадании мет- ки времени в зазор между задержками передатчи- ков с различными модуляторами излучение более инерционного передатчика осуществляется на следующей секунде. Это, в свою очередь, приво- дит к срыву синхронизма передатчиков. Перейдем к рассмотрению метода обеспече- ния синхронной работы передатчиков. Метод представлен в виде алгоритма настроек передатчиков, имеющих разброс временных за- держек информационного сигнала. Алгоритм настроек телевизионных передатчиков Алгоритм настроек передатчиков [4; 5; 10] представлен на рисунке 3. А1 Ввод исходных данных: GI - защитный интервал времени, соответ- ствующий топологии размещения передатчиков в зоне обслуживания; S1; S 2; S3;...Sn-1; Sn - временные задержки ИС на Tsub. Здесь Tsub = 1/64 мкс для стандартного канала 8 МГц. Значение относительной метки, не превышапри его распространении от T2-шлюза Центра формирования мультиплексов до каждого из пе- редатчиков; ющей 1 сек, выбирается с учетом сетевых задер- M1; M 2; M 3;...M n-1; Mn - итоговые задержки жек и времени задержки в модуляторе. Поле rfu (4 бита) зарезервировано для будущего использо- ИС в модуляторах передатчиков, где n - число передатчиков в одночастотной сети SFN. Рисунок 2. Анализ работы передатчиков в SFN-сети с модуляторами ProTelevision и TeamCast A2 Определение результирующей задержки ИС в каждом из передатчиков: Ri  Si  Mi , где i = 1, 2, 3, …, n. А3 Определение максимальной задержки Rmax ИС в SFN-сети. А4 Определение величины отклонения задер- жек в каждом из передатчиков SFN-сети от мак- симального значения: Ei  Rmax - Ri . А5 Ввод дополнительных задержек ИС в мо- дуляторы передатчиков: Ri  Ri  Ei . А6 Измерение значения метки времени Тм из- лучения передатчиков. А7 Проверка выполнения условия Ri  1 сек. Если условие не выполняется, идти к А10. А8 Проверка выполнения условия установле- ния синхронизма на первой секунде: 1ñåê  Tì  Ri . Если условие выполняется, идти к А14. А9 Установка метки времени излучения пере- датчиков Tм в T2-шлюзе ЦФМ, удовлетворяю- щей условию 1ñåê  Tì  Ri . Идти к А14. А10 Проверка выполнения условия 2 ñåê   Ri  1ñåê. Если условие не выполняется, идти к А13. А11 Проверка выполнения условия установ- Рисунок 3. Алгоритм настроек SFN передатчиков стандарта DVB-T2 Если условие выполняется, идти к А14. А12 Установка метки времени излучения пе- редатчиков Tм в T2-шлюзе ЦФМ, удовлетворяления синхронизма на второй секунде: ющей условию 2 ñåê  T  1  R . 2 ñåê  Tì  1  Ri . ì i Идти к А14. А13 Устранение причин возникновения задер- жек, превышающих две секунды. Идти к А1. А14 Проверка соответствия установленного защитного интервала в передатчиках SFN-сети задержкам эхо-сигналов Zj в зоне обслуживания. Если GI  Z j , j = 1, 2, 3, …, k. Здесь k - номер контрольной точки измерений в зоне обслуживания. Если условие выполняется, идти к А16. А15 Установка защитного интервала, удовлет- воряющего условию: GI  Z j , j = 1, 2, 3, …, k. А16 Завершение настройки синхронной рабо- ты передатчиков SFN-сети и переход к анализу качества ТВ вещания в зоне обслуживания. Требования к методу настройки передатчи- ков: настройка передатчиков, входящих в состав одночастотной сети, должна обеспечить равен- ство временных задержек, не превышающих двух сек, на всех передатчиках в полном соответствии с выбранной относительной меткой времени, устанавливаемой в формирователе транспортно- го потока T2-MI. Оценка сетевых задержек на входе возбуди- теля и итоговых задержек в модуляторах должна обеспечиваться измерителем с визуальной инди- кацией результатов измерений. При большом разбросе задержек необходимо ввести дополнительные статические задержки на программном или аппаратном уровне, выровняв таким образом разброс задержек ИС в модулято- рах передатчиков, а также возможный разброс за- держек ИС в каналах связи. Измерения задержек ИС в каналах передачи данных Проблема задержки распространения сигна- ла так или иначе затрагивает все спутниковые системы связи [4; 5; 8]. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составля- ет примерно 250 мс. Следует отметить, что для измерений можно использовать портативные анализаторы «Макс- ЕМ», «Макс-ЕМК» предприятия ООО «Бинар- КОМ». Измерения временной задержки пред- ставляет собой базовую опцию отечественных анализаторов и не требует установки дополни- тельных опций. Анализаторы позволяют не только измерить среднюю задержку распространения, но и оце- нить ее вариацию. Оценка вариации задержки особенно важна для анализа систем передачи данных с переменной задержкой, в частности при возможном использовании компьютерных сетей передачи данных, в т. ч., сетей NGN (Next Generation Network). Техническая реализация метода измерения и калибровки задержек сигнала в модуляторах передатчиков сети Данный раздел посвящен рассмотрению тех- нической реализации метода измерения и ка- либровки временных задержек в модуляторах передатчиков стандарта DVB-T2 [4; 5; 8; 9; 14], защищенного автором статьи патентом [14] и представленного в работе [8]. Актуальность данного раздела обусловлена тем, что передатчики, находящиеся на эксплуата- ции в синхронных сетях РФ, не калиброваны по времени обработки информационного сигнала в модуляторах. Предлагаемые метод и устройство калибровки на программном уровне позволяют обеспечить синхронную работу сетей SFN с ми- нимальными интерференционными искажени- ями при разбросах задержек информационного сигнала не только в модуляторах передатчиков, но и в каналах передачи данных [6]. На рисунке 4 изображена блок-схема устрой- ства, реализующая способ измерения и калибров- ки результирующих временных задержек в моду- ляторах с блоком управления задержкой сигнала; на рисунке 5 - графическое изображение времен- ных диаграмм в соответствующих точках устрой- ства, поясняющих способ измерения и калибров- ки результирующих задержек. На рисунках 4, 5 введены следующие обозна- чения. 1 - ASI интерфейс на входе; 2 - ББП, блок буферизации потока T2-MI; 3 - БУЗ, блок управ- ления задержкой сигнала; 4 - ASI интерфейс на выходе; 5 - М, модулятор передатчика; 6 - ИС, источник DVB-T2; 7 - ФТС, формирователь те- стового сигнала; 8 - первый вход логической схемы «ИЛИ»; 9 - второй вход логической схемы «ИЛИ»; 10 - выход логической схемы «ИЛИ»; 11 - ББО, блок буферизации опорного сигнала; 12 - ДВЧ, детектор - ВЧ-сигнала; 13 - ИЛИ, ло- гическая схема «ИЛИ»; 14 - А, GPS-ГЛОНАС- антенна; 15 - выход модулятора передатчика; T1 - задержка опорного сигнала, соответству- ющая началу преамбулы P1 суперкадра; T2 - за- держка выходного тестового сигнала относитель- но сигнала 1pps; T3 - результирующая временная задержка в модуляторе передатчика с блоком управления задержкой сигнала на его входе. Рисунок 4. Блок-схема устройства, реализующего способ измерения и калибровки задержек сигнала Рисунок 5. Временные диаграммы, поясняющие метод измерения и калибровки результирующих задержек Формирователем тестового сигнала 7 в устройстве измерения и калибровки задержек сигнала является блок DiviDual производства компании Enensys [5], позволяющий записывать и воспроизводить поток T2-MI в формате ASI. В данном блоке записан поток T2-MI, в котором информация в символе P1 преамбулы каждого суперкадра заменена нулями с использованием редактора Nex Editor Neo. Реализация интерфейса ASI. Асинхрон- ный последовательный интерфейс, или ASI (Asynchronous serial interface), - потоковый фор- мат данных, который предназначен для передачи 8-битового пакетного транспортного потока по коаксиальным или волоконно-оптическим ли- ниям связи с постоянной скоростью передачи 270 Мбит/с. Транспортные потоки из разных источников могут иметь разные скорости передачи данных. Использование постоянной скорости передачи данных позволяет унифицировать требования к линиям связи, к трактам передачи и приема сиг- налов. Реализация интерфейса ASI может быть осуществлена с помощью программы Quartus II v.13.0 на программируемой логической схеме FPGA Altera. Технология измерения и калибровки задержек сигнала Сущность предлагаемой технологии измерения и калибровки результирующих временных задер- жек в модуляторах [4; 5; 8; 11] заключается в следу- ющем. Измерение результирующей задержки про- водят путем сравнения тестового сигнала на выходе модулятора с опорным сигналом, задержанным от- носительно сигнала 1pps в буфере опорного сигна- ла на величину, равную метке времени. Тестовый сигнал формируется заменой би- товой информации в символе P1 преамбулы каждого суперкадра на нулевую в потоке T2-MI. Сформированные опорные импульсы (см. рису- нок 5, a), отстоящие от сигнала 1pps на время T1 и соответствующие метке времени, то есть началу преамбулы P1 суперкадра, подаются на первый вход 8 схемы «ИЛИ». В выходном ВЧ-сигнале модулятора с помощью ВЧ-детектора огибающей формируются импульсы, отстоящие от опорного сигнала на время T2 и поступающие на второй вход 9 схемы «ИЛИ» (см. рисунок 5, б). В результате на выходе 10 схемы «ИЛИ» фор- мируется периодический сигнал, состоящий из пары импульсов (см. рисунок 5, в), расстояние между которыми определяет результирующую задержку T3 информационного сигнала в мо- дуляторе и дополнительного блока управления задержкой. Период повторения сигнала, состоя- щего из пары импульсов, определяется длитель- ностью суперкадра. Заключение Совокупность результатов исследований, по- лученных автором и обобщенных в данной ста- тье, позволяет в настоящее время учесть их при разработке проекта «Правила применения пере- датчиков эфирного телевидения» на федераль- ном уровне. Обоснована возможность модернизации одно- частотных сетей РФ совместно со специалистами МНИТИ и Ассоциации разработчиков и произво- дителей аппаратуры телерадиовещания (АРПАТ), обладающих современными производственными технологиями для решения проблемы сертифи- кации передатчиков стандарта DVB-T2 в России. Предлагаемые алгоритм настроек телевизионных передатчиков, метод и устройство калибровки на программном уровне позволяют обеспечить син- хронную работу сетей SFN при разбросах задер- жек информационного сигнала не только в моду- ляторах передатчиков, но и в каналах передачи данных. Реализация интерфейса ASI, блоков буфериза- ции и управления задержкой сигнала может быть осуществлена с помощью программы Quartus II v.13.0 на программируемой логической схеме FPGA Altera. В дальнейшем современные техно- логии позволяют реализовать FPGA в виде отече- ственных интегральных схем. Внедрение представленных рекомендаций по- зволит повысить надежность сетей SFN, серти- фицировать передатчики эфирного телевидения первого и второго мультиплекса, находящиеся в эксплуатации на территории 85 регионов России. Измерение и калибровка задержек в модулято- рах передатчиков одночастотной сети SFN могут производиться в полевых условиях техническим персоналом, не обладающим специальной подготовкой. Кроме того, технология настройки сети SFN не требует оснащения дорогостоящими из- мерительными приборами. Важным достоин- ством модернизации передатчиков в соответ- ствии с рекомендациями статьи, заключающейся в дополнительном оснащении модуляторов од- ним универсальным компонентом отечественно- го производства, является высокая технологич- ность предлагаемого решения и минимальные затраты для обеспечения надежного и беспере- бойного телерадиовещания в России.

About the authors

V. L Karyakin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: vl@karyakin.ru
Samara, Russian Federation

References

Supplementary files