Принципы построения систем кабельного телевидения

Пилотное регулирование - способ автоматической стабилизации коэффициента передачи и наклона амплитудно-частотной характеристики в кабельной распределительной сети путем передачи специальных “пилот-сигналов” управления.

Система кабельного телевидения, таким образом, состоит из источника  сигнала {головной станции), линейной сети и приемного абонентского оборудования. Главная задача системы КТВ заключается в доставке и распределении сигнала множества телевизионных каналов, поступающих от центральной головной станции по транспортной или(и) магистральной сети, путем подведения кабеля (в основном коаксиального) к абонентским телевизионным розеткам, т.е. непосредственно в дом абонента. Сейчас уже очевидно, что система КТВ, кроме этого, должна выполнять и другие задачи по обслуживанию абонентов. Поэтому вместо того, чтобы говорить о доставке телевизионных сигналов, скажем более широко - сеть КТВ должна предоставлять абонентам информационные услуги. Пространство, охваченное распределительными структурами сети КТВ, называется областью обслуживания. Размер области обслуживания и структура системы внутри области различаются и зависят от конкретных технических и географических условий.

По размеру области  обслуживания системы КТВ весьма условно можно разделить на системы  небольшого масштаба {небольшой город, поселок, район, что соответствует  СКТ-1 и СКТ-2) и крупные системы {большой город или регион, что соответствует СКТ-3 и СКТ-4). Существенно, что при их проектировании используются разные подходы. Основным конечным обслуживаемым прибором в системе КТВ является телевизионный приемник. Модели телевизионных приемников могут значительно различаться по своим техническим характеристикам, поэтому система КТВ должна обеспечить качественный прием телепрограмм любым телевизором.

Распределение радиосигналов  в прямом направлении и передача радиосигналов в обратном направлении  осуществляется по гибридным или  коаксиальным кабельным линиям. Под  гибридными линиями понимается сочетание  во-локонно-оптических линий с коаксиальным кабелем. Источниками сигналов для самой головной станции системы КТВ могут быть спутники телевизионного вещания, вещательные центры эфирного телевидения, собственные источники телесигнала на головной станции (видеомагнитофоны, телекамеры) и другие кабельные или эфирные сети связи. Для СКТ-1 предусматривается передача телевизионных и других радиосигналов электросвязи в прямом или обратном направлении, а для СКТ классов 2,3 и 4 - только двунаправленная передача.

Сформулируем и коротко поясним  основные требования к современной ' теме КТВ. Система КТВ должна удовлетворять следующим требованиг

•    широкополосность;

•    интерактивность;

•    гибридная волоконно-коаксиальная архитектура;

•    возможность обслуживания большого числа абонентов;

•    возможность перехода на цифровой метод передачи сигнала;

•    возможность предоставления дополнительных услуг.

Первое требование означает, что  система КТВ должна иметь большую  ширину полосы пропускания, достаточную  для размещения в ней множества  телевизионных каналов (более 50). Для этого все устройства и приборы кабельной системы должны работать во всей отведенной полосе частот, не внося значительных искажений в передаваемые сигналы. Само по себе понятие “широкополосный” не обозначает какой-либо определенной службы и не определяет какой-либо специальной технологии передачи. Это определение применимо и к коаксиальному кабелю, и к оптическому волокну, и ко множеству разнообразных эфирных систем передачи. Понятие широкополосности является относительным. В старом стандарте ГОСТ 28324-89 для передачи сигнала по кабельным сетям отводилась полоса 47 - 300 МГц. При ширине одного канала 8 МГц в такой полосе можно было обеспечить одновременную передачу максимум 28 телеканалов, из которых 12 каналов размещается в метровом диапазоне 48-110 МГц и 110 - 230 МГц, 8 каналов в мом спецциалазоне 110 - 174 МГц (они называются СК1-СК8), и еще 8 каналов в дополнительном спецдиапазоне 230 - 294 МГц (они называются СК11-СК18). Однако следует понимать, что не все частоты из этих 28 можно использовать одновременно из-за ограничений на возможность совместного усиления и передачи. Реальное число каналов на этих частотах примерно в 2 раза меньше, В условиях большой тесноты в эфире и появления множества новых телеканалов, полосы 300 МГц оказалось недостаточно. Поэтому для прямой передачи в современных сетях отводится полоса частот 47 - 1000 МГц. В такой полосе можно передать уже более 80 аналоговых телевизионных каналов.

Интерактивность означает возможность  двустороннего взаимодействия по сети КТВ, в том числе, в реальном масштабе времени. Реализуется эта возможность путем выделения полосы частот для обратного направления передачи сигналов, т.е. от абонента на головную станцию. Такая система будет обеспечивать одновременную и независимую передачу сигналов и данных в обоих направлениях, т.е. будет двунаправленной.

Для двунаправленных систем сформировалась своя терминология. Согласно ГОСТ Р52023-2003, полосу частот, в которой сигналы  передаются от головной станции к  абоненту, называют прямым направлением передачи, а иногда прямым каналом (в зарубежной литературе - downstream, “нисходящий поток"). Полосу частот, в которой сигналы передаются от абонента на головную станцию, называют обратным направлением передачи или обратным каналом (в зарубежной литературе - upstream, “восходящий поток”). Термины “прямой канал” и “обратный канал" не совсем корректны и не стандартизованы, но они часто применяются в обиходе. Сигналы обратного канала передаются в полосе 5-30 МГц, а прямого - на частотах выше 47 МГц, хотя в стандарте оговаривается, что расширение полосы обратного канала возможно за счет полосы прямого канала. По ГОСТ 28324-89 обратный канал не был предусмотрен вообще. Обратный канал было решено разместить в низкочастотной области спектра, поскольку, нижняя частота мого диапазона (47 МГц) не менялась и нижележа щие частоты оставались незанятыми телевизионным вещанием. Разделение прямого и обратного направлений передачи осуществляется с помощью дип-лексерных фильтров. Спектр прямого канала разделен на участки так, чтобы выделенные (назначенные) участки спектра могли использоваться для совершенно различных информационных служб, например, частоты выше 600 МГц отведены для передачи цифровых сигналов. При таком подходе в кабельной сети наряду с телевизионными сигналами будет передаваться в интерактивном режиме большой объем цифровых данных различных служб.

Новые требования к качеству и скорости передачи в системах КТВ  уже не позволяют строить их, как  и ранее, на основе только коаксиального  кабеля. Опыт строительства широкополосных интерактивных систем КТВ во всем мире показал, что наиболее эффективным вариантом их структуры на сегодняшний день являются комбинированные или гибридные оптико-коаксиальные структуры HFC (Hibrid Fiber Coaxial), созданные с использованием оптических и коаксиальных кабелей.

Такие структуры дают наилучшее соотношение “цена - качество”. В сетях структуры HFC весь транспортный и частично или полностью магистральный  участок выполняется на основе оптического  волокна, а распределительный участок - на основе коаксиального кабеля. Наблюдается тенденция к отказу от коаксиального кабеля на магистральных участках сети, но в качестве средства распределения пока практически повсеместно {по крайней мере, в России) используется коаксиальный кабель. Конечно, полностью волоконно-оптическая структура была бы наилучшим вариантом системы передачи, но в настоящее время такое решение экономически необоснованно.

Количество абонентов, которым  система способна предоставить обслуживание, должно быть максимально возможным  при условии обеспечения приемлемого качества обслуживания для всех абонентов. Это требование диктуется финансовой целесообразностью проекта системы, ресурсы которой необходимо использовать с наибольшей экономической отдачей. Количество абонентов определяется такими показателями как размер области обслуживания, плотность застройки внутри области и процент проникновения (доля потенциальных абонентов в общем числе жителей). Исходя из этого оцениваются ресурсы системы, к которым прежде всего относится емкость головной станции. Различные модели головных станций рассчитаны на разное количество обслуживаемых абонентов. Их число может варьироваться от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч. Хотя количество потенциальных абонентов оценивается на начальном этапе проектирования системы, желательно предусмотреть и возможность будущего расширения системы, которое может быть связано с некоторым увеличением области обслуживания или ростом числа абонентов.

Актуальность перехода на цифровой метод передачи информации сейчас очевидна. Внедрение цифрового телевизионного вещания одновременно решает задачи значительного повышения качества передачи, увеличения канальной емкости системы и совместимости с компьютерными информационными системами. В этом смысле предстоит решить задачу строительства новых систем (или модернизации построенных ранее систем) на единых стандартных принципах, обеспечивающих работу в системах КТВ цифровых телевизоров и других терминальных устройств абонента, например, персонального компьютера. Возможность перестроения системы от аналоговой к цифровой в гораздо большей степени определяется стоимостью нового оборудования цифровой передачи, чем типом среды передачи, но последнее тоже немаловажно, особенно в связи с повсеместным переходом на волоконно-оптические линии связи. Согласно различным экспертным оценкам, доля стоимости воло-конно-оптической части системы, включая закупку кабеля и его прокладку, составляет 70 - 75 % от общей стоимости проекта. Поэтому, если система КТВ, имеющая гибридную архитектуру, изначально была построена как аналоговая, то затраты на переход к цифровой передаче будут состоять главным образом из расходов на замену оборудования, а основная (оптическая) часть системы будет способна передавать сигналы цифрового телевидения практически без дополнительных затрат. Канальная емкость цифровой системы передачи несравнимо возрастает по отношению к аналоговой. В зависимости от используемой модуляции в стандартной полосе частот 8 МГц каждого телеканала в цифровом виде можно будет передать от 4 до 10 телевизионных программ и дополнительные потоки цифровых данных. Поскольку стандарт MPEG позволяет передавать сигнал телевидения со скоростью 6-10 Мбит/с, то возможна одновременная передача по крайней мере 400 каналов {о соотношении аналоговой полосы частот и цифровой скорости передачи - см. гл. 3).

Современная система КТВ может  использоваться для оказания абоненту дополнительных информационных услуг, несвязанных с телевизионным  вещанием. Особенно следует отметить предоставление доступа в глобальную информационную сеть Internet. Такие услуги как телеметрия, охранная или пожарная сигнализация, сигналы тревоги и различных датчиков могли быть обеспечены и в аналоговых узкополосных сетях с не очень высоким качеством передачи. К другому типу относятся широкополосные и интерактивные услуги, которые могут потребовать высокого качества. К таким услугам относится телефония и видеотелефония, видеоконференцсвязь, передача данных, передача ТВ программ по запросу абонентов, электронная почта, доступ к справочным службам, заказ билетов и покупок на дому, банковские операции на дому, телеигры, участие в аукционах, опросах общественного мнения и голосованиях. Их интеграция в сеть КТВ возможна только при переходе к цифровому методу передачи.

Цифровая телефония является самой  популярной услугой после телевидения. Технология предоставления телефонных услуг в цифровых сетях, работающих по протоколу сетевого уровня IP (Internet Protocol, протокол сети Интернет) называется VoIP. Видео по требованию - самая дорогая на сегодняшний день услуга. В Америке и Европе эта технология сейчас находится на пике своего успеха, поэтому некоторые российские операторы также начали внедрять ее в своих сетях. Схема работы системы достаточно проста: выбранный абонентом видеофильм транслируется с сервера, где он хранится в цифровом виде (в формате MPEG) на абонентский терминал с помощью IP-протокола. Для запроса используется обратный канал. Для организации IP-сети может использоваться как сеть кабельного ТВ, так и любая альтернативная сеть типа Ethernet. Абонентский терминал может представлять собой обыкновенный персональный компьютер с мультимедийными возможностями. Принимая поток MPEG, терминал программно или аппаратно декодирует его в стандартный низкочастотный видеосигнал. Хотя существуют и другие сетевые протоколы, способные обеспечивать названные услуги, Internet Protocol занимает особое место в силу огромной популярности всемирной сети Internet, а с 1998 года он стал абсолютным лидером в организации составных сетей.

Таким образом, современные сети КТВ - это широкополосные двунаправленные системы, предоставляющие абоненту возможность качественного просмотра телевизионных программ по его желанию и доступ к услугам цифровых сетей. Такая сеть будет иметь, как правило, гибридную архитектуру с волоконно-оптическими магистральными направлениями передачи и коаксиальными распределительными сегментами. Полоса системы должна составлять не менее 860 МГц. В последней редакции стандарта верхняя частота увеличена до 1000 МГц.

1.3. Структура кабельных  систем

Структура систем кабельного телевидения может различаться в зависимости от их масштаба и функциональной нагрузки. Существует множество вариантов структуры систем КТВ, их которых каждый адаптирован под определенные технические и географические условия проекта, но общие принципы построения системы остаются неизменными. В последующих главах будем подробно рассматривать варианты структуры систем КТВ, а сейчас кратко опишем классическую схему структуры КТВ, чтобы создать общее представление.

Принцип построения системы КТВ  таков, что сигнал в ней распространяется от одной точки, называемой головным окончанием системы, к множеству обслуживаемых (сервисных) оконечных точек, называемых также абонентскими точками. Иначе говоря, сеть КТВ представляет собой структуру, построенную по принципу “точка - много точек”. На головном окончании системы устанавливается передающее оборудование кабельной системы, образующее в совокупности головную станцию, а в абонентских точках к распределительной кабельной сети подключаются конечные обслуживаемые приборы - телевизионные приемники. Головная станция - ’это целый комплекс оборудования, включающего в себя канальные узконаправленные антенны, спутниковые антенны, канальные фильтры и канальные усилители, преобразователи частот, модуляторы, передатчики и сумматоры. Ее основная задача заключается в создании закрытого радиоканала для передачи телевизионного сигнала и, возможно, других сигналов. Головная станция может быть лишь ретранслятором телевизионных программ, принимаемых ею по эфирным радиоканалам, но может и сама являться первичным источником телевизионного сигнала, например, в случае трансляции телепрограммы с видеомагнитофона.

С выхода головной станции сигнал поступает в линейную кабельную  сеть, которая также неоднородна  и имеет трехуровневую архитектуру. Архитектура кабельной сети включает следующие уровни: транспортный, магистральный и распределительный. На рис. 1.1 показана ее схема. Основной задачей первых двух уровней является передача сигналов на большие расстояния с высоким качеством. Функция третьего уровня заключается в доставке сигналов множеству абонентов. В соответствии с трехуровневой архитектурой в крупной системе кабельного телевидения различают разные типы головных станций. В системах СКТ, которые не имеют транспортного уровня, роль головного окончания играет местная (локальная) головная станция, к которой подключена местная распределительная сеть либо непосредственно, либо через магистральные линии связи. Узловая головная станция (иногда ее также называют подголовной станцией) - это головная станция системы КТВ, обеспечивающая сопряжение транспортной сети с магистральной сетью. Можно также сказать, что узловая станция - это такая местная станция, которая соединена с другими головными станциями через транспортную сеть. Центральная головная станция -это головная станция крупной системы КТВ, с ее выхода сигнал поступает непосредственно в транспортную сеть. Головная станция любого уровня, таким образом, расположена между выходом источника сигналов и входом линейного тракта нижеследующего уровня сети.