W celu wykorzystania fal radiowych do transmisji danych cyfrowych należy przetworzyć te dane na postać akceptowalną dla odpowiednich systemów transmisyjnych. Przetworzenie to, podobnie jak dla transmisji analogowej, oparte jest na technice modulacji, przy czym w cyfrowych systemach łączności wykorzystuje się inne metody modulacji. Sygnał wyjściowy z modulatora przekazywany jest do nadajnika (rysunek 3.1.1), następnie poprzez odpowiednie fale radiowe trafia do odbiornika. Aby wyodrębnić przesyłane dane, stosujemy demodulator, składający się z detektora oraz układu decyzyjnego. Możliwe są dwa rodzaje detekcji:

• detekcja koherentna, wymagająca sinusoidalnego sygnału odniesienia, zsynchronizowanego w fazie i częstotliwości z odebranym sygnałem nośnym

• detekcja niekoherentna, niewymagająca takiego sygnału.

R13fVJFDyu8Wu

Widoczna jest ilustracja prezentująca schemat blokowy układu decyzyjnego, który dekoduje sygnał i przekształca go w ciąg bitów danych sygnału cyfrowego. Do przedstawienia schematu zastosowano strzałki określające kierunek sygnału w prawo, a następnie w lewo, oraz ramki w kształcie prostokątów określające elementy systemu radiokomunikacyjnego takie jak; modulator, nadajnik, detektor. Po wejściu, dane przez modulator trafiają do nadajnika. Poniżej widoczna jest droga sygnału w odwrotnym kierunku. Z odbiornika poprzez detektor i układ decyzyjny do wyjścia znajdującego się po lewej stronie schematu.

Modulacja jest to modyfikacja przebiegu nośnego wielkiej częstotliwości za pomocą sygnału informacyjnego małej częstotliwości (sygnału w paśmie podstawowym). Fala nośna jest opisana równaniem

Gdzie: $S\left(t\right)$ – modulowany sygnał nośny, $A\left(t\right)$ – amplituda, $2\mathrm{\pi }\left(t\right)$ – częstotliwość $\left(f\left(t\right)\right)$ i $\mathrm{\Phi }\left(\mathrm{t}\right)$ – faza. W podstawowym układzie ograniczeniem jest pasmo częstotliwości, fale tego zakresu są wykorzystywane w transmisji amatorskiej z prędkościami rzędu $300 \raisebox{1ex}{$b$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$s$}\right.$.

W zależności od tego, który z parametrów przebiegu nośnego jest modyfikowany sygnałem informacyjnym, wyróżnia się modulację amplitudy AM, częstotliwości FM lub fazy PM.

W celu zwiększenia szybkości bitowej przy niezmienionej szybkości modulacji stosuje się modulacje wielowartościowe (np. 4-, 8- lub 16‑wartościowe) zamiast binarnych (2‑wartościowych). Często stosowana jest także modulacja mieszana, będąca kombinacją dwóch podstawowych metod modulacji. Modulacja ta, ze względu na większą liczbę rozróżnialnych stanów sygnału, a więc i mniejszą odporność na błędy, wymaga jednak lepszego toru transmisyjnego.

Do transmisji danych cyfrowych wykorzystuje się najczęściej fale radiowe z zakresów VHF (30–300 MHz) i UHF (300–3000 MHz), rzadziej SHF (3–30 GHz).

Wykorzystanie fal z zakresów LF i MF (30–3000 kHz), jakkolwiek atrakcyjne ze względu na bardzo duże zasięgi, ograniczone jest szerokością pasma częstotliwości dostępnego do transmisji, a co za tym idzie, małą szybkością transmisji. Z kolei fale z zakresu HF (3–30 MHz) podlegają dużym i częstym zmianom propagacji, tak więc uzyskanie niezawodnej transmisji przy ich wykorzystaniu jest znacznie utrudnione.

Fale z zakresów VHF i UHF nie podlegają już tak wielkim ograniczeniom na szerokość pasma częstotliwości. W zakresie SHF wykorzystuje się najczęściej częstotliwości niższe, ze względu na znaczny wzrost tłumienia fal radiowych powyżej 10 GHz, częstotliwości wyższe, ze względu na korzystne właściwości, znajdują zastosowanie w urządzeniach do transmisji w bezprzewodowych sieciach lokalnych. Fale z zakresu UHF nadają się znacznie lepiej niż VHF do realizacji transmisji radiowej w budynkach fabrycznych, ponieważ zakłócenia elektromagnetyczne, charakterystyczne dla tego środowiska, o wiele bardziej wpływają na częstotliwości poniżej 1 GHz. W zależności od posiadanego sprzętu do transmisji radiowej można uzyskać prędkości od kilku $\raisebox{1ex}{$kb$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$s$}\right.$ do kilkunastu $\raisebox{1ex}{$Mb$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$s$}\right.$.

Projektując cyfrowy system radiokomunikacyjny, należy dokonać wyboru częstotliwości nośnej oraz szerokości pasma. Wpływ na te czynniki ma rodzaj modulacji, jej szybkość oraz pożądana szybkość transmisji. Każda metoda modulacji charakteryzuje się efektywnością widmową, czyli maksymalną liczbą bitów przesyłanych w jednostce czasu przy określonej szerokości pasma. Tabela poniżej podaje wartość tego parametru dla najczęściej używanych metod modulacji.

Tab. 3.1.1. Względne szybkości wybranych metod modulacji.

Mając żądaną szybkość transmisji $R \left[\raisebox{1ex}{$b$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$s$}\right.\right]$ oraz względną szybkość wybranej metody modulacji $V_m \left[\raisebox{1ex}{${\displaystyle \raisebox{1ex}{$b$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$s$}\right.}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$Hz$}\right.\right]$, można wyznaczyć częstotliwość nośną $f \left[Hz\right]$ zgodnie z poniższą zależnością:

Szerokość pasma w $\left[Hz\right]$ uzależniona jest od żądanej szybkości transmisji i, zgodnie z twierdzeniem Nyquista, określona jest jako:

Szerokość pasma wyliczona według powyższego wzoru i wyrażona w $\left[Hz\right]$ wystarcza do przesłania $R$ bitów na sekundę i jest ona zwana szerokością Nyquista. W praktyce jednak, ze względu na obecność szumów, liczba bitów, jaką można przesłać w jednostce czasu, wynosi:

• $S \left[W\right]$ – średnią moc sygnału

• $N \left[W\right]$ – średnią moc szumu

Zależność powyższa, wyprowadzona przez Shannona, jest prawdziwa dla optymalnego kodu, zapewniającego pomijalnie małą stopę błędu oraz swobodny dobór mocy sygnału, rozłożonej równomiernie w całej szerokości pasma. Kod ten nie jest możliwy do zrealizowania w praktyce, a więc osiągalna szybkość transmisji jest jeszcze niższa.

Ze względu na przyjęte w radiofonii założenia nie jest możliwy swobodny dobór częstotliwości nośnej oraz szerokości pasma transmisji. W Polsce przydziałem pasm zajmują się Państwowa Agencja Radiokomunikacyjna (PAR).

AIZ służy do odbioru i przewodowego rozprowadzania sygnałów radiowych i telewizyjnych nadawanych przez stacje naziemne i satelitarne do abonentów w budynkach mieszkalnych lub użyteczności publicznej.

Antenowa instalacja zbiorcza składa się z trzech głównych części:

• zestaw antenowy służący do odbioru pożądanych sygnałów radiowych i telewizyjnych. Najczęściej stosuje się anteny do odbioru sygnałów radiowych UKF oraz sygnałów cyfrowej telewizji naziemnej DVB‑T/T2 i sygnałów telewizji satelitarnej,

• stacja czołowa, czyli zestaw wzmacniający przeznaczony do selektywnej obróbki odbieranych sygnałów naziemnych,

• sieć rozprowadzająca sygnały ze stacji czołowej do poszczególnych mieszkań.

AIZ powinna reemitować co najmniej:

• radiofonię VHF‑FM w paśmie II (87,5–108 MHz) – analogowo,

• radiofonię T‑DAB w paśmie III (174–230 MHz) – cyfrowo,

• telewizję DVB‑T/T2 w paśmie III (w rastrze 7 MHz) – cyfrowo,

• telewizję DVB‑T/T2 z pasm IV/V (raster 8 MHz) w paśmie III (raster 7 MHz) – cyfrowo (do czasu wykonania pełnej modernizacji),

• telewizję D1/PAL w pasmach III IV i V (przejściowo) – analogowo,

• telewizję DVB‑T/T2 w pasmach IV i V (w rastrze 8 MHz) – cyfrowo.

Teoretycznie najlepszą jakość obrazu można uzyskać przy transmisji analogowej. Uzyskany obraz jest bez kompresji, z dużą redundancją (nadmiarem informacji w stosunku do tego, co jest konieczne). Ograniczeniem tego rodzaju transmisji jest to, że muszą być zachowane dobre warunki odbioru, a odbiornik powinien znajdować się w małej odległości od nadajnika. Jakość odbioru telewizji analogowej silnie zależy od natężenia pola zaindukowanego w antenie i doprowadzonego na wejście odbiornika. Wraz ze wzrostem odległości od nadajnika jakość odbieranego obrazu systematycznie maleje, gdyż obraz staje się coraz bardziej zaszumiony.

R1KQLVpTwNwhD

Widoczna jest ilustracja przedstawiająca schemat zależności jakości obrazu przy transmisji analogowej i cyfrowej. Przedstawiono go za pomocą dwóch linii. Jedna przerywana, analogowa narysowana kolorem czerwonym to krzywa opadająca. Druga linia, dla odróżnienia narysowana kolorem niebieskim to prosta łamana pod kątem prostym.

DVB‑T/T2 wykorzystuje system modulacji wieloczęstotliwościowej OFDM. Istnieją dwa tryby takiej modulacji: 2k wykorzystująca 1705 fal nośnych lub 8k wykorzystująca 6817. Należy zaznaczyć, że każda z nich jest osobno modulowana QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) lub 16‑QAM (Quadrature Amplitude Modulation), ewentualnie 64‑QAM.

Każdy sygnał posiada dwie składowe: I (In Phase) lub Q (Quadrature Phase). Na rys. 3.1.3 przedstawiono przykładowy diagram stanów dla modulacji 16‑QAM, w której każdy symbol jest reprezentowany przez stan modulacji o określonej amplitudzie i fazie. W tym przypadku widoczne jest 16 stanów, jeden symbol reprezentuje 4 bity.

R1dlH0xyeEPTJ

Widoczna ilustracja przedstawiająca diagram konstelacji sygnału. Sygnał opisywany jest za pomocą cyfr zero oraz jeden. Oś liczbowa pionowa Q oraz pozioma I tworzą cztery segmenty. Na każdym z nich widoczny jest jeden sygnał ,który składa się z czterech bitów. Całość rozmieszczona są na planie czterech kwadratów z zaznaczonymi stanami modulacji sygnału, których jest szesnaście.

Stosowanie modulacji wyższej wartościowości powoduje wzrost wymaganego stosunku sygnału do szumu $\raisebox{1ex}{$S$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$N$}\right.$. Przykładowo przy zastosowaniu modulacji 64QAM zamiast QPSK wymagany jest wzrost stosunku $\raisebox{1ex}{$S$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$N$}\right.$ o około 12 dB dla zapewnienia takiej samej jakości transmisji.

R11XflSuOVJcz

Widoczna jest ilustracja zmierzonej konstelacji sygnału. Jest to czarna ramka podzielona na cztery segmenty. Wewnątrz każdego z nich znajduje się szesnaście punktów. Mają nieregularne kształty. Zaznaczono je kolorem zielonym. Położone są równo, po cztery w czterech rzędach.

Jeżeli przedstawimy wszystkie nośne na wykresie konstelacji, otrzymamy wiele punktów tworzących „chmurę”, która reprezentuje każdy stan. Na rys. 3.1.4 pokazano zmierzony diagram konstelacji z takim szumem. Jest to konstelacja sygnału nadajnika DVB‑T/T2 pracującego na częstotliwości 690 MHz (kanał 48) z modulacją 64QAM i trybem 8k oraz sprawnością kodową $\raisebox{1ex}{$3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.$.

W systemie DVB‑T/T2 wykorzystuje się dwustopniową korekcję: Reed‑Solomon i Viterbi dla zapewnienia dobrej jakości obrazu.

R15gnoro6xDwS

Widoczna jest ilustracja przedstawiająca budowę ramki DVB‑T. Zaznaczono tu parametry pojedynczej fali nośnej 6817 dla wartości współrzędnych modulacji 8k lub pojedynczej fali nośnej 1705 dla wartości 2k. Widoczny jest też schemat przedstawiający sygnał za pomocą równo położnych obok siebie pionowych prążków takiej samej szerokości i wysokości. Czerwona strzałka wskazuje na tekst zamieszczony powyżej. Dane 6048 lub 1512 pilot ciągły 177 lub 45 pilot rozrzucony 524 lub 131 sygnalizacja parametrów TP S 68 lub 17.

Maksymalne i minimalne wymagane poziomy sygnałów o częstotliwości fali nośnej przedstawiono w poniższej tabeli.

Tab. 3.1.2. Maksymalne i minimalne wymagane poziomy sygnałów o częstotliwości fali nośniej.

Przykładowo dla stosowanego w Polsce schematu nadawania (modulacja 64QAM, FEC $\raisebox{1ex}{$3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.$) wartości te wynoszą odpowiednio: 48 oraz 74 dBμmuV.

Przy tak ustalonych parametrach bitrate kanałów SD nie przekroczy 3 Mb/s, natomiast kanałów HD 7 Mb/s.

Bitrate kanałów satelitarnych waha się w granicach 12–18 Mb/s, porównując przytoczone powyżej przepustowości dla DVB‑T nie gwarantują najwyższej jakości.

Na przykładzie widać opisaną wyżej różnicę w poziomie sygnału. Wynosi ona aż 7,8 dBμmuV. Częstotliwość charakterystyczną dla obu trybów pomiaru – dla analogowego jest to częstotliwość nośnej wizji kanału 44 (655,25 MHz), natomiast dla pomiaru cyfrowego jest to częstotliwość środkowa tego samego kanału (658 MHz). Wynik pomiaru w trybie analogowym należy uznać za przekłamany.

Poziom sygnału to nie jedyny parametr, jaki bierzemy pod uwagę podczas wykonywania pomiarów cyfrowej telewizji naziemnej. Inne parametry to: współczynnik błędu modulacji MER (Modulation Error Ratio) oraz współczynnik bitowej stopy błędów BER (Bit Error Rate).

MER niesie za sobą informacje o wielkości i rodzaju szumu zakłócającego sygnał (szum fazowy, amplitudowy i inne). Aby dobrze zrozumieć istotę pomiarów współczynnika MER, należy mieć na uwadze fakt występowania tzw. klifu cyfrowego związanego z odbiorem DVB‑T/T2. W przypadku sygnałów analogowych pogarszający się $\raisebox{1ex}{$C$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$N$}\right.$ powoduje stopniową degradację jakości sygnału. Przykładowo sygnał o $\raisebox{1ex}{$C$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$N$}\right.$ równym 44 dB oznacza z reguły bardzo dobrą jakość obrazu. Spadek $\raisebox{1ex}{$C$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$N$}\right.$ o około 10–15 dB owocuje wzrostem zaszumienia obrazu, przy czym większość odbiorców uzna go za akceptowalny. Przy spadku $\raisebox{1ex}{$C$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$N$}\right.$ o kolejne 10–15 dB obraz staje się nie do zaakceptowania na skutek dużego poziomu szumów.

RP1nubZYWZkAs

Widoczna jest ilustracja, która przedstawia zjawisko klifu cyfrowego, gdzie następuje pogorszenie się jakości siły sygnału analogowego. Klif cyfrowy zaznaczono dwiema prostopadłymi w kolorze czerwonym, a zwijanie analogowe oznaczone jest parabolą w kolorze niebieskim.

Przy odbiorze telewizji DVB‑T/T2 wygląda to inaczej. Sygnał bardzo dobrej jakości odbieramy do momentu jego zupełnego zaniku. Obrazowany efekt klifu cyfrowego powoduje, że na ekranie telewizora zaobserwujemy zamrożenie obrazu spowodowane wąską granicą pomiędzy sygnałem idealnym akceptowalnym a jego zupełnym brakiem.

RkcdxvJs4gMUx

Widoczna jest ilustracja, która przedstawia parametr określający jakość sygnału. Zjawisko Mer, czyli stosunek mocy sygnału do mocy szumu. Mer większe niż 32 decybeli przy częstotliwości 658 megaherca. Na zielonym tle widoczny jest także rysunek czarnego nieregularnego kształtu.

W przedstawionej sytuacji MER wynoszący >31 dB zapewnia duży margines bezpieczeństwa. Na diagramie konstelacji widać, że sygnał jest bliski idealnemu (niewielkie rozrzucenie punktów).

Parametr ten ilustruje jakość odbieranego sygnału. Definiuje jak część bitów, które docierają do odbiornika, została przekłamana na skutek występujących w kanale transmisyjnym zakłóceń i interferencji. Większość urządzeń pomiarowych oferuje pomiar dwóch rodzajów bitowej stopy błędów BER.

Dwa typy parametru BER:

• BER, bBER, Pre BER, channel BER – bitowa stopa błędów, której pomiar dokonywany jest po zdekodowaniu, a przed korekcją Viterbiego (bardzo istotny z punktu widzenia instalatora). Korekcja błędów Viterbiego wykorzystuje dane nadmiarowe do eliminacji błędów (algorytm dekodujący umożliwiający korekcję błędów);

• aBER, vBER, Post BER – bitowa stopa błędów, której pomiar dokonywany jest po korekcji Viterbiego. Wartość tego parametru jest z reguły około 10 000 razy mniejszy od BER. Analiza tego parametru służy do długoterminowej oceny jakości.

Za dobry jakościowo przyjmowany jest sygnał o BER równym $1·{10}^{-4}$. Jest to tzw. wartość QEF (Quasi Error Free) oznaczająca w wolnym tłumaczeniu „zasadniczo bez błędów”. Należy dążyć do uzyskania jak najniższych wartości parametru BER.

RT6fHyRqEtYP2

Widoczna jest ilustracja dwóch parametrów transmisji sygnału BER. Jeden opisany jest jako PRE, mierzy sygnał na wyjściu i POS mierzy jakość sygnału odbieranego przez odbiornik. Na zielonym tle widoczne są czarne paski, a na nich następujące dane: częstotliwość 658,00 megaherca. SNR większe od 31 decybeli Pre; 3. OE 04 POST większe od 1. OE‑08.

Ze względu na wspomniane wcześniej różnice w poziomie sygnałów analogowych i cyfrowych należy zwrócić szczególną uwagę przy ich jednoczesnym wzmacnianiu. Efekty powstałe na skutek wzmocnienia dwóch lub większej liczby nośnych (kanałów telewizyjnych) mogą skutecznie zakłócić odbiór niektórych z nich. Zakłócenia powstałe po wzmocnieniu silnych kanałów analogowych na wejściu wzmacniacza mogą znacząco wpłynąć na odbiór kanałów DVB‑T/T2. W związku z tym nie należy stosować wzmacniaczy o większym niż wymagane wzmocnieniu.

R13WqEIaw8w9n

Widoczna jest ilustracja przedstawiająca wykres słupkowy. Na osi X oznaczono podziałkę liczbową z oznaczeniem częstotliwości sygnału, a na osi Y siłę sygnału wyrażoną w decybelach. Skala zawiera się w zakresie od minus pięćdziesięciu do zera decybeli. Kolorem szarym zaznaczono słupki hałasu, który jest zróżnicowany i zawiera się w przedziale od -50 do -30. Kolorem czerwonym oznaczono słupki sygnału analogowego o stałej wartości na poziomie zero decybeli. Sygnał DVB‑T jest również stały, ale słabszy. Osiąga poziom minus dwudziestu decybeli.

Poziom powstałych po wzmocnieniu sygnału zniekształceń intermodulacyjnych może przewyższyć poziom użytecznego sygnału DVB‑T/T2. Im większa różnica w poziomie odbieranych sygnałów analogowych oraz cyfrowych, tym większe prawdopodobieństwo wystąpienia problemów po ich wzmocnieniu. W związku z tym niezmiernie ważne jest dokonywanie pomiaru wszystkich sygnałów (również gdy instalacja przeznaczona jest tylko pod telewizję DVB‑T/T2). Praktyczne zastosowanie znajduje tutaj opcja użycia tłumików sygnału na najsilniejsze kanały analogowe.

Radiofonia VHF‑FM

Minimalna wartość natężenia pola wymagana w lokalizacji anteny odbiorczej powinna wynosić 54 dBµV/m.

Radiofonia T‑DAB w paśmie III VHF

Minimalna wartość natężenia pola wymagana w lokalizacji anteny odbiorczej powinna wynosić 34 dBµV/m.

Telewizja DVB‑T/T2

Minimalna wartość natężenia pola wymagana w lokalizacji anteny odbiorczej dla trybu 64‑QAM, 2/3, 8K powinna wynosić:

• 44 dBµV/m – w paśmie III (174–230 MHz)

• 50 dBµV/m + $C_{cor}$ – w paśmie IV/V (470–862 MHz)

Wróć do spisu treściD19MCOS02Wróć do spisu treści

Przejdź do infografkiD1BnXG1LcPrzejdź do infografki