MÉRÉSI SEGÉDLET
KÁBELTELEVÍZIÓ FEJÁLLOMÁS RENDSZERTECHNIKAI MÉRÉSE (KT-jelő mérés) V2. épület VI. emelet 620. Hallgatói Labor
________ _____
__________________ _______
VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR
Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék H-1111 Budapest, Goldmann György tér 3. V2 épület VI. emelet tel.: (+36 1) 463 15 59, fax : (+36 1) 463 32 89
Készítette : dr. Mátay Gábor adjunktus dr. Gschwindt András adjunktus 2008.
Tartalomjegyzék 1. 2. 3. 4. 5. 6.
A mérés célja A mérésben felhasznált mőszerek és eszközök A mérés helye Elméleti összefoglalás Mérési összeállítás Mérési feladatok 6.1.Kötelezıen elvégzendı feladatok 6.2.Szorgalmi feladatok 7. Házi feladat 8. Ellenırzı kérdések
1. A mérés célja Egy jellegzetes, kábeltelevízió elosztórendszerekben használt programozható fejállomás rendszertechnikai és részben berendezéstechnikai szintő bemutatása. A berendezéseken minta mérések végzése, a fejállomás programozásának megismerése.
2. A mérésben felhasznált mőszerek és eszközök 1 db fejállomás (mőholdas és földi egységekkel) 1 db spektrumanalizátor 1 db tv vevıkészülék 1 db rf szignálgenerátor 1 db DVB-C (QAM) vevı Koaxiális mérıkábelek, SCART kábel
3. A mérés helye Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék V2 620-as hallgatói laboratóriuma.
4. Elméleti összefoglalás A mai korszerő interaktív kábeltelevízió rendszerek vegyes rendszerek mind technikájukat mind technológiájukat tekintve. Az analóg és digitális technika vegyesen fordul elı, de az analóg mősorcsatornák száma rohamosan csökken. Az Európai Unió a digitális technikára történı teljes átállást 2012-re tervezi. A digitális televízió nemzetközileg elfogadott szabványait a DVB Project keretében az ETSI (European Telecommunications Standards Institute), a CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization), és az EBU (European Broadcasting Union) dolgozta ki. Négy alapvetı szabvány készült: a mőholdas /DVB-S (satellite)/, a földi /DVB-T (terrestrial)/, a kábeltelevízió /DVB-C (cable)/ és a kézben tartható mobil /DVB-H (handheld)/ digitális televízió számára. A szabványok tartalmazzák a négy különbözı tulajdonságú átviteli út során fellépı bithibák kijavítására szolgáló hibajavító eljárást (FEC /forward error correction) és az átviteli úthoz tartozó rádiócsatorna modulációs eljárásait. Például DVB-C esetén kvadratúra amplitúdó modulációt (QAM /quadrature amplitude modulation/) használnak. Az alkalmazott technológiát az elosztóhálózatban alkalmazott átviteli közeg határozza meg. Vegyes technológia (HFC) esetén az elosztóhálózatban optikai szálat és koaxiális tápvonalat használnak, melynek angol elnevezésébıl (hybrid fiber coaxial) származik a HFC betőszó. A kábeltelevízió rendszer vevıantennákból, fejállomásból és az elosztóhálózatból áll, mely utóbbinak a végén található elıfizetıi csatlakozóhoz kapcsolódnak az elıfizetı
végberendezései (tv, rádió, adatátviteli modemen keresztül PC). A kábeltelevízió hálózatok fejlıdésével az optikai kábel elıfizetı oldali vége az ún. optikai csomóponti egység (ONU /optical node unit/) egyre közelebb kerül az elıfizetıi csatlakozóhoz. Jelen mérésben a fejállomás mősorforrásként a földi tv mősorszórás jeleit, illetve egy mühold csoportról (ASTRA, geoszinkron pálya, pozíció 19,2ºE) érkezı analóg és digitális mősorokat használja. A geoszinkron pályán lévı a mőholdas mősorok közvetlen vételét lehetıvé tevı mőholdak (DBS /direct broadcast satellite/) az egyenlítı síkjában, a Földtıl kb. 36.000 km-es távolságban találhatók. Pontos helyzetüket a Greenwich-en áthaladó 0º-os hosszúsági körtıl keleti (E /east/) vagy nyugati (W /west/ irányban fokban mért szöggel jellemzik. Az azonos vevıantenna nyalábban elhelyezkedı öt ASTRA mőhold (1F, 1G, 1H, 1KR és 1L) nagyszámú tv és rádióprogram vételét teszi lehetıvé, anélkül, hogy több antennát és kiszajú fejegységet (low noise converter /LNC/) kellene használni. Az analóg tv és rádióprogramok a digitális programoknál sokkal kisebb számban fordulnak elı. Az ASTRA mőholdakon található átjátszókra (transzponderekre) a mősorokat a mőholdas mősorszolgáltató (SES ASTRA) a 14 GHz-es sávban mőködı földi feladóállomásáról sugározza fel. Ennek oka, hogy a 14 GHz sávban a 12 GHz-es lefelé sugárzáshoz használt frekvencián kapott szabadtéri csillapításhoz képest nagyobb a szabadtéri csillapítás. E nagyobb szabadtéri csillapítást a földi adó nagyobb teljesítményével, illetve a földi adóantenna nagyobb nyereségével lehet kompenzálni. A mőholdon az adóteljesítmény a napelemes energiaforrás miatt korlátozott, az antennanyereséget pedig a mőhold-Föld közötti távolságból és a besugárzási területbıl számítható térszög meghatározza. Mind az analóg mind a digitális adások egymásra merıleges - vízszintes (H /horizontal/) vagy függıleges (V /vertical/) - polarizációs síkban érkeznek, ezáltal lehetıvé válik a jobb frekvencia kihasználás. A két polarizációs sík közötti csillapítás a gyakorlatban 20-30 dB körüli értékő. A korszerő fejegységek vételi frekvenciasávját két tartományra az alsó (L /low/) és felsı (H /high/) frekvenciatartományra osztják. A fejegység vételi frekvenciája az alsó frekvenciatartományban 10,7-11,8 GHz-es sávban, a felsı frekvenciatartományban pedig 11,8-12,75 GHz-es sávban van. A fejegység kiszajú frekvenciakonvertere az alsó sávot 9,75 GHz-es helyi oszcillátorjellel 950-1950 MHz-es, a felsı sávot 10,6 GHz-es helyi oszcillátorjellel 1100-2150 MHz-es kimeneti frekvenciasávba keveri le (I. középfrekvencia). A fejegység keverési erısítése 50-60 dB, zajtényezıje 0,3-0,8 dB körüli. A két (H és V) polarizációs síkban egymástól függetlenül veszik a jeleket, azaz a közös két helyi oszcillátorral két keverı egységet használnak. A 950-2150 MHz-es sávba esı jelek koaxiális kábeleken keresztül érkeznek a vevıkészülékekbe. A vevıkészülék a vett program jeleit feldolgozva elıállítja az alapsávi jeleket, majd ezekkel - függetlenül attól, hogy a mőholdról analóg, vagy digitális tv mősorprogram vétele történt-e - rendszerint analóg modulációval csonkaoldalsávos (AM-VSB /vestigial side band/) kimenıjelet hoz létre a kábeltelevízió elosztóhálózat valamely 47862 MHz-es sávjába esı 7 MHz, vagy 8 MHz sávszélességő tv csatornáján (300 MHz alatti
frekvenciákon a csatornasávszélesség 7 MHz, felette 8MHz). Ennek oka, hogy az elıfizetık tv készülékeinek többsége csak analóg jelek (PAL vagy SECAM) vételére alkalmas. A fejállomásban annyi vevıre van szükség ahány programot kívánunk egyidıben venni, illetve elosztani. DVB-C elosztás esetén az egy nyalábban /multiplexben/ továbbított jelek egyidıben együtt jelennek meg az elıfizetıi csatlakozón és a nézni kívánt mősort a DVB-C vevın (QAM vevı) lehet kiválasztani. A vevıkészülékek kimenıjeleit egy jelösszegzıvel összegzik, mely összegzés után elıáll az elosztóhálózatba kerülı rádiófrekvenciás spektrum. A jelösszegzı bemenetei „nem látják” egymást, így elkerülhetı a vevıkészülékek kimeneteinek egymásra hatása. A vevık számától függıen az összegzés lehet passzív vagy erısítıvel kiegészített aktív megoldású. Analóg mőholdas programok esetén a mőholdon lévı transzponder 28 MHz sávszélességő csatornákat használ FM modulációval. Így a fejállomás analóg vevıkészülékének II. középfrekvenciás (kf) sávszélessége is 28 MHz. A II. kf után elhelyezett FM demodulátor kimenetén megjelenı alapsávi spektrum a video információt és a hang segédvivıket tartalmazza. A hang segédvivık szintén frekvencia moduláltak. Demodulálásukra keskenysású vevıkre van szükség. Sztereo képkisérı hang és két mono hangcsatorna átvitelekor 4 segédvivı kerül kisugárzásra. Digitális mőholdas rendszerek esetén a képet és a hangot egyetlen adatsorba rendezve továbbítják. A mőholdas digitális jelek fejegységben történı I. kf sávba esı lekeverése után kell fejállomásban lévı digitális vevıkészüléknek a digitális jeleket feldolgoznia, és analóg kimeneti jel esetén elıállítva alapsávi jelbıl az egyes mősorprogramoknak megfelelı fentiekben már említett AM-VSB modulációjú kép és FM modulációjú hangot tartalmazó csatorna spektrumot. A kábeltelevízió elosztóhálózati csatornákban is terjed a DVB-C szabvány szerinti digitális mősorelosztás. Megtartva az analóg elosztóhálózati csatornakiosztást egy 7 MHz vagy 8 MHz sávszélességő csatornában 4 standard minıségő tv program és 8-10 rádió program vihetı át QAM digitális modulációval. Ehhez olyan vevıkészülékre van szükség, mely bemenetén lévı DVB-S, vagy DVB-T szabványú csatornából az elosztóhálózati csatornafrekvencián DVB-C jelet állít elı. Az elıfizetı analóg tv készülékén ez esetben a mősorprogramok csak egy speciális set top box (STB) -mely egy DVB-C szabványú jelek vételére alkalmas vevıkészülék- segítségével jeleníthetık meg. Ez esetben az elıfizetıi csatlakozóhoz csatlakozik a DVB-C vevı rádiófrekvenciás bemenete és annak kimenetén a kiválasztott mősorcsatorna alapsávi video és hangjelei (AV jelek) jelennek meg, melyeket rendszerint egy SCART csatlakozós kábellel visszünk át a tv készülékbe. A földi analóg mősorok vétele egy klasszikus elrendezéső vevıállomással történhet. Irányított nagynyereségő antenna használata ajánlott, hogy ezzel is csökkentsük a más szolgálatok és/vagy más tv adók által okozott zavarok nagyságát. Az antenna talppontján megjelenı jeleket jó minıségő kis csillapítású koaxiális kábelen továbbítjuk egy jelelosztó felhasználásával a fejállomás analóg vevıkészülékeibe, melyek a bemeneti csatornákat a bemeneti frekvenciáktól eltérı kimeneti frekvenciákra konvertálják.
A vevıkészülékek középfrekvenciája 38 MHz, melyen a megfelelı sávszélesség és szelektivitás kialakítás történik. A földi analóg rendszerek video átvitelre AM-VSB modulációt, hangra frekvenciamodulációt használnak, így a földi analóg adások vételekor moduláció váltásra analóg kábeltelevízió elosztórendszer alkalmazásakor nincs szükség. A frekvenciakonverzió alkalmazásával minden kimeneti csatorna szelektivitása közel azonos (a csatornaszelektivitást alapvetıen a középfrekvenciás sávszőrık határozzák meg), továbbá elkerülhetı nagyszintő helyi adók esetén a tv vevıkészülék nem tökéletes árnyékolása miatt megjelenı elıszellemkép kialakulása.
5. Mérési összeállítás A V2-es épület tetején helyezkednek el a vevıantennák (prímfókuszos paraboloid tükör fókuszpontjában a kiszajú fejkonverterrel (LNC /low noise converter/), mely régebbi típus lévén az alsó 10,7-11,8 GHz-es sáv vételére alkalmas H és V kimenettel; a földi adásokhoz többelemes panel antenna a Széchenyi hegyen lévı UHF sávú tv adók jeleinek vételére és sokelemes nagy nyereségő Yagi antenna besztercebányai szlovák VHF sávú tv adás vételére). A vízszintes (H) és függıleges (V) polarizációjú mőholdas mősorcsatornák az LNC H és V kimenetén az I. középfrekvenciás sávba konvertálva jelennek meg, melyeket egy-egy koaxiális kábel visz a laborban lévı mőholdas csatornák vételére alkalmas vevıkészülékekbe. A koaxiális kábelen keresztül kap tápfeszültséget a fejállomásból az LNC. Az UHF sávú panelantenna által vett jeleket és a VHF sávú szlovák tv adás jelét szintén egyegy koaxiális kábelen vezetjük a fejállomáshoz. Így a tetırıl a fejállomáshoz négy koaxiális kábel vezet. A fejállomás földi adások vételére alkalmas vevıkészülékei közül három az UHF sávi panelantenna koaxiális kábeléhez csatlakozó teljesítményosztó kimeneteirıl van táplálva. A negyedik vevıkészülékre közvetlenül csatlakozik a VHF sávú Yagi antenna koaxiális kábele. Valamennyi vevıkészülék bemeneti és kimeneti csatornái programozhatóak. A mérésben szereplı Hirschmann fejállomás vevıkészülékei iker (twin) kivitelben készültek. Ez mechanikailag azt jelenti, hogy egy dugaszolható dobozban két vevıegység van beépítve „A” és „B” vevıkészülék. A tervezık gazdasági okokból az iker vevıkészülékeket úgy tervezték, hogy a vevıkészülékek kimeneti csatornái egymástól függetlenül nem programozhatók. Az „A” vevıkészülék kimeneti csatornáját egy tetszıleges csatornára programozva a „B” vevıkészülék kimeneti csatornája a rákövetkezı elosztóhálózati csatorna lesz (pl. ha az „A” vevıkészülék kimeneti csatornája a C9 csatorna, akkor a „B” vevıkészülék kimeneti csatornája automatikusan a C10 lesz). A mérési elrendezést vázlatosan az 1. ábra mutatja.
H
LNC
Szélessávú UHF panel antenna
K eskenysávú VH F Yagi antenna
V Paraboloid antenna
Fejállomás
Jelosztó H
Jelosztó V
Jelosztó földi
V e v ı
V e v ı
V e v ı
V e v ı
V e v ı
V e v ı
V e v ı
V e v ı
V e v ı
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Programozó egység és tápegység
Csatornaösszegzı
-20 dB-es mérıpont
Kimenet (az elosztóhálózathoz) RF szignálgenerátor Összegzı
Spektrumanalizátor
RF be Jelosztó RF ki
DVB-C (QAM ) vevı
AV ki
AV be RF be
1. ábra Mérési összeállítás
Scart kábel
Televízió vevıkészülék
6. Mérési feladatok 6.1. Kötelezıen elvégzendı feladatok: 1. Mérésvezetıi segédlettel helyezze üzembe a fejállomást! Kövesse végig a jelek útját a tetıtıl a vevık bemenetéig. Jó idı esetén a mérésvezetı oktató vezetésével nézze meg a tetın elhelyezkedı mőholdas és földi adások vételére szolgáló építıelemeket (paraboloid antennát a kiszajú fejegységgel, valamint a panel és Yagi antennát). 2. Mérésvezetıi felügyelet mellett, tekintse meg a kiszajú mőholdas fejegységbıl (LNC) koaxiális kábelen érkezı H és V polarizációjú jelek spektrumát a spektrumanalizátor felhasználásával. Ügyeljen arra, hogy a spektrumanalizátor rf bemenetén DC blokk legyen, mert a koaxiális kábelen a fejállomásból származó, a fejkonverter táplálására szolgáló DC feszültség is jelen van és ez tönkretenné a több millió forint értékő spektrumanalizátor bemeneti csillapítóját!! Az analizátoron mérhetı frekvenciákból határozza meg a paraboloid antennába a mőholdról érkezı jelek frekvenciasáv határát, ha az LNC helyi oszcillátorának frekvenciája 9,75 GHz (alsó keverést /fHO
6.2. Szorgalmi feladatok: 8. A http://www.satcodx2.com/0192/mag/ internetes címen található táblázatból válasszon ki a 10,7-11,8 GHz-es sávba esı az elıre beprogramozott bemeneti csatornáktól eltérı másik két programot. Programozza át a fejállomás egyik analóg kimeneti csatornájú DVB-S vevıjét, valamint a digitális kimeneti csatornájú DVB-S vevıjét! Nézze meg a mősorokat a tv vevıkészüléken és mutassa meg a mérésvezetınek. Ezután állítsa vissza a fejállomáson elıre beprogramozott mősorokat! 9. Egy RF szignálgenerátor jelét, mint a fejállomás kimeneti frekvenciasávjába esı zavarójelet felhasználva a fejállomás egyik kiválasztott analóg (PAL) és a digitális (DVB-C) csatornájának zavarására, mérje meg a hasznos jel-zavarójel viszonyt dB-ben a spektrumanalizátor segítségével! Hogyan jelentkezik a zavarás a tv képen az analóg és a digitális kimeneti csatorna esetén? Változtassa a zavarójel frekvenciáját az analóg csatornán belül és jegyezze fel a zavarójel képvivıhöz viszonyított relatív szintjét, mely esetén a fejállomáshoz kapcsolt tv készülék képernyıjén a zavaró hatás éppen jelentkezik!
7. Házi feladat 1. Számítsa ki az ASTRA 19,2ºE geoszinkron mőholdak és a mérıhely közötti ferde távolság (d) meghatározása után kapott értékbıl a mőhold föld közötti szabadtéri csillapítást (a0) dBben 10,7 és 11,8 GHz frekvenciákon az alábbi összefüggés felhasználásával: a0 = 20 lg
4π d
λ
dB
ahol λ =
c f
- a szabadtéri hullámhossz (c = 3·108 m/s)
A ferde távolság meghatározásához szükséges adatok: A geoszinkron mőhold földfelszíntıl mért távolsága: 35 860 km Mőhold pálya és pozíció: egyenlítıi, 19,2ºE A Föld átlagos sugara: 6370 km Budapest Lágymányos földrajzi koordinátái: É-i szélesség 47º 28’ 30” K-i hosszúság 19º4’ 20” 2. Határozza meg az elızı pontban megadott adatok felhasználásával, hogy az ASTRA 19,2ºE geoszinkron mőholdak a mérıhelyrıl mekkora magassági (elevációs) szög alatt láthatók! (A magassági szög a kérdéses pontban a Föld érintısíkjával bezárt szög, mely alatt a mőholdat látjuk). 3. Mekkora jel jut a mőholdvevı kiszajú fejkonverterének a bemenetére az ASTRA mőhold egy tv csatornájának vételekor f = 11 GHz frekvencián 52 dBW izotróp antennára
vonatkoztatott effektív kisugárzott teljesítmény esetén, ha a vevıantenna nyeresége 26 dB? (A számításhoz használja fel az 1. pontban már meghatározott ferde távolságot!) 4. Tekintse át a mérésben szereplı fejállomás leírását multimedia.hu/2000g2leir.htm internetes címen!
a http://www.hirschmann-
8. Ellenırzı kérdések 1. Sorolja fel a különbözı DVB szabványok elnevezéseit! Mi volt az oka a különbözı DVB szabványok létrejöttének? 2. Mi a DBS betőszó jelentése? Miért használnak geoszinkron pályát a DBS mőholdak? Adja meg a geoszinkron pálya jellemzıit! 3. Miért használják a 14 GHz-es sávot a Föld-mőhold irányú és a 12 GHz-es sávot a mőholdFöld irányú jelek továbbítására DBS mősorszétosztó rendszerekben? 4. Mi a prímfókuszos és az offset paraboloid antenna közötti különbség? Sorolja fel a két típus elınyeit és hátrányait egymáshoz képest! 5. Miért használnak alsó keverést a kiszajú fejkonverterekben? Adja meg a 10,7-11,8 GHz-es vételi sávhoz tartozó tükörfrekvenciás sáv határait 9,75 GHz helyi oszcillátor frekvencia esetén! 6. Mi a keresztpolarizációs csillapítás definíciója? Tipikusan mekkora keresztpolarizációs csillapítása van egy jól beállított paraboloid vevıantennának? 7. Egy fejállomással két mőhold, az ASTRA 19,2ºE és a Hot Bird 13ºE mősorait kívánjuk elosztani. Adjon meg antenna elrendezéseket a feladat megoldására! 8. Mi az EIRP betőszó jelentése és a hozzá tartozó mőszaki jellemzı definíciója? Tipikusan mekkora EIRP-je van a DBS mőholdak transzpondereinek? 9. Milyen módon növelhetı adott frekvenciasáv esetén a mőholdakon átjátszott mősorprogramok száma, adott mőholdpozíció mellett? 10. Mi az AM-VSB betőszó jelentése? Miért használnak AM-VSB modulációt az analóg tv mősorszórásban és mősorelosztásban? Rajzolja fel egy analóg PAL tv mősorcsatorna spektrumát! 11. Miért kell STB (set top box) az elıfizetı tv készüléke mellett DVB-C kábeltelevízió elosztórendszerekben? Mikor nincs erre szükség? Milyen elınnyel jár a DVB-C alkalmazása az analóg mősorelosztással szemben? 12. Vázlatosan rajzolja le egy családi ház kábeles tv elosztó rendszerét feltételezve, hogy 4 helyiségbe kell az ASTRA mőholdak és 4 UHF sávú földi analóg adó jelét eljuttatni!
Ajánlott irodalom [1] Egri János, Hegyi Gábor, Villányi Ottó: Őrtávközlés, KÖZDOK, Budapest 1974. [2] Bali József, Bıti László, Kántor Csaba: Mőholdas mősorszórás, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest 1984. ISBN 963 10 5398 9 [3] Ferenczy Pál: Video és hangrendszerek, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest 1986., ISBN 963 10 6635 5 [4] Lajta György: Távközlı hálózatok és informatikai szolgáltatások, 4.7. és 4.8. fejezetek, Online könyv, HTE, Budapest 2001., http://www.hte.hu/hte2007/online_konyv [5] Hirschmann CSE 2000 2. generációs multimedia.hu/2000g2leir.htm
fejállomás
leírása,
http://www.hirschmann-
1. Melléklet
Csatorna kiosztás táblázata
Csatorna jele C 02 C 04 S 05 S 06 S 07 S 08 S 09 C 05 C 06 C 07 C 08 C 09 C 10 C 11 C 12 S 11 S 12 S 13 S 14 S 15 S 16 S 17 S 18 S 19 S 20 S 21 S 22 S 23 S 24 S 25 S 26 S 27
Képvivı [MHz] 48,25 62,25 133,25 140,25 147,25 154,25 161,25 175,25 182,25 189,25 196,25 203,25 210,25 217,25 224,25 231,25 238,25 245,25 252,25 259,25 266,25 273,25 280,25 287,25 294,25 303,25 311,25 319,25 327,25 335,25 343,25 351,25
Csatorna jele S 28 S 29 S 30 S 31 S 32 S 33 S 34 S 35 S 36 S 37 S 38 S 39 S 40 C 21 C 22 C 23 C 24 C 25 C 26 C 27 C 28 C 29 C 30 C 31 C 32 C 33 C 34 C 35 C 36 C 37 C 38 C 39
Képvivı [MHz] 359,25 367,25 375,25 383,25 391,25 399,25 407,25 415,25 423,25 431,25 439,25 447,25 455,25 471,25 479,25 487,25 495,25 503,25 511,25 519,25 527,25 535,25 543,25 551,25 559,25 567,25 575,25 583,25 591,25 599,25 607,25 615,25
Csatorna jele C 40 C 41 C 42 C 43 C 44 C 45 C 46 C 47 C 48 C 49 C 50 C 51 C 52 C 53 C 54 C 55 C 56 C 57 C 58 C 59 C 60 C 61 C 62 C 63 C 64 C 65 C 66 C 67 C 68 C 69 -
Képvivı [MHz] 623,25 631,25 639,25 647,25 655,25 663,25 671,25 679,25 687,25 695,25 703,25 711,25 719,25 727,25 735,25 743,25 751,25 759,25 767,25 775,25 783,25 791,25 799,25 807,25 815,25 823,25 831,25 839,25 847,25 855,25 -
