Построение сетей спутникового радиовещания

В настоящее время наблюдается картина стремительного роста количества различных FM-станций, которую ведут эфирное вещание с применением спутникового формата ISO/MPEG, который обрел популярность благодаря своему высокому качеству передачи звука, а также высокой пропускной способности сетей. Для обеспечения этого вида спутниковых трансляций необходимо специализированное оборудование, пионером в производстве которого выступила широко известная компания ComStream, базирующаяся в Штатах, на территории же СНГ официальным дистрибьютором выступает корпорация Дженерал Сателлайт, головной  офис которой размещен в городе на Неве. Далее мы постараемся объяснить читателям, чем же аппаратура этой компании, ровно, как и принцип ее работы, так привлекательна, удобна и стоит на вооружении у многих сетевых провайдеров во всем мире.

        Приоритетом  в работе любого передающего оборудования является стремление к сокращению ширины полосы частот, в которой размещен транслирующийся сигнал. Однако, с другой  стороны, качество передаваемого сигнала должно оставаться сравнимым с качеством исходного сигнала, а внедрение технологии цифровой компрессии, являющейся фундаментом формата ISO/MPEG, позволило максимально продуктивно разрешить данный вопрос. Применение этого стандарта дало возможность арендовать эфирные частоты многим частным станциям, которым ранее было не по карману обеспечение вещания в широком канале частот. Теперь же около сотни радиопередач можно проводить, используя один единственный транспондер со средней шириной полосы.

        Многим известно, что низкая скорость трансляции цифровых данных предполагает высокое использование энергии в любом бите передающегося сигнала, в то время как мощность транспондера остается постоянной. Однако следует помнить и о том, что при использовании узкой полосы частот, в которой размещаются сигналы радиостанций, происходит резкое увеличение соотношения сигнал/шум на ресивере. Чтобы решить эту проблему в стандартных условиях специалистами была введена цифровая компрессия, что позволило уменьшить эквивалентную изотропно излучаемую мощность всей системы трансляции, а также увеличить параметр добротности системы ресивера. Чтобы читателю было предельно просто уяснить смысл вышесказанного, достаточно сказать, что появилась отличная возможность впервые использовать максимальную производительность антенн с небольшим диаметром, трансляционное оборудование низкой мощности и многие другие устройства, которые ранее по своим  возможностям опережали время.

        Последовавшее далее внедрение частотного разделения каналов сделало возможным одновременную передачу данных многими радиостанциями – так называемая технология «один канал на несущей» (SCPC). К тому же с этого времени уже не следовало добиваться базирования всех передающих станций в одной точке, поскольку информация от любой станции могла передаваться непосредственно на сам спутник, который затем занимался ретрансляцией сигнала, единственным необходимым условием являлось непременное размещение станции в пределах досягаемости приемной антенны спутника. После получения сигналов от всех станций в антенно-фидерном тракте спутниковой системы сигналы совмещаются в один поток данных, который передается непосредственно на приемник. Чтобы решить проблемы крупных радиовещательных станций, а именно обеспечить создание частной спутниковой сети без необходимости поиска нужного оператора станции, а также без необходимости обеспечения производительного канала передачи от студии до обрабатывающего устройства на самой станции, компания ComStream предусмотрительно предоставила возможность создания собственной передающей станции, которую можно легко расположить возле радиостудии. Помимо этого существует возможность отключения аналоговой трансляции сигнала и обеспечения  сугубо цифровой передачи данных на каждом этапе трансляции.

        Чтобы обеспечить цифровую передачу данных на хорошем уровне следует обратить внимание на положительно зарекомендовавшие себя технологии и оборудование, тем более что трансляторы и ресиверы многофункциональны, отвечают всем требованиям безопасности, не занимают большого пространства и, главное, не являются чем-то сверхдорогим. Так, например, стоимость транслирующей станции для передачи обыкновенного стереозвука от одной радиостанции составляет двадцать тысяч долларов при минимально необходимом комплекте оборудования, к тому же площадь, занимаемая этой конструкцией, мизерна и требует для размещения транслирующего оборудования лишь трех мест на стойке стандарта 19″.

        Ретрансляторы стандарта ISO/MPEG позволяют, в случае необходимости, проводить пересылку различных видов данных, таких как документы, файлы, факсы и др. Скорость передачи такой информации далека от высокой, однако позволяет вести передачу параллельно с трансляцией моно- и стереозвука. Для удобства контроля за передаваемой на ресивер информацией включена возможность управления системой администратором FM-сети, что позволяет следить за процессом автозаписи, вводить замену рекламы в региональных станциях, а также управлять любым ресивером.

        Далее рассмотрим устройство обычной сети цифрового вещания посредством спутника. Как правило, данная система включает в себя передающую станцию, спутник (он же ретранслятор) и совокупность принимающих сигнал станций. Из этого нетрудно сделать вывод о том, что обычно трансляция ведется одной передающей станцией, которая транслирует радиосигнал всем приемным станциям одновременно.

        Как уже было сказано выше, все звуковые сигналы, все дополнительные данные, служебные команды и операции контроля совмещаются в один цифровой поток данных, последующая трансляция которого на спутник происходит на одной частоте. Корректную работу передающей станции обеспечивает множество элементов, однако мы перечислим основные из них: мультиплексорный кодер, преобразовывающий данные, цифровой спутниковый модем, которые поставляет данные на выход передатчика; блок приема/передачи, действующий на очень высокой частоте и начинающий отправление потока; и, наконец, сама передающая антенна, которая завершает процесс передачи сигнала.

        Если Вам необходимо обеспечить контроль работы передающей станции администратором, то следует заранее побеспокоиться об установлении в станции системы сетевого управления аудиоданными, которая работает при помощи необходимого программного обеспечения, устанавливаемого в компьютер администратора. Дабы полностью воспользоваться высокой функциональностью передающей станции, следует организовать работу аппаратуры управления и наблюдения за удаленными ресиверами, которое происходит с использованием телефонных линий связи.

        Сам спутник, который занимается ретрансляцией полученных от станции данных, работает в C- или  Ku-диапазоне частот, что подразумевает его постоянное нахождение на геостационарной орбите Земли. Каждая приемная станция получает сигнал от спутника и направляет его на вход ресиверов, а для правильной работы приемной станции необходимо исправное функционирование всех компонентов этой станции, а именно спутниковой антенны, работающей на прием и оснащенной понижающим конвертором, радиочастотного кабеля, отвечающего за соединение всех компонентов станции, и цифрового спутникового ресивера.

Наиболее распространенными моделями, используемыми в передающих станциях, являются ComStream DAC700 в качестве мультиплексорного кодера и ComStream CM701 в качестве спутникового модема, к тому же обладающего блоком приема/передачи, работающим на достаточно высокой частоте.  Чтобы обеспечить трансляцию стереозвука от единственной радиостанции достаточно использование станции ComStream DT7000, которая представляет собой систему, составленную из спутникового модема и внешнего СВЧ блока. Наилучшим вариантом  при выборе приемной станции является ресивер ABR200, который обладает необходимыми характеристиками, недорог и отлично работает с уже выбранными нами устройствами.

        Теперь же подробнее рассмотрим каждый из компонентов передающей станции, а начнем, пожалуй, с базового элемента – кодера DAC700. Сначала сигнал необходимого формата идет от радиостудии, как правило, в формате AES/EBU, и поступает на вход кодирующего устройства, внутри которого происходит процесс преобразования аналоговых данных в цифровые для их последующей компрессии с помощью формата ISO/MPEG. Рассматриваемый нами кодер позволяет вести трансляцию радиосигнала в трех различных форматах: передача одноканального звука (Mono), передача двухканального звука (Stereo) или передача стереозвука через несколько совмещенных каналов (Joint Stereo). В зависимости от пропускных способностей кодера и необходимых требований по качеству звука уровни сжатия могут быть разными, соответствующими скорости преобразованного звука на выходе мультиплексирующего кодека, однако  самыми распространенными уровнями являются 96, 128 и 256 Кбит/с.

        Помимо прочих возможностей, мультиплексирующий кодек DAC700 позволяет провести слияние в единый цифровой поток данных компрессированного звука и дополнительные данные. К числу последних можно отнести данные пользователя, сигналы управления наружным оборудованием, команды системы сетевого управления звуком и некоторые другие, менее важные данные. В данные пользователя входят различные файлы и факсы, которые поступают на асинхронный последовательный порт RS-232, причем скорость трансляции этого вида информации может варьироваться, однако потолком скорости является максимальное значение скорости единого цифрового потока на выходе кодирующего аппарата. Для передачи сигналов управления применяются 16 I/O-входов, размещенных на TTL-уровне, независимых от непосредственно самой схемы кодера, что объясняется присутствием оптоэлектронных пар в структуре каждого входа. При поступлении сигнала в ресивер ABR200 происходит замыкание некоторых контактов 8-ми реле, которые контролируют работу внешних устройств радиостанции, причем все взаимные соответствия между сигналами и реле определяются и контролируются генератором настроек приемника ABR200. При трансляции команд системы сетевого управления звуком единый поток данных подается на выход RS422 мультиплексора DAC700, так как в основе работы этого кодера лежит дуплексный метод, подразумевающей возможности передачи через форматы кодер-мультиплексор и декодер-демультиплексор.

        Следующим объектом нашего внимания будет спутниковый модем ComStream CM701, использование которого предпочтительно в случае применения дуплексного механизма передачи информации. Принимать различные данные этот модем способен на максимальной скорости в 9300 Кбит/с, причем эти данные сначала проходят через порт RS449, затем происходит их кодирование в произвольном порядке и защита от возможных при передаче ошибок. После этого начинает работу так называемый кодер Грея, с помощью которого происходит дивергенция одного потока данных, после чего два получившихся потока отправляются на вход QPSK-устройства. Интересно заметить, что схожие алгоритмы преобразования применяются и в цифровом спутниковом телевидении. После прохождения через кодер Грея сигнал передается далее по стандарту QPSK, при этом задействуется частота в 70, реже в 140 МГц, после чего производится автоматическая настройка корректной совместной работы модема и СВЧ устройств. Не лишним будет добавить, что приемная часть модема не совершает никаких операций в случае цифровой трансляции радиосигнала. В зависимости от преследуемых целей и финансовых возможностей можно отказаться от использования модема CM701, а вместо него применять следующие аналоги: CM601, с более низкой скоростью передачи данных, но в то же время обладающий небольшими габаритами и привлекательной ценой; CM801, способный вести трансляцию компрессированного радиосигнала в L-диапазоне; DT7000, представляющая собой станцию приема/передачи, однако содержащую спутниковый модем, практически идентичный рассматриваемому CM701, наружный блок приема/передачи, работающими с данными из C- и Ku-диапазона, и источник питания для этого блока; DT8000, также являющейся станцией приема/передачи, по строению практически не отличающейся от DT7000, однако недосчитывающей некоторых компонентов.

        Настало самое время подробнее рассмотреть возможности уже не раз упомянутой выше системы сетевого управления звуком, представляющей собой обыкновенный персональный компьютер, который, при наличии необходимого программного обеспечения, дает возможность проведения многих операций. Существует возможность регулирования настроек и проверки транслирующих устройств, таких как мультиплексирующего кодека, спутникового модема и станции приема/передачи, также администратор сети способен выборочно производить контроль за каждым ресивером, в отдельных случаях множеством ресиверов. Также появилась возможность проводить своевременные апдейты программного обеспечения ресиверов клиентов, что позволяет пользователям спутниковых систем пользоваться современными программными средствами. Система позволяет администратору возможности по созданию и упорядочиванию файлов, содержащих информацию о последовательном выполнении различного рода команд, отвечающих за контроль работы ресиверов, что позволяет, к примеру, устанавливать время автоматического переключения каналов, промежутков передачи данных и иных операций, причем данную совокупность действий можно осуществлять применительно к каждому отдельному приемнику, ровно как и к совокупности принимающих устройств. Если сеть позволяет администратору использовать все функции телефонных коммуникаций, то существует возможность контроля и учета работы удаленных приемников, что, помимо прочего, позволяет проводить выборочную рассылку дополнительных данных.

        Практически все кодированные сигналы поступают в процессе ретрансляции на вход цифрового приемника звуковой частоты ComStream ABR200. Необходимый объем работы приемнику позволяют выполнить следующие его компоненты: демодулирующее устройство; микропроцессорный блок контроля, отвечающий за поиск необходимых настроек и автоматический контроль за приемником; устройство декодирования, выходы которого рассчитаны на прием звука в аналоговом формате и в цифровом формате (наиболее распространен формат AES/EBU). Также в ресивере присутствуют некоторые порты, например порт, отвечающий за контроль над периферийной аппаратурой, порт выхода RS-232, на который поступают асинхронные данные и т.д.

        Этот приемник способен корректно работать со всеми скоростями передачи данных, которые поддерживает мультиплексирующий кодек DAC700, причем в случае трансляции радиопрограмм в записи, а не в прямом эфире, звук в аналоговом формате подается на вход звукозаписывающих устройств, а в случае прямого эфира звук поступает на блок управления, за работой которого следит оператор эфира. В случае необходимости строгого контроля над трафиком эфира или составления статистики эфира задействуется порт данных, работающий на низкой скорости, что делает возможным подключение к нему печатающего устройства или персонального компьютера. Для контроля над периферией применяются выходы управляющих реле ресивера, а при возникновении потери сигнала со спутника задействуются запасные источники звуковых данных, для чего существует выход аварийного сигнала.

        Как правило, в большинстве устройств компании ComStream используется технология «один канал на несущей», что позволят использовать при трансляции сигнала довольно узкую полосу частот, однако при этом рассматриваемый нами ресивер способен принимать потоки информации, трансляция которых ведется в интервале допустимых частот на входе приемника, который составляет 950-1450 МГц.

        Это легко объяснить тем, что во время передачи сигнала от модулирующего устройства спутникового модема до демодулирующей составляющей ресивера сигнал может с легкостью менять свои диапазоны, причем это может происходит достаточно большое количество раз. Данная особенность имеет место быть по той простой причине, что устройство модуляции повышает частоту передачи, а устройство демодуляции, напротив, понижает частоту трансляции. Для получения корректной информации о текущей частоте трансляции на вход приемника поступают особые данные – гетеродины. Однако точное значение частоты не может быть передано ресиверу, так как расхождение между полученным и реальным значениями частоты будет существовать по причине ошибок в передаче настройки всех без исключения гетеродинов. Причем величина погрешности может существо разниться в случае использования различных типов конвертеров. Так, если использовать конвертер, стабилизирующий колебания гетеродина при помощи диэлектрического резонатора, величина расхождения может достигать 2 МГц и даже превышать эту цифру, а в случае применения более современного способа конверсии посредством уравнивания частоты цифровым синтезатором частоты гетеродина расхождение составит не более 15 кГц. Из этого можно сделать вывод, что главным минусом появления расхождения является многократное увеличение ширины полосы транслируемого сигнала, и именно по этой причине главной настройкой ресивера ABR200 является не частота.

        Для того чтобы грамотно распределять сигналы из одного потока кодирующее устройство DAC700 присваивает данным специальные идентификаторы, состоящие из двух элементов: идентификатора сети и идентификатора канала. Практически во всех случаях на каждой отдельной передающей станции в несущую записывается уникальный индивидуальный идентификатор канала, а идентификатор сети один и тот же независимо от передающей станции. Когда идет процесс автоматической конфигурации, ресивер определяет искомый сигнал на конкретной частоте, после чего происходит процедура поиска и анализа идентификаторов обоих видов. Любопытным моментом в работе приемника является то, что в случае расхождения одного из идентификаторов от того, который необходим пользователю, поиск и автоматическая конфигурация происходит до того, пока не будут найдены идентификаторы, полностью удовлетворяющие заданным критериям поиска.

        Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что для правильной настройки работы ресивера ему необходимо знать частоту несущей, погрешность в определении которой не должна превысить один килогерц, идентификаторы сети и канала, а также скорость передачи потока информации и вида проводимой модуляции.

        Спецификация работы приемника ABR200 подразумевает равноправное использование обоих типов конвертеров (PLL- и DRO-типа), но фактически оказывается, что ресивер корректно и стабильно обрабатывает только конвертеры PLL- и LPN-типа, что является логичным следствием низкой скорости передачи цифровых данных и использовании квадратурной фазовой манипуляции как приоритетного способа модуляции звука. Этот способ предполагает применение двух несущих, сдвиг фаз между которыми составляет 90 градусов, однако каждая из двух несущих получает в устройстве модулирования сдвиг фаз 0 градусов или 180 градусов, что зависит от состояния самого модулирующего сигнала. Логично сделать вывод, что какой бы момент времени не рассматривался, и одна, и вторая несущие могут принимать лишь два возможных состояния, другими словами каждое состояние транслирует в точности 2 бита данных. В то же время, демодулирующее устройство ресивера по истечении одного и того же временного интервала производит сопоставление фазы сигнала и фазы двух модулированных несущих. Величина временного интервала между сопоставлениями в первую очередь зависит от скорости трансляции потока данных: чем она больше, тем короче интервал, однако тем менее вероятно изменение фазы на выходе конвертирующего устройства более чем на 45 градусов, что может произойти в случае дрейфа частоты потока и/или флюктуации фазы гетеродина. Данное изменение в большинстве случаев влечет за собой перемену мест несущих в сигнале, поступающем на вход удаленного приемника, а это, в свою очередь, подразумевает ошибку в приеме информации. Чтобы решить эту проблему, рекомендуется использование PLL-конверсии, которая позволяет осуществлять прием данных (скорость менее 500 Кбит/с) с повышенной устойчивостью частоты гетеродина и обеспечить низкий уровень фазовых шумов. Если рассмотреть этот вопрос в преломлении на двухпозиционную фазовую манипуляцию, то сигналы с этим типом модуляции более устойчивы к различным негативным факторам, но все же применение обыкновенного бытового конвертера может сказаться отрицательно на качестве принимаемого сигнала.

        Как и рассмотренные выше устройства, ABR200 не оснащен приборами контроля, однако в случае необходимости самостоятельного управления этим ресивером существует несколько способов осуществления контроля. Самым простым является контроль с помощью системы сетевого управления звуком, также возможно использование команд, передаваемых с базового терминала через порт RS232 (в этом случае для более комфортного управления приемником команды представлены в виде шестнадцатеричной таблицы символов ASCII), а базовым терминалом может являться обыкновенный персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением, которое часто является встроенным в операционные системы. Если же Вам необходимо оперативное вмешательство в работу ресивера, то можно воспользоваться предопределенным шаблоном, для изменения которого предусмотрены переключатели уровней I/O-входов TTL.

        Помимо возможностей для ручного изменения параметров, в приемнике существует система внутреннего контроля, которая способна идентифицировать и исправить 25 различных ошибок и сбоев в трансляции, причем все ошибки, при определении которых ресивер выдаст соответствующий сигнал, могут быть предопределены пользователем. Для содержания данных об ошибках и сбоях в трансляции существует отдельный элемент ресивера, носящий название регистра неисправностей. Также приемник оборудован рядом счетчиков всевозможных ошибок, срывов, аварий и прочих неисправностей в трансляции, которые позволяют, как получать данные о количестве ошибок, так и сбрасывать на нуль свои значения. Интересен режим работы светодиода, указывающего на уровень получаемого сигнала: в случае приема сигнала плохого качества индикатор не горит совсем, если же уровень сигнала характеризуется приемником как хороший, то светодиод мигает, ну а если же индикатор просто горит, то получаемый сигнал является идеальным.

http://www.laitsat.net/?ar=1039