Основы частотного планирования сетей телевизионного вещания

Москва
Горячая линия – Телеком
2015

Рекомендовано УМО по образованию в области инфокоммуникационных технологий
 и систем связи в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 11.03.02 и 11.04.02 – Инфокоммуникационные 
технологии и системы связи квалификации (степени) «бакалавр» и «магистр»

УДК 621.397.743: 621.391.8(075.8) 
ББК 32.841 
      О-75 

Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, ген. директор ООО «ГТРС»  А. Н. Иванчин, 
доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой теоретических основ радиотехники СибГУТИ  А. А. Спектор  

А в т о р ы :  М. А. Быховский, В. Г. Дотолев, А. В. Лашкевич, В. И. Носов, 
С. Г. Рихтер, Г. И. Сорокин, С. С. Тарасов 

О-75  Основы частотного планирования сетей телевизионного вещания. 

Учебное пособие для вузов /  М. А. Быховский,  В. Г. Дотолев, 
А. В. Лашкевич и др.; Под ред. профессора  М. А. Быховского. 
– М.: Горячая линия – Телеком, 2015. – 308 с: ил. 
ISBN 978-5-9912-0441-5. 

Систематизированы сведения в области построения и методов частотного планирования современных систем цифрового наземного телевизионного вещания (ЦНТВ) стандартов DVB-T, DVB-T2 и DVB-H. Кратко рассмотрены принципы передачи сигналов в наземных системах цифрового 
телевидения стандартов DVB, в том числе методы модуляции и помехоустойчивого кодирования, вопросы синхронизации. Дано описание методов кодирования источников видео- и аудиосигналов. Описаны процедуры 
формирования кадра данных, рассмотрены вопросы мультиплексирования цифровых потоков и их транспортировки по каналам связи. Приведены параметры передающих и приемных устройств и антенн в системах 
ЦНТВ, а также требования к качеству приема сигналов. Изложены методы частотного планирования многочастотных и перспективных одночастотных сетей ЦНТВ. Рассмотрены вопросы эффективности использования радиочастотного спектра в многочастотных и одночастотных сетях 
ЦНТВ. Приведено описание пакета программ для частотного планирования сетей цифрового вещания, разработанного специалистами НИИР, 
учебная версия которого может использоваться студентами при выполнении курсовых и дипломных работ. 
Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Инфокоммуникационные технологии и 
системы связи» квалификации (степени) «бакалавр» и квалификации 
(степени) «магистр», будет полезна аспирантам и специалистам. 

ББК 32.841 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

ISBN 978-5-9912-0441-5     
       ©  Коллектив авторов,  2015 
©  Издательство «Горячая линия – Телеком», 2015 

Предисловие

Книга «Основы частотного планирования сетей телевизионного вещания» посвящена вопросам построения современных систем
наземного цифрового телевизионного вещания (НЦТВ) стандартов
DVB-T, DVB-T2 и DVB-H, получивших широкое распространение
во многих странах, в том числе и в России, а также методам частотного планирования этих систем.
Она написана как учебное пособие для вузов, в которых готовятся специалисты в области телекоммуникаций, и будет полезна студентам, бакалаврам и магистрантам, изучающим вопросы построения, проектирования и эксплуатации телекоммуникационных систем. Книга представляет интерес также для специалистов, работающих в организациях, проектирующих сети НЦТВ.
Во введении приводятся сведения по истории развития ТВ вещания, начиная с самых ранних систем механического телевидения.
Далее излагается история создания систем электронного ТВ, систем
цветного ТВ и, наконец, рассказывается о современном этапе развития ТВ — внедрении систем цифрового телевидения. Приводятся
соображения о развитии телевидения в будущем.
Первые три главы являются вводными к основной теме книги,
посвященной частотному планированию сетей НЦТВ, и помещены
в нее для удобства читателей, которые могут почерпнуть из них
основные сведения об основных европейских стандартах цифрового телевидения.
Изложенный в них материал более обстоятельно
излагается в ряде монографий и учебных пособий, в том числе и в
книгах, выпущенных в последние годы издательством «Горячая линия — Телеком»: Мамчев Г.В. «Теория и практика наземного цифрового телевизионного вещания», Мамчев Г.В. «Цифровое телевизионное вещание», Безруков В.Н., Балобанов В.Г. «Системы цифрового
вещательного и прикладного телевидения».
В первых двух главах рассмотрены основные принципы передачи сигналов в наземных системах цифрового телевидения стандартов DVB, в том числе особенности используемых в них методов модуляции, помехоустойчивого кодирования, дано описание процедуры
перемежения, преобразующей пакеты ошибочно принятых символов
в поток независимых ошибок.
Эти методы позволяют обеспечить

Предисловие

высокую помехоустойчивость приема сигналов в многолучевых каналах связи.
Третья глава посвящена достаточно подробному обзору стандартов DVB-T2 и DVB-H. В ней, в частности, рассмотрено применение в стандарте DVB-T2 «повернутого» созвездия при передаче
сигналов на отдельных поднесущих в системе OFDM, а также режима MISO (Multiple Input, Single Output). Применение этих методов позволяет существенно повысить помехоустойчивость приема
сигналов в условиях замираний за счет использования частотного и
пространственного разнесения передаваемых сигналов.
Непосредственно
вопросам
частотного
планирования
сетей
НЦТВ посвящены три последние главы. В четвертой главе даются технические основы частотного планирования сетей цифрового
вещания. В этой главе приведены параметры передающих и приемных устройств и антенн в системах НЦТВ, а также требования
к качеству приема сигналов (минимальные напряженности поля на
границе зоны обслуживания и защитные отношения в заданных процентах времени). Эти данные являются исходными при частотном
планировании сетей НЦТВ, а также при анализе электромагнитной
совместимости (ЭМС) сетей НЦТВ с другими радиосистемами, работающими в одном и том же или в соседних частотных каналах.
Пятая глава посвящена методам частотного планирования многочастотных и одночастотных сетей НЦТВ. Определение медианных уровней полезных сигналов и помех в этих сетях основаны на
Рекомендациях МСЭ-R Р.1546-5 и Р.1812-3, в которых излагаются
методы расчета, специально предназначенные для решения задач,
связанных с проектированием систем НЦТВ. При расчетах уровней
полезных сигналов и помех в определенном проценте времени учитывается, что флуктуации их уровней на входе приемных устройств
подчиняются логнормальному закону.
В сетях НЦТВ в место приема обычно приходят несколько помех
от передатчиков других станций, работающих в том же частотном
канале, в котором принимается полезный сигнал.
В данной книге для определения распределения вероятности суммарной помехи
используется метод, предложенный американским исследователем
Фентоном, который показал, что такое распределение может быть с
высокой точностью аппроксимировано логнормальным распределением. Фентон дал простой рецепт нахождения параметров аппроксимирующего распределения, который изложен в Приложении 1.
В этой же главе излагаются методы частотного планирования
как обычных многочастотных сетей (МЧС) НЦТВ, в которых в каждой зоне обслуживания имеется один мощный передатчик, так и од

Предисловие
5

ночастотных сетей (ОЧС), создание которых стало возможным при
использовании ТВ систем, основанных на стандартах серии DVB.
В одночастотных сетях в каждой зоне обслуживания на одной и той
же частоте работают несколько передатчиков сравнительно небольшой мощности. Рассмотрены вопросы эффективности использования радиочастотного спектра (РЧС) в многочастотных и одночастотных сетях НЦТВ. Помещенные в книгу материалы, относящиеся
к частотному планированию ОЧС, являются оригинальными.
В пятой главе излагается также метод частотного планирования сетей НЦТВ, разработанный специалистами СибГУТИ, который
позволяет добавлять в уже сложившуюся сеть новые передающие
станции, не нарушая условий электромагнитной совместимости этой
сети с новыми станциями.
В шестой главе описан пакет программ для частотного планирования сетей цифрового вещания, разработанной специалистами
Научно-исследовательского института радио (НИИР) и изложены
процедуры применения этого пакета для решения практических задач. Данный пакет программ может использоваться в проектных
организациях и в государственных частотных органах, осуществляющих выделение частотных каналов для работы вещательных станций.
Демонстрационная версия этого пакета программ размещена на сайтах НИИР (http://www.rakurs.niir.ru/) и кафедры СиСРТ
МТУСИ
(http://sisrt-mtuci.ru/televidenie/chastotnoe-planirovanie/).
Этот пакет может быть использован студентами для выполнения
курсовых и дипломных работ.
Учебное пособие создано путем обобщения обширного количества публикаций. В каждой главе даны ссылки на все использованные
при ее написании источники. Каждая глава завершается контрольными вопросами, позволяющими закрепить усвоение изложенного в
ней материала.
Книга создана авторским коллективом. Предисловие и Введение написаны проф. М.А. Быховским (МТУСИ), им же выполнено научное редактирование книги.
Главы 1 и 2 написаны проф.
С.Г. Рихтером (МТУСИ), глава 3 — доцентом Г.И. Сорокиным
(МТУСИ), главы 4 и 5 написаны совместно М.А. Быховским и проф.
В.И. Носовым (СибГУТИ), глава 6 — В.Г. Дотолевым и А.В. Лашкевичем (НИИР) и доцентом С.С. Тарасовым (МТУСИ).
Авторы признательны зав. редакцией издательства Александру Ефимовичу Пескину за тщательную подготовку текста книги к
изданию.

Введение.
Краткий очерк развития систем
и сетей ТВ вещания

Средства массовой информации играют огромную роль в духовном и материальном развитии общества. Начало процесса развития
таких средств можно отнести к середине XV века, когда Иоганн Гутенберг — немецкий ювелир и изобретатель, разработал технологию
книгопечатания с помощью печатного пресса. В XVI веке в разных
странах начинают издаваться газеты, информирующие население о
происходящих в городе, в стране и в мире событиях. Книгопечатание, издание газет, а позже журналов, в значительной степени ускорило распространение в обществе разной информации, касающейся
повседневных событий, новых явлений культуры и науки, передовых
философских доктрин, экономической информации и пр. Эта информация явилась мощным катализатором, способствовавшим быстрому распространению новых знаний, идей и, в итоге, развитию
человеческого общества.
Еще большее влияние на это развитие оказало изобретение русским ученым Александром Степановичем Поповым и итальянским
изобретателем Гульельмо Маркони в 1895 г. технических средств беспроводной связи. Это изобретение дало мощный импульс к созданию систем передачи по радио человеческой речи, а в 1920-х годах —
сетей звукового вещания. Сети радиовещания интенсивно развивались и охватывали обширную аудиторию слушателей, которым стали
доступны последние новости о происходящих в мире событиях. По
радио для миллионов слушателей появилась возможность слушать
лекции крупных ученых, литературные передачи, концерты знаменитых оркестров и т. п.
Основную информацию об окружающем мире человек получает
с помощью зрения. Еще в XIX веке изобретатели и ученые задумывались над тем, как передать на дальние расстояния изображения с
помощью электрических сигналов. Был выдвинут ряд идей, которые
привели, в итоге, к созданию телевизионных (ТВ) систем и сетей
ТВ вещания, бурно развивавшихся в ХХ столетии.
Их развитие
продолжается и в настоящее время.
К концу ХХ столетия количество находящихся у населения телевизоров в мире превысил 1 миллиард. В развитых странах, таких
как США, Канада, Австралия, во многих европейских странах в
семьях нередко имелось по нескольку телевизоров и количество те

Краткий очерк развития систем и сетей ТВ вещания
7

левизоров на 1000 человек превышало 1000. В ряде стран, таких,
например, как Россия, Китай, ряд стран латинской Америки, оно
превышало 500 на 1000 человек, а в менее развитых странах, например в Индии, во многих странах Африки, в ряде стран восточной
Азии, число телевизоров на 1000 человек составляло 500 и менее.
Телевизионное вещание явилось гораздо более мощным техническим средством доведения разнообразной информации до сотен
миллионов живущих на Земле людей, нежели это было возможно с
помощью других средств массовых коммуникаций.
Ниже дан краткий обзор основных достижений в области телевизионной техники, в создание которой внесли большой вклад ряд
выдающихся ученых и инженеров, живших в разных странах мира.
Этим людям человечество обязано теми условиями жизни в современном обществе, о которых в начале ХХ века нельзя было даже
мечтать.
Знание истории развития телевидения — той области телекоммуникаций, в которой, возможно, предстоит работать будущим специалистам, расширяет их кругозор, прививая навыки системного
мышления. Специалист должен не только хорошо знать технические аспекты своей области, но и представлять тот путь, по которому
шло ее развитие, знать жизнь и деятельность своих предшественников, продолжателем дела которых он становится, освоив основы
своей профессии.
В развитии телевизионных систем можно выделить несколько
этапов.
Начало первого этапа — разработка систем механического телевидения — относится к концу XIX века. Этап продолжался
несколько десятков лет. Это направление развития телевидения оказалось тупиковым и разработки таких систем не вышли за пределы
исследовательских лабораторий. Второй этап, связанный с разработкой электронных систем, привел к созданию систем черно-белого
телевидения, которые постоянно совершенствовались и послужили
основой для развития в 1930–1950 гг. прошлого века аналоговых сетей ТВ вещания во многих странах мира. Совершенствование этих
систем привело к разработке в начале 1950-х годов аналоговых систем цветного телевидения, которые к концу ХХ столетия практически вытеснили системы черно-белого телевидения. В книгах [1–3]
рассказывается о зарождении и развитии идей, лежащих в основе
ТВ систем, а также о развитии в ХХ веке техники формирования и
воспроизведения ТВ сигналов — телевизионных передающих камер
и мониторов, воспроизводящих изображения.
Ниже дан краткий обзор развития телевидения с системной точки зрения — повышение качества изображения за счет увеличения

Краткий очерк развития систем и сетей ТВ вещания

его четкости, разработка методов передачи сигналов цветного телевидения, развитие сетей ТВ вещания в мире и методов их частотного
планирования. Отмечены основные вехи технической революции в
области ТВ вещания, которая произошла в самом конце ХХ века,
когда были созданы цифровые телевизионные системы.
Эти системы в большинстве стран мира, в том числе и в России, сейчас
активно внедряются и в течения первых двух десятилетий полностью заменят аналоговые сети ТВ вещания. Вопросам построения и
проектирования таких сетей посвящено данное учебное пособие.

Механическое телевидение

Хотя первые идеи создания систем для передачи на расстояние
сигналов изображения (телевидения) появились в 1870-х годах, началом создания телевизионных систем целесообразно считать 1884
год, когда студент одного из университетов в Германии Пауль Нипков изобрел механическое устройство для построчного сканирования передаваемых изображений, за которым в истории закрепилось
название «диск Нипкова». Это устройство стало вплоть до 1930-х
годов неотъемлемой частью многих систем механического телевидения. Этот диск применялся также и в приемной части телевизионного оборудования для воспроизведения изображения, принятого по
каналу связи.
В течение многих лет делались попытки разработать систему
механического телевидения. Однако первая работоспособная система была создана английским исследователем Джоном Бэрдом только в 1920-е годы. Она имела небольшое количество передаваемых
элементов изображения — была малострочной, и качество воспроизводимого изображения было низким.
Еще до появления электронных телевизионных систем родились
идеи создания механических систем цветного телевидения. Первая
в мире система цветного телевидения с диском Нипкова, ставшая
прообразом современных систем, основанных на теории трёхкомпонентного цветового зрения, была предложена 5 января 1900 года отечественным изобретателем А.А. Полумордвиновым, однако ее реализовать ему не удалось. Позже к этой же идее пришел английский
исследователь Джон Бэрд, получивший в 1925 г. на нее патент и
изготовивший демонстрационный макет этой системы. Первая передача изображений с помощью этой системы состоялась 26 января
1926 г. в его лондонской лаборатории.
В 1928 году в эфир в Чикаго на средних волнах вышла первая в
мире телевизионная станция, в которой для передачи изображения и
звука использовался один и тот же диапазон радиоволн. Первые се

Краткий очерк развития систем и сетей ТВ вещания
9

рийные телевизионные приемники с 45-строчной механической развёрткой начали выпускаться в США в 1929 г.
В СССР работы по телевизионному вещанию проводились под
руководством Павла Васильевича Шмакова — крупного отечественного ученого в области телевидения, многие годы возглавлявшего
кафедру телевидения в Ленинградском институте связи.
В конце 1920-х годов был разработан стандарт механического телевидения с разложением 30/12,5 (30 строк, частота полей 12,5 Гц).
Соотношение сторон кадра было принято близким к «классическому» — 4:3 с разрешением примерно 30×40 элементов. При помощи
этой системы велись регулярные передачи кинофильмов и трансляции из студии первого московского телецентра. Первая экспериментальная передача с ее помощью (без звукового сопровождения) состоялась 1 мая 1931 г. на волне длиной 56,6 м. Регулярное механическое вещание из телецентра началось 15 ноября 1934 г. Изображение
передавалось на волне 1107 м, а звук транслировался радиостанцией
ВЦСПС на волне 726 м. В 1933–1936 гг. в СССР было выпущено более 3000 механических телеприставок к обычному радиоприёмнику.
Для приёма звукового сопровождения, при его наличии, требовался
ещё один радиоприёмник.
После московского телецентра передачи механического телевидения начались в Одессе и Ленинграде. Регулярные передачи механического телевидения из Москвы прекратились в апреле 1940 г.
после запуска нового телецентра на Шаболовке, основанного уже на
электронных принципах.
Хотя инженеры, работавшие над созданием систем механического телевидения, для повышения качества
изображения проявляли чудеса изобретательности, создавая такие
системы с количеством строк, доходящим до нескольких сот, механические системы не могли конкурировать с создававшимися в тот
же период электронными системами, обеспечивавшими гораздо более высокое качество изображения. Поэтому они просуществовали
только до начала Второй мировой войны, уступив затем своё место
более технологичным и надежным электронным системам.

Электронное черно-белое телевидение

Первые работы в области электронного телевидения были выполнены российским ученым Борисом Львовичем Розингом, который в 1907 г. запатентовал «Способ электрической передачи изображений на расстояние», а 9 мая 1911 г. впервые в мире осуществил
передачу и прием телевизионного изображения простейших фигур.
Для приема сигналов изображения, которые формировались с помощью диска Нипкова, Розинг использовал электронную трубку, изоб

Краткий очерк развития систем и сетей ТВ вещания

ретенную в 1897 г. знаменитым немецким ученым Карлом Фердинандом Брауном, удостоенным в 1909 г. совместно с Маркони Нобелевской премии по физике за развитие средств беспроводной связи.
Настоящим прорывом в создание электронного телевидения, которое окончательно определило направление развития этой области
техники, стало изобретение иконоскопа. К идее такого изобретения
пришли несколько ученых. В США заявка на такое изобретение —
первой электронной передающей телевизионной трубки — была подана в 1923 г. русским эмигрантом Владимиром Козьмичем Зворыкиным — учеником Б.Л. Розинга, работавшим в компании Radio Corporation of America (RCA). Им была разработана также и приемная
телевизионная трубка — кинескоп. Эти изобретения позволили создать полностью электронную систему телевещания. Изобретателем
иконоскопа является также отечественный учёный Семен Исидорович Катаев, который запатентовал его в 1931 г.
Зворыкину удалось первым реализовать свое изобретение в
США. В 1932 г. при помощи иконоскопа с передатчика мощностью
2,5 кВт, установленного на Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке, начались первые экспериментальные передачи электронного телевидения с разложением на 240 строк. Сигнал принимался на расстоянии
до 100 км на телевизоры, выпущенные к тому моменту компанией
RCA на основе приемной телевизионной трубки — кинескопа Зворыкина.

Параметры развертки в системах аналогового
ТВ вещания
Одной из ключевых проблем развития систем ТВ вещания, над
которыми инженеры работают и в настоящее время, является повышение качества принимаемого изображения. С самого начала разработки таких систем для повышения четкости изображения стремились увеличивать количество строк развертки изображения, однако
при этом увеличивается полоса частот канала связи, необходимая
для его передачи.
Поэтому параметры развертки всегда выбирались путем компромисса. Следует отметить, что эта работа в разных
странах мира выполнялась независимо, что и привело к возникновению ряда национальных стандартов телевидения.
Перед началом Второй мировой войны в разных странах были
приняты следующие стандарты телевидения: 525 строк (США, с
мая 1941 г.), 441 строка (Германия, с 1938 г.), 405 строк (Англия, с
1937 г.), 343 строки и 441 строка (СССР, 1938-1941 гг.), 455 строк
и 441 строка (Франция, 1938 — 1949 гг.), а в 1949 г. во Франции
была введена система на 819 строк с шириной спектра видеосигнала
10,4 МГц.