Można powiedzieć, że „zabawa” w znajdywanie uszkodzonego miejsca jest wprost proporcjonalna do komplikacji instalacji i błędów popełnionych przy jej wykonaniu a odwrotnie proporcjonalna do jakości wykonania dokumentacji instalacji. Dla tych, którzy nie załapali żartu to zilustruję go na przykładzie. W ziemi pomiędzy budynkami biegnie kabel dostarczający telewizję. Ktoś wpadł na pomysł aby pomiędzy budynkami zrobić wspaniały ogród, tylko, że nikt nie pamiętał o kablu, który został nieprawidłowo wkopany w ziemię, a co gorsza nikt nawet nie pamięta gdzie on biegnie. Robotnicy przecięli kabel i w obawie o swoje premie się nie przyznali do tego. Ogród jest zrobiony. Telewizji nie ma. Wiadomo, że kabel jest uszkodzony, lecz nie wiadomo gdzie. Inwestor nie godzi się na rozkopanie świeżo zrobionego ogrodu i żąda aby kabel po prostu został naprawiony. I co teraz zrobić?

Do znajdywania tego typu uszkodzeń kabli (i nie tylko) służą reflektometry kablowe, zwane czasami radarami kablowymi lub TDR’ami (od angielskiego bodajże Time Domain Reflectometry). Zasada działania tego typu urządzeń jest bardzo prosta. W badany kabel „wpuszcza” się bardzo wąski impuls. Badając kształt impulsu oraz czas po jakim miernik go ponownie zarejestruje można stwierdzić w jakiej odległości od początku kabla znajduje się uszkodzenie i jakiego typu jest ono.

Przykład fajnego TDR’a służącego do lokalizacji uszkodzeń w kablach koncentrycznych.

Podstawowe pytanie, jakie można sobie zadać widząc takie urządzenie to „Jak tak naprawdę ono działa?”. Być może poniższy tekst choć trochę rozświetli tajemnice tego urządzenia.

Podstawą w tym przypadku jest impedancja. Można ją definiować na wiele sposobów, ale tak właściwie z marszu czytając regułkę pewnie niewielu spośród czytelników zrozumie jej sens. Dlatego jej nie umieszczam. Napiszę tylko tyle, że dla kabli koncentrycznych, czyli takich jakie są używane w instalacjach telewizyjnych, impedancja przewodów jest opisana zależnością:

gdzie:
a – promień żyły środkowej
b – promień oplotu kabla
ε_r – stała dielektryczna

Tak czy siak z wzoru można wyczytać tyle, że impedancja kabla koncentrycznego zależy od jego wymiarów geometrycznych oraz dielektryka.

Dla ciekawych tego dlaczego akurat 75Ω? Dlatego, że tłumienie linii przesyłowej jest najmniejsze dla b/a=3,6 a to odpowiada około 75Ω.

Ale wracając do głównego tematu. Zmiana impedancji w torze przesyłowym powoduje tyle, że część energii transportowanej w nim odpija się częściowo od miejsca, w którym ta zmiana impedancji zachodzi a częściowo przechodzi dalej. Odbijający się sygnał powoduje interferencje, co można zobaczyć na ekranie telewizora w przypadku telewizji analogowej jako bliższe oryginalnemu obrazowi „duchy”.

Wracając do wzoru opisującego zależność impedancji od wymiarów geometrycznych kabli można stwierdzić, że zmiany impedancji będą spowodowane np. poprzez:

• niezachowanie odpowiednich promieni gnących kabli,
• ich ostre zagięcia,
• odkształcenia kabla (np. poprzez zbicie go młotkiem),
• zawilgocenie kabla (zmienia się wtedy jego stała dielektyczna),
• zwarcie czy rozwarcie jednego z jego końców.

Między innymi tego typu uszkodzenia można obserwować na reflektometrach kablowych. Ale żeby było jeszcze ciekawiej to można na nich obserwować także wszystkiego rodzaju gniazda końcowe, rozgałęźniki, anteny itp.

Ogólnie TDRy mają ogromne możliwości a ich rozpiętość cenowa bywa naprawdę spora. W przypadku zastosowań telewizyjnych warto zaopatrzyć się w urządzenie, które są dedykowane specjalnie do zastosowań telewizyjnych. Osobiście posiadam sprzęt, którego najmniejszy zakres pomiarowy to 100m, a największy to 4km. W praktyce pracuje się na najmniejszym zakresie i ma się świadomość tego, że powinien on być jeszcze co najmniej 2x mniejszy dla zwiększenia komfortu pracy.

W jaki sposób taki reflektometr pokazuje rodzaje uszkodzeń? To proste. Np. zwarcie powoduje spadek impedancji, rozwarcie jej wzrost.

UWAGA!!! Obraz tego samego uszkodzenia na różnych przewodach może być trochę inny. Ten sam typ uszkodzeń na różnych typach przewodów może się znacznie różnić.

Całkowite zwarcie lub rozwarcie

Na poniższych obrazkach pokazano całkowite rozwarcie na końcu badanego przewodu. Jak widać przerwa na przewodzie powoduje wzrost impedancji.

Zwarcie przewodów powoduje gwałtowny spadek impedancji.

Wilgoć w przewodzie

Woda potrafi przyczynić się do korozji złącz kablowych, a co za tym idzie osłabić punkt łączenia ze sobą dwóch odcinków przewodu. Woda także potrafi dostać się w głąb kabla powodując zmniejszenie jego impedancji. Należy podkreślić, że woda ma tendencje do wnikania w głąb kabla, szczególnie jeśli dany przewód ma dielektryk spieniany chemicznie oraz do osiadania w najniżej położonych odcinkach kabla. Woda jest dobrym przewodnikiem – przyczynia się do osłabienia izolacji pomiędzy żyłą a ekranem. Wilgoć w przewodzie powoduje zmniejszenie się wartości VOP (czyli po polsku prędkość propagacji fali). Powoduje to, że można jedynie stwierdzić początek miejsca zawilgocenia. Koniec zawilgocenia można poznać jedynie poprzez wykonanie pomiarów na drugim końcu przewodu.

Słabej jakości przewody

Na rysunku poniżej przedstawiono łączenie dwóch różnych kabli tego samego typu. Jak widać impedancja środkowego odcinka jest niższa niż 75 Ohm. Co ciekawe oba przewody były opisane jako 75Ω – jak widać – reflektometr zweryfikował poprawność opisów. Część reflektometrów, w tym np. rodzimej produkcji RM-20 nie posiada skali na osi OY. Konsekwencją tego jest niemożliwość bezpośredniego stwierdzenia impedancji badanego przewodu tzn. podłączając reflektometr do takiego przewodu, nie zauważy się, że przewód ten ma impedancję inną niż 75Ω.

Innym przykładam słabej jakości przewodów są przewody o nadmiernej rezystancji czego konsekwencją jest nadmierne tłumienie sygnałów. Na ekranie reflektometru taki defekt kabla objawia się wzrostem impedancji proporcjonalnym do długości kabla.

Jak widać na przedstawionym powyżej obrazku pierwsza część badanego przewodu jest w porządku, podczas gdy jego druga część cechuje się nadmiernym wzrostem impedancji.

Słabe złącze

W instalacjach antenowych często istnieje potrzeba łączenia ze sobą kilku odcinków przewodów. Najczęściej łączenie tego typu wykonuje się za pomocą tzw. beczki, czyli przejściówki z dwoma żeńskimi złączami F. Prawidłowo wykonane połączenie tego typu nie powinno być widoczne na reflektometrze. Beczki potrafią być widoczne na reflektometrze w postaci niewielkiego wzrostu lub spadku impedancji. Poniższy obrazek pokazuje obraz spowodowany łączeniem dwóch kabli 50Ω beczką przystosowaną do montażu na przewodach 75Ω.

W przypadku bezpośredniego łączenia ze sobą przewodów koncentrycznych bez użycia odpowiednich złącz obraz jest zgoła inny. W zależności od stopnia oczyszczenia łączonych ze sobą przewodów oraz stopnia ubytku dielektryka zmiany impedancji mogą być różne. W przypadku przedstawionym na poniższym obrazku wyraźnie widać spadek impedancji w miejscu łączenia przewodów.

Przewód zakończony terminatorem

Terminator to inna nazwa dla rezystora o wartości rezystancji równej impedancji charakterystycznej przewodu. Pomiędzy przewodem a terminatorem istnieje całkowite dopasowanie, rezystor pochłania całkowitą energię impulsu wysłanego przez reflektometr. Mierząc reflektometrem kabel zakończony terminatorem uzyska się obraz, na którym nie widać końca przewodu.

Antena podłączona do przewodu

Podczas pomiarów anteny podłączonej do badanego odcinka przewodu pokazuje się charakterystyczny obraz, który w literaturze jest opisywany jako odbicie w kształcie litery „S”. Osobiście tego typu odbicia bardziej przypominają mi literę „N”. Ocenę kształtu odbitego impulsu pozostawiam ocenie czytających niniejszą lekturę. Należy podkreślić, że kształt odbicia zależy od samej anteny podłączonej do przewodu. Poniższy obrazek prezentuje wygląd typowego odbicia spowodowanego przez antenę.

Pomiary odcinka przewodu z podłączoną do niego anteną mogą być utrudnione ze względu na to, że reflektometr może pokazywać zakłócenia spowodowane obecnością anteny.

Niektóre reflektometry posiadają odpowiednie filtry usuwające tego typu zakłócenia, przez co możliwe jest zlokalizowanie uszkodzenia na takim fragmencie przewodu. Jeśli reflektometr nie posiada tego typu funkcji to pewną poprawę może dać parokrotne uśrednienie otrzymanych danych pomiarowych.

Powyższe przykłady stanowią niewielką część możliwości TDRów i nie ukrywam, że opisałem je w celu zachęcenia do zapoznania się z tego typu urządzeniami. Jeśli kogoś temat ten będzie bardziej interesował to w przyszłości opiszę zasady przeprowadzania pomiarów za pomocą TDRów.

Rozszyfrowując skrót C/N to stosunek poziomu nośnej sygnału do poziomu szumu lub pisząc bardziej dokładniej poziomu nośnej sumy sygnału użytecznego i szumu do poziomu szumu (zakładamy, że w całym paśmie poziom szumu jest stały). Poziom nośnej sygnału wiadomo gdzie jest mierzony – wewnątrz kanału. Pytanie brzmi: w którym miejscu mierzony jest poziom szumów? Zazwyczaj w odstępach międzykanałowych.

W przypadku telewizji naziemnej często stosuje się różnego rodzaju filtry kanałowe czy pasmowe i podobne. Jeśli kanał dla którego C/N jest mierzony jest właśnie za takim filtrem kanałowy o niezłej selektywności to w pomiarach mogą wyjść różne dziwne rzeczy. Widać to dobrze na przykładzie poniższych zrzutów ekranu z prezentacji.

Na powyższym zrzucie widać efekt pomiarów w normalnych warunkach – C/N i MER są niemal równe odbiór sygnału jest prawidłowy.

Następnie sygnał z anteny naziemnej zostaje zsumowany z sygnałem z generatora szumów a pomiędzy miernik a sumator sygnału zostaje wpięty filtr kanałowy. I co się dzieje? To co widać na poniższym zrzucie: C/N jest OK, ale MER i BER mówią, że na poprawny odbiór nie ma szans…

Jak zostało to przedstawione na pomiarze C/N nieźle można się naciąć. Dlatego ważnym jest aby miernik służący do pomiarów sygnałów cyfrowych potrafił zmierzyć wielkości istotne dla sygnałów cyfrowych czyli np. BER czy MER. Powyższy eksperyment pokazuje także to, że czasami przed przystąpieniem do pomiarów należy się zastanowić nad tym, czy akurat pomiar danej wielkości ma sens w danej instalacji. Należy mieć świadomość tego, że analogiczna sytuacja do przedstawionej może dziać się np. z MER, ale to już zupełnie inna historia…

PS. Przesyłam serdeczne pozdrowienia dla pana Daniela K., którego e-mail zainspirował mnie do napisania tego wpisu.

Na początku należy napisać, że mierniki służące do pomiaru analogowego sygnału telewizji naziemnej w sumie nie do końca nadają się do pomiarów telewizji cyfrowej. Po pierwsze – z parametrów, które technicznie można by nimi zmierzyć są tylko poziom sygnału oraz C/N. A po drugie – wygląd samego sygnału telewizji analogowej i cyfrowej jest zupełnie inny. W przypadku telewizji naziemnej mierzony jest bodajże poziom sygnału nośnej wizji. Pytanie czy pomiar poziomu sygnału w tym punkcie (czy raczej tym samym paśmie) w DVB-T nie spowoduje powstawania przekłamań poziomu sygnału…

Dlatego do pomiaru sygnału cyfrowego należy używać mierników dedykowanych do pomiaru sygnałów cyfrowych. Takie mierniki, oprócz pomiaru poziomu sygnału czy wspomnianego C/N potrafią mierzyć także BER, MER, potrafią wyświetlać konstelacje sygnału, wyświetlać jego widmo oraz wiele, wiele innych.

Jeszcze parę lat temu gdy śledziłem rynek mierników do pomiaru sygnału cyfrowej telewizji naziemnej stwierdziłem, że tak właściwie na polskim rynku tak właściwie w rozsądnej cenie nie da się zakupić miernika, który potrafiłby zmierzyć taki sygnał. Nie dziwiło mnie to, gdyż w Polsce w ówczesnym czasie praktycznie nie było nadajników nadających sygnał DVB-T. Pytanie czy teraz, gdy prawie codziennie mówi się w mediach o cyfryzacji można nabyć stosowny sprzęt, który umożliwi pomiar, choćby podstawowych parametrów sygnału cyfrowego? Sprzętu zdecydowanie jest więcej. Większy jest jego wybór, nie mniej zauważyć można, że brakuje nieco sprzętu podstawowej klasy. Najtańsze mierniki, które są sygnowane do pomiaru telewizji cyfrowej nie potrafią zmierzyć choćby BER. Dalej jest wielka dziura w ofercie i zaczynają się mierniki mierzące prawie wszystkie ważne wielkości. Ceny tych drugich zaczynają się od kilku tysięcy złotych…

Na szczęście nikt nie zmusza nikogo do zakupów w kraju, a na zachodzie oferta sprzętu pomiarowego jest naprawdę spora. Osoby chcące zakupić sprzęt zagranicą uczulam na problem dotyczący gwarancji sprzętu. Mierniki mają ułatwiać życie monterom – nie robią tego gdy są w serwisie. Dlatego warto zawsze się dowiedzieć czy istnieją punkty serwisowe danego producenta sprzętu w Polsce. Niektórzy producenci na czas serwisu danego urządzenia wydają mierniki o parametrach co najmniej takich jak serwisowany sprzęt.

Poniżej prezentuję wykaz ważniejszych producentów, którzy produkują mierniki typowo do pomiarów tylko sygnału DVB-T – nie są tutaj umieszczone urządzenia typu combo, służące do pomiarów sygnałów także DVB-S czy DVB-C. Kolejność na liście jest losowa. Sama lista nie jest do końca kompletna – mam nadzieję, że z czasem zostanie ona uzupełniona.

• Telemann– Telemann 1500, Telemann 1720OFDM, Telemann 1730OFDM,
• Unaohm – T40 A PLUS,
• Rover Instruments – T2 SCOUT, FAST T,
• Emitor – DigiAir,
• Horizon – HDTM,
• MaxPeak – TAM,
• Sefram – 7803B.

Czym jest BER?

Skrót BER, tak jak wyżej napisałem, można rozszyfrować jako Bit Error Rate, co po spolszczeniu można nazwać bitową stopą błędów lub pewnie zupełnie inaczej – nieważne. Ważne jest to co określa ten parametr: jest to ilość przekłamanych bitów w stosunku do całkowitej ilości przesłanych bitów. Z definicji jest to zatem pewien ułamek, którego wartość jest tym lepsza, im mniejszy on jest. Z uwagi na fakt, że wartości tego parametru są naprawdę małe do zapisu tego parametru zazwyczaj nie stosuje się ułamków dziesiętnych ale w notacji naukowej. Dla przykładu wartość 0,001 w tej notacji zapisuje się jako 1E-3, czyli 1*10^-3. Wartość 4,5E-4 to 4,5*10^-4. I już wiadomo o co chodzi. Przy BER najczęściej nie patrzy się na dokładną wartość liczbową tego parametru tylko na rząd wielkości i w tym przypadku najważniejsze jest to co jest zapisane zaraz za symbolem E w notacji. Im mniejsza to liczba (wraz ze znakiem) tym lepiej.

W różnych publikacjach często jest napisane, że wartością krytyczną BER dla sygnału cyfrowego jest 1E-3. Oznacza to tyle, że przy takiej wartości BER sygnał jest na granicy odbioru. Czy tak naprawdę jest to do końca prawdą? W pewnym uproszczeniu tak, ale nie zawsze. Spójrzmy na chwilę na poniższy diagram blokowy. Oraz przeanalizujmy jako to wygląda dla transmisji satelitarnych.

Jak widać BER, w przypadku DVB-S może być mierzony w paru miejscach:

• przed korekcją Viterbi (Pre-Viterbi bit error ratio),
• przed korekcją Reed-Solomon (Pre-Reed-Solomon bit error ratio),
• po korekcji Reed-Solomon (Post-Reed-Solomon bit error ratio).

Z punktu pomiarów sygnału najbardziej interesującym miejscem do pomiarów BER jest pomiar tej wielkości przed korekcją Viterbi. Czasami ten BER określa się jako Channel BER. Użyteczne wartości dla tego parametru to 1E-4 do 1E-2. Oznacza to, że każdy dziesięciotysięczny do każdego co setnego bitu jest przekłamany. Niestety korekcja Viterbi nie potrafi skorygować wszystkich błędów  – i tak jak już wcześniej wspomniałem – używana jest korekcja Reed-Solomon. Wartością krytyczną dla tej korekcji jest BER równy 1E-4. Jeśli wartość BER jest niższa – korekcja RS potrafi skorygować wszystkie błędy. Definiuje się pojęcie QEF, czyli quasi-error-free, czyli BER<1E-11, czyli innymi słowy około jeden przekłamany bit na godzinę transmisji.

Tak więc krytycznie podchodząc do pomiaru BER, oprócz podania samej wartości parametru powinno się mówić, w którym miejscu zmierzono ten parametr. Tak więc w czym jest problem? Problemów jest sporo, szczególnie z tańszymi miernikami. Nie wiedzieć czemu producenci tworząc instrukcje obsługi do mierników czy analizatorów sygnału często zapominają napisać wiele bardzo ciekawych rzeczy. Pierwszą z nich wspomniany wcześniej fakt, że z punktu pomiarów BER można mierzyć w dwóch miejscach. Dla przykładu, w karcie katalogowej analizatora Telemann 1680S2 wyraźnie jest napisane, że sprzęt ten mierzy BER właśnie w tych dwóch miejscach. Dla Satlook Micro+ G2 w instrukcji jest tylko napisane, że BER powinien mieć wartość poniżej 1E-4… W przypadku niektórych mierników większość wartości wyświetlanych przez miernik nie jest kalibrowana. Oznacza to tyle, że każde dwa mierniki nawet z tej samej serii mogą wyświetlać nieco inne wyniki pomiarów. W praktyce używanie takiego miernika ogranicza się do ustawienia systemu na maksimum wartości mierzonych parametrów. Z kolejnej strony problemem może być to, że czasami producenci niechętnie przyznają się do tego faktu i tak właściwie nie mając sprzętu referencyjnego i kilku mierników samemu ciężko jest stwierdzić co tak właściwie wskazuje miernik… Czasami także producenci tańszych konstrukcji stosują pewną sztuczkę. Polega ona na tym, że wiadome są teoretyczne zależności pomiędzy poszczególnymi parametrami. I tak C/N można obliczyć mierząc SNR a BER można wyliczyć z C/N.

O takich zabiegach także producenci niechętnie mówią…

No dobrze – w przytoczonym tekście przykład pomiaru BER podany był dla DVB-S. Jak sprawa wygląda dla innych typów transmisji. Generalnie dość podobnie. Różnica polega np. na tym, że w przypadku DVB-C nie stosuje się korekcji Viterbi…

Na koniec taki mały offtopic. Mamy tyle różnych wielkości opisujących jakość sygnału, począwszy od jego poziomu, poprzez C/N i SNR po BER, MER i inne. Czy potrzebujemy ich wszystkich? Zdecydowanie tak. Dla przykładu patrzenie tylko na poziom sygnału i C/N może być zgubne w skutkach. Można sztucznie wygenerować sygnał, który będzie miał super C/N, ale będzie kompletnie bezużyteczny. Tak samo istnieją przypadki, w których sygnał ma znakomity MER, a paskudny BER. Wszystkie te mierzone wielkości mają swoje ograniczenia. Posiadając pewną wiedzę o nich dość szybko i sprawnie można zdiagnozować problem. Jak widać samo posiadanie nawet dobrego sprzętu nie gwarantuje sukcesu.

Z uwagi na fakt, że w przypadku cyfrowej telewizji możliwe są dwa stany odbioru sygnału: jego prawidłowy odbiór lub całkowity brak odbioru, niezwykle ważnym jest aby odbierany sygnał był na tyle dobrej jakości. Zapewnienie takiego sygnału skutkuje tym, że w przypadku pogorszenia się warunków odbioru (np. podczas ulewy, lokalny wzrost poziomu zakłóceń) sygnał ten jest jeszcze na tyle dobrej jakości, że zapewnia poprawny odbiór oglądanego programu.

Podobny efekt można zaobserwować także w przypadku telewizji satelitarnej, gdzie dla przykładu zastosowanie anteny o relatywnie małej średnicy czy jej nieprecyzyjny montaż pozostaje praktycznie niezauważony podczas ładnej pogody. W czasie jej pogorszenia – sygnał bardzo szybko się „rwie” – odbiór audycji jest nie możliwy…

W kontekście telewizji naziemnej parametrem, który określa jakość sygnału jest C/N czyli stosunek poziomu jakości nośnej sygnału do poziomu szumu. Stosunek ten wyrażany jest w decybelach – im wyższy tym lepiej. Pomiar wartości C/N znany był także z telewizji analogowej – tam za wartość, do której się dążyło było około 48dB. Przy tej wartości odbiór obrazu był idealny. Dobrą wiadomością jest to, że w przypadku DVB-T wartości C/N jakie teoretycznie można osiągnąć są o wiele niższe. W tym przypadku już same parametry techniczne modulatora sygnału, który jest zamontowany po stronie jego nadawcy narzucają graniczną wartość około 38..40 dB.

Jakość sygnału generowanego po stronie modulatora nadawcy ma dla odbiorcy sygnału drugorzędną wartość. Przyjrzyjmy się więc minimalnym wartościom C/N jakie musi mieć sygnał, aby został poprawnie demodulowany. W poniższej tabeli zostały zebrane wartości C/N dla wszystkich modulacji i FEC w DVB-T.

Pomimo tego, że powyższa tabela dokładnie określa minimalne warunki odbioru sygnału, to wprowadza pewną niejednoznaczność. Dla każdej modulacji podane są trzy wartości C/N. Rozsądek podpowiada, że należy patrzeć na najwyższą wartość. I w zasadzie zazwyczaj tak jest. Czym są więc te poszczególne kanały? A więc zacznijmy od początku:

• Gaussian Channel – w tym kanale podstawowymi założeniami jest bezpośrednia widoczność nadajnika i odbiornika oraz zakłada się brak sygnałów echowych
• Ricean Channel – założenie bezpośredniej widoczności nadajnika oraz odbiornika pozostają takie same, nie mniej dodatkowo zakłada się możliwość odbioru sygnału z wielu kierunków
• Rayleigh Channel – w odróżnieniu od powyższych kanałów odbioru w tym zakłada się, że nie istnieje bezpośrednia widoczność nadajnika i odbiornika oraz, że odbiór sygnału jest tylko wielościeżkowy – czyli innymi słowy – totalny brak widoczności nadajnika.

Warto wspomnieć, że w przypadku maksymalnie wydajnej modulacji w DVB-T minimalny C/N wynosi 28dB. Przy takiej wartości C/N – telewizja analogowa zapewniała odbiór na poziomie szumu…

Czytając różne fora internetowe, czy nawet czytając specyfikacje produktów można czasami zauważyć, że zbytnio nie jest rozróżnia się różnicy pomiędzy S/N a C/N. Wielkości te są często używane zamiennie. W ogólności nie jest to prawdą. Chociaż w sumie różnica w wartościach dla DVB-T nie jest aż tak wielka. Dla trybu 8K różnica pomiędzy C/N a S/N jest równa 0,33dB.

W kontekście pomiarów sygnału DVB-T ważnymi parametrami są także wartości BER oraz MER. Ale o tym postaram się dokładniej napisać w kolejnym wpisie…

I wszystko jest jasne. Pojemność poszczególnych multipleksów zależy od modulacji w jakiej są nadawane, stopnia korekcji błędów oraz wartości współczynnika ochronnego. Tak więc maksymalna przepustowość pojedynczego multipleksu wynosi około 31,5Mbit/s.

A teraz część dla ciekawskich:

Ogólna formuła na obliczenie przepustowości kanału wynosi:

net_data_rate = 188/204 • code_rate • log₂(m) • 1(1 + guard) • channel • const1

Jak łatwo się domyśleć mnożnik 188/204 wprowadzac kodowanie Reed-Solomon. Code_rate przyjmuje wartość 1/2 .. 7/8. Log₂(m) może przyjąć wartość 2 (dla QPSK), 4 (dla 16-QAM), 6 (dla 64-QAM). Parametr guard przyjmuje wartości 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. Channel przyjmuje warość 1 dla kanału o szerokości 8MHz, 7/8 dla kanału o szerokości 7MHz i 6/8 dla kanału o szerokości 6MHz. Wartość stałej const1 wynosi: 6,75*10e6 bitów/s

Przedstawiony powyżej wzór nie jest wzorem, który w sposób jawny pokazuje skąd bierze się przepustowość multipleksu – nie mniej jest prosty do stosowania i stosunkowo mało jest w nim do liczenia. Jeśli kiedyś będzie kogoś ciekawił sposób pełnego wyliczenia przepustowości multipleksu – na pewno go zaprezentuję.

Odpowiedź na to pytanie jest dość prosta: każdą cyfrową transmisję obrazu czy dźwięku charakteryzuje tzw. bitrate (czyli przepustowość). Bitrate jest wyrażany zazwyczaj w kilobitach czy megabitach na sekundę. Łączna ilość transmitowanych danych w jednym kanale transmisyjnym musi być co najwyżej równa łącznej przepustowości tegoż kanału.

W jaki sposób można policzyć przepustowość danego transpondera czy multipleksu? Ogólnie rzecz ujmując należy efektywność modulacji, w jakiej transmitowany jest dany przekaz przemnożyć przez szerokość kanału, w jakim nadawany jest dany przekaz i to co wyjdzie skorygować o przepustowość zużytą na dane korekcyjne. Powyższe słowa brzmią nieco zagmatwanie, jednak myślę, że odpowiedni przykład od razu zademonstruje o co tutaj chodzi.

Policzmy więc przepustowość standardowego transpondera satelitarnego na satelicie HotBird 13°E. Z tego satelity jest transmitowanych większość polskich platform cyfrowych. Na tym satelicie transpondery mają szerokość 36MHz, co odpowiada parametrowi symbol rate (SR) na poziomie 27.500, czyli 27,5 megasymboli na sekundę. Standardowo używana modulacja (w przypadku transmisji DVB-S), czyli QPSK zapewnia wydajność 2 bitów na symbol, tak więc totalna przepustowość transpondera wynosi:

gross_data_rate = 2 bits/symbol • 27.5 Megasymbols/s = 55 Mbit/s

Powyższa przepustowość nie uwzględnia jednak ilości danych naprawczych umieszczanych w strumieniu danych (streamie). W przypadku transmisji DVB-S stosuje się dwa mechanizmy korekcji danych: pierwszy to Reed-Solomon, a drugi to korekcja FEC. Nie wgłębiając się w szczegóły techniczne pierwszy algorytm znany jest np. z zapisu danych na płytach audio CD. Pisząc skrótowo algorytm ten wylicza sumę kontrolną, która jest dodawana na końcu każdego transmitowanego pakietu danych. Umożliwia to skorygowanie błędów w wielkości połowy dodawanych do pakietu danych naprawczych. W przypadku MPEG-2 transport stream pakiety mają długość 188 bitów, a korekcja Reed-Solomon ma 16 bitów, czyli totalna długość pakietu wynosi 204 bity. Mechanizm ten (Reed-Solomon) w przypadku transmisji DVB-S potrafi naprawić co najwyżej do ośmiu błędów w pakiecie. Po uwzględnieniu kodowania RS nasza przepustowość wynosi:

net_data_rate _Reed-Solomon =  gross_data_rate • 188/204 = 55 Mbit/s • 188/204 = 50.69 Mbit/s

Statystyczna liczba błędów występująca w przypadku przekazu satelitarnego przekracza liczbę błędów, które można naprawić za pomocą kodowania RS. Dlatego w transmisjach satelitarnych stosuje się dodatkowy mechanizm ochrony danych. Algorytm ten, zwany FEC – forward error correcion „konsumuje” pewną część pasma. W przypadku transmisji DVB-S FEC wynosi 1/2, 2/3,…,7/8. Oznacza to, że dane naprawcze wynoszą od jednej ósmej transmitowanych danych do jednej drugiej. Jak łatwo się domyślić FEC=1/2 zapewnia największą ochronę przed zakłóceniami, najmniejszą FEC=1/8, ale za to umożliwia transmisję największej ilości danych. Rozsądnym kompromisem jest FEC=3/4, który zazwyczaj stosują platformy cyfrowe.

net_data_rate _{DVB-S 3/4} = code_rate • net_data_rate Reed-Solomon = 3/4 • 50.69 Mbit/s = 38.01 Mbit/s

Podobną ilość danych można transmitować zarówno przez sieci kablowe. Różnice w stosunku do wyliczeń dla DVB-S są takie, że używana modulacja to 64 QAM – 256  QAM. Wydajność 64QAM wynosi 6 bit/symbol, a szerokość kanału wynosi 8MHz, co daje 6.9 ms/s. Z uwagi na niski poziom zakłóceń w sieciach kablowych używa się jedynie korekcji Reed-Solomon. Ostatecznie daje to przepustowość 38,15 Mbit/s, czyli niemal identyczną ilość co w przypadku telewizji satelitarnej. W przypadku cyfrowej telewizji naziemnej otrzymywane przepustowości są nieco mniejsze niż w przypadku przedstawionym powyżej. Z uwagi na fakt, że DVB-T w Polsce dopiero jest wdrażane i w sumie w Internecie nie ma dużo informacji na ten temat dokładne wyliczenia dla tego systemu z dokładnym tłumaczeniem zaprezentuję mam nadzieję dość szybko.

A teraz wróćmy do sedna: czyli odpowiedzi – ile kanałów można transmitować przez pojedynczy transponder czy multipleks. Wszystko zależy od jakości transmitowanego programu, czyli jego bitrate’u. Niezłe jakościowo kanały w standardowej rozdzielczości przy kodowaniu MPEG-2 potrzebują bitrate’u w ilości 4-6Mbit/s. Czyli daje to w praktyce możliwość transmisji 6-10 programów telewizyjnych w obrębie jednego transpondera. Wynajmowanie pojemności satelitarnych jest kosztowne. Widzowie chcą mieć dostęp do jak największej ilości kanałów telewizyjnych. Z tego powodu, nie mogąc zbytnio zwiększyć przepustowości transponderów redukuje się bitrate kanałów do średniej wielkości od około 2Mbit/s do około 3,5Mbit/s w zależności od danego kanału. W oczywisty sposób powoduje to utratę jakości wyświetlanego obrazu. Efekt ten jest tym bardziej widoczny im większy jest ekran, na którym wyświetlany jest ten obraz. Swego rodzaju ratunkiem, szczególnie w przypadku telewizji satelitarnej, jest wprowadzenie bardziej efektywnego algorytmu kompresji obrazu – czyli H.264 AVC. Jego skuteczność jest co najmniej dwa razy taka jak wydajność MPEG-2, co oznacza, że bitrate można obniżyć dwa razy z zachowaniem tej samej jakości obrazu. Jednak z drugiej strony platformy cyfrowe na szeroką skalę nie mogą wprowadzić tej metody kompresji obrazu, gdyż standardowy odbiornik telewizji satelitarnej (DVB-S) nie jest w stanie wyświetlić poprawnie takiego obrazu. Oznacza to potrzebę wymiany odbiorników, co przy ilości abonentów np. na poziomie 2-3 milionów wcale nie jest takie proste i tanie. Jak więc sobie radzą z tym problemem platformy cyfrowe? Najprościej jak tylko się da. Należy uświadomić ludzi, że obraz ten jest obrazem standardowej jakości i dlatego wygląda on jak wygląda, a aby poprawić jakość wyświetlanego obrazu należy zaopatrzyć się w odbiornik i telewizor umożliwiający wyświetlenie obrazu wysokiej rozdzielczości (czyli HDTV). Jak łatwo się domyśleć takie kanały są zazwyczaj w dodatkowo płatnych opcjach do pakietów. Tym o to sposobem klient nie ma żalu do operatora, że obraz bardziej przypomina puzle, a może jeszcze dodatkowo skusi się na płatny dodatek do pakietu…

Zastosowanie cyfrowej transmisji wprowadza się nie tylko z uwagi na nadawców. Jak zostało wspomniane powyżej wprowadzenie cyfrowego materiału umożliwiło wykonanie wielu kopii materiału bez utraty jego jakości. Podobna sytuacja ma także miejsce w przypadku transmisji materiału do widza. W przypadku transmisji materiału analogowego za pomocą każdego medium (czyli satelitów, nadajników naziemnych czy kabli) występują różnego rodzaju szumy i zakłócenia, które nakładają się na przesyłany sygnał.  Sytuację tą ilustruje poniższa grafika.

Jak widać sygnał odbierany jest różny z sygnałem oryginalnym. Innymi słowy proces transmisji sygnału spowodował pogorszenie jego jakości. Od początku istnienia telewizji z zakłóceniami radzono sobie na wiele sposobów. Podstawową metodą było zapewnienie aby odbierany sygnał był o odpowiednio wysokim poziomie, a poziom zakłóceń był jak najniższy. W praktyce oznaczało to stosowanie anten kierunkowych o sporym zysku energetycznym (a tym samym o sporych wymiarach geometrycznych) w jak najwyższym miejscu. Ważne było aby anteny były jak najbardziej kierunkowe. Dzięki temu istniała możliwość redukcji wad obrazu w postaci różnego rodzaju zjaw, pasów i podobnych zakłóceń. Ich redukcja czy nawet całkowita eliminacja zazwyczaj była możliwa nie mniej problemem stał się stopień komplikacji odbiorczej instalacji antenowej[3].

Aby zminimalizować wpływ szumów na transmitowany sygnał używa się transmisji cyfrowej. W przypadku tego typu transmisji przesyłany jest sygnał o dyskretnych wartościach. Dzięki temu nawet po dodaniu do niego szumu istnieje możliwość rekonstrukcji sygnału tak, że jest on identyczny z nadawanym sygnałem.

Zastosowana metoda modulacji sygnału implikuje odporność tego sygnału na zakłócenia. Dla przykładu. W przypadku transmisji satelitarnych w standardzie DVB-S2 istnieje możliwość transmisji obrazu w takiej modulacji, że nawet jeśli poziom szumu będzie dwa razy wyższy niż poziom użytecznego sygnału to jego poprawny odbiór nadal będzie możliwy. Niestety okupione jest to ilością danych jakie można przetransmitować: 15 Mbit/s. Używając modulacji mniej odpornych na zakłócenia ilość przetransmitowanych danych może wynieść nawet 100Mbit/s[4]. Tak więc większa odporność na zakłócenia ograniczona jest przepustowością kanału transmisyjnego.

Transmisje analogowe miały jedną niepodważalną zaletę – w przypadku występowania szumów czy zakłóceń mniej czy bardziej zniekształcony sygnał można było odebrać. W zależności od poziomu zakłóceń najpierw ginął kolor, następnie obraz zaczynał śnieżyć, na samym końcu ginęła fonia. Transmisje cyfrowe, jak zostało to pokazane powyżej, są zabezpieczone przed wpływem szumu czy zakłóceń. Jednak do pewnego stopnia. W przypadku przekroczenia pewnego, ściśle określonego poziomu szumów odtworzenie oryginalnego sygnału staje się nie możliwe, a odbiór sygnału w ogóle staje się niemożliwy – widz zobaczy czarny ekran z komunikatem o braku sygnału lub w najlepszym przypadku obraz złożony z przypadkowych danych, z którego nic nie będzie wynikało. Ważnym jest więc pamiętanie o tym, że sam fakt transmisji sygnału w postaci cyfrowej nie zwalnia z „obowiązku” posiadania instalacji odbiorczej o odpowiednich parametrach – inaczej np. podczas obfitych opadów deszczu można spodziewać się całkowitej utraty możliwości odbioru sygnału[5].

[1] modulacja 64QAM (6 bitów / symbol)

[2] modulacja QPSK (2 bity / symbol)

[3] Technicznie aby uniknąć zakłóceń należy stosować anteny kierunkowe np. typu YAGI. Dodatkowo w celu eliminacji zakłóceń na każdy odbierany kanał należy zastosować osobną antenę odbiorczą. Poszczególne anteny można montować na maszcie w odległości od siebie około 0,6m. W analogowej telewizji naziemnej transmitowane było do sześciu kanałów. Oznaczało to montaż sześciu anten. Przy tak wysokich masztach zazwyczaj należało stosować odciągi. Nawet jeśli instalator doskonale wiedział jak pozbyć się zakłóceń obrazu to zazwyczaj klient dostawał wytrzeszczu oczu widząc co miało by zostać zamontowane na dachu jego domu. W rezultacie popularność zyskały sobie niewielkie anteny synfazowe z płaskim reflektorem, popularnie zwane antenami siatkowymi. Jedyną zaletą tych anten było to, że były łatwe w montażu oraz zajmowały niewiele miejsca i umożliwiały odbiór od pasma FM po UHF.  Wadą było to, że zbierały wszystkie szumy z okolicy i w marginalnym stopniu chroniły sygnał przed przedostawaniem się np. odbitych sygnałów od przeszkód, co objawiało się efektem tzw. ducha. Powszechność stosowania tych anten sprawiła, że utarło się, że obraz z analogowej telewizji naziemnej najczęściej jest słabej jakości i nie ma na to żadnej rady. Takie podejście można spotkać do tej pory. Ogólnie uważa się, że panaceum na te dolegliwości jest transmisja cyfrowa obrazu. Z tym zastrzeżeniem, że sporo osób uważa, że już sam fakt cyfrowej transmisji materiału implikuje jego wysoką jakość. Niewielkie grono zdaje sobie sprawę z tego, że w przypadku transmisji cyfrowych jakość odbieranego materiału zależy od jego stopnia kompresji, ale o tym więcej napiszę innym razem.

[4] Chodzi o modulację 32APSK

[5] Złośliwość rzeczy martwych także działa w tym przypadku – utrata sygnału następuje zazwyczaj w najważniejszych momentach oglądanej audycji.

W celu opracowania odpowiednich standardów transmisji danych w Europie powołano organizację DVB Project (Digital Video Broadcasting Project), która miała za zadanie opracować standard transmisji materiału wideo opartego na kompresji MPEG-2. Opracowano standardy transmisji sygnałów cyfrowych za pomocą satelitów (DVB-S), sieci kablowych (DVB-C) i telewizji naziemnej (DVB-T). Pomimo tego, że standardy te były opracowane w latach 1994-1996 bardzo szybko się przyjęły i jak grzyby po deszczu zaczęły powstawać cyfrowe transmisje kanałów telewizyjnych. Pierwsza komercyjna satelitarna transmisja cyfrowa sygnału miała miejsce w 1996 roku. W roku 1998 powstała pierwsza polska platforma telewizji satelitarnej – Wizja TV. Rewolucja została zapoczątkowana.

W chwili obecnej w przypadku transmisji satelitarnych przekazy analogowe stanowią margines. Telewizje kablowe dążą do zaprzestania transmisji analogowych. Cyfrowa rewolucja nie ominęła także telewizji naziemnej – w chwili pisania niniejszego wstępu uruchomiane są w Polsce pierwsze nadajniki cyfrowej telewizji naziemnej, jednak zamiast kompresji MPEG-2 używany będzie nowocześniejszy i wydajniejszy standard MPEG-4