Переход к цифровому телевидению и его влияние на незащищенное использование радиоастрономической службой полос частот, используемых для наземного телевизионного вещания

Во всех уголках земного шара телевидение стало одним из основных средств связи. Его практическая ценность как источника новостей, развлекательной информации и информации о происшествиях очевидна со времени его появления более 60 лет назад. Наземное телевизионное радиовещание в настоящее время охватывает несколько миллиардов жителей Земли и является одним из наиболее распространенных способов использования радиочастотного спектра.

Радиоастрономическая служба и наземное телевизионное радиовещание не используют на совместной основе каких-либо распределенных полос частот, однако радиовещание, как правило, занимает спектр, крайне важный для низкочастотной астрофизики и наблюдений за нейтральным водородом с красным смещением (HI), возникшим еще на начальной стадии формирования Вселенной. В соответствии с п. 4.4 Регламента радиосвязи (РР) на данный момент радиоастрономы для проведения наблюдений используют телевизионные полосы частот.

В настоящее время многие страны переходят от аналоговых на цифровые стандарты телевизионного вещания, а некоторые, помимо этого, пересматривают распределения частот радиовещательным службам в целях высвобождения спектра при помощи так называемого "цифрового дивиденда". Ожидается, что некоторые аспекты перехода к цифровому радиовещанию приведут к сокращению возможности использования радиоастрономами полос частот наземного телевизионного вещания для наблюдений, которые в настоящий момент проводятся на основе отсутствия защиты (см. Таблицу 6.3). Некоторые аспекты могут повысить возможности проведения пассивных наблюдений в телевизионных полосах.

В представленных ниже разделах кратко изложены планы перехода к цифровому радиовещанию для ряда стран мира, в которых действуют радиоастрономические программы, работающие в полосах частот наземного телевизионного вещания, а также для стран, имеющих стратегическое значение для будущих радиоастрономических станций, находящихся в настоящее время в стадии проектирования и разработки, на которых планируется использовать данные полосы частот. В настоящее время проводится обсуждение влияния правил эксплуатации цифрового телевидения на использование полос частот телевизионного радиовещания в радиоастрономии.

 

РИСУНОК 6.3

Пример воздействия цифровых ТВ-сигналов в сравнении с аналоговым ТВ.
Спектры были получены в результате исследований на радиоастрономической станции
в течение короткого периода значительного улучшения характеристик
распространения радиоволн.
ТВ-сигналы излучаются источником, удаленным приблизительно на 290 км от места наблюдения

 

Цифровой сигнал в полосе 181–188 МГц "заполняет" спектр намного плотнее, чем аналоговые ТВ‑сигналы, занимающие полосы 174–181 МГц, 188–195 МГц и 195–202 МГц, спектры которых сосредоточены на отдельных несущих – видео, цветности и звука.

Австралия

Австралийское правительство объявило о реализации программы перехода от аналогового к цифровому телевизионному радиовещанию. Планируется, что цифровое телевидение будет работать в существующих распределенных для служб радиовещания полосах частот: III (174–230 МГц), IV (526–582 МГц) и V (582–820 МГц). Работа австралийских наземных телевизионных радиовещательных служб планируется в растре канала 7 МГц в диапазонах ОВЧ и УВЧ. Максимальное значение э.и.м., планируемое для австралийских цифровых служб, как правило, на 6 дБ меньше, чем в службах аналогового телевидения, работающих в тех же полосах частот.

Австралийской радиоастрономической службе в этих полосах частоты не распределены, поэтому радиотелескопы размещаются в менее заселенных районах, чтобы минимизировать риск помех от различных систем радиосвязи, включая радиовещание. В настоящий момент с помощью радиотелескопа Паркс ведутся наблюдения в диапазоне 700–764 МГц в режиме отсутствия защиты от помех. Австралийский путепоисковый телескоп (ASKAP) площадью в 1 квадратный километр (SKA), запуск которого был запланирован на 2013 год, будет работать в полосе частот 700–1800 МГц. Кроме того, Австралия является потенциальным местом для размещения радиотелескопа SKA.

Бразилия

Отключение всех аналоговых наземных вещательных телевизионных передающих систем в Бразилии запланировано на 29 июня 2016 года. После перехода на цифровой режим передачи будут осуществляться в диапазоне УВЧ (470–806 МГц).

Япония

В Японии все телевизионные наземные вещательные передачи переведены в цифровой режим. Ширина каждого телевизионного канала равна 6 МГц, все телеканалы размещены в диапазоне УВЧ (470–710 МГц). Существует только одна радиоастрономическая станция (Хираисо), приемник которой работает в диапазоне частот 500–2500 МГц. Однако в Японии нет полосы частот в диапазоне 470–710 МГц, распределенной радиоастрономической службе. Следовательно, согласно п. 4.4 РР на станции Хираисо можно вести наблюдения в полосе частот в диапазоне 470–710 МГц.

Соединенные Штаты Америки

В Соединенных Штатах Америки все телевизионные вещательные передачи, предоставляющие полный комплекс услуг, к 12 июня 2009 года были переведены на цифровой стандарт Комитета по передовым телевизионным системам (ATSC). На Рисунке 6.4 изображен спектр телевизионного вещания после перехода к цифровому вещанию. Для каждого канала на рисунке указаны расширение полосы частот и соответствующий красный сдвиг z (HI) для спектральной линии водорода на частоте 1420 МГц.

РИСУНОК 6.4

Телевизионные каналы США после перехода на цифровое телевидение

 

В результате перехода 18 телевизионных каналов (52–69), занимающих участок спектра шириной 108 МГц (698–806 МГц), больше не используются для регулярного телевещания. Данный диапазон был перераспределен на первичной основе для служб фиксированной и подвижной радиосвязи и будет использоваться для систем беспроводной связи последующего поколения; для передачи видеоизображений по линиям односторонней связи непосредственно на беспроводные пользовательские устройства; и в системах связи в сфере общественной безопасности. Полоса 37‑го телевизионного канала (608–614 МГц) по-прежнему распределена на первичной основе не радиовещательной, а радиоастрономической службе. Этот канал используется совместно с маломощной медицинской телеметрией и медицинскими устройствами телеуправления, работающими в той же полосе частот.

Если сравнивать с таблицей выделений аналогового телевидения, то после перехода значительно меньшее количество станций ЦТВ будут занимать нижнюю часть диапазона ОВЧ. В целом это повышает возможности использования полос частот 54–72 МГц и 76–88 МГц для незащищенных радиоастрономических наблюдений. Однако это зависит главным образом от близости станций, работающих в каналах 2–6, к конкретной радиоастрономической станции.

Для цифровых телевизионных систем требуется несколько меньшая суммарная передаваемая мощность, чем для покрытия прежней зоны вещания аналогового телевидения (для ОВЧ – в 2 раза, а для УВЧ – в 5 раз). Кроме того, ограничения на нежелательные излучения от цифровых телевизионных станций определены более четко. При удалении более чем на 6 МГц от границы полосы затухание должно составлять по крайней мере 110 дБ.

На Рисунке 6.5 приведено непосредственное сравнение аналогового сигнала NTSC и соответствующего цифрового сигнала ATSC, передаваемых одной и той же станцией и той же мачтой, с использованием соседних телеканалов.

РИСУНОК 6.5

Непосредственное сравнение эквивалентных телевизионных спектров –
цифрового ATSC (слева) и аналогового NTSC (справа),
передаваемых одновременно одной и той же станцией с той же мачтой

Несмотря на то что мощность цифрового сигнала несколько меньше мощности аналогового сигнала, последний в значительной степени сосредоточен в несущих частотах трех компонентов. Для более чем 94% ширины спектра спектральная плотность мощности цифрового сигнала превышает соответствующий показатель аналогового сигнала в 1100 раз (> 30 дБ). В связи с этим предполагается, что по завершении перехода к цифровому телевидению цифровой сигнал отдельно взятой ТВ-станции усложнит гибкое использование рассматриваемой полосы частот в радиоастрономических целях по сравнению с аналоговым сигналом, использовавшимся ранее на данной станции. В качестве иллюстрации на Рисунке 6.6 приведено сравнение расчетного разнесения аналогового и цифрового ТВ‑сигналов, необходимого для соответствия уровням вредных помех, приведенным в Рекомендации МСЭ-R RA.769.

РИСУНОК 6.6

Минимальное расстояние разнесения между цифровой и аналоговой телевизионными станциями, необходимое для соответствия уровням помех радиоастрономической службе
при заданных допущениях

 

Данные по цифровому ТВ взяты из Отчета МСЭ-R RA.2195, где представлена более подробная информация.