Antenowe Instalacje Zbiorowe - podstawy

Antenowa instalacja zbiorowa (AIZ) służy do odbioru i przewodowego rozprowadzania sygnałów radiodyfuzyjnych nadawanych przez stacje naziemne i satelitarne do abonentów w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej lub w grupach budynków sąsiadujących ze sobą. W bardziej rozbudowanych instalacjach istnieje również możliwość przesyłania programów wytwarzanych w lokalnym studio. Możliwości techniczne produkowanych obecnie urządzeń umożliwiają wykonywanie antenowych instalacji zbiorowych na bardzo wysokim poziomie. Warunkiem jest jedynie stosowanie sprzętu nowoczesnego i należyte jego dobieranie (projektowanie instalacji).

Główne zalety antenowej instalacji zbiorowej:
- zapewnienie dobrego odbioru telewizji naziemnej i satelitarnej we wszystkich mieszkaniach; o ile odbiór satelitarny da się osiągnąć za pomocą anteny umieszczonej na balkonie, to odbiór telewizji naziemnej już rzadko,
- możliwość wykonania zabezpieczenia odgromowego i przepięciowego instalacji antenowej i tym samym zabezpieczenia odbiorników telewizyjnych w mieszkaniach,
- niższe koszty wykonania instalacji zbiorowej w porównaniu z indywidualnym instalowaniem anten i doprowadzaniem sygnału do poszczególnych mieszkań,
- znaczna poprawa estetyki budynku - na dachu jest tylko jeden zestaw antenowy, nie ma dziesiątek anten satelitarnych na ścianach, balkonach,
- możliwość wprowadzenia dodatkowych funkcjonalności, np. obraz z kamer telewizyjnych obserwujących parking, czy plac zabaw dla dzieci.

Antenowa Instalacja Zbiorowa składa się z trzech głównych części. Pierwszą jest zestaw antenowy służący do możliwie najlepszego odbioru pożądanych sygnałów radiowych i telewizyjnych. Najczęściej stosuje się anteny do odbioru sygnałów radiowych UKF oraz sygnałów cyfrowej telewizji naziemnej DVB-T i sygnałów telewizji satelitarnej. Następnym elementem jest stacja czołowa AIZ. W najprostszym przypadku może to być zestaw wzmacniający przeznaczony do selektywnej obróbki odbieranych sygnałów naziemnych. Coraz częściej jednak w AIZ stosuje się również wprowadzanie sygnałów satelitarnych. Ten cel można osiągnąć dwojako. Po pierwsze można stosować urządzenia do demodulacji sygnałów satelitarnych i następnie urządzenia do modulacji w standardzie telewizji naziemnej. Tak otrzymane sygnały są wprowadzane do instalacji tak samo, jak sygnały z anten naziemnych. Po drugie można stosować instalacje z multiswitchami. W takim przypadku każdy lokator musi zaopatrzyć się w tuner satelitarny, lecz dzięki temu ma możliwość odbierania bardzo wielu programów, jakby był podłączony do własnej anteny satelitarnej. Trzecią częścią Antenowej instalacji Zbiorowej jest sieć rozprowadzająca sygnały ze stacji czołowej do poszczególnych mieszkań.

1. Wymagania prawne dotyczące AIZ

O konieczności budowania antenowych instalacji zbiorowych mówi Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 6 listopada 2012 r. o zmianie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki. Według tego rozporządzenia (§192e) w skład instalacji telekomunikacyjnej budynku mieszkalnego wielorodzinnego wchodzą w szczególności:
- antenowa instalacja zbiorowa służąca do odbioru cyfrowych programów telewizyjnych i radiofonicznych rozpowszechnianych w sposób rozsiewczy naziemny,
- antenowa instalacja zbiorowa służąca do odbioru cyfrowych programów telewizyjnych i radiofonicznych rozpowszechnianych w sposób rozsiewczy satelitarny.

Wymagania dotyczące instalacji do sygnałów naziemnych

Rozporządzenie precyzuje parametry kabli współosiowych stosowanych do przesyłania sygnałów telewizyjnych i radiofonicznych naziemnych. Mają to być kable co najmniej kategorii RG-6, wykonane w klasie A, z podwójnym ekranem w postaci folii aluminiowej i oplotu o gęstości co najmniej 77%. Kable koncentryczne do przesyłania sygnałów powinny mieć żyłę wewnętrzną miedzianą o średnicy co najmniej 1mm.

Wartości graniczne impedancji sprzężenia i współczynnika ekranowania kabli współosiowych wg EN 50117
Impedancja sprzężenia
Zakres częstotliwości Klasa A Klasa B
5-30MHz ≤5dB ≤15dB
Współczynnik ekranowania
Zakres częstotliwości Klasa A Klasa B
30-1000MHz 85dB 75dB
1000-2000MHz 75dB 65dB
2000-3000MHz 65dB 55dB

Zestaw antenowy powinien zapewniać pasmo przenoszenia od 87,5MHz do 108MHz, od 174MHz do 230MHz oraz od 470MHz do 862MHz przy odpowiednio równomiernych charakterystykach częstotliwościowych. Zysk kierunkowy powinien być nie mniejszy niż 14dBi dla zakresów od 174MHz do 230MHz oraz od 470MHz do 862MHz. należy stosować urządzenia o impedancji wyjściowej 75 omów.

Ponadto w instalacji należy stosować wzmacniacze, multiswitche oraz pozostały osprzęt aktywny i pasywny przeznaczony do odbioru programów telewizyjnych i radiofonicznych rozpowszechnianych w sposób rozsiewczy naziemny.

Wymagania dotyczące instalacji do sygnałów satelitarnych

Wspomniane wyżej Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 6 listopada 2012 r. o zmianie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki określa parametry kabli współosiowych stosowanych w instalacji odbioru cyfrowych programów telewizyjnych i radiofonicznych satelitarnych na takie same, jak w przypadku sygnałów naziemnych.

Anteny satelitarne paraboliczne; centralne lub offsetowe powinny mieć średnicę nie mniejszą niż 1,20m z pasmem przenoszenia od 10,7 do 12,75GHz przy odpowiednio równomiernej charakterystyce częstotliwościo­wej. Urządzenia odbiorcze powinny mieć impedancje wyjściową 75 omów i zapewnić możliwość odbioru sygnału o dwóch ortogonalnych polaryzacjach z co najmniej dwóch satelitów. Dopuszcza się przy tym zastosowanie pojedynczej anteny dwuogniskowej.

W instalacji należy stosować wzmacniacze, multiswitche oraz pozostały osprzęt aktywny i pasywny służący do odbioru programów telewizyjnych i radiofonicznych rozpowszechnianych w sposób rozsiewczy satelitarny.

Wymagane poziomy sygnałów na wyjściach gniazd abonenckich

Antenowe instalacje zbiorowe powinny być wykonywane w taki sposób, aby odpowiadały wymaganiom określonym w stosownych przepisach. Stąd też w tych instalacjach należy stosować urządzenia posiadające odpowiednie certyfikaty. Wielu wykonawców nie poświęca niestety należytej uwagi poziomom sygnałów doprowadzanych do abonenta. Poziomy wyjściowe w gniazdach abonenckich powinny mieścić się granicach określonych w poniższej tabeli.

Poziomy sygnałów na wyjściach gniazda abonenckiego
Usługa Standard Modulacja Pasmo Poziom [dBuV]
min max
Telewizja D1/PAL AM-VSB VHF/UHF 57 80*
DVB-T
COFDM
QPSK 1/2...7/8 VHF/UHF 26...35 74
16-QAM 1/2...7/8 32...45 74
64-QAM 1/2...7/8 42...54 74
Radio Mono FM VHF 40 70
Stereo FM VHF 50 70
DAB OFDM III 28 94
*) 77dBuV w przypadku ponad 20 kanałów
Uwaga: Jeżeli kanał COFDM sąsiaduje z kanałem D1/PAL, to jego poziom powinien być co najmniej 9dB niższy niż poziom fali nośnej wizji kanału D1/PAL.

Dla zapewnienia prawidłowej pracy odbiorników telewizyjnych ważne są również różnice poziomów doprowadzanych do nich sygnałów telewizyjnych. Należy podkreślić, iż maksymalne różnice poziomów na wyjściach gniazd abonenckich nie powinny przekraczać wartości określonych w poniższej tabeli.

Maksymalne różnice poziomu sygnałów na wyjściu gniazda abonenckiego
Standard Modulacja Zakres częstotliwości Różnice poziomów max [dB]
D1/PAL AM-VSB 174 MHz do 790 MHz 12
D1/PAL AM-VSB VHF 6
D1/PAL AM-VSB Kanał sąsiedni 3
DVB-T COFDM Kanał sąsiedni 3
DVB-T COFDM Kanał sąsiedni z AM-VSB 6

Poziom szumu w każdym kanale mierzony w gnieździe abonenckim powinien być taki, aby zapewniony był minimalny stosunek fali nośnej do szumu określony w poniższych tabelach.

Stosunek fali nośnej do szumu na wyjściu gniazda abonenckiego (TV)
System Modulacja C/N min [dB] Zastępcza szerokość pasma [MHz]
D1/PAL AM-VSB 44 4,75
DVB-T COFDM QPSK Sprawność kodowania Tryb 8K niezależny od pasma
1/2 12
2/3 15
3/4 17
5/6 20
7/8 23
16-QAM Sprawność kodowania Tryb 8K niezależny od pasma
1/2 18
2/3 21
3/4 23
5/6 26
7/8 28
64-QAM Sprawność kodowania Tryb 8K niezależny od pasma
1/2 23
2/3 27
3/4 29
5/6 31
7/8 33

 

Stosunek fali nośnej do szumu na wyjściu gniazda abonenckiego (radiofonia)
System Modulacja C/N min [dB] Zastępcza szerokość pasma [MHz]
Mono FM 38 0,2
Stereo FM 48 0,2

2. Dobór anten radiowych i telewizyjnych

Na początku antenowej instalacji zbiorowej jest zestaw antenowy. Jest on przeznaczony do zapewnienia możliwie najlepszego odbioru sygnałów radiowych i telewizyjnych. W zasadzie standardem jest stosowanie anten do odbioru sygnałów radiowych UKF oraz anten do odbioru sygnałów cyfrowej telewizji naziemnej DVB-T i cyfrowej telewizji satelitarnej DVB-S.

Przy wyborze anten służących do odbioru programów radiowych UKF-FM wskazane jest stosowanie się do następujących wskazówek:
- z reguły w dużych miastach ze względu na różne miejsca posadowienia licznych nadajników radiowych należy stosować antenę dookólną,
- w najbliższych okolicach miast z nadajnikami należy stosować antenę 1-elementową,
- w odległości kilkudziesięciu kilometrów od nadajników należy stosować antenę 3-elementową.

Przy wyborze anten do odbioru programów telewizyjnych należy kierować się następującymi wskazówkami:
- w pobliżu nadajników pracujących w paśmie IV i V (kanały 21-60) należy stosować anteny 8- 10,- i 12-elementowe (w tym przypadku należy jednak pamiętać, że w przypadku budownictwa wielorodzinnego przepisy określają minimalny zysk anteny niezależnie od odległości od nadajnika!),
- do odbioru programów z odległości kilkunastu kilometrów nadawanych w paśmie IV i/lub V służą anteny 13- i 16-elementowe,
- przy znacznych odległościach od nadajników (lub przy nadajnikach bardzo małej mocy nawet w odległości kilkunastu kilometrów) należy stosować w paśmie IV i V selektywne anteny 25- i 27-elementowe.

We wspomnianym wyżej rozporządzeniu mówi się, że zysk kierunkowy powinien wynosić co najmniej 14dBi. Zysk anteny wyrażony w dBi pokazuje, o ile decybeli poziom sygnału jest większy w stosunku do hipotetycznej anteny izotropowej (promiennika izotropowego). Jednak większość producentów podaje zysk anten naziemnych w stosunku do dipola półfalowego. Taki zysk energetyczny anteny wyrażony w dBd pokazuje, o ile decybeli zysk energetyczny listka głównego charakterystyki promieniowania anteny jest większy w stosunku do zysku energetycznego dipola półfalowego. Między dwiema tymi wartościami występuje następująca zależność: G[dBd] = G[dBi] - 2,15. Nawiasem mówiąc dane dotyczące zysku anten parabolicznych (w tym i offsetowych) są odnoszone do promiennika izotropowego.

Dobór poszczególnych typów anten przeznaczonych do odbioru radia i telewizji naziemnej zależy od bardzo wielu czynników, z których odległość i moc nadajnika są bardzo ważnymi, lecz nie jedynymi. Dokładny opis zasad doboru przekracza niestety ramy niniejszego opracowania.

W przypadku konieczności doprowadzenia do AIZ sygnałów cyfrowej telewizji satelitarnej należy zamontować jeszcze odpowiednie anteny satelitarne. Ich ilość zależy od wymagań dotyczących odbieranych programów. Największym powodzeniem cieszą się programy nadawane na dwóch pozycjach satelitarnych, tj. Astra i Hot Bird. W celu zapewnienia dobrego i niezawodnego odbioru należałoby zastosować dwie anteny, których średnica według przepisów powinna być nie mniejsza niż 1,20, zaś pasmo przenoszenia powinno obejmować częstotliwości od 10,7 do 12,75GHz. Często jednak ze względów ekonomicznych stosuje się jedną antenę z dwoma konwerterami pracującymi w układzie zeza.

Zastosowanie odpowiednich anten dostosowanych do odbieranych sygnałów radiofonicznych i telewizyjnych, to jest o odpowiednim zysku energetycznym, kierunkowości i polaryzacji powinno zapewnić na wejściu stacji głównej poziomy sygnałów określone w przepisach.

W przypadku radiofonii VHF-FM minimalny poziom sygnału powinien wynosić 56dBuV. Stosunek sygnału VHF-FM od zakłóceń sinusoidalnych i impulsowych na wejściu stacji głównej powinien wynosić co najmniej 50dB.

W przypadku radiofonii T-DAB nadawanej w paśmie III VHF minimalna wartość poziomu powinna wynosić 28dBuV dla współczynnika BER=10-4 i sprawności kodowania 1/2.

W przypadku naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T minimalny poziom sygnału dla pasm IV/V do odbioru stacjonarnego w kanałach szerokości 8MHz podano powyżej. Dla zakresu III te wartości należy zmniejszyć o 0,6dB. Te wartosci obowiązują dla BER odniesienia wynoszącego 2x10-4 po dekoderze Viterbiego, co odpowiada współczynnikowi BER=10-11 po dekoderze Reed'a-Solomona. Taki współczynnnik oznacza jeden nieskorygowany błąd na godzinę.

Stosunek sygnału w.cz. do szumu i minimalny poziom sygnału
Modulacja Sprawność kodowania R C/N [dB] Poziom sygnału min [dBμV]
QPSK 1/2 6,1 17,1
2/3 8,2 19,8
3/4 9,3 20,9
5/6 10,5 22,1
7/8 11,3 22,9
16-QAM 1/2 12,2 23,8
2/3 14,2 25,8
3/4 15,6 27,2
5/6 17,1 28,7
7/8 17,7 29,3
64-QAM 1/2 17,4 29,0
2/3 20,0 31,6
3/4 21,6 33,2
5/6 23,2 34,9
7/8 24,5 36,1

3. Stacja główna AIZ

Do obróbki sygnałów antenowych służy specjalny zestaw urządzeń zwany stacją główną AIZ. W jego skład wchodzą przemienniki kanałowe, wzmacniacze kanałowe telewizyjne, wzmacniacze radiowe UKF oraz oczywiście zasilacz. Zadaniem tych urządzeń jest wzmocnienie zbyt słabych sygnałów oraz osłabienie sygnałów zbyt mocnych w celu wyrównania poziomów poszczególnych kanałów. W przypadku instalacji rozległych oraz pracujących w pobliżu silnych nadajników często zachodzi potrzeba stosowania przemienników kanałowych. Chodzi o to, żeby sygnały wnikające bezpośrednio z nadajników nie nakładały się na sygnały przesyłane ze stacji czołowej i nie zakłócały wzajemnie. Obecnie produkowane przemienniki kanałowe są przeznaczone do odbioru stacji naziemnych w dowolnym kanale i przemiany na dowolny kanał poprzez częstotliwość pośrednią. Przemiennik taki często posiada układ automatycznej regulacji wzmocnienia, co uniezależnia instalację od zmian warunków propagacji.

Rozwiązaniem tańszym jest stosowanie bezpośredniego wzmacniania i przesyłania kanałów telewizyjnych. Ten typ pracy nie jest wskazany w najbliższym sąsiedztwie nadajników telewizyjnych, gdzie sygnał może wnikać bezpośrednio do sieci oraz w przypadku konieczności precyzyjnego filtrowania sygnałów. Przeszkodą może być również stosowanie przewodów współosiowych o zbyt małym współczynniku ekranowania, co może dotyczyć bardzo starych instalacji. Od wielu lat są jednak dostępne dobre kable koncentryczne, więc ten problem możemy pominąć w naszych rozważaniach.

W przypadku bezpośredniego przesyłania (bez przemiany) programów nadawanych w paśmie UHF (kanały 21..60) koniecznie należy stosować w instalacji abonenckiej nowoczesny osprzęt pracujący w zakresie częstotliwości do 860MHz. Nie nadają się do tego stare antenowe instalacje zbiorowe, tzw. AZARTy. Tak zarówno kable koncentryczne, jak i cały osprzęt bierny były przeznaczone do pracy w zakresie częstotliwości do 230MHz.

W najnowszych stacjach w grę wchodzą również urządzenia do obróbki i przesyłania sygnałów satelitarnych. W tym przypadku możliwe są dwa rozwiązania problemu. Po pierwsze stosuje sie urządzenia analogiczne do stacji czołowych telewizji kablowej. Sygnały satelitarne są odbierane, demodulowane do pasma podstawowego i następnie za pomocą modulatorów przekształcane w klasyczny sygnał telewizji naziemnej. Na wyjściu stacji czołowej te sygnały są sumowane z odebranymi za pomocą anten sygnałami telewizji naziemnej. Dalej te zsumowane sygnały są rozprowadzane do abonentów. Drugą metodą jest przesyłanie sygnałów pierwszej częstotliwości pośredniej. W tym przypadku stosuje się technikę multiswitchową. Każdy podłączony do instalacji tuner satelitarny pracuje tak, jakby miał własną antenę satelitarną. Ten temat został ujęty bliżej w oddzielnych opracowaniach poświęconych stacjom czołowym i multiswitchom w AIZ.

4. Systemy rozdziału sygnałów radiowych i telewizyjnych

Trzecią częścią antenowej instalacji zbiorowej jest sieć rozprowadzająca. Wśród powszechnie stosowanych systemów rozdziału sygnałów do abonenta można wyróżnić trzy podstawowe. Są to instalacje szeregowe, odgałęźne i gwiaździste. Z tych trzech systemów podstawowych często tworzy się systemy mieszane.

System szeregowy jest obecnie uznawany za przestarzały i nie zaleca się jego stosowania. Podstawową wadą takiego systemu jest fakt, że w przypadku ingerencji przez osoby niepowołane uszkodzeniu może ulec znaczna część instalacji. Wyobraźmy sobie fakt, że jeden z początkowych abonentów uszkadza swoje gniazdko lub przecina kabel. Wszyscy pozostali w ogóle nie otrzymają sygnału. Jednak takie uszkodzenie jest stosunkowo łatwe do wykrycia. Zupełnie inaczej przestawia się sytuacja, gdy abonenci wstawiają samowolnie dodatkowe gniazdka. Powoduje to zachwianie bilansu mocy i abonenci na końcu linii otrzymują sygnał o zbyt niskim poziomie. Lokalizacja takich ingerencji jest bardzo trudna.

System szeregowy (mieszany) może być jednak stosowany z powodzeniem w systemach mieszanych, gdy instaluje się kilka gniazdek abonenckich w jednym mieszkaniu. W szachtach klatek schodowych montuje się wówczas piony odgałęźnikowe, zaś w poszczególnych mieszkaniach gniazdka instalowane są szeregowo.

Znacznie nowocześniejszym i praktyczniejszym systemem od sieci szeregowej jest instalacja odgałęźna. Z pionu odgałęźnikowego umieszczonego w szachcie elektrycznej prowadzi się sygnały do każdego mieszkania oddzielnie. Na każdej kondygnacji jest bowiem umieszczony odgałęźnik z ilością wyjść odpowiadającą ilości mieszkań (na przykład 2- i 3-krotne). Z wyjść odgałęźnych poszczególnych odgałęźników sygnał jest doprowadzany bezpośrednio do gniazd abonenckich w mieszkaniach.

W tym przypadku nawet całkowite zniszczenie gniazda nie powoduje jakichkolwiek komplikacji dla innych abonentów. Ponadto w przypadku konieczności łatwo można odłączyć danego abonenta lub doprowadzić do niego tylko określone sygnały a inne odfiltrować.Pod warunkiem oczywiście, że szachta jest odpowiednio zabezpieczona i abonent sam nie wyrzuci filtru.

W systemie gwiaździstym sygnały są doprowadzane do poszczególnych mieszkań oddzielnymi kablami, podobnie jak w systemie odgałęźnym. Różnica polega na tym, że sygnał jest rozdzielany w jednym centralnym punkcie i stąd rozprowadzany do mieszkań. Dzięki temu łatwiejsza jest ochrona urządzeń rozdzielających sygnał przed niepożądaną ingerencją. Jest to system dający największe możliwości, lecz niestety i najdroższy.

Ze względu na niezawodność instalacji, możliwość ewentualnej filtracji pakietów programowych z całą stanowczością należy zalecić wykonywanie instalacji typu odgałęźnego i gwiaździstego.

W celu spełnienia wszystkich wymagań należy stosować przewody współosiowe w podwójnym lub nawet w potrójnym ekranie. Zapewniają one dobry współczynnik ekranowania, co zapobiega wnikaniu zakłóceń do sieci oraz ogranicza promieniowanie sieci do niezbędnego minimum. Stare przewody w pojedynczym ekranie nie spełniają obu tych wymagań. Równocześnie należy zdecydowanie podkreślić, że przewody współosiowe stosowane w instalacjach służących do przesyłania sygnałów w pasmach IV/V powinny cechować się dobrymi parametrami tłumieniowymi. Polecenia wymagają przewody ze spienionym dielektrykiem średnicy 6-7mm.

W antenowych instalacjach odgałęźnych należy stosować gniazda końcowe wykonywane specjalnie do tego typu instalacji. Nie należy tutaj stosować gniazd końcowych przeznaczonych do instalacji typu szeregowego. Będą one co prawda pracowały poprawnie, lecz ich tłumienie jest znacznie wyższe. To powoduje niepotrzebne straty sygnału, które trzeba kompensować dodatkowymi wzmacniaczami, co w efekcie końcowym podnosi oczywiście koszty instalacji.

Autor: Aleksy Kordiukiewicz