В.3. Структура учебного пособия 4 страница

· расчет DVB дистрибутивных сетей (базовые аспекты начального распределения, централизованное/децентрализованное формирование сигнала COFDM, выбор типа цифровой оптической сети – PDH/SDH/ATM/IP и др., вопросы временной синхронизации, контроль и мониторинг сети и т.п.);

· расчет зон покрытия и совместимость сетей (включая аналоговое вещание) с учетом предоставляемых сервисных услуг и условий приема;

· расчет передающей антенной системы (возможность / невозможность работы на общую антенну с аналоговым вещанием, антенная развязка и фильтрация, канальное и диапазонное сложение мощностей, многоканальное распределение, интермодуляция, мощностные потери, диаграмма направленности и коэффициент усиления передающей антенны и т.п.);

· собственно сетевое планирование (коллективный и индивидуальный прием, расчет теневых зон и зон интерференции, перераспределение скоростей цифровых потоков на локальных ретрансляторах и т.п.).

Сразу отметим, что грамотное сетевое планирование оптимальных и экономичных DVB-T/H сетей (как правило, они все работают в режиме SFN с предоставлением целого набора сервисных услуг) много сложнее, чем традиционных DVB-Т сетей, и под силу только высококвалифицированным специалистам широкого профиля (необходимы глубокие знания, как в области цифровых технологий, так и высокочастотной аналоговой техники, в части приемно-передающих устройств).

Одной из основных причин внедрения цифрового вещания является тот факт, что аналоговый сигнал по мере его распространения по любой среде претерпевает существенные искажения, не восстановимые на приемной стороне. Одним из таких значимых значений, характеризующих качество сигнала, является отношение несущая/шум (current/noise) – C/N (рис.3.3).

Для цифрового же сигнала характерна та особенность, что его качество остается неизменным при снижении уровня входного сигнала (что эквивалентно понижению C/N) до некоторого минимального значения, именуемого порогом (пороговым значением по тому или иному критерию). Однако следует заметить (на что крайне редко обращают внимание в литературе), что сам исходный сигнал в аналоговом виде более высокого качества в сравнении с цифровым, что понятно из самого физического смысла.

R, км

цифра

аналог

C/N, дБ

Рис.3.3. Зависимость величины отношения несущая/шум (C/N) от дальности

 

Но это различие не велико как по объективным, так и по субъективным показателям.

При переходе на цифровое эфирное вещание (стандарт DVB-T) одновременно преследовались и другие цели. Важным вопросом внедрения стандарта DVB-T является возможность снижения мощности передатчика. Действительно, за счет значительно меньшего минимально допустимого C/N_min (рис.3.4) в сравнении с аналоговым вещанием (C/N_min≥43 дБ), возможна подача на вход STB значительно меньшего уровня входного сигнала (типовое значение 12…18 дБмкВ), что равносильно возможности снижения мощности передатчика.

 

Полоса канала (7, 61 МГц)   ЦИФРА

3,6

A, дБмкВ

Полоса канала (5, 75 МГц)   АНАЛОГ

2,4

A, дБмкВ

C/Nmin=3,6…27,6 дБ Umin≥10…24 дБмкВ

C/Nmin=43 дБ Umin≥48…56 дБмкВ

Рис.3.4. Сравнение цифрового и аналогового вещания

 

Следующим важным моментом при переходе на цифровое вещание явилась задача обеспечения максимальной помехоустойчивости. При трансляции аналоговых TV сигналов по эфиру, на качество приема помимо атмосферных и индустриальных помех сильно влияют переотраженные радиоволны (рис. 3.5) и помехи от других радиопередатчиков, работающих в этом же частотном диапазоне в соседних местностях. Стандарт DVB-T допускает отношение сигнал/помеха до 6…12 дБ, что является очень большим достижением.

Очень важным моментом при построении систем на основе стандарта DVB-T является точное и правильное определение зоны покрытия, особенно для сетей SFN. Кроме того, одним из наиважнейших условий правильного выбора передатчика является правильный выбор его выходной (излучаемой) мощности (определяет ценовую политику), обеспечивающей зону покрытия. Расчет зоны покрытия является весьма трудоемкой операцией, доступной только специально подготовленным специалистам, и только при наличии специального программного обеспечения.

 

Телецентр

Прямой сигнал

Сигнал бокового отражения

Антенный пост

Сигнал заднего отражения

Рис.3.5. Условия распространения радиоволн, влияющие на качество приема

 

3.3. Условия определения зоны покрытия

 

Каждому оператору, приступающему к планированию своей сети, необходимо ответить на вопрос: какова должна быть аудитория (зона обслуживания) его телецентра. Зоной покрытия (обслуживания) принято называть территорию вокруг передающего центра, на границе которой гарантируется прием с заданным качеством. Понятие «гарантируется» весьма условно, поскольку в действительности качество приема зависит от целого ряда факторов: технических характеристик приемной установки, характера местности, условия застройки в месте приема, времени суток и года, погодных условий и т.д. Кроме того, при определении зоны покрытия принято считать, что диаграмма направленности передающей антенны имеет форму окружности, тогда как допустимая нормативами неравномерность реальной диаграммы в азимутальной плоскости может достигать 3 дБ, что эквивалентно изменению излучаемой мощности вдвое и, соответственно, приводит к искажению идеального вида диаграммы.

Границу зоны обслуживания определяют как геометрическое место точек, в которых значение напряженности поля равны нормируемым значениям в течение 50% времени в 50% мест приема. Такие значения определяют расчетным путем исходя из принятых технических характеристик приемных установок с учетом помеховой обстановки. Радиус зоны покрытия, т.е. расстояние от передающего телецентра до приемной установки, на которой можно обеспечить приведенные выше значения напряженности поля, определяют по так называемым кривым распространения, приведенным в Рекомендации Международного Союза Электросвязи (Recommendation ITU-R P.1546-1). Пример семейства кривых (ландшафт, f =600 МГц) Е=f(R) представлен на рис.3.6.

Кривые распространения обобщают результаты многочисленных полевых измерений, выполненных в Европе и Северной Америке. Они построены для разных диапазонов (от 100 МГц до 2000 МГц) и при разных высотах подвеса передающих антенн (от 10 м до 1200 м). Рекомендации по пользованию такими экспериментальными кривыми представлены в ETSI TR 101 190 v.1.2.1 (2004-11) для систем построенных по стандарту DVB-T и в ETSI TR 102 377 v.1.2.1 (2005-11) для DVB-H систем.

При построении кривых принято, что мощность, излучаемая передатчиком, составляет 1 кВт, а коэффициент усиления передающей антенны составляет 0 дБ (полуволновой диполь). Высота установки приемной антенны для всех случаев принята h =10 м. Чтобы вычислить, какую напряженность создаст конкретный передатчик на заданном расстоянии, нужно по кривой распространения для реальной высоты подъема передающей антенны определить значение напряженности поля и прибавить (алгебраически) значение эффективно излучаемой мощности (в дБ относительно кВт).

Так, например, исходя из условий приема требуемое значение напряженности поля составляет 40 дБмкВ/м. Необходимо рассчитать минимальную гарантированную выходную мощность передатчика при коэффициенте усиления передающей антенны в 8 дБ и высоте ее подвеса в 75 м. Потери в питающем фидере составляют 1 дБ.

Пользуясь кривыми рис.3.6 находим, что напряженности поля в 40 дБмкВ/м соответствует радиус покрытия в 38 км. Мощность передатчика определяется как: Р[дБкВт] = -8 + 1 = -7 дБкВт, что эквивалентно выходной мощности передатчика в 200 Вт (0,2 кВт). Заметим, что при увеличении выходной мощности до 2 кВт (т.е. на 10 дБ), эквивалентная (но не фактическая, которая увеличивается пропорционально увеличению мощности передатчика) напряженность поля составит 30 дБмкВ/м, что эквивалентно увеличению радиуса зоны покрытия до 76 км (т.е. в два раза в сравнении с исходным значением), а мощность передатчика должна составлять уже 22 кВт (вместо 200 Вт).

Расстояние, км

Кривые распространения

F (50, 50), суша, 600 МГц

H=10м

H=20м

H=37,5м

H=75м

Н=150м

Н=1200м

Н=600м

Н=300м

Свободное пространство

Рис.4.6. Семейство кривых для определения зоны покрытия (ландшафт, f =600 МГц)

 

Исходя из рис.3.6 можно заметить, что при увеличении высоты подвеса передающей антенны до 300 м, для радиуса покрытия в 80 км потребуется мощность передатчика всего в 2 кВт.

Для автомобиля высота установки приемной антенны составит 1-2 м, что необходимо аппроксимировать на рис.3.6 (пунктир). Тогда зона покрытия при требуемом значении напряженности поля 40 дБмкВ/м составит 20 км, что мало для Казани. Однако следует учесть, что мощность цифрового передатчика в Казани 5 кВт, что приведет к увеличению напряженности поля и увеличит зону покрытия до 30 км, что достаточно для Казани. Очевидно, что условия приема в заданной точке определяются напряженностью электрического поля.

 

3.4. Напряженность электрического поля

 

В свободном пространстве, однородной непоглощающей среде с ε = 1, радиоволны распространяются прямолинейно, ослабляясь с увеличением расстояния. Действующее значение напряженности электромагнитного поля (E_д) в мВ/м определяется уравнением:

 

,

 

где: Р_пер – мощность передатчика, кВт;

G_пер – коэффициент усиления передающей антенны в направлении точки приема относительно полуволнового вибратора;

R – расстояние между передающим и приемным пунктами, км.

Для удобства расчетов напряженность поля иногда выражается в децибелах по отношению к напряженности поля, равной 1 мкВ/м и обозначается дБ·мкВ/м или дБмкВ/м:

 

 

Именно эта формула использована при построении кривой апряженности поля рис.3.6 для свободного пространства (Н → ∞).

Общей особенностью для метровых и дециметровых волн является то, что они распространяются, в основном, в пределах прямой видимости. Напряженность поля убывает с увеличением расстояния от передающей антенны. У границы зоны прямой видимости возникают колебания уровня напряженности поля из-за огибания поверхности земли (явление дифракции) и искривленные траектории за счет преломления в атмосфере (явление рефракции). Ввиду отражения от поверхности земли и преломления, обусловленного неоднородным строением атмосферы, в точку приема приходят две или более волн со случайными фазами и амплитудами. На распространение волн также влияют метеорологические условия (температура, влажность, давление и т.д.), рельеф местности и многое другое. Оптическая дальность TV станции определяется радиусом Земли (рис.3.7):

 

 

где H и h – высоты передающей и приемной антенн соответственно, м.

 

Радиус земли

Зона полутени

Зона тени

R

h

«Освещенная» зона

H

Рис.3.7. Оптическая дальность TV станции

Радиовидимость несколько больше оптической из-за частичной дифракции и слабой рефракции в нижних слоях атмосферы увеличивается примерно на 15%. С учетом этого радиовидимость вычисляется как:

 

.

 

На рис.3.8 представлены обе зависимости дальности от высоты подъема передающей антенны.

 

H, м

R, км

Радиовидимость

Прямая видимость

h =10 м

Рис.3.8. Прямая (оптическая) и радио видимость как функция высоты антенн

3.5. Распространение радиоволн

 

В реальных условиях напряженность поля Е зависит от многих факторов и нестабильна как во времени, так и по месту, особенно на больших расстояниях. Поэтому поле характеризуется средним уровнем, называемым медианным Е_мед. Это уровень, превышаемый в 50% времени приема (рис.3.9).

 

E 0,9

E мед

E 0,1

E

t 1

t 2

t 5

t 3

t 4

t 6

t 8

t 7

T

Рис.3.9. Напряженность поля

 

Характеризуя средний уровень принимаемого сигнала, медианный не отражает уровня его отклонения от среднего значения, т.е. глубины замирания или превышения.

Два сигнала с одинаковым медианным уровнем могут претерпевать разные отклонения. Кроме медианного используют также значения уровней, превышающих в течение другого, заданного времени приема Т в процентах.

Быстрые случайные изменения поля длительностью от минут до долей секунд обусловлены интерференционными явлениями и подчиняются закону распределения Рэлея. Медленные изменения поля обусловлены изменяющимися метеорологическими условиями и подчиняются логарифмически нормальному закону. Отклонения уровней обычно выражают в децибелах относительно медианного, которое принимают за 0 дБ (рис. 3.10).

По функции распределения уровней можно определить время, в течение которого уровень принимаемого сигнала будет отличаться от медианного на заданное значение и наоборот. Уровень сигнала зависит также от местных условий приема, изменяясь от точки к точке. Эти условия оговариваются процентом мест L, в которых напряженность поля превышает указанный уровень и обозначается как Е (L) (L - locations). Распределение E (L) подчиняется нормальному логарифмическому закону (рис.3.11).

-30

-20

-10

E, дБ

90,9

t, %

Быстрые изменения

Медленные изменения

Рис.3.10. Отклонение уровня напряженности поля

 

 

-30

-40

-20

-10

t, %

E, дБ

∆h=50

IV-V

I-III

Рис.3.11. Распределение напряженности поля

 

 

Под путем распространения радиоволны понимают поверхность, относительно которой распространяется радиоволна (суша или водная поверхность). От пути распространения радиоволны в значительной степени зависит напряженность поля Е. Именно в силу этого в ITU- R P.1546-1 приводится множество кривых (вода, суша, на разных частотах и при разных вероятностях приема).

На практике наиболее часто встречается смешанный вид распространения радиоволн (суша в сочетании с реками, озерами и т.п.). В тех же Recommendation ITU-R P.1546-1 даются рекомендации по расчету напряженности поля Е для смешанного типа распространения радиоволны.

 

 

ГЛАВА 4.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИСТЕМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩАНИЯ DVB-Т

4.1. Поляризация волны

4.2. Рабочая длина волны

4.3. Зона приема

4.4. Холмистость местности

4.5. Высота подъема передающей и приемной антенн

4.6. Потери в питающем фидере

4.7. Защитное отношение

4.8. Результаты расчетов

4.1. Поляризация волны

 

В диапазонах МВ и ДМВ в подавляющем большинстве используется линейная, а не круговая поляризация волны, что вызвано удобством ее формирования и приема с учетом физических размеров. Тип используемой поляризации влияет на качество телевизионного сигнала при наличии переотраженных сигналов. Точный характер поля в условиях отраженных сигналов учесть невозможно, хотя можно предвидеть его наличие. Его определяют путем измерения и обследования условий приема. На распространение же радиоволны определенным образом влияет вид используемой поляризации волны. Поля, создаваемые промышленными устройствами, зажиганием автомашин, а также отражением от вертикальных стен зданий, деревьев и других вертикальных поверхностей, имеют вертикальную поляризацию волны. Поэтому для ослабления помех в ТВ вещании используют горизонтально поляризованные волны.

При аналоговом вещании, при работе в соседних каналах используют разные поляризации волн (радиоволн) – для одной горизонтальную, а для другой – вертикальную. Аналогичное решение принимают и для ослабления взаимных помех между двумя передающими центрами, работающими на совмещенных каналах (т.е. при наличии частично перекрываемых зон вещания).

При распространении радиоволн с разными поляризациями, величина напряженности поля меняется незначительно (не более ±1 дБ даже на значительных расстояниях) и в расчетах не учитывается.

 

4.2. Рабочая длина волны

 

Очевидно, что длина волны играет важное значение в определении радиуса зоны охвата покрытия. Если аналоговое вещание большей частью ведется в диапазонах МВ (в мегаполисах – в диапазоне ДМВ из-за более свободного частотного ресурса), то DVB вещание преимущественно осуществляют в диапазонах ДМВ из-за большей дальности радиосвязи. Действительно, более коротким длинам волн свойственна б о льшая особенность явления дифракции и меньший коэффициент потерь на распространение. Так, например, на средних и больших расстояниях хорошо работает формула Б.А. Веденского:

 

,

 

из которой собственно следует, что с повышением частоты (т.е. с уменьшением длины волны λ) напряженность ЭМП Е увеличивается.

Необходимо также учесть тот факт, что коэффициент усиления приемной антенны пропорционален частоте. Так, если на частоте 200 МГц коэффициент усиления антенны G составляет 8…10 дБ (типовое значение), то на частоте 800 МГц – порядка 14…16 дБ (также типовое значение).

Значительно более точная формула по расчету напряженности поля получена специалистом в области радиоприемных устройств С.Н. Песковым:

 

 

Данная формула имеет расхождение с Рекомендациями ITU-R Р.1546-1 не более ±2 дБ в наихудших точках и может быть использована для любых частот, что создает ее неоспоримые преимущества при проведении расчетов.

 

4.3. Зона приема

 

Рассмотрение распространения радиоволн следует проводить в ближней зоне (до 10 км), средней зоне (до 16 км) и дальней зоне (свыше 16 км), что оговорено рекомендациями ряда международных организаций. Так, например, ближняя зона приема характеризуется большой неравномерностью поля в виде периодических максимумов и минимумов, обусловленных интерференцией в точке приема между прямой и отраженной от поверхности Земли радиоволной (лучом). Разность фаз между лучами определяется разностью их хода (рис.4.1).

O

A

C

R

B

Рис.4.1. Разность фаз между лучами

 

При малых углах скольжения луча g и для практически любой поверхности Земли, особенно при горизонтальных поляризованных волнах, коэффициент отражения луча К_отр =1 (без потерь) и угол сужения фазы луча θ ≈ 180°, а коэффициент ослабления:

 

 

Из формулы следует, что по мере увеличения R множитель ослабления, а следовательно, и напряженность поля приобретает ряд максимумов и минимумов, расстояние до которых, км:

 

,

 

где m = 1, 2, 4, …

Первый максимум удален на расстояние R _{1 max} = 4 Hh/λ, а на больших расстояниях поле монотонно убывает. При отражении от Земли возникают потери, зависящие от угла скольжения волн. Непостоянен и угол потери фазы θ. Вследствие этого коэффициент ослабления 0< F <2, что снижает реальную неравномерность поля (рис.4.2).

В зоне прямой видимости (R>R _{1 max} ) разность хода прямого и отраженного лучей и разность их фаз быстро уменьшаются, приближаясь к нулю, причем последняя начинает определяться изменением фазы луча при отражении от Земли и приближается к 180°. Амплитуды сигналов отраженного луча приближаются к амплитуде сигнала прямого луча. На расстояниях, превышающих 4,5 R _{1 max} , угол потери фазы θ <20°. В этой области действующая напряженность поля, дБ, рассчитывается по формуле С.Н. Пескова.

 

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

0,4

0,8

0,1

0,2

0,6

1,0

2,0

3,0

R, км

E, B

 

Рис.4.2. Неравномерность поля

 

4.4. Холмистость местности

 

В диапазонах ДМВ (наиболее предпочтительный диапазон для DVB вещания) множитель ослабления поля зависит от холмистости местности D_h (рис.4.3), равной разности высот, превышающих соответственно на 10 и 90% длины трассы в пределах 10…50 км от передатчика. Напряженность поля обозначают Е(T, L), где вместо Т (время) и L (местность) записывают соответствующие значения процентов или доли, части.