В.3. Структура учебного пособия 5 страница

h

r, км

r, км

l₁

l₂

l₃

l₄

L

∆h

a)

h₁

l₁

l₂

l₃

l₄

б)

Рис. 4.3. Зависимость множителя ослабления поля от холмистости местности

В зарубежной литературе записывают как F(L,T). F – Field (поле). Например: F(50,50). По российским условиям оценку ведут 50/50 (см. рис.5.4).

4.5. Высота подъема передающей и приемной антенн

Высота подъема передающей антенны прежде всего связана с зоной радиовидимости (см. п. 3.4). Отметим, что правильный расчет эффективной высоты подъема передающей антенны (h_eff, см. рис.4.4) играет очень важную роль при расчете зоны покрытия, а она зависит как от физической высоты установки над уровнем моря (h_n), так и от усредненной высоты местности в зоне приема (h_m), т.е.

h_n

h_eff

d/15

d [км]

d

d≥15

d<15

h_m

Рис. 4.4. Расчет эффективной высоты подъема передающей антенны

При этом усредненная высота местности рассчитывается по множеству точек, как среднеарифметическое значение, т.е.

Рекомендуемое число точек отсчета – не менее 140 (!).

Именно от высоты установки передающей антенны в значительной степени зависит напряженность электромагнитного поля, что хорошо можно видеть из рис.4.4. Из модифицированной формулы, полученной Песковым С.Н., наглядно видно, что увеличение высоты подъема приемной антенны h эквивалентно увеличению зоны покрытия при фиксированной мощности передатчика. Из формулы можно заметить, что больший эффект все-таки вносит высота подвеса передающей антенны Н за счет множителя H/h.

4.6. Потери в питающем фидере

Потери в подводящем питающем кабеле a_к (рис. 4.5) необходимо учитывать при составлении общего энергетического бюджета линии. Дело в том, что складывается несколько парадоксальная дилемма. Для увеличения зоны покрытия TV вещанием, необходимо всячески стремиться установить передающую антенну как можно выше, что явно следует из ранее приведенных графических зависимостей Е = f(R), а также из самого физического смысла.

Но с увеличением длины подводящего кабеля l_к, пропорционально увеличиваются и его потери a_к:

Таким образом, с увеличением высоты установки антенны, дальность действия передатчика снижается (рис. 4.6). Такой простейший вывод следует из условия распространения радиоволн в свободном пространстве, т.е. там, где выполняется условие линейного распространения:

Реальное же распространение радиоволн отличается от линейного закона. С увеличением эффективной высоты установки антенны реальная дальность приема увеличивается (рис. 4.7). Таким образом, реальная кривая радиуса охвата имеет некоторый пологий экстремум (рис. 4.8), нахождение ко которого в каждом конкретном случае (необходимо учитывать еще множество факторов) возможно только с использованием специализированных расчетных программ (необходимо просчитывать сотни точек). С точки зрения экономической целесообразности (критерий отношения дальность/цена), удобно работать в точке 0,8 относительно экстремального значения.

TV передатчик

P_вых

(I_K)

P_пер

A

Рис. 4.5. Потери в подводящем питающем кабеле

км R_б

H, м

Рис. 4.6. Зависимость дальности действия передатчика от высоты установки антенны

км R_ф

H, м

Рис. 4.7. Зависимость реальная дальности приема

от эффективной высоты установки антенны

км R

H, м

R

0,8

Рис. 4.8. Реальная кривая радиуса охвата

Следует также добавить два важных момента:

· С экономической точки зрения выгоднее устанавливать несколько маломощных передатчиков, чем один дорогостоящий мощный передатчик. При этом дополнительно снижается и площадь теневых зон.

· Всегда следует располагать выходной усилитель мощности как можно ближе к передающей антенне. Этому факту также способствует использование нескольких маломощных передатчиков (устанавливаемых на уже имеющихся вышках до 40…60 м) вместо одного мощного передатчика, размещаемого на дорогостоящей вышке (свыше 120 м).

Такие утверждения справедливы только для цифрового вещания (DVB), в силу высокой помехозащищенности самого заложенного принципа приема COFDM многочастотных сигналов. Для аналогового же вещания эти утверждения следует читать с точностью до наоборот.

4.7. Защитное отношение

Под защитным отношением при приеме TV сигналов понимают отношение несущая/шум – C/N (рис.4.9), необходимое для нормальной работы приемного устройства (например, телевизор или STB). Минимально допустимое отношение C/N часто именуется пороговым значением.

дБ

Полезный сигнал

Шум

∆

Рис. 4.9. Отношение несущая/шум – C/N

Например, в табл.2 приведены пороговые значения для C/N при приеме сигналов DVB-T. Типовым значением для проведения расчетов принято значение C/N = 18 дБ. Напомним, что при приеме аналоговых сигналов C/N_min = 43 дБ, в силу чего “дальнобойность” DVB передатчиков несколько больше в сравнении с аналоговыми.

С учетом минимального значения C/N_min, может быть записано выражение для минимально допустимой напряженности поля, через значение которой и ведут расчет зоны покрытия:

Выражение записано для STB со значением коэффициента шума F (потери кабеля снижения на частоте f от антенны с коэффициентом усиления G_a должны быть суммированы со значением коэффициента шума F) для диапазона ДМВ и фиксированной частоты величиной 600 МГц. Тем не менее, с погрешностью не более 2,5 дБ оно справедливо для всего диапазона ДМВ. Для проведения расчетов в любой точке частотного диапазона более удобно пользоваться формулой, полученной к.т.н. С.Н. Песковым

где Т_А – шумовая температура приемной антенны, определяемая по формуле:

Здесь: Т_О = 273°С – нормальная температура, соответствующая 0°С;

Т – температура атмосферы в градусах Цельсия (нормой к расчету считается Т = 20°С;

f – частота несущей изображения для аналоговых каналов или центральная частота канала для DVB вещания, МГц.

Шумовая температура антенны Т_А – условное понятие. Собственно шумит не сама антенна. Шумит эфир, в результате чего на выходе антенны формируется шумовое напряжение U_Ш.

Так, согласно полученного выражения на канале R1 (47,75 МГц) Т_А = 14724°К, а на ТВК51 (711,25 МГц) Т_А = 292°К.

В формуле F – коэффициент шума приемного устройства (STB). Напомним, что если между приемной антенной и STB с коэффициентом шума F_STB используется кабель снижения с потерями a_[дБ] на частоте f, то суммарный коэффициент шума F определяется по формуле:

Так, для F = 5 дБ, П = 7,61 МГц (стандарт DVB-T), T_A = 292°К, C/N_min = 18 дБ (см. табл. 4.1) и коэффициента усиления приемной антенны G_A = 14 дБ, требуемое значение минимальной напряженности поля составит E_min = 36,1 дБмкВ/м, что эквивалентно радиусу покрытия в 32 км при использовании передатчика в 200 Вт с коэффициентом усиления передающей антенны 7 дБ и высотой ее подъема 40 м.

4.8. Результаты расчетов

Из выше изложенного видно, что факторов, влияющих на радиус зоны покрытия, достаточно много, что требует использования машинных методов расчета. В конечном виде все расчетные значения заносятся в бюджетную таблицу. Для сравнительного анализа разных видов вещания при разных условиях приема составлена бюджетная табл. 4.1.

Большей частью цифровое наземное вещание (DVB-T) ориентировано на фиксированный прием, при котором используются эффективные антенны направленного типа. Зоны покрытия большей частью рассчитываются именно на фиксированный прием. Тем не менее, особенность DVB-T стандарта предусматривает великолепную возможность и мобильного приема при наличии значительных переотражений.

Мобильный прием, в отличие от фиксированного, характеризуется следующими особенностями:

· отсутствием направленности и усиления приемной антенны (G_a≤0);

· малым потерям в фидере (кабеле снижения от пристраиваемой set-top приемной антенны или без потерь для встроенной антенны);

· как правило, прием осуществляется на значительно более низких высотах в сравнении с фиксированным приемом;

Таблица 4.1. Бюджетная таблица

ИСХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Вид вещания	Аналог	DVB-T	DVB-H
Вид приема	Коллективный	Индивидуальный
Вид приемного устройства	Телевизор	Set-Top-Box	Мобильное устройство
Полоса канала П, МГц
Эквивалентная шумовая полоса П_Ш, МГц	5,75	7,61
Коэффициент шума приемника F, дБ			2,5
Коэфф. усиления приемной антенны G_a, дБ				-5
Требуемое C/N_min, дБ			4,9
Высота установки передающей антенны Н, м
Высота установки приемной антенны h, м
Частота, МГц	711,25
Температура окружающей среды Т, °С
Коэффициент шума мачтового усилителя F_пр, дБ	2,5	-	-
Коэффициент усиления мачтового усилителя К_ном, дБ		-	-
Длина кабеля снижения, м			-
Погонные потери кабеля снижения α_к, дБ	18,6	21,5	-
Коэффициент усиления передающей антенны, дБ
Потери в подводящем кабеле, дБ	1,2
Эффективно излучаемая мощность передатчика, Вт
Вероятность приема	F(50,50)
Поверхность	Ландшафт, суша
РАСЧЕТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ
Шумовая температура приемной антенны Т_А, °К	292,2	291,6
Шумовая мощность приемной системы, дБВт	-133,1	-132,4	-128,2	-130,1
Минимально допустимая входная мощность приемника, дБВт	-85,1	-119,9	-115,7	-124,5
Эквивалентный коэффициент шума приемной системы, дБ	3,24	2,79	6,97
Дальность радиовидимости R_М, км	61,1	47,9	44,9
Минимально допустимый уровень сигнала на выходе антенны, дБмкВ	53,6	24,4	28,6	13,5
Минимально допустимая напряженность поля в точке приема, дБмкВ/м	61,1	33,9	46,1
Требуемая выходная мощность передатчика, Вт
Радиус зоны покрытия R, км	25,1		19,8

· прием может осуществляться как внутри дома, так и вне его; внутридомовой прием характеризуется значительными потерями за счет радиоэкранирования стен.

Напомним, что мобильный прием был разбит на два случая: класс А (наружный) и класс В (внутридомовой на первом этаже), а фиксированный – на “хорошие” и “приемлемые” зоны охвата, соответствующие 95% и 75% зонам покрытия. Рассмотрим критерии мобильного DVB-T приема.

Изменения уровня сигнала обязаны многим составляющим и их рассматривают для микромасштабных и макромасштабных зон. К макромасштабным относят зоны с линейными размерами от 10 м до 100 м и более. Макромасштабные изменения уровня сигнала вызваны эффектами затенения и многонаправленными отражениями от значительно удаленных объектов. Микромасштабные же изменения касаются зон с линейными размерами, сравнимыми с длиной волны, и обязаны в основном многонаправленным переотражениям от близлежащих объектов. Уровни отраженных сигналов в таких случаях сравнимы с уровнем падающего сигнала, а их фазы могут быть противоположными, что вызывает наличие “мертвых” микрозон приема. Эффективным способом устранения “мертвых” микрозон является обычное перемещение антенны в пределах длины волны, т.е. обычно не более 1 м, в силу чего микрозоны не важны при сетевом планировании. Макромасштабные же изменения напряженности поля для оценки зоны покрытия очень важны.

Измерения, выполненные в Нидерландах, показали, что типовое отклонение микромасштабного распределения напряженности поля составляет порядка 3 дБ. Это значение было подтверждено также испытаниями, проведенными в Великобритании. Значения микромасштабных и макромасштабных изменений приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Планируемый охват	Локальные вариации
микро	макро
>95%	5 дБ	9 дБ
>70%	1,5 дБ	2,9 дБ

На напряженность электрического поля при мобильном приеме влияет множество факторов, которые будут рассмотрены как ниже, так и последующих публикациях. Одним из таких факторов является высота подъема антенны h. Если для фиксированного приема принято h = 10 м, то для мобильного приема принято производить расчеты для h =1,5 м. Для этого вводится поправочный коэффициент L_h. Значение L_h составляет примерно 1 дБ при подъеме антенны на каждый метр в диапазоне МВ, и 1,2 дБ – в диапазоне ДМВ. При проведении расчетов принимают L_h = 10 дБ для диапазона МВ, и 12 дБ для диапазона ДМВ.

Потери за счет радиоэкранирования сооружений является очень важным и трудно учитываемым (для теоретических расчетов) фактором при мобильном приеме. Напряженность поля внутри помещения будет ниже, чем вне его, и разность будет зависеть как от конструкции здания, так и от материалов, используемых при его строительстве.

Измерения, проведенные в Великобритании, показывают, что типовое значение ослабления электрического поля внутри помещения (L_B) порядка 8 дБ в диапазоне МВ и 6 дБ в диапазоне ДМВ со стандартным отклонением в 3 дБ. Измерения же, проведенные в Нидерландах, позволяют сделать вывод о величине L_B ≈ 9 дБ в диапазоне ДМВ. Скорее всего, различия можно объяснить тем фактом, что в Нидерландах измерения проводились большей частью в зданиях железо-бетонной конструкции при меньшем числе точек отсчета.

Одновременно проводилась также оценка влияния перемещения людей около антенны. При этом изменение уровня сигнала варьировалось от +2,6 дБ до -2,6 дБ. Такие изменения носят случайный характер и не велики по своей величине, в силу чего их не принимают в расчет.

Последние измерения, выполненные в Великобритании, показали, что потери на радиоэкранирование помещений (L_B) составляют 19…34 дБ (медианное значение 29 дБ) для первого этажа и 16…29 дБ (медианное значение 22 дБ) для верхних этажей. Тем не менее при проведении сетевого планирования приняты значения коэффициента L_B, представленные в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Диапазон	Медианное значение	Стандартное отклонение
МВ	8 дБ	3 дБ
ДМВ	7 дБ	6 дБ

При расчете напряженности поля Е вводится корректирующий коэффициент С:

где:

μ - фактор распределения, составляющий 0,52 для вероятности приема 70% и 1,64 для вероятности приема 95%;

δ - стандартное отклонение, составляющее 5,5 дБ для условия внешнего приема (как мобильного, так и фиксированного).

Не вдаваясь в математические описания, в табл. 5.4 представлены расчетные значения корректирующего коэффициента С для всех вариантов приема.

Особенности портативной приемной антенны также играют важную роль при мобильном приеме. Если при фиксированном приеме используется направленная антенна (располагаемая на крыше с расчетной высотой в 10 м) с коэффициентом усиления 10-12 дБ, то при портативном приеме используется малогабаритная антенна с коэффициентом усиления в единицы децибел (в лучшем случае) в диапазоне ДМВ и в критическом случае порядка -2 дБ в диапазоне МВ.

Таблица 4.4

Вероятность	Условия приема
Внешний	Внутридомовой
МВ	ДМВ
>95%
>70%	2.9

При сетевом планировании принято, что антенна портативного приемника является всенаправленной (круговая диаграмма направленности) с коэффициентом усиления – 2,2 дБ в диапазоне МВ и 0 дБ в диапазоне ДМВ. Потери кабеля снижения в расчетах принимают нулевыми. Для справки отметим, что к портативному относится также прием на даче, в коттеджном домике, при расположении антенны на крыше. При этом потери кабеля снижения принимают величиной 3…5 дБ для диапазона ДМВ. На первый взгляд кажущиеся большие потери являются оправданными, т.к. нужен технологический запас на старение кабеля (обычно это коррозия металла). Также дополнительные потери приводят к снижению отношения несущая/шум (C/N).

В Нидерландах также проводились тестовые испытания комнатных антенн различных типов. В частности, была выбрана антенна “rabbit-car” и две пятиэлементные антенны Yagi. Результаты испытаний показали, что как направленность, так и коэффициент усиления антенн (изменяли в пределах -15…+3 дБ для антенн Yagi и -10…-4 дБ для антенны “ rabbit-car”) в очень большой степени зависят от места размещения антенны и от частоты. При этом антенны располагались как внутри комнаты, так и в непосредственной близости от стены (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Результаты испытаний антенн различных типов

В Нидерландах же проводились измерения по деполяризации электромагнитной волны. При измерениях использовали реальный цифровой TV сигнал с вертикальной поляризацией. Результаты испытаний показали, что угол деполяризации в закрытом помещении лежит в диапазоне от 20° до 48° в микромасштабе и в пределах 3…16° для макромасштабного уровня.

Из этого следует вывод, что за счет наличия значительного числа переотражений внутри помещения, комнатную антенну всегда следует ориентировать не в направлении линии на телецентр, а по уровню максимального сигнала в данной точке приема. Так, если это телескопическая антенна, то ее типовой угол наклона составит 30°, а само направление наклона следует искать экспериментально.

Напряженность электрического поля в точке приема, необходимая для нормальной работы приемника, рассчитывается в полной аналогии, как это было сделано в гл. 3. Коэффициент шума приемника (STB) также, как и при фиксированном приеме, принимается величиной 7 дБ. Сравнение результатов расчетов для мобильного приема, и аналогичных результатов, приведенных в гл. 3 для фиксированного приема, показывают, что типовая разница в напряженности поля составляет 20 дБ для класса А (прием вне дома) и 30 дБ для класса В (прием внутри помещения). Радиус покрытия для мобильного приема (включая DVB-H) много меньше, чем для фиксированного приема. Такая большая разница в радиусах покрытия (8…20 раз) объясняется малой высотой приема, низким коэффициентом усиления антенны и значительным радиоэкранированием строительных сооружений.

ГЛАВА 5.

ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ И БЛОКИ ПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ DVB-T ВЕЩАНИЯ

5.1. Требования к передатчикам цифрового телевизионного вещания

5.2. Типовая структурная схема цифрового передатчика

5.3. Функциональная схема цифрового передатчика

5.4. Структурная и функциональная схема

усилителя мощности DVB-T

5.5. Построение усилительного тракта

и применение коррекции искажений усилительного тракта

5.6. Рекомендации по выбору режимов работы передатчика

для цифрового телевидения

5.6.1. Общие соображения

5.6.2. Зависимости УВСС и END от пикфактора

5.6.3. Параметры ENF и END

5.6.4. Рекомендации по выбору режимов

5.7. Выбор антенны передатчика

Освоение технологии цифрового телевизионного вещания повлекло за собой не только необходимость создания принципиально новых устройств, но и пересмотр требований ко всем элементам системы, включая передатчик. Специфика требований к передатчикам для цифрового эфирного вещания определяется исключительно свойствами используемых сигналов. Эти сигналы характеризуются практически полным отсутствием детерминированных компонентов в спектре выходного колебания, сравнительно большим значением пикфактора и высокими требованиями к уровню внеполосных составляющих спектра. Поэтому появился новый тип оборудования - передатчики для цифрового эфирного вещания, которые, как и передатчики для аналоговых систем, делятся на классы в зависимости от мощности и диапазона рабочих частот.

5.1. Требования к передатчикам цифрового телевизионного вещания

Первым нормативным документом был Руководящий документ "Временные нормы на радиопередатчики. Основные параметры, технические требования и методы измерений", который утвержден Министерством связи и информатизации РФ 1 февраля 2002 г. Он впервые вводил два основных параметра радиопередатчиков для цифрового эфирного ТВ-вещания:

· величину эквивалентных энергетических потерь в тракте радиопередатчика (в качестве характеристики внутриполосных искажений);

· относительный уровень спектральной плотности мощности внеполосных составляющих спектра выходного колебания (в качестве характеристики внеполосных помех).

Следующим шагом в области разработки нормативных документов явилась разработка государственного стандарта, назначение которого состояло в повышении статуса разработанных ранее временных норм.

Одним из последних нормативных документов являются "Правила применения оборудования систем телевизионного вещания", разрабатываемые в соответствии со статьей 21 Федерального закона от 07.07.03 „. № 126-ФЗ "О связи", которая в части "Правил применения передатчиков наземного вещательного телевидения" впервые формулирует требования к аналоговым, цифровым и аналого-цифровым (гибридным) передатчикам.

Необходимо подробно остановиться на гибридных передатчиках, пригодных как для аналогового, так и для цифрового ТВ-вещания. Переход от аналогового к цифровому ТВ-вещанию связан с заменой аналоговых ТВ-передат-чиков на цифровые. В течение переходного периода среди вновь устанавливаемых передатчиков повышается доля цифровых, однако по-прежнему велико и количество аналоговых, что связано с интенсивно протекающим процессом цифровизации распределительной сети ТВ-вещания и с обеспечиваемой при этом возможностью доставки в пункты вещания значительно большего числа ТВ-программ, среди которых по-прежнему много программ аналогового вещания. По мере перехода аналоговых программ на цифровой режим вещания вновь устанавливаемые в настоящее время аналоговые передатчики должны быть демонтированы и заменены на цифровые задолго до истечения их эксплуатационного ресурса.

Финансовых издержек, связанных с такой неэффективной заменой, можно избежать, если в пунктах вещания установить гибридные аналого-цифровые передатчики, пригодные как для аналогового, так и для цифрового вещания, то есть обеспечить использование вновь устанавливаемых передатчиков аналогового вещания также и для передачи цифрового сигнала. При этом вновь устанавливаемые гибридные аналого-цифровые передатчики могут традиционно включать в себя блок амплитудного модулятора и фильтр частичного подавления боковой полосы, необходимые для аналогового ТВ-вещания.