Особенности частотно-территориального планирования сетей радиовещания DRM диапазонов НЧ и сч

Особенности частотно-территориального планирования сетей радиовещания DRM диапазонов НЧ и СЧ

Ключевые слова: цифровое радиовещание, DRM, ДВ, СВ, атмосферные шумы, частотнотерриториальное планирование.

Сети цифрового радиовещания ЭШ диапазонов НЧ и СЧ, как и другие цифровые системы, отличаются от аналоговых пороговым характером приема, что требует тщательного планирования для обеспечения устойчивости работы сети. На основании многочисленных оценок вещателей и слушателей зарубежными исследователями определен критерий комфортного прослушивания, равный не менее 98% декодированных аудио блоков. Данный критерий необходимо использовать совместно со статистическими свойствами распространения радиоволн и распределения шумов и помех. Кроме того, необходимо учитывать вариации напряженности поля земной волны от времени года, от места к месту, и вариации напряженности поля ионосферной волны, как для полезного, так и для мешающих сигналов. Разрабатывается методика расчета защитных отношений для сигнала ЦРВ при одновременном воздействии произвольного количества мешающих сигналов. Приводятся значения уровней атмосферных шумов (по критерию превышения в течение 2% времени в час) для целей планирования ЦРВ стандарта ЭШ. Предлагаемый подход позволяет осуществлять частотно-территориальное планирование сетей цифрового радиовещания стандарта ЭШ диапазонов НЧ и СЧ с высокой достоверностью, что подтверждено экспериментальными исследованиями.

Варламов О.В.,

старший научный сотрудник МТУСИ, к.т.н., vov@mtuci.ru

Введение

В настоящее время данные ряда экспериментальных исследований цифрового радиовещания в диапазонах длинных и средних волн, приводимые в зарубежных публикациях, не соответствуют результатам расчета напряженности поля по существующим методикам. Естественно, что переход на цифровое вещание никоим образом не затрагивает физические процессы, происходящие при распространении радиоволн, и не отменяет существующих методов расчета напряженности поля. Особенностью цифрового радиовещания в диапазонах длинных и средних волн, как и любых других цифровых систем, является резко выраженный пороговый характер приема. При уменьшении отношения сигнал-шум, либо сигнал-помеха (от другой станции) всего на 1 дБ ниже требуемого для декодирования порога прием практически прекращается (рис. 1).

Звук

отсутствует

Звук присутствует в течении 50% времени, прерывистый

Качество звука отличное

1 сШ

Уровень порога Увеличение уровня сигнала дляВЕЯ=10Е-4

Рис. 1. Иллюстрация порогового характера приема ОКМ

Обеспечить 100% декодирование звука в цифровой системе в течение 100% времени невозможно ни при каких, сколь угодно больших, мощностях передатчиков. Действительно, разряд молнии в непосредственной близости от приемника при вещании с АМ будет слышен как щелчок или треск, а в цифровой системе может привести к кратковременному пропаданию звука.

На основании многочисленных оценок вещателей и слушателей системы ЦРВ стандарта 1ЖМ выведен эмпирический «критерий качества», соответствующий нормальному декодированию сигнала в течение не менее 98% времени [1]. При этом возникающие время от времени пропадания звука не раздражают слушателя. Использование данного «критерия качества» совместно с учетом статистических свойств распространения радиоволн и статистики распределения шумов и помех позволяет осуществлять расчеты ЭМС РЭС цифрового радиовещания стандарта ОГ<М с высокой достоверностью. Ряд НИР, связанных с экспериментальными (эфирными) исследованиями системы 1ЖМ в диапазонах ДВ, СВ и КВ, выполненных МТУСИ, подтвердили данную возможность.

Если же ориентироваться на часовые медианные значения напряженности поля полезного сигнала и часовые средние значения напряженности поля помех, а тем более принимать в качестве напряженности поля полезного сигнала «минимально используемую напряженность поля в системе 1ЖМ» (по зарубежным рекомендациям), то прием будет возможен только в отдельные промежутки времени в местах «с особо низким уровнем помех». Все остальное время будет отмечаться несоответствие данных экспериментальных исследований цифрового радиовещания результатам расчета напряженности поля по существующим методикам.

Таким образом, вследствие порогового характера приема система цифрового радиовещания требует очень качественного планирования.

Кроме того, стандарт ЭЯМ предусматривает достаточно большое количество комбинаций видов модуляции и степеней помехозащищенности, в результате чего требуемое для декодирования отношение сигнал-шум может изменяться до 10 дБ - естественно, с разменом на качество декодированного аудиосигнала.

В соответствии с вышесказанным, в настоящей статье рассматриваются особенности частотно-территориального планирования сетей радиовещания ГЖМ-диапазонов НЧ и СЧ с учетом результатов проведенных экспериментальных исследований и существующих материалов МСЭ-Р.

Параметры и критерии, используемые при расчете ЭМС РЭС цифровою радиовещания стандарта О КМ

Как отмечалось выше, критерием комфортного прослушивания следует считать декодирование не менее 98% аудиоблоков. Требуемые для декодирования значения ОСШ при различных параметрах сигнала 1ЖМ и для различных условий распространения определенны в [2]:

-для модели канала распространения №1, соответствующего земной волне в дневное время в диапазонах ДВ и СВ - табл. 1;

- для модели канала распространения №2, соответствующего комбинации земной и ионосферной волн в диапазоне СВ в темное время суток - табл. 2.

Таблица 1

Требуемое для декодирования ОСШ в модели канала распространения №1

Схема модуляции № уровня защиты Средняя скорость кодирования Режим устойчивости/тип занятости спектра

А/0

16-ОАМ 0 0,5 8,8 8,6 9,5 9,3

1 0,62 10,9 10,7 11,5 11,3

64-ОАМ 0 0,5 14,3 14,1 14,9 14.7

1 0,6 15,8 15,3 16,2 15,9

2 0,71 17,5 17,1 17,9 17,7

3 0,78 19,2 18,7 19,5 19,3

Таблица 2

Требуемое для декодирования ОСШ в модели канала распространения №2

Схема ЧО.П.ІЯПНІІ Л*>ровня 1ЯШН1Ы ( pt-.ІНЯЯ скорость котирования Режам июйчнвости шп и я я тости спектра

А/0

164} АМ 0 0.5 9.8 9.4 10.3 10.2

1 0.62 12.7 12.5 13.2 13.1

644} АМ 0 0.5 15.2 14.9 15.8 15.6

1 0.6 16.6 16.3 17.3 16.9

2 0.71 19.7 19.2 20.4 19,7

3 0.78 22.9 22.0 22.8 22.3

Напряженность поля полезного сигнала рассчитывается любыми традиционными методами [3, 4], но с учетом критерия комфортного прослушивания, равного не менее 98% декодированных аудио блоков, а именно:

— для земной волны необходимо учитывать сезонные и территориальные вариации напряженности поля [5];

- для ионосферной волны необходимо учитывать запас на изменения ото дня ко дню и кратковременные изменения уровней напряженности поля [4], а также коэффициент потерь, учитывающий влияние солнечной активности [4].

Эти же особенности учитываются при расчете напряженности поля мешающих станций.

Напряженность поля атмосферных шумов необходимо учитывать по уровню, превышаемому в течение 2% времени в час.

Уровень индустриальных помех в крупных городах следует принимать равным 70 дБмкВ/м в диапазоне ДВ и 60 дБмкВ/м в диапазоне СВ (без учета локальных помех). Эти данные получены:

— по результатам измерений в диапазоне СВ в Мехико [1], уровень индустриальных помех на 40 дБ выше рефе-ренсного уровня МСЭ (20 дБмкВ/м), т.е. составляет 60 дБмкВ/м;

- по результатам измерений МТУСИ в Москве, уровень индустриальных помех в диапазоне ДВ доходит до 70 дБмкВ/м, а в диапазоне СВ - до 60 дБмкВ/м.

Перечисленные факторы рассматриваются далее более подробно.

Вариации напряженности поля земной волны

Напряженность поля земной волны зависит от времени года (зимой - выше, летом - ниже) и климатических условий. Численные значения вариаций для частот от 500 кГц до 1000 кГц в Северном полушарии приведены в табл. 3 [5].

Таблица 3

Сезонные вариации напряженности поля в диапазоне СВ

Average northern hemisphere January lemperaiure ( С) 4 0 -10 -16

Winter-summer field strength rangej/ (dB) 4 8 13 15

В диапазоне ДВ [5] в средних широтах с континентальным климатом (континентальная Европа и Сибирь) сезонные вариации напряженности поля можно рассчитать по формулам:

- для трасс с небольшой составляющей лесистой местности:

Кх =3 + 2* 10'5*<73 +0.005*9 [ДБ];

- для трасс с большой составляющей лесистой местности:

К, = 6.409* 1п(<7)- 21.124 [дБ], я = с1* /, где (/- расстояние в км;/- частота в МГц.

Рассчитанные в соответствии с [5] вариации для крайних частот диапазона ДВ (справедливы для континентальной Европы и Сибири) приведены на рис. 2.

Рис. 2. Сезонные вариации напряженности поля земной волны в диапазоне ДВ

Напряженность поля земной волны в диапазоне СВ различается также от места к месту в пределах 1 км. Ее распределение приведено на рис. 3 [5], и по критерию превышения в течение 98% времени (вероятность 0,02) напряженность поля может уменьшаться на величину до 10 дБ.

Необходимо отметить, что при планировании АМ вещания на границе зоны обслуживания передатчика (проходящей обычно в сельской местности) допускался при-

ем с заданным качеством в течение 90% времени в 50% приемных пунктов. В течение 10% времени допускалось наличие заметных помех. В такой ситуации вариации от места к месту можно было не учитывать. Задача обеспечения качественным вещанием (ЧМ либо ЭЯМ) 100% населения (следовательно, 100% территории) требует учета рассматриваемого фактора.

The law of distribution of deviations

1.0

0.9

с °'8 J 0.7

I 0.6

та ~ 05 1 04 Ju

£ 0.3 0.2 0.1

0.0

10

15

-15 -10 -5 0 5

Value of deviations

—•— Measurement results —o— Calculation with a = 3.72 dB

Рис. 3. Распределение напряженности поля земной волны в диапазоне СВ от места к месту

Вместе с тем, при учете атмосферных шумов, превышаемых в течение 2% времени, представляется достаточным (принимая во внимание совместную вероятность независимых процессов) учитывать вариации напряженности поля земной волны по критерию превышения требуемого уровня в течение 90% времени. В этом случае будет достаточным принять запас на вариации напряженности поля земной волны в 5 дБ.

В крупных городах на широких улицах (более 4 полос движения) в диапазоне СВ дополнительного ослабления напряженности поля не наблюдалось [6]. На улицах средней ширины (3...4 полосы движения) оно составляло от 4 до 9 дБ. На узких улицах (1...2 полосы движения) дополнительное ослабление достигало 13,8 дБ. Необходимо также учитывать дополнительное ослабление сигнала внутри зданий, которое в отдельных случаях может достигать 20 дБ.

Вариации напряженности поля ионосферной волны

Изменения ото дня ко дню и кратковременные изменения уровней напряженности поля в ночное время определены в [4].

Вариации напряженности поля между годовым медианным значением и значением, отличающимся в течение 10% времени (А( 10)) в конкретное время относительно захода или восхода солнца, определяются следующим образом: в диапазоне НЧ: А( 10) = 6,5 дБ; в диапазоне СЧ: А (10) = 0,2 | Ф | — 2 (дБ), 6дБ < Д (10) < 10 дБ, где Ф - геомагнитная широта средней точки трассы.

Очевидно, что при использовании пространственной волны для покрытия какой-либо территории 1ЖМ вещанием с критерием «98%» эти вариации необходимо учитывать. В данном случае для полезного сигнала - со знаком «минус».

Использование этих вариаций также необходимо при учете воздействия помех в темное время суток, для ме-

шающих станций - со знаком «плюс», что будет соответствовать «худшему случаю».

При учете помех коэффициент потерь, учитывающий влияние солнечной активности (для диапазона ДВ он равен 0) в диапазоне СВ также следует принимать равным нулю, что соответствует «худшему случаю».

Напряженность поля атмосферных шумов

и промышленных помех

Кривые шум-фактора внешних шумов Ра приведены в рекомендации МСЭ [7] (рис. 4). Величины Ра для минимальных значений промышленных шумов в тихом месте определяются по кривой «С», а для максимальных значений атмосферных шумов, превышаемых в течение 0,5% времени в час, величина Ра определяется по кривой «А». Следует отметить, что использование этих значений (превышаемых в течение 0,5% времени в час) приведет к требованию неоправданно высокого уровня напряженности поля полезного сигнала, поскольку для качественного приема ГЖМ достаточно декодирования аудиосигнала в течение 98% времени на границе зоны обслуживания. Кроме того, некоторую часть «коротких» импульсных помех большой амплитуды 1ЖМ приемник может «не замечать» из-за применения помехоустойчивого кодирования. Там же [7] приводится более подробная детализация уровней атмосферных шумов по временам суток, сезонам, и географическому положению. Однако эти данные приведены для полосы 200 Гц, и их пересчет в иную полосу пропускания приемника справедлив только для диапазонов СЧ и ВЧ, а применение для диапазона НЧ «допускается с осторожностью», т.е. может быть использовано только в качестве предварительной оценки.

HGURE2 F, «гми trtqucnq

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

\

О

X

id

2.9 «10м

2.9 «10"

2.9 « 10м

2.9 «Ю14

2.9 «1011

*

2.9 «Ю10 “ 19 «10*

2.9 «10*

2.9 «10'

2.9 « 10г

10' 10” 10'

Frequency

atiTKKphcnc noise, value exceeded 0.5* • of time atmospheric noise, value exceeded 99.5% of time man-made nouc, quiet receiving site galactic noise

median city area maiwnade noue minimum noise level cxpcctcd

Рис. 4. Зависимость шум-фактора внешних шумов Ра от частоты

Проведенный пересчет с превышения заданных уровней в течение 0,5% времени на 2% времени для полосы пропускания 10 кГц в первом приближении дает уменьшение Ра на 6 дБ. Результаты пересчета и рассчитанные

по этим данным значения напряженности поля шумов приведены в табл. 4. Рассчитанные уровни шумов из табл. 4 могут использоваться в качестве «оценки сверху» для атмосферных шумов. Окончательные данные могут быть получены только в результате длительных наблюдений.

Таблица 4

Рассчитанные значения напряженности поля атмосферных н индустриальных шумов в полосе 10 кГц

Ес ОСШ^ 10 *Log (Ю£ш’'/10 10й"-'10

| qEiuI^/W

Р, МГц 0.15 ОД оло 0,5 1,0 1,5

Ра, атмосфери., превышение 0,5% времени, дБ 134 129 123 112 100 92

Ра, атмосфери., превышение 2% времени, оценка, дБ 128 123 117 106 94 86

Еш, атмосфери., превышение 2% времени, оценка, дБмкВ/м 56 53,5 51 44,5 38.5 34

На основании вышеизложенного можно полагать, что в диапазонах НЧ (СЧ) нижняя граница шумов, определяемая индустриальными помехами в тихом месте, будет находиться в районе 16...30 дБмкВ/м (20...21,5 дБмкВ/м), а верхняя, определяемая атмосферными шумами и превышаемая в течение 2% времени, в районе 51...56 дБмкВ/м (34.. ,44,5дБмкВ/м).

Как отмечалось выше, уровни индустриальных помех в промышленных районах и городах, особенно в диапазоне ДВ, превышают указанные значения, но это не являются критичным для расчета зон обслуживания при постулате прохождения границы зоны обслуживания в сельской местности.

Защитные отношения для сигнала ЦРВ при одновременном воздействии произвольного количества мешающих сигналов

При одновременном воздействии на полезный сигнал ЦРВ нескольких мешающих сигналов, в том числе шумов, требуемая напряженность поля полезного сигнала определяется как:

j SNRT/10 |Q SNRRHO ^ / |Q ОСШ„/ 10

где Ешпр- внутренний шум приемника ЦРВ относительно напряженности поля, дБмкВ/м; Ешпром— напряженность поля промышленных шумов, дБмкВ/м; Еш\ кв,Еш2экв,...,Ешщкв - эквивалентная напряженность

поля каждого мешающего сигнала с учетом защитных отношений, дБмкВ/м; SNRT — значение ОСШ на выходе передатчика; SNRR - максимальное значение собственного ОСШ приемника; ОСШлек - требуемое для декодирования значение ОСШ на входе приемника для заданного режима помехоустойчивости, ширины полосы частот, типа канала распространения и т.д. Более подробно этот вопрос рассмотрен автором в [8].

Заключение

Предлагаемый в настоящей работе подход к частотнотерриториальному планированию сетей цифрового радиовещания стандарта DRM диапазонов НЧ и СЧ подтвержден экспериментальными исследованиями и может служить основой для разработки методики расчета ЭМС РЭС цифрового радиовещания стандарта DRM в ДВ и СВ диапазонах.

Литература

1. Digital radio mondiale (DRM): “mw simulcast tests in mexico D.F.”, ITU-R doc. 6E/403-E, August 2006.

2. Rec. ITU-R BS.1615 “Planning parameters” for digital sound broadcasting at frequencies below 30 MHz

3. Rec. ITU-R P.368-9. Ground-wave propagation curves for frequencies between 10 kHz and 30 MHz.

4. Rec. ITU-R P. 1147-4 - Prediction of sky-wave field strength at frequencies between about 150 and 1 700 kHz

5. Rec. ITU-R P. 1321-2. Факторы распространения, влияющие на системы, использующие технику цифровой модуляции на ДВ и СВ.

6. Planning parameters and coverage for Digital Radio Mondiale (DRM) broadcasting at frequencies below 30 MHz. Report ITU-R BS.2144. 05.2009

7. Rec. ITU-R P.372-9 «Radio noise»

8. Варламов О.В. Разработка отечественной нормативной базы цифрового радиовещания стандарта DRM // T-Comm -Телекоммуникации и транспорт, 2013. -№ 9. - С. 47-50.

Peculiarity of frequency-territorial planning of DRM broadcasting networks for LW and MW bands Oleg Varlamov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, senior staff scientist, Ph.D.

Abstract

DRM mode digital broadcasting networks of LW and MW bands as other digital systems differs from analog ones by the threshold nature reception that requires thoroughly planning to supply the stability of network working. Foreign scientists have done out the subjective expert criterion on 98% decoded audio blocks for comfortable listening. This criterion must be used with statistics of radio waves propagation and distribution of noise and interference. Also it is necessary to take into account the variations of field strength of earth's wave from season, from place to place, and variations of field strength of ionospheres' wave as for useful so for interfering signal. There was done out the method of calculation of protection ratios for DRM signal under simulcast influence of any number of interfering signals. There are given ranges of atmospheric noises (value exceeded 2% of time) for the aim of DRM planning. By this method there could be done the frequency-territorial planning of DRM standard networks in LW and MW bands with high reliability that is confirmed by experimental results.

Keywords: digital broadcasting, DRM, LW, MW, atmospheric noise, frequency-territorial planning.