Использование необыкновенной волны для цифрового радиовещания DRM зенитным излучением Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕОБЫКНОВЕННОЙ ВОЛНЫ ДЛЯ ЦИФРОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ DRM ЗЕНИТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Варламов Олег Витальевич,

Старший научный сотрудник НИЛ-6 МТУСИ, к.т.н. Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), Россия, Москва, vov@mtuci.ru

Ключевые слова: цифровое радиовещание, йЯМ, измерения, зенитное излучение, необыкновенная волна, ионосферное поглощение.

Использование зенитного излучения в нижней части диапазона КВ позволяет организовать радиосвязь и радиовещание на расстояниях от 50 до 500 км при отсутствии зон радиотени в горных условиях. Однако при минимальной солнечной активности в ночное время критическая частота слоя Р2 опускается ниже выделенного для радиовещания диапазона 4 МГц. В этих условиях может использоваться необыкновенная волна, которая способна отражаться на более высоких частотах. Однако потери при распространении для необыкновенной волны выше, чем для обыкновенной, и в литературе не приводятся. Выразив потери распространения для необыкновенной волны через потери распространения для обыкновенной волны можно устранить неопределенность параметров ионосферы. При этом потери распространения для обыкновенной волны можно рассчитать по методу Казанцева в зависимости от критической частоты слоя Е.

Проведенный теоретический анализ позволил оценить дополнительные потери, возникающие при использовании необыкновенной волны, в зависимости от рабочей частоты для различных критических частот слоя Е. В ночное время в диапазоне 4 МГц дополнительные потери могут составлять 3...8 дБ, что не является критичным по сравнению с отсутствием радиовещания вообще.

Проведенные экспериментальные исследования с передатчиками малой мощности (200 Вт) показали, что использование необыкновенной волны позволило увеличить число наблюдаемых часовых интервалов приема с вещательным качеством с 12.13 до 17.18. Напряженность поля для необыкновенной волны в ночное время не намного меньше, чем для обыкновенной волны. Время существования ионосферных условий для отражения необыкновенной волны на несколько часов больше, чем для обыкновенной. Проведенные исследования показали, что при использовании АЗИ в цифровом радиовещании (в годы с минимальной солнечной активностью, а также в северных широтах зимой ночью) применение необыкновенной волны в диапазоне 4 МГц может расширить доступный для вещания интервал времени.

Для цитирования:

Варламов О.В. Использование необыкновенной волны для цифрового радиовещания DRM зенитным излучением // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - №1. - С. 32-38.

For citation:

Varlamov O.V. Using the extraordinary wave for digital DRM NVIS broadcasting // T-Comm. 2015. No.1. Рр. 32-38.

T-Comm #1-2015

Введение

Использование зенитного излучения позволяет организовать радиосвязь и радиовещание на расстояниях от 50 до 500 км. На меньших расстояниях возможно использование радиосвязи поверхностной волной, а на больших -коротковолновых линий радиосвязи, использующих наклонное зондирование. Таким образом, использование зенитного излучения позволяет дополнить возможности диапазона KB для организации радиовещания и связи во всем диапазоне практически востребованных расстояний.

Зенитное излучение достаточно широко используется для связи и вещания в тропических районах. Но и в высоких широтах его применение вполне возможно и не является новостью. Многолетнее использование радиостанций "Ангара" и даже "Карат" на высокоширотных радиотрассах протяженностью до 500 км с низко расположенными а то и суррогатными антеннами - не что иное, как пример зенитного распространения.

Преимуществами зенитного распространения радиоволн являются возможность организации связи в "мертвой зоне" систем связи, использующих наклонное зондирование, и отсутствие зон радиотени в горных условиях (рис. I). Недостатками зенитного распространения радиоволн являются сильная многолучевость и более глубокие медленные замирания, чем при наклонном зондировании.

Современные цифровые системы связи и вещания, использующие OFDM модуляцию, способны достаточно эффективно бороться с многолучевостью до тех пор, пока время задержки не превышает величины защитного интервала. Более глубокие медленные замирания, обусловленные поглощением, можно объяснить тем, что при зенитном излучении волна практически всегда проходит через облако с повышенной ионизацией дважды - туда и обратно, а при наклонном зондировании в большем числе случаев только один раз.

Впервые в РФ исследование возможности использования АЗИ (антенн зенитного излучения) для цифрового радиовещания в режиме DKM с передатчиками мощностью 30 кВт проводилось автором в 2008 г. {минимум солнечной активности) в Московском регионе. Аналогичные исследования были проведены в Хабаровском крае, а также в 2009-2011 гг. в Краснодарском крае. Полученные результаты свидетельствовали о возможности использования АЗИ для радиовещания с нормативным качеством (более 98% декодированных аудиоблоков) примерно в течение половины суток. Также отмечался высокий уровень помех от других станций в вещательных диапазонах.

Действительно, а диапазоне 3950...4000 кГц можно расположить всего 5 каналов DRM с полосой 10 кГц, а этот диапазон интенсивно используется 8 Западной Европе. Поэтому в ночное время появляются помехи от удаленных европейских станций, и их уровень (с учетом большего коэффициента передачи приемной антенны в вертикальной плоскости для сигналов приходящих под малыми углами) зачастую превышает уровень полезного сигнала. Использовать же более высокочастотные диапа-

зоны с большей емкостью (6...7 МГц) возможно только в годы с высокой солнечной активностью в дневное время.

Накопленный опыт проведения исследований и построения сетей ОКМ вещания позволил предположить, что в «чистых» каналах, свободных от помех от других станций, в местах с невысоким уровнем индустриальных радиошумов, вещание с помощью зенитного излучения может быть возможным и при существенно меньших мощностях передатчиков. В этих условиях такой характерный для зенитного распространения радиовопн фактор, как многолучевость, не зависит от уровня излучаемой мощности.

Проведенные в 2013 г. (практически максимум солнечной активности) исследования ОКМ вещания на АЗИ в каналах, свободных от помех, с передатчиками малой мощности (0,1-0,25 кВт) в северных, средних и южных широтах РФ показали следующее. В северных широтах РФ (Архангельск) прием цифрового радиовещания в режиме ОКМ с вещательным качеством наблюдался в течение 8...II часов в сутки, в средних широтах (Новосибирск) в течение 5...10 часов в сутки, и в южных широтах (Краснодар) в течение 12... 13 часов в сутки.

Таким образом, можно сделать вывод, что для вещания с использованием АЗИ важна не стопько мощность передатчика, сколько «чистота» используемого канала в зоне обслуживания и принципиальная возможность отражения сигнала от ионосферы на данной частоте.

200 100 0 100 ¡00

Легко показать, что в выделенных в РФ для радиовещания диапазонах частот круглосуточный прием в минимуме солнечной активности в средних широтах невозможен в принципе. Действительно, глубокой ночью частоты диапазона 4 МГц не отражаются от ионосферы при зенитном падении (критическая частота слоя F2 опускается ниже 4 МГц), а более низкие частотные диапазоны для вещания в средних широтах не выделены МСЭ. В частности, на рис, 2 приведен суточный ход критической частоты слоя F2 для 8 дней ноября 2008 г. (зимний период), измеренный станцией ионосферного зондирования Chilton (UK),

Ионосфера

1-i-Г

Рис. I. Распространение радиоволн при излучении, близком к зенитному

T-Comm #1-2015

52 градуса северной широты. Как видно из рис. 2, критическая частота слоя ?2 превышает 4 МГц только в дневное время от 7 до 17 часов, т.е. на протяжении 10 часов в сутки, Поэтому наименее благоприятными для работы передатчиков радиовещания на антенны зенитного излучения являются высокоширотные местности, особенно расположенные за полярным кругом, зимой в ночное время.

¥ 10 г

S

->

/

£ ю В

I

■5Л

? 10 ■

S

.л

\7

F 10 ■

s

* 11 аеювит chatón

f 10 ai

S

10

í

f 10 a.

í

¡tffcj

5 —

/ Ч

Рис. 2. Суточный ход критической частоты слоя F2 для 8 дней ноября 2008 г. Chilton (UK), 52 градуса с.ш.

Вместе с тем можно предположить, что использование необыкновенной волны позволит расширить доступный для вещания интервал времени.

Теоретический анализ

Рассмотрим более подробно известные особенности распространения радиоволн при зенитном излучении в присутствии магнитного поля Земли. На качественном уровне объяснения имеющимся эффектам приведены в [I, стр. 160]: «На радиолиниях протяженностью до 300 км углы прихода лучей находятся в пределах 90 - 50 градусов, что требует применения антенн зенитного излучения. При падении волны на ионосферный слой луч расщепляется на две составляющие - обыкновенную и необыкновенную. При прохождении через ионосферу в присутствии магнитного поля Земли эти составляющие отражаются на разных высотах, испытывают разное поглощение и приходят в точку приема сдвинутыми по фазе, которая меняется во времени. Это приводит к глубоким интерференционным замираниям. Если падающая на ионосферу волна под углом возвышения, близким к 90 градусов, имеет круговую поляризацию, то в зависимости от направления вращения вектора Е падающей волны отраженная волна будет иметь одну преимущественную составляющую. Днем, когда поглощение сравнительно велико, целесообразно использовать обыкновенную волну. Ночью на той же частоте более эффективно отражается необыкновенная волна, так как ее критическая частота выше критической частоты обыкновенной волны. В связи с этим в антеннах зенитного излучения применяется круговая поляризация с оперативным изменением направления вращения вектора электромагнитного поля».

Действительно, критическая частота для необыкновенной волны равна [2, стр. 161]:

Г = + А + / г°)- ,

Jк,, 2 4 \jnpj

где - критические частоты для отражения обык-

новенной и необыкновенной волн при вертикальном падении, - гиромагнитная частота [2].

Частота у меняется примерно от 1,9 МГц у полюсов

до 0,6 МГц у магнитного экватора, и на большей части территории РФ составляет 1,2.,. 1,4 МГц (рис. 3 [3]), Можно прибпиженно принять = 1,4 МГц для северных широт РФ, = 1,3 МГц для средних широт и /я = 1,2 МГц для южных широт.

«тещ; ' ■ ■-> к

IÉJNI

W -ш

Щ

"ta уД*

1 »и

у чиь..

т

| 44

fa, кт

^ 'v щ

AjMÉKV

\ чЧ

= f ? г/

' №

& >5 Щ й ^

т ?

'Шк

Рис. 3. Значения гиромагнитной частоты на высоте 300 км

Обычно используют приближенное значение для критической частоты отражения необыкновенной волны, рассчитываемое как: Г' ~ + 0,5 / .

^ кр кр н

Действительно, при критической частоте обыкновенной волны 3 МГц, в северных широтах рассчитанное точное значение критической частоты необыкновенной волны составит 3,78 МГц, а в южных широтах 3,66 МГц.

Использование данной особенности распространения радиоволн при зенитном излучении позволяет предположить, что применение АЗИ, способных излучать необыкновенную волну, позволит увеличить время, доступное для цифрового радиовещания. Однако необыкновенная волна, хоть и отражается на более высоких частотах, но коэффициент поглощения ее при распространении и при отражении выше. С другой стороны, на более высокой частоте поглощение при распространении должно быть меньше. Количественные оценки данных зависимостей в доступной научно-технической литературе не приводятся. Строгие теоретические исходные выражения были приведены в [4], однако даже там расчеты по ним не проводились ввиду сложности вычислений и непостоянства параметров ионосферы. Многочисленные упрощения вследст-

У

вие принятых допущений, в частности, для рабочих частот выше 3 МГц приводятся в [2, 5].

С помощью выражений, приведенных в [5], проведем оценку увеличения потерь при использовании необыкновенной волны по сравнению с потерями на обыкновенной волне.

Коэффициент поглощения при продольном распространении в неотклоняющей области [5, стр. 74]:

¿¡о., я Ч2

2с0 (со + а),,)1

Знаки {+) и (-) относятся к обыкновенной и необыкновенной волнам. Отсюда найдем отношение коэффициента поглощения необыкновенной волны к коэффициенту поглощения обыкновенной волны при продольном распространении как:

к*ю _ ££ _ (а + ®н)2 ([)

Коэффициент поглощения при поперечном распространении в неотклоняющей области [5, стр. 74] для обыкновенной волны:

£« й е0'- , и для необыкновенной волны:

2с0 аг

я <°1 \ + (а)н !в>)г " " 2с0 да2 [1 -К,А»)2]'

Отсюда найдем отношение коэффициента поглощения необыкновенной волны к коэффициенту поглощения обыкновенной волны при поперечном распространении:

к""=1+(й>", • (2)

; ¿СП -Ы^?

В соответствии с [5, стр,75], во всех направлениях «расчет поглощения декаметровых волн в ионосфере ведут, принимая, что в нижних слоях имеет место квазипродольное распространение, а в отражающем слое - квазипоперечное». В этом случае полученные выражения (I), (2) можно рассматривать как «оценку сверху», т.е. максимальные значения отношения коэффициента поглощения необыкновенной волны к коэффициенту поглощения обыкновенной волны.

Для определения коэффициента поглощения обыкновенной волны можно воспользоваться методом Казанцева. В частности, суммарный интегральный коэффициент неот-клоняющего поглощения в слоях О, Е и РI, приведенный к частоте I МГц [5, стр. 220]: Аг_ = А0 + АЕ + Ац , где Лп ~М/крЕ)? <рв\

Ае = 2,5(/к/!Е)2 вес(рь! Ап ш0,4(/ч,£)3 вес?»,., •

Отсюда коэффициент неотклоняющего поглощения при зенитном излучении а,- к 5,9(/' £)2*

Отклоняющее поглощение в слое Р2:

ВР2 = 0,02со5; (рп ■

Полный коэффициент поглощения для обыкновенной волны:

Ги = г, ъ+ЩЩ'

где ( - продольная составляющая гиромагнитной частоты, МГц, В средних широтах обычно = 0,7ч 0,8 МГц.

Для необыкновенной волны с учетом (I, 2) полный коэффициент поглощения будет иметь вид:

Кх>° А

1II ~ГГ + к

I/р+/пд\

Напряженность поля пропорциональна ехр(-Г„).

Результаты оценки дополнительных потерь, возникающих при использовании необыкновенной волны в зависимости от рабочей частоты ^ для различных критических частот слоя Е /к/1Е, приведены на рис. 4.

Как видно из рис. 4, при повышении рабочей частоты разница в потерях при распространении обыкновенной и необыкновенной волн становится достаточно малой. При приближении к гиромагнитной частоте потери при распространении необыкновенной вопны существенно увеличиваются. Данные факты хорошо известны из теории и качественно подтверждают корректность проведенной в настоящей работе оценки. В интересующей нас обпасти частот а районе 4 МГц можно отметить спедующее.

Гр, МГц

I-Тире - 0.4 МГц-ТкрЕ- 1 МГц-«крЕ - 1.8 МГц-*крЕ - 2 НГц|

Рис. 4. Дополнительные потери при использовании необыкновенной волны

При использовании в радиовещании в годы с минимальной солнечной активностью, а также в северных широтах зимой ночью, когда критическая частота отражения для обыкновенной волны опускается ниже А МГц (^Е<1 МГц), использование необыкновенной волны в диапазоне 4 МГц может сопровождаться дополнительными потерями с величиной от 3 до 8 дБ. Данные потери не являются критичными по сравнению с отсутствием вещания вообще, и могут быть легко скомпенсированы увеличением мощности передатчика.

Рассматриваемые рабочие частоты находятся достаточно близко от границы принятых в [2, 4, 5] допущений (3 МГц), а погрешность используемых выражений вбпизи границы допущений в питературе строго не опредепена. Также весьма приближенной является и оценка потерь по методу Казанцева. Поэтому полученные в настоящей работе результаты следует рассматривать как качественную оценку, которая, ввиду практической значимости получаемых результатов, впоследствии может уточняться.

Т-Сотт # 1-2015

Т-Сотт #1-2015

Использование необыкновенной волны имеет дополнительное преимущество в виде меньшего времени задержки между лучами. Действительно, как известно из литературы [4], в случае применения обыкновенной антенны от ионосферы (особенно в северных широтах), после расщепления на обыкновенную и необыкновенную волны, могут отражаться 3 луча: обыкновенная волна и два луча необыкновенной волны, отразившихся на разных высотах. Использование необыкновенной волны сокращает количество отразившихся лучей с трех до двух с соответствующим уменьшением времени задержки, что благоприятно сказывается на декодировании сигнала ОЯМ.

Таким образом, проведенный анализ показал, что применение АЗИ, использующих необыкновенную волну, может быть перспективно для применения в цифровом радиовещании.

Экспериментальные исследования

Экспериментальные исследования АЗИ, использующих необыкновенную волну для цифрового радиовещания в режиме ЭКИ, проводились осенью 2013 г. в диапазонах 4 и 6 МГц.

Опытная зона радиовещания с использованием АЗИ была организована на базе объектов радиовещания филиала РТРС «Краснодарский КРТПЦ». Передающая станция располагалась на передающем радиоцентре в станице Тбилисская, приемные пункты находились в населенных пунктах Садовый {102 км от передатчика) и Головинка (184 км). На передающем радиоцентре испопьзовался передатчик со средней мощностью РКМ сигнала, равной 200 Вт, работающий на штатную антенну «АЗИ» поочередно в режиме излучения обыкновенной и необыкновенной волн. Режим работы возбудителя РйМ во всех измерениях: В, 160АМ, уровень помехозащиты "О" (кодовая скорость 0,5). Использование такой малой мощности позволяло оценить возможность применения необыкновенной волны в условиях, близких к порогу декодирования. В качестве приемных антенн использовались Г-образная проволочная антенна, подвешенная на высоте 5 метров, и малогабаритная АЗИ производства Омского ПО «Иртыш», установленная на автомобиле. В качестве приемных устройств использовались измерительные приемники РКМ ОТ-700.

Результаты измерений в диапазоне 4 МГц представлены на рис. 5. Индексами на рисунке обозначены: «г» - прием на Г-образную антенну, «и» - прием на малогабаритную АЗИ «Иртыш», «Н» - необыкновенная волна. Как видно из рисунка, использование в передающей АЗИ необыкновенной волны позволило увеличить число наблюдаемых часовых интервалов приема цифрового радиовещания с вещательным качеством за счет утренних и вечерних часов. При этом в дневные часы напряженность поля у необыкновенной волны была меньше, чем у обыкновенной.

В целом по проведенным измерениям в обоих диапазонах частот, использование необыкновенной волны позволило увеличить число наблюдаемых часовых интервалов приема с вещательным качеством с 12... 13 до 17... 18.

Пример суточного хода напряженности поля при зенитном изпучении обыкновенной и необыкновенной волн в диапазоне 4 МГц, любезно предоставленный специалистами Краснодарского КРТПЦ и относящийся к минимуму солнечной активности (2009 год), приведен на рис. 6. Из него наглядно видно, что напряженность поля для необыкновенной волны в ночное время не намного меньше, чем для обыкновенной волны, а в дневное время меньше на 10...20 дБ. При этом время существования ионосферных условий для отражения необыкновенной волны на 2 часа больше, чем для обыкновенной. Эти экспериментальные данные подтверждают результаты проведенного теоретического анализа.

Заключение

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что при использовании АЗИ в цифровом радиовещании в годы с минимальной солнечной активностью, а также в северных широтах зимой ночью, когда критическая частота отражения для обыкновенной волны опускается ниже 4 МГц, применение необыкновенной волны в диапазоне 4 МГц может расширить доступный для вещания интервал времени.

Исследования возможности использования АЗИ, излучающей необыкновенную волну, для организации цифрового радиовещания стандарта DRM проводились Московским техническим университетом связи и информатики по заказу и при технической поддержке и финансировании Федеральным Государственным Унитарным предприятием «Российская телевизионная и радиовещательная сеть» (РТРС). Отдельная благодарность Щелкунову Е.А. (Краснодарский КРТПЦ).

Литература

1. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М. и др. Коротковолновые антенны / Под ред. Г.З. Айзенберга. - 2-е, перераб и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 536 с.

2. Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Распространение радиоволн и работа радиолиний. - М.: Связь, 1971. - 440 с.

3. Marcus С. Walden. NVIS Frequency Selection at Mid-Latitudes. Интернет ресурс: http://www.hfindustry.com/rneetings_ presenta-ti о n s/p re se ntat i о n _ m ater i al s/2 010_ aug_h if a/Pres en tati on s/5 _N VI S_ Frequency_Selection_MidLatitudes_August20l0.pdf. Дата обращения 30.01.2014.

4. Гинзбург 8.Л, Распространение электромагнитных волн & плазме / М,: Наука, 1967. - 684 с.

5. Черен ко ео ЕЛ., Чернышев О.В. Распространение радиоволн. - М.: Радио и связь, 1984. - 272 с.

USING THE EXTRAORDINARY WAVE FOR DIGITAL DRM NVIS BROADCASTING

Oleg Varlamov

Moscow Technical University of Communications and Informatics, senior staff scientist, Ph.D., Moscow, Russia,

vov@mtuci.ru

Abstract

Using NVIS radiation in the lower part of HF band allows you to organize radio communication and broadcasting at distances from 50 to 500 km in the absence of a radio shadow areas in the mountains. However, with a minimum of solar activity during the night F2 layer critical frequency drops below allocated for broadcast 4 MHz band. Extraordinary wave, which can be reflected in the higher frequencies, can be used under these conditions.

However, the propagation losses for the extraordinary wave are higher than for the ordinary wave, and are unknown in literature. Having expressed the propagation loss for the extraordinary wave through the propagation loss for the ordinary wave, it is possible to remove uncertainty for the parameters of the ionosphere. And the propagation loss for the ordinary wave can be calculated by the Kazantcev method depending on critical frequency for layer E.

The theoretical analysis allowed us to estimate the additional loss, arising from the use of the extraordinary wave, depending on the operating frequency for various critical frequencies of the E layer. At night, in the range of 4 MHz additional losses may be 3 ... 8 dB, which are not critical - compared with no broadcasting at all.

The experimental results with low-power DRM transmitters (200 W) showed that the use of the extraordinary wave has allowed increasing number of observed hour intervals with broadcast-quality reception from 12 ... 13 to 17 ... 18. Field strength for the extraordinary wave at night is not much less than for the ordinary wave. Lifetime ionospheric conditions to reflect the extraordinary wave is for a few hours more than for the ordinary wave.

Studies have shown that when using a NVIS for digital broadcasting, during a minimum of solar activity, as well as in winter in the northern latitudes at night applying the extraordinary wave at 4 MHz can increase the available time slot for broadcasting.

Keywords: digital broadcasting, DRM, measurements, NVIS, extraordinary wave, ionospheric absorption. References

1. Ajzenberg G.Z., Belousov S.P., Zhurbenko Je.M., Shortwave antennas, under the editorship Ajzenberg G.Z, Moscow, Radio i svjaz', 1985, 536 p. [in Russian].

2. Kalinin A.I., Cherenkova E.L., Radiowave propagation and operation of radio lines, Moscow, Svjaz', 1971, 440 p. [in Russian].

3. Marcus C. Walden. 'NVIS Frequency Selection at Mid-Latitudes', viewed 30 January 2014, http://www.hfindustry.com/meetings_ presentations/presentation_materials/20l0_aug_hifa/Presentations/5_NVIS_Frequency_Selection_MidLatitudes_August20l0.pdf.

4. Ginzburg V.L., Propagation of electromagnetic waves in plasma, Moscow, Nauka, 1967, 684 p. [in Russian].

5. Cherenkova E.L., Chernyshev O.V., Radiowave propagation, Moscow, Radio i svjaz', 1984, 272 p. [in Russian].