CC BY
96
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЗОНЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ ЦИФРОВОГО DRM-ПЕРЕДАТЧИКА
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10242
Сантуш Виржилио Матеуш Жоао Душ,
г. Маланже, Ангола, [email protected]
Ковалгин Юрий Алексеевич,
СПбГУТ, Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Алексеев Михаил Александрович,
СПбГУТ, Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Ключевые слова: расчет радиуса зоны
обслуживания, радиошум,
цифровое радиовещание в формате DRM.
Объект исследования - методика и разработанное авторами программное обеспечение в среде Matlab для расчета радиуса зоны обслуживания цифрового DRM-передатчика на частотах ниже 30 МГц (применительно к диапазону средних частот) на основе первичных данных, имеющихся в рекомендациях ITU-R. Основой выполняемых вычислений являются оцифрованные данные изменения напряженности поля передатчика мощностью 1 кВт, рассчитанные с помощью программы GRAWE для разных значений частот, проводимости почвы и диэлектрической проницаемости среды, имеющиеся в рекомендации ITU-R P.368-9 в форме соответствующих кривых. Собственно методика расчета включает следующие этапы: расчеты медианных и максимальных значений уровня атмосферного шума, превышаемые в течение 2% времени передачи, уровней индустриального шума; суммарного уровня шума, превышаемого в течение 2% времени передачи; минимальной напряжённости поля передатчика на границе зоны обслуживания, при которой еще выполняются требования, необходимые для комфортного слушания; оценку поправочного коэффициента для учета долговременных и кратковременных изменений напряженности поля передатчика, обусловленных наличием сезонных и климатических изменений, солнечной активности, рельефом местности, временем суток; влияние пространственной волны, появляющейся в темное время суток, локальных изменений напряженности поля на обслуживаемой территории. В заключительной части приведены результаты вычислений, полученные с помощью разработанной компьютерной программы, а также сравнение данных эксперимента и теории.
Введенные в программу данные пока ориентированы на применение в республике Ангола, но полезны и для других территорий.
Информация об авторах:
€антуш Виржилио Матеуш Жоао Душ, Аспирант кафедры (РС и В), СПбГУТ, г. Маланже, Ангола
Ковалгин Юрий Алексеевич, д.т.н., профессор СПБГУТ. кафедры радиосвязи и вещания (РС и В), почетный профессор - СПбГУТ, г. Санкт-петербург, Россия
Алексеев Михаил Александрович, Магистр кафедры (РС и В), СПБГУТ, г. Санкт-петербург, Россия
Для цитирования:
Сантуш.В.М.Ж.Д., Ковалгин.Ю.А., Алексеев. М.А. Методика расчета зоны обслуживания цифрового DRM-передатчика // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №3. С. 4-14.
For citation:
Santos.V.M.J.D., Kovalgin.Yu.A., Alekseev. M.A. Methods of calculating the service area of a digital DRM-transmitter. T-Comm, vol. 13, no.3, pр. 4-14. (in Russian)
Напомним [1], что зоной обслуживания передатчика называют территорию вокруг радиопередающей станции, где уровень полезного сигнала превышает суммарный уровень собственных шумов приемника, атмосферных и индустриальных шумов, помех от соседних станций на определенное значение в течение заданного времени и минимально гре-буемое значение напряженности поля полезного сигнала, определяемое соответствующим стандартом и рекомендацией ГШ-Я [2].
Исходными данными для расчета зоны обслуживания цифрового передатчика при выбранном режиме его работы (режим устойчивости, тип модуляции, полоса частот радиоканала й т.д.)являются [3]:
—значение несущей частоты передатчика;
- полоса частот радиоканала, режим работы передатчика;
- минимально требуемое для выбранного режима работы передатчика отношение сигнал/шум при радиоприеме;
- минимально требуемая напряженность, поля полезного сигнала при радиоприеме;
-уровень напряженности поля индустриальных помех на территории;
- максимальное значение уровня напряженности поля атмосферного шума, превышаемое в течение 2% времени передачи;
- уровень шума радиоприемника, приведенный к его
входу;
- ширина шумовой полосы приемника;
- прогнозируемое суммарное значение суммарного уровня шума, превышаемое в течение 2% времени передачи;
—усиление антенны;
- проводимость почвы;
- диэлектрическая проницаемость среды.
- кривые изменения напряженности поля сигнала передатчика мощностью 1 кВт, параметрами которых являются значения частоты, диэлектрической проницаемости среды, проводимость почвы, представленные в рекомендации ]Ти-К Р.368-9 [4] .
Настоящая работа посвящена методике расчета радиуса зоны обслуживания цифрового ОЯМ-псрсдатчика па частотах ниже 30 МГц (диапазон СЧ) и созданной на её основе компьютерной программы.
Первичными данными для расчета зоны обслуживания могут служить кривые напряженности поля земной волны сигнала передатчика с расстоянием, приведенные в рекомендации [Ти-К Р.368-9 для передатчиков мощностью 1 кВт. Параметрами каждой такой кривой являются значения несущей частоты радиоканала /, проводимости почвы о и диэлектрической проницаемости среды £. Эти кривые получены с помощью компьютерной программы (ЖАШЕ для гладкой однородной поверхности Земли, приемной и передающей антенн, расположенных на поверхности идеально проводящей земли; погрешность прогнозирования напряженности поля, как это следует из рекомендации, не превышает 1 дБ( мкВ/м), когда кг превышает величину, примерно равную ¡0, где к = 2п/к. По оси ординат на этих кривых отложено значение напряженности поля в дВ(мкВ/м), по оси абсцисс - расстояние от передатчика г, в км. ] 1а данных кривых масштаб по оси ординат линейный дБ(мкВ/м), по оси абсцисс - логарифмический, км.
Алгоритм расчета зоны обслуживания цифрового передатчика представлен на рис. !. Рассмотрим основные этапы расчета зоны обслуживания передатчика, реализованные в данном алгоритме.
I. Расчет уровня полезного сигнала передатчика в точке радиоприема
Расчет напряженности поля сигнала передатчика выполняется по общеизвестной формуле:
Ее „,-р=Ее. ,КР (/.г,о.£Р-- -1 кВт) +1 + / „, д Б( м к В/м) (1)
Ввод исходных данных для расчета
Оценка шум-фактора (Ра) атмосферных шумов, превышаемое в течение 2% времени передачи, дБ(икВ/м)
Вычисление медианного значения уровня атмосферного шума, превышаемое я течение 2% времени передачи, дБ(мкВ/м)
Еатш = 77„ + 20 \о$/МГц + В-95,5
Вычисление максимального уровня атмосферного шума, превышаемое е течение 2% времени передачи, д6(мкВ/м)
Расчет уровня индустриального шума, дБ( мкВ/м)
X
Расчет уровня шума передатчика в точке радиоприема, дБ( мкВ/м)
^ттр- Осяф" пер}'
ЕС1Щ,=Е€ $£Р=I кВт)+! +/
Расчет суммарного уровня шума в точке радиоприема, превышаемое в течение 2% времени передачи, мкВ/м
еъ* ~ +е и.пр + е™.1«:» +ел.1»
Расчет минимальной требуемой напряжённости ноля передатчика на границе тоны обслуживания, дБ( мкВ/м) (рек.ГГи-К ВК-1615)
Л.
Расчет радиуса чоны обслуживания цифрового передатчика г, км
Расчет зависимости ичменения радиуса зоны обслуживания г передатчика от его мощности
^ Конец ^
Рис. 1. Алгоритм расчета зоны обслуживания передатчика
Т-Сотт Уо!.!3. #3-2019
Здесь: ЕС11ер(£г.а,£,Р=1кВт) - напряженность поля земной волны, дБ(мкВ/м, создаваемая передатчиком мощностью Р-1 кВт, на расстоянии г дли заданных значений удельной проводимости почвы а. диэлектрической проницаемости среды распространения £ и несущей частоты / эти данные имеются в рекомендации (TU-R Р.368-9 форме соответствующих кривых; GM - коэффициент передачи антенпо-фидсрного устройства. Заметим, что в формуле (!) речь идет о коэффициенте передачи антенно-фидерного устройства (ЛФУ) по мощности.
В качестве примера в табл. 1 приведены данные для значений о и £ для различных поверхностей земли [6J, для которых имеются сведения в рекомендации ITU-R Р.368-9.
Таблица 1
Значения констант почвы и диэлектрической проницаемости среды для кривых распространения земных волн, приведенных в Рекомендации ITU -R Р.368 [4]
Номер рисунка Описание Проводимость (См/м) Относительная диэлектрическая проводимость
[ Морская вода, низкая соленость 1 00
2 Морская вода, средняя соленость 5 80
3 Пресная вода Зх 10"3 80
4 Суша 3 х 10"2 40
5 Влажная почва 1 х 10" 30
6 Суша 3 х 10"3 22
7 Среди ее у хая почва I х 10'j 15
8 Сухая почва Зх I0"1 7
9 Очень сухая почва 1 х 10^ 3
10 Пресноводный лсд. - ГС 3 х 10"s 3
11 Пресноводный лед. -Ю°С 1 х Ю"' 3
2. Опенка коэффициента внешнего шума атмосферных помех, превышаемое в течение 2% времени передачи
Напомним, что для цифровых передатчиков условием качественного радиоприема является возможность правильного декодирования 98% звуковых блоков. Иначе говоря, нормативными документами допускается превышение уровня атмосферных помех выше порогового значения, оговоренного стандартом, в течение не более чем 2% времени передачи. В нашем случае значение коэффициента внешнею шума (шум-фактора) Ра превышаемое в течение 2% времени можно найти из кривых А и В (рис. 2), например, методом интерполяции.
Полученные значения представлены в табл. 2 (третья строка). Здесь же дополнительно приведены также (взятые из графиков, представленных на рис. 2) значения атмосферных помех дБ(мкВ/м), превышаемые в течение 0,5% (кривая А) и 99,5% (кривая В) времени, дБ(мкВ/М). В диапазонах НЧ и СЧ этот расчет дает уменьшение значения шум-фактора Р„ в среднем на 2,8...3 дБ. Эта величина составляет в среднем в диапазонах НЧ и СЧ около 6 дБ [8].
Рис, 2. Зависимость шум-фактора Г„, дБ(мкВ/м), от частоты/ Гц: кривая А - атмосферные помехи, превышаемые в течение 0,5 % времени; кривая В - атмосферные помехи, превышаемые в течение 99,5 % времени; прямая С - промышленный шум (тихое место); прямая О - галактический шум; прямая Е - медианное значение промышленного шума в деловой зоне; [7]
Таблица 2
Значения шум-фактора Рм медианный Е„ШШк и максимальный уровни атмосферного шума£'шше в функции от несущей частоты при полосе частот радиоканала 10 кГц для диапазонов НЧ и СЧ
1[ас i'>i:i. МГц 0,15 0,2 0,30 0,5 1,0 1,5
1 Значение атмосферных помех F„, превышаемое в течение 0,5% времени лБ(мкВ'м) 134 129 123 112 100 92
2 Значение атмосфер!шх помех F„, превышаемое в течение 99,5% времени лБ(мкВ м). 47 42 26 15 2 23
J Значение коэффи[тента шума атмосферных помех превышаемое в течение 2%, времени передачи, дБ(мкВ,'м> 128 123 117 106 04 86
4 Медианное значение уровня атмосферного шума £„„.„., превышаемое в течение 2% времени передачи, дЬ(мкВ'м), 56 53,5 51 44,5 38.5 34
5 Максимальное значение уровня атмосферного шума Ет превышаемое в течение 2% времени передачи, дБ(мкВ/м}, расчет по ланным ITU-R 60 58 50 48 42 38
6 Изменения максимальных значений уровня атмосфер но ¡о шума превышаемого в течение 2% времени передачи для территории республики Ангола, дБ(мкВ/м), получены с использованием программы NBWMax (Noise Hand Width Maximum), |8| 5062 4760 4555 3853 3346 3143
Примечание: данные, представленные в строке 6, дают средние значе-1, практически совпадающие с данными строки 5 дчя диапазона СЧ.
3. Расчет медиан и ого значения уровня шума.
В четвертой строке табл. 2 даны ожидаемые оценки медианного значения уровня атмосферного шума £*,„„,„., рассчитанные но выражению 2 17,8], для полосы частот радиоканала 10 кГц и для времени превышения 2% ;
Еатш = Fa + 20 log/Mr* + В- 95,5 дБ (мкВ/м),
(2)
где: Е,„м„, — нпряженность поля атмосферного шума, дБ(мкВ/м), в полосе частот приёмника Ь;/М1[1 - средняя частота радиоканала, МГц; В = \ 01ц6, Гц; Р„ - коэффициент внешнего шума, называемый шум—фактором, определяется в общем случае как, |7, 8, 9]:
Fa —10 log
кТф
Здесь Р„пм ~ МОЩНОСТЬ атмосферного шума с выхода эквивалентной антенны без потерь. Формула (2) справедлива для короткой штыревой антенны при условии, что высота подвеса антенны /) существенно меньше длины волны (А « X),
4, Расчет максимальною уровня атмосферного шума.
Полученные с помощью выражения 2 значения являются усредненными данными уровня атмосферного шума но всей поверхности Земли, не учитывающими:
- географические координаты территории,
- грозовую активность,
- атмосферные возмущения, вызванные электрическими разрядами,
- климатические изменения, сезонные колебания и ряд других факторов.
Для их точного учена в [8| предлагается следующее выражение:
" + 20!S fun, + 10 lg Ь - 95,5 + А0(У„)„
дБ(мкВ/м).
(3)
Terra, полосы частот приемника, от сезонных и климат ических колебаний, наблюдаемых на данной территории, на основе представленных в рекомендации 1TU-R Р.372-13 данных, - это очень трудоемкая задача. Подобные вычисления ранее уже были выполнены рядом авторов с использованием разработанного ими для этой цели соответствующего программного обеспечения. При этом наиболее полные результаты по оценке уровня атмосферных шумов были получены в [10], где было найдено распределение максимального уровня атмосферного шума Еая ш , превышаемое в
течение 2% времени передачи но территории Земли дня диапазонов НЧ и СЧ [10] и дополнительно для Замбии |9J, граничащей на востоке с Республикой Ангола. Полученные результаты после уточнения и сопоставления с данными публикаций других авторов приведены в строке 5 табл. 2. Следует отметить, что они носят все же оценочный характер, требуют экспериментального уточнения.
Для промежуточных значений несущих частот, не указанных в табл. 2, максимальное значение уровня атмосферного шума, превышаемое в течение 2% времени передачи, вычисляется методом интерполяции из двух соседних значений.
Максимальные значения уровня атмосферного шума, превышаемые в течение 2% времени (табл. 2, строка 5), представляют собой обобщенные данные, не учитывают распределение их значений по территории республики Ангола. Пример их распределения по территории республики Ангола представлен на рис. 3 и в табл. 2, строка 6. Эти кривые получены с помощью программы NBWMax (Noise Bandwidth Maximum), разработанной в МТУСИ [8].
Как atnospheric radio -jn exceeding in of tijae. M MHz? BW-10000H-
::: • i "L:: : :l Л E С & da tft \ dc £ Л tl 11\П О L = С di t rHXl
HD1EMOU . t
Здесь Р„,„„,ъ2% - ожидаемые значения уровня атмосферного шума, превышаемые медианные значения в течение 2% времени для каждого из четырех сезонов (зима, весна, лето, осень) и для каждого из шести временных блоков: 0,00-04.00, 04,00-08,00, 08,00-12,00, 12,00-16,00, 16,00-20,00 и 20,00-24,00, местное время; Ао(У^ат.ш -поправка, учитывающая возможные отклонения уровня атмосферного шума относительно значения /Г^ ш 2% .
Для расчета величин и ААЮ^.ш » рекомен-
дации ["Ш-Я Р.372-13 для каждого сезона и соответствующих ему шести временных блоков приведены три группы кривых:
- ожидаемые значения уровня атмосферного шума Рат (рис.15,а - рис,38,а) на частоте 1 МГц;
- изменения уровня атмосферного шума от частоты (рис.15,Ь - рис.38,Ь);
- данные по изменчивости характера шума (рис, 15,с -рис.38, с).
Из совокупности этих кривых следует, что расчет значений Е„тШ2% и А„(У,1)иш, зависящих от значения несущей час-
- ubgitdde (degrees east»
Рис, 3. Пример фактического распределения максимальных уровней атмосферного шума, превышаемые в течение 2% времени: частота 1МГц, полоса частот 10 000 Гц
Дчя всех частот диапазона СЧ тенденция распределения максимального уровня атмосферных шумов, превышаемых в течение 2% времени передачи, одинакова. Их учет необходим при частотно-территориальном планирования и нри расчете зон обслуживания радиовещательных станций сети цифрового радиовещания.
J.
5. Расчет уровни индустриального шума.
Медианный уровень индустриальных (промышленных) шумов может быть рассчитан также а соответствии с рекомендацией ПЛ-ЯР.372-13 по формуле:
К.» = К, + 201ё/ш, +! О \&Ь - 95,5, дБ(мкВ/м),
причем Р^с-аЬъ/ип,, (4)
где с и [5 - константы, их значения взяты ИЗ рекомендации ГШ-КР.372-13 (табл.3)
Таблица 3
Значения коэффициентов end
Тип местности с D
Индустриальная тона 76,8 27,7
Жилая зона 72,5 27,7
Сельская зона 67,2 27,7
Тихая сельская местность 53,6 28,6
Вычисления по формуле 4 приводят к результатам, приведённым в табл.4
Таблица 4
Уровни напряженности поля промышленного шума для индустриальной, жилой и сельской зон (полоса частот радиоканала 10 кГц)
Несущая частота f. МГц 0.5 0.6 0,7 0,8 0,9 0.1 1,5
Индустриалы 1ая зона, £„, Б( мкВ/м) 23,61 S 23,008 22.493 22,046 21,652 21,3 19,944
Жилая юна, £,.„, дБ( мкВ/м) 19,318 18,708 18.193 17,746 17352 17 15,644
Сельская местность,„,, дБ( мкВ/м) ¡4,018 13,408 12,893 12,406 12.052 11.7 10.344
Очевидно, что уровни индустриальноrQ шума со временем могут изменяться, в зависимости от хозяйственной деятельности на территории. Кроме того у индустриального шума часто имеется импульсная составляющая, она может оказывать влияние па рабочие характеристики систем и сетей ЦРВ.
6. Расчет уровни суммарного шума в точке радиоприема.
Зная уровни шума каждого из источников, учитывая, что они являются статистически независимыми источниками, находим уровень суммарного шума в точке приема как:
Щт = \Я,.пер2 + <„ПР + + euJ . мкВ/м, (5)
гдееш пср - напряженность поля шумов, создаваемая передатчиком в точке радиоприема (па границе зоны обслуживания); еш — напряженность поля шума приемника, приведенная к его входу; еш и2% - напряженность поля атмосферных шумов; еи ш ~ напряженность поля индустриальных шумов. Заметим, что предварительно эти значения должны быть переведены из относительных единиц (дБ) в абсолютные значения, мкВ/м. Затем полученное суммарное
значение шума (5), если это необходимо, следует снова перевести в децибелы, д£(мкВ/м);
В соответствии с рек.[Ти-К 1615-113] уровень собственного шума приемника, приведенный к его входу, для диапазонов IГЧ и СЧ не превышает 30,5 дБ (мкВ/м) и 24,5 дБ (мкВ/м) соответственно при полосе частот приемника на уровне промежуточной частоты равной 10 кГц. При данных значениях собственного шума приемника их влияние па размер зоны обслуживания передатчика в диапазонах НЧ и СЧ, где велик уровень атмосферного шума, практически можно не учитывать.
Мощность шума передатчика в точке радиоприема Ешпер может быть найдена по формуле:
Еи,Мр= - ЗКН=Есг1ер - 101$(Ре.и„1/Рш.тр), дБ(мкВ/м),
(6)
где Ес иср - напряженность поля полезного сигнала, дБ(мкВ/м), создаваемая передатчиком мощностью Рс.пер, кВт, на расстоянии г для заданных значений удельной проводимости почвы а, диэлектрической проницаемости среды распространения £ и несущей частоты /; = 101к(Рс,„1рРшиср) — отношение сигнал/шум, берется для передатчика из его технических условий.
7. Расчёт минимальной требуемой на и ряже ни ости
поля передатчика на границе зоны обслуживании.
В соответствии с рекомендацией ITU-R BS. 1615-1 для приема сигнала стандарта DRM с вероятностью появления ошибки BER не превышающей 1-10 необходимо выполнение условия:
, дБ{мкВ!м) и
(7)
где: 10logebii - напряженность поля суммарного уровня шума, дБ(мкЁ/м); SNR u — требуемое стандартом DRM для
достижения вероятности появления ошибки BLR=l ■ 10 ' отношение си гнал/шум, зависящее от режима устойчивости, типа модуляции, скорости кода работы передатчика (эти данные берутся из соответствующих таблиц указанной выше рекомендации); Етре6 - требуемая стандартом минимальная напряженность поля сигнала передатчика при радиоприеме.
Данная зависимость далее используется для определения радиуса зоны обслуживания передатчика, на ее границе должно выполняться условие 7.
8. Учет долговременных и кратковременных
колебаний напряженности ноля сигнала
DRM-пердатчика.
При расчете зоны обслуживания передатчика до сих пор было учтено только влияние частоты, проводимости почвы и диэлектрической проницаемости среды для земной волны. Однако картина, связанная с изменениями напряженности поля сигнала передатчика, много сложнее (рис. 4).
Она существенно зависит также от:
— сезонных климатических изменений и солнечной активности,
- рельефа местности.
■Н-Н-
PYedctert Field Strength , Maasued Refd Strength
Ш fU*
100 150
fnsn лрркяоп {km)
a)
I 90 §
i
I so
1 .jjrv*\
,--------
г i4WWW
1 1 1
50
100 150 200
Прейденное расстояние (м) Мгновении напряженность пега Долговременный ксыпдаент
б)
времени нет точных математических моделей для учета влияния каждого из этих факторов. Тем не менее, существующие массивы экспериментальных данных, накопленных за большие периоды наблюдения, после их статистической обработки позволяют оценить их влияние на размер зоны обслуживания, например, в качестве поправочных коэффициентов, правда, с определенной степенью вероят ности.
Сезонные колебания напряженности поля. В ряде исследований было выявлено, что среднемесячные значения сезонных изменений уровня сигнала достигали 4-5 дБ, Была установлена корреляционная связь изменения уровня сигнала с наружной температурой, влажностью, давлением и другими параметрами атмосферы. Наибольшая корреляция, как выяснилось, существует между изменениями уровня сигнала и температурой. В северном полушарии, где температурные сезонные изменения весьма значительны эти долговременные изменения могут достигать 15 дБ (табл. 5 и 6, рекомендации МСЭ-Г1 Р.368-9 и Р. 1321-3, [121).
Таблица 5
Сезонные климатические изменения напряженности ноля передатчика
Средняя температура января, "С 4 0 -10 -16
Типичное изменение, дБ(мкВ/м) 4 S 13 15
85 90 95 102 107 112 Расстояние от передатчика (км)
- Высота (по данным CPS)
—I— Напряженность псста
в)
Рис. 4. Примеры долговременных и кратковременных изменения напряженности поля передатчика: а - пр едсказанные и измеренные значения; б - долговременные и кратковременные изменения; в - в зависимости от рельефа местности
— времени суток, ибо в темное время суток появляется пространственная волна, приводящая к появлению зон фединга при одновременном существенном увеличении радиуса зоны обслуживания,
— изменений проводимости почвы и диэлектрической проницаемости среды на пути распространения земной волны;
— значительно меняется даже в пределах одного километра обслуживаемой территории. Эти факторы вызывают как долговременные, так и кратковременные изменения напряженности поля сигнала DRM-передатчика. К настоящему
Изучение публикаций, посвященных данной проблеме, показало, что колебания напряженности поля передатчика имеют наибольшие значения на небольших расстояниях от него (несколько десятков км), на территориях с резко континентальным климатом (рис. 4,а и 5, табл. 6), [12].
К сожалению, подобные многолетние измерения для территории, где расположена республика Ангола, в публикациях отсутствуют. Средние месячные сезонные изменения температуры в республике Ангола лежат в пределах от +17 до +20°С. Учитывая тенденцию этих изменений в средних широтах (табл. 5 и 6), их влияние для территорий, расположенных в тропической зоне (рис.5), можно считать незначительным. В первом приближении для республики Ангола сезонные изменения напряженности поля передатчика можно не учитывать.
Колебания напряженности поля от места к месту. Изменения напряженности поля в пределах даже одного км в диапазоне СЧ может достигать существенных значений (рис. 5), рек. 1Ти-К Р. 1147-4.
25 т
20
15
10
Россия Новосибирск°
о" .Mooia Шмпшрша
□ с \ СШ«,
Б Индия
■1в -15 12 -9 6 -3 0 3 6 9 Срслняя температура января, "С
12 15 18
Рис. 5, Средний годовой размах изменений напряженности поля передатчика [ 13]
Таблица 6
Сезонные изменения напряженности поля передатчика по результатам многолетних наблюдений [13]
РсгИОИ, 11iMtpCJIll/l, ИСЧО'ШИК Срглмин к I: F. н 1 х н. | ¿1 Чагтсто. Длодш
Ttfillttp., 1 ]). С кГц трйгсы. ны jm >M.I\ Д1;
США, 103» 1М0. |:1| Л ЬШ Ж2 4,10
1941 4 МО 11? Л,Я)
1946, (l.lj 4 1310 ш 1,60
■Л» 4 SW) 302 2 ДО
Швейцария, 1038 11, 11| О 556 62 7,7»
О SM из <(,36
о K77 вз М2
Финляндии, 1992. |13| 4 [иокнлн ''-«'Г'.' 963 211 ■1,00
Россия (Москва), 1DG6 |[)68, |5| -1с MS 711 4,37
(Москва), 1997-2003, 10J + -111 GS.4 14,01
п"к\1цис 1гшс[х'|[нн
-10 M9 Kt.2 14,81
-10 612 14.4 9,6в
-id bos 31,2 K,OS
-in 73s 31,1 13,14
и. -10 702 31,1 1.4,17
_ , _ -10 Mil 10.4 20,22
_ 1 _ -10 wr. ввз 14,011
_ «_ -10 873 16,29
(1, -10 57.1 13,28
-10 У lb В6.9 11,99
Poccttri (Ни№С(<Н1ргк}, I'jHh нею, 1с] -1G 576 № & ]Г,
1.0
0.9
o.s
0.7 0.6 0.5
од
0,3 0,2 0.1 0.0
У
/
У
J
/
/
У
--о—
-15
-10
-5 0 5
Значение отклонения {лБ>
10
—*— Результаты нэдерекнй —о— Расчет с 1 [спатьзеванием а = 3.72 дБ
р|Л21-а<
Рис. 6. Вероятность изменения напряженности поля земной водны от места к месту, [рек. [ТУ-К Р. 1147-4]
Из рис, 6 следует, что для 98% времени правильного декодирования звуковых блоков напряженность поля передатчика следует увеличить на 10 дБ (соответственно для вероятности отклонения 0,02). При расчете суммарного значения уровня шума учтены максимальные значения, превышаемые в течение 2% времени передачи (а это весьма большой запас), поэтому можно, учитывая статистическую независимость этих двух факторов, прийти к выводу, что вероятность одновременного появления минимальной напряженности поля передатчика и максимального уровня шумов крайне мала. Учитывая это, в [11] предлагается уменьшить этот запас на меньшую величину равную 5 дБ(мкВ/м). Большое
число измерении данного явления в загородной среде в разных частях мира (Америка, Европа, Африка) показало, что величины стандартных отклонений от средних значений лежат в интервале 3...4 дБ. При этом имеет место логарифмически нормальный закон распределения отклонений от средних значений со срсднсквадратическим значением равным 3,5 дБ, что хорошо согласуется с данными рек. П'и-И Р. 1147-4. Здесь логарифм случайной величины имеет нормальный закон распределения
Все же, учитывая изложенное выше, можно допустить и несколько меньшее значение изменения напряженности равное 3 дБ(мкВ/м), что соответствует времени превышения требуемого уровня ~ 85% (рис. 6).
Колебания, обусловленные городской застройкой и рельефам местности. Локальные изменения напряженности поля сигнала передатчика, имеющие место в городской застройке и при неровностях рельефа, могут достигать существенных значений. Среднее значение глубины замираний составляет около 7 дБ, в отдельных случаях может достигать 23 дБ (табл.7).
Затухание внутри помещений могут на самых верхних частотах диапазона СЧ достигать 23 дБ(мкВ/м), рис.7, рек. МСЭ-Я Р.368.
Колебания напряженности поля, обусловленные нерав-номерностями рельефа, наличием сооружений искусственного характера, носящие локальный характер, приводят к появлению в зоне обслуживания мест, где вследствие значительного падения напряженности поля передатчика, прием сигнала может быть невозможным. Выявление этих зон возможно в настоящее время только путем проведения соответствующих экспериментальных исследований.
Таблица 7
Глубина замираний напряжен поте и поля земной волны приналичии искусственных сооружений [14]
Сооружение Шжрина (м) Глубнна умирания <лБ)
Шоссе или путепровод 18-24 23,1
14-16 12,6
10-12 9.8
6-9 8.3
Все 9,1 (qiejHee значение)
Пешеходный переход 2-3 6.5
Ферма над дорогой для подцепи 1н;|ння дорожных знаков - 5,1
Это явление можно учесть при частотном планировании передающей сети, размещением передатчиков вблизи этих локальных зон, выбирая их мощность таким образом, чтобы с учетом глубины этих замираний минимальная требуемая напряженность поля и требуемое отношение сигнал/шум оставались бы выше значений, оговоренных соответствующим стандартом.
+erp.. í мкВ/м,
(8)
где е,
и е напряженности поля соответственно земной
Отношение капряжен- Средний уровень, Стандартное
ности поля земной и отнесенный к сред- отклонение, дБ
пространственной волн, нему значению уров-
дБ ня составляющей земной волны, дБ
0.5 {-6 дБ) + 1,3 0,7
1 (0 ДБ) +4,4 1,35
2 (+6 дБ) +5,7 2,0
«ОЙ ->00й 9000 1 1000 1300С 1»0Й 1 700 Й Частота 1*Гп]
Рис. 7. Потери внутри помещена б, диапазон СЧ, [14]
Влияние пространственной волны. В темное время суток в диапазоне СЧ, как известно, появляется пространственная волна. Её появление приводит к увеличению радиуса зоны обслуживания передатчика при одновременном появлении зов фединга, в пределах которых имеет место изменяющееся во времени значение напряженности поля, затрудняющее или делающее вообще невозможным радиоприем на части мест внутри лой зоны. Амплитуду сложного сигнала еТ, являющегося комбинацией устойчивой земной волны и пространственной волны с логарифмически нормальным распределением, можно получить как сумму мощностей, [рек. МСЭ-И Р. 1321-5]:
CiQpOC'V (S Oí " Itmo* иярты
f 0« r 1
Седость MWC«'*1 ros УрО!«ч> Hi|iiH r 0
г шш r Qft f 1
Г 071 r 2
tf" 079 4 3
Г* ■75 ян Гш i aiMj ■ 1«
»■■ пи дЫ .■ 11 щл
' | 3
и пространственной волн, где каждое из слагаемых имеет логарифмически нормальный закон распределения [рек. ГГО-Е 1015. Наличие пространственной волны приводит к увеличению прогнозируемой напряженности поля, зависящем от соотношения их уровней (табл. 8, рек.ГШ-К Р. 1321 - 5),
Таблица 8
Влияние уровня пространственной волны па напряженность поля передатчика, [рскЛТУ-Р Р. 1321 - 5].
Учитывая все изложенное в этом разделе, примем величину поправочного коэффициента для земной волны равной минус (3...5) дБ{мкВ/м), а для пространственной волны среднее значение равное плюс 4 дБ(мкВУм).
9. Программа для расчета зоны обслуживания цифрового передатчика.
На основе данного алгоритма {рис. 1) была разработана в среде Matlab компьютерная программа для расчета радиуса зоны обслуживания цифрового передатчика стандарта DRM. Её интерфейс представлен на рис. 8.
Рис. 8. Интерфейс компьютерной программы для расчета зоны обслуживания цифрового и Я М-передатчика
В левой верхней части интерфейса расположены (сверху вниз):
- ноле ввода отошения сигнал/шум передатчика, 5'Л'7?,К.,,, дБ, поле ввода уровня шума приёмника, приведет юго к его
входу, дБ(мкВ/м);
- поле выбора полосы частот радиоканала: 4,5; 5;9; 10 кГц;
- поле выбора значения несушей частоты передатчика: 500,600,700, 800,900 1000, 1200,1300,1400,1500,кГц;
- поле выбора типа местности: индустриальная зона, жилая зона, сельская зона.
В правой верхней части интерфейса расположены (сверху вниз):
- поле выбора процента превышения максимальных значений уровня атмосферного шума: 0,5%; 2%; 99,5%;
- поле выбора пары значений диэлектрической проницаемости среды о и проводимость почвы Е;
- поле выбора коэффициента направленности передающей антенны, дБ;
- поле ввода мощности передатчика, кВт;
- поле для ввода значения отношения сигнал/шум при радиоприеме SNR„|„ дБ, необходимое для достижения вероятности появления ошибки ВЕЯ = Ю"4;
- поле для ввода значения минимальной напряженности поля при радиоприеме,
В левой средней части интерфейса расположены поля данных при выбранном типе модуляции (сверху вниз):
- О ЛМ-16 (скорости кодирования: 0,5; 0,62 и уровня защиты 0 или 1);
- ЦАМ-64 (скорости кодирования: 0,5; 0,6; 0,71; 0,78 и уровня защиты 0; 1; 2; 3)
- кнопка «Расчете для запуска вычислений и вывода полученных результатов в форме зависимостей.
В левой нижней части интерфейса выводятся следующие данные расчета (сверху вниз):
- значение шум-фактора Р.т для индустриального шума;
- значение шум-фактора для атмосферного шума превышаемое в течение 2% времени передачи;
Рис. 11. Зависимость напряженности поля сигнала передатчика , от расстояния, км: мощность передатчика 40 кВт, -значение несущей частоты /- 549 кГц, проводимость почвы а =3■ 10'3 См/м, диэлектрическая проницаемости среды распространения í =15, режим устойчивости А; модуляция 16-ОАМ, скорость кода 0,5, уровень ■защиты 0, для максимального уровня атмосферного шума, превышаемого в течение 2% времени передачи, 44 дБ(мкВ/м), уровня индустриального шума 13,6 дБ(мкВ/м), отношения сигнал/шум передатчика 65 дВ, полосы частот радиоканала 10 кГц: земная волна
Таблица 9
Сравнение прогнозируемых (рассчитанных) данных и результатов измерений
Напряженность поля сигнала передатчика, дБ(мк8/м), мощность передатчика 40 кВт
Расчет с помощью разработанной программы: /=549 кГц, 0=3-КГ См/м, £=22; без поправочного коэффи цн сити, земная волна Результаты, полученные в [111
Расчетные данные, полученные и [11, рис. 6,23]; /=549 кГц, с-З-Ю*3 См/м, £-10, светлое время суток Расчет с помощью разработанной программы: ^549 кГц, 0=3105 Си/м, £ = 15; с поправочным коэффициентом, земная волна -5дБ Результаты измерений, полученные в [11, рис. 6,25]; /=549 кГц. а-3*103 См/м, £= [ 0, свеглое время суток
75 дБ(мкВ/м) при г=55 км КО дЁ(мкВ/м) при Г=60 км 70 дБ(мкВ/м) при г=55 км = (6К..76), дБ/(мкВ/м) при 1=55 км
65 дБ(мкВ/м) при г=90 км 70 дБ(мкВ/м) при 1=100 км 60 дБ(мкВ/м) при г=90 км =(58...65}, дБ(мкВ.'м) при г=90 км
60 дБ(мкВ/м) при г=Ч40 км 60 дБ(мкВ/м) при г=150 км 55 дБ(мкВ/м) при г-140 км дЬ(мкВ/м) при/ = 140 км
55 дБ(мкВ/м) при г-200 км 50 дБ(мкВ/м) при г=240 км 50 дБ(мкВ/м) при /^200 км =45 дБ(мкВ/м) при 1-^200 км
Результат совпадают с достатоной для практики точностью.
Заключение
1. Изложена методика расчета радиуса зоны обслуживания цифрового передатчика и разработанная на её основе компьютерная программа в среде Ма(1аЬ,
позволяющая расчитать радиус зоны обслуживания передатчика формата ОКМ на основе использования первичных данных, имеющихся в рекомендациях [ТЫ-И.
2. Наибольшие долговременные и кратковременные изменения напряженности поля передатчика наблюдаются в ближней зоне, на реезояниях не превышающих 50 км от передатчика, а также в зонах городской застройки и в местах, где есть резкие изменения в рельефе территории. Влияние этих факторов следует учитывать при размещении передатчиков.
3. В настоящее время база введенных в программу первичных данных относится к диапазону средних частот и содержит сведения, необходимые и достаточные для расчета радиуса зон обслуживания передатчиков применительно республике Ангола.
4. Правильность выпопяемых с помощью компьютерной программы расчетов подтверждена их хорошим совпадением с результатми измерений.
Литература
1. Комиссия РСС но регулированию радиочастотного спектра и спутниковых орбит. Отчет рабочей группы по радиовещанию «Внедрение цифрового звуковою вещания в полосах ниже 30 МГц. Документ РГ PB/06/249, 29 января 2016 г.
2. Рекомендация МСЭ-R BS.14I5-2 (03/2011) Система цифрового звукового радиовещания в диапазонах радиовещания ниже 30 МГц.
3. Рекомендация МСЭ-R BS.1615-1 (05/2011). Параметры планирования для цифрового звукового радиовещания на частотах ниже 30 МГц.
4. Рекомендация МСЭ-R Р.368-9(02/2007) Кривые распространения земной волны для частот между 10 кГц и 30 МГц.
5. Рекомендация МСЭ-R Р.832-3(02/2012) Мировой атлас проводимости почвы.Жснева
6. Справочник но распространению земных bojih,-ITU-R, Бюро радиосвязи. Издание 2014 года
7. Рекомендация МСЭ-R Р.372-13(09/201 б) Радиощум.
8. Варламов О.В., Варламов В О. Распределение максимальных уровней атмосферных радиошумов в диапазонах низких частот и средних частот по территории земли // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли, 2017. Т. 9. №5. С. 42-51.
9. Сантуш Виржилио Mameyш Жоао Душ. Учет шума на частотах ниже 30 мгц при расчете зон обслуживания DRM-передатчиков. Сантуш Виржилио Матеуш Жоао Душ // Информатизация и связь. 2018. №5. С. 59-67.
10. Варламов ОВ.. Варламов ВО. Определение зоны обслуживания передачтчика цифрового радиовещания стандарта DRM с учетом распределения атмосферных радиошумов. М.Г МТУ СИ, 2018.
IL Варламов О.В. Технология создания сети цифрового радиовещания стандарта DRM для Российской Федерации, дис, ... докг. техн. наук: 05.12.04. М., 2017.
12. Рекомендация МСЭ-R Р. 1321-5(07/2015(Факторы распространения радиоволн, влияющие на системы, использующие методы цифровой модуляции на НЧ и СЧ.
13. Чернов.Ю.А. Распространение радиоволн и прикладные вопросы. Мл Техносфера, 2017. 682 с.
14. 1TU-R Справочник по распространению земных волн, 2014,
CALCULATION METHOD OF SERVICE ZONE DIGITAL DRM TRANSMITTER
Virgilio Mateus Joаo dos Santos, Malanzhe, Angola, [email protected]
Yuri A. Kovagin, St. Petersburg State University telecommunications them. prof. M.A. Bonch-Bruevich, St. Petersburg, Russia,
Alekseev M. Aleksandrovich, St. Petersburg State University telecommunications them. prof. M.A. Bonch-Bruevich, St. Petersburg, Russia,
Abstract
The object of study is the methodology and software developed by the authors in the Matlab environment for calculating the radius of coverage of a digital DRM transmitter at frequencies below 30 MHz (applied to the middle frequency range) based on the primary data available in the ITU-R recommendations. The basis of the performed calculations are the digitized data of the 1 kW transmitter field strength, calculated using the GRAWE program for different values of frequencies, soil conductivity and dielectric constant of the medium, available in the recommendation ITU-R P.368-9 in the form of corresponding curves. The method of calculation itself includes the following steps: calculations of the median and maximum values of the level of atmospheric noise, exceeded during 2% of the transmission time, the levels of industrial noise; total noise level exceeded during the 2% transmission time; minimum transmitter field strength at the boundary of the service area, at which the requirements necessary for comfortable listening are still being fulfilled; assessment of the correction factor to take into account long-term and short-term changes in the transmitter field strength, due to the presence of seasonal and climatic changes, solar activity, terrain, time of day; the influence of the spatial wave appearing in the dark, local changes in field strength in the service area. The final part presents the results of calculations obtained using the developed computer program, as well as a comparison of experimental and theoretical data. The data entered into the program is still oriented for use in the Republic of Angola, but is also useful for other territories.
Keywords: calculation of the service area, digital broadcasting in the DRM format. References
1. RCC Commission for Regulation of the Radio Frequency Spectrum and Satellite Orbits. Report of the working group on broadcasting "The introduction of digital sound broadcasting in the bands below 30 MHz. Document RG PB / 06/249, January 29, 2016.
2. Recommendation ITU-R BS.1415-2 (03/2011) A digital sound broadcasting system in the broadcasting bands below 30 MHz.
3. Recommendation ITU-R BS.1615-1 (05/2011). Scheduling parameters for digital sound broadcasting at frequencies below 30 MHz.
4. Recommendation ITU-R P.368-9 (02/2007) Ground-wave propagation curves for frequencies between 10 kHz and 30 MHz.
5. Recommendation ITU-R P.832-3 (02/2012) World Atlas of Soil Conductivity. Geneva.
6. Handbook on Earth Wave Propagation, -ITU-R, Radiocommunication Bureau. 2014 Edition.
7. Recommendation ITU-R P.372-13 (09/2016) Radio noise.
8. Varlamov O.V, Varlamov V.O. (2017).The distribution of maximum levels of atmospheric radio noise in the low-frequency and mid-frequency bands over the land. Science-intensive technologies in Earth space research. Vol.9. No. 5, pp. 42-51.
9. Santos V. Kovagin Yu.A. (2018). Accounting for noise at frequencies below 30 MHz when calculating the service areas of DRM transmitters. Informatization and Communication, no. 5, pp. 219-231.
10. Varlamov O.V., Varlamov V.O. (2018). Determination of the service area of the DRM digital radio broadcasting standard, taking into account the distribution of atmospheric radio noise. MTUCI. Moscow.
11. Varlamov O.V. (2017). Technology for creating a digital broadcasting network of the DRM standard for the Russian Federation: dis. ... Dr. tech. Sciences: 05.12.04. M., 2017.
12. Recommendation ITU-R P.1321-5 (07/2015). Propagation factors affecting systems using digital modulation techniques at LF and MF.
13. Chernov. Yu.A. (2017). Radio wave propagation and applied issues. Moscow: Technosphere 682 p.
14. ITU-R Handbook for Earth Wave Propagation. Publishing. (2014).
Information about authors:
Virgilio Mateus Joаo dos Santos, Postgraduate student — department of radio communications and broadcasting of St. Petersburg State University telecommunications them. prof. MA. Bonch-Bruevich, Malanzhe, Angola
Yuri A. Kovagin, Doctor of technical sciences, professor, department of radio communications and broadcasting of St. Petersburg State University telecommunications them. prof. MA. Bonch-Bruevich, St. Petersburg, Russia
Alekseev M. Aleksandrovich, Master student — department of radio communications and broadcasting of St. Petersburg State University telecommunications them. prof. M.A. Bonch-Bruevich, St. Petersburg, Russia
