CC BY
9УДК 621.396.6:621.397
И.Р. Маридиев, А.А. Обовской, С.А. Хрущ, А.О. Шорохов
ОПЫТ ИЗМЕРЕНИИ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
SFN DVB-T Г. ВЛАДИВОСТОКА
Рассматриваются вопросы технологии измерений электромагнитного поля SFN DVB-T г. Владивостока и анализа данных полевых экспериментов. Установлено, что внутри зоны обслуживания SFN DVB-T распределение напряженности поля имеет неравномерный характер, выявлены проблемные участки в некоторых районах города, где качество сигнала не удовлетворяет требованием ГОСТа.
Ключевые слова: измерения напряженности электромагнитного поля, одночастотная сеть DVB-T, зона обслуживания.
Распространение цифрового эфирного телевещания в городе Владивостоке потребовало обеспечения полного покрытия зоны обслуживания с заданными показателями качества (95% по времени и 95% по местности) при условии фиксированного приема [1]. Для того, чтобы добиться этих показателей в условиях сложного рельефа города и вызванного этим наличия сложной ЭМС запущена в эксплуатацию одночастотная сеть телевещания (SFN), в настоящее время заканчивается ее перевод на новый стандарт вещания. В связи с переводом вопросы оценки качества вещания в зоне SFN в таких условиях очень актуальны и представляют практический интерес. Целью настоящей работы является предварительный анализ данных измерений величины уровня сигнала DVB-T на входе абонентского устройства, ошибок по битам (BER), ошибок модуляции (MER) в заданных контрольных точках зоны обслуживания SFN.
Полевые измерения напряженности поля DVB-T проводились в период 2013-2014 годы в соответствии с рекомендациями методики НИИР для определения зоны обслуживания передающей станции наземного цифрового ТВ-вещания стандарта DVB-T, которые касаются только технологии измерений. Цель определения границ зоны обслуживания и принадлежности точки измерений к ней не задавалась [2]. Применялось измерительное оборудование: калиброванная всенаправленная измерительная антенна с фидером, калиброванная направленная измерительная антенна HE-200 с фидером, спектроанализаторы R&S ESMB и R&S ETL, тестовый приемник (для сигналов стандарта DVB-T) R&S EFA40, программный комплекс для обработки результатов измерений АРГУС R&S, GPS приемник. Схема коммутации измерительного оборудования представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема коммутации измерительного оборудования
Из-за влияния помех и неоднородностей среды распространения радиоволн, параметры сигнала БУВ-Т в зоне покрытия нестабильны и подчиняются статистическим законам, в связи с чем, все расчеты и планирование ТВ-сетей осуществляются на основе усредненных за оговоренный период величин. Самым быстрым и удобным является способ определения медианных значений параметров, например, напряженности поля сигнала.
© Маридиев И.Р., Обовской А.А., Хрущ С.А., Шорохов А.О., 2016.
Методика измерений включает в себя: в каждой контрольной точке зоны обслуживания на открытой квадратной площадке со стороной 100 м (малая зона приема) в течение не менее пяти - десяти минут спектроанализатором R&S ESMB, либо R&S ETL фиксировались уровни напряженности поля принимаемого сигнала (не менее 150 отчетов), а тестовым приемником - коэффициенты ошибок по битам (BER) и модуляции (MER). Данные измерений привязанные к местности записываются в базу данных для последующей статистической обработки. Практика показывает, во Владивостоке в условиях плотной застройки весьма редко удается отыскать площадку по параметрам, близкую к рекомендованной в виде квадрата с размерами 100x100 метров [2], чаще всего приходится обходиться открытыми участками улиц и дорог. Более точные результаты могут быть получены на площадках, расположенных на крышах домов превосходящих по высоте в выбранных малых зонах, что практически невозможно выполнить в реальных условиях.
Измерения напряженности электромагнитного поля сигнала DVB-T проводились для условий фиксированного типа приема, при этом измерительная антенна располагалась в дальней зоне излучения антенны станции НЦТВ в соответствие с рекомендациями [2]. Следуя руководству по эксплуатации, на спектроанализаторы устанавливались следующие параметры: - центральная частота, Fc (FREQ) - равная номинальной центральной частоте 37 ТВ-канала - 602,491 Мгц; - полоса обзора (SPAN) - 8 МГц; - полоса пропускания (RBW) - 40 кГц; - тип фильтра полосы пропускания (RBW) - нормальный (Normal); -полоса видео фильтра (VBW=3 RBW) - 120 кГц; - период развертки (Sweep time): для фиксированного приема: - 2 с; - детектор - среднеквадратический (RMS); - режим отображения (TRACE) - "очистить/записать" (Clear/Write); - единица отображения результата измерения (Unit) - дБ (отн. 1 мкВ). Ширина полосы канала (Channel bandwidth) устанавливалась равной 7,61 МГц.
Дальше выполняется процедура измерений напряжения сигнала иизм в дБ (отн. 1 мкВ) и рассчитывается электрическая составляющая напряженности электромагнитного поля Еи с учетом коэффициента калибровки измерительной антенны по соответствующей формуле [2].
Для каждой контрольной точки ансамбль отчетов подвергается статистической обработке - вычисляется медиана и стандартное отклонение. Стандартное отклонение вычисляется в соответствии с [3], по формуле (1):
^ = 101og1(
V
(Е1 -у)2 + (Е 2 -у)2 +...( Е n -у)2
n -1
где Gsp - стандартное отклонение напряженности поля, Еп - напряженность поля п-го отчета,
ц - среднее арифметическое значение всех напряженностей поля в точке.
По величине стандартного отклонения, оценивается тип канала приема в каждой точке, после чего по формулам 2 или 3 (в зависимости от полученного типа канала) вычисляется поправка к измеренной напряженности поля.
C / C / N
— *(?„ - 3)
(2)
C / _- C / N„
— -1)
(3)
j—i _ ~ рэлеи гаусс .j. s
С a _ рэлея 2 (a sp )
__райс гаусс ^ s ^ч
a _ райса ^ (a sp )
где Со_рэлея - поправка к измеренной напряженности поля в канале Рэлея,
С0_райса - поправка к измеренной напряженности поля в канале Райса,
C/N рэлей, C/N райса, C/N гаусса - поправка к требуемому отношению сигнал шум при различных каналах приема, из ГОСТ [4].
Все измерения производились на высоте 1.5 метра над землей, что соответствует условиям портативного приема. Для условий фиксированного приема измеренные значения напряженности поля корректировались на высоту 10 метров увеличением на 12 дБ, как следует из [5]. Всего, количество контрольных точек измерений (малых зон приема) в одночастотной сети DVB-T превысило 900, малая часть из которых относится к открытому типу трассы распространения сигнала, а большая часть - к закрытому и полузакрытому.
Во всех точках измерения осуществлялось измерение напряженности поля сигналов всех полезных передатчиков ОЧС формирующих покрытие с использованием направленной измерительной антен-
ны, развернутой в направлении отдельно для каждого полезного передатчика. Фиксировался больший результат, а максимум напряженности поля полезного сигнала можно измерить путем поворота направленной антенны на 360°.
Контрольные точки измерений задавались исходя из анализа модельных расчетов зоны покрытия SFN г. Владивостока и измерения проводились предпочтительно в проблемных зонах. Для выявления возможных проблемных областей рассчитываем зону покрытия SFN с использованием модели Лонгли-Райса (верифицированный программный комплекс Radio Mobile (версия 11.4.3)) [6] и электронных карт территории с разрешением в 3 арк секунды (90 м).
Для расчета зоны покрытия SFN г. Владивостока принимаем параметры передающих станций, включая диаграммы направленности антенн, в соответствие с проектом ФГУП РТРС (см. соответствующие таблицы в [1]).
Фрагмент зоны обслуживания SFN г. Владивостока и прилегающих территорий рассчитанной по модели Лонгли-Райса представлен на рис.3. Красным цветом на рисунке обозначены области, где рассчитанные величины напряженности поля сигнала DVB-T превышают требуемые в соответствие с ГОСТом для условий фиксированного приема уровни сигнала DVB-T (58 дБмкВ/м).
Проанализировав результаты модельных расчетов, видим - расчетная SFN г. Владивостока отвечает параметрам заявленным в проекте РТРС - процент местоположений для условий фиксированного приема достигает 95%. В то же время в пределах городской застройки выявляются участки с уровнем сигнала ниже того, что требуется.. На рисунке отмечены наиболее явные из них - предполагаемые основные «зоны теней» SFN DVB-T, в которых могут наблюдаться проблемы с приемом телевизионного сигнала. Это густозаселенные части города - районы Стрелковой (2) и Снеговой пади (1), бухты «Тихой» (3). Помимо этого, выявляются и другие малые проблемные участки в районах ул. Черняховского и Ватутина, некоторых районах г. Артема. Эти выделенные по модельным расчетам участки SFN и приняты в качестве основных областей, в которых в дальнейшем проводились измерения.
Результаты обработки данных полевых измерений показывают, прежде всего, что для сильно пересеченной местности г. Владивостока характерны значительные пространственные вариации напряженности поля DVB-T. Установлено, что даже в пределах малой зоны приема (100 х 100 м) возможны отклонения уровня напряжённости поля в 5-10 дБ, а его стандартное отклонение может достигать 8 дБ. Расчеты показывают - видами канала приема практически для всего города являются каналы Райса и Рэлея, с преимуществом последнего. В виде примера, в таблице 2 представлена выборка результатов измерений напряженности поля и расчетов статистических параметров в направлении основной передающей станции на сопке «Орлиная» - дополнительная передающая станция в поселке Раздольном.
русский
o*fc
Рис. 2. Фрагмент расчетной зоны обслуживания г. Владивостока и прилегающих территорий
Таблица 1
Результаты измерений напряженности поля в направлении «основной передатчик сопка «Орлиная - Раздольное»
Номер малой зоны измерений Долгота Широта Измеренная напряженность поля, dBмкВ/м Расстояние, км asp Корректирующий коэффициент (Поправка на тип канала, дБ) Нормированная напряженность поля, dBмкВ/м
410 131°54'25,1"E 43°07'59,9"N 72,53 1,40 4,58 6,65 65,88
17 131°54'56,2"E 43°10'09,0"N 85,17 5,32 3,28 1,19 83,98
24 131°57'18,1"E 43°12'49,3"N 54,36 10,85 4,04 4,37 49,99
30 131°57'55,9"E 43°15'10,8"N 73,45 15,26 2,18 0,65 72,80
37 131°59'40,6"E 43°17'55,9"N 68,61 20,80 2,76 0,96 67,64
42 131°59'59,8"E 43°20'20,6"N 64,34 25,18 1,64 0,35 63,99
88 132°00'36,0"E 43°23'00,0"N 65,68 29,90 2,88 1,03 64,64
Заметно, что в данном, «северном» направлении от основной передающей станции на расстоянии более 4 км (малая зона №24) нормированная напряженность поля намного ниже критической, а в пределах 20 км намного выше. Такое явление резких «падений» напряженности поля наблюдается и в некоторых других местах приема. Возможная причина - влияние на характер поля в месте приема явления интерференции двух волн - нижней (переотраженной ровной подстилающей поверхностью) и верхней (прямой) [2]. Их сложение и вычитание при распространении над относительно гладкой поверхностью может сопровождаться изменениями напряженности поля, что и фиксируется при измерениях. Кроме всего этого плотная городская застройка и рельеф являются возможной причиной значительных изменений напряженности поля.
Выше отмечалось - в соответствие с требованиями ГОСТа минимальная медианная напряженность поля для канала Гаусса при вероятности охвата мест 95% составляет 58 дБмкВ/м [2]. Данные измерений подтвердили наличие в пределах зоны обслуживания SFN г. Владивостока выявленных в результате модельных расчетов проблемных областей, уровень напряженности сигнала в которых намного ниже этого критического. Ими являются характерные участки районов города Снеговая и Стрелковая падь, бухты Тихой, части улиц Черняховского и Ватутина, бухты Диомид, ст. Весенней. В качестве примера в табл.3 и на рис. 4 представлены результаты измерений в некоторых характерных точках «теневых зон» в районе Стрелковой пади и бухты Тихой.
Таблица 3
Результаты измерений параметров сигнала DVB-T в проблемных зонах
№ малой зоны измерений Координаты центра зоны Расчетная медиана измерений в зоне с учетом поправки на высоту, дБмкВ/м Стандартное отклонение Корректирующий коэффициент Нормированное значение медианы в зоне измерений, дБмкВ/м
Бухта Тихая
312 131°57'58,8"E 43°05'28,9"N 61,80 4,24 5,19 56,60
318 131°58'44,8"E 43°05'44,7"N 68,64 3,97 4,09 64,55
319 131°58'25,9"E 43°05'46,7"N 70,24 4,33 5,58 64,66
320 131°58'13,6"E 43°05'35,5"N 63,97 4,70 7,12 56,84
322 131°57'59,5"E 43°05'26,3"N 64,88 4,26 5,28 59,60
Стрелковая Падь
423 131°57'34,1"E 43°06'52,3"N 69,55 4,68 7,05 62,50
425 131°57'24,4"E 43°06'24,8"N 69,85 4,74 7,32 62,53
430 131°57'27,2"E 43°06'27,8"N 70,34 4,13 4,76 65,58
431 131°57'31,1"E 43°06'37,1"N 65,11 3,43 1,79 63,32
433 131°57'17,2"E 43°06'37,9"N 65,60 4,93 8,09 57,51
Данные измерений также свидетельствуют о наличии участков, в пределах которых нормированная напряженность поля превышает минимальную требуемую для данных параметров сети величину, однако, из-за высоких значений битовых и модуляционных ошибок качественный прием сигнала DVB-T невозможен (см. рис.3). Скриншот с экрана R&S ETL зафиксированный при измерениях в малой зоне №321, район бухты Тихой (сигма = 7 дБ, канал Релея) и представленный на рис.4 демонстрирует этот типичный случай.
Рис. 3. Результаты модельных расчетов и измерений параметров сигнала DVB-T в проблемных зонах
В итоге, результаты измерений подтверждают известные предположения, что даже при высоких мощностях телевизионного передатчика внутри зоны покрытия могут существовать участки "тени", обусловленные дифракционными потерями из-за сложного рельефа города.
[L Digital Overview
S/N 101290, FW 2.30
Ch: — RF 602.000000 MHz DVB-T/H S MHz
* Att 10 dB ExpLvl 87.00 dB|jV
Level
58.6 dB|jV
Fail Limit « Results < Limit Unit
Level 47.0 58.6 117.0 dB|jV
Constellation 64 QAM NH / normal
MER (rms) 24.0 * 21.8 dB
MER (peak) 10.0 * 3.7 dB
EVM (rms) * 5.32 4.40 %
EVM (peak) * 52.23 22.00 %
BER before Viterbi * 1.9e-2(10/10) 1.0e-2
BER before RS * 1.6e-3(10/10) 2.0e-4
BER after RS * 6.6e-5(57/100) l.Oe-lO
Packet Error Ratio * l.le-2(57/100) 1.0e-8
Packet Errors * 5338 1 /s
Carrier Freq Offset -30000.0 -3.3 30000.0 Hz
Bit Rate Offset -100.0 0.0 100.0 ppm
MPEG Ts Bit rate 22.394117 MBit/s
OLim
PS
64 QAM NH (64NH) FFT 8k (8k) Gl 1/4 (1/4) 3/4,3/4 (3/4,3/4) Cell ID 0
TPS Res. 0,0,0,0 INTN (N) MPE FEC Off/Off Time SI. Off/Off LI 17
Lvl 58.6dB(jV I BER1.6S-3 | MER21.8dB DEMOD
MPEG
* - выходит за пределы допустимых значений Рис. 4. Скриншот с экрана R&S Е^ при измерениях в малой зоне №321, район бухты Тихой (сигма = 7 дБ, канал Релея)
Выводы:
1.Полученные предварительные результаты оценки качества зоны обслуживания SFN DVB-T г. Владивостока свидетельствуют о достаточном уровне сигнала при фиксированном приеме при наличии коллективной антенны на крыше здания.
2. Анализ данных измерений в SFN DVB-T г. Владивостока показывает, что внутри зоны обслуживания распределение напряженности поля имеет неравномерный характер, наблюдаются проблемные участки в некоторых районах города и его пригородов. Подтверждено, что даже при высоких мощностях телевизионного передатчика внутри зоны покрытия существует несколько участков тени, обусловленных дифракционными потерями вызванных сложным рельефом города. Экспериментально установлено -видами канала приема практически для всего города являются каналы Райса и Рэлея, с преобладанием последнего.
3. Поскольку планирование цифровой системы телевещания требует гарантий качества обслуживания в терминах процентов времени и места, для более точного определения параметров распределения временных и климатических вариаций сигналов DVB -T требуются дальнейшие исследования, которые должны охватывать, в том числе, и различные сезонные и климатические условия г. Владивостока.
Библиографический список
1.Методика определения зоны обслуживания одиночной передающей станции наземного цифрового ТВ-вещания стандарта DVB-T. Утверждена решением ГКРЧ от 16 марта 2012 г. № 12-14-09.
2.Системный проект: Сеть цифрового наземного вещания на территории приморского края (первый частотный мультиплекс), ФГУП «РТРС», 2010.
3.Rec. ITU-R SM.1875-0. DVB-T coverage measurements and verification of planning criteria, 04/2010.
4.ГОСТ РФ «Телевидение вещательное цифровое. Планирование наземных сетей наземного цифрового вещания. Технические основы».
5.Интернет документы http: // www.cplus.org/rmw/english1.html
6.Евгений Петров. Одночастотные сети цифрового эфирного вещания - преимущества и особенности построения. Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #2, 2006
МАРИДИЕВ Илья Рустамович - магистрант кафедры электроники и средств связи, Дальневосточный Федеральный университет, Россия.
ОБОВСКОЙ Андрей Алексеевич - магистрант кафедры электроники и средств связи, Дальневосточный Федеральный университет, Россия.
ХРУЩ Сергей Александрович - магистрант кафедры электроники и средств связи, Дальневосточный Федеральный университет, Россия.
ШОРОХОВ Андрей Олегович - магистрант кафедры электроники и средств связи, Дальневосточный Федеральный университет, Россия.
