CC BY
1855
УДК 621.396.6:621.397 А.С. Попов
Применение методов Окамура-Хата и Введенского для расчета зон покрытия цифровых телевизионных передатчиков
Предложен способ расчета напряженности поля цифровых телевизионных передатчиков и представлен сравнительный анализ формул для расчета напряженности поля цифрового телевизионного передатчика. Рассчитаны скорости передачи данных системы DVB-T. Проведен анализ данных, полученных экспериментальным путем. Ключевые слова: цифровое телевидение, телевизионный передатчик, напряженность поля, метод Окамура-Хата, формула Введенского, DVB-T.
Для выполнения задачи по охвату населения регионов вещанием цифрового пакета телевизионных программ сеть цифрового наземного вещания должна обеспечить цифровое эфирное вещание по стандарту DVB-T [1] с формированием зон обслуживания при заданном уровне напряженности поля. Рассчитать выходную мощность передатчика можно несколькими методами.
Основные параметры, характеризующие передачу данных в системе DVB-T, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные параметры системы DVB-T
Параметр Режим
2k 8k
Число несущих, N 1705 6817
Число полезных несущих, п 1512 6048
Длит-ть полезного инт-ла Tu, мкс 224 896
Длит-ть защитного инт-ла Tg, мкс 56, 28, 14, 7 224, 112, 56, 28
Интервал между несущими, Гц 4464 1116
Интервал между крайними несущими, МГц 7,61 7,61
Модуляция несущих QPSK, 16-QAM, 64-QAM QPSK, 16-QAM, 64-QAM
Скорость внутреннего кода 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 1/2, 2/3, 3/4, 5/6,7/8
В системе DVB-T число «несущих», передающих полезную информацию, зависит только от режима и равно 1512 для режима 2k и 6048 для режима 8^ Зная величину длительности полезного интервала ^ы) и число полезных несущих, определим скорость передачи символов (RS) для режимов 2к и 8к: „„ п 1512 6048
RS =-=-=-= 6,75 Мегасимвол / с (1)
^ 224•10"6 896•10"6 Далее проведем расчет скорости передачи данных для разных режимов и при различных сочетаниях параметров системы DVB-T:
Tu
RSU = RS • Ь • CR • CRRS--, (2)
Tg + Tu
где Ь - количество битов, передаваемых в одном символе с помощью одной несущей; CR - скорость внутреннего кода; CRRS - скорость внешнего кода Рида-Соломона, равная 188/204; Tg - длительность защитного интервала символа.
Следовательно, в системе DVB-T скорость передачи полезных данных может меняться в значительных пределах: от 4,98 до 31,67 Мбит/с (это перекрывает весь диапазон потребностей, начиная с телевидения стандартной четкости и заканчивая телевидением высокой четкости). Самое малое значение скорости 4,98 Мбит/с, имеющее место при модуляции несущих типа QPSK и скорости внутреннего кода, равной 1/2, характеризуется самой высокой помехозащищенностью системы передачи (для практически безошибочной работы достаточно отношение сигнал/шум в Райса канале всего 3,6 дБ). Но для достижения скорости 31,74 Мбит/с (модуляция несущих 64^АМ и скорость внутреннего кода 7/8) должно быть обеспечено отношение сигнал/шум не менее 21 дБ [1].
Имея в составе первого мультиплекса 8 телевизионных программ и 3 радиопрограммы, для стандарта MPEG-4 определим минимальную скорость транспортного потока:
£ = БТВ +БРВ = 8 • 2,4 + 3 • 0,256 = 19,968 Мбит/с . (3)
Сравнивая полученную скорость транспортного потока с данными табл. 2, можно сделать вывод о возможности использования стандарта компрессии MPEG-4 H.264/AVC для вещания 8 телевизионных программ и 3 радиоканалов, входящих в состав первого мультиплекса наземной сети цифрового телерадиовещания.
Сопоставляя полученную скорость транспортного потока с заданными значениями, определяем оставшиеся варианты режимов модуляции, которые могут обеспечить передачу первого мультиплекса.
Возможные варианты скорости передачи данных системой DVB-T первого мультип-лекса представлены в табл. 2.
Таблица 2
Варианты скорости передачи данных системы DVB-T для первого мультиплекса
Модуляция СД C/N, дБ (Райса канал) Скорость передачи данных, Мбит/с. Вариант для 8 МГц (Россия)
Tg/Tu=1/4 Tg/Tu=1/8 Tg/Tu=1/16 Tg/Tu=1/32
16^АМ 5/6 14,4 - - - 20,11
16^АМ 7/8 15 - - 20,49 21,11
64^АМ 2/3 17,1 - 22,12 23,42 24,13
64^АМ 3/4 18,6 22,39 22,12 26,35 27,14
64^АМ 5/6 20 24,88 24,88 29,27 30,16
64^АМ 7/8 21 26,13 27,65 30,74 31,67
При расчете выходной мощности учитываем параметры питающего фидера, тип используемых передающих антенн, а также их коэффициент усиления и диаграммы направленности. Все передающие станции планируется оснастить многоэтажными антеннами с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, с коэффициентами усиления 9 дБ, в вертикальной плоскости должен обеспечиваться необходимый наклон по углу места.
Расчет выходной мощности передатчиков проведем согласно рекомендации МСЭ^ 1546-3, с использованием метода Окамура-Хата [2].
Метод Окамура-Хата описывает особенности распространения радиоволн над квазиплоской местностью и не учитывает особенности рельефа. Распространение основных лучей от передающей станции происходит выше крыш строений.
Уравнение Окамура-Хата для напряженности поля имеет следующий вид
Емед = 39,82 + РЭИМ "6,16^/ +13,82^! + а(Ь2)-(44,9-6,55^^)х(^Д)6, (4) где Рэим - эффективная излучаемая мощность передатчика (ЭИМ), дБ Вт; / - частота излучения передатчика; Ь - высота подвеса антенны передатчика над поверхностью земли; Ъ^ - высота подвеса антенны приемника над поверхностью земли; а^)- поправочный коэффициент на высоту приемной антенны; Д - радиус зоны покрытия; 6 - коэффициент, расширяющий действие модели для протяженности трассы.
Для определения эффективной излучаемой мощности передатчика, уравнение Ока-мура-Хата принимает следующий вид [2]:
РЭИМ =Емед -39,82 + 6,16^/-13,82^^ -а(Ь2) + (44,9-6,55^^)• (^Д)6 , (5)
В качестве сравнительного анализа по формуле Б.А. Введенского определим мощность радиопередатчиков, обеспечивающих требуемое значение напряженности поля в пределах зоны прямой видимости.
Формула Б.А. Введенского для определения напряженности поля имеет следующий вид [3]:
л/б0РВ • 4л• Ъ1 • Ь2
2 л
г •Х
где Р - мощность передатчика, В - коэффициент усиления антенны относительных единиц; Ет - минимальная напряженность поля; г - радиус зоны покрытия; X - длина волны рабочей частоты передатчика; Лц - высота передающей антенны; Ь2 - высота приемной антенны.
Ет=~-2 1 2 , (6)
Для нахождения мощности передатчика формула может быть представлена в виде
\2
P = -
(Em -Х-г2)'
2- (7) 960D■ (л-Ь1 ■ Ь2)2
Используя выражение (7), а также учитывая затухание в питающих фидерах, вычислим значения выходной мощности различных передатчиков с определенными параметрами (частота излучения, высота подвеса и т.п.). Результаты расчетов представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты расчетов выходной мощности телевизионных передатчиков по методам Окамура—Хата и Введенского
Условное название передатчика Высота АМС, м R, км P ЭИМ_Хата, Вт P ЭИМ Введ, Вт P ЭИМ Введ/P ЭИМ_Хата
Передатчик №1 80 35 900 1851 2,057
Передатчик №2 80 35 900 1851 2,057
Передатчик №3 60 25 441 963 2,184
Передатчик №4 40 20 385 795 2,065
Передатчик №5 50 23 444 940 2,117
Передатчик №6 60 25 441 963 2,184
Передатчик №7 70 28 435 961 2,209
Передатчик №8 192 40 338 785 2,322
Передатчик №9 70 28 435 961 2,209
Передатчик №10 37 12 78 170 2,179
Среднее арифметическое значение: 2,157 = 2,16
С учетом того, что метод Окамура-Хата рекомендован Международным союзом электросвязи, за основу берем значения мощности передатчиков, рассчитанные этим методом.
Таким образом, в случае распространения радиоволн над квазиплоской поверхностью Земли формула Введенского может быть использована, но при этом требуется введение поправочного коэффициента т=2,16.
В этом случае для определения напряженности поля над квазиплоской поверхностью земли, с учетом поправочного коэффициента и затухания в питающем фидере, формула Введенского принимает следующий вид:
л/бОРЯт ■ 4лЬ1 ■ Ь2
Em =-
г2 -Х-
(8)
где m = 2,16 - поправочный коэффициент; ас - затухание в питающем фидере в относительных единицах.
Следовательно, формула Введенского остается актуальной для расчета зон покрытия цифровых телевизионных передатчиков.
В рамках исследования был проведен эксперимент по измерению уровня электромагнитного поля. Задачей эксперимента являлИсь определение реальной зоны уверенного приема передатчика мощностью 100 Вт в цифровом режиме и оценка качества принимаемых программ.
В качестве передающего оборудования использовался DVB-T-передатчик TTUD100 производства компании «Микротек». Контроль за качеством и уровнем сигнала осуществлялся анализатором спектра ETL фирмы Rohde & Schwarz. Прием производился на антенну с коэффициентом усиления Ку = 4 дБ, закрепленную на штанге высотой 4 м.
Передающая антенна с высотой подвеса 180 м имела коэффициент усиления 9 дБ, фидер диаметром 1 5/8 дюйма.
В качестве испытательного сигнала подавался транспортный поток из четырех телевизионных программ со скоростью 24 Мбит/с. Оптимальным режимом для передачи такого сигнала, обеспечивающим уверенный прием, был выбран режим модуляции 64-QAM с относительной скоростью кодирования 2/3 и защитным интервалом 1/32.
На рис. 1 представлены расчетные и экспериментальные графики зависимости напряженности электромагнитного поля от расстояния.
Из графика видно, что рассчитанные и измеренные значения уровня электромагнитного поля достаточно схожи, чтобы утверждать, что метод Окамура-Хата пригоден для расчета зон покрытия цифровых телевизионных передатчиков. То же можно утверждать и
относительно метода Введенского с условием, что в расчетах будет учитываться поправочный коэффициент т = 2,16.
На практике проверено, что методы для расчета зон покрытия аналоговых телевизионных передатчиков допустимы и в расчетах зон покрытия цифровых телевизионных передатчиков со следующими параметрами транспортного цифрового потока: режим модуляции 64-QAM с относительной скоростью кодирования 2/3 и защитным интервалом 1/32.
Литература
1. Fischer W. Digital Video and Audio Broadcasting Technology. A Practical Engineering Guide. - Second Edition. - Berlin: Springer, 2008. - 586 p.
2. Рекомендация МСЭ - R 1546-3 (Критерии планирования для услуг наземного цифрового телевидения в диапазонах ОВЧ/УВЧ) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rfcmd.ru/sphider/docs/ITU - R_Rec_List_ANO_R.htm, свободный (дата обращения 12.07.2010).
3. Варбанский А.М. Передающие телевизионные станции. - М.: Связь, 1980. -328 с.
Попов Александр Сергеевич
Аспират каф. телевидения и управления ТУСУР Тел.: (8 382-2) 41-33-80 Эл. почта: mailrus@bk.ru
Popov A.S.
The application of Okumura-Hata and Vvedensky models for calculations of the field strength of DVB-T television transmitters
A method for calculating the field strength of DVB-T television transmitters is suggested, and comparative analysis of equations for calculations of the field strength of DVB-T television transmitters is carried out. The data transmission rates of DVB-T system are calculated. The experimental data analysis is performed.
Keywords: digital television, television transmitter, field strength, Okumura-Hata method, Vveden-sky equation, DVB-T.
