Приложение Е. Рекомендации по выбору малых зон и мест приема для проведения измерений параметров сигнала в одночастотной сети передающих станций наземного цифрового ТВ-вещания стандарта DVB-T2

Приложение Е

Рекомендации
по выбору малых зон и мест приема для проведения измерений параметров сигнала в одночастотной сети передающих станций наземного цифрового ТВ-вещания стандарта DVB-T2

Известно, что из-за влияния местных предметов, неоднородностей среды распространения радиоволн, разного рода помех и т.д. параметры электромагнитного поля сигнала цифрового ТВ в зоне покрытия в общем случае нестабильны и описываются статистическими законами.

Для дальнейшей обработки результатов измерений уровней поля ТВ-сигнала на заданной территории необходимо иметь полученные данные в виде усредненных за оговоренный период величин.

Усреднение проводят различными способами, но самым удобным и быстрым является способ определения медианных значений параметров, который заключается в поочередном попарном отбрасывании из имеющегося банка данных наибольшего и наименьшего значений интересующего исследователя параметра, например, напряженности поля сигнала.

Опыт показывает, что, как правило, на нескольких экспериментальных площадках (получивших название "малых зон"), расположенных в безлесной равнинной или слабовсхолмленной местности на одинаковом расстоянии от передатчика (и в случае круговой ДНА в горизонтальной плоскости и исправного оборудования передающей станции), медианные значения напряженности поля мало отличаются друг от друга (с приемлемой для практики разницей).

Трудности появляются при решении ряда подобных задач в условиях пересеченной, холмистой и особенно - гористой местности, с протяженными лесными массивами, в местах протяженных высоковольтных ЛЭП и т.п., а также в крупных населенных пунктах с многоэтажной застройкой. Сильно осложняет получение надежных результатов исследований и временной фактор.

Для примера на рисунке Е.1 представлен типичный случай взаимного расположения передающей станции, нескольких населенных пунктов с многоэтажной и малоэтажной застройкой, дорог и границы расчетной зоны покрытия, то есть, без воздействия мешающих передатчиков и по уровню минимальной медианной напряженности поля .

Рисунок E.1 - Основные исходные данные при решении задач системы DVB-T2.

Первостепенным действием исследований при фиксированном приеме в зоне полезного передатчика системы DVB-T2 является расстановка малых зон на заданной территории и обоснование их расположения относительно друг друга.

Немаловажным фактором при исследованиях и измерениях ТВ-сигнала является максимальное приближение условий измерений к штатным условиям приема телезрителями:

- соблюдение размещения измерительных антенн на рекомендуемой техническими документами высоте (для фиксированного приема при многоэтажной застройке измерительные антенны должны быть на уровни крыш, а в условиях 1-2-этажной застройки - на высоте 10 м над земной поверхностью);

- параметры измерительной антенны (в том числе, и помехозащищенность) должны соответствовать Рекомендациям МСЭ;

- потери в кабеле снижения, другие параметры измерительной установки должны отражать соответствующие характеристики оборудования телезрителя (или рекомендованных МСЭ), либо должен иметь место учет влияния иных значений этих характеристик (потери на согласование и др.).

E.1 Влияние внешних факторов на выбор малых зон

E.1.1 Влияние отраженного от земли луча

Решить задачу большого разброса медианных значений напряженности поля малых зон на разных направлениях от передатчика и тем самым получить основание по сокращению количества малых зон, очевидно, можно лишь в результате специально организованных исследований. Теоретическая часть этих исследований должна найти закономерности распределения поля от одной малой зоны к соседним, изучить изменение качества приема телевизионного сигнала при различных условиях распространения радиоволн. К настоящему времени, например, известно влияние на характер поля в месте приема явления интерференции нижней волны (переотраженной) ровной подстилающей поверхностью и верхней (прямой) [10, 11].

Рисунок Е.2 - Возникновение интерференционной картины в месте приема;

а) чередование максимумов и минимумов по высоте;

б) высота расположения первого максимума на разных ТВ каналах.

Если измерительную антенну поднимать, то можно фиксировать (рисунок Е.2) чередующиеся максимумы (где фазы двух волн совпадают, а амплитуды складываются) и минимумы (при вычитании амплитуд).

Кроме интерференции по вертикали подобное явление может иметь место и вдоль трассы. Геометрическое сложение и вычитание составляющих поля при распространении радиоволн над относительно гладкой поверхностью, сопровождающееся изменениями напряженности поля, фиксируется при измерениях и увеличивает разброс результатов.

Как было упомянуто, рассмотренные "пучности" и минимумы уровня поля максимально проявляются при ровной и хорошо проводящей подстилающей поверхности.

Если учесть, что указания по выбору площадок для измерений (малых зон) настоятельно рекомендуют использовать ровные открытые места, то при приеме сигнала цифрового ТВ следовало бы контролировать возможность возникновения интенсивной отраженной землей волны.

Е.1.2 Влияние лесных массивов

При назначении конкретных малых зон на местности для выполнения задачи определения границы зоны покрытия рекомендуется их выбирать по возможности на открытых ровных местах вдали от строений и токопроводящих сооружений, особенно в направлении на передатчик.

На местности для выбора малых зон следует избегать нехарактерных для данной территории возвышенностей и глубоких низин.

Как показывает практика, весьма редко удается отыскать площадку по параметрам, близкую к рекомендованной в виде квадрата с размерами 100х100 метров [8], чаще всего приходится довольствоваться дорогами, уходящими от основного шоссе в стороны, без растущих по обочинам деревьев и без проводных линий.

Следует избегать измерений в лесных массивах, сильно поглощающих энергию сигнала и искажающих спектр (рисунок Е.3).

Рисунок Е.3 - Изрезанная форма спектра ТВ сигнала, характерная для влияния лесного массива; здесь лиственный молодой лес зимой протяженностью около 100 м.

Если расчетная зона покрытия приходится на достаточно большой лесной массив, то малые зоны следует выбирать очень аккуратно, на крупных полянах, чтобы влияние леса было минимально. В случае большой протяженности леса и отсутствия возможности выбрать подходящую площадку вдоль трассы, следует провести измерения по возможности на возвышенности, выбрав несколько мест приема на обочине или площадке для остановки автобуса и т.п. В протоколе измерений необходимо сделать пометку о такой неудачной малой зоне и, иметь ввиду, что уровень поля здесь может оказаться заметно меньше, чем без леса.

Пример выбора площадки в лесу для проведении измерений, показан на рисунке Е.4 а, б.

Рисунок Е.4 - Пример выбора площадки для проведении измерений внутри лесного массива.

Е.2 Выбор малых зон при определении положения границы зоны покрытия

При удалении от передатчика его медианная напряженность поля уменьшается. Когда становится равной считают, что здесь проходит граница зоны покрытия. Эту границу можно найти расчетным путем и с помощью измерений. Пример расчетной кривой приведен на рисунке Е.5.

Для скорейшего определения положения границы зоны покрытия экспериментальным путем предварительно должны быть выполнены расчеты положения этой границы, и она должна быть нанесена на карту.

Если расчетная граница зоны покрытия проходит по окраинам города и пригородам, где в основном имеет место малоэтажная застройка, то целесообразно воспользоваться подвижной станцией и проводить измерения при фиксированном приеме с выдвинутой мачтой. Стандартная высота приемной антенны для сельской местности считается равной 10 м.

Рисунок Е.5 - Нахождение радиуса зоны покрытия по расчетной кривой Е(R) вдоль одного из направлений при удалении от передатчика.

В этом случае рекомендуется выполнить измерения по нескольким направлениям от передатчика в таком количестве малых зон в области расчетной границы зоны покрытия, чтобы было достаточно данных для построения плавной кривой распределения Е(R).

В качестве примера расположения малых зон по нескольким направлениям для получения экспериментальной границы зоны покрытия приведен рисунок Е.6.

Рисунок Е.6 - Пример расположения малых зон на семи направлениях от передатчика для определения опытным путем положения границы зоны покрытия; стрелками показано направление движения измерительной станции.

Определение положения границы зоны покрытия экспериментальным путем сводится к последовательным замерам напряженности поля при удалении от передатчика. Причем на одинаковом удалении, но разных направлениях измеренные значения поля могут заметно отличаться. Поэтому часто приходится вести измерения на не менее 4 направлениях.

Результаты измерений, то есть медианные по каждой малой зоне значения напряженности поля, наносятся (рисунок Е.7) на координатные оси Е(R), вычерчивается плавная кривая, затем для эталонного значения , проводится горизонтальная прямая до пересечения с экспериментальной кривой и считывается радиус экспериментально снятой границы зоны покрытия на данном направлении от передающей станции.

Рисунок Е.7 - Медианные значения напряженности поля в малых зонах (треугольники) и использование экспериментальной кривой для нахождения радиуса зоны покрытия по данным измерений.

Е.3 Выбор количества малых зон по заданному направлению

В случае идентичности трасс разных направлений (одинаковый рельеф, лучше - равнина, близкая к расчетной реальная форма ДН передающей антенны, исправные передатчики с правильно смонтированными выходами и т.д.), после дополнительных исследований, подтверждающих предположение о допустимых (~ 3...6 дБ) несовпадениях уровней поля в равноудаленных от передатчика малых зонах, вероятно, возможно было бы рекомендовать уменьшение количества малых зон, либо за счет сокращения направлений, либо - количества малых зон на некоторых направлениях.

Если же направления не идентичны, что чаще всего бывает в реальности, то количество малых зон по разным направления может сильно отличаться. Определяющими факторами в этом случае будут:

1) "Изрезанность" диаграммы направленности передающей антенны. Желательно, чтобы все измерения были проведены в зоне облучения основного лепестка диаграммы направленности передающей антенны;

2) Изменение рельефа подстилающей поверхности. При выборе малых зон необходимо учитывать изменение рельефа подстилающей поверхности. В ином случае, возможны ошибки в определении границы зоны покрытия;

3) Требуемая погрешность в определении расстояния от передатчика до границы зоны покрытия и излучаемая мощность исследуемой станции. Для построения плавной кривой распределения напряженности поля по выбранному направлению необходимо иметь достаточное количество измерений. Если жестко задать количество малых зон, то для передатчиков разной мощности относительная ошибка в определении зоны покрытия будет одинаковая, а абсолютная - разная. Если же задать жестко шаг между малыми зонами, то в этом случае, для передатчиков малой мощности (порядка 10 Вт) из-за малого количества измерений, границы зоны покрытия может быть определена с большой относительной ошибкой, а для передатчиков большой мощности (1...10 кВт), количество измерений может чрезмерно увеличиться. Оптимальным в этом случае является следующий подход:

- задается минимально необходимое количество малых зон;

- задается максимально возможное расстояние между двумя соседними малыми зонами.

Е.4 Выбор местоположения для первой малой зоны по выбранному направлению

Экспериментальное определение положения границы зоны покрытия вдоль выбранного направления от передатчика производится по кривой, описывающей усредненное (медианное) распределение напряженности поля по данному направлению. В работе [9] предлагается использовать для аппроксимации измерений уровня сигнала следующий метод: "Log-distance path loss model". Эта модель основана на предположении, что среднее значение уровня сигнала обратно пропорционально расстоянию между передатчиком и приемником и имеет вид:

, (Е.1)

где n - некая константа, численное значение которой зависит от условий распространения электромагнитной волны по выбранному направлению.

Данное предположение подтверждают многочисленные теоретические выводы и экспериментальные факты. Например, для свободного пространства данный показатель степени n равен 2. При наличии препятствий значение n увеличивается (например, для города, в зависимости от типа застройки и ряда других параметров эта величина лежит обычно в пределах от 2 до 5 [9]). Исходя из этого, можно считать, что отношение уровней двух сигналов в децибелах вдоль какого-то направления равно отношению:

, (Е.2)

где и - уровень сигнала (в дБ) на расстоянии соответственно и .

Пример кривой , полученный по результатам измерений уровня сигнала показан на рисунке Е.8.

Рисунок Е.8 - Пример графического представления кривой .

Для корректного построения расчетной кривой, необходимо, чтобы первая малая зона находилась на расстоянии прямой видимости от передатчика в зоне облучения основного лепестка диаграммы направленности передающей антенны. Таким образом, гарантируется, что результаты измерений напряженности поля в более дальних малых зонах не будут превышать полученного значения в первой малой зоне, и как следствие, гарантируется, что кривая будет правильно с точки зрения физики описывать ослабления напряженности поля при удалении от передающей станции.

Оценка минимального расстояния до опоры передающей антенны , ближе которого не следует проводить измерения, проводится следующим образом. Это расстояние является радиусом зоны, которая облучается в основном нижними боковыми лепестками передающей антенны и, следовательно, параметры ТВ сигнала на этой территории могут не соответствовать заданным, имеющим место в створе главного лепестка.

Типичная теоретическая форма ДН передающей ТВ ненаправленной антенны приведена на рисунках Е.9 а, б. Достаточно заметить, что минимумы даже в расчетной диаграмме (рисунок Е.10 а) достигают 0,6 , что в месте приема, расположенном на азимуте этого минимума, может дать уменьшение сигнала почти на 3дБ. На практике же "провалы" в ДН могут быть значительно больше. К тому же, возможны ошибки монтажа при подключении передатчика к антенне (на выходе передатчика могут стоять параллельно несколько усилителей мощности, выходы которых могут быть неправильно скоммутированы с элементами антенны).

Рисунок Е.9 - Диаграмма направленности передающей ТВ антенны:

а) горизонтальная плоскость;

б) вертикальная плоскость - угол наклона ДН к горизонту составляет 5°.

Пример, определения в случае плоского рельефа показан на рисунке Е.10.

Рисунок Е.10 - Круговая зона, примыкающая к опоре передающей антенны, где не гарантируется устойчивая работа системы DVB-T2, и пример вычисления ее радиуса .

По результатам измерения напряженности поля в первой малой зоне можно рассчитать и сравнить с теоретической излучаемую передающей антенной мощность в направлении на измерительную станцию [7, 10, 11]:

, (Е.3)

где:

- мощность излучения в Вт на данном направлении;

R - расстояние между приемной и передающей антеннами в м;

Е - напряженность поля (В/м), измеренная в условиях, близких к идеальным (в нашем случае - открытые трассы, что близко к идеальному случаю).

Если полученное значение значительно отличается от теоретического (на 6- 10 дБ и более), то это может быть сигналом о том, что передающее оборудование работает неверно и дальнейшие результаты измерений могут быть ошибочны.

Е.5 Выбор малых зон и мест приема при проведении измерений в городе для фиксированного приема

При измерениях в городе для фиксированного приема приемная антенна должна располагаться на уровне крыш зданий. При выборе мест приема следует иметь ввиду некоторые особенности распространения радиоволн ОВЧ/УВЧ диапазонов:

- недопустимость закрытия крышей (рисунок Е.11), даже части зоны, существенной при распространении как между передатчиком и измерителем, так и позади измерительной антенны на крыше;

Рисунок Е.11 - Зона, существенная при распространении.

областью существенной для распространения считается эллипсоид с радиусом не менее 0,6 от радиуса - первой зоны Френеля [12] (см. рисунок Е.12):

(Е.4)

Рисунок Е.12 - Область существенная для распространения радиоволны.

- наличие мешающих сигналов (и, в первую очередь, от своего передатчика), переотраженных от высоких зданий и сооружений; такой сигнал можно обнаружить с помощью направленной антенны и тестового цифрового приемника, в котором предусмотрена функция анализатора спектра, на дисплее которого будут видны характерные искажения спектра ("провал" на рисунке Е.13).

Рисунок Е.13 - Появление "провала" в спектре цифрового ТВ сигнала, принятого на открытой трассе, но из-за воздействия переотраженного от местного предмета сигнала подверженного искажениям

При выборе мест приема на крыше рекомендуется разносить их по фронту, т.е. перпендикулярно направлению на передатчик. Для крепления приемной антенны используют штатив. Штатив устанавливают на крыше наиболее высокого дома в окрестностях выбранной малой зоны. К штативу крепят приемную антенну, после чего антенну ориентируют по поляризации и поднимают на высоту не менее 2 м над уровнем крыши (рисунок Е.14).

Рисунок Е.14 - Размещение мест приема в малой зоне на крыше здания

Для корректного получения распределения медианной напряженности поля в городе, малые зоны следует выбирать как в новых районах с высотной застройкой, так и в старых районах с малоэтажной застройкой. При этом, в пределах малой зоны для проведения измерений выбирается наиболее высокое здание с минимальным количеством конструкций на его крыше.

Е.6 Выбор малых зон и мест приема в сельской местности для фиксированного приема

Основное правило в выборе площадок для малых зон в сельской местности следующее:

Места для размещения малых зоны следует выбирать так, чтобы в каждой малой зоне и в ее окрестностях было как можно меньше локальных мешающих предметов (например, таких как деревья, столбы, воздушные линии электропередачи и т.д.), а изменение напряженности поля внутри малой зоны в первую очередь зависело бы от изменения рельефа подстилающей поверхности на трассе "передатчик-приемник".

При расстановке малых зон всегда необходимо учитывать изменение рельефа для получения корректных результатов измерений о распределении медианной напряженности поля вдоль выбранного направления. Рассмотрим процесс выбора площадок для малых зон по выбранному направлению от передатчика. Предположим, что рельеф подстилающей поверхности представляет собой повторяющуюся периодическую структуру с шагом 4 км и перепадом высот 400 м (см. рисунок Е.15).

Рисунок Е.15 - Учет рельефа местности при расстановке малых зон

Передающая станция находится на вершине холма, мощность передатчика - 100 Вт, передающая антенна представляет собой изотропный излучатель на высоте 250 м, для удобства считаем, что потери в фидере отсутствуют. Распределение напряженности поля сигнала по данному направлению представлено на рисунке Е.16.

Рисунок Е.16 - Распределение напряженности поля сигнала по заданному направлению

С целью получения корректных результатов измерений необходимо правильно выбрать положения малых зон. Если выбирать площадки только на вершинах холмов, то оценка радиуса зоны покрытия по данному направлению будет завышена. Например, для минимальной медианной напряженности поля равной = 55 дБ (отн. 1 мкВ/м) радиус зоны покрытия по данным значениям равен = 16 км (см. рисунок Е.17).

Рисунок Е.17 - Завышенная оценка радиуса зоны покрытия при размещении малых зон на вершине холмов

Если проводить измерения только в низинах, то оценка зоны покрытия по данному направлению будет наоборот занижена. Для той же требуемой минимальной медианной напряженности поля равной 55 дБ (отн. 1 мкВ/м) радиус зоны покрытия в этом случае равен км (рисунок Е.18).

Рисунок Е.18 - Заниженная оценка зоны покрытия при размещении малых зон в низинах

Чтобы иметь распределение напряженности поля, которое бы было бы близко к медианному необходимо проводить измерения, как в низинах, так и на вершинах холмов (см. рисунок Е.19), при этом стараться выбирать площадки для малых зон так, чтобы в пределах данных площадок было как можно меньше предметов, которые бы могли повлиять на результаты измерений.

Из рисунка Е.19 видно что, действительное значение радиуса зоны покрытия для медианной напряженности поля = 55 дБ (отн. 1 мкВ/м) лежит между и и равно км.

Рисунок Е.19 - Распределение напряженности поля по выбранному направлению в зависимости от выбора площадок для малых зон

Е.7 Выбор малых зон и мест приема при определении положения границы зоны покрытия ОЧС станций стандарта DVB-T2

Зона покрытия всей ОЧС определяется как зона покрытия отдельных станций. Для выделения сигналов от отдельной станции в ОЧС необходимо использовать направленную приемную антенну. При выборе направлений и расстановке малых зон необходимо учитывать диаграмму направленности приемной антенны. Направления, по которым предполагается проводить измерения для определения границы зоны покрытия каждой станции, надо стараться выбирать так, чтобы в местах приема азимуты на другие (мешающие) станции ОЧС не попадали в сектор углов главного лепестка приемной антенны. Пример выбора направления от передатчика показан на рисунке Е.20 а, б.

Рисунок Е.20 - Пример выбора направления для проведения измерений:

а) не очень удачный выбор направления - малые зоны, исследуемая станция и мешающая станция находятся практически на одной линии; в местах приема возможен прием сигналов от мешающей станции;

б) хороший выбор направления - в местах прима возможна развязка сигналов от станций ОЧС по азимуту.

Для корректного определения зоны покрытия сигналы от исследуемой станции в местах приема должны быть не менее чем на 15 дБ выше, чем сигналы от других станций ОЧС (мешающие сигналы). Для этого при необходимости используют антенну с более узкой диаграммой направленности. Проверка уровней принимаемых сигналов проводится по анализу картины эхо-сигналов на измерительном приемнике (функция "Echo pattern"), см. пример на рисунке Е.21, полученный в ходе исследования ОЧС станций стандарта DVB-T, для системы DVB-T2 в данном случае принципиальных отличий - нет.

Рисунок Е.21 - Проверка уровней принимаемых сигналов по анализу картины эхо-сигналов на измерительном приемнике

Е.8 Выбор мест приема при проверке принадлежности заданных областей зоне обслуживания

Для точной проверки истинной зоны покрытия потребуется провести измерения во всех местах приема в пределах этой зоны. К сожалению, в подавляющем большинстве случаев решить эту задачу на практике нельзя.

Для обеспечения осуществимого объема измерений, они (измерения) проводятся только в определенном числе местоположений. Для этого на карту города или населенного пункта накладывается сетка с шагом 500 м. Внутри каждой ячейки сетки необходимо провести хотя бы одно измерение. Шаг сетки определяется размером зоны, для которой задано значение - стандартное отклонение отсчетов измерений напряженности поля. В случае цифрового радиовещания в международных документах для площадки с размерами 500х500м принята равной 5,5 дБ [6].

Места приема внутри ячеек тестовой сетки разделяются на плановые (основные) и дополнительные. Если на этапе подготовке к измерениям отсутствует предварительный критерий по выбору мест приема, то плановые места приема выбираются примерно в центре каждой ячейки, по возможности, на наиболее открытых участках. Если при измерениях в плановом месте приема направление прихода основного луча совпадает с азимутом на передающую станцию, не зафиксировано помеховых и мешающих сигналов, измеренная напряженность поля сигнала превышает требуемое значение на более чем на 15 дБ, то в выбранной ячейке можно больше не проводить дополнительных измерений. В ином случае, при невыполнении хотя бы одного вышеуказанного условия, требуется провести еще как минимум 4 дополнительных измерения. Строгих указаний по выбору дополнительных мест приема нет. Желательно, чтобы была возможность проезда автомобиля к данным точкам и, чтобы они были расположены внутри ячейки сетки как можно более равномерно. На рисунке Е.23 показан пример выбора в населенном пункте 4 дополнительных мест приема (обозначены желтым цветом), черными линиями показано разделение данной площадки на 4 равные части (см. рис. Е.23).

Рисунок Е.23 - Пример выбора в населенном пункте 4 дополнительных мест приема внутри одной тестовой площадки.

Е.9 Выводы и рекомендации по выбору малых зон и мест приема

1) Основное правило в выборе площадок для малых зон: места для размещения малых зоны следует выбирать так, чтобы влияние локальных мешающих предметов на результаты измерений было бы незначительно, а изменение напряженности поля внутри малой зоны в первую очередь зависело от изменений рельефа подстилающей поверхности на исследуемом направлении.

2) Рекомендации в выборе площадки для малых зон:

- при определении положения границы заданной зоны вне населенных пунктов - по возможности на открытых ровных местах вдали от строений и токопроводящих сооружений;

- как показывает практика, в сельской местности весьма редко удается отыскать площадку по параметрам, близкую к рекомендованной в виде квадрата с размерами 100х100 метров [8], чаще всего приходится довольствоваться дорогами, уходящими от основного шоссе в стороны;

- по возможности следует избегать измерений в лесных массивах, сильно поглощающих энергию сигнала и искажающих спектр;

- если расчетная зона покрытия приходится на достаточно большой лесной массив, то малые зоны следует выбирать очень аккуратно, на достаточно больших полянах, чтобы влияние леса было минимально;

- в населенных пунктах с застройкой менее 10 м - места для проведения измерений следует выбирать, по возможности, на наиболее открытых участках;

- в населенных пунктах с застройкой выше 10 м - площадки для проведения измерений следует выбирать на крышах доминирующих в малых зонах по высоте домов.