80Научно-технические разработки

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Расчет напряженности поля, создаваемой передатчиком.


C.H. Песков зам. директора по науке ГК «Полюс-С», к.т.н.,
A.H. Подолянова директор по маркетингу ГК «Полюс-С»
Теле-Спутник - 8(154) Август 2008 г.


В настоящей статье рассматривается второй шаг по расчету зоны покрытия — анализируется зависимость напряженности поля E от дальности R при известной эффективно излучаемой мощности передатчика РЭИМ.

Статья является продолжением серии публикаций по DVB-T/H вещанию, начатых в 2007 году [2].В трех ранее опубликованных частях [1] мы научились находить минимальное значение напряженности поля Emin для обеспечения требуемого режима работы DVB-H сети, то есть C/Nтреб, гарантирующее ее работоспособность, а также вычислять минимальные медианные значения напряженности поля Emed, необходимые для нормальной работы в том или ином классе приема (A-D) при заданной вероятности мест размещения (например, 70 или 95%). В более ранних публикациях [2] такая же задача была рассмотрена и для DVB-T вещания. Теперь для расчета зоны покрытия (ЗП) нам достаточно найти зависимость напряженности поля Е от расстояния R при заданной эффективно излучаемой мощности передатчика РЭИМ. Такие зависимости справедливы для любых видов сигналов, включая аналоговое вещание, FM радиовещание, DVB-T/H вещание, MMDS и т.п.
Как уже было оговорено ранее, границу ЗП определяют как геометрическое место точек, в которых значения напряженности поля равны нормируемым значениям в течение T % времени в L % мест приема, то есть E(T/L). Обычно T = 50% и L = 50%. Однако эти значения могут варьироваться в любых пределах.
Радиус ЗП (расстояние от передающего центра до локальной точки приема, в которой гарантируется выбранное значение E(T/L), определяют либо аналитическим путем (будет показано в последующих публикациях), либо по справочным кривым распространения [3]. Кривые распространения приводятся в [3] на номинальных частотах 100, 600 и 2000 МГц с вероятностью по времени приема (для 50% мест размещения) в 1, 10 и 50% как для распространения радиоволн по суше, так и по морскому пути (с теплой, нормальной и холодной водой), и распространяются на диапазон 30-3000 МГц. В [3] даны также и рекомендации по интерполяции и экстраполяции для пользования предоставленными кривыми распространения на трех фиксированных частотах.
Кривые распространения представляют собой справочное инженерное руководство для специалистов, занимающихся разработкой и сетевым планированием радиокоммуникационных услуг в МВ и ДМВ диапазонах, и базируются на статистическом анализе экспериментальных данных, главным образом полученных в Европе и Северной Америке (то есть в климатических зонах, совместимых с Россией), включая холодные и теплые моря, например, Северное и Средиземное. Ниже эти рекомендации рассматриваются в кратком и несколько упрощенном (сокращенном) виде.
Для примера, на рис. 1 представлены кривые распространения для частоты 600 МГц: Е(50/50), суша. Кривые всегда приводятся для разных фиксированных оговоренных высот подъема (возвышения) передающей антенны Н и для высоты подвеса приемной/мобильной антенны h = 10 м. Кривые распространения нормированы относительно эффективно излучаемой мощности (произведение коэффициента усиления передающей антенны G на подводимую к ней мощность РА) величиной в 1 кВт (30 dBW или дБВт).
Заметим, что нормальной логарифмической прямой на рис.1 (пунктир, «Свободное пространство») соответствует широко используемая формула по расчету напряженности поля:



Для нашего случая кривые распространения представлены для 10lg(PG) = 30 dBW. Из рис. 1 видно, что такая формула дает весьма ощутимую погрешность расчетов (формула пригодна только для свободного пространства, то есть без учета влияния Земли) на малых и средних высотах подъема антенны Н даже на малых расстояниях R. Уравнение (1) описывает минимальное значение напряженности поля, справедливое для суши (наземные трассы распространения сигнала). Так как кривые распространения приводятся для PЭИМ = 30 dBW, то уравнение (1) может быть записано в упрощенном виде:

Аналогичное выражение, но для морских трасс, записывается в виде:

где t — процент времени.
Как правило, для t = 10…90% эти различия не превышают 0,5…1,5 dB. Для t = 1% различие может составлять до четырех децибел.
На том же рис. 1 штрихпунктирной линией нанесена кривая прямой (оптической) видимости между передающей и приемной антеннами:

Здесь и далее по тексту под H и h понимаются высоты установки передающей и приемной антенн соответственно. Судя по этой кривой, видно, что радиоволны продолжают распространяться и далеко за пределами прямой видимости, а их затухание приближено к нормальному логарифмическому закону. И только на расстоянии свыше (3…5)Rм затухание радиоволн резко увеличивается.
Приведем численный пример пользования такими кривыми распространения.
Пример. Требуется найти мощность DVB-T передатчика, обеспечивающего напряженность поля величиной Emin = 40 dBµV. Высота подъема передающей антенны Н = 75 м. Высота установки приемной антенны h = 10 м. Радиус ЗП — 50 км.
Решение. Пользуясь рис. 1, находим, что эквивалентное значение напряженности поля при R = 50 км и Н = 75 м составляет 31,5 dBµV/м. Следовательно, до требуемого значения напряженности поля Emin = 40 dBµV/м нам не хватает 8,5 dB
(40 — 31,5 = 8,5). Таким образом, мы можем использовать антенну с коэффициентом усиления 8,5 dB и передатчик с подводимой антенной мощностью в 1 кВт (30 dBW) или передатчик с подводимой антенной мощностью в 38,5 dBW при нулевом коэффициенте усиления антенны.
Предлагаем читателям убедиться самостоятельно, что для обеспечения ЗП с R = 100 км при Emin = 27 dBµV/м потребуется РЭИМ = 40 dBW. Реализация такой ЗП возможна только для QPSK или 16QAM форматов модуляции, то есть при работе на низких скоростях.
Таким образом, вычисляя требуемые минимальные медианные значения напряженности поля для DVB-T или DVB-H вещания (например, [1,2]) и откладывая их на кривых распространения (как пример — рис. 1), можно находить радиус ЗП при заданной РЭИМ или требуемую РЭИМ при заданном радиусе ЗП. Однако при этом потребуется очень большое количество табличных значений кривых распространения, что нереально в практическом использовании. В силу этого, рассмотрим наиболее важные рекомендации, предоставленные в [3].
Кривые распространения для трех диапазонов (см. табл. 1) представлены на трех частотах: 100, 600 и 2000 МГц. Для каждой из частот приводятся восемь семейств кривых распределения для 50% мест размещения (приняты зоны с примерными размерами 200х200 м) с 50, 10 и 1% временем приема как для наземных, так и для морских трасс (с холодными и теплыми водами).


Высота установки передающей антенны Н, которая должна быть использована в расчетах, зависит от типа пути распространения сигнала и расстояния. Для морских путей Н представляет собой высоту антенны выше уровня морской поверхности. Для наземных же трасс эффективная высота Нэфф определяется как ее высота в метрах по среднему уровню высоты земли между точками в 3…15 км от передающей антенны в направлении приемной антенны (см. рис. 2).


Для наземных трасс короче 15 км используется один из методов:
а) отсутствие информации о рельефе местности:

где На — высота антенны над землей (например, высота мачты).
б) наличие информации о рельефе местности:

где Нв — высота антенны по отношению к усредненному значению высоты земли между 0,2R и R км.
Для наземных трасс протяженностью свыше 15 км:

Именно эти значения высот установки передающих антенн используют при проведении расчетов.Реальная высота установки передающей антенны Н в общем случае может не совпадать с одной из восьми информационных высот (10…1200 м, см. рис. 1) Hi, для которых приводятся кривые распространения. В этом случае, для нахождения напряженности поля E используется экстраполяция через две близлежащие высоты Н1 и Н2 (с соответствующими значениями Е1 и Е2 на равном удалении R):

Например, для антенны с высотой установки Н = 50 м следует использовать две ближайшие высоты: Н1 = 37,5 м и Н2 = 75 м. Для случая f = 600 МГц и R = 25 км это будет соответствовать Е1 = 41,4 dBµV/м и Е2 = 48,3 dBµV/м. Тогда расчеты по (9) для Н = 50 м дадут значение искомой напряженности поля E = 44,3 dBµV/м.
Формула экстраполяции (9) пригодна для высот Н = 10…3000 м, что в большинстве случаев достаточно для практического применения. Тем не менее, могут встречаться случаи, когда 0-Н-10 м. Большей частью это может относиться к холмистым или гористым местностям, а также для DVB-H вещания при малых зонах охвата. В этом случае пользуются критерием радиовидимости [4] до линии горизонта:

В этом случае для R < Rм напряженность поля определяется по одной из кривых с высотой установки передающей антенны Н = 10 м (верхняя кривая — рис. 3) на дальности ее горизонта плюс ?E, где ?E — разность в напряженностях полей на кривой с Н = 10 м на расстояниях R и дальности горизонта Rм, то есть:



Пример. Рассчитать напряженность поля, создаваемого передающей антенной с высотой установки Н = 4 м при РЭИМ = 1 кВт в точке, удаленной на R = 5 км (как обычно, высота подвеса приемной антенны h = 10 м).
Решение. 1. По (10) рассчитываем дальность радиовидимости до линии горизонта:

2. Согласно рис. 3 находим три значения напряженности поля:

3. Согласно (11) находим эквивалентную напряженность поля E, создаваемую антенной с Н = 4 м на удалении R = 5 км:

При снижении высоты подъема антенны до Н = 2 м (в 2 раза) напряженность поля составит 43,2 dBµV/м, то есть снизится на 10 dB. Внимательный читатель заметит, что при Н = 10 м Е10(Rм(10)) = Е10(Rм(Н)) и Е = Е10(R), что соответствует заявленной кривой распространения.
Для случаев R?Rм, вместо формулы (11) используют соотношение:

Если в уравнении (12) величина Rм(10) + R — Rм(Н) превышает 1000 км, даже при том, что R-1000 км, напряженность E может быть найдена из линейной (логарифмической) экстраполяции по формуле:

где: RH и RK — предпоследнее и конечное табулированные расстояния согласно кривым распространения; ЕH и ЕK — предпоследнее и конечное напряженности поля, соответствующие значениям RH и RK соответственно.
Обращаем внимание, что эта рекомендация не пригодна для расстояний, превышающих 1000 км, а уравнение (13) должно использоваться только для экстраполяции с Н < 10 м.
Для лучшего восприятия излагаемого материала на рис. 3 представлены расчетные кривые для E(50/50) при Н-10 м. Пользование такими кривыми существенно упрощает процедуру определения напряженности поля E и пригодно для практического использования.
Рассмотрение процедуры пересчета напряженности поля E при Н-10 м для морского пути распространения сигнала не входит в рамки данной статьи. Мы также не рассматриваем здесь и отрицательные высоты подъема антенны, которые хотя и не часто, но могут иметь место на практике.
Интерполяция напряженности поля E как функция расстояния R осуществляется по формуле (13). При этом под RH и RK следует понимать ближайшие табулированные значения расстояний. Такая же экстраполяция недопустима для значений R, меньших 1 км или больших 1000 км.
Интерполяция напряженности поля E как функция частоты ѓ может быть получена между номинальными значениями частот 100, 600 и 2000 МГц, на которых приводят кривые распространения при той или иной вероятности приема. В случае частот ниже 100 или выше 2000 МГц интерполяция заменяется экстраполяцией от двух более близких значений номинальной частоты (но не ниже 30 и не выше 3000 МГц).Для наземных трасс и морских путей при ѓ >100 МГц искомое значение напряженности поля Е вычисляется по формуле:

где: ѓ — частота, для которой ведется прогнозирование;
ѓH и ѓВ — более низкая (100 МГц, если ѓ < 600 МГц, иначе — 600 МГц) или более высокая (600 МГц, если ѓ < 600 МГц, иначе — 2000 МГц), номинальные справочные частоты, относительно которых осуществляется интерполяция;
ЕH и ЕВ — значения напряженности поля для ѓH и ѓВ.
Пример. Требуется определить напряженность поля E на прогнозируемой частоте ѓ = 474 МГц при R = 30 км, Н = 75 м и РЭИМ = 1 кВт (L/T = 10/10%).
Решение.
1. Пользуясь кривыми распространения или справочными таблицами, находим: ЕН = 55,8 dBµV/м для частоты ѓH = 100 МГц и ЕВ = 52,2 dBµV/м для частоты ѓВ = 600 МГц.
2. Пользуясь формулой (14), находим интерполированное значение напряженности поля:

Литература:
1. С.Н. Песков, А.Н. Подолянова. Расчет зоны покрытия для цифрового эфирного вещания DVB-T/H. Часть 1-3. // «Теле-Спутник» 2008, №5-7.
2. С.Н. Песков, И.А. Колпаков и др. Рекомендации по внедрению DVB эфирного вещания // «Теле-Спутник» 2007, №2-10.
3. Recomendation ITU-R P.1546-1. Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz. (2001-2003).
4. С.Н. Песков, А.Н. Подолянова. Расчет зоны покрытия для цифрового эфирного вещания DVB-T/H. Часть 1. Понятие зоны покрытия для цифрового вещания. Минимальная напряженность электрического поля // «Теле-Спутник» 2008, №5, с. 110-113.



 
Теле-Спутник Август 2008
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт