УДК 621.3.095.3(23)

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОНЫ ПОКРЫТИЯ ЦИФРОВОГО НАЗЕМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ ДЛЯ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

Куцев Евгений Витальевич
Кыргызский Государственный Технический Университет имени И. Раззакова
аспирант

Аннотация
В данной статье рассматриваются методы определения напряженности поля полезного сигнала цифрового наземного телевизионного вещания в точке приема с учетом рельефа Кыргызской Республики. А также приведены методы прогнозирования нахождения данной точки прима в зоне обслуживания.

Ключевые слова: зона обслуживания, методы прогнозирования, напряженность поля, помеха, распространение радиоволн


METHODS FOR DETERMINING THE AREA OF DIGITAL TERRESTRIAL TV BROADCASTING FOR KYRGYZ REPUBLIC

Kutsev Evgenii Vitaljevich
Kyrgyz Statement Technical University named after I. Razzakov
postgraduate student

Abstract
In this article considered methods for determining the field strength of useful signal for digital terrestrial TV broadcasting at the receiving point taking into account the relief of the Kyrgyz Republic. And also considered methods of prognostication location this receiving point in service area.

Keywords: field intensity, interference, prognostication methods, propagation of radio waves, service area


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Куцев Е.В. Методы определения зоны покрытия цифрового наземного телевизионного вещания для Кыргызской Республики // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 10 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/10/58204 (дата обращения: 19.11.2016).

При переходе на цифровое наземное телевизионное вещание в Кыргызской Республике остро стоит вопрос о прогнозировании распространения сигнала, определении зоны обслуживания. Существуют методы прогнозирования уровней сигнала, но они не учитывают горный рельеф, либо в них используются эмпирические поправочные коэффициенты для конкретного рельефа местности и они не могут быть универсальными.
Немаловажную роль в определении зоны покрытия играет прогнозирование мешающих сигналов и шумов, их взаимодействие с полезным сигналом.
От точности прогнозирования напряженности поля полезного сигнала, отношений сигнал/шум, сигнал/интерференция на границе зоны обслуживания напрямую зависит цена на приобретаемое оборудование.
Одной из главных задач при проектировании цифровой наземной телевизионной сети является оценка зоны обслуживания и охватываемого населения. Поставленная задача решается с помощью прогнозирования уровня полезных сигналов и уровня мешающих сигналов.
Так как в результате падения уровня полезного сигнала ниже минимального значения происходит отказ цифрового приема, процент мест приема на границе зоны обслуживания должен быть не менее 70% .
В методах прогнозирования распространения радиоволн, использующих информацию о рельефе местности, точность прогнозирования значительно улучшена по сравнению Рекомендацией МСЭ-R Р.1546. Но эти методы не могут быть универсальными, так как в них используются эмпирические поправочные коэффициенты для конкретного рельефа местности. 
Сравнение данных прогнозирования с результатами измерений показывают, что ни один из результатов, полученных с помощью компьютерных программ, использующих информацию о рельефе местности не был, в большинстве случаев, значительно лучше метода, который применяется в Рекомендации МСЭ-R Р.1546.
Рекомендация МСЭ-R Р.1546 представляет приемлемый метод прогнозирования для сетей цифрового наземного телевизионного вещания. Но стоит отметить, что Рекомендация МСЭ-R Р.1546 использует статический метод прогнозирования и не может прогнозировать зоны плохого приема, которые образуются в результате препятствия на пути распространения радиоволн.
Данное замечание показывает, что для Кыргызской Республики с ее горным рельефом Рекомендация МСЭ-R Р.1546 может применяться для определения зоны обслуживания только в долинной местности.
Для прогнозирования трасс распространения в Иссык-Кульской области, а также в местностях с большими озерами, вследствие значительных различий распространения радиоволн над сушей и над морем, необходимо в вычислениях учитывать береговую линию. Это дает возможность учета уровней помех.
При прогнозировании уровней полезных сигналов, основанном на Рекомендации МСЭ-R Р.1546, их значение справедливо для 50% мест и для 99% мест. Для коротких расстояний (до 60 км) различия уровней полезных сигналов незначительны в диапазоне от 50% до 90% мест. 
Значительные различия в распространении радиосигналов существуют в зависимости от трассы распространения – суша, над морем, смешанная трасса. В результате этого необходимо учитывать характер каждой трассы.
При наличии информации о рельефе в Рекомендации МСЭ-R Р.1546 имеется возможность вводить поправки на угол просвета над местностью для трассы от пункта приема до передающей станции в каждом конкретном случае.
В процессе планирования необходимо прогнозировать уровень напряженности поля помех от одной передающей станции на другую в одной зоне обслуживания. При проектировании напряженности поля помех необходимо учитывать помехи для 1% времени.
В идеальном случае все вычисления должны проводиться в зоне обслуживания защищаемой станции. Но иногда это невозможно или нет необходимости.
Прогнозирование уровней напряженности поля помехи обычно производят в точках на краю зоны обслуживания. Если есть информация о рельефе местности, то можно ввести поправку на просвет местности.
Внутри малой зоны () изменения уровня сигнала будут происходить случайным образом в зависимости от местоположения точек приема, что происходит из-за неоднородности рельефа.
Данные изменения описываются логарифмически нормальным распределением уровней сигналов. Стандартное отклонение составляет около 5,5 дБ для трасс вне помещений.
Разница между 50% и 95% мест составляет около 9 дБ, а между 50% и 70% мест составляет около 3 дБ. Данные значения не учитывают неточности при прогнозировании распространения радиоволн.
Если полезный сигнал состоит из суммы отдельных сигналов разных передатчиков, то результирующее стандартное отклонение будет переменным. Оно будет переменным и будет зависеть от напряженности поля отдельных сигналов, но всегда меньше, чем при отдельном сигнале.
При определении зоны обслуживания аналогового телевизионного вещания обычными средствами прогнозирования, напряженность поля на границе зоны обслуживания является средней величиной реальных значений, измеренных в малой зоне. Предполагается, что половина значений выше этой величины, а другая половина – ниже.
Из-за уменьшения значения напряженности поля сигнала происходит плавное ухудшение качества принимаемого сигнала. В результате даже если на границе зоны обслуживания величина напряженности поля полезного сигнала будет меньше установленной предельной величины, то прием будет осуществляться, но с худшим качеством.
В цифровом телевидении режим работы совершенно иной. При уменьшении уровня сигнала, а также при снижении отношений сигнал/шум и сигнал/интерференция ниже минимальной величины, изображение полностью исчезает. Данный процесс называется «характеристикой внезапного отказа цифровой системы». 
Причиной этого процесса является то, что в цифровых приемниках отсутствует плавное ухудшение качества. 
Зона обслуживания цифрового передатчика определяется с использованием параметров выбранной системы, с учетом всех передатчиков, которые работают в том же или смежном канале.
Большинство этих передатчиков будут создавать помехи полезному сигналу. Исключение составляют одночастотные сети (ОЧС), в которых сигналы от соседних передатчиков дают положительный эффект.
Для одного места приема цифровой телевизионной передачи уровень полезного сигнала, выраженный в децибелах, должен быть выше уровня шума на определенную величину. Данная величина называется минимальным отношением сигнал/шум (C/N).

, (1)

где  – уровень полезного сигнала;
 – минимальный уровень сигнала;
 - минимальное отношение сигнал/шум (C/N).

Уровень полезного сигнала должен быть больше уровня источника помех на некоторую величину для преодоления воздействия источника помех:

 , (2)

где  - защитное отношение сигнал/интерференция (C/I);
 - напряженность поля источника помех.

Для различных типов источников помех величина защитного отношения сильно отличается. Это происходит из-за различной ширины полосы, а также характера источника помех. Защитные отношения определяются в лабораторных условиях только при шуме или одном мешающем сигнале.
Условия хорошего приема можно выразить следующей формулой:

 , (3)

где  - мощность полезных сигналов;
 - эквивалентная мощность шумов;
 - мощность мешающих полей.

На практике в каждом месте приема невозможно узнать действительные величины напряженности поля для того, чтобы применив формулу (3) определить зону обслуживания. Можно только получить средние значения напряженности поля в малых зонах для того, чтобы узнать находится ли эта малая зона внутри зоны покрытия или вне ее.
Данная вероятность показывает процентное отношение мест приема, в которых сигнал принимается с удовлетворительным уровнем, то есть мощность сигнала больше или равна сумме мощностей шума и помех.
Если вероятность приема окажется выше 70% (или заданного процента мест), то данная малая зона оказывается внутри зоны обслуживания.
Вероятность вычисляется с использованием фиксированных величин уровней шума и защитных отношений для каждого типа источника помех и для значений напряженности поля. Вышеназванные величины являются случайными.
Прогнозирование среднего уровня напряженности поля полезного сигнала и каждого мешающего сигнала можно осуществить как с помощью Рекомендации МСЭ-R Р.1546 для долинных местностей, так и методов прогнозирования с использованием информации о рельефе для долинных и горных местностей.
Принимая во внимание то, что уровни мощностей полезного и мешающего сигналов являются случайными, а известны лишь их средние значения и стандартные отклонения, формула (3) должна применяться не только к средним значениям, но и к случайным значениям с помощью математических методов распределения напряженности поля для различных местоположений. Это дает возможность получить результаты объединения нескольких случайно распределенных сигналов.
Главным принципом определения зоны обслуживания является определение среднего значения и стандартного отклонения напряженности поля полезного сигнала и напряженности поля мешающих сигналов. Определение зоны обслуживания производится в большом количестве местоположений в предполагаемой зоне обслуживания. Это позволяет вычислить процент обслуживаемых местоположений.
Для вычисления эквивалентного уровня помехи при нескольких мешающих сигналах используются различные методы. В случае использования ОЧС полезный сигнал может также состоять из нескольких сигналов.
Одним из острых вопросов является вопрос объединения нескольких мешающих сигналов и учет влияния шума. Данные методы являются статистическими и требуют компьютерной обработки. В большинстве методов предполагается, что значения напряженности поля имеют логарифмически нормальное распределение и зависят от процента местоположений.
Далее приведены несколько методов, с помощью которых возможно объединить несколько мешающих сигналов. Существуют методы, обеспечивающие необходимую точность и приближенные методы. Более точные методы более сложны, что требует больше машинного времени.
Между как полезными, так и мешающими сигналами может существовать некоторая корреляция, которая не входит ни в один из приведенных методов, но может быть включена. Результат корреляции изменяется в зависимости от условий приема как в сторону увеличения зоны обслуживания, так и к ее уменьшению.
Метод Монте-Карло заключается в следующем. Путем генерирования одного случайного значения поля полезного сигнала и одного случайного значения поля каждого источника помех можно смоделировать ситуацию для большого количества мест приема в малой зоне. При этом необходимо знать среднее значение и стандартное отклонение распределения каждого сигнала. Сравнивая мощности полезного сигнала с суммой мощностей шума и мешающих полей, для каждой комбинации, можно проверить обслуживается место приема или нет.
С помощью повторения моделирования для большого количества комбинаций полезного и мешающего сигналов можно определить вероятность охвата рассматриваемой малой зоны. Чем большее количество комбинаций используется, тем метод точнее и, соответственно, требует большего времени на компьютерную обработку. Данный процесс должен повторяться для большого количества малых зон, чтобы полностью определить всю зону обслуживания.
Метод сложения мощностей часто используется для определения множественной помехи. Сумма уровней сигналов определяется путем нестатистического сложения отдельных сигналов. Мощность средних значений отдельных мешающих полей складываются с мощностью минимальной напряженности поля для нежелательных сигналов. В ОЧС для полезных сигналов складываются мощности отдельных полезных сигналов. При сумме уровней полезных сигналов равной сумме уровней мешающих сигналов достигается охват 50% местоположений.
В цифровом телевидении к суммарному мешающему полю необходимо добавить запас по мощности для того, чтобы охват составлял 70% и более местоположений. Данный запас по мощности невозможно получить с помощью метода сложения мощностей. 
В результате нестатистического характера данного метода он дает неприемлемые результаты более высоких процентных отношениях, чем для 50% местоположений.
Упрощенный метод умножения является статистическим методом вычислений и используется для оценки множественной помехи. С помощью данного метода можно определить вероятность покрытия при наличии нескольких мешающих сигналов. При этом мешающие сигналы должны быть распределены по логарифмически нормальному закону, известны средние значения и стандартные отклонения. Зона покрытия определяется путем вычисления вероятности для различного процента местоположений. Зона обслуживания образуется из местоположений с вероятностью покрытия 70% (требуемой вероятностью покрытия).
В результате того, что не учитывается влияние шума при статистической обработке, возможно завышение оценки зоны обслуживания. Данный вопрос решается путем учета влияния шумов в конце процесса вычислений. Данный метод не применим к сетям ОЧС, так как не может работать с несколькими полезными сигналами.
Логарифмически нормальный метод (LNM) – приближенный метод статистических вычислений распределения сумм нескольких переменных, которые распределены по логарифмически нормальному закону. Данный метод позволяет оценить вероятность охвата малой зоны. Он основан на предположении, что распределения результирующих сумм полезного и мешающего полей имеют логарифмически нормальное распределение.
Метод состоит из нескольких шагов. Вычисляются распределения полезных  и мешающих  полей. После определяются распределения  и . Комбинация данных распределений определяет вероятность покрытия зоны. Метод LNM может работать с разными стандартными отклонениями в распределениях отдельных полей.
Для повышения точности метода LNM, в области высоких значений покрытия, вводится поправочный коэффициент. Данная версия называется k-LNM.
Метод t-LNM - приближенный метод статистических вычислений распределения сумм нескольких переменных, которые распределены по логарифмически нормальному закону. Данный метод имеет похожую структуру метода LNM, основан также на том, что сумма двух логарифмически нормальных переменных тоже является логарифмически нормальной. Но параметры распределения суммы определяются другим методом.
Благодаря этому повышается точность в области высоких значений покрытия по сравнению с LNM и k-LNM. Это приводит к большей математической сложности. Методом t-LNM возможно обрабатывать различные стандартные отклонения полей единичных сигналов.
Метод Швартца и Йеха – это итеративный метод вычисления характеристик результирующего сигнала  помех. Предполагается, что комбинация двух логарифмически нормальных переменных имеет логарифмически нормальное распределение.

Выводы: Из вышесказанного можно сделать вывод, что для прогнозирования уровней напряженности поля полезного сигнала в предгорных и горных районов необходимо использовать методы расчета, в которых учитывается рельеф местности, имеется возможность прогнозирования уровня напряженности поля полезного сигнала на полузакрытых и закрытых трассах.
Также необходимо отметить, что для оценки зоны обслуживания сети цифрового наземного телевизионного вещания необходимо прогнозировать уровень напряженности поля мешающего сигнала и шумов, а также их влияние на полезный сигнал.


Библиографический список
  1. РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P.1546. «Метод прогнозирования для трасс связи “пункта с зоной” для наземных служб в диапазоне частот от 30 МГц до 3000 МГц».
  2. РЕКОМЕНДАЦИЯ МСЭ-R P.1057. «Распределения вероятностей, касающихся моделирования распространения радиоволн».
  3. Ю.Б.Зубарев, М.И.Кривошеев, И.Н.Красносельский. «Цифровое телевизионное вещание. Основы, методы, системы». М.: Научно-исследовательский институт радио (НИИР), 2001. 568 с.: ил.


Все статьи автора «Куцев Евгений Витальевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация