УДК 621.371.332.3(235)

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТРАСС РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ НА ПРИМЕРЕ ЧУЙСКОЙ ОБЛАСТИ

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

Аннотация
Статья посвящена методам прогнозирования напряженности поля, а также их применимости в высокогорных местностях. Показано сравнение расчетных методов с измеренными значениями. Автором предложен метод расчета напряженности поля при отражении радиоволны от препятствия.

Ключевые слова: горная местность, напряженность поля, отражение, прогнозирование, радиоволны, ультракороткие волны


METHODS OF CALCULATING THE PROPAGATION PATH OF DIGITAL TV BROADCASTING’S RADIO WAVES ON THE EXAMPLE OF THE CHUI OBLAST

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

Abstract
The article is devoted to methods of prognosticating field strength and also their applicability in high mountains areas. It is shown comparing of calculation methods and measured values. The author proposed a method of calculating field strength of radio waves reflection from obstacle.

Keywords: field intensity, mountains area, prognostication, radio waves, reflection, very high frequency


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Куцев Е.В. Методы расчета трасс распространения радиоволн цифрового телевизионного вещания на примере Чуйской области // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/11/59191 (дата обращения: 20.11.2016).

При расчете зоны покрытия цифрового телевизионного передатчика в горных местностях возникает ряд сложных вопросов, которые необходимо учитывать при расчете сети цифрового наземного телевизионного вещания.

Радиоволны УКВ диапазона распространяются лишь в пределах немного превышающих прямую видимость. Данный предел называется зоной радиовидимости. В горных местностях существуют районы, в которых отсутствует радиовидимость между передающей и приемной антеннами. Но все же прием цифрового телевизионного сигнала является постоянным.
Это происходит благодаря способности радиоволн УКВ диапазона отражаться от препятствий, то есть данном случае от гор. В большинстве случаев в горной местности практически не работает принцип сложения прямой и отраженных волн. Это происходит вследствие того, что либо прямая, либо отраженная волна полностью экранируется препятствием. В этом случае до приемной антенны доходит лишь одна из них. Нередки случаи, когда прием осуществляется только отраженной волны.
Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка, если до нее дошло возмущение, является источником вторичных волн.
При наличии препятствия на пути радиоволны, часть энергии поглощается, а другая часть энергии отражается от препятствия. Отражение характеризуется коэффициентом отражения препятствия. Угол падения радиоволны равен углу отражения.
Чем больше угол падения, а, следовательно, и угол отражения, тем большая часть энергии сигнала отразится от препятствия.
Но все же, при отражении радиоволны от препятствия, происходит сильное ослабление энергии и, как следствие, распространение на небольшое расстояние. 
В горной местности можно использовать так называемые пассивные ретрансляторы для вещания цифровых телевизионных программ в зону радиотени. Принцип пассивного ретранслятора состоит в том, что он имеет высокий коэффициент отражения, тем самым незначительно ослабляя радиоволну. Отраженную волну направляют в сторону радиотени.
На открытых местностях, где имеется прямая видимость для прогнозирования уровня сигнала можно применять формулу Введенского. При соблюдении условий применения она дает расчетные результаты, схожие с полученными при реальном измерении.

Таблица 1. Напряженность поля
Населенный пункт

Расстояние,км

Измеренное значение,дБ(мкВ/м)

Рассчитанное значение,дБ(мкВ/м)

Погрешность,дБ

Садовое
64
57,4
57,7
0,3
Прогресс
66
59,3
59,9
0,6
Кайырма
69
52,4
54,0
1,6
Кызыл-Суу
73
61,4
60,5
0,9
Средняя ошибка
0,85

Профили пролетов приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Профили открытых пролетов

Профили пролетов построены в EXEL 2010 с учетом условно-нулевого уровня. Высоты точек местности измерены в GOOGLE EARTH. 
Расчеты произведены по формуле Введенского:

 , (1)

где Е – напряженность поля, мВ/м;
РЭИИМ – эквивалентная изотропная излучаемая мощность передатчика, кВт;
D – коэффициент усиления передающей антенны, раз;
H – высота передающей антенны, м;
h – высота приемной антенны, м;
 – длина волны, м;
r – расстояние между передающей и приемной антенной, км.

Область применимости формулы Введенского начинается с расстояний

. (2)

Мощность передатчика – 2500 Вт,
Высота опоры, на которой установлена передающая антенна – 120 м,
Коэффициент усиления передающей антенны – 14,5 дБ,
Высота приемной антенны – 4 м,
Коэффициент усиления приемной антенны – 0 дБ,
Длина волны – 0,47 м (42 т. к.).

Высоты передающей и приемной антенн усреднены на расстоянии 15 километров по формуле (рис. 2):

 (3)

где  – эффективная высота подъема антенны, м;
 – высота над уровнем моря, м;
 – усредненная высота местности, м.

Измерения проводились анализатором спектра Rohde&Schwarz FSH.

Для села Беш-Кюнгей отсутствует прямая видимость (рис. 3). Излучаемый передающей антенной сигнал экранирован горами (рис.4). Но прием цифрового телевизионного сигнала имеется.

Рис. 3. Профиль закрытого пролетаРис.4. Снимок со спутника

Это явление можно объяснить отражением радиоволн от склона горы с восточной стороны.
Согласно закону отражения радиоволн угол отражения электромагнитной волны равен углу падения  (рис. 5).
Отражение радиоволн от препятствия может быть зеркальным и диффузным.
При диффузном отражении радиоволны распространяются во всех направлениях и не зависят от угла падения. 


Диффузно отражаются радиоволны от шероховатых поверхностей, высота неровностей которых больше 1/8 длины волны (). При  радиоволны отражаются зеркально.

Рис. 5. Отражение радиоволн.

В результате зависимости характера отражения от размеров неровностей и длины волны, радиоволны с большей длиной волны могут отражаться зеркально, а с меньшей длиной волны – диффузно. При увеличении угла падения уменьшается влияние неровностей. Это происходит благодаря тому, что направление волны зависит от проекции высоты неровности. В результате при одной и той же длине волны, зеркальным отражение будет при большом угле падения, а диффузным – при малом.
Коэффициент отражения – это величина, равная отношению интенсивности отраженной волны к падающей. Коэффициент отражения зависит от угла падения волны, параметров препятствия, длины волны, а также от поляризации падающей волны.
В цифровом наземном телевизионном вещании используется горизонтальная поляризация волн. Для IVдиапазона средняя длина волны составляет , а для V диапазона .
Радиоволны УКВ диапазона практически не обладают дифракцией, т. е. способностью огибать препятствие, большее длины волны. С учетом размеров препятствия (горы), значительно превышающих длину волны IV и V диапазона, дифракцией волны, в данном случае, можно пренебречь.
Согласно закону Ламберта напряженность поля отраженной волны зависит от напряженности поля падающей волны, угла падения волны, а также от параметров препятствия:

 (4)

где  – напряженность поля отраженной волны, мВ/м;
 – напряженность поля падающей волны, мВ/м;
 – коэффициент диффузионного отражения;
 – угол падения.

 (4а)

где  – напряженность поля отраженной волны, дБ(мкВ/м);
 – напряженность поля падающей волны, дБ(мкВ/м);
 – коэффициент диффузионного отражения (отрицательный), дБ;
 – угол падения.

Эффективная высота подъема передающей антенны для села Беш-Кюнгей является отрицательной (). Поэтому нельзя непосредственно применять формулу Введенского для расчета напряженности поля в данной точке. В этом случае можно использовать Рекомендацию МСЭ-R 1546.
Для начала необходимо определить значения напряженности поля при высоте подъема передающей антенны :

 (5)

где  – напряженность поля при , дБ(мкВ/м);
 – поправка для  и ;
 – поправка на дифракционные потери для 
 – напряженность поля, определенная на заданном расстоянии для , дБ(мкВ/м).

 (6)

где  – напряженность поля, определенная на заданном расстоянии для , дБ(мкВ/м).
Поправка на дифракционные потери , дБ, рассчитывается по следующей формуле:

 (7)

где  (8)

 (9)
Эффективный угол просвета местности, градусы:

 (10)

 для 600 МГц.
Напряженность поля падающей волны определим из графика для сухопутных трасс, 600 МГц, 50% времени. 
 дБ(мкВ/м) для R=13 км;
 дБ(мкВ/м) для R=13 км.
Отражение сигнала происходит в данном случае на высоте около 20 м.
Согласно формулы (4а) напряженность поля отраженного сигнала составляет  дБ(мкВ/м) при  дБ. В точке расчета напряженность поля составляет  дБ(мкВ/м).
При этом измеренное значение составляет  дБ(мкВ/м).
Выводы: При прогнозировании напряженности поля на открытых участках распространения очень хорошие результаты дает дифракционная модель распространения, в данном случае расчет по формуле Введенского с ограничениями формулы (2). Использование формулы Введенского упрощает расчеты. Это является главным преимуществом применения формулы.
В горных местностях эффективная высота подвеса передающей антенны может оказаться отрицательной. В этом случае необходимо вводить поправки при расчете напряженности поля. В этом случае более удобным оказывается прогнозирование напряженности поля с помощью Рекомендации МСЭ-R 1546.
При отражении сигнал может отразиться диффузно (рассеянно) или зеркально. Для УКВ радиоволн IV и V диапазонов, используемых в цифровом наземном телевизионном вещании, отражение от гор в подавляющем большинстве случаев будет происходить диффузно, за исключением скользящего отражения при большом угле падения. Препятствие, от которого отражается сигнал можно рассматривать как передатчик с мощностью, равной мощности отраженного сигнала.


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. Долуханов М. П. «Распространение радиоволн» М.: «Связь», 1972, 336 с.
  3. Введенский Б. А. К вопросу о распространении ультракоротких волн. «Вестник теоретической и экспериментальной электротехники», 1928, №12.
  4. Ахманов С. А., Никитин С. Ю. «Физическая оптика» 2-е изд. МГУ, 2004, 654 с.


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