Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 01-02 2010
Юрий Андреевич ЧЕРНОВ  28 января 2010

Цифровое радио Плюсы и минусы

Внедрение такой революционной системы радиовещания, как DRM, должно сопровождаться тщательным изучением ее преимуществ и недостатков. О достоинствах сказано и написано много, а слабые стороны практически не освещены. Для конструктивного обсуждения возможности использования DRM необходимо учитывать реально требуемые уровни сигнала, излучаемые мощности и пр.

Юрий ЧЕРНОВ, начальник лаборатории ФГУП НИИ радио, д-р техн. наукПоложительная сторона системы DRM (Digital Radio Mondiale) наиболее ярко проявилась в ее влиянии на социальную сферу. К концу прошлого века вещание на коротких волнах (КВ) потеряло свою привлекательность. Система DRM вдохнула в него новую жизнь. Активизировалась исследовательская работа во многих научных коллективах, в разных странах сформировались группы ученых, выполнившие широкие и уникальные эксперименты по изучению применения DRM на средних и длинных волнах (СВ и ДВ). Возникли новые рабочие места, появились новые знания.

Широко декларированы и плюсы технического характера: более высокое по сравнению с аналоговой системой качество, меньшая мощность и б'ольшая полезная зона. Источником этих тезисов послужил созданный рабочей группой МСЭ-Р Документ 6-6/6 (2000 г.) с описанием новой системы и ее характеристик. На его основе была разработана Рекомендация  МСЭ-Р BS.1615 (“Planning parameters” for digital sound broadcasting at frequencies below 30 MHz), в которой определены защитные отношения и минимальная напряженность поля, приемлемые для вещания в формате DRM.

Согласно Рек. BS.1615, величины защитных отношений для спокойных каналов средних волн с хорошим качеством сигнала равняются в среднем 17 ± 2 дБ, для более сложных КВ-каналов – 22–25 дБ (в редких случаях до 30 дБ и выше). Необходимая напряженность поля, рассчитанная по этим величинам защитных отношений, составляет для коротких волн 25–30 дБ, для средних волн – 40–43 дБ.

Низкие значения необходимой напряженности поля, приведенные в Рек. BS.1615, послужили отправной точкой для формирования мнения о фантастических экономических преимуществах DRM перед аналоговой системой, для которой на средних волнах для АМ принято ~ 60 дБ.

Однако необходимо отметить, что упомянутые данные были получены в лабораторных условиях и в течение последних почти 10 лет шла их проверка. К настоящему времени накоплен значительный опыт по цифровому радиовещанию на коротких, средних и длинных волнах. Специальные эксперименты и статистика обычного бытового приема создают наглядную картину проявления свойств цифрового радиовещания. В МСЭ-Р были представлены результаты экспериментов на средних волнах, проведенных во Франции, Мексике, Испании, Италии, Вьетнаме. Эксперименты в Германии проводились также и на длинных волнах.

Огромный наблюдательный материал, собранный радиослушателями из многих стран мира, опубликован на сайте www.drm.org (Live Broadcasts Schedule. International, National and Local DRM Broadcasts Underway in Markets Worldwide). В 2007–2008 гг. на этом ресурсе были размещены данные, полученные на профессиональных приемниках в разных регионах мира, о надежности приема (процент времени правильного приема за период прослушивания) и измеренном отношении сигнал/помеха в эти периоды. Почти все измерения продолжались по несколько минут или меньше и лишь некоторые длились до 0,5–3 часов. Статистика отражает типовую ситуацию приема в реальном окружении.

Эксперименты в КВ-диапазоне

Из описанных на сайте www.drm.org сеансов DRM-приема за 2007–2008 гг. к КВ-диапазону относится 606 случаев, в том числе 413 (т.е. 68,2%) – с надежностью 98% и выше. Оказалось, что надежность более 98% в течение коротких периодов времени обеспечивается при отношении С/П выше 30 дБ, что не противоречит данным, приведенным в документах МСЭ-Р. О напряженности поля не сообщается (мы же в дальнейшем основное внимание будем уделять как раз требуемой для работы приемника напряженности поля, поскольку в итоге именно эта величина определяет необходимую мощность передатчика).

Можно полагать, что при более продолжительных периодах приема доля случаев с такой высокой надежностью уменьшится. Дальнейшее ухудшение результатов произойдет при использовании бытовых приемников вместо профессиональных.

Летом 2008 г. опыты по DRM-приему выполнялись вблизи Москвы. Прием осуществлялся на бытовой приемник со штатной антенной. На протяженных трассах на частоте 13810 кГц в дневное время при напряженности поля 35–40 дБ (мкВ/м) прием проходил в различные дни или только короткими вспышками, или постоянно, но с пропаданиями, имевшими продолжительность более 2% периода приема. Уверенный прием наблюдался при напряженности поля 45–50 дБ. В Рек. BS.1615 предлагается ориентироваться на величину 25–27 дБ (здесь и далее пояснение (мкВ/м) опущено).

Большой объем измерений также был проведен на частоте 3995 кГц с антенной зенитного излучения на удалении от передатчика 100 км. Измерения проводились в нескольких далеко разнесенных пунктах приема. Сигнал предусматривал максимально доступный защитный интервал. Вывод: для уверенной работы на зенитную антенну требуется уровень сигнала выше 60 дБ.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что в средних широтах в летний день и при низкой солнечной активности система DRM на коротких волнах работоспособна. Но долговременная работа в реальных природных условиях без частых сбоев возможна при напряженности поля не ниже 50 дБ на протяженных наклонных трассах и не ниже 60 дБ на коротких трассах с антеннами зенитного излучения. Это намного выше, чем предусмотрено в Рек. BS.1615. Заметим, что в Рек. BS.703 для АМ-вещания в КВ-диапазоне рекомендованная напряженность – 40 дБ.

Эксперименты на средних волнах

Из представленных на сайте www.drm.org материалов следует, что для СВ- и ДВ-диапазонов надежность выше 98% в течение коротких периодов времени обеспечивается при отношении С/П выше 22 дБ, что не противоречит данным, приведенным в документах МСЭ-Р. При С/П = 17 дБ надежность падает до 80%. Из всех сеансов приема бесперебойная работа в коротких интервалах времени наблюдалась в 64% случаев.

Так же как и для КВ, можно полагать, что при более продолжительных сеансах число случаев с такой высокой надежностью уменьшится, а при использовании бытовых приемников вместо профессиональных результаты еще ухудшатся.

В числе присланных в МСЭ-Р материалов были результаты экспериментов в Испании, проведенных в 2004 г. на частоте 1359 кГц в стационарных и мобильных условиях в городской, пригородной и сельской местности. Прием осуществлялся на профессиональный приемник. В экспериментах измерялись напряженность поля и качество приема (доля правильно принятых фреймов). Измерения показали1, что прием сигналов DRM проходит хорошо (не менее 98% правильно принятых фреймов) при напряженности поля выше 55 дБ. При меньшей напряженности вблизи возмущающих объектов типа мостов прием пропадает и восстанавливается примерно при 65 дБ.

Измерения в условиях, подобных лабораторным (стационарный прием в тихой сельской местности без искусственных помех, многолучевости и доплеровского рассеяния)2, дали результаты, достаточно близкие к приведенным в документах МСЭ-Р. Причем в 98% случаев правильный прием наблюдался в зависимости от формата сигнала (A/64/16/0.6/S A/16/4/0.5/S) при напряженности поля не ниже 43–39 дБ, что на 2–4 дБ выше, чем указано в Рек. МСЭ-Р BS.1615. Сбои при приеме сигнала формата A/64/16/0.6/S наблюдались в пунктах, где напряженность поля ниже 45 дБ.

В обычных условиях при наличии бытовых помех и влиянии природных факторов требуется более высокий уровень сигнала. В частности, при мобильном приеме сигнала A/64/16/0.6/S частые сбои начинаются при снижении напряженности поля до 75–70 дБ. Переход на сигнал с более низким качеством (A/16/4/0.5/S) повышает надежность.

Во Франции в 2002 г. эксперименты3 в 350 км от Парижа на частоте 1494 кГц показали, что при напряженности поля 60 дБ цифровой сигнал принимается как на высококачественный приемник, так и на бытовой. При напряженности поля 51 дБ и ниже цифровой сигнал на штыревую антенну бытового приемника не принимается, а на рамочную антенну прием идет. В движении прием намного хуже, чем в стационарных условиях. При быстрой смене мест происходит частое изменение напряженности поля, провалы до 20 дБ наблюдаются через интервалы пути порядка 100 м. В движении для постоянного хорошего приема необходима намного более высокая напряженность поля, чем на стационарных пунктах.

В Мексике в 2006 г. систему DRM испытывали на частоте 1060 кГц с профессиональным приемником DT-7004. Прием проводился в разных условиях, от плотной городской застройки до сельской местности. Хороший прием (98% правильных фреймов) наблюдал-ся при напряженности поля выше      80 дБ и отношении сигнал/шум более 20 дБ. Мобильный прием, так же как в Испании и Франции, проходил гораздо хуже. Во всех типах местности доля правильно принятых фреймов составляла 70–97,8% при напряженности поля 80–95 дБ (рис. 1).

Во Вьетнаме в 2005 г. Азиатско-Тихоокеанский радиовещательный союз провел серию измерений5 на частоте 729 кГц в двух направлениях, к югу и к северу от передатчика, расположенного в Донг Хое. В южном направлении использовался профессиональный приемник ICOM PCR 1000 RF с активной штыревой антенной. В северном – бытовой приемник со штатной автомобильной антенной. Профессиональный приемник осуществлял прием в стационарных пунктах до расстояния 120 км при напряженности поля на границе зоны 57 дБ. Прием на бытовом приемнике продолжался только до расстояния 65 км. Приняв проводимость почвы равной 3 мСм/м и пользуясь кривыми распространения земных волн (Рек. Р.368-8), получим, что соответствующая напряженность поля на 13 дБ выше, чем на удалении 120 км, т.е. для хорошего приема на бытовом приемнике требуется не менее 70 дБ. Таким образом, радиус зоны приема для бытового приемника практически в 2 раза меньше, чем для профессионального.

В Италии в 2006 г. были проведены наиболее, на мой взгляд, показательные испытания6 по приему сигнала DRM. Передатчик в Милане работал на частоте 693 кГц. Прием велся примерно в 150 стационарных пунктах на рамочную антенну. Одной из задач было исследование размера и конфигурации зоны приема при использовании профессионального и бытового приемников. Оказалось, что только в 38% из выбранных пунктов измерений был возможен прием на бытовой приемник, в то время как на профессиональный приемник прием наблюдался во всех выбранных пунктах (табл. 1). Бытовой приемник не работает в тех зонах, где напряженность поля ниже    58 дБ. И есть территории, где профессиональный приемник хорошо работает при 43 дБ, что аналогично результатам, полученным в тихих зонах в Испании2.

В целом площадь зоны приема на бытовой приемник в три с лишним раза меньше, чем на профессиональный (рис. 2). Средние радиусы зон отличаются, грубо, в 1,5–2 раза, что соответствует вьетнамским данным.

По рассмотренным опытным данным можно отметить, во-первых, хорошее совпадение теоретических оценок и практических результатов для идеальных условий. Реальные результаты только на 2–4 дБ превосходят цифры, приведенные в Рекомендации BS.1615. Во всем остальном итоги неутешительные. В среднем в реальных условиях требуется значительно более высокая напряженность поля, чем указано в Рек. BS.1615.

Второе, что обращает на себя внимание, – большой разброс результатов. Это может быть следствием различий в окружающей обстановке при проведении измерений в разных странах. В любом случае это не позволяет дать однозначные рецепты планирования в удобных узких рамках.

Сравним с аналогом

Экспериментальные данные приема DRM-сигнала с надежностью 98%, неза-висимо собранные в разных странах мира (табл. 2), говорят о том, что даже в стационарных условиях и в течение коротких промежутков времени в ряде случаев требуется напряженность поля более высокая, чем для аналогового вещания. Вместо примерно 60 дБ, необходимых двухполосной АМ-системе для очень хорошего качества работы (кроме больших городов), профессиональному цифровому приемнику в тех же условиях требуется 45–70 дБ и более. Для бытового приемника напряженность поля должна быть еще выше примерно на 10–13 дБ, т.е. не менее 55–80 дБ.

При любых условиях приема (даже не в движении) требующаяся минимальная напряженность поля намного превышает заявленную в Рек. BS.1615, и она не ниже, а иногда значительно выше, чем для приема аналоговых сигналов. Если учесть, что эти условия соответствуют приему ЦРВ на грани срыва, а для аналоговой системы такой опасности не существует в принципе, то для постоянного многолетнего DRM-приема необходимы дополнительные запасы мощности в расчете на дневные и сезонные колебания уровня сигнала. Для российских условий к цифрам, приведенным в табл. 2, для СВ-диапазона нужно добавить еще 15–20 дБ. Для более теплых регионов требуемая добавка будет меньше. Эти данные содержатся в Рекомендациях МСЭ-Р Р.368 и Р.1321.

Кроме того, при вещании на большую территорию существует еще местностное распределение, по сути, аналогичное изменениям сигнала в движении. И хотя определенную цифру называть преждевременно, но бесспорно, что для гарантированного DRM-приема с надежностью 98% потребуется напряженность поля, серьезно превышающая величину, достаточную для хорошей и отличной работы аналоговой системы. Мощность передающей цифровой сети, по-видимому, должна быть как минимум на порядок выше, чем аналоговой. Может быть, в перспективе, если удастся снизить пик-фактор DRM-сигнала с 10 дБ до 1–2 дБ, положение DRM несколько укрепится. Но вряд ли существенно.

Если же сравнивать DRM не с двухполосной АМ-системой, обеспечивающей минимальный уровень сигнала примерно 60 дБ на СВ и 40 дБ на КВ, а с АМ-системой с динамическим управлением несущей, т.е. с современными аналоговыми передатчиками, или с однополосными системами (ОБП), которые намного более экономичны, то энергетическая непривлекательность DRM увеличится в разы.

Таким образом, величины минимальной напряженности поля, представленные в Рек. BS.1615, для работы в реальных условиях должны быть увеличены для диапазонов КВ и СВ на 20 дБ или даже больше.

Отдельно следует прокомментировать ситуацию на коротких волнах. Спокойные условия средних широт наиболее благоприятны для применения DRM на протяженных радиотрассах. В северных широтах (выше 60° геомагнитной широты, где часты ионосферные и магнитные возмущения) на любых трассах прием будет плохой или никакой, особенно в зимний период. В низких широтах возможна хорошая работа на коротких трассах с излучением, близким к вертикальному, но не во все время суток. На любых трассах в районе геомагнитного экватора в местное вечернее время будет мешать диффузность ионосферы. Как видим, в КВ-диапазоне положение более сложное и многообразное и заслуживает отдельного глубокого рассмотрения. Экономическое преимущество системы DRM на коротких волнах – большой вопрос.

  


Итак, судя по опубликованным опытным данным, о каком-либо экономическом преимуществе системы DRM перед аналоговой системой (АМ в современном экономичном исполнении) в полосах СВ (возможно, и в части ДВ) при многолетней работе, по крайней мере в условиях России, в настоящее время говорить не приходится..

Условия распространения радиоволн на Земле весьма разнооб-разны. Для многих геофизических зон DRM-вещание не обладает достаточной защитой. По-видимому, оно требует существенной доработки. DRM-вещанию придется искать в различных диапазонах волн свои геофизические ниши, где оно могло бы проявить себя наилучшим образом и стать действительно эффективной заменой аналоговым системам. На мой взгляд, к этому DRM-вещание еще не готово и впереди огромная работа.  икс 



1 МСЭ-Р, Док. 3J/25, 2008 г., Испания; 2 МСЭ-Р, Док. 6Е/175, 2005 г., Испания; 3 МСЭ-Р, Док. 6E-54, 2004 г., Франция; 4 МСЭ-Р,  Док. 6E-403, 2006 г., Мексика; 5 МСЭ-Р, Док. 6E-390, 2006 г., ABU (Вьетнам).

6 МСЭ-Р, Док. 6/353, 2007 г., Италия.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!