Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 03 2010
Юрий Андреевич ЧЕРНОВ  10 марта 2010

Где DRM’у жить хорошо

Всем и всему для комфортной жизни нужна стабильность. И людям, и деньгам, и даже системам радиовещания. Особенно если это системы с пороговыми свойствами, такие как DRM. А как показывает автор статьи, геофизические и климатические условия Земли стабильность этой цифровой технологии обеспечивают далеко не везде.

Юрий ЧЕРНОВ, начальник лаборатории ФГУП НИИ радио, д-р техн. наукДля систем связи стабильность – это постоянство условий распространения радиоволн, т.е. постоянство технических характеристик канала связи. В стабильных условиях можно достаточно надежно прогнозировать работу системы, планировать развитие сети, на долгие годы вперед рассчитывать полезные зоны, взаимные помехи и многое другое. Однако в природе совершенно стабильных условий не встречается.

Одной из характеристик системы вещания является граница между нестабильностью допустимой и недопустимой, причем очевидно, что для разных систем эта граница будет различна. Например, система АМ-вещания безболезненно для хорошего качества работы переносит замирания сигнала 10 дБ и более от стандартного уровня, в то время как реакция цифровых систем бескомпромиссная – ни на полдецибела ниже порога.

Поэтому понятие «жить хорошо» – весьма условное. Но очевидно, что где-то жизнь может быть легче, где-то – тяжелее.

Жизнь на коротких волнах

Условия работы для систем вещания в КВ-диапазоне крайне тяжелые. Для цифровых систем – тем более. Изменчивость среднего уровня сигнала по часам суток, времени года, рабочей частоте и солнечной активности достигает десятков децибел, и прогнозирование вследствие его низкой точности помогает мало.

Испытанное временем  АМ-вещание на коротких волнах существует десятки лет. Этим мы обязаны его уникальному свойству – медленному и плавному снижению качества принимаемого сигнала при уменьшении отношения сигнал/помеха (C/П). Для аналоговой системы в любом диапазоне длин волн на основе накопленного опыта определен уровень сигнала, считающийся достаточным для хорошего приема. Этот уровень численно приравнен к чувствительности «среднего» приемника (табл. 1).

Отметим, что цифры 66 и 60 дБ и близкие к ним приняты в 1975 г. на конференции в Женеве для планирования радиовещания в НЧ-и СЧ-диапазонах.

Поведение АМ-систем при замираниях сигнала относительно указанных в табл. 1 уровней хорошо известно. В Рек. BS.560-4 приводится зависимость качества сигнала в баллах от отношения сигнал/помеха (С/П). В частности, для художественного и информационного вещания требования значительно различаются* (рис. 1): при усредненной оценке по всем видам вещания удовлетворительное качество обеспечивается при отношении С/П, равном 17 дБ, а информационные программы, оцениваемые только по разборчивости, 50% экспертов считают хорошими при С/П = 7 дБ. Этот факт хорошо известен еще со времен глушения нежелательных передач, когда для полной потери смысла принимаемой передачи требовался мешающий сигнал на 5–7 дБ более сильный.


К настоящему времени сложилось определенное представление о нестабильности сигналов в различных диапазонах волн. Первое место занимают короткие волны. Почти вековой опыт работы и изучения поведения КВ-сигналов в различных условиях показал наличие быстрых и медленных замираний. Быстрые замирания имеют распределение Рэлея, медленные или от часа к часу и ото дня ко дню случайные изменения часовых медиан имеют логнормальное распределение. Величины медленных отклонений зависят от отношения рабочей частоты к максимальной применимой частоте (МПЧ) (табл. 2).

Уровень помех также не остается постоянным, увеличивая суммарные изменения отношения сигнал/помеха. Как отмечено в Рек. BS.411-4, изменения (превышение общего уровня в 10% случаев) отношения С/П достигают 16 дБ при наличии помех только от других станций, 17 дБ при наличии атмосферных шумов и 12 дБ при наличии только промышленных или бытовых помех. Эти цифры соответствуют условиям работы, далеким от МПЧ, т.е. верхней строке табл. 2. Реально они могут быть в 1,5–2 раза б'ольшими. Все сказанное означает, что «средний» приемник обеспечивает прием программы и при указанных изменениях величины С/П, поскольку его чувствительность (40 дБ) определена с учетом наличия замираний, без которых приема через ионосферу на КВ не бывает. При замирании сигнала комфортность приема программы снижается.

Требовательный DRM. Для цифрового сигнала условия приема с приведенными выше величинами замираний могут подходить не всегда. Многочисленные наблюдения, проведенные в ряде стран, включая Россию, показали, что для надежного DRM-приема на бытовой приемник при относительно стабильных условиях в КВ-диапазоне требуется напряженность поля не ниже примерно 50 дБ (мкВ/м), что намного превышает расчетные значения**. Вследствие случайных изменений уровня сигнала ото дня ко дню необходимо предусмотреть дополнительный запас мощности излучения. В итоге плата за удовольствие пользоваться цифровым сигналом получается весьма солидной.

Такова ситуация на радиолиниях средних широт, наиболее спокойных в геофизическом отношении. В то же время ионосфера в северной и южной зонах полярных сияний практически всегда находится в возмущенном состоянии, а в экваториальной области отличается повышенной диффузностью и непрерывным появлением спорадических ионосферных образований (рис. 2). В любой из этих зон и примыкающих к ним территорий работа КВ-каналов осложняется дополнительным поглощением, диффузностью, многолучевостью, размытием спектра и др.

В приполярных областях наиболее тяжел зимний период, когда никакие мощности не обеспечивают работу радиолиний при частых ионосферных возмущениях. В экваториальной области условия ухудшаются в вечернее и ночное время, когда происходит перестройка ионосферы от дня к ночи и в ней возникают активные турбулентные процессы. Для компенсации отрицательного влияния этих процессов, не считая других специфических экваториальных явлений, требуется дополнительное повышение напряженности поля на 6–8 дБ. Все это будет существенно осложнять работу цифрового вещания в КВ-диапазоне. Поэтому можно ожидать, что наиболее подходящими для применения DRM окажутся линии средних широт, желательно небольшой протяженности. При этом мощность передатчиков потребуется не меньшая, чем для аналоговой системы.

Где есть стабильность в ДВ- и СВ-диапазонах?

Длинные и средние волны при распространении земной волной считались образцом постоянства. Планирование в этих диапазонах проводится путем расчета полезных зон для дневного времени, когда помехи по ионосферным каналам практически отсутствуют. В темное время суток из-за ионосферных помех от других станций полезные зоны почти всегда намного меньше, чем днем.

Постоянство уровня сигнала земных волн в ДВ- и СВ-диапазонах, как оказалось, явление неповсеместное. Еще в начале прошлого века (США, 1924, 1928 гг.) были обнаружены случайные изменения уровня сигнала в дневное время ото дня ко дню и от часа к часу, а также систематические сезонные изменения. Однако изменения были невелики, радиовещание делало первые шаги и это открытие не привлекло к себе внимания. В статье, вышедшей в 1949 г. (F.R. Gracely, “Temperature Variations of Ground-Wave Signal Intensity at Standard Broadcast Frequencies”, Proc. I.R.E., April, 1949, pp. 360-363), указывалось на наличие тесной связи напряженности поля и температуры воздуха окружающей среды. Например, на трассе Филадельфия–Балтимор (13.30 местного времени, 1170 кГц, 76 миль, май 1939 – август 1940 г.) летнее снижение уровня сигнала составило примерно 3 дБ (рис. 3).

Последующие измерения в разных районах Земли показали, что величина сезонных изменений (размах) тесно связана со среднеянварской температурой. Зимой уровень сигнала выше, летом – ниже. Средний размах – от 4 до 15 дБ (табл. 3).

В условиях российского климата размах сезонных изменений среднемесячных уровней сигнала существенно больше, чем в США (рис. 4). Отметим, что в сезонных изменениях большую роль играют поглощающие свойства лесных массивов, сильно зависящие от климатических условий.

В странах, где больших сезонных перепадов уровня сигнала нет, планирование сети организовано без разделения на летние и зимние условия. В Индии, например, где средняя температура января равна +16°С, сезонных изменений не наблюдается. Там же, где это различие заметно, приходится мириться с реальными сезонными изменениями качества вещания.

Для аналоговых систем это не катастрофа: к примеру, вместо запланированных на границе зоны 60 дБ уровень сигнала будет временно уменьшаться до 50–45 дБ. Оценка качества сигнала снизится в крайнем случае на 1–1,5 балла. Уровень цифрового сигнала на средних волнах, как следует из зарубежных измерений, при спокойных условиях должен быть не ниже 60 дБ**. Поэтому увеличение уровня сигнала для компенсации замираний на 10–15 дБ (увеличение мощности излучения в 10–20 раз) смерти подобно. Ведь необходимо предусмотреть еще и приличный запас напряженности поля на случайные изменения уровня сигнала ото дня ко дню. В таких условиях DRM не выживет.

Где же DRM’у легче выжить?

Откроем климатическую карту мира. Сначала посмотрим, где имеются противопоказания. В Канаде, Центральной Европе и северной части Азии (без Индии и Индонезии) средняя температура января ниже 0°С (рис. 5). В июле отрицательных среднемесячных температур нет ни в одной стране мира. Из табл. 3 следует, что только в тех регионах, где среднеянварская температура опускается ниже +5°С, летнее снижение напряженности поля становится ощутимым. Для перечисленных выше холодных регионов, к которым относится и вся территория России, положение или напряженное, или аховое. В России в центральных и северных европейских областях, а тем более в Сибири, при работе DRM, видимо, встретятся большие трудности. Их можно ожидать в первую очередь там, где аналоговые сети, спланированные на конкретные мощности передатчиков, обеспечивающие необходимые зоны покрытия, при переходе на DRM окажутся вынужденными или значительно повышать мощности передатчиков для всесезонного сохранения размеров полезных зон, либо довольствоваться тем, что останется. Ведь DRM не допускает снижения качества на 1–1,5 балла. В эфире просто будет тишина.

Во всех других районах мира можно ожидать, что существенной энергетической подпитки в летнее время для DRM, подобно аналоговой системе, не потребуется. Исходя из картины мирового распределения температур можно заключить, что замена аналоговой системы на цифровую в диапазонах ДВ или СВ без значительных осложнений реальна во многих регионах мира (южная часть Северной Америки, Южная Америка, западная часть Европы, Африка, Австралия, Ближний Восток, б'ольшая часть ЮВА). Какие при этом потребуются мощности – выше или ниже, чем для АМ-вещания, – разговор особый.

Приведенное выше деление стран по температурному признаку на более удобные для работы DRM и менее удобные подводит нас к известной поговорке: «Везде хорошо, где нас нет». Даже за цифровой звук холодным странам, в одной из которых мы и живем, придется платить больше.  
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!
Поделиться: