Rambler's Top100
Статьи ИКС № 03 2011
Юрий Андреевич ЧЕРНОВ  09 марта 2011

Как внедрять DRM будем?

ФЦП «Развитие телерадиовещания в РФ на 2009–2015 гг.» задала курс на цифровизацию российских радиосетей. Однако инструментарий для внедрения DRM не вполне готов, и еще многое необходимо проработать, подготовить и предусмотреть.

Не зная броду, лезем в воду 

Юрий ЧЕРНОВ, главный научный сотрудник ФГУП НИИ радио, д-р техн. наукОрганизация сети радиовещания сопряжена с целым рядом проблем. Но для аналогового вещания все они не столь критичны, как для цифрового. Например, вариации напряженности поля во времени и от места к месту влияют на работу практически всех систем, однако в аналоговом вещании на длинных и средних волнах они не являются проблемой первой величины, так как временное снижение напряженности поля лишь несколько ухудшает качество приема, а на коротких волнах замирания сигнала – обычное явление, к которому слушатели относятся как к неизбежности. 

Для систем DRM все серьезно усугубляется пороговым характером приема. Основные проблемы «цифры» таковы:

1) сильная зависимость надежности приема от случайных и детерминированных изменений напряженности поля во времени и от места к месту; 2) высокий уровень помех в городах;  

3) трудности планирования передающей сети для создания сплошной зоны покрытия без «мертвых» коридоров;

4) неподготовленность статистических данных для расчета высокой надежности работы сети вещания в целом;

5) влияние самих участников внедрения цифровой системы.

Вариации уровня сигнала
На высокую чувствительность систем DRM и HD Radio к вариациям силы принимаемого поля одними из первых обратили внимание бразильские специалисты, организовавшие в июле–августе 2006 г. серию мобильных измерений1. Измерения проводились в центре Бразилии, по шести направлениям от передатчика на расстояниях до 180 км. Рельеф неровный с перепадами высот от 500 до 1200 м. На маршруте, а значит и в других местах территории, напряженность поля отличалась от среднего тренда как в большую, так и в меньшую сторону (рис. 1), часто на значительные величины, до 10 дБ и более (везде далее понимать как дБ (мкВ/м)). Бразильские специалисты подчеркнули: для описания поведения цифровых радиовещательных систем информации о средних значениях принимаемого сигнала недостаточно, необходимо учитывать вариации во времени, пространстве и частоте. Поэтому, по их мнению, система DRM нуждается в тщательной отработке и повышении точности моделей прогнозирования уровня сигнала с тем, чтобы их можно было использовать для сетевого планирования.
В измерениях, проводившихся в 2006 г. в Мексике2 (частота 1060 кГц, усредненная проводимость почвы 50 мСм/м), также зафиксированы значительные колебания уровня сигнала – между 80 и 110 дБ – от места к месту даже на коротких расстояниях (11–16 км).
В Рекомендации МСЭ-Р Р.1321-4, где содержится сводный материал по изменчивости напряженности поля от места к месту, указывается, что распределение уровня сигнала хорошо описывается логнормальным законом со стандартным отклонением 3,7 дБ. Исходя из этой величины, для обеспечения 90% территории уровнем сигнала, достаточным для декодирования, необходимо увеличить медиану на 4,74 дБ, а для 95% территории – уже на 6,01 дБ.  

Согласно Рек. BS.1615, в идеале минимальная напряженность поля, достаточная для декодирования, составляет для различных условий передачи при модуляции 64 QAM 39–43 дБ, а при 16 QAM – 33–35 дБ. Однако реально с учетом уличных и других бытовых помех в стационарных и мобильных условиях, а также изменений ото дня ко дню и по сезонам года необходимый медианный уровень сигнала для DRM должен составлять на средних волнах не менее 60–65 дБ3.. Измерения, проведенные в Бразилии в 2010 г., показали4, что минимальная напряженность поля должна быть не ниже 65–70 дБ даже при модуляции 16 QAM, и любое ее снижение может самым неблагоприятным образом отразиться на надежности приема.

Ядро этой проблемы – неоднородность рельефа. За цифрой стандартного отклонения напряженности поля 3,7 дБ (усреднение делалось по странам с разными рельефами) скрывается множество гористых районов, в которых стандартное отклонение вместо 3,7 дБ составляет 5–7 дБ, т.е. потребуется увеличить медиану на 7–10 дБ. А в России районов с сильно изрезанным рельефом и большими перепадами высот достаточно – Кавказ, Алтай, северо-восток и т.д. Методика расчета зон покрытия на таких территориях для длинных и средних волн не разработана, хотя физическая сторона вопроса вполне понятна. И если в результате недостаточно точных расчетов для части территории мощность передатчика будет занижена, то декодирование на ней будет происходить лишь в некоторых местах, и покрытие вещанием будет похоже на ткань, изъеденную молью. 

Кроме того, обобщенные распределения вероятности уровня сигнала ничего не говорят о характеристиках его выбросов и провалов: то ли это редко повторяющиеся длительные провалы, занимающие значительные пространства, то ли часто повторяющиеся короткие. Для DRM-вещания это не безразлично, но к настоящему времени такие данные практически отсутствуют. 

Вторая часть проблемы чувствительности к вариациям силы поля связана с сезонным фактором. Разработчики системы DRM проводили натурные испытания в странах с теплым климатом, где и зимой отрицательные среднемесячные температуры нечасты (Мексика, Испания, Франция, Италия, Вьетнам, Бразилия). Перепады напряженности поля зима-лето в таких странах не превышают 3–5 дБ, поэтому у тех, кто проводил тестирование, не возникло опасений, что судьбе системы может угрожать климатический фактор. Однако в северных странах, к которым принадлежит и Россия, положение намного тревожнее 5. Диапазон изменений напряженности поля зима-лето в европейской части России составляет в среднем 13 дБ, а в Сибири – 15 дБ и более, что эквивалентно увеличению требующейся мощности передатчиков в десятки раз. Как планировать и внедрять цифровое вещание при таком совместном влиянии сложного рельефа и сезонных перепадов, никто не научил. 

Проблема города 

Высокий уровень помех в больших городах даже для аналогового вещания требует повышения напряженности поля практически на 10–20 дБ. Вместе с тем в городе почти всегда повышено и поглощение сигнала, что значительно ухудшает условия приема. Так, в Москве в зонах городской застройки снижение полезного сигнала на СВ-частотах может достигать 12–15 дБ6 (рис. 2). Совокупное влияние повышенного уровня помех и повышенного поглощения приводит к необходимости существенного увеличения уровня полезного сигнала: примерно на 20–22 дБ для компенсации промышленных помех и на 12 дБ – на дополнительное затухание сигнала7. Для сравнения: в соответствии с Рек. BS.1615, для тихих загородных территорий в стационарных условиях достаточен сигнал с уровнем 33 дБ (при модуляции 16 QAM) или 43 дБ (при 64 QAM). Такие места существуют, хотя в Европе они очень редки. Можно ожидать, что в центральной России, в Сибири уровень атмосферных помех ниже, и подобные территории будут встречаться. Помехи также снижаются в зимний период. Но в городе в целом вместе с дополнительными поправками минимальная напряженность поля, особенно при мобильном приеме, по зарубежным данным3, может достигать 75–80 дБ. При этом стандартное отклонение сигнала в городе доходит до 6–8 дБ (Рек. Р.1321-2, п. 4.2). 

В экспериментах, проведенных в Мексике2, в местах с напряженностью поля ниже 78 дБ стационарный прием был плохим (рис. 3), но там, где напряженность поля равнялась 78–82 дБ и отношение с/п было примерно на 1 дБ выше, нарушений приема было значительно меньше (рис. 4). Это наглядное свидетельство того, насколько критична величина уровня принимаемого сигнала для цифровой системы.

В Германии были проведены измерения на одночастотной сети. Выводы, изложенные во французском отчете8, сводятся к следующему. Параметры планирования (требуемая минимальная сила поля и отношение сигнал/шум) по МСЭ-Р TG 6/7 хорошо совпадают с полученными при измерениях результатами, но чтобы обеспечить высокую вероятность покрытия территории, напряженность поля нужно увеличить. Величина этой добавки, как сообщают авторы, зависит от рельефа земной поверхности, так как стандартное отклонение замираний огибающей намного выше в городской среде, чем в сельской. В городских условиях эффективность системы ухудшается сильнее, чем ожидалось. Это вызвано не только увеличением промышленных помех, но и влиянием зданий. Немецкие специалисты также отмечают неполноту методики планирования цифровой сети и подчеркивают, что для надежной оценки деградации приема требуются новые модели прогнозирования распространения сигнала.  

Планирование передающей сети

Подход к планированию цифровой сети, предлагаемый МСЭ-Р в Рек. BS.1615, в корне отличается от принятого подхода для аналоговых сетей, изложенного в заключительных актах Региональной конференции по радиовещанию 1975 г.9 При планировании аналоговой сети исходной величиной для определения размеров полезной зоны является медианная величина напряженности поля на границе зоны, в которой уже учтен уровень атмосферных помех на выбранной частоте. В базовую величину 60 дБ (на частоте 1 МГц) входят и все случайные и неслучайные изменения сигнала, так как при амплитудной модуляции они не вызывают тяжелых последствий. Уровень атмосферных помех зависит от частоты, поэтому, как указано в заключительных актах Региональной конференции 1975 г., применяется корректирующая кривая поправок к базовой величине напряженности поля, согласно которой на наиболее низкой частоте (153 кГц) поправка равна +13 дБ, а на верхней (1602 кГц) снижается до –3 дБ. Учтенный перепад уровня помех, как видно, составляет 16 дБ, что даже для непритязательной аналоговой системы величина заметная, с которой нельзя не считаться.  

Первая часть проблемы планирования сети – это параметры. Наиболее важный – минимальная напряженность поля на границе полезной зоны. Согласно Рек. BS.1615, в цифровой сети напряженность поля на границе зоны определяется исходя из шумовой чувствительности приемника. При этом из учета автоматически выпадают уровень атмосферных шумов и существенная, как было показано, частотная поправка к минимальной напряженности поля. Источником сведений о чувствительности приемников для Рек. BS.1615 является Рек. BS.703, в которой сказано, в частности, что для НЧ чувствительность равна 66 дБ, для СЧ – 60 дБ и для ВЧ – 40 дБ. Первые две цифры соответствуют средним величинам по диапазонам, приведенным в заключительных актах Региональной конференции 1975 г. Но в этих же актах поясняется, что напряженность поля на границе зоны определяется исходя из уровня «атмосферных, индустриальных... помех» (не внутренних шумов приемника). В Рек. BS.1615, напротив, минимальная напряженность поля равна сумме уровня шума приемника и величины защитных отношений. Рекомендация, в которой содержатся такие противоречия и упразднена ярко выраженная частотная зависимость, вряд ли может служить надежной основой для планирования сети.

Вторая часть проблемы – собственно планирование сети. Рассмотрим лишь один аспект. В аналоговой сети при наличии внешних помех, уровень которых может иметь случайные изменения, вся зона вещания может быть условно поделена (по радиусу) на три части (рис. 5). Полезной зоной при планировании аналоговой сети считается все, что находится от передатчика до границы, определяемой отношением С/Ш = 30 дБ (в нашем примере – около 160 км). При этом случайные изменения уровня шума (или мешающего сигнала) не принимаются в расчет в силу особенностей аналоговой системы.

В цифровой системе защитное отношение для типичных уличных условий обычно равно 17–22 дБ, для примера примем 20 дБ (рис. 6). При благоприятных условиях эти 20 дБ прибавляются к среднему уровню помех (к нижней линии, рис. 6 справа). При этом радиус зоны составит 600 км. Но на практике уровень помех нередко превышает средний (в нашем примере – на 10 дБ), и те же 20 дБ необходимо добавить к повышенному уровню (к второй снизу линии, рис. 6 слева), и тогда радиус зоны составит около 170 км. Именно с этой границей приходится считаться при планировании. Радиус полезной зоны у цифровой системы почти такой же, как и у аналоговой, но у DRM переход через границу 20 дБ означает почти полное прекращение приема, а в аналоговой сети качество вещания остается хорошим или удовлетворительным вплоть до 800 км. Площадь зоны вещания аналоговой системы с приемлемым качеством превышает плановую более чем в 16 раз. В цифровой же системе кольцо между примерно 200 км и 800 км будет практически глухим (удовлетворительного качества в DRM не бывает – либо хорошо, либо никак, кроме чрезвычайных ситуаций, когда передатчик исходно может быть установлен в режим 4 QAM). Другими словами, учитывая хорошее и удовлетворительное качество приема, при регулярном вещании аналоговая система обеспечивает значительно большую зону покрытия, чем цифровая. А в цифровой системе необходимость покрытия коридора, образующегося в нашем примере между 200 км и 800 км, создает при планировании дополнительные проблемы.  

Этот схематичный пример показывает, что внедрение DRM, на первый взгляд представлявшееся средством, которое излечит радиовещание от многих недугов, в действительности оказывается сопряженным с тяжелыми побочными эффектами, и для их грамотного лечения лекарств еще не создано. К этому добавим, что для России нет опубликованных материалов об измерениях атмосферных помех. А они определяют необходимую напряженность поля в тихих непромышленных районах. Такие районы занимают большую часть территории нашей страны, что служит источником надежды в плане внедрения DRM. Однако интенсивность помех неравномерна и непостоянна. Все это требует дальнейшего изучения.

 Обеспечение высокой надежности работы сети вещания  

Для построения цифровой сети в отличие от аналоговой нельзя обойтись только оценкой медианной величины пограничной напряженности поля. Об этом говорят и зарубежные коллеги, чьи соображения процитированы выше. Пороговые свойства цифрового сигнала требуют медицински бережного отношения к необходимой величине С/Ш и С/П или уровню сигнала с учетом вероятности его снижения под влиянием многих факторов. Это сразу переводит задачу оценки размеров зон вещания в русло расчета надежности с учетом изменений сигнала как во времени, ото дня ко дню и по сезонам, так и в пространстве. Принципиально вопрос надежности достаточно разработан, например для сети ТВ-вещания, но применительно к диапазонам длинных и средних волн статистические параметры, необходимые для такого планирования, в настоящее время не подготовлены. В их число входят характеристики излучения антенн, проводимости почвы, атмосферных помех и др. Поэтому едва ли можно говорить сегодня о планировании цифровой сети на основе надежности в ДВ/СВ-диапазоне.

Влияние самих участников внедрения  

Человек с его амбициями часто сам создает дополнительные трудности. Желание получить результат быстро без детальной проработки сложных вопросов обычно приводит либо к провалу проекта, либо обрекает его на мучительный и долгий процесс переделок и доведения до жизнеспособного состояния. Проблемы внедрения DRM усугубляются тем, что специалисты по радиовещанию в диапазонах ниже 30 МГц, как и сам автор, – в основном люди старой закваски, не молодежь. Есть опасение, что при планировании DRM-сети на длинных и средних волнах, которые многое терпели и стерпят, невольно может проявляться тяготение к старым решениям, не всегда подходящим для новых систем. А цифра этого может не простить.  


_______________________________________________________________

 

1F. Lima, H. Abdalla Junior, A. Soares, L. Silva. Medidas de Campo da Onda de Superfcie Visando a Digitalizao do Rdio Comercial no Brasil. Материалы объединенной конференции по микроволновой оптоэлектронике и электромагнетизму (MOMAG 2006). Белу-Оризонти, 7–10 августа 2006 г.

 

2МСЭ-Р, Док. 6Е/403, 2006 г., Мексика.

 

3Чернов Ю. Цифровое радио. Плюсы и минусы внедрения. «ИКС» № 1–2’2010, с. 55.

 

4МСЭ-Р, Док. 3J/140, 2010 г., Бразилия.

 

5Чернов Ю. Где DRM’у жить хорошо. «ИКС» № 3’2010, с. 58.

 

6МСЭ-Р, Док. 3J/169, 2007 г., Россия.

 

7МСЭ-Р, Рек. Р.372-9 (Radio noise).

 

8МСЭ-Р, Док. 6Е/54, 2004 г., Франция.

 

9Заключительные акты Региональной административной конференции по радиовещанию в ДВ- и СВ-диапазонах (1 и 3 регионы). Женева, 1975 г.

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!
Поделиться: