Rambler's Top100
Статьи ИКС № 10 2011
Юрий Андреевич ЧЕРНОВ  10 октября 2011

Быть ли свадьбе? Ионосфера и DRM

При каких условиях возможно устойчивое цифровое вещание на коротких волнах? «ИКС» продолжает изучать перспективы внедрения DRM в России (см. также «ИКС» № 1–2'2010, c. 55, № 3'2010, c. 58 и № 3’2011, с. 67).

Юрий ЧЕРНОВ, главный научный сотрудник ФГУП НИИ радиоЦифровое радиовещание первоначально задумывалось для «спасения» коротких волн, которые к концу прошлого века полностью утратили свою привлекательность как основа постоянно действующей службы. По сравнению с радио-вещанием на средних и длинных волнах КВ-вещание никак не смотрелось. Положительные стороны цифрового вещания очевидны (стабильное качество приема при соблюдении ряда условий, возможность использования стереорежима и некоторые другие удобства), однако эти преимущества еще надо суметь получить, равно как и добиться самого приема передачи. На коротких волнах это нелегко. Не все зависит от человека.

Действующие лица

Распространение коротких волн практически всегда организуется через ионосферу. А ионосфера многолика и капризна. Наименее предсказуема она в высоких широтах и экваториальном поясе1. Ионосфера непостоянна в широких пределах: в течение двух-трех часов уровень сигнала может измениться на 10–20 дБ, причем моменты этих взлетов и падений могут приходиться на разное время суток. Не менее велики колебания ото дня к ночи и от сезона к сезону. Это требует работы на нескольких частотах или постоянной перестройки рабочих частот, чтобы зацепиться за какую-нибудь удачную частоту.

Выше 60-й параллели при сильных ионосферных возмущениях радиосвязь (а тем более вещание) может отсутствовать по многу дней подряд. Кроме того, масштабные долготные изменения ионосферы в утренние и вечерние часы в средних и низких широтах, когда велики градиенты изменения ионосферных параметров, приводят к продолжительным затуханиям сигнала в широком диапазоне частот, так что использование нескольких частот не всегда спасает. В таких случаях уровни сигналов на всех частотах снижаются на 20 дБ и более. Этот эффект хорошо знаком операторам связи, работавшим в далекие прошлые годы, например, на трассах Москва – Дальний Восток. В Москве практически ежедневно в предутренние и ранние утренние часы ни туда, ни обратно связи на КВ не бывало по два-три часа, чему автор во время ночных дежурств в Радиобюро был свидетелем неоднократно. Тем не менее сегодня в намеченной перестройке вещания в полосах ниже 30 МГц коротким волнам отводится заметная роль.

Для полноты портрета отметим, что ионосфера, как слуга двух господ, занимает весьма важное место в работе сетей КВ-связи, как для гражданских нужд, так и для силовых структур. Однако связисты находятся в неизмеримо лучшем положении, чем вещатели: при наличии ионосферных возмущений они могут повторить сообщение в более благоприятный момент.

Другой персонаж, система DRM, требует к себе повышенного внимания и, несмотря на принятые внутренние меры для его стабильной работы, чрезвычайно придирчив к условиям существования и не терпит снижения жизненного уровня ни на полдецибела.

Такие диаметрально противоположные характеры заставляют сомневаться в возможности образования жизненно устойчивой пары. А ведь деятельность этого союза должна проходить в бытовой среде, среди людей. Поэтому не вполне ясно положение КВ-вещания как равноправной и полноценной части всей радиовещательной структуры на частотах ниже 30 МГц. Возможно, здесь кое-что может проясниться при обращении к истории КВ.

Зарождение

Если открыть журналы «Радиолюбитель» или «Радио всем» 20–30 гг. прошлого века, то можно встретить статьи радиолюбителей о приеме коротких волн с фотографиями, на которых виден стол с некоей железной конструкцией, опутанной проводами, и сидящий за ним человек в наушниках с рукой на верньере, внимательно глядящий на частотную шкалу. Внизу подпись: «Ячейка ОДР за работой. Идет прием дальних станций». ОДР – Общество друзей радио. Такая картина типична, подобных публикаций было много.

Развитие радиовещания на КВ начиналось как радиолюбительское движение. В силу капризности ионосферы и случайности прохождения через нее КВ прием вещания приобрел характер захватывающей игры или подобия рыбалки: клюет – не клюет. Процесс удержания приема, нередко связанный с поиском другой частоты или приличного приема другой программы, был под силу не всем. В основном им увлекалась молодежь, а большинство пожилых людей сторонилось этого занятия. Однако оно отлично служило пропаганде радио. За многие последующие годы процесс приема КВ-станций и отношение к нему не изменились. И до сих пор использование КВ-вещания носит ощутимый налет увлечения или ловли «радиорыбы».

Новое знакомство

При смене партнера – DRM вместо аналога – крупномасштабные изменения уровня сигнала по времени и необходимость работы на нескольких частотах сохраняются. В многочисленных сообщениях в Интернете говорится о том, что прием DRM-станций на КВ и СВ носит случайный характер, и процент времени непрерывного приема не вдохновляет. Есть надежда, что в цифровых приемниках появится автоматический поиск приемлемых частот той же программы. Это приблизило бы комфортность приема к стабильным системам радиовещания, не связанным с ионосферой. Тогда КВ-вещание приобрело бы возможность более продолжительного прослушивания без забот о непрерывности приема. Однако такие системы – некое подобие профессиональных адаптивных систем в радиосвязи – достаточно сложны и дороги. Они используются, в частности, в силовых структурах ряда стран.

Понятно, что во времена аналога непостоянство ионосферных каналов не позволяло радиовещанию дружить с ионосферой, и ранг КВ-вещания не мог подняться выше радиолюбительства. Справедливости ради отметим, что в годы становления радиовещания как такового короткие волны играли важную роль в донесении информации в места, где не было ничего. Хотя и не по расписанию. Возможно, эта функция до некоторой степени сохраняется и по сей день. Однако такая форма информирования населения вряд ли соответствует сегодняшнему представлению о радиовещании.

Если у толерантной аналоговой системы не было взаимопонимания и мира с ионосферой, то чего можно ожидать при смене партнера на сверхтребовательный DRM?

Виды деятельности

Вне зависимости от системы КВ-вещания основных видов два. Это организация национального вещания, в том числе и на собственные регионы, и работа на удаленные территории, которая активно используется для иновещания. Еще возможны одночастотные сети, но здесь дальше разговоров и первых опытов дело пока не продвинулось.

Региональное вещание. Внимание отечественных специалистов неоднократно обращалось к организации местного радиовещания с использованием антенн зенитного излучения. В аналоговые времена считалось, что зону с радиусом до 600–700 км можно обеспечить передатчиком 15 кВт с антенной, имеющей усиление 8–10 дБ, при создаваемой напряженности поля около 50 дБ ночью на частоте 4 МГц и днем на частоте 7 МГц. По разным причинам развитие такой сети не состоялось, но идея цифрового вещания резко оживила интерес к региональным сетям. Для справки: в низких широтах (в Индии, странах Африки и др.) аналоговые системы с антеннами зенитного излучения активно используются для национального вещания. Эта тема хорошо разработана и подробно освещена в международных документах. А вот в средних и высоких широтах низкая ионизация ионосферы в темное время суток не позволяет создать сеть, удобную для населения.

Когда перспектива цифровизации стала реальной, за рубежом и в России были проведены эксперименты с работой на зенитную антенну. Основной опасностью считалась многолучевость, но ожидалось, что предусмотренная в структуре сигнала защита с этой напастью справится. Энергетические параметры выбирались в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Р BS.1615, требующей на коротких волнах минимальной напряженности поля до 25 дБ (мкВ/м) при модуляции 16 QAM и до 30 дБ при 64 QAM.

В 2000–2002 гг. в центральном Таиланде и в Эквадоре DRM тестировался на частотах тропического диапазона с АМ-передатчиком 250 кВт, переделанным для цифровой работы2. Прием проводился на удалении от передатчика 20 и 200 км. Напряженность поля в отчете не указана, но по расчетам она должна находиться в пределах 50–60 дБ, если цифровая мощность передатчика не превышала 50 кВт. Использовался профессиональный приемник AOR 7030 со штыревой антенной 1,1 м. Типичная форма многолучевого сигнала показана на рис. 1. Цифрами от 1 до 4 обозначены принимаемые сигналы с последовательно увеличенным числом отражений от ионосферы. Отражения значительного уровня в пределах интервала 5 мс приемник воспринимает как полезные, а все остальные с большим запаздыванием – как помехи. Эта картинка почти идеальная, в реальной работе много случаев более сложной структуры.

Во время тестирования прием начинался утром, далее шли примерно два часа спокойного приема, затем возникали сбои. Вечером прием несколько улучшался. В ранние утренние часы приема не было из-за низкого уровня сигнала. Специалисты, проводившие тестирование, заключают, что защита от многолучевости была недостаточной, так как устранить ее практически не удавалось; напряженность поля в определенные часы суток также была недостаточной. Но ко всему можно добавить, что при такой мощности передатчика для зон до 200 км цифровое вещание определенно уступает по длительности работы и надежности аналоговому3.

Как сообщалось на семинаре «Состояние и перспективы внедрения цифрового радиовещания DRM в России», использование DRM с антеннами зенитного излучения с 2008 г. и по сей день изучается в Краснодаре4. Результаты аналогичны полученным в тропических Таиланде и Эквадоре. Структура сигнала подобна приведенной на рис.1. Прием сигнала происходит со сбоями, причина та же, что и в тропиках. По мнению докладчика, «для уверенной работы на зенитную антенну требуется уровень сигнала не ниже 60 дБ» и для работы системы необходим режим с исправлением более длительной многолучевости.

В 2008–2009 гг. ряд измерений выполнен вблизи Москвы специалистами НИИ радио. Передатчик мощностью 35–40 кВт в пос. Северный работал на антенну зенитного излучения на частотах 3995 и 4005 кГц. Прием проводился во все часы суток на бытовой приемник «Орленок» на расстоянии примерно 100 км от передатчика. Напряженность поля измерялась компаратором с рамочной антенной. В целом тесты показали невозможность непрерывного вещания при напряженности поля ниже 65–70 дБ. В нескольких случаях при напряженности поля около 40 дБ прием программы происходил, но не более 10 минут. Подобные же результаты получены в этой серии измерений специалистами МТУСИ.

Наклонные трассы большой протяженности. Тесты на трассах с передачей на Мадагаскар из Канады ( ≈ 13 000 км, цифровая мощность Р ≈ 100 кВт), Португалии (более 8000 км, Р ≈ 100 кВт) и Германии (более 8000 км, Р  ≈  40 кВт) при использовании частот в полосах 21 МГц днем и 12 МГц ночью показали5, что главная проблема – не в доплеровских эффектах и не в запаздывающих сигналах, а в недостаточном уровне сигнала (по нашей оценке, 35–40 дБ днем и до 45 дБ ночью). Причем существенные изменения в приеме могут происходить не только ото дня ко дню, но и поминутно. Фактом приема считалось правильное декодирование 90% фреймов (отметим, что в настоящее время для вещания принята величина 98%). Но даже при таких заниженных требованиях из 58 сеансов принятыми можно было считать только 38. Скорее всего, при тех мощностях передатчиков, которые доступны сегодня, регулярная работа на линиях большой протяженности с DRM не будет возможна.

Линии средней протяженности. На таких трассах использование DRM наиболее реально, и они изучались в России достаточно детально. Большой объем наблюдений был получен в 2008–2009 гг. Вблизи Москвы контролировались станции Португалии и Германии. Измерялась напряженность поля, так как это основной параметр, определяющий реальную возможность приема программы и позволяющий оценить необходимую мощность передатчика. Одновременно контролировались сбои приема. Эти опыты проводились при участии автора, поэтому все интересные подробности известны, но о них чуть позже.

Одночастотная сеть на коротких волнах без участия ионосферы тестировалась в Англии5 (частоты 26, 18 и 6 МГц). Базовая мощная станция находилась в Рампишеме, две другие – на удалении 8 и 10 км. Наиболее подходящей оказалась частота 18 МГц, но обнаружились следующие особенности. При работе двух передатчиков в зоне их перекрытия прием может быть как лучше, так и хуже, в зависимости от взаимной задержки сигналов, которая может способствовать либо сложению сигналов, либо вычитанию одного из другого. Без специальной регулировки задержки прием может стать хуже даже там, где при одном передатчике он был хорошим. Но для всех точек зоны перекрытия правильно отрегулировать задержку невозможно даже теоретически, поэтому зоны общего обслуживаемого пространства с низким качеством приема будут всегда. О необходимости дополнительной регулировки задержки сообщали и немецкие специалисты, проводившие опыты на средних волнах в Берлине6. Те же проблемы отмечены и в диапазоне ОВЧ. Поэтому вопрос об одночастотных сетях требует тщательного изучения.

Относительно работы одночастотной сети с DRM при участии ионосферы (которая при аналоге называлась синхронной работой) автор сведений не имеет.

Будни совместной жизни

Если прием передач происходит регулярно, по определенным дням, в определенный час, то весьма важно представлять, как ото дня ко дню будет вести себя качество этого процесса – сегодня, завтра, послезавтра и т.д.

Наблюдения в Подмосковье за несколькими зарубежными станциями на различных частотах в различное время суток дают достаточно понятную картину взаимодействия передач DRM и поведения ионосферного канала. Например, в августе 2008 г. в течение 15 дней в различные часы суток контролировалась работа уже упоминавшейся португальской станции на частоте 13810 кГц (иногда на частоте 13790 кГц). Напряженность поля измерялась компаратором с рамочной антенной. Состояние канала в период измерений менялось, наихудшие условия приема (низкие уровни сигнала) были 19 и 29 августа (рис. 2), наилучшие – 31 августа (рис. 3). На рис. 2 приведены два фрагмента записи сигнала (примерно 40 мин) в дневное время со средними уровнями 39 и 33 дБ. В первом случае прием проходил без сбоев, во втором приема практически не было. Так что во всех измерениях этого периода наименьшая средняя величина напряженности поля, при которой работа проходила без сбоев (29 августа), – 39 дБ.

В течение почти всех сеансов приема на частоте 13800 кГц в соседнем канале работала АМ-станция с уровнем равным или несколько меньшим, чем уровень основного сигнала. Пороговый уровень по Рекомендации МСЭ-Р BS.1615 в данном случае (португальская станция работала с модуляцией 16 QAM) составляет 25 дБ (мкВ/м).

Наибольший средний уровень сигнала (≈ 43 дБ) от той же станции, при котором прием также проходил без сбоев, зафиксирован 31 августа. Причем после показанного на рис. 3 фрагмента (время 12.24–13.30) прием с таким же качеством продолжался приблизительно до 18.00.

Из 18 сеансов измерений португальской станции в августе-сентябре 2008 г. на частотах 13790 и 13810 кГц только в девяти сеансах встретились условия, при которых прием со средней за сеанс напряженностью поля 39–44 дБ (что значительно выше минимальной по Рек. BS.1615!) проходил без сбоев (пропаданий) и мог считаться хорошим.

По этим результатам еще трудно сказать, насколько более высоким должно быть значение медианной величины напряженности поля, чтобы прием был гарантирован во всех сеансах вещания. Однако понятно, что увеличение должно быть не меньше 10 дБ. Отметим, что выбранный период приема и линия вещания соответствовали наилучшим геофизическим характеристикам канала, которые встречаются летом при умеренной активности Солнца, днем на среднеширотной трассе.

В 2011 г. регулярные измерения были повторены в расширенном варианте. Контролировались те же станции, что и ранее, но добавилось еще около двух десятков. Измерения проводились с марта по август интервалами от 0,5 до 4 ч. Использовался приемник «Орленок» со штатной антенной 0,4 м или дополнительной антенной в виде провода длиной 4 м.  

Подробно о проведенных нынешним летом тестах, а также о соседях, мешающих жить всем и во все времена, – в следующем номере.

_____________________________________________________

1Чернов Ю. Где DRM’у жить хорошо. «ИКС» № 3’2010, с. 58.

2 МСЭ-Р, Док. WP6E-C-0054, 2004 г.

3 Жильцов А., Шлюгер И., Чернов Ю. и др. Исследование зоны обслуживания зенитной антенной. «Электросвязь», 1977, № 5, с. 42.

4 Шакун А. Информация о работе по созданию Краснодарским КРТПЦ опытной зоны цифрового радиовещания. Материалы семинара «Состояние и перспективы внедрения цифрового радиовещания DRM в России». Сочи, 6–8 октября 2010 г.


5 МСЭ-Р, Док. WP6E-C-0054, 2004 г.

6 Обрежа Р. «DRM в целом; переход к цифровому вещанию: преимущества и недостатки…». Материалы Международного симпозиума по цифровому радиовещанию. Москва, 4–16 октября 2009 г.

 

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