635_Nosov_V.I._Optimizatsija_parametrov_setej__

магнитной совместимости в сетях радиовещания, как использование оптимального шага сетки частот и систем вещания, эффективно использующих выделенный диапазон частот. Отсутствуют и исследования, посвященные влиянию рельефа местности на эффективность использования технических параметров радиовещательных станций и выделенного частотного ресурса.

Об актуальности рассматриваемой проблемы говорит тот факт, что в исследовательских программах ITU – R [20] вопрос 43/11 (том XI – часть 1) вопросы 46/10 и 46L/10 (том X – часть 1) указывается, что важнейшей целью планирования является улучшение использования радиочастотного спектра и что должны быть проведены исследования по разработке технических основ планирования, которые приведут к наиболее эффективному использованию выделенной полосы частот.

Для учета реального рельефа местности при расчете напряженностей полей сигналов и помех необходима разработка уточненной методики расчета, имеющей более высокую точность определения напряженности поля. Эту методику целесообразно использовать при расчете зоны обслуживания передающей станции.

Для расчета напряженности полей помех целесообразно, по видимому, использовать другую, по сравнению о предыдущим случаем методику, которая может быть применена для задач частотного планирования сетей с учетом рельефа местности.

При наличии цифровой модели местности целесообразна разработка способов представления и оценки качества обслуживания и охвата территории и населения эфирным радиовещанием. К данным способам можно отнести рельефные карты распределения напряженности полей сигналов и помех, определение областей обслуживаемых неэффективно (зоны тени, зоны перекрытия по одной и той же программе).

Цифровая модель местности позволит также исследовать методы оптимизации местоположения передающей станции и eе технических параметров (излучаемой мощности, высоты подвеса и диаграммы направленности передающей антенны). При этом можно также провести исследование тонкой структуры поля сигнала передающей станции при помощи компьютерного моделирования с учетом векторного характера электромагнитных волн и комплексного характера коэффициента отражения от неоднородностей поверхности.

Целью настоящей работы является описание способов обеспечения электромагнитной совместимости в сетях наземного телевизионного и звукового радиовещания на основе оптимального планирования частотных присвоений и технических параметров радиовещательных станций.

Изложение указанных выше вопросов предлагается в следующей последовательности:

1.Описание показателей эффективности использования технических параметров радиовещательных станций и частотных присвоений в сетях радиовещания;

11

2. Описание математической модели, определение системных показателей для систем наземного звукового радиовещания экономичных по использованию выделенной полосы частот;

3.Описание методики и ее математической модели для определения сетевых параметров (минимальной напряженности поля, защитного отношения) различных систем радиовещания;

4.Описание новых методов оптимизации частотных планов, шага сетки частот в однородных и реальных сетях наземного телевизионного и звукового радиовещания с учетом рельефа местности;

5.Описание методов оптимизации технических параметров (излучаемой мощности, высоты подвеса антенны) радиотелевизионных передающих станций;

6.Описание алгоритмов и программного обеспечения автоматизированной системы оптимального частотного планирования (синтеза) и анализа электромагнитной обстановки в сетях наземного телевизионного и звукового радиовещания.

В работе изложены результаты многолетней работы автора по разработке теории оптимального планирования реальных сетей ТВ и звукового радиовещания на основе метода координационных колец. Суть этой теории состоит в следующем:

1.Разработаны новые показатели эффективности оптимизации частотных планов (коэффициент взаимного влияния) и оценки эффективности построения и планирования сетей радиовещания (эквивалентных окружностей, статистический и матричный). Коэффициент взаимного влияния позволяет более точно, чем существующие показатели эффективности, определять взаимные помехи особенно в неоднородных и реальных сетях. Новые показатели эффективности (эквивалентных окружностей, статистический и матричный) позволяют оценить эффективность построения действующей сети, сравнить эффективность вновь разработанных планов сетей;

2.Предложено использовать в диапазоне ОВЧ систему звукового радиовещания с АМ ОБП. Для этой системы разработана математическая модель, определены параметры необходимые для планирования сети с этой системой вещания. Показано, что предлагаемая система по сравнению с существующей системой вещания с ЧМ обладает в несколько раз большей спектральной эффективностью при сравнимых качественных показателях;

3.Разработаны и исследованы новые методы оптимизации частотных планов (метод координационных колец), шага сетки частот в однородных и реальных сетях наземного телевизионного и звукового радиовещания с учетом рельефа местности. Метод координационных колец основан на задаче о раскраске вершин графа и использует в качестве показатели эффективности оценки уровня взаимных помех коэффициент взаимного влияния. Новая методика определения оптимального шага сетки частот (минимального разноса по часто-

12

те передатчиков, работающих в соседних частотных каналах) основана на предложенных автором универсальной модели однородной сети, методе координационных колец и новой методике с использованием частично упорядоченных множеств и диаграмм Хасса раскраски вершин графа, дающей возможность получать оценки хроматического числа;

4. Разработаны и исследованы методы оптимизации технических параметров (излучаемой мощности, высоты подвеса антенны) радиотелевизионных передающих станций в однородных регулярных и реальных сетях телевизионного и звукового радиовещания. Метод оптимизации технических параметров однородной регулярной сети основан на предложенной универсальной модели такой сети. Для оптимизации технических параметров в реальных сетях разработана методика на основе градиентного метода.

Практические результаты работы автора состоят в том, что теоретические и экспериментальные исследования легли в основу принципов создания автоматизированной системы оптимизации частотных планов и технических параметров наземных сетей телевизионного и звукового радиовещания.

1.На основе анализа действующей сети по разработанным автором показателям получена ее низкая эффективность по сравнению с однородной сетью и даны рекомендации по улучшению ее эффективности.

2.Анализ разработанного, с использованием предложенного автором метода координационных колец, частотного плана фрагмента телевизионной сети показал его высокую эффективность и позволил выработать рекомендации о необходимости оптимизации существующего частотного плана.

3.Разработанные автором методы оптимизации частотных планов легли в основу разработанной в соответствии с приказом Министра связи СССР № 041 от 26.07.85 г. автоматизированной системы учета и назначения частот радиовещательным ОВЧ ЧМ станциям, которая сдана в промышленную эксплуатацию на ГВЦ МС СССР.

4.Разработанная методика позволила определить минимально необходимое количество каналов в сети регулярной структуры при использовании цифрового звукового радиовещания в диапазоне ОВЧ. Анализ результатов, полученных при реализации предложенной модели на ЭВМ показал, что для построения сети ЦРВ, минимально необходимое число частотных каналов равно семи, т.е. построить одночастотную сеть ЦРВ, как предлагали многие авторы, не представляется возможным.

5.В результате исследований, проведенных с использованием разработанной методики определения оптимального шага сетки частот (использующей предложенные автором универсальную модель регулярной сети и метод координационных колец) в сети звукового радиовещания показано, что оптимальный шаг сетки в диапазоне частот: 66 – 74 МГц составляет 20 кГц (используется 30 кГц); 100 – 108 МГц составляет 100 кГц (используется 100 кГц), т.е. для увеличения спектральной эффективности сети в диапазоне 66 – 74 МГц необходимо изменить шаг сетки частот.

13

Под научным руководством автора работы в отраслевой научно– исследовательской лаборатории «Систем автоматизированного проектирования сетей телевизионного и звукового радиовещания» кафедры систем радиосвязи Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики выполнены работы по:

–координации частотных планов станций ОВЧ ЧМ радиовещания в полосе частот 100 – 108 МГц между делегациями Администраций связи СССР и МНР;

–оптимизации частотного плана сети ОВЧ ЧМ вещания в диапазоне 100

–108 МГц для подготовки проекта «Национального плана распределения частот для СССР» и «Перспективного плана распределения частот для стран членов ОСС»;

–составлению частотного плана ТВ сети для выделенного региона и оптимизации частотного плана сети ОВЧ ЧМ вещания в диапазоне 100 – 108 МГц с экономическим эффектом от внедрения;

–оптимизации частотных присвоений в сетях ТВ и ОВЧ ЧМ вещания, что позволило провести их координацию с администрациями связи сопредельных с

СССР стран;

–разработке по приказу Министра связи СССР № 041 от 26.07.85 г. автоматизированной системы учета и назначения частот радиовещательным ОВЧ ЧМ станциям и сдаче ее в промышленную эксплуатацию на ГВЦ МС СССР;

–разработке частотных планов развития сетей телевизионного вещания Новосибирской, Кемеровской и Читинской областей.

14

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ВВЕДЕНИЮ

1.Принципы технического планирования передающих сетей телевизионного и УКВ ЧМ вещания: Информационный сборник. – М.: Связьиздат, 1960. – 215 с.

2.Шлюгер И.С. Построение телевизионных сетей на равнинной и горной местности // Электросвязь. – 1972. – № 7. – С. 9 – 15.

3.Сети телевизионного и звукового ОВЧ ЧМ вещания: Справочник/М.Г. Локшин, А.А. Шур, А.В. Кокорев. – М.: Радио и связь, 1988. – 144 с.

4.Варбанский А.М. Передающие телевизионные станции. – М.: Радио и связь, 1980. – 328 с.

5.Шлюгер И.С. Приближенный метод определения полезной зоны телевизионных передатчиков в условиях взаимных помех // Сборник трудов НИИ МС. – 1962. – Вып. 4. – С. 26 – 30.

6.Омельяненко Ю.И. Опыт технического планирования передающей сети ТВ вещания в Украинской ССР // Автоматизация и механизация управления. – 1967. – № 4. – С. 9 – 11.

7.Конторович Т.А. Метод технического планирования передающих сетей телевизионного вещания // ТУИС, 1982. – С. 9 – 14.

8.Омельяненко Ю.И. Планирование телевизионной сети с учетом оптимальных характеристик передающих станций // Автоматизация и механизация управления. – 1970. – № 6. – С. 15 – 19.

9.Кубраков В.Б. и др. Автоматизированная система учета и проектирования сети ТВ передатчиков на базе ЭВМ // Электросвязь, 1985. – № 2. – С. 14 – 16.

10.Weszkis Wieslaw. Computer aid in design of low–power TV network for efficient use of spectrum space // Electromagn. Compat. – 1984. – 7-th Int. Wroclaw Symp. – Part 1. – P. 328 – 336.

11.Struzak R.G. Optimum frequency planing: a new concept // Telecommunication Journal. – 1982. V. 49. № 1. – P. 29-36.

12.Hunt K.T. Planing synthesis for VHF/FM broadcasting // EBU Review Techniczl. –1984. – V. 207. – P. 195-200.

13.O’Leary T. Planning consideration for the Second Session of the VHF/FM planning Conference // EBU Rev. Techn. – 1984. – V. 207. – P. 310 – 317.

14.Eden H. Frequency planning methods for sound and television broadcasting // Telecom. Journ. – 1986. – V. 53. – № 1. – P. 68 – 74.

15.Hunt K.T. Planing synthesis for VHF/FM broadcasting // EBU Review Techniczl. –1984. – V. 207. – P. 195 – 200.

16.Хейфец Е.М. Алгоритм выбора частот в сети авиационной подвижной УКВ радиосвязи // Теория и техника радиолокации, радионавигации и радиосвязи в гражданской авиации, Рига. – 1983. – С. 79 – 81.

17.Хейфец Е.М. Присвоение частот в сети подвижной УКВ радиосвязи // Радиоэлектроника и электросвязь, Рига. – 1983. – С. 115 – 117.

18.Carmassy F., Tomati L. A theory of frequency assignment in broadcast network planing // EBU Review Technical. – 1983. – V. 198. – P. 72 – 81.

15

19.Хэйл У.К. Присвоение частот: Теория и приложения //ТИИЭР. – 1980. – Т. 68. – № 12. – С. 55-76.

20.Документы МККР. – Женева.: 1986. – т. 5, 10, 11.

21.Sandell R.S., Lee R.W. Development in the predication techniques used for the planning of VHF/FM broadcast services // ICAPS 85, Coventy. – 1985. – P. 400 – 406.

22.Rasajski S.B., Petrovil Z.R. Computer aided calculation of the effect of correction terrain and its usage in determination of coverage area // Proc. Mediterr. Electrotechn. Conf., Rome. – 1987. – P. 179 – 185.

23.Sega W. Digital terrain map for television and land mobileradio // Int. Wroclaw Symp. on Electrom. Comp. (EMC – 84). – 1984. – P. 949 – 955.

24.Дмитриев В.И., Зайчик Е.М. Применение географической базы данных при автоматизированных расчетах потерь распространения УКВ на линиях связи прямой видимости // Электросвязь. – 1991. – № 6. – С. 38 – 40.

25.Е.И. Егоров, Н.И. Калашников, А.С. Михайлов. Использование радиочастотного спектра и радиопомехи. – М.: Радио и связь. – 1986. – 304 с.

26.Иванов В.А. и др. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. – Киев.: Техника. – 1983. – 256 с.

27.Eden H., Fastert H.W. Neuere Methoden und Ergebnisse der Fernsen – Netzplanung // Rundfunktechnische Mitteilungen. – 1960. – V. IV. – № 2. – P.41 – 47.

28.Арно Ж.Ф. Планирование частот для радиовещательных служб в Европе // ТИИЭР. – 1980. – Т. 68. – № 12. – С. 77 – 85.

29.Gamst Andreas. Homogeneous distribution of frequencies in a regular hexagonal cell system // IEEE Trans. Veh. Technol. – 1982. – V. 31. – № 3. – P. 89 – 94.

30.Носов В.И., Кокорев А.В., Ахтырский В.Н., Воинцев Г.А. Оптимизация параметров телевизионной сети. // Радио и телевидение ОИРТ. – 1986. – № 3. С. 36 - 40.

31.Носов В.И., Кокорев А.В., Ахтырский В.Н., Воинцев Г.А. Использование ЭВМ для расчета числа частотных каналов сети ТВ вещания // Электросвязь. – 1985. – № 7. – С. 43 – 46.

32.Выбор несущих частот и мощностей передатчиков в сетях радиосвязи

//ВЦП. – № Е – 34420. – 8 с.

33.Павлова В.А. и др. Современные тенденции в области назначения частот (обзор) // Труды НИИР. – 1984. – № 4. – С. 5 – 9.

34.Носов В.И., Фадеева Н.Е., Минеева Т.В., Ахтырский В.Н. Новый подход к планированию сети телевизионного и звукового вещания. // Электросвязь.

–1989. – № 9. – С. 18 - 21.

16

1. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ТЕ-

ЛЕВИЗИОННОГО И ЗВУКОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ

Введение

Важнейшей задачей системы автоматизированного распределения частотных присвоений в передающей сети радиовещания является оптимальное распределение частотных каналов передатчикам сети. Под оптимальностью распределения понимается минимизация взаимных помех, т.е. обеспечение наилучшего использования технических ресурсов передающей сети в условиях ограничений наложенных на использование частотного спектра. Распределение частот между передатчиками в конечном счѐте сводится к рассмотрению всевозможных парных частотных присвоений, когда для двух конкретных передатчиков требуется решить вопрос об оптимальности или не оптимальности присвоения им взаимно мешающих частотных каналов. Следовательно, необходим показатель эффективности, на основании которого должна производится оценка каждого такого присвоения.

Таким показателем эффективности (оптимальности) может быть одна или несколько функций, зависящих от значений присваиваемых частот, параметров передатчиков и сети. Для каждой такой функции существует область еѐ значений, при которых конкретное частотное присвоение можно считать наилучшим и в смысле использования технических параметров передатчиков и в смысле использования спектра. Если значение функции, рассчитанное для конкретного варианта частотного присвоения, попадает в эту область значений показателя эффективности, можно говорить об оптимальности присвоения частотных каналов рассматриваемой паре передатчиков.

1.1 Технические основы планирования сетей телевизионного и звукового радиовещания

В соответствии с [1.1] радиовещательной службе для наземных передающих сетей телевизионного и звукового радиовещания в районе 1, в который входит территория России, выделены частоты от 47 до 960 МГц. Выделенные для телевизионного вещания полосы частот разбиваются на диапазоны:

I – от 48.5 до 66 МГц; II – от 76.0 до 100.0 МГц;

III – от 174.0 до 230.0 МГц; IV – V – от 470.0 до 958.0 МГц.

В России для ТВ вещания используются стандарты Д и К и система цветного телевидения СЕКАМ. Для этих стандартов количество строк в кадре 625, частота кадров 25 Гц и при этом частота строк fстр = 15625 Гц. Полоса частот,

17

занимаемая полным телевизионным сигналом равна 6 МГц. В ТВ передатчиках используется амплитудная модуляция несущей с частично подавленной нижней боковой полосой. Поскольку одновременно с передачей полного телевизионного сигнала производится передача сигнала звукового сопровождения с частотной модуляцией, то ширина полосы радиоканала в ТВ вещании составляет 8 МГц.

Для ОВЧ ЧМ вещания в первом районе [1.1] выделены полосы частот от 65.9 до 74.0 МГц и от 100.0 до 108.0 МГц. При монофоническом вещании звуковое сообщение (высший класс) занимает полосу частот от 30 до 15000 Гц. Поскольку в ОВЧ диапазоне в настоящее время используется частотная модуляция несущей с девиацией частоты 50 кГц, то ширина полосы радиоканала составляет около 130 кГц.

Частотный разнос между несущими соседних каналов в полосе от 65.9 до 74.0 МГц составляет 30 кГц, а в полосе от 100.0 до 108.0 МГц – 100 кГц, т.е. используются соседние каналы с перекрывающимися спектрами. Таким образом, в полосе от 65.9 до 74.0 МГц можно организовать 271 вещательный канал,

ав полосе от 100.0 до 108.0 МГц – 81 канал звукового вещания.

Внастоящее время наибольшее распространение получила стереофоническая система вещания, в которой комплексным стерео сигналом с полярной модуляцией, принятой в России, осуществляется в передатчике частотная модуляция несущей с девиацией частоты 50 кГц. При этом ширина полосы радиоканала составляет около 200 кГц.

Одним из важнейших аспектов решения проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств является обеспечение их оптимального частотно пространственного размещения, с учетом частотно пространственных ограничений, накладываемых сетями ТВ и ЗВ радиовещания. При размещении передатчиков ТВ и ЗВ радиовещания на одной станции (в одном пункте) при назначении им частот необходимо учитывать частотные ограничения, определяемые необходимыми защитными отношениями сигнал/помеха на входе приемника.

При работе нескольких ТВ передатчиков возникают взаимные помехи в совмещенном канале, в смежных каналах, в зеркальных каналах и от излучений гетеродинов. Наибольшее защитное отношение Аз= 45 дБ рис.1.1 требуется в совмещенном канале, когда частоты несущих полезного и мешающего передатчиков равны. Известно, что спектр ТВ сигнала является дискретным с концентрацией энергии возле частот кратных частотам строк и полей. Если два ТВ сигнала расположить по частоте так, чтобы спектр одного из них располагался в незаполненных промежутках другого, то заметность на изображении сигнала с меньшей амплитудой значительно снизится.

Сдвиг спектров ТВ сигналов осуществляется взаимным смещением несущих частот (СНЧ) передатчиков. При обычном режиме СНЧ учитывается дискретность ТВ сигнала с частотой строк и стабильность частоты изображения

18

должна составлять 500 Гц. При прецизионном СНЧ учитывается дискретность ТВ сигнала с частотой полей, стабильность частоты изображения должна составлять 1 Гц и стабильность строчной частоты должна быть не хуже 10-6. Зависимость защитного отношения от СНЧ приведена на рис.1.1.

При планировании наземной сети ТВ вещания значения защитных отношений нормируются для двух случаев интерференции. Первый из них – когда

Аз , дБ

50

30

Ат

20

10

Nfстр/12

Рис.1.1 Зависимость защитного отношения от СНЧ

уровень помехи флуктуирует в значительных пределах. Такую помеху называют «тропосферной» и обозначают защитное отношение Ат. Второй – когда уровень помехи практически не меняется либо его флуктуации не существенны. Такую помеху называют «продолжительной» и обозначают защитное отноше-

ние Ас.

Защитное отношение для верхнего и нижнего смежных каналов составляет минус 6 дБ. В IV и V диапазонах необходимо учитывать помеху по зеркальному каналу, который определяется как n + 8 для поднесущей звукового сопровождения и n + 9 для несущей изображения. Защитное отношение по зеркальному каналу для поднесущей звукового сопровождения равно минус 9 дБ, а для несущей изображения плюс 13 дБ. Учитывая защитные отношения, можно определить частотные ограничения на присвоение частот передатчикам расположенным в одном пункте (таблицы 1.1 и 1.2).

19

Частотные несовместимости в одном пункте в I ... III диапазонах

Таблица 1.1

Для определения частотно–пространственных ограничений на присвоение частотных каналов передатчикам разнесенным в пространстве, необходимо рассчитать напряженность полей сигнала и помехи, для которых на границе зоны вещания должны выполняться условия

где Емин – минимальная напряженность поля сигнала на входе приемника, при которой обеспечивается хорошее качество изображения, при отсутствии помех от других станций [1.2,1.3];

Ес , Еп – напряженности полей сигнала и помехи в рассматриваемой точке; Аз – требуемое защитное отношение.

Напряженность поля E ( R ) в точке на расстоянии R от передатчика определяется выражением

20