литература / Лекция 1 часть 1 СиТЦТРВ

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАЗЕМНОЙ СЕТИ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ

Общие сведения о структуре эфирного телевизионного вещания

С учетом географических и демографических особенностей России сигналы телевизионных программ передаются абонентам (телезрителям) в основном с помощью наземной телевизионной передающей сети, состоящей из программных телецентров, работающих с радиотелевизионными передающими станциями (РТПС). В состав передающей сети входит большое количество телевизионных ретрансляторов, оборудованных как мощными радиопередатчиками (мощность свыше 1 кВт), так и радиопередатчиками малой мощности (до 1 кВт).

Основным назначением телевизионных ретрансляторов является обеспечение более равномерного покрытия густонаселенной территории в отдельных регионах страны телевизионным вещанием. Телевизионные ретрансляторы требуются, как правило, в двух случаях: во-первых, вне зоны уверенного приема основной мощности РТПС и, во-вторых, внутри зоны в местах, в которых по географическим причинам сигнал основной станции ослаблен и не обеспечивает удовлетворительного качества приема.

В РФ для организации телевизионного и звукового радиовещания с частотной модуляцией (ЧМ) были выделены определенные полосы частот (48,5...230 и 470...960 МГц), согласованные с международным планом радиочастот, принятым в 1961 г. Стокгольмской Радиоконференцией для систем аналогового вещания. С целью классификации выделенная для телевизионного вещания в стране область частот электромагнитных колебаний условно разбита на пять частотных диапазонов, в которых может быть размещено 73 радиоканала:

I диапазон 48,5 66 МГц (радиоканалы 1 и 2);

II диапазон 76 100 МГц (радиоканалы 3 5);

III диапазон 174 230 МГц (радиоканалы 6 12);

IV диапазон 470 582 МГц (радиоканалы 21 34);

V диапазон 582 960 МГц (радиоканалы 35 82).

Следует заметить, что между вторым и третьим радиоканалами расположена полоса частот, отведенная для ОВЧ ЧМ вещания (звуковое вешание в области очень высоких частот, что соответствует метровому диапазону волн, с частотной модуляцией), равная 7 МГц (66...73 МГц).

Номинальные значения несущих частот изображения и звука в различных радиоканалах вещательного телевидения I...V частотных диапазонов приведены в табл. 1.

Частоты fн, fв, ограничивающие полосу любого дециметрового канала, и частота несущей изображения f_0из радиоканала могут быть определены по номеру канала N_k из следующих соотношений:

f_н= 470 + (N_k-21)8 = 302 + 8N_k, МГц;

f_в= 470 + (N_k-20)8 = 310+8N_k, МГц;

f_0из= 470 + (N_k-21)8+1,25 = 303,25+8N_k, МГц.

Таблица 1 Частоты каналов, используемых для телевизионного вещания

Выбор нижней границы I диапазона определяется тем, что для упрощения конструкции телевизионных приемников и снижения частотных искажений при выделении полного телевизионного сигнала из радиосигнала необходимо, чтобы несущая частота изображения в несколько раз превышала максимальную частоту спектра модулирующего телевизионного сигнала fmax=6,25 МГц. Кроме этого, частотный диапазон примерно до 40 МГц практически полностью занят для целей радиовещания и радиосвязи и других радиослужб.

Верхняя граница V частотного диапазона ограничена длинами радиоволн, на которых начинают сказываться значительное их поглощение в атмосфере и влияние ее неоднородностей дождя, тумана и т.д.

Каждый радиоканал предназначается для передачи сигналов изображения и звукового сопровождения одной телевизионной программы. Ширина полосы частот радиоканала определяется используемым телевизионным стандартом - 8 МГц.

Региональная конференция радиосвязи по планированию цифровой наземной радиовещательной службы в отдельных частях Регионов 1 и 3, куда входит Россия, проведенная под эгидой МСЭ в 2004 году, отвела под телевещание полосы радиочастот 174...230 МГц и 470... 862 МГц, то есть начиная с шестого метрового телевизионного канала частотного плана. Поэтому 6 июня 2005 г. Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) РФ выделила данные полосы радиочастот непосредственно для цифрового наземного телевизионного вещания на территории России.

Цифровые сигналы более защищены от помех, чем аналоговые. Поэтому для приема телевизионного сигнала в цифровом стандарте требуются более низкие значения напряженности электромагнитного поля, чем для приема аналогового. Однако прием сигналов аналогового телевещания возможен на значительных расстояниях за пределами зон гарантированного обслуживания, тогда как одна из особенностей работы цифровой телевизионной системы так называемый пороговый характер приема. Это означает, что даже при незначительном уменьшении напряженности электромагнитного поля ниже определенного порога прием телевизионных программ быстро прекращается.

На рис.1 схематично отражена ситуация, при которой границы зоны обслуживания телевизионными передатчиками аналогового и цифрового вещания одинаковы. До границы зоны обслуживания прием сигналов цифрового телевидения возможен со значительно лучшим качеством по сравнению с телевизионным сигналом аналоговой системы. Однако за пределами этой зоны с увеличением расстояния от передающей станции прием программ цифрового телевидения вскоре прекращается, в то время как возможность приема программ аналогового вещания сохранится и на существенном удалении (хотя и с пониженным качеством). Эту особенность радиоприема следует учитывать при определении необходимой мощности устанавливаемых передатчиков цифрового телевидения.

Рис.1. Зависимость качества воспроизводимых телевизионных изображений от размеров зоны обслуживания в случае аналогового и цифрового вещания

Особенности распространения радиоволн, используемых для наземного телевизионного вещания

В настоящее время для телевизионного вещания используются метровый и дециметровый диапазоны волн электромагнитных колебаний, которые иногда с целью удобства обозначения называются ультракороткими волнами или УКВ. По частоте данные диапазоны электромагнитных колебаний классифицируются как очень высокие (ОВЧ) и ультравысокие частоты (УВЧ) По особенностям распространения ультракоротких радиоволн различаются четыре основные зоны электромагнитного поля, находящиеся на различных расстояниях от передающей антенны: ближняя, дифракционного, тропосферного и ионосферного полей. Величина и характер изменения напряженности поля этих зон различны, так как обусловлены различными физическими процессами.

Ближняя зона непосредственно прилегает к УКВ радиопередатчику и простирается в пределах нескольких км от него. В ближней зоне происходит интерференция прямого и отраженного от Земли лучей. Характерной особенностью структуры ее электромагнитного поля является большая неравномерность напряженности поля в виде периодически чередующихся максимумов и минимумов, убывающих по амплитуде с ростом расстояния от радиопередатчика (рис.2). В точках, где разность фаз радиоволн, распространяющихся по различным направлениям (лучам) кратна четному числу π, напряженность поля будет максимальной, а в точках, где разность фаз кратна нечетному числу π - минимальной. Местонахождение максимумов и минимумов напряженности поля (max, min) можно определить по следующим формулам:

где h1, h2- высота соответственно передающей и приемной антенн;

m_H = 1, 2,3, ... ряд целых чисел;

λ - длина волны электромагнитного излучения.

На расстояниях фазовые сдвиги прямых и отраженных волн становятся много меньше 2π. В этом случае изменение разности хода лучей настолько мало, что колебания напряженности поля за счет интерференционных явлений практически не наблюдаются. Напряженность поля начинает равномерно убывать, что характеризует уже зону дифракционного поля.

Рис.2. График изменения напряженности электромагнитного поля в ближней зоне

Неравномерность поля в ближней зоне может быть уменьшена применением специальных схем питания и фазирования излучающих диполей передающей антенны. При этом несколько снизится коэффициент усиления передающей антенны. Причем полностью ликвидировать неравномерность напряженности поля, особенно в непосредственной близости от передающей антенны, не удается. Поэтому в городах телевизионные радиопередатчики целесообразно размещать на окраинах или за чертой города, чтобы ближняя зона с неравномерным распределением напряженности поля приходилась на малонаселенные районы. В больших городах создается дополнительная неоднородность напряженности электромагнитного поля за счет поглощения энергии поля различными препятствиями, например, зданиями. Причем поглощение энергии, а, следовательно, и неоднородность напряженности поля увеличиваются с повышением частоты излучаемых электромагнитных колебаний. Для примера следует указать, что при одинаковом расстоянии от телевизионного радиопередатчика среднее значение напряженности электромагнитного поля в городе ниже среднего значения напряженности за городом примерно в два раза (рис.3).

Рис.3. Изменение напряженности электромагнитного поля в дифракционной зоне 1- внутри города: 2 за городом

Внутри больших зданий напряженность электромагнитного поля резко изменяется в зависимости от номера этажа. Например, на самых верхних этажах зданий вносится дополнительное ослабление напряженности поля примерно на 3 дБ по сравнению с нижними этажами за счет экранирующего действия крыши. Поэтому в больших городах для обеспечения высококачественного приема телевизионных передач следует использовать наружные приемные антенны достаточно большой высоты

Зона дифракционного поля начинается непосредственно за ближней зоной и простирается до радиогоризонта, то есть находится в пределах прямой видимости между приемной и передающей антеннами. Радиус действия телевизионного радиопередатчика r₀ с учетом влияния атмосферной рефракции может быть определен из следующего выражения:

Величина напряженности электромагнитного поля Е в зоне дифракционного поля оценивается известной интерференционной формулой Б.А. Введенского

где Р- излучаемая мощность на выходе радиопередатчика, кВт;

D - коэффициент усиления передающей антенны.

Из интерференционной формулы следует, что напряженность поля убывает пропорционально квадрату расстояния от радиопередатчика (рис.3). Также достаточно быстрое падение напряженности поля объясняется тем, что в точку приема отраженный от Земли луч приходит в противофазе с прямым лучом, так как при отражении фаза волны меняется на 180°, и ослабляет поле. При этом с ростом расстояния разность хода лучей уменьшается и соответственно затухание поля вдоль земной поверхности увеличивается. За радиогоризонтом, в зоне глубокой тени, напряженность электромагнитного поля от телевизионного радиопередатчика резко снижается. Это обусловлено тем, что радиоволны метрового и дециметрового диапазонов распространяются прямолинейно и не обладают свойством огибания земной поверхности.

Такое же резкое снижение напряженности поля наблюдается и в зонах теней за естественными возвышенностями или искусственными препятствиями. Поэтому для увеличения радиуса действия телевизионного радиопередатчика необходимо строить высокие антенные мачты. Например, передающая антенна Телевизионного технического центра в Останкино, установленная на башне высотой 533 м (вместе с антеннами), обеспечивает уверенный прием телевизионных программ в радиусе 160...170 км. Увеличение мощности телевизионного радиопередатчика, повышение коэффициента усиления передающей антенны и применение остронаправленных приемных антенн не приводит к заметному увеличению дальности действия телевизионного радиопередатчика, а только повышает напряженность поля в зоне прямой видимости.

Зона тропосферного поля лежит на расстоянии примерно 150...600 км от передающей телевизионной станции. Ее наличие обусловлено диффузным отражением радиоволн от неоднородностей нижних слоев тропосферы (на высоте 13...15 км от поверхности Земли), в которых диэлектрическая проницаемость отличается от среднего значения диэлектрической проницаемости окружающей тропосферы. Из-за диффузного отражения радиоволн в точку приема попадает незначительная часть излучаемой энергии, следовательно, напряженность поля в этой зоне очень мала. Уровень напряженности поля в тропосферном поле зависит от метеорологических условий, климатических особенностей местности, а также от времени года и суток.

Из-за малой величины напряженности зона тропосферного поля не может использоваться для приема телевизионных программ типовыми телевизорами. Однако, оно достаточно для создания существенных помех приему радиосигналов другой телевизионной станции и должно учитываться при планировании передающей телевизионной сети. Между дифракционным и тропосферным полями существует переходная зона фединга, в которой напряженности дифракционного и тропосферного полей соизмеримы. Зона фединга располагается на расстоянии 70...100 км от телевизионного радиопередатчика. Вследствие интерференции напряженность результирующего поля в этой зоне подвержена большим замираниям. Поэтому зона фединга практически также непригодна для устойчивого приема телевизионных радиосигналов.

Распространение ультракоротких радиоволн в зоне ионосферного поля происходит за счет рассеяния и отражения радиоволн от неоднородностей в нижней части ионосферы (на высоте 70...90 км). Причем дальность распространения радиоволн за счет ионосферного отражения достигает 10 тыс.км. Ионосферному распространению практически подвержены радиоволны длинноволновой части метрового диапазона, так как напряженность поля резко падает с увеличением частоты излучаемых радиоволи. Напряженность поля в ионосферной зоне очень нестабильна и в общем случае недостаточна для приема радиосигналов на типовые телевизионные антенны и телевизоры, а поэтому считается мешающей по отношению к другим телевизионным станциям. Случаи дальнего ионосферного распространения ультракоротких радиоволн крайне редки и не учитываются при планировании телевизионной передающей сети.

При передаче радиосигнала цифрового телевидения от передатчика к приемнику в зависимости от условий местности могут образовываться три типа каналов распространения радиоволн: канал Гаусса, канал Райса и канал Релея.

Гауссова модель (канал без отражений с равномерным «белым» шумом) соответствует идеальным условиям распространения радиоволн: отраженных сигналов не существует, в радиоканале присутствует только тепловой шум. Данный канал характерен для передачи сигнала в пределах прямой видимости при приеме на наружную антенну.

Модель Райса (радиоканал с отражениями, но с преобладанием прямого сигнала). Фактически канал Райса - это канал Гаусса плюс наличие отраженных сигналов от статичных объектов (наличие гор, холмов, деревьев и различных строений), что характерно для городской застройки при приеме на наружную антенну.

Модель Релея - это канал Райса плюс наличие отраженных сигналов от подвижных объектов, что характерно в общем случае для приема в городе на комнатную антенну или на антенну мобильного устройства.

Аналоговое телевидение работает хорошо только в том случае, если между передатчиком и приемником реализуется канал Гаусса, то есть нет отраженных сигналов. Цифровые телевизионные системы будут качественно работать при любом типе радиоканала.

8