8.2. 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 зонанепосредственно 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 бóльшая неравномерность напряженности поля в виде периодически чередующихся максимумов и минимумов, убывающих по амплитуде с ростом расстояния от радиопередатчика (рис. 8.2). В точках, где разность фаз радиоволн, распространяющихся по различным направлениям (лучам) кратна четному числу, напряженность поля будет максимальной, а в точках, где разность фаз кратна нечетному числу– минимальной. Местонахождение максимумов и минимумов напряженности поля (,) можно определить по следующим формулам [77]:

Рис. 8.2.График изменения напряженности

электромагнитного поля в ближней зоне

,

где , – высота соответственно передающей и приемной антенн; = 1, 2, 3, ... – ряд целых чисел;  – длина волны электромагнитного из­лучения. На расстояниях фазовые сдвиги прямых и отражен­ных волн становятся много меньше 2. 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.

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. 8.3).

В

Рис. 8.3.Изменение напряженности электромагнитного поля в дифракционной зоне:

1 – внутри города; 2 – за городом

нутри 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 поляначинается непосредственно за ближней зоной и простирается до радиогоризонта, то есть находится в пределах прямой видимости между приемной и передающей антеннами. Радиус действия телевизионного радиопередатчикас учетом влияния атмосферной рефракции может быть определен из следующего выражения:

.

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

,

где Р– излучаемая мощность на выходе радиопередатчика, кВт;D– коэффициент усиления передающей антенны (для турникетной ан­тенныDпримерно равен числу ее этажей).

Из интерференционной формулы следует, что напряженность поля убывает пропорционально квадрату расстояния от радиопередатчика (см. рис. 8.3). 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 полялежит 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 поляпроисходит 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 радиоволн. 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. Случаидальнего ионосферного распространения ультракоротких радиоволнкрайне 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.