Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Технологии и оценка состояния радиовещания 14
1.1. Сравнительный анализ технологий радиовещания
1.1.1. Основные характериртики и классификация систем радиовещания
1.1.2. Аналоговое радиовещание
1.1.3. Форматы цифрового радиовещания
1.1.4. О способе передачи информации в системах радиовещания
1.1.5. Технология цифровых одночастотных вещательных сетей
1.2. Оценка состояния радиовещания на территории России и за рубежом
1.3. Целесообразность использования ВЧ диапазона для цифрового радиовещания на территории Российской Федерации
Глава 2. Выбор системы радиовещания для России 42
2.1. Анализ технических аспектов вещания в форматах DRM и DRM+
2.1.1. Соответствие системы DRM требованиям МСЭ-Р (ITU-R)
2.1.2. Основы технологии радиовещания в форматах DRM и DRM+
2.3. Развитие структуры системы радиовещания
2.4. Обоснование выбора системы радиовещания для России
2.5. Вопросы оптимизации системы радиовещания на территории Российской Федерации
Глава 3. Исследование совмещённого аналого-цифрового канала передачи 73
3.1. Проблемы совмещенной передачи
3.1.1 .Режим совмещенной передачи (simulcast) в форматах DRM и DRM+
3.1.2.Критерии качества для режима совмещённой передачи
3.1.3.Учет нелинейности тракта передатчика при совмещенной передаче
3.2. Компьютерное моделирование совмещённого аналого-цифрового канала передачи
3.2.1. Схема и алгоритм моделирования в среде System View
3.2.2. Моделирование совмещенных аналогового AM и цифрового DRM каналов (режим DRM/simulcast)
3.2.3. Моделирование совмещенных аналогового ЧМ и цифрового DRM каналов (режим DRM+ /simulcast)
3.3. Анализ условий реализуемости совмещённых аналогового и цифрового каналов при вещании в форматах DRM и DRM+
Глава 4. Исследование одночастотной сети формата DRM в ВЧ диапазоне 97
4.1. Распространение радиоволн и статистические модели канала
4.2. Вопросы организации радиовещания на заданной территории
4.3. Характеристики суммарного сигнала в точке приема
4.4. Теоретическая оценка максимального сетевого усиления
4.5. Определение зоны обслуживания и оценка сетевого усиления с помощью программы FIELDPLOT WIN
Глава 5. Экспериментальная оценка качества звукового сигнала при вещании в формате DRM 135
5.1. Цель, схема и методика экспериментального исследования
5.2. Объективная оценка качества вещательного сигнала. Метод комплексного статистического оценивания
5.3. Обработка результатов измерений
5.4. Рекомендации по оценке качества сигнала в цифровом радиовещании Краткие выводы
Заключение 158
Библиографический список 160
Приложение
- Целесообразность использования ВЧ диапазона для цифрового радиовещания на территории Российской Федерации
- Вопросы оптимизации системы радиовещания на территории Российской Федерации
- Компьютерное моделирование совмещённого аналого-цифрового канала передачи
- Определение зоны обслуживания и оценка сетевого усиления с помощью программы FIELDPLOT WIN
Введение к работе
Постановка проблемы и ее актуальность. Цель работы. Радиовещание и сегодня, в эпоху телевидения и Интернета, мобильных телефонов и спутниковой связи, продолжает обладать уникальными свойствами, делающими радио незаменимым средством массовой информации, позволяющим оперативно охватить вещанием огромные территории и, в принципе, довести информацию до граждан, где бы они не находились. Однако в России эта задача до сих пор не решена, что объясняется крайне неравномерным распределением населения по территории страны. Это требует новых подходов к стратегии развития систем радиовещания!в XXI веке [59].
Для радиовещания в мире используется несколько служб, различающихся целями, техническими параметрами и зонами обслуживания. Существующие системы радиовещания условно можно разделить на три класса:
системы с амплитудной модуляцией, использующие диапазоны НЧ; СЧ и ВЧ, то есть частоты ниже 30 МГц;
ОВЧ ЧМ системы, работающие на частотах 30.. .300 МГц;
системы цифрового радиовещания [88,89]:
наземные (T-DAB, DRM и ряд других), работающие в диапазонах ОВЧ и УВЧ, а также на частотах ниже 30 МГц;
непосредственного (спутникового) вещания (DSR, World Space, Digital System E и ряд других), работающие в диапазонах УВЧ и СВЧ.
За минувшие 15 лет резко упали объемы как AM - радиовещания, так и бывшего некогда массовым проводного вещания. По данным ВГТРК, территория России только на 1/3 покрыта устойчивым наземным государственным радиовещанием [106]. Поэтому для России с её громадной территорией и относительно низкой плотностью населения по-прежнему актуально радиовещание на длинных, средних и коротких волнах, позволяющих охватить огромные территории.
Единственным видом существующего аналогового радиовещания, способным передавать звуковые вещательные сигналы с высоким качеством, является ОВЧ ЧМ (FM) радиовещание в диапазоне ОВЧ, где для вещания в России выделены две полосы частот: 66...74 и 87,5...108 МГц. Здесь ввиду относительно большой ширины частотных каналов (130...190 кГц) и применения частотной модуляции реализуются высокие параметры качества.
В последнее время в большинстве городов страны интенсивно развивается коммерческий сектор радиовещания с использованием ОВЧ ЧМ вещания. Однако в сельской местности и в малозаселенных районах ситуация обстоит
намного хуже. Таким образом, за счет развития ОВЧ ЧМ вещания задача охвата многопрограммным радиовещанием всего населения страны даже не приблизилась к своему решению, поскольку это оказывается нерентабельным для коммерческих ЧМ радиостанций. Это означает, что население на всей территории России в перспективе может быть охвачено радиовещанием с обязательным использованием частотных ресурсов в диапазонах длинных, средних и коротких волн [24].
Для понимания логики и тенденций развития радиовещания в нашей стране следует учитывать, что в Российской Федерации свыше 55% населения проживает вне крупных городов, а средняя плотность населения составляет 9 чел/км2 (причем если в Московской области 1000 жителей приходятся на 7 км2, то в Якутии - на 333 км2).
В соответствии с мировым опытом, задача перспективного развития радиовещания решается путем создания абсолютно новых систем вещания, спроектированных таким образом, чтобы удовлетворить высоким требованиям слушателей к качеству звучания программ при различных условиях приема. Этим требованиям отвечает цифровое радиовещание (ЦРВ) - новая информационная технология, в основе которой представление и передача звукового сигнала в цифровой форме во всех звеньях вещательного тракта - от студии до мобильного приемника [88]. Применение таких систем, в частности, позволит:
-повысить эффективность использования радиочастотного спектра (РЧС);
-улучшить качество приема и увеличить количество программ;
-уменьшить мощность излучения передатчиков при той же зоне обслуживания, что и у аналоговых систем;
-использовать способы передачи сигналов, которые нечувствительны к помехам и адаптированы к разным средам и условиям распространения;
-обеспечить мобильный прием без значительного ухудшения качества приема.
Высокая помехоустойчивость позволяет системам ЦРВ либо превзойти по эффективности использования РЧС системы аналогового радиовещания (на частотах выше 30 МГц), либо в полосах аналогового вещания обеспечить существенно более высокие стандарты качества услуги.
Необходимость перехода от аналогового вещания к цифровому обусловлена также нарастающим процессом объединения средств вещания, связи, информационных служб и компьютерных систем в единую интерактивную сеть, что стало возможным благодаря стремительному мировому прогрессу в области цифровых технологий. Преимущества цифровой реализации основаны также на том
обстоятельстве, что цифровая техника переживает быстрые и впечатляющие темпы улучшения характеристик, снижения стоимости и потребляемой мощности.
Цифровое радиовещание получило известность в 1995 г., когда было начато
опытное вещание в диапазоне ОВЧ в Великобритании и Скандинавских странах в
стандарте T-DAB. Это новый вид услуги радиовещания, гарантирующей прием в
движущемся автомобиле до 6 стереофонических программ с качеством, близким к
качеству CD-проигрывателя, плюс значительный объем дополнительной
информации. Система утверждена EBU в качестве общеевропейской и рекомендована Международным Союзом Электросвязи для внедрения во всем мире как наземная система цифрового звукового радиовещания [124].
В конце 1990-х годов получили развитие системы непосредственного (спутникового) цифрового радиовещания (НЦРВ), позволяющие принимать сигнал на мобильном объекте при отсутствии затенений. В условиях России с её высокоширотными территориями системы НЦРВ могут быть эффективно использованы, как правило, только в качестве распределительных систем для повсеместного (а не только в крупных городах!) развития многопрограммного вещания [88,50,94].
Принципиально иное решение цифрового радиовещания предусматривается в концепции DRM. Вещание в стандарте DRM [126] осуществляется на частотах ниже 30 МГц (реально в диапазонах СЧ и ВЧ) с использованием радиопередатчиков с AM. Однако в 2005 г. принято решение о модернизации системы DRM в рамках технологии DRM+ для работы в диапазоне ОВЧ с граничной частотой 120 МГц и с полосой пропускания цифрового звукового сигнала до 100 кГц [44,143].
Главная цель идеологии DRM - резко улучшить качество вещания по сравнению с традиционным аналоговым радиовещанием в диапазонах средних и особенно коротких волн, что позволит перевести вещательный KB канал из разряда чисто информационных в разряд художественно - информационных. Помимо этого, для достижения коммерческого успеха в диапазонах с AM цифровая система вещания должна обеспечивать более высокую надежность приема, чем у AM вещания; совместимость с существующим частотным планом AM вещания, возможность дальнейшего развития; обеспечение постепенного перехода от аналогового к полностью цифровому радиовещанию; максимально возможное использование существующего передающего оборудования; возможность производства дешевых радиоприемников [6,36,38-42,44,47,60].
За годы экспериментального радиовещания (начиная с 2000 г. РГРК «Голос России» и ФГУП ГЦУРС проводили эксперименты по опытному радиовещанию в стандарте DRM, с 2002 г. началось опытное вещание, с мая 2003 г. - регулярное)
система DRM хорошо зарекомендовала себя со всех сторон. Сегодня европейские радиостанции ведут вещание в DRM- формате около 200 часов в сутки [96].
Цифровое радиовещание в ВЧ диапазоне способно обеспечить
оптимальный баланс между качеством звука, шириной полосы, общей
надежностью и количеством используемых частот. Стандарт DRM
предполагает передачу цифрового сигнала в канале, совмещенном с каналом аналогового радиовещания (режим Simulcast). Это должно способствовать безболезненному переходу от аналогового вещания к цифровому. Поэтому, по мнению ряда ведущих специалистов отрасли, перспективы совершенствования услуги радиовещания в нашей стране следует связывать с технологией, реализуемой на основе стандарта DRM [24,86,101,106].
В настоящее время активно дискутируется программа внедрения цифрового телерадиовещания. По нашему мнению переход к массовому цифровому вещанию необходимо начинать с цифрового радиовещания стандарта DRM, позволяющего охватить высококачественным цифровым звуковым вещанием сразу целые регионы. При этом начинать массовое внедрение цифрового наземного вещания следует не с мегаполисов, а с малонаселенной сельской местности, где проводное вещание практически исчезло и наблюдается дефицит информации.
Сегодня DRMb мире внедряется медленнее, чем в свое время T-DAB в Европе, однако перспективы этого стандарта намного шире. Действительно, система T-DAB обладает рядом недостатков, среди которых относительно низкая эффективность использования частотного ресурса, а также тот факт, что относительно ОВЧ ЧМ радиовещания качество вещания в формате DAB улучшается незначительно. Кроме того, с развитием беспроводных сетей Wi-Fi (IEEE 802.11) и WiMax (IEEE 802.16), по которым без труда можно передавать мультимедийный продукт, объединяющий текст, звук и изображение, необходимость создания отдельной цифровой радиосети исключительно для звука выглядит весьма сомнительной. К тому же с передачей звука успешно справятся сотовые операторы и цифровое телевидение DVB, где наряду с видео можно передавать десятки цифровых звуковых программ. Для старта DRM нужно лишь организовать производство дешевых приемников (не дороже 1000 - 1500 руб). При современном развитии технологий эта задача вполне по силам нашей промышленности [36].
В настоящее время в России сложились объективные условия для активного внедрения стандарта DRM [60,86]. Укажем некоторые из них:
1. Польза от внедрения системы вещания в формате DRM:
глобальный охват населения РВ программами;
существенное улучшение качества вещания в диапазонах НЧ, СЧи ВЧ;
снижение энергопотребления и улучшение экологической обстановки; повышение эффективности иновещания за счет расширения зоны охвата и улучшения качества звучания радиопрограмм.
Регулярное вещание в формате DRMболее 50 мировых радиокомпаний, в том числе РГРК "Голос России".
Активная разработка международными организациями стандартов на систему DRM: ETSI ES 201 980 (вторая редакция), TS 101 968 (спецификация по передаче данных), TS 102 820 и TS 102 821 (спецификации на интерфейсы передачи цифровых потоков), а также разработка методик измерений и испытаний этой системы.
Решение комиссии ГКРЧ о введении нового класса излучения стандарта DRM и об организации опытных зон цифрового радиовещания в диапазоне 3,96...26,1 МГц; разработка ФГУП РТРС программы проведения экспериментального цифрового радиовещания в формате DRM в ВЧ диапазоне с использованием собственных технических средств, а также создание в октябре 2005 г. Координационно-технического совета по внедрению в России цифрового радиовещания системы DRM.
Разработка зарубежными компаниями и рядом отечественных предприятий и организаций цифрового оборудования и элементной базы для вещания в формате DRM. Например, оборудование фирмы Thales: TXW 5122D (возбудитель, содержащий кодер и модулятор), TXW 5321D (радиочастотный синтезатор), TSW 1002D (измерительный радиоприемник).
Внедрению радиовещания в форматах DRMn DRM+ в условиях России должно способствовать исследование ряда нерешенных проблем, связанных, прежде всего, с реализацией режима Simulcast и проектированием одночастотных вещательных сетей в ВЧ диапазоне. Поэтому целью диссертационной работы являются исследования, связанные с развитием системы радиовещания на территории Российской Федерации на новом технологическом уровне, предполагающим расширение номенклатуры и качества услуг за счет внедрения цифровых форматов вещания.
* * *
В первой главе работы выполнен сравнительный анализ технологий радиовещания. На основе анализа доступности центральных программ звукового вещания на территории страны и с учетом состояния технических средств вещания в ВЧ диапазоне показана востребованность услуги коротковолнового вещания и доказана целесообразность использования этого диапазона волн для организации цифрового радиовещания в формате DRM на территории Российской Федерации.
Вторая глава диссертации посвящена выбору системы радиовещания для России. Отмечается, что существующая мощная сеть радиовещания исключает возможность какого-либо маневра и тем более оптимизации. Поэтому, для решения задачи достаточно равномерного покрытия всей территории России высококачественным многопрограммным вещанием, должны использоваться новые технологии, а именно - цифровые форматы вещания и спутниковые средства вещания и распространения контента. В работе конкретизируется выбор цифровых технологий вещания для модернизации системы радиовещания России.
Анализ совместной (соканальной) передачи цифровой и аналоговой информации (режим simulcast) при вещании в формате DRM выполнен в третьей главе диссертации. В результате моделирования установлено, что для реализации режимов совместной передачи в ряде случае требования, предъявляемые стандартом ГОСТ Р 51742-2001 к уровню комбинационных искажений, должны быть ужесточены. При принятых в работе четырех видах полиномиальной аппроксимации АХ передатчика, установлены максимально допустимые по защитным отношениям значения коэффициентов полинома для варианта совместной передачи AM+DRM и ЧМ+DRM. Получены новые результаты, характеризующие совместную передачу сигналов DRM и AM ОБП, а также ЧМ и DRM сигналов.
Исследованию одночастотной сети формата DRM в ВЧ диапазоне посвящена четвертая глава диссертации. В одночастотной сети реализуется многокомпонентный прием, при котором в приеме участвуют не менее двух идентичных (компонентных) сигналов от передатчиков, объединенных в сеть. В предположении классической модели замираний в многолучевом канале изучены характеристики суммарного сигнала при многокомпонентном приеме, получена теоретическая оценка максимального сетевого усиления, характеризующая выигрыш многокомпонентного приема относительно одиночного. Показано, что сетевой выигрыш в одночастотной сети DRM, реализованной в ВЧ диапазоне, в основном связан с выигрышем за счет компенсации быстрых (рэлеевских) замираний.
С помощью компьютерной программы FIELDPLOT WIN 5.2 определены границы совместной зоны обслуживания и получена оценка сетевого выигрыша при использовании двух радиовещательных передатчиков, работающих на одной частоте в ВЧ диапазоне и удаленных от обслуживаемой зоны приблизительно на 3000 км соответственно на восток и на запад.
Объективной оценке качества звукового сигнала при вещании в формате DRM посвящена пятая глава диссертационной работы. Экспериментальные измерения проводились на реальной звуковой программе при вещании в формате DRM на канале РГРК «Голос России», в том числе с использованием тестовых сигналов, рекомендованных ITU-R. Подтверждена эффективность использования специального программного продукта, составляющего основу метода комплексного статистического оценивания, для объективной оценки качества звукового сигнала в цифровом радиовещании.
Основные вопросы, являющиеся предметом исследования:
Сравнительный анализ технологий радиовещания и анализ востребованности услуги коротковолнового вещания с целью доказательства целесообразности использования ВЧ диапазона для организации радиовещания в формате DRM на территории Российской Федерации.
Выбор системы радиовещания и конкретных цифровых технологий вещания для модернизации системы радиовещания России с целью покрытия всей территории страны высококачественным многопрограммным вещанием.
Анализ требований к каналу совместной передачи цифровой и аналоговой информации при вещании в формате DRM/simulcast (AM или AM ОБП + цифровой сигнал и ЧМ + цифровой сигнал).
Исследование возможности и оценка выигрыша от использования одночастотной сети при вещании в формате DRMb ВЧ диапазоне.
Сравнительная оценка эффективности использования тестовых сигналов ITU-R и метода комплексного статистического оценивания для объективной оценки качества звукового сигнала в цифровом радиовещании.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Доказана целесообразность использования ВЧ диапазона волн для организации цифрового радиовещания в формате DRM на территории РФ.
Осуществлен аргументированный выбор системы радиовещания и конкретных цифровых технологий вещания для модернизации системы радиовещания России с целью достаточно равномерного покрытия всей территории страны высококачественным многопрограммным вещанием.
Определены условия эффективного применения оборудования стандарта DRM в режиме совместной передачи звуковых программ в одном канале в аналоговом и цифровом форматах (режим simulcast).
Получена теоретическая оценка максимального сетевого усиления (выигрыша) в одночастотной сети DRM в ВЧ диапазоне, подтвержденная моделированием с помощью специализированной компьютерной программы.
Разработаны рекомендации по объективной оценке качества сигналов в цифровом радиовещании на основе метода комплексного статистического оценивания.
Основные положения, выносимые на защиту:
Оптимальным вариантом повышения качества приема и улучшения технико-экономических показателей радиовещания является использование цифровых форматов вещания. В условиях России приоритетным является внедрение формата DRMb ВЧ диапазоне.
Многофакторная задача выбора системы радиовещания для России должна решаться путем использования совокупности трех цифровых технологий: вещания в формате DRM в СЧ+ВЧ диапазонах, вещания в альтернативных форматах: один из вариантов наземной системы ЦРВ и/или наземный сегмент наземно-спутниковой системы ЦРВ, а также непосредственного (спутникового) вещания.
При внедрении вещания в формате DRM необходим переходной период, в течение которого вещание должно производиться одновременно как в цифровом, так и в аналоговом форматах (режим simulcast). Условием применимости этого режима является выполнение требований к величине защитных отношений в полосе совместной передачи аналогового и цифрового сигналов. При совмещенной передаче ЧМ и DRM сигналов требования к линейности тракта передачи должны быть более высокими, нежели при совмещенной передаче AM и DRMсигналов.
Проблема надежной передачи звуковой программы на большие расстояния в ВЧ диапазоне может быть решена путем объединения нескольких передатчиков для обслуживания одной и той же зоны. При этом возможен выигрыш в суммарной мощности радиопередатчиков, объединенных в одночастотную сеть, достигающий приблизительно 8 дБ при сдвоенном прием и 10 дБ — при строенном.
Проблема объективной оценки качества сигналов в цифровом радиовещании может быть решена на основе метода комплексного статистического оценивания. Применение с этой целью тестовых сигналов ITU-R не гарантирует объективную оценку качества широкополосных звуковых сигналов.
* * *
Целесообразность использования ВЧ диапазона для цифрового радиовещания на территории Российской Федерации
Особенно привлекательным для России представляется диапазон ВЧ, характеризуемый уникальными возможностями в части распространения радиоволн, поэтому с точки зрения покрытия территории коротковолновому радиовещанию альтернативы нет. Передатчик, работающий в этом диапазоне волн в состоянии закрыть площадь диаметром до 3 тыс. км, в то время как ЧМ передатчик расположенный на Останкинской телебашне можно услышать всего лишь на расстоянии не более 100 км. При этом переход к цифровому радиовещанию предполагается осуществить с использованием имеющегося парка передатчиков ВЧ диапазона. Как показал предварительный анализ, существующий парк радиопередатчиков может быть переведен для работы в режим ЦРВ с сохранением существующей (базовой) схемотехники [60,86,96]. .
Именно в ВЧ диапазоне цифровое радиовещание в формате DRM способно существенно улучшить качество радиовещания. Если на Западе это необходимо, прежде всего, для того, чтобы сохранить слушателей (поскольку там имеются широкие возможности для альтернативного выбора средств приема, предлагающих более высокое качество и надежность), то в России — это почти единственный шанс "покрыть" высококачественным вещанием с минимальными затратами огромные территории с относительно низкой плотностью населения, где непосредственный спутниковый прием может оказаться проблематичным [24].
Стратегия проведения национальной технической политики в области связи определена Постановлением правительства Российской Федерации (от 26 мая 2000 г. № 413). В Постановлении, в частности, определено, что при внедрении перспективных радиотехнологий в России приоритетом обладают технологии общеевропейских стандартов.
Организация сети цифрового радиовещания в формате DRM на базе передатчиков ВЧ диапазона позволит: обеспечить большие зоны покрытия меньшими мощностями; уменьшить мощность излучения, что позволит улучшить помеховую обстановку; более рационально использовать имеющиеся частотные ресурсы; использовать невостребованный парк KB передатчиков, предназначавшихся для радиосвязи; обеспечить экономию электроэнергии, потребляемой передающими центрами.
Заметим, что ВЧ диапазон используется в России не только для внутреннего радиовещания. Благодаря специфическим условиям распространения коротких волн, сильно развита сеть распределения программ с охватом большей части населения земного шара.
Главным заказчиком по трансляции программ в ВЧ диапазоне является Государственная радиовещательная компания «Голос России», ведущая передачи на зарубежные страны с 29 октября 1929 года. Сегодня «Голос России» вещает на русском и 31 иностранном языке и транслирует 340 программ, таким образом обеспечивая прежде всего политическую задачу государства.
Там где затронуты политические интересы государства, необходимо применять самые современные и совершенные технологии. Перевод иновещания России с аналогового на цифровое в формате DRM станет ответом Западу, уже осуществляющему DRM- трансляции на нашу территорию. 1. Россия отстает от ведущих мировых стран по количеству и качеству принимаемых населением программ, техническому состоянию и экономическим показателям. Используемая система радиовещания в ВЧ - НЧ - диапазонах на территории нашей страны и за рубежом обладает низкими технико-экономическими показателями и не позволяет обеспечить требуемое качество приема. Однако подавляющее число стран мира развивают систему наземного вещания в этих частотных диапазонах, используя перспективные системы. 2. Оптимальным вариантом повышения качества приема и улучшения технико-экономических показателей радиовещания является использование цифровых форматов вещания. Только на этой основе может быть эффективно решена приоритетная задача 100-процентного покрытия территории страны высококачественным многопрограммным вещанием. Цифровое радиовещание в формате DRM способно существенно улучшить качество радиовещания в диапазонах частот ниже 30 МГц. Вместе с тем существуют проблемы, которые возникают при внедрении новой системы на такой большой территории, какой является Российская Федерация. Это, прежде всего, вопросы планирования сети и возможности использования существующего парка передатчиков для передачи цифровых сигналов. 3. Одно из важнейших преимуществ современных цифровых форматов вещания, применяющих систему многочастотных ортогональных сигналов (модем COFDM), это возможность построения одночастотных сетей. 4. Основным препятствием для немедленного внедрения систем ЦРВ является необходимость полной замены парка радиоприемников. Поскольку эта замена будет происходить постепенно, необходим переходной период, в течение которого вещание должно производиться одновременно как в цифровом, так и в аналоговом режимах. Именно с этой точки зрения внедрение технологии DRM представляется наиболее оправданным. Этому должны способствовать исследования ряда нерешенных проблем, связанных с реализацией режима simulcast.
Вопросы оптимизации системы радиовещания на территории Российской Федерации
В конечном итоге для развития (эфирного) радиовещания в России на современной технологической базе следует тщательно проанализировать особенности реализации технологии DRM в условиях России, определить требуемые энерго-частотных ресурсы для покрытия вещанием заданной территории, а также провести технико-экономический анализ, в результате которого для каждого региона страны оптимизировать выбор одного из альтернативных вариантов структуры комбинированной системы ЦРВ. Структура комбинированной системы ЦРВ должна оптимизироваться исходя из учета специфических условий России (огромная площадь - при большом проценте высокоширотных территорий - и крайне неравномерное распределение населения на ней).
При такой постановке задачи объектом оптимизации могут стать: 1. альтернативные варианты покрытия определенного участка территории страны одно- или многопрограммным звуковым вещанием достаточно высокого качества (возможность оптимизации объясняется тем, что эта задача может быть решена как с использованием технологии DRM, так и на основе НСЦРВ); 2. использование альтернативных вариантов излучения в ВЧ диапазоне для покрытия определенного участка территории страны одно- или двухпрограммным звуковым вещанием (возможность оптимизации связана с существованием наземного и ионосферного распространения радиоволн в этом диапазоне частот, а также с возможностью использования зенитного излучения и одно- и двухскачковых трасс); 3. использование альтернативных орбит КС (геостационарной, круговых разновысотных или высокоэллиптических) и вариантов антенных систем БРТР (одно- или многолучевых) - здесь возможность оптимизации связана как с различными вариантами распределения контента на сеть наземных передатчиков-ретрансляторов, так и с повышением эффективности НЦРВ при обслуживании высокоширотных территорий страны при использовании разновысотных круговых и высокоэллиптических орбит.
Оптимизация системы радиовещания на территории Российской Федерации представляет собой задачу большой сложности и объема, требующей огромного банка разнообразных данных и выработки критериев оптимальности, признаваемых как специалистами связи и вещателями, так и органами власти в центре и на местах. Поэтому в рамках настоящей работы ограничимся изучением частной проблемы — сравнительным анализом способов организации наземной сети цифрового радиовещания, предназначенной для обеспечения высококачественного многопрограммного вещания на территории, ограниченной, например, размерами области или края.
Действительно, как следует из анализа данных табл. 2.10, недостатки форматов 5.2 и 6.2 (в части возможности многопрограммного вещания) компенсируются использованием либо комбинированной наземно-спутниковой структуры НСС ЦРВ, либо комбинации наземной системы ЦРВ (с локальным покрытием) со спутниковой системой подачи контента в локальные вещательные зоны - в соответствии с принципом, показанном на рис. 1.1.
Итак, возможны три основных варианта организации сети многопрограммного цифрового вещания на ограниченной территории (в локальной вещательной зоне), в диапазонах ОВЧ и УВЧ [88]: многочастотная сеть {вариант 1), использующая односигнальный метод передачи аудиоданных (цифровая система типа В или D) [123] (см. разд. 1.1.4); сеть вещания, использующая многочастотный метод передачи аудиоданных на основе применения модема COFDM (цифровая система типа А - стандарт T-DAB) [124], которая может состоять либо из одиночных передатчиков {вариант 2а), либо из передатчиков, объединенных в ОЧС {вариант 26).
Не занимаясь здесь конкретными вопросами проектирования цифровых сетей вещания, для сравнения трех указанных вариантов сети воспользуемся известными результатами расчетов. Так, в работе [46] показано, что при переводе семичастотной сети {вариант 7) в режим одночастотной сети SFN - T-DAB {вариант 26), за счет возникающего эффекта сетевого усиления, мощности всех передатчиков могут быть снижены как минимум на 7...8 дБ (приблизительно, в 5 раз). Выигрыш в использовании частотной полосы в такой сети по сравнению с многочастотной составляет приблизительно 4,5 раза. Как известно, этим не ограничивается превосходство одночастотных сетей - они обеспечивают высокое качество звукового вещания в условиях интенсивной многолучевой интерференции.
Для сравнения сетей вещания, построенных на основе стандарта T-DAB {варианты 2а и 26), воспользуемся данными по мощностям передатчиков РПд, радиусам покрытия и расстояниям повторного использования для выбранной конфигурации размещения передатчиков (одиночные - вариант 2а или в виде одночастотной сети - вариант 26), определенными по кривым, представленным в Рек. 370 МСЭ-Р. Результаты для варианта 2а представлены в табл. 2.11 и 2.12 -соответственно для диапазонов ОВЧ и УВЧ (1,5 ГГц).
Для варианта 26 расстояние повторного использования вычислено для различных теоретических конфигураций одночастотных сетей. Эти конфигурации включают разные высоты антенн и расстояния до передатчиков. Как известно [100], при построении SFN / T-DAB используют «открытые» и «закрытые» конфигурации: «открытая» - одночастотная сеть с передатчиками, оснащенными всенаправленными антеннами, «закрытая» — одночастотная сеть, где на передатчиках, находящихся на периферии сети, используются направленные антенны. Рассмотренные варианты представлены в табл. 2.13.
Выше отмечалось, что при сравнении вариантов 1 и 26, приоритет безоговорочно принадлежит технологии T-DAB при объединении радиовещательных передатчиков в ОЧС. Сравнивая между собой варианты 2а и 26, использующие технологию T-DAB, и здесь обнаруживаем неоспоримое преимущество одночастотных сетей по отношению к использованию одиночных передатчиков. Таким образом, модуляция COFDM обеспечивает возможность более эффективного использования нескольких маломощных передатчиков или ретрансляторов вместо одного мощного передатчика, при котором невозможно избежать отдельных зон неуверенного приема в общей зоне обслуживания. При этом максимальный эффект по критерию «излучаемая мощность/площадь зоны обслуживания» достигается в ОЧС с закрытой конфигурацией с размещением передатчиков в центре зоны обслуживания. Заметим также, что в варианте 2а предпочтение должно быть отдано диапазону ОВЧ.
Компьютерное моделирование совмещённого аналого-цифрового канала передачи
Моделирование совмещённого аналогово-цифрового канала производится с использованием среды System View. Программная среда System View предназначена для системного проектирования сложных радиоэлектронных систем аналоговой, цифровой и аналогово-цифровой обработки сигналов [33, 85]. Она позволяет создавать функциональные схемы устройств из стандартных библиотечных элементов и выполнять моделирование при воздействии на них различных сигналов и помех, в том числе с учетом различных нелинейностей. Результаты моделирования отображаются в виде таблиц и графиков. В программе есть специальные средства, обеспечивающие обширный набор функций для обработки данных, полученных в результате моделирования. Имеется возможность анализа данных во временной и частотной областях. Средства отображения результатов моделирования по своим возможностям эквивалентны стандартным измерительным приборам - осциллографам, анализаторам спектра и др. Схема моделирования амплитудных характеристик с нелинейностями вида (3.7) представлена на рис. 3.5. Элементы этой схемы выполняют следующие функции: элемент 0 — источник линейного сигнала (функция у (и) = и); элемент 1 - ИСТОЧНИК полиномиальной нелинейности; элементы 2 и 3 - графические анализаторы. В качестве примера на рис. 3.6 представлена кубичная аппроксимации АХ передатчика с коэффициентом полинома аЗ = ± 0.3. Алгоритм исследования модели совмещенного аналогово-цифрового канала можно представить последовательностью следующих операций: 1. подача аналогового и цифрового сигналов от соответствующих источников на схему, моделирующую совмещённый аналогово-цифровой канал передачи; 2. амплитудная (или частотная) модуляция аналогового сигнала и фильтрация соответствующей полосы частот; 3. преобразование и фильтрация на ВЧ цифрового сигнала (в виде эфирного сигнала от возбудителя); 4. нормирование обоих сигналов по напряжению и их подача (по отдельности) на одинаковую нелинейность, заданную полиномом; 5. усиление сигналов до уровня 0 дБ; 6. объединение аналоговой и цифровой частей сигналов и окончательная фильтрация совмещённого сигнала; 7. вычисление радиочастотных защитных отношений на основе полученных спектров аналогового и цифрового сигналов; 8. сравнение значений РЧЗО, полученных в результате моделирования, с нормами на данный параметр; составление заключения об адекватности применения передатчика с данным видом амплитудной характеристики. Далее, в соответствии с представленным алгоритмом моделирования, проведем исследование влияния друг на друга аналогового и цифрового сигналов, передаваемых в совмещенной полосе. Целью предпринятого исследования является получение оценки влияния перечисленных выше видов нелинейности АХ передатчика на совмещенный сигнал режима DRM/simulcast. Выберем вид совмещённой передачи, представленный на рис.3.7, где разность частот между несущей AM fc и центральной частотой DRM сигнала fr составляет кГц.
При моделировании используется фрагмент реального сигнала с выхода возбудителя DRM с видом помехоустойчивости В и параметром «заполнения спектра» - 3 (см. разд. 2.1). В ходе моделирования радиочастотное защитное отношение определяется как разность между уровнями полезного и мешающего сигналов в полосах цифрового и аналогового сигналов. Рис. 3.7. Варианты совмещённой передачи, выбранные для моделирования; а - европейский стандарт; б - российский стандарт Определим уровень нелинейных искажений, используя известный метод двух тонов. Соответствующая структурная схема модели приведена на рис. 3.9. Для измерения уровня комбинационных искажений частоты входных сигналов выбирают так, чтобы их гармоники, разностный и суммарный тоны не совпадали по частоте с комбинационными составляющими [26,27]. На схеме (рис. 3.8) элементы выполняют следующие функции: элементы 0 и 1 - источники двухтонового сигнала fi=1550 Гц, ґг=2150 Гц; элемент 2 - сумматор; элемент 3 - аттенюатор, нормирующий уровень сигнала к напряжению 1В; элемент 4 — элемент, реализующий полиномиальную нелинейность; элемент 5 - графический анализатор. В результате моделирования были получены оценки уровня искажений двухтонового сигнала (табл. 3.1). Результаты моделирования, удовлетворяющие норме -36 дБ [26,27], выделены в таблице серым цветом.
Определение зоны обслуживания и оценка сетевого усиления с помощью программы FIELDPLOT WIN
При ионосферном распространении волн мощности радиопередатчиков могут быть, в первом приближении, определены по методу Казанцева [32]. Однако в настоящее время с этой целью используют соответствующие рекомендации МККР [10], положенные в основу ряда специализированных компьютерных программ. К их числу, в частности, относятся программы FIELDPLOT WIN 5.2 (используется в России) и WPLOTF32 (разработана и используется Deutsche Welle).
Методы расчета напряженности поля для определения зон покрытия не зависят от того, какая система радиовещания применяется, аналоговая или цифровая. Поэтому, определение зоны обслуживания цифрового передатчика удобно производить при помощи компьютерных программ, применяемых для подобных целей в АМ-вещании и дающих хорошую точность. Применительно к одночастотной сети системы DRM - с учетом режима помехоустойчивости, варианта размещения спектра, номинала частоты излучения и модели канала, согласно данным табл. 4.1, суммарная (результирующая) напряженность поля в зоне обслуживания одночастотной сети должна обеспечиваться в пределах от приблизительно 19 до 30 дБ [128]. Принятые при моделировании одночастотной сети DRM значения параметров системы представлены в табл. 4.3
О компьютерной программе FIELDPLOT . В базе данных программы содержатся данные прогноза состояния ионосферы с учетом времени суток, сезона, периода солнечной активности и координат радиовещательной линии; необходимая информация о передающих антеннах (диаграмма направленности, коэффициент усиления и др.) стандартного парка. Определение оптимальных частот и составление графика рекомендуемых для связи частот осуществляется с помощью международной справочной модели IRI-2001 (разд. 4.1). Алгоритмы включают в себя: расчет МПЧ на длинных линиях; расчет коэффициентов усиления антенн; расчет угла возвышения; геометрические параметры слоя; расчет индекса поглощения в высоких широтах; расчет результирующей напряженности поля. Программа рекомендует пользователю выбрать (из рассчитанных ею вариантов) время и частоту вещания, обеспечивающие покрытие территории с наибольшей надежностью приема. Итоги работы представляют собой контурную карту территории обслуживания с распределенными на ней значениями напряженности поля, схематически показанными в виде замкнутых линий - изоклин.
Планируя вещание на заданной территории, составляют волновое расписание, которое устанавливает, на каких из выделенных частот следует работать в различные часы суток. В каждый данный период времени работа может вестись на любой частоте не выше ОРЧ и не ниже НПЧ. Из закрепленного набора частот для разных периодов суток выбираются частоты ближе к ОРЧ, так как при этом выше устойчивость работы. Наиболее простым и удобным способом определения МПЧ для заданной трассы является применение ионосферных карт.
Определение зоны обслуживания с помощью программы FIELDPLOT. В качестве моделируемой зоны обслуживания была выбрана Новосибирская область (зона радиовещания №31). Этот выбор связан с удобством организации на территории области одночастотной зоны путем использования двух передатчиков, расположенных приблизительно на расстоянии одного скачка на запад (в г. Талдом Московской обл.) и на восток (в районе г. Чита).
Проведены четыре эксперимента с поочередной работой каждого из передатчиков с мощностью излучения 100 и 10 кВт. Результаты расчетов зоны обслуживания для двух значений мощности каждого передатчика, а также другие результаты экспериментов представлены на рис. 4.13 - 4.20. На рис. 4.20 методом наложения построена совместная зона обслуживания двух вещательных передатчиков равной мощности (по 10 кВт), расположенных в г. Талдом и г. Чита. При построении использовался тот факт, что при сдвоенном приеме результирующий минимально-допустимый уровень напряженности поля Ez(2) = 20...25,1 мкВ/М (26...28 дБ) достигается при условии, что каждый из парциальных передатчиков создает напряженность поля равную Ej(2) = Е2(2) = EL(2)/ V2 14,1...17,7 мкВ/м (23...25 дБ).
Из построений следует, что полученная таким образом зона уверенного приема меньше, чем в случае обслуживания той же зоны одним передатчиком мощностью 100 кВт (20 дБВт), расположенным в Чите или в Талдоме. Однако, такая зона уверенного приема в одночастотной сети (оба передатчика работали на одной частоте f0p4 = 21.4 МГц) была получена при суммарной мощности передатчиков равной Ps(2) = 20 кВт (13 дБВт), что, следуя формуле (4.17), соответствует сетевому выигрышу Кс 7 дБ(Вт). Сравнивая этот результат с теоретическими оценками выигрыша многокомпонентного приема относительно одиночного (табл. 4.2), можно заключить, 1. Проблема надежной передачи звуковой программы на большие расстояния в ВЧ диапазоне может быть решена путем объединения нескольких передатчиков, работающих в режиме одночастотнои сети, для обслуживания одной и той же зоны. В одночастотнои сети реализуется многокомпонентный прием, при котором в приеме участвуют не менее двух идентичных (компонентных) сигналов от разных передатчиков, объединенных в сеть. Эффективность объединения компонентных сигналов существенно зависит от условий распространения радиоволн. При равном числе сигналов на входе приемника многокомпонентный прием в одночастотнои сети по эффективности близок разнесенному приему. 2. Результирующая мощность входного сигнала при многокомпонентном приеме равна сумме средних мощностей компонентных сигналов. Каждый из компонентных сигналов содержит квазистационарную и переменную части: квазистационарная часть представляет собой некоторое медианное значение, определяемое мощностью передатчика и ослаблением сигнала по траектории ионосферного распространения, а переменная часть отражает флуктуационный процесс, характеризующий быстрые и медленные изменения уровня сигнала (напряженности поля) в точке приема.
