Теоретический расчёт зоны покрытия.

Основной проблемой при проектировании наземного телевизионного вещания является определение реальной зоны обслуживания РТПС и решение на ее основе задачи оптимизации технических параметров и местоположения станции. Зоной покрытия принято называть территорию, на границе которой гарантируется прием с заданным качеством. Понятие “гарантируется” весьма условно, поскольку в действительности качество приема зависит от множества факторов: технических характеристик приёмной установки, характера местности,условия застройки в месте приёма, время суток, года,погодных условия и т.п.Кроме того,при определении зоны покрытия принято считать, что диаграмма направленности передающей антенны имеет форму окружности, тогда как допустимая нормативами неравномерность реальной диаграммы в азимутальной плоскости можт достигать 3дБ,что эквивалентно изменению излучаемой мощности вдвое и,соответственно,приводит к ощутимому искажению реального вида диаграммы.

Границу ЗП определяют, как геометрическое место точек, в которых значения напряженности поля Е равны нормируемым (т.е. минимально допустимым) значениям в течении времени Т% в L% мест приема. Обычно поле характеризуется средним уровнем, называемым медианным Емед. Это уровень, превышаемый 50% мест и 50% времени приема,хотя могут использоваться и другие критерии,например,90\90%.Очевидно,чем выше значение вероятности приёма,тем большее значение напряжённости поля E должно быть обеспечено.

С помощью пакета программ проектирование и анализ радиосетей – «ПИАР» версии 4.57 была определена оптимальная зона покрытия и исходя из заданной мощности передатчика 100Вт, высоты подвеса антенны – 35 метров,коэффициента усиления – 11 дБ, длины фидера-45м, потерь в соединительном кабеле между антенной и мачтовым усилителем -1.5дБ, составила:

Общая площадь зоны обслуживания – 321,58 кв. км

Средний радиус зоны охвата – 10,117 км

Население, попадающее в зону обслуживания - 1583 человека.

Рисунок 5 – Зона покрытия,рассчитанна в программном комплексе «ПИАР»

Аналитический расчет зоны покрытия в самом общем случае сводится к решению двух уравнений:

1. Расчет минимально допустимой напряженности поля Е , необходимой для нормальной работы приемного комплекса.

2. Расчет медианной напряженности поля от действующего передатчика для заданных условий распространения – E(T,L).

Для определения радиуса зоны вещания с учётом приведённых во введении данных,необходимо рассчитать напряжённость поля сигнала, для которого на границе зоны вещания должно выполняться условие:

=

Приравняв эти два значения напряженности поля, вычисляют “дальнобойность” передатчика при заданных условиях приема. Радиус зоны покрытия,полученный в ходе аналитического рассчёта в идеале должен быть равен радиусу,определённому с помощью пакета программ «ПИАР».

Воспользуемся методикой определения минимальной медианной напряженности поля для системы цифрового телевизионного вещания DVB-T2,основанной на отчете, представленном ITU-R BT.2254 (09/2012).

Условием качественного приема является обеспечение надлежащего отношения сигнал/шум (С/Ш) на входе приемника. Исходя из значения этого параметра, вычисляют минимально необходимый уровень напряженности поля передатчика в месте приема, который, в свою очередь, определяет выбор мощности передатчика для охвата требуемой зоны обслуживания. В нашем случае заранее задана мощность передатчика, которая определяет уровень напряжённости поля передатчик. В зависимости от параметров модуляции сигнала цифрового телевидения требуемые значения С/Ш лежат в пределах от 6 до 24 дБ. Выберем значение C\N из рекомендации ITU-R и модуляционных параметров, заданных в передатчике:

Curriers 32k

Guard interval 1/16

Pilot pattern P4

Modulation 64-QAM

Coder 4/5

Отправной точкой методики является определение базовых значений C\N для разных типов модуляции и кодовой скорости в канале Гаусса, который составляет для вышеприведённых параметров сигнала 16.1 дБ

Таблица 1.Базовые значения C\N для канала Гаусса

Следующим шагом рассчитываются модифицированные величины C\N с учётом корректирующего фактора для достижения (коэффициент А)поправки на заданный вариант размещения пилот сигналов(коэффициент B) и поправки, учитывающие особенности реального канала связи(коэффициент С).Значения поправочных коэффициентов в таблице

Таблица 9. Значения коэффициентов

Выберем из таблицы коэффициенты, соответствующие пилот-сигналу PP4:

Коэффициент А=0.1

Коэффициент B=0.5

Коэффициент С=1.5

Далее необходимо применить небольшую поправку(коэффициент D) по ограничивающему действию шума для значений C\N от 15 до 32 дБ

Таблица 2. Коэффициент D

Исходя из того,что что отношение сигнал\шум приблизительно равно 16 дБ,то коэффициент D=0.09

Расчет полного значения C\N для канала Райса с учётом вышеуказанных поправок ведётся по формуле:

где

Таблица 3. Значения для канала Райса

Модуляция	Кодовая скорость	С\N(дБ)
QPSK	1/2	0.2
QPSK	3/5	0.2
QPSK	2/3	0.3
QPSK	3/4	0.3
QPSK	4/5	0.3
QPSK	5/6	0.4
16-QAM	1/2	0.2
16-QAM	3/5	0.2
16-QAM	2/3	0.2
16-QAM	3/4	0.4
16-QAM	4/5	0.4
16-QAM	5/6	0.4
64-QAM	1/2	0.3
64-QAM	3/5	0.3
64-QAM	2/3	0.3
64-QAM	3/4	0.3
64-QAM	4/5	0.5
64-QAM	5/6	0.4
256-QAM	1/2	0.4
256-QAM	3/5	0.2
256-QAM	2/3	0.3
256-QAM	3/4	0.3
256-QAM	4/5	0.4
256-QAM	5/6	0.4

Выбираем значение используя параметры,заданные в передатчике. Следовательно,

Для фиксированного приёма используются значения C/N,рассчитанные для канала Райса.

Минимальные уровни сигнала для преодоления шума в приемнике определяются минимальной мощностью на входе приемника и соответствующим минимальным эквивалентным напряжением на входе приемника, предполагая значение шум-фактора приемника 7 дБ. Если при планировании используется отличное от заданного значение шум-фактора, то минимальный уровень сигнала на входе приемника должен быть скорректирован.

Определим уровень сигнала на входе приёмника:

где -минимальный уровень входного сигнала, при котором обеспечивается требуемое минимальное значение C/N.

,

где -шумовая мощность в приёмнике

где

Рассчитаем при С/N=18.8 дБ

Для вычисления значений минимальной плотности потока мощности и минимальной напряженности поля используются следующие формулы:

Где -коэффициент усиления передающей антенны;

-длина волны;

Где а-потери мощности сигнала в фидере;

Рассчитываем минимальную напряжённость поля:

Для вычисления значений минимальной медианной плотности потока мощности и минимальной медианной напряженности поля используются следующие формулы:

Где - минимальная напряжённость поля,

-поправка на индустриальный шум,

С- поправочный коэффициент,

Поправочный коэффициент С представляет собой величину требуемого изменения напряженности поля при изменении вероятности приема относительно стандартного медианного значения. Увеличение напряженности поля (корректирующий коэффициент С) должно осуществляться на значения, представленные на риснке .3.

Рисунок 3.1 – Отношение напряжённости поля для заданного процента мест приёма цифрового сигнала к напряжённости поля для 50% мест приёма(диапазоны I-IV)

Видно, что для обеспечения вероятности приема в 95% мест на границе зоны обслуживания нужно принять медианное значение напряженности поля на 9 дБ больше минимально необходимого, соответственно для вероятности 70% мест - на 2,9 дБ.

Таблица 1. Поправка на влияние индустриальных шумов для диапазонов III,IV,V

При стандартном проектировании полагают, что нормальным приемом считается такой прием, при котором осуществляется покрытие 50% мест приема – L в 50% времени - T. Вычислим значения минимальной медианной плотности потока мощности и минимальной медианной напряженности поля для 50% мест приёма:

Таким образом достигается требуемое условие

Охват зоны покрытия классифицируется как хороший, если, по крайней мере, 95% территории, размещенной на краю зоны, охвачено портативным приемом. Правомерен вопрос: нужно ли повсеместно стремиться к вероятности приема в 95% мест на границе зоны обслуживания? Как известно, прием цифровых сигналов характеризуется очень резким переходом от хорошего (уверенного) приема до полного его отсутствия даже при весьма малых изменениях напряженности поля, значение которого реализует C/N, близкое к предельному значению C/N_треб. Поэтому представляется разумным при планировании реальных сетей цифрового телевидения учитывать распределение плотности населения вблизи границ зоны обслуживания в каждом конкретном случае. На границе планируемой зоны покрытия в 10 км располагается 2 села, именно поэтому целесообразно стремиться к вероятности приёма 95% на границе зоны обслуживания.

Очевидно, что при увеличении расчетного значения вероятности приема, требуется увеличенное значение напряженности поля Е. Вычислим значения минимальной медианной плотности потока мощности и минимальной медианной напряженности поля для 95% мест приёма:

Увеличение минимально допустимой расчетной напряженность поля на 9дБ эквивалентно увеличению канальной мощности передатчика в 5 раз. При прежней же мощности передатчика, радиус зоны покрытия с вероятностью приема в 95% будет примерно в 2,3 раза меньше по отношению к радиусу зоны покрытия с вероятностью приема в 50%.

Следовательно, рассчитаем радиус зоны покрытия передатчика мощностью 100Вт при напряжённости поля для 95% равной 53.3 дБмкВ/м

Радиус зоны покрытия определяют либо аналитическим путём, либо по справочным кривым распространения. Наиболее удобно будет рассчитать радиус ЗП аналитическим путём, используя универсальную формулу Пескова С.Н., которая в последнее время находит всё большее применение на практике:

Из формулы Пескова С.Н. выразим радиус ЗП:

С учётом того, что напряжённость поля для вероятности зоны охвата мест в 95% Е=53.3 дБмкВ/м подставим значения в выражение:

Следовательно, по итогам расчёта радиуса зоны покрытия аналитическим методом и расчёта, используя программный комплекс «ПИАР», были получены практически идентичные результаты, что подтверждает ,что мощность передатчика в 100 Вт достаточна для создания зоны уверенного приёма ЦЭТВ в п.Вязовка.

Рассчитаем минимальную и медианную напряженность, используя другой способ.

Произведём аналитический расчёт медианной напряжённости поля, пользуясь формулой Окамура-Хата:

Где -эффективно излучаемая мощность,дБВт

f-частота излучения передатчика, МГц

a(h2)-поправочный коэффициент на высоту приемной антенны,м

b-коэффициент ,расширяющий действие модели для протяжённости трассы

Эффективно излучаемая мощность передатчика:

Где -мощность передатчика;

-коэффициент усиления передающей антенны;

-КПД фидера;

Определим КПД фидера по формуле:

,

где -затухание в фидере,

-длина фидера,

Далее находим эффективно излучаемую мощность передатчика

Медианная напряжённость по формуле Окамура-Хата равна:

Найдём минимальную напряжённость поля, используя формулу, выведенную Песковым С.Н.:

где -коэффициент усиления приёмника

F-коэффициент шума приёмника

f-частота

дБмкВ/м

Сравнивая значения медианной и минимальной напряжённостей, рассчитанные с помощью разных методик были получены практически идентичные результаты. Исходя из условия, что = радиус зоны покрытия составит 9 км. Разность между данными, полученными при расчёте радиуса покрытия в программе «ПИАР» и по методике, принятой ГРЧЦ, составляет 1 км, что лежит в пределах допустимой погрешности. Также это подтверждает ,что мощность передатчика в 100 Вт достаточно для создания зоны уверенного приёма ЦЭТВ в п.Вязовка.