CC BY
145
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ DRM В ДИАПАЗОНЕ СВ В ЗОНЕ ФЕДИНГА
Варламов Олег Витальевич,
к.т.н., старший научный сотрудник НИЛ-6 МТУСИ,
Россия, Москва,
Ключевые слова: цифровое радиовещание, DRM, измерения, средние волны, темное время суток, зона фединга.
Исследования зоны покрытия цифровым радиовещанием стандарта DRM проводились Московским техническим университетом связи и информатики по заказу и при технической поддержке и финансировании ФГУП "Российская телевизионная и радиовещательная сеть" (РТРС).
Одной из известных проблем при организации аналогового радиовещания в диапазоне средних волн (СВ) является существенное ухудшение качества приема в темное время суток в зоне ближнего фединга. Данный эффект обусловлен сложением поверхностной и пространственной волн и может существенно сокращать зону обслуживания передатчика. В цифровом радиовещании стандарта DRM используется OFDM сигнал, который достаточно эффективно декодируется в условиях многолучевого приема.
На основании проведенного анализа показано, что режим помехоустойчивости "А", рекомендуемый для использования в светлое время суток, может быть и в темное время суток энергетически более выгоден в зоне фединга, чем рекомендуемый для этих условий режим помехоустойчивости "В".
Экспериментальные исследования выполнены в рамках проводившихся в 2012 г. широкомасштабных исследований приема сигнала DRM в диапазоне СВ в Московской области. Использовался DRM передатчик с выходной мощностью 40 кВт на частоте 549 кГц и антенной мачтой высотой 217 метров. Точка измерений была выбрана на расстоянии 97 км от передатчика, где напряженность поля поверхностной и ионосферной волн была примерно одинакова. Для выполнения сравнения проводились поочередные измерения в режимах помехоустойчивости "А" и "В" с различными скоростями кодирования. Проведенные экспериментальные исследования показали, что в темное время суток в зоне фединга режим "А" обладает большей помехоустойчивостью, чем режим "В". Учитывая, что в режиме "А" доступна большая скорость передачи данных и для достижения такого же качества передачи звукового контента можно использовать меньшую кодовую скорость, требующую для декодирования меньшего ОСШ, можно рекомендовать применение режима помехоустойчивости "А" в диапазоне СВ в темное время суток на рабочих частотах ниже 700 кГц.
Данное решение позволит расширить зону обслуживания поверхностной волной, которая в темное время суток в режиме АМ сокращается на величину зоны фединга.
Для цитирования:
Варламов О.В. Исследование цифрового радиовещания DRM в диапазоне СВ в зоне Фединга // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - №2. - С. 41-45.
For citation:
Varlamov O.V. Study of DRM digital broadcasting in the MF fading zone // T-Comm. 2015. No.2. Рр. 41-45.
Введение
Одной из известных проблем при организации аналогового радиовещания в диапазоне средних волн (СВ) является существенное ухудшение качества приема в темное время суток в зоне ближнего фединга, которая может начинаться на расстояниях менее 100 км от передатчика. Данный эффект обусловлен сложением поверхностной и пространственной волн и может существенно сокращать зону обслуживания передатчика.
В цифровом радиовещании стандарта DRM используется OFDM сигнал, который достаточно эффективно декодируется в условиях многолучевого приема. Стандарт DRM [1] рекомендует для использования в диапазоне СВ в темное время суток режим помехоустойчивости "В" с длительностью защитного интервала 5,33 мс. При этом модель канала распространения для этого случая (канал №2, комбинация земной и ионосферной волн) содержит два луча с задержкой распространения 1 мс. В соответствии с [2], на частотах ниже 700 кГц на расстояниях 100-200 км от передатчика приход пространственных волн, задержанных более, чем на 2 мс относительно земной волны, с существенной для декодирования интенсивностью не прогнозируется.
В связи с этим используемый в светлое время суток режим помехоустойчивости "А", имеющий длительность защитного интервала 2,66 мс, потенциально также может быть использован и в темное время суток. Требуемое для декодирования отношение сигнал-шум (ОСШ) в модели канала распространения №2 в режиме "А" в среднем на 0,5 дБ ниже, чем в режиме "В" [3]. Доступные скорости ци-
фрового потока в режиме "А" существенно выше, чем в режиме "В" (см. табл. 1 и табл. 2, [4]). Это позволяет при использовании полосы частот 10 кГц и модуляции 64 QAM получать качество звукового контента, "близкое к УКВ ЧМ" (22,1 кбит/с) или "как УКВ ЧМ" (26,5 кбит/с) при скоростях помехоустойчивого кодирования 0,5 и 0,6. Для этого в точке приема требуется обеспечение ОСШ 14,9 и 16,3 дБ, соответственно.
В режиме "В" для получения сопоставимого качества звукового контента придется использовать скорости помехоустойчивого кодирования 0,6 (20,1 кбит/с) и 0,71 (24,7 кбит/с), что потребует в точке приема обеспечения величины ОСШ 16,9 дБ и 19,7 дБ, т.е. на 2-3 дБ выше, чем в режиме "А".
Напомним, что для повышения ОСШ на 3 дБ мощность передатчика необходимо увеличить в 2 раза.
Кроме того, прием в диапазоне СВ в ночное время, как правило, осложняется наличием помех в совмещенном канале от удаленных станций. При наличии помехи в совмещенном канале величина абсолютного защитного отношения для режима "А", 10 кГц, 64QAM(1) составляет 6,7 дБ, а для режима "В" с аналогичными параметрами 7,3 дБ [3]. Это легко пояснить тем, что в режиме "А" не используются три центральные поднесущие, а в режиме "В" не используется всего одна.
На основании вышеизложенного можно предположить, что использование в данных условиях режима помехоустойчивости "А" при сопоставимом качестве звукового контента будет более энергетически выгодным, чем использование режима "В".
Таблица 1
Скорости цифрового потока в различных комбинациях для режима помехоустойчивости А
Схема модуляции № Средняя Полоса частот, к*1 ц
уровня защиты скорость кодирования 4.5 5 9 10 18 20
64-QAM 0 0.5 9392.5 10520 19695 22142.5 40935 45840
1 0,6 11272.5 12740 23625 26570 49115 54995
2 0,71 13305 15045 27892.5 31367.5 57982.5 64940
3 0,78 14745 16660 30910 34770 64260 71970
16-QAM 0 0,5 6262.5 7080 13125 14760 27285 30555
1 0,62 7827.5 8850 16412.5 18452.5 34112.5 38200
Таблица 2
Скорости цифрового потока в различных комбинациях для режима помехоустойчивости В
Схема модуляции № уровня защиты i ретняя скорость кодирования Полоса частот, кГц
4.5 5 9 10 18 20
64-QAM 0 0,5 7200 8280 15332.5 17477.5 31817.5 35760
1 0,6 8640 9930 18402.5 20975 38180 42905
2 0.71 10200 11730 21720 24750 45065 50660
3 0,78 11300 12990 24075 27450 49950 56140
16-QAM 0 0,5 4800 5520 10222.5 11655 21210 23835
1 0,62 6000 6900 12777.5 14565 26515 29800
Экспериментальные исследования
Для практической проверки данного предположения в рамках проводившихся в 2012 г. широкомасштабных исследований приема сигнала DRM в диапазоне СВ в Московской области были проведены экспериментальные исследования с целью определения режимов помехоустойчивости, более предпочтительных для использования в зоне фединга в темное время суток.
При проведении исследований использовался установленный в Ногинском районе Московской области DRM передатчик с выходной мощностью 40 кВт, работающий на антенну-мачту с регулируемым распределением тока (АРРТ) высотой 217 метров на частоте 549 кГц. В качестве приемного оборудования использовался контрольно-измерительный приемник DT-700 фирмы "Fraunhofer" с калиброванной антенной.
Предварительный расчет зоны обслуживания был выполнен в соответствии с [5]. Для данного передатчика с данной антенной на частоте 549 кГц зона фединга располагается на расстояниях от 80 до 120 км. Точка измерений была выбрана на расстоянии 97 км от передатчика, где напряженность поля поверхностной и ионосферной волн была примерно одинакова. Данное обстоятельство подтверждается тем фактом, что измеренная на АМ сигнале глубина фединга была достаточно большой и достигала 14 дБ.
Иллюстрации к приему сигнала DRM в зоне фединга приведены на рис. 1. На примере импульсного отклика канала можно увидеть равенство поверхностной и ионосферной волн с задержкой между ними около 0,4 мс. Ионосферная волна непостоянна во времени. Другие лучи, задержанные на большее время, имеют существенно меньшую интенсивность. Передаточная функция канала имеет вид, характерный для частотно-селективного фединга.
На центральной частоте спектра полезного сигнала наблюдается помеха от несущей частоты по совмещенному каналу (549 кГц) от АМ станции (Германия) с напряженностью поля (измеренной в отсутствии полезного сигнала) 40...44...47 дБмкВ/м. Напряженность поля полезного сигнала составляла 54.58 дБмкВ/м, и требуемые защитные отношения выполнялись для уровня защиты (1), а для уровней защиты (2) и (3) могли нарушаться при росте интенсивности помехи и ослаблении полезного сигнала.
Таким образом, проводимые измерения соответствуют реальной помеховой обстановке "на границе возможного приема" и позволяют сравнить помехоустойчивость режимов "А" и "В".
Для выполнения этого сравнения проводилось поочередное измерение в режимах помехоустойчивости "А" и "В" с различными скоростями кодирования. Запись файлов RSCI (Receiver Status and Control Interface [6]) осуществлялась для каждого фрагмента с последующим вычислением процента корректно декодированных аудиоблоков. Напомним, что по принятым в международной практике критериям, "работоспособность" ЦРВ стандарта DRM определяется по параметру декодирования 98% аудиоблоков [5]. Результаты измерений приведены в таблице 3 и иллюстрированы на рис. 2.
№
Oljf^y]
OFfir"
□SDi" i , PMSC SRectf um ° Ж Hz
. I I ог,:- JWHZ:
f\.il i I, ■ OSP ьйкн:
W\ Л) " ■ 0Status
1 г Ьч/ fetf
DRM 549 kHz Syrtci FSg SNR: 20.1 dB ( RF: 58. i №x/fti flttn: 0 CPU: 1
Пример импульсного отклика канала
' V I
j •{ernmxim
-äD Л А
iAAi
гг-fttr
i ■ opf-
10° гпп гяег\
ggt1 -54? kHzSyn.-:FS- StlP: 21 I RF: 56. j dßu/гл flttn! 0 СИli: iki-
Пример' передаточной функции канала
Спектр входного сигнала в полосе частот 60 кГц Рис. 1. Иллюстрации к приему сигнала РКМ в зоне фединга
Как видно из таблицы 3, в режимах 10 кГц, 640ДМ(0) и 640ДМ(1) в обоих режимах помехоустойчивости ("А" и "В") наблюдалось 100% декодирование.
В режимах 640ДМ(2) и 640ДМ(3) при практически равной напряженности поля полезного сигнала больший процент декодированных аудиоблоков обеспечивался в режиме "А".
Рис. 2. Сравнение приема в режимах помехоустойчивости "А" и "В"
Таблица 3
Процент корректно декодированных аудиоблоков в различных режимах помехоустойчивости
Данное решение позволит расширить зону обслуживания поверхностной волной, которая в темное время суток в режиме АМ сокращается на величину зоны фединга.
В целом, проведенные исследования и измерения показали, что цифровое радиовещание стандарта РКИ обеспечивает большую зону покрытия с лучшим качеством аудио контента при меньшей мощности передатчика, чем традиционное радиовещание с АМ.
Результаты исследований вошли во вклад в МСЭ, подготовленный администрацией связи РФ.
Литература
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали, что в рассматриваемых условиях режим "А" обладает большей помехоустойчивостью, чем режим "В".
Заключение
Учитывая, что в режиме "А" доступна большая скорость передачи данных и для достижения такого же качества передачи звукового контента можно использовать меньшую кодовую скорость, требующую для декодирования меньшего ОСШ, можно рекомендовать применение режима помехоустойчивости "А" в диапазоне СВ в темное время суток на рабочих частотах ниже 700 кГц.
1. ETSI ES 201 980 V3.I.I (2009-08) Digital Radio Mondiale (DRM); System Specification.
2. REC. ITU-R P. 1321-4 (2013-09). Propagation factors affecting systems using digital modulation techniques at LF and MF.
3. REC. ITU-R BS.I6I5-I (2011-05). "Planning parameters" for digital sound broadcasting at frequencies below 30 MHz.
4. Report ITU-R BS.2I44 (2009-05). Planning parameters and coverage for Digital Radio Mondiale (DRM) broadcasting at frequencies below 30 MHz.
5. Варламов О.В. Особенности частотно-территориального планирования сетей радиовещания DRM диапазонов НЧ и СЧ // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 20I3. - №9. - С.43-46.
6. ETSI TS I02 349 - V3.I.I (20I0-I2) Digital Radio Mondiale (DRM); Receiver Status and Control Interface (RSCI).
STUDY OF DRM DIGITAL BROADCASTING IN THE MF FADING ZONE
Oleg Varlamov,
Moscow Technical University of Communications and Informatics, senior staff scientist, Ph.D., Moscow, Russia,
Abstract
One of the known problems in the organization of analogue broadcasting in medium wave band (MW) is a significant deterioration in the quality of reception at night time in the fading zone. This effect is due to the summation of the surface and ionospheric waves and can significantly reduce the service area of the transmitter. DRM standard of digital broadcasting using OFDM signal which is effectively decoded into multipath conditions. Based on the analysis shown, that the robustness mode "A" which is recommended for use during daylight hours, may be in the nighttime is more energetically favorable in the fading zone, than the recommended for these conditions robustness mode "B".
Experimental studies were carried out in the framework of conducted in 2012 extensive research of DRM reception on MW in the Moscow region. DRM transmitter with 40 kW output power was used at a frequency 549 kHz with antenna mast of 217 meters height. Measurement point was chosen at a distance of 97 km from the transmitter, where the field strength of the surface and ionospheric waves was approximately equal. To perform a comparison were conducted alternately measurement in the robustness modes "A" and "B" with various coding rates.
The experimental results showed that in the nighttime in the fading zone mode "A" has more immunity than the mode "B". Taking into account that in the mode "A" available more high speed data transmission and for achieve the same transmission quality of audio content, you can use a smaller code rate required for decoding a smaller SNR, we can recommend the use of robustness mode "A" in the MW in the nighttime on operating frequencies below 700 kHz. This solution will extend the coverage area of the surface wave, which is reduced in the nighttime in AM mode on size of the fading zone.
Keywords: digital broadcasting, DRM, measurements, medium frequency, night time, fading zone. References
1. ETSI ES 201 980 V3.I.I (2009-08). Digital Radio Mondiale (DRM); System Specification.
2. REC. ITU-R P. 1321-4 (2013-09). Propagation factors affecting systems using digital modulation techniques at LF and MF.
3. REC. ITU-R BS.I6I5-I (2011-05). "Planning parameters" for digital sound broadcasting at frequencies below 30 MHz.
4. Report ITU-R BS.2I44 (2009-05). Planning parameters and coverage for Digital Radio Mondiale (DRM) broadcasting at frequencies below 30 MHz.
5. Varlamov O.V. 2013, 'Peculiarity of frequency-territorial planning of DRM broadcasting networks for LW and MW bands', T-Comm, no. 9, pp. 43-46. [in Russian]
6. ETSI TS I02 349 - V3.I.I (20I0-I2) Digital Radio Mondiale (DRM); Receiver Status and Control Interface (RSCI).
