Використання синхронних мереж для покриття звуковим мовленням автомобільних доріг України

Виходець О.А., Кольцова О.С., Маковеєнко Д.О.,
Державне підприємство «Український науково-дослідний інститут радіо і телебачення» (ДП «УНДІРТ»)

Юрченко В.В., радник члена Національної ради з питань телебачення і радіомовлення України

Запропоновано варіант передавальної інфраструктури для обслуговування магістральних автомобільних доріг на основі мережі синхронного FM мовлення. На прикладі автомагістралі Київ-Одеса визначено характеристики передавальних станцій, виконано огляд можливих спотворень приймання у мережі синхронного мовлення, розраховано довжину зон спотворень монофонічного та стереофонічного приймання.

Реалізація покриття звуковим мовленням автомобільних доріг, у першу чергу, магістральних, є актуальним завданням, оскільки дозволить забезпечити водіям і пасажирам автотранспорту зручний доступ до інформації.

За такого покриття може бути забезпечено передавання спеціальної інформації, адресованої водіям автомобілів, що містить оповіщення щодо стану руху на дорозі, погодних умов, можливих надзвичайних ситуацій, тощо.

Для реалізації покриття має бути побудовано мережу передавачів, розташованих вздовж дороги. Очевидно, що оптимальним буде використання синхронного режиму роботи цих передавачів, що дозволить:

• не змінювати налаштування приймача під час руху;
• економне використання частотного ресурсу.

Враховуючи актуальність та важливість цього питання, доцільно спроектувати та реалізувати подібні мережі для покриття звуковим мовленням транспортних магістралей України, таких, наприклад, як Київ-Одеса, Київ-Чоп тощо.

У цій статті розглянуто особливості побудови синхронної мережі передавачів ДВЧ діапазону, що працюють з використанням частотної модуляції (передавачів FM мовлення). Саме ця технологія звукового мовлення є нині найбільш затребуваною серед слухацької аудиторії в Україні; на ринку існує велика кількість FM приймачів різного призначення (автомобільні, портативні тощо).

З урахуванням дефіциту частотного ресурсу в смузі частот 87,5 – 108 МГц, яку використовують для звукового мовлення, застосування синхронного режиму роботи передавачів могло б стати найкращим рішенням визначеного завдання.

Авторами розглянуто можливість побудови мережі синхронного радіомовлення вздовж траси Київ-Одеса. Ця траса варта уваги через низку причин. По-перше, вона характеризується одним з найбільших обсягів вантажоперевезень в Україні. Щодо теми цієї статті, це означає підвищену потенційну аудиторію радіомовного контенту. По-друге, поблизу траси прокладено кабельні мережі, що може спростити підключення апаратури, призначеної для синхронного мовлення.

Варто зазначити, що подібні мережі застосовуються в країнах Європи [1 – 4], проте їх планування та подальше розгортання є досить трудомістким завданням через можливу появу  специфічних лінійних та нелінійних спотворень приймання сигналів, що випромінюються передавачами такої мережі [5, 6].

Особливості планування мереж синхронного звукового FM мовлення

Причиною спотворень приймання є різний час проходження сигналів від передавальних станцій до приймача, а також можлива додаткова затримка при надходженні сигналу від пункту формування (студії) до кожної з передавальних станцій. Це є особливо критичним для тих випадків, коли рівні сигналів у місці приймання стають приблизно однаковими. За такої ситуації можливим є утворення зон спотворень на території між двома передавачами.

Проведення теоретичних досліджень, а також польових випробувань синхронної роботи передавачів FM мовлення показало, що для уникнення  спотворень на тих ділянках між передавачами, в межах яких рівні випромінюваних сигналів приблизно однакові, час затримки звукових сигналів до місця приймання має бути вирівняно. Щоб мінімізувати вплив спотворень за умови, що таку затримку не вирівняно, буде потрібно дотримати необхідні значення захисних відношень за радіочастотою. Ці значення, зазвичай, подають у децибелах і їх визначають як мінімальні значення відношення корисного сигналу до завади, виміряні на вході приймача, що дозволяють отримати на виході приймача належну якість корисного сигналу [7].

Так, якщо загальне значення затримки сигналів від двох синхронних передавачів рівне 2 мкс, необхідне захисне відношення складає 6 дБ, із зростанням затримки до 10 мкс необхідним буде значення захисного відношення 16 дБ [6]. У Рекомендації ITU-R BS.412-9 зазначено, що можливим є планування синхронної монофонічної мережі з захисними відношеннями, що дорівнюють тільки 2 дБ, за умови, що відносну затримку між модулювальними сигналами дотримано в межах 5 мкс у всьому районі, що обслуговується [1].

Також фахівцями ДП «УНДІРТ» було виконано значний обсяг польових випробувань синхронної мережі передавачів FM мовлення з метою оцінки якості приймання стереофонічних та монофонічних сигналів у мобільних умовах. Результати випробувань докладно наведено у джерелі [5].

Аналіз результатів випробування надає підстави для припущення, що для якісного приймання в автомобілі під час руху (з оцінкою не нижче ніж «4» за п’ятибальною шкалою), захисне відношення за радіочастотою для стереосигналів має складати не менш ніж 12 дБ, а під час приймання моносигналів – не менше ніж 6 дБ. Під час подальших розрахунків будемо орієнтуватися саме на ці значення.

Оцінка протяжності зон спотворень у мережі синхронних передавачів FM мовлення

Розглянемо мережу передавачів FM мовлення, що встановлено уздовж траси Одеса-Київ і які працюють у синхронному режимі. Розташування передавачів, випромінювані потужності та висоти підвісу передавальних антен зазначено в таблиці 1. Розташування передавачів обрано відповідно до існуючої інфраструктури мережі радіотелевізійних передавальних станцій Концерну РРТ.

Таблиця 1 – Розташування радіомовних FM передавачів синхронної мережі та їх характеристики

Розрахуємо зони покриття кожного з синхронних передавачів та оцінимо протяжність можливих зон спотворень на ділянках між двома сусідніми передавачами.

Під час розрахунків прийматимемо до уваги, що значення напруженості поля, створюваного FM передавачем, на межі зони покриття має бути у стереорежимі 67,97 дБмкВ/м під час приймання у автомобілі [8], у монорежимі це значення має бути 46,73 дБмкВ/м.

Границі зон покриття визначено згідно Рекомендації ITU-R Р.1546-5 [9] на основі розрахунку мінімальної медіанної напруженості поля:

Е_minmed = Р_Σ + Е_med + F(θ),

де Е_minmed – мінімальна медіанна напруженість поля, дБмкВ/м;

Р_Σ – ефективна випромінювана потужність передавача, дБВт;

Е_med – медіанне значення напруженості поля при Р_Σ = 0 дБ, дБмкВ/м (визначають за кривими поширення радіохвиль у відповідному діапазоні);

F(θ) – поправка за кутом просвіту місцевості, яка враховує перешкоди на місцевості у  напрямку передавальної станції, дБ.

Результати розрахунку зон покриття надано на рис. 1. Як бачимо, за визначених у табл. 1 характеристик передавальних станцій удається майже повністю забезпечити покриття радіомовленням траси Київ-Одеса. Навіть якщо значення напруженості поля на вході приймальної антени буде недостатнім для стереоприймання, то моноприймання можна забезпечити практично на усій протяжності траси (за винятком невеликої ділянки між передавачами, установленими у Білій Церкві та Буках, і ділянки між передавачами, встановленими у Буках і Благовіщенському).

Для визначення зон спотворень будемо виходити з умов їх появи у синхронній мережі з подібним розташуванням передавачів («ланцюжком»):

де ∆Е – відношення напруженостей полів, що утворюються двома сусідніми передавачами,

А – необхідне значення захисного відношення за радіочастотою, яке відповідає певному значенню часу затримки надходження на вхід приймача сигналів від першого і другого передавачів,

Т – загальне значення часу затримки при поширенні сигналів сусідніх передавачів до приймального пристрою,

τ_доп  – значення часу затримки, для якого одержано нормативне значення захисного відношення за радіочастотою.

Довжини зон спотворень визначалися як для стереофонічного, так і для монофонічного приймання із використанням значень захисних відношень за радіочастотою 12 дБ і 6 дБ відповідно. Як зазначалося вище, ці значення було отримано на основі результатів польових випробувань.

У табл. 2 надано результати розрахунків довжини зони спотворень для кожної з ділянок між двома сусідніми передавачами, установленими вздовж траси Київ – Одеса.

Таблиця 2 – Результати розрахунків довжини зон спотворень

За підсумками розрахунків, можна відзначити наступне:

1) зони спотворень приймання в автомобілі, що прямує трасою Київ – Одеса, за вибраних значень характеристик передавальних станцій будуть існувати на кожній з ділянок між сусідніми передавачами. Як бачимо, це стосується як приймання стереосигналів, так і приймання моносигналів;

2) з урахуванням результатів польових випробувань за синхронної роботи передавачів FM мовлення передбачалося, що в межах зони спотворень моноприймання основним видом спотворень прийнятого сигналу, що визначає остаточну якість звучання, є нелінійні спотворення. В межах зони спотворень стереоприймання враховувалася дія нелінійних та перехідних спотворень;

3) найбільша за довжиною зона спотворень стереоприймання складатиме не більше ніж 17,3 % від загальної довжини ділянки (ділянка Одеса – Петровірівка);

4) найбільш критичними спотвореннями за суб’єктивними оцінками слухачів є нелінійні спотворення, тому результат розрахунку довжини зон спотворень моноприймання є більш інформативним – він показує довжину тих ділянок, у межах яких приймання буде здійснюватися з найгіршою якістю. Найбільша відносна довжина зони нелінійних спотворень складатиме 5,6 % (ділянка Біла Церква – Київ). Відповідну цьому відсотку відстань 5,5 км (табл. 2) автомобілем зі швидкістю 100 км/год буде пройдено за 3,3 хв, що можна вважати прийнятним.

Висновки

Побудова синхронних мереж передавачів FM мовлення для обслуговування магістральних автомобільних доріг є актуальним та визначним завданням не тільки з точки зору покриття мовленням безпосередньо самої автомагістралі, але і розташованих поруч із нею населених пунктів. Впровадження таких мереж буде вагомим внеском у реалізацію Плану розвитку потужного ДВЧ-ЧМ мовлення в Україні.

Завдання можливо технічно реалізувати із застосуванням інфраструктури мережі радіотелевізійних передавальних станцій Концерну РРТ за наявності відносно недорогих передавальних пристроїв ДВЧ діапазону. Унаслідок припинення аналогового телебачення у 2018 році смугу частот 84 – 100 МГц можна повністю використовувати для розгортання нових мереж FM-мовлення. За певного перерозподілу частотного ресурсу та використання частотних каналів, що було вивільнено із відключенням аналогового телебачення, стає можливою розбудова синхронних мереж уздовж автомобільних доріг.

Також важливо відзначити, що все більшого поширення в Європі набуває технологія цифрового радіомовлення DAB+. Найбільш поширеним типом приймачів цифрових сигналів є саме автомобільні приймачі, а прийняття у грудні 2018 р. Європейським парламентом та Радою Європи нового Європейського Кодексу Електронних Комунікацій буде сприяти подальшому збільшенню їх кількості. У рамках цього Кодексу вимагається, щоб в усіх нових автомобільних радіоприймачах, що продаються у Європейському союзі, було реалізовано функцію приймання сигналів цифрового наземного радіомовлення на додачу до функції приймання сигналів FM- або АМ-мовлення [10], а в Європі найпоширенішою технологією цифрового наземного радіомовлення на сьогодні є DAB/DAB+.

З огляду на вищенаведене, дослідження можливості побудови синхронних одночастотних мереж цифрового мовлення для покриття автомобільних доріг в Україні також є досить актуальним, і буде розглянуто авторами у наступних публікаціях.

Перелік посилань:

1. Recommendation ITU-R BS.412-9 (12/98) Planning standards for terrestrial FM sound broadcasting at VHF.

2. Document ITU-R 10B/24-E. France. Synchronous FM network. October, 1996.

3. Kienzle C. Sanef Takes Intelligent Networking on the Road / Claudia Kienzle // Radioworld, January 2018 [електронний ресурс]. Режим доступа:  https://www.radioworld.com/news-and-business/sanef-takes-intelligent-networking-on-the-road

4. Ганжа С.Н. Построение синхронной сети передатчиков ОВЧ-ЧМ вещания / С.Н. Ганжа // Цифрові технології. – 2008. – № 3. – С. 78.

5. Аналоговое и цифровое радиовещание / [А.В. Выходец, С.Н. Ганжа, А.С. Кузнецова, А.А. Выходец]; под ред. А.В. Выходца. – Одесса: СПД Бровкін О.В., 2012. – 312 с.

6. Выходец А.В. Особенности проектирования синхронных сетей звукового ОВЧ-ЧМ вещания / А.В. Выходец, С.Н. Ганжа, А.С. Кузнецова // Зв’язок. – 2007. – № 1. – С. 12 – 16, № 2. – С. 60 – 64.

7. Сети телевизионного и звукового ОВЧ ЧМ вещания: Справочник / [М.Г. Локшин, А.А. Шур, А.В. Кокорев, Р.А. Краснощеков]. – М.: Радио и связь, 1988. – 144 с.

8. Кольцова О.С. Визначення параметрів планування мережі при переході на цифрове наземне звукове мовлення / О.С. Кольцова, Д.О. Маковеєнко // Цифрові технології. – 2017. – № 22. – С. 71 – 79.

9. Recommendation ITU-R P.1546-5:2013. Method for point-to-area prediction for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3 000 MHz.

10. Hannon P. EU Directive Reveals European Vision for Radio Digitization / Patrick Hannon, president of WorldDAB // Radioworld, December 2018 [електронний ресурс]. Режим доступа: https://www.radioworld.com/columns-and-views/eu-directive-reveals-european-vision-for-radio-digitization.