Разработка и исследование методов обеспечения электромагнитной совместимости в сетях наземного телевизионного и звукового радиовещания на основе их оптимального планирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, доктор технических наук Носов, Владимир Иванович

• Носов, Владимир Иванович
• доктор технических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук Носов, Владимир Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ТЕЛЕВИЗИОННОГО И ЗВУКОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ.

Введение.

1.1 Технические основы планирования сетей телевизионного и звукового радиовещания.

1.2 Разработка показателей эффективности для выбора технических параметров радиовещательных передающих станций.

1.2.1. Постановка задачи.

1.2.2 Показатели эффективности для выбора технических параметров, относящиеся к самой станции.

1.2.3 Показатели эффективности выбора технических параметров подсети станций одноименных каналов.

1.2.4. Сетевые показатели эффективности выбора технических параметров ТВ и ОВЧ ЧМ станций.

1.3. Анализ и выбор показателей эффективности, используемых для частотных присвоений.

1.3.1 Используемая напряженность поля.

1.3.2 Координационное расстояние.

1.3.3 Коэффициент взаимного влияния.

1.3.4 Коэффициент использования передатчика.

1.4. Анализ методов частотных присвоений в сетях радиовещания.

1.4.1 Линейные методы распределения каналов.

1.4.2 Метод триад.

1.4.3 Метод относительных расстояний.

1.4.4 Метод Хеада.

1.4.5. Универсальная модель однородной сети.

1.4.6 Использование теории графов для решения задачи распределения частотных присвоений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕРВОГО РАЗДЕЛА.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов обеспечения электромагнитной совместимости в сетях наземного телевизионного и звукового радиовещания на основе их оптимального планирования»

2.1. Объективная оценка защитного отношения.84

2.2 Построение математической модели.86

2.3. Определение спектра сигнала, излучаемого передатчиком.89

2.3.1. Функция несущей частоты.89

2.3.2. Спектр сигнала боковой полосы.91

2.3.3 Спектр сигнала звукового вещания.92

2.3.4. Ограничение полосы сигнала передачи.97

2.3.5 Учет влияния внеполосного излучения.98

2.3.6 Спектр сигнала AM ОБП на выходе передатчика.99

2.4 Частотная характеристика приемника.101

2.4.1 Функция селективности ФСС приемника.103

2.4.2 Восстановление предыскажений на приеме.104

2.4.3 Обработка сигнала псофометрическим фильтром.106

2.5 Расчет относительного защитного отношения.108

2.5.1 Исследование влияния внеполосного излучения передатчика. 110

2.5.2 Исследование влияния ширины полосы пропускания приемника. 112

2.5.3 Исследование влияния уровня подавления несущей.113

2.5.4. Определение относительной величины защитного отношения при передаче моносигнала.115

2.6 Определение минимально необходимой напряженности поля для планирования сети звукового радиовещания сАМОБП. 118

2.7 Определение величины защитного отношения при совпадающих несущих частотах полезного и мешающего передатчиков. 130

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВТОРОГО РАЗДЕЛА. 134

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ КО ВТОРОМУ РАЗДЕЛУ. 137

3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ЧАСТОТНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ РАДИОВЕЩАНИЯ. 140

Введение. 140

3.1 Новый подход к планированию сетей телевизионного и звукового радиовещания.141

3.1.1 Постановка задачи. 141

3.1.2 Анализ задачи. 146

3.1.3 Решение задачи. 148

3.1.4 Результаты машинных экспериментов распределения частотных присвоений в ТВ сети методом координационных колец. 151

3.2 Разработка эвристических алгоритмов назначения частотных каналов в сетях радиовещания. 153

3.2.1 Математическая модель задачи. 153

3.2.2 Разработка эвристических алгоритмов раскраски графов сетей радиовещания. 157

3.2.3 Разработка алгоритма частотных присвоений . 161

3.3 Определение оптимального шага сетки частот в сети звукового радиовещания.169

3.3.1 Определение частотно пространственных ограничений. 169

3.3.2 Исследование влияния технических параметров на величину оптимального шага сетки частот.174

3.4 Метод оптимизации единичных частотных присвоений в сетях звукового радиовещания.182

3.5 Определение числа частотных каналов для построения сети цифрового звукового радиовещания.187

3.5.1 Метод решения задачи.188

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ТРЕТЬЕГО РАЗДЕЛА.200

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ТРЕТЬЕМУ РАЗДЕЛУ.203

4. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СЕТЕЙ РАДИОВЕЩАНИЯ.209

Введение.209

4.1 Оптимизация параметров радиовещательной сети на основе ее машинной модели.211

4.1.1 Построение машинной модели однородной сети ТВ вещания .212

4.1.2 Система анализа машинной модели.216

4.2 Выбор оптимальных технических параметров радиовещательных станций.225

4.2.1 Постановка задачи.225

4.2.2 Градиентный метод оптимизации.230

4.2.3 Оптимизация высот подвеса антенн градиентным методом.233

4.3 Определение эффективности построения сетей радиовещания. 234

4.3.1 Показатели эффективности построения сети радиовещания . 234

4.3.2 Метод эквивалентных окружностей.238

4.3.3 Статистический метод.239

4.3.4 Метод цифровой оценки.241

4.4 Использование нерегулярной цифровой модели местности для планирования сетей радиовещания.244

4.5 Разработка математических моделей и алгоритмов расчета напряженности поля. 251

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЧЕТВЕРТОГО РАЗДЕЛА. 258

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ЧЕТВЕРТОМУ РАЗ ДЕЛУ. 261

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ СЕТЕЙ РАДИОВЕЩАНИЯ. 267

Введение. 267

5.1 Результаты экспериментального распределения частотных каналов в ТВ сети методом координационных колец. 267

5.1.1 Алгоритм распределения частотных каналов методом координационных колец. 267

5.1.2 Распределение частотных каналов в однородной сети регулярной структуры. 271

5.1.3 Распределение частотных каналов в действующей сети. 272

5.1.4 Расчет технико-экономической эффективности частотного плана фрагмента ТВ сети. 274

5.2 Исследование эвристических алгоритмов раскраски графов при планировании в группе ТВ станций. 277

5.2.1 Планирование сети однопрограммного ТВ вещания. 277

5.2.2 Планирование сети двухпрограммного ТВ вещания (однородная, регулярная сеть). 278

5.2.3 Планирование сети двухпрограммного ТВ вещания неоднородная структура сети). 280

5.2.4 Планирование сети трехпрограммного ТВ вещания однородная сеть). 283

5.2.5 Планирование сети трехпрограммного ТВ вещания неоднородная сеть). 285

5.3 Автоматизированная система планирования сетей телевизионного вещания. 289

5.3.1 Постановка задачи и исходные данные.289

5.3.2 Система управления базой данных (СУБД) передатчиков. 292 5.4 Алгоритм системы анализа ЭМС и оптимального частотного планирования.298

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПЯТОГО РАЗДЕЛА.313

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ПЯТОМУ РАЗДЕЛУ.316

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.319

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

ДИССЕРТАЦИИ.319

ПРИЛОЖЕНИЯ.330

ВВЕДЕНИЕ

Формулировка проблемы и ее актуальность. Многолетняя практика использования радиочастотного спектра показала целесообразность перспективного частотного планирования. Время от времени действующие частотные планы пересматриваются или составляются новые при введении нового диапазона частот. Например, в нашей стране в начале 80-х годов был пересмотрен частотный план сети телевизионного вещания, а в конце 80-х, в связи с переходом на стереофоническое радиовещание, пересматривался частотный план ОВЧ ЧМ сети.

Существующая практика планирования развития передающей сети радиовещания [1,2,3,5,6] , исходит из принципа поэтапного решения задачи. На первом этапе на основе анализа факторов политического, экономического, социального характера с учетом географии и особенностей местности определяются количество, месторасположения и размеры требуемых зон обслуживания планируемых радиовещательных станций, которые обеспечивают необходимый охват территории (или населения) ТВ и звуковым вещанием с заданным качеством и числом программ.

Далее выбираются основные параметры радиовещательных станций, которые обеспечивают требуемые размеры зон обслуживания. На последнем этапе решается задача частотного планирования, которая заключается в выборе частотных каналов, СНЧ и поляризации передающей антенны для каждой планируемой радиовещательной станции.

Каждый из указанных этапов задачи является по существу самостоятельной сложной и трудоемкой проблемой, эффективное решение которых возможно только при использовании формализованных процедуру ориентированных на применение ЭВМ. Такое решение первой проблемы предложено в [7,8]. В рамках данной работы предлагается рассмотреть решение второй проблемы т.е. обеспечения ЭМС передающей сети радиовещания путем оптимального частотного планирования и оптимизации технических параметров с учетом рельефа местности при условии, что результаты решения первой задачи известны и заданы как исходные данные.

Метод частотного планирования используется как средство решения проблемы ЭМС радиовещательных сетей и других систем радиосвязи, использующих совокупность территориально разнесенных радиопередающих средств. Как показывает анализ, в этом плане наиболее характерными являются два подхода к решению задачи. Ряд работ [9,10, 11,12,13] посвящен проблеме распределения частотных каналов в пределах их разрешенного множества на множестве передатчиков, цель которого является обеспечение минимального уровня помех данной совокупности передатчиков.

В других источниках [14,15,16,17,18] данная задача рассматривается с позиции минимизации используемого радиочастотного ресурса при обеспечении допустимого уровня помех. В [19] в рамках традиционного подхода минимизации ширины используемой полосы частот выделяется новый тип задачи присвоения минимального порядка. Порядком присвоения называется число частотных каналов реально использованных при решении задачи частотного планирования в пределах выделенной полосы частот. Таким образом, задача присвоения минимального порядка на множество планируемых радиопередающих средств отыскивает такое распределение частотных каналов, которое использует минимум каналов из множества возможных. Отмечается, что решение задачи в такой постановке действительно обеспечивает эффективное использование частотного ресурса для группы радиосредств, которым выделена ограниченная полоса частот, а возможность возникновения помех определяет для них совокупность частотно-пространственных ограничений. Данные ограничения требуют, чтобы передатчики, использующие некоторые комбинации частотных каналов были разнесены в пространстве на соответствующее этим комбинациям минимальное расстояние.

Существенное влияние на ЭМО в сети радиовещания оказывает среда распространения радиоволн, которая в диапазонах ОВЧ и УВЧ характеризуется рассеянием и отражением радиоволн в тропосфере и ионосфере, дифракцией на элементах рельефа местности.

В настоящее время существует необходимость в создании и использовании эффективных методов, учитывающих рельеф местности при расчете напряженности поля сигналов и помех, создаваемых передающими радиовещательными станциями. Широко используемый при планировании радиовещательных сетей метод МККР [20] являются приближенным. Так в [21] показано, что ошибка этого метода имеет нормальное распределение со стандартным отклонением 13,3 дБ.

Повышение точности расчетов напряженности поля возможно при учете рельефа местности путем создания в ЭВМ цифровой модели местности. В настоящее время известно несколько подходов к данной проблеме. В [22] рассматривались вопросы использования цифровой модели местности совместно с рекомендациями МККР, при этом средняя ошибка составила 10 дБ. В [23] предлагаются методы построения профилей трасс распространения на основе топографической информации. В [24] рассмотрен ряд требований к цифровой модели местности, проанализированы ошибки некоторых моделей, использующих геометрическую теорию дифракции и цифровую модель местности. Здесь также отмечается, что наибольшее распространение получила матричная форма представления рельефа с шагом прямоугольной сетки 100,250 и 500 м. Однако, такая форма представления требует больших затрат при вводе, хранении и обработке топографической информации в ЭВМ.

Учитывая конечную точность построений изолиний на топографических картах различного масштаба, а также и конечную точность определения напряженности поля по различным методикам имеет смысл определить приемлемую точность построения профиля трассы распространения и необходимый при этом шаг сетки для снятия высотных отметок с топографической карты.

В [25,26,27] отмечается, что задачи частотного планирования моделируются в основном как задачи оптимизации в следующей постановке. Для заданной совокупности радиопередающих средств, которым необходимо присвоить частотный канал, найти присвоение, удовлетворяющее различным ограничениям и минимизирующее заданную целевую функцию, которая характеризует качество работы данной группы радиосредств с учетом их ЭМС.

Наиболее широко известны методы частотного планирования передающей сети радиовещания, основанные на применении модели с регулярным расположением передающих станций и регулярным распределением каналов. Данный подход во всех его модификациях [3,14,28,29,30] предполагает, что все радиовещательные станции идентичны с точки зрения их параметров, каждая передающая станция находится в узле безграничной, регулярной треугольной сетки и другие размещения не допускаются, все они в равных условиях по количеству и уровню помех, одно и то же множество частотных каналов регулярно используется по всей решетке. В [14] указывается, что такие допущения позволяют эффективно использовать данные методы при разработке частотных планов при условии, что практически отсутствует действующая сеть и её ограничениями на использование каналов с точки зрения ЭМС можно пренебречь. Идеализация важнейших факторов ограничивает в настоящее время применение регулярных решеток для реального частотного планирования, но в тоже время, в силу простоты модели они остаются довольно эффективным инструментом при решении теоретических задач различной направленности [3,30,31,32].

Трудности, связанные с использованием регулярных решеток, потребовали разработки иных подходов, которые учитывают реальные условия решения задачи. В [9] для заданной совокупности ТВ станций решается задача определения частотного канала , СИИ и поляризации передающей антенны, которые обеспечивают минимальный уровень помех для каждой из них от действующих и тех планируемых ТВ станций, которым частотное присвоение осуществлено ранее. Критерием оптимальности является максимальный размер зоны обслуживания планируемой станции. Решение осуществляется методом полного перебора всех возможных вариантов. Выбор искомых параметров происходит последовательно для каждой ТВ станции, причем принцип их очередности не формализуется. Развитие такого подхода к планированию радиовещательной сети предлагается в [33], где вводится дополнительное условие допустимости решения путем ограничения на помехи действующим станциям со стороны планируемых. Предлагается также упорядочивать множество планируемых передающих станций по уменьшению мощности передатчика.

Общим недостатком в обоих решениях является игнорирование при частотном присвоении очередной радиовещательной станции других планируемых, которым частотный канал еще не присвоен. Данное обстоятельство приводит к неоптимальному решению задачи с точки зрения группы передающих станций в целом.

В ряде работ по проблеме назначения частотных каналов указанный фактор учитывают путем применения определенных правил для упорядочения множества радиопередающих средств перед процессом выбора искомых параметров [10, 11, 12, 13, 15, 16, 17, 34]. При этом реализуется принцип "худшему передатчику частотный канал присваивается в первую очередь". Это означает, что приоритет отдается той радиопередающей станции, которая находится в более сложных, с точки зрения ЭМС с другими радиосредствами, условиях.

В некоторых работах [14, 18, 27, 36,] задачу решают такими присвоениями, которые минимизируют используемое число частотных каналов и обеспечивают допустимый уровень помех в сети. В [27] развивается теория, обосновывающая связь задачи частотного планирования радиовещательной сети с известной задачей минимальной раскраски графа, что позволяет использовать методы ее решения при назначении частотных каналов с целью минимизации их числа. Отмечается, что задача минимальной раскраски графа относится к классу ЫР-трудных, и вряд ли существует решение, реализующее оптимальную раскраску за число шагов, полиномиально зависящее от числа вершин. Поэтому предлагается использовать методы, дающие за реальное время приближенное к оптимальному решение.

В [14,18] сеть радиовещания моделируется в виде графа, множество вершин которого однозначно соответствует множеству передающих станций. Ребрами соединяются те вершины, соответствующие станции которых могут создавать в зонах обслуживания друг друга недопустимые помехи. Множество выделенных для назначения частотных каналов представляется в виде совокупности цветов. Метод заключается в том, что на основе расчета потенциальных конфликтов с точки зрения ЭМС формируется граф радиовещательной сети, например, в виде матрицы смежности, а затем, используя тот или иной алгоритм раскраски, данный граф квазиоптимально раскрашивается.

В [14] предлагается использовать приближенный алгоритм, который основан на упорядочении множества цветов по возрастанию их номеров и окрашивании последовательно в каждый цвет множества вершин, упорядоченных по мере убывания их степеней. Наличие уже раскрашенных вершин предлагается рассматривать с точки зрения дополнительных ограничений на использование в процессе раскраски определенных цветов. Таким образом, проблема частотного планирования передающей сети вещания может быть решена путем использования процедур минимального окрашивания вершин графа.

Из проведенного анализа, однако следует, что предлагаемые решения не позволяют получить оптимальный результат по следующим причинам. Общим недостатком в известных решениях является игнорирование при частотном присвоении очередной станции других планируемых, которым частотный канал еще не присвоен. Данное обстоятельство приводит к неоптимальному решению задачи с точки зрения группы радиовещательных станций и сети в целом.

Практически отсутствуют показатели эффективности как для отдельных радиовещательных станций так и для сети в целом, что не позволяет решать проблему оптимизации технических параметров и частотных планов. Кроме того приближенные алгоритмы раскрашивания графа разработаны в основном для подвижной радиосвязи. А так как граф сети радиовещания имеет специфическую структуру, то решения предложенные для других радиослужб в общем не приемлемы для рассматриваемой проблемы. Помимо этого, отсутствуют исследования по применению таких эффективных способов улучшения электромагнитной совместимости в сетях радиовещания, как использование оптимального шага сетки частот и систем вещания, эффективно использующих выделенный диапазон частот. Отсутствуют и исследования, посвященные влиянию рельефа местности на эффективность использования технических параметров радиовещательных станций и выделенного частотного ресурса.

Об актуальности рассматриваемой проблемы говорит тот факт, что в исследовательских программах ITU - R [20] вопрос 43/11 (том XI - часть 1), вопросы 46/10 и 46L/10 (том X - часть 1) указывается, что важнейшей целью планирования является улучшение использования радиочастотного спектра и что должны быть проведены исследования по разработке технических основ планирования, которые приведут к наиболее эффективному использованию выделенной полосы частот.

Для учета реального рельефа местности при расчете напряженностей полей сигналов и помех необходима разработка уточненной методики расчета, имеющей более высокую точность определения напряженности поля. Эту методику целесообразно использовать при расчете зоны обслуживания передающей станции.

Для расчета напряженности полей помех целесообразно, по видимому, использовать другую, по сравнению о предыдущим случаем, методику, которая может быть применена для задач частотного планирования сетей с учетом рельефа местности.

При наличии цифровой модели местности целесообразна разработка способов представления и оценки качества обслуживания и охвата территории и населения эфирным радиовещанием. К данным способам можно отнести рельефные карты распределения напряженности полей сигналов и помех, определение областей обслуживаемых неэффективно (зоны тени, зоны перекрытия по одной и той же программе).

Цифровая модель местности позволит также исследовать методы оптимизации местоположения передающей станции и ее технических параметров (излучаемой мощности, высоты подвеса и диаграммы направленности передающей антенны). При этом можно также провести исследование тонкой структуры поля сигнала передающей станции при помощи компьютерного моделирования с учетом векторного характера электромагнитных волн и комплексного характера коэффициента отражения от неоднородностей поверхности.

Цель работы и задачи исследований. Целью настоящей работы является исследование методов обеспечения электромагнитной совместимости в сетях наземного телевизионного и звукового радиовещания на основе оптимального планирования частотных присвоений и технических параметров радиовещательных станций.

Поставленная цель исследований требует решения следующих задач:

1 .Разработка показателей эффективности использования технических параметров радиовещательных станций и частотных присвоений в сетях радиовещания;

2. Разработка математической модели, определение системных показателей для систем наземного звукового радиовещания экономичных по использованию выделенной полосы частот;

3. Разработка методики и ее математической модели для определения сетевых параметров (минимальной напряженности поля, защитного отношения) различных систем радиовещания;

4. Разработка теории и исследование новых методов оптимизации частотных планов, шага сетки частот в однородных и реальных сетях наземного телевизионного и звукового радиовещания с учетом рельефа местности;

5. Разработка и исследование методов оптимизации технических параметров (излучаемой мощности, высоты подвеса антенны) радиотелевизионных передающих станций;

6. Разработка алгоритмов и программного обеспечения автоматизированной системы оптимального частотного планирования (синтеза) и анализа электромагнитной обстановки в сетях наземного телевизионного и звукового радиовещания.

Методы исследования. Решение поставленных задач производилось с использованием математического аппарата теории статистической радиотехники, теории графов, математического моделирования, а так же методов вычислительной математики и статистического моделирования. Для подтверждения полученных теоретических результатов выполнены экспериментальные исследования с использованием ЭВМ.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в разработке теории оптимального планирования реальных сетей ТВ и звукового радиовещания на основе метода координационных колец и состоит в следующем:

1 .Разработаны новые показатели эффективности оптимизации частотных планов (коэффициент взаимного влияния) и оценки эффективности построения и планирования сетей радиовещания (эквивалентных окружностей, статистический и матричный). Коэффициент взаимного влияния позволяет более точно, чем существующие показатели эффективности, определять взаимные помехи особенно в неоднородных и реальных сетях. Новые показатели эффективности (эквивалентных окружностей, статистический и матричный) позволяют оценить эффективность построения действующей сети, сравнить эффективность вновь разработанных планов сетей;

2. Предложено использовать в диапазоне ОВЧ систему звукового радиовещания с АМ ОБП. Для этой системы разработана математическая модель, определены параметры необходимые для планирования сети с этой системой вещания. Показано, что предлагаемая система по сравнению с существующей системой вещания с ЧМ обладает в несколько раз большей спектральной эффективностью при сравнимых качественных показателях;

3. Разработаны и исследованы новые методы оптимизации частотных планов (метод координационных колец), шага сетки частот в однородных и реальных сетях наземного телевизионного и звукового радиовещания с учетом рельефа местности. Метод координационных колец основан на задаче о раскраске вершин графа и использует в качестве показатели эффективности оценки уровня взаимных помех коэффициент взаимного влияния. Новая методика определения оптимального шага сетки частот (минимального разноса по частоте передатчиков, работающих в соседних частотных каналах) основана на предложенных автором универсальной модели однородной сети, методе координационных колец и новой методике с использованием частично упорядоченных множеств и диаграмм Хасса раскраски вершин графа, дающей возможность получать оценки хроматического числа;

4. Разработаны и исследованы методы оптимизации технических параметров (излучаемой мощности, высоты подвеса антенны) радиотелевизионных передающих станций в однородных регулярных и реальных сетях телевизионного и звукового радиовещания. Метод оптимизации технических параметров однородной регулярной сети основан на предложенной универсальной модели такой сети. Для оптимизации технических параметров в реальных сетях разработана методика на основе градиентного метода.

Практическое значение диссертационной работы состоит в том, что теоретические и экспериментальные исследования легли в основу принципов создания автоматизированной системы оптимизации частотных планов и технических параметров наземных сетей телевизионного и звукового радиовещания.

1. На основе анализа действующей сети по разработанным в диссертации показателям получена ее низкая эффективность по сравнению с однородной сетью и даны рекомендации по улучшению ее эффективности.

2. Анализ разработанного, с использованием предложенного в диссертации метода координационных колец, частотного плана фрагмента телевизионной сети показал его высокую эффективность и позволил выработать рекомендации о необходимости оптимизации существующего частотного плана.

3. Разработанные в диссертации методы оптимизации частотных планов легли в основу разработанной в соответствии с приказом Министра связи СССР № 041 от 26.07.85 г. автоматизированной системы учета и назначения частот радиовещательным ОВЧ ЧМ станциям, которая сдана в промышленную эксплуатацию на ГВЦ МС СССР.

4. Разработанная методика позволила определить минимально необходимое количество каналов в сети регулярной структуры при использовании цифрового звукового радиовещания в диапазоне ОВЧ. Анализ результатов, полученных при реализации предложенной модели на ЭВМ показал, что для построения сети ЦРВ, минимально необходимое число частотных каналов равно семи, т.е. построить одночастотную сеть ЦРВ, как предлагали многие авторы, не представляется возможным.

5. В результате исследований, проведенных с использованием разработанной методики определения оптимального шага сетки частот (использующей предложенные автором универсальную модель регулярной сети и метод координационных колец) в сети звукового радиовещания показано, что оптимальный шаг сетки в диапазоне частот: 66 - 74 МГц составляет 20 кГц (используется 30 кГц); 100 - 108 МГц составляет 100 кГц (используется 100 кГц), т.е. для увеличения спектральной эффективности сети в диапазоне 66 - 74 МГц необходимо изменить шаг сетки частот.

Реализация результатов работы. Теоретические и экспериментальные исследования легли в основу принципов создания автоматизированной системы оптимизации частотных планов и технических параметров наземных сетей телевизионного и звукового радиовещания. Диссертационная работа выполнена на базе плановых хоздоговорных и госбюджетных НИР и НИР по договорам о содружестве с предприятиями связи.

Под научным руководством диссертанта в отраслевой научно-исследовательской лаборатории «Систем автоматизированного проектирования сетей телевизионного и звукового радиовещания» кафедры систем радиосвязи Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики выполнены работы по:

- координации частотных планов станций ОВЧ ЧМ радиовещания в полосе частот 100 - 108 МГц между делегациями Администраций связи СССР и МНР;

- оптимизации частотного плана сети ОВЧ ЧМ вещания в диапазоне 100 -108 МГц для подготовки проекта «Национального плана распределения частот для СССР» и «Перспективного плана распределения частот для стран членов ОСС»;

- составлению частотного плана ТВ сети для выделенного региона и оптимизации частотного плана сети ОВЧ ЧМ вещания в диапазоне 100- 108 МГц с экономическим эффектом от внедрения;

- оптимизации частотных присвоений в сетях ТВ и ОВЧ ЧМ вещания, что позволило провести их координацию с администрациями связи сопредельных с СССР стран;

- разработке по приказу Министра связи СССР № 041 от 26.07.85 г. автоматизированной системы учета и назначения частот радиовещательным ОВЧ ЧМ станциям и сдаче ее в промышленную эксплуатацию на ГВЦ МС СССР;

- разработке частотных планов развития сетей телевизионного вещания Новосибирской, Кемеровской и Читинской областей.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики в курсах:

Системы радиосвязи и телевизионного вещания»;

Основы радиосвязи»;

Теория электромагнитной совместимости», по ним поставлен цикл лабораторно-практических занятий с использованием ЭВМ.

Часть результатов диссертационной работы нашла отражение в:

- учебнике Калашников Н.И., Дороднов И.Л., Крупицкий Э.И., Носов В.И. Системы радиосвязи. / Под ред. Калашникова Н.И. Учебник для ВУЗов связи. - М.: Радио и связь, 1988. - 352 с.;

- учебном пособии Буга H.H., Конторович В.Я., Носов В.И. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Радио и связь, 1993. - 242 с.;

- учебном пособии Носов В.И., Воинцев Г.А. Сети наземного телевизионного вещания. Учебное пособие. - Новосибирск.: НЭИС, 1991. -48 с.;

- учебном пособии Носов В.И., Мамчев Г.В. Спутниковое телевизионное вещание. Учебное пособие. - Новосибирск.: НЭИС, 1993. - 82 с.

Отдельные теоретические вопросы, относящиеся к проблематике данной диссертационной работы, под руководством автора продолжают детально разрабатываться соискателями и аспирантами СибГУТИ.

Практическое использование основных результатов диссертации подтверждено актами внедрения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на двух международных, 28 Всесоюзных и республиканских, 12 региональных научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах.

Публикации. По теме диссертации опубликована 71 работа, в том числе один учебник, три учебных пособия, 17 статей. Результаты исследований изложены в отчетах по научно-исследовательским работам отраслевой научно-исследовательской лаборатории «Систем автоматизированного проектирования сетей телевизионного и звукового радиовещания».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений. Материал работы изложен на 361 страницах машинописного текста, включая 86 иллюстраций и 41 таблицу. Список литературы по каждому разделу приводится отдельно. Всего библиография содержит 132 наименования. В приложениях приведены документы о внедрении и использовании результатов исследований.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Носов, Владимир Иванович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕРВОГО РАЗДЕЛА

1. Проанализированы технические основы планирования сетей радиовещания и выбраны основные исходные соотношения, необходимые для проведения дальнейших исследований.

2. Проанализированы показатели эффективности оптимизации частотных присвоений в передающих радиовещательных сетях. Даны определения показателей эффективности, представлена методика расчета и предложены возможные области их применения.

3. Для оптимизации частотных присвоений предложены новые показатели эффективности - коэффициент взаимного влияния (КВВ), коэффициент использования передатчика, коэффициент затрат на радиовещательную сеть. Показано, что КВВ является более точным показателем, чем существующие минимальная напряженность поля и координационное расстояние.

4. Анализ всех показателей оптимизации частотных присвоений позволил придти к следующему выводу: чтобы выбрать тот или иной показатель, необходимо правильно оценить обстановку (каким передатчикам присваиваются частоты - с одинаковыми параметрами или нет), задаться точностью, с которой нужно определить оптимальность присваиваемого канала, учитывая имеющиеся ресурсы машинного времени, и времени за которое нужно спланировать сеть.

5. Анализ существующих методов распределения каналов в однородных сетях показал, что общим для всех рассмотренных методов является линейное распределение местоположения передатчиков и номеров частотных каналов. Использование существующих методов распределения каналов в однородных сетях весьма затруднительно для синтеза таких сетей на ЭВМ.

6. Для синтеза на ЭВМ модели однородной сети радиовещания необходимо определить расположение передатчиков, работающих в совмещенных каналах, поэтому предлагается использовать простую универсальную модель однородной сети. В этой модели сети передающие станции, помещенные в центры шестиугольников с одинаковыми номерами, образуют ромбы совмещенных каналов. Поскольку расстояние между передатчиками, работающими в совмещенных каналах одинаково, его нетрудно определить из геометрии сети.

Таким образом, в предложенной универсальной модели однородной сети ее относительный модуль Го однозначно определяет количество необходимых частотных каналов.

7. Использование рассмотренных методов частотного планирования в регулярной однородной сети полезно при моделировании сети радиовещания и оценке влияния её технических параметров, расстояния между станциями на число используемых частотных каналов и технико экономические показатели.

Ограниченность применения линейных методов частотного планирования заключается в идеализации территориального размещения станций, условий распространения и в однородности технических параметров станций.

8. Введено понятие дисковости геометрического графа сети радиовещания и предложено учитывать это свойство при распределении каналов с использованием задачи о раскраске графа.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Носов, Владимир Иванович, 1998 год

1.Регламент радиосвязи. М.: Радио и связь, 1985. - Т. 1. - 509 с.

2. Сети телевизионного и звукового ОВЧ 4M вещания: Справоч-ник/М.Г. Локшин, A.A. Шур, A.B. Кокорев. М.: Радио и связь, 1988. - 144 с.

3. Варбанский A.M. Передающие телевизионные станции. М.: Радио и связь, 1980.-328 с.

4. Рекомендация 370 4. - Женева.: МККР, 1986. - т. V.

5. Носов В.И., Кокорев A.B., Ахтырский В.Н., Воинцев Г.А. Использование ЭВМ для расчета числа частотных каналов сети ТВ вещания // Электросвязь. 1985. -№ 7. - С. 43-46.

6. Буга H.H., Конторович В.Я., Носов В.И. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Радио и связь, 1993.-242 с.

7. Носов В.И., Кокорев A.B., Ахтырский В.Н., Воинцев Г.А. Оптимизация параметров телевизионной сети. // Радио и телевидение ОИРТ. 1986. - № 3. С. 36-40.

8. Носов В.И., Фадеева Н.Е., Минеева Т.В., Ахтырский В.Н. Новый подход к планированию сети телевизионного и звукового вещания. // Электросвязь. -1989.-№ 9. -С. 18-21.

9. Носов В.И., Дикусар Ю.Г., Каганский A.M. Определение эффективности построения сети радиовещания. // ТУИС. 1989. - вып. 5. - С. 18 - 25.

10. Арно Ж.Ф. Планирование частот для радиовещательных служб в Европе // ТИИЭР. 1980. - Т. 68. - № 12. - С. 77 - 85.

11. Eden Н., Fastert H.W. Methods for planning of television networks on the basis of absolute minimum spacings. Technical Centre of EBU, Document Tech. 3080-E.- 1960.-P. 9-287

12. Eden H., Fastert H.W. Neuere Methoden und Ergebnisse der Fernsen -Netzplanung // Rundfunktechnische Mitteilungen-1960. V. IV. - № 2. - P.41 - 47.

13. Head J. W. Zur Gestaltung optimaler Sendernetze aus gleichartigen Elementardreicken. // Rundfimktechnische Mitteilungen. 1969. - V. IV. - № 4. -P. 170-174.

14. Fenton A. The sum of log normal probability distribution. IRE Trans. Com. Syst. - 1960. - V. VIII. - № 1. - P. 28 - 35.

15. Eden H. Ein Verfahren zum Entwurf optimaler Sendernetze in den Bander IV und V. // Rundfunktechnische Mitteilungen. 1958. - V. IV. - № 4. -P. 187- 196.

16. Кристофидес H. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978.-432 с.

17. Хэйл У.К. Присвоение частот: Теория и приложения //ТИИЭР. -1980. Т. 68. - № 12. - С. 55-76.

18. Hunt К.Т. Planing synthesis for VHF/FM broadcasting // EBU Review Techniczl. -1984. V. 207. - P. 195-200.

19. Struzak R.G. Optimum frequency planing: a new concept // Telecommunication Journal. 1982. V. 49. № 1. - P. 29-36.

20. Carmass F., Tomat L. A theory of frequency assignment in broadcast network planing // EBU Review Technical. 1983. - V. 198. - P. 72-81.

21. Носов В.И., Воинцев Г.А. Сети наземного телевизионного вещания. Учебное пособие. Новосибирск.: НЭИС, 1991. - 48 с.

22. Носов В.И., Мамчев Г.В. Спутниковое телевизионное вещание. Учебное пособие. Новосибирск.: НЭИС, 1993. - 82 с.

23. Носов В.И., Фадеева Н.Е., Минеева Т.В., Ахтырский В.Н. Новый метод планирования сетей радиовещания. // ВИНИТИ, депонированная рукопись. 1987.-№9.-28 с.

24. Носов В.И., Воинцев Г.А., Кокорев A.B. Определение числа частотных каналов для построения сети цифрового радиовещания. // Электросвязь. — 1989.-№ 1.-С. 16-19.

25. Носов В.И., Конашук А.Н. Определение параметров аппаратуры для оптимизации сетей радиовещания и подвижных сетей. / Международная НТК, Новосибирск, 1998 г. С. 66.

26. Носов В.И., Дикусар Ю.Г., Воинцев Г.А. Методы расчета показателей эффективности передающих сетей телевизионного и радиовещания. / Всесоюзная НТК ЦП НТОРЭС, СОАН СССР, Новосибирск, 1985 г. С. 30 - 31.

27. Носов В.И., Дикусар Ю.Г. Расчет системных показателей сети цифрового радиовещания в диапазоне 100.108 МГц. / Всесоюзная НТК ЦП НТОРЭС, Новосибирск, 1987 г. С. 116.

28. Носов В.И., Воинцев Г.А., Немировский Ю.Л. К вопросу оптимизации технических параметров многопрограммной сети ТВ вещания. / НТК МЭ-ИС, 1984 г.-С. 44.

29. Носов В.И., Кокорев A.B., Краснощеков P.A. Методы планирования сетей ТВ и ОВЧ 4M вещания. / НТК НТОРЭС, Новосибирск, 1986 г. С. 97.

30. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЕТЕВЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ ЗВУКОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ С АМ ОБП В ДИАПАЗОНЕ ОВЧ1. Введение

31. В этом разделе развиваются положения изложенные автором в работах 2.11,2.16,"2.17,2.22-2.33.

32. Объективная оценка защитного отношения

33. При Бнес соответствующей частоте канала приема измеряется уровень полезного сигнала. Затем при Рнес смещенной на ДБ относительно канала приема1. ПЕРЕД. СИГНАЛ А1. ПРИНИМ. СИГНАЛ1. ПСОФОМ. ФИЛЬТР1. ИЗМЕРИТ.мощн.1. Fuec

34. Аз = Arel + АзО, дБ, (2.1)где А3 защитное отношение на входе приемника, которое должно быть обеспечено для требуемого качества передачи при заданной расстройке, выраженное в дБ;

35. А зо. отношение взвешенных мощностей сигнал/помеха на входе приемника при ДБ = 0 соответствующее допустимому качеству приема, выраженное в дБ.

36. Построение математической модели.

37. Чтобы рассчитать защитное отношение, математической моделью имитируют физический процесс, на котором основан метод объективного измерения.

38. Предположим, что передатчик имеет на своем выходе сигнал передачи с некоторым энергетическим спектром Р3 (рис.2.2). Спектр сигнала расположен по одну сторону от несущей в случае, когда используется ОБП.1. Спектр амплитуд

39. Рис. 2.2. Вид спектрального распределения амплитуд сигнала передатчика и частотной характеристики приемника.

40. Мощность сигнала, для которого известна характеристика спектрального распределения плотности амплитуд, может быть получена такоор8 = ¡?32т2.2)- 00

41. Согласно определению из ( 2.2 2.4 ) получаем

42. Аге1(АР) = 1 ОЛоё ( Р3(АР) / Рп ), дБ (2.5)

43. P,(AF)= —У Р.(ВЛ -i-AF)2 • Fr(Вeff -i)2 -Beff2.6)

44. Определение спектра сигнала, излучаемого передатчиком.

45. В общем виде спектр излучения состоит из нескольких компонент, определяющих его спектральный составгде So(f) функция несущей частоты;

46. FBH(f) функция, описывающая внеполосное излучение передатчика.23.1. Функция несущей частоты

47. Fs(f) = S0(f) + S6n(f)-am + FBH(f),2.7)стве каналов передаваемых с одного пункта, а второй случай имеет более простую реализацию.

48. Рис. 2.3 Схема выделения сигнала КСС на приеме при модуляции с ОБП.

49. Таким образом функция, описывающая остаток несущей, может быть записана следующим образом:(2.8)где Т степень подавления уровня несущей частоты.

50. Спектральная плотность амплитуд ▲2.1. рассчитанная по (2.8)1.\ ^ 2. полученная при численноминтегрировании. ---^1. Рис.2.4. Функция несущей.

51. Спектр сигнала боковой полосы можно получить, зная спектр комплексного стереосигнала и АЧХ выходного фильтра передатчика8бп© = вжмЮ Х-Рп(0 , (2.9)где 8КСС(1} спектр комплексного стереосигнала; Рп(0 - АЧХ выходного фильтра передатчика.

52. Рис. 2.5. Структурная схема формирования комплексного стереосигнала 8КСС.23.3 Спектр сигнала звукового вещания