Расчет электромагнитной совместимости стандартов DVB-T2 и LTE

Требования ЭМС по обеспечению желаемого качества приема определяются значениями используемого защитного отношения сигнал/помеха и процентов времени и мест, в течение которого это защитное отношение должно обеспечиваться с учетом условий приема:

Ес - Епом > Лз,

где Л_з , дБ - требуемое защитное отношение сигнала к помехе на границе зоны обслуживания, представляющее собой минимальное значение отношения полезного сигнала к мешающему сигналу на входе приемника;

E-min , дБ — минимальная напряженность поля сигнала на входе приемника, при которой обеспечивается требуемое качество изображения, при отсутствии помех от других станций;

Е_с , дБ - напряженность поля сигнала и помехи в рассматриваемой точке.

По мере удаленности от пункта вещания значение напряженности поля Ес изменяется по случайному закону. Поэтому при расчетах используется усредненное по местоположению L и времени T значение напряженности поля E(L,T), т. е. Е(50,50), которое обеспечивается в 50% мест и в 50% времени при условии соблюдения определенных стандартных условий, действительных для выбранной модели распространения. Ес в любой точке зоны покрытия рассчитывают по формуле:

Ес = Е(50,50) + Рс, где Е(50,50) - напряженность поля для 50 % мест и 50 % времени, определяемая в расчетной точке для высоты приемной антенны 10 м и условиях приема на открытой местности при эффективной излучаемой мощности равной 1 кВт;

Рс  - эффективная излучаемая мощность полезной станции, вычисляемая по формуле:

Рс   Рпер + ^пер   Пф [дБ],

где. Р_пер - мощность передатчика, дБ;

£пер - коэффициент усиления передающей антенны относительно симметричного полуволнового вибратора, дБд.

η – коэффициент потерь в фидере приемной антенны, дБ.

При расчетах на практике, необходимо определиться с основными техническими параметрами РЭС.

Характеристика	LTE	DVB-T2
Полоса частот, МГц	Передача 791-801 МГц Прием 832-842 МГц	Передача 42 ТВК (638-646) МГц
Мощность базовой станции, Вт	40 Вт	1000 Вт
Коэффициент усиления антенны базовой станции, дБ	20 дБ	8 дБ
Ширина полосы канала, МГц	10 МГц	8 МГц
Высота базовой станции, м	10 м	25 м
Потери в антенно-фидерном тракте, дБ	2 дБ	3 дБ
Среда распространения радиоволн	Город	Город

В данной статье в качестве модели распространения радиоволн выбрана рекомендация ITU–R Р.1546.5, которая позволяет определить значения напряженности поля при помощи кривых распространения радиоволн. Кривые, представленные в рекомендации, отражают функциональную зависимость напряженности поля от дальности связи при определенных параметрах радиосетей.

Модель описывает процесс распространения (затухания) радиоволн для РЭС наземных служб связи, использующих диапазон 30 МГц ÷ 3000 МГц. Кривые распространения построены для мощности передатчика 1 кВт при использовании полуволнового вибратора в качестве антенны.

Кривые распространения представляют зависимость значения напряженности поля Е от:

/ - частоты, на которой работает передатчик, МГц. В рекомендации ITU–R Р.1546 приведены семейства кривых распространения радиоволн для частот 100, 600, 2000 МГц.;

L - процента мест, для всех кривых, представленных в ITU-R Р.1546 L = 50%

Т - процента времени. Кривые распространения в рекомендации ITU-R P.1546 представляют значения напряженности поля, превышаемые в течении 50%, 10% и 1% времени.;

h 1 - эффективной высоты подвеса передающей антенны, кривые распространения построены. Кривые приведены для разных высот передающей антенны при высоте приемной антенны 10 м.;

Получим поэтапную процедуру получения значени напряженности поля в зависимости от расстояния по кривым распространения радиоволн. В случае если необходимые значения одного из параметров не отображены в кривых, производится процедура интерполяции.

Рассмотрим минимальный перечень входных параметров, при помощи которых можно получить значения зависимостей напряженности из кривых.

Следует учитывать, что существуют предельные значения данных параметров, в пределах которых кривые будут являться достоверными.

Параметр	Определение	Пределы
/ , МГц	Рабочая частота	30–3 000 МГц
d, км	Горизонтальная длина трассы	Не более 1 000 км
Т, %	Процент времени, для которого рассчитывается напряженность	1–50%
h 1 , м	Высота передающей/базовой антенны, как показано на кривых	Суша – нижний предел не ограничен, верхний предел – 3 000 м; море – нижний предел не менее 1 м, верхний предел – 3 000 м
ha, м	Высота передающей антенны над уровнем земли	Более 1 м
hb, м	Высота базовой антенны над высотой рельефа местности, усредненная для расстояний в диапазоне 0,2d-d км, где d не превышает 15 км и где имеются данные о рельефе местности	Пределов нет – однако следует иметь в виду, что этот параметр существует только для сухопутных трасс, где d <  15 км
R 1 , м	Репрезентативная высота местных препятствий (вокруг места расположения передатчика)	Пределов нет
R 2 , м	Репрезентативная высота местных препятствий (вокруг места расположения приемника)	Пределов нет
BtC a , град.	Угол просвета местности	от 0,55° до 40°

• 1)    Изначально определяется тип трассы, по которой осуществляется распространение радиосигналов из следующих вариантов:

• a)    сухопутная;

• b)  морская «теплая»;

• c)  морская «холодная».

В том случае, когда не удается однозначно определить тип трассы (трасса является смешанной), необходимо определить два типа трассы, которые будут расцениваться как первичный и вторичный тип распространения. Когда трассу можно определить к какому-то определенному типу, то считают, что на данной трассе имеет место только один (первичный) тип распространения, и пункт 11, который содержит формулы для расчета напряженности для смешанных трасс пропускается.

• 2)    Для любого заданного процента времени в диапазоне от 1% до 50% следующим образом определяются пара номинальных процентов времени для нахождения промежуточного значения путем процедуры интерполяции:

• a)    когда заданный процент времени больше 1, но меньше 10, то нижний и верхний номинальные проценты приравниваются к 1 и 10 соответственно;

• b)    когда заданный процент времени больше 10, но меньше 50 то нижний и верхний номинальные проценты приравниваются к 10 и 50 соответственно;

• 3)    Для любой заданной частоты в диапазоне от 30 МГц до 3000 МГц определяются пара номинальных частот для нахождения промежуточного значения путем процедуры интерполяции:

• a)    когда требуемая частота меньше 600 МГц, то нижняя и верхняя номинальные частоты приравниваются к 100 МГц и 600 МГц соответственно;

• b)    когда требуемая частота больше 600 МГц, то нижняя и верхняя номинальные частоты приравниваются к 600 МГц и 2000 МГц соответственно;

• 4)    По таблице 1 определяется нижнее и верхнее номинальные значения расстояния, наиболее близкие к требуемому расстоянию.

Таблица 1

1	2	3	4	5	6	7
8	9	10	20	30	40	50
60	70	80	90	100	200	300
400	500	600	700	800	900	1000

• 5)    Если в пункте 1 тип распространения был определен как первый, до далее необходимо выполнить пункты 6–11.

• 6)    Если нижний номинальный процент времени отличается от предложенных в пункте 2, то необходимо выполнить пункты 7–10.

• 7)    Если нижняя номинальная частота отличается от предложенных в пункте 3, то необходимо выполнить пункты 8–9.

• 8)    Определяется напряженность поля, которая превышается в 50% мест, для приемной/мобильной антенны на высоте R2, представляющей высоту точки над землей, для требуемого расстояния и высоты передающей/базовой антенны h 1 , значение которой равно или превышает 10 м:

  • 8.1.    Необходимо определить нижнее и верхнее номинальные значения высоты Н 1 . Если К 1 совпадает с одним из номинальных значений, отображенной в кривых распространения: 10; 20; 37,5; 75; 150; 300; 600 или 1200 м, то оно расценивается как нижнее номинальное значением для h 1 , то процедура интерполяции в пункте 8.6 для данного случая не требуется.

  • 8.2.    Для нижнего номинального значения высоты h 1 необходимо выполнить пункты с 8.3 по 8.5.

  • 8.3.    Для нижнего номинального значения расстояния d необходимо выполнить пункт 8.4.

  • 8.4.    Необходимо определить напряженность, которая превышается в 50% мест, для приемной/подвижной антенны на высоте R2, для требуемых значений расстояния, d , и высоты передающей/базовой антенны, К 1 .

  • 8.5.    Если заданное расстояние не совпадает с нижним номинальным значением расстояния, то необходимо повторить пункт 8.4 для верхнего номинального значения расстояния и провести интерполяцию этих двух значений напряженности поля по необходимому расстоянию.

При необходимости напряженность поля Е_тах должна быть ограничена максимальным значением, которое можно вычислить следующим образом для сухопутных трасс:

^Етах   ^Efs ^[дБ] ,

Для морских трасс соответственно:

Етах = Efs + Ese [дБ],

где E^s - напряженность поля в свободном пространстве для эффективной излучающей мощности 1 кВт, определяемая как:

Efs = 106,9 - 20 log(d) [дБ],

E_se - усиление, которое должно быть учтено для кривых морских трасс и определяемое как:

E_S e = 2,38{1 - exp(- d/8,94)} • log(50/t) [дБ], где d - расстояние в км; t - заданный процент времени.

Необходимо стараться избегать того, чтобы в принципе любая поправка, повышающая напряженность поля, способствовала получению значений, превышающих пределы для рассматриваемого семейства кривых.

• 8.6.    Если заданная высота передающей/базовой антенны h 1 не совпадает ни с одним из номинальных значений, то необходимо повторить пункты с 8.3 по 8.5 и провести интерполяцию напряженности поля для h 1 .

• 9)    Если заданная частота не совпадает с нижней номинальной частотой, необходимо повторить пункт 8 для верхней номинальной частоты и интерполировать полученную пару значений напряженности. При необходимости полученную напряженность поля также можно ограничить максимальным значением по методу, приведенному в пункте 8.6.

• 10)    Если требуемый процент времени не совпадает с нижним номинальным процентом временем, то необходимо повторить пункты 7–9 для верхнего номинального процента времени и интерполировать полученную пару значений напряженности.

• 11)    В том случае, когда известно значение угла просвета местности для приемной/подвижной антенны рядом с сушей, то в полученное после выполнения предыдущих пунктов значение напряженности необходимо ввести поправку на угол просвета местности для приемной/подвижной антенны.

Приступим к расчету напряженности электромагнитного поля передатчика DVB-T2 согласно приведенным в пункте 8этапам. В данном случае трасса распространения является сухопутной, соответственно в ходе дальнейших расчетов будут использованы семейства кривых распространения для сухопутных трасс.

Определим максимальную напряженность поля Е_тах для сухопутной трассы:

Етах = Efs = 106,9 - 20 log(d) = 106,9 - 20log(2) = 100 [дБ]

В качестве номинального процента времени для расчетов возьмем 50%.

Частота передатчика ЦТВ (638–646 МГц), для которого проводится расчет, входит в требуемый для использования рекомендации диапазон, однако не соответствует номинальным частотам (100 МГц, 600 МГц и 2000 МГц), поэтому необходимо провести интерполяцию между ближайшими номинальными частотами. Так как частота передатчика больше 600 МГц, то нижнюю и верхнюю номинальные частоты приравниваем соответственно к 600 МГц и 2000 МГц.

Для дальнейшего определения зависимости напряженности поля от частоты возьмем усредненное значение частоты передатчика ЦТВ:

f = (646 + 638)/2 = 642 [МГц]

Исходя из выборки, проведенной выше, в ходе дальнейших расчетов используем следующие семейства кривых:

При помощи карты проведем измерение длины трассы d между двумя заданными базовыми станциями и примем ее равной 2 км.

На данном этапе для нахождения напряженности по семейству кривых необходимо будет провести интерполяцию по следующим параметрам:

• 1)    по высоте Й 1 , так как заданная высота БС К 1 = 25 м, и это значение не соответствует ни одному из восьми номинальных значений ^ 1 , а именно 10; 20; 37,5; 75; 150; 300; 600 или 1200 м. Следовательно, необходимо взять ближайшую пару значений, которая бы соответствовала нижнему и верхнему номинальным значениям для осуществления процесса интерполяции. В данном случае нижним значением h j _n y является 20 м, а верхним значением ^ sup ^{— 37},⁵ м.

• 2)    по частоте f = 642 МГц необходимо для ближайших номинальных частот провести интерполяцию после того, как будет проведена

  интерполяция значений напряженности поля по кривым для частот 600 МГц и 2000 МГц для высоты 25 м.

Интерполяция напряженности поля как функции от высоты для верхней частоты 2000 МГц:

• E(50,50)   Einf + (EStip   ^in/) log(^1/^in/)/log( ^sup/^in/) = 86 +

(89 - 86)log (25/20)/log( 37.5/20) = 87 [дБ] , где E i _n f - значение напряженности поля для Й/_п/ на требуемом расстоянии (в данном случае на расстоянии 2 км), определенное по кривой с рис. 3.4;

E_Sup — значение напряженности поля для h_Sup на требуемом расстоянии (в данном случае на расстоянии 2 км).

Получили пару значений напряженности для высоты 25 м, которые далее можно интерполировать в зависимости от частоты. При этом для дальнейших расчетов напряженность поля, полученная по кривым для частоты 600 МГц будет будет считаться E i _n / = 85 дБ , а напряженность поля, полученная по кривым для частоты 2000 МГц - E_Sup = 97,2 дБ .

Для сухопутных трасс или для морских трасс, в случаях, когда заданная частота выше 100 МГц, требуемая напряженность поля E ( ₅₀ , ₅₀ ) рассчитывается следующим образом:

E(50,50) = Einf + (ESitp — Einf) log(///inf)/log(/Sup//inf) = 85 +

(87 - 85)log (642/600)/log( 2000/600) = 85,1 [дБ], где: / - частота, для которой с;

/ i _n f — ближайшая номинальная эффективная частота меньше / ;

f_SU p - ближайшая номинальная эффективная частота больше / ;

E / _n f — значение напряженности поля для / i _n f на требуемом расстоянии (в данном случае на расстоянии 2 км);

E_S up — значение напряженности поля для f_SU p на требуемом расстоянии (в данном случае на расстоянии 2 км).

Получили напряженность поля от передатчика ЦТВ Е (50, ₅₀ ) = 85,1 [дБ] , используемое для нахождения Е_с по уравнениям (3.2), (3.3):

Е с = Е₍ 50,50) +Р с = Р с = Е₍ 50,50) + Р пер + С_пе р - П ф

= 85,1 + 10 log(1000) + 3,7 - 5 = 85,1 + 30 + 3,7 - 5 = 113,8 Для данного передатчика DVB-T2 6пер = 3,7 дБд *

^* дБд (dBd) – децибел относительно полуволнового вибратора (диполя). Обозначение применяется для описания характеристик антенны по сравнению с полуволновым вибратором (0 dBd = 2,15 dBi). По условию коэффициент усиления передающей антенны передатчика DVB–T2 равен 8 дБ, что составляет 8/2,15 = 3,7 дБд.

Эталонная частота, МГц	200	500	800
Потери в фидере η , дБ	2	3	5

Напряженность поля помехи в заданной расчетной точке определяют по формуле:

Епом = Е(50,1) + Рп где Е(501) - напряженность поля для 50 % мест и 1 % времени, определяемая в расчетной точке для высоты приемной антенны 10 м и условий приема на открытой местности при ЭИМ, равной 1 кВт;

Р п — эффективная излучаемая мощность мешающей станции, дБ(кВт).

Рп  - эффективная излучаемая мощность мешающей станции, вычисляемая по формуле:

Рп   Рпер м + ^пер м [дБ], где Рпер м - мощность мешающего передатчика, дБ;

£_{пер м} — коэффициент усиления мешающей антенны относительно симметричного полуволнового вибратора, дБд. Для мешающей станции LTE Б пер м = 20/2,15 = 9,3 дБд.

Отсюда получаем эффективную излучаемую мощность мешающей станции LTE:

Рп = 10log(40) + 9,3 = 25,3 [дБ]

Исходя из полученных данных проверим неравенство для обеспечения ЭМС:

Ес - Епом > Лз

113,8 - 106 > -50

7,8 > -50

Неравенство выполняется, соответственно в теории ЭМС между передатчиком ЦТВ DVB–T2 и БС LTE должна выполняться. Однако, данный факт противоречит наличию взаимных помех на практике.

Автор считает верными проделанные по данной методике теоретические расчеты, так как в теории при таком значительном разносе рабочих частот двух станций (154 МГц) электромагнитная совместимость должна обеспечиваться.

В связи с этим автор считает нецелесообразным дальнейший расчёт для более дальних расстояний по данной методике, так как даже при текущей довольно близкой взаимоудаленности базовых станций расчёт показал, что условия ЭМС соблюдены.

Заключение

В ходе данной расчетов в данной статье, согласно выбранным техническим показателям, был проведен расчет электромагнитной совместимости стандартов DVB–T2 и LTE по методике Международного союза электросвязи.

В результате расчетов ЭМС между двумя данными станциями по методике, представленной в Рекомендации ITU–R P.1546 было установлено, что условие ЭМС для этих двух станций соблюдено.