Зоны телевизионного приема
Радиоволны, излученные передающей антенной, могут достигать точки приема двумя путями: либо распространяясь над земной поверхностью, либо последовательно отражаясь от земли и ионосферы - слоя свободных электронов, окружающих землю на высотах от 80 км до 400 км. В первом случае радиоволны называются поверхностными, во втором - пространственными. Электронная плотность различных слоев ионосферы нестабильна и такова, что отражаться от нее могут только волны, частота которых меньше 30 МГц. Поэтому с помощью пространственных волн могут распространяться лишь километровые, гектометровые и декаметровые волны. Радиоволны микроволновых диапазонов, в том числе метровые и дециметровые, на которых ведутся телевизионные передачи, могут распространяются только в виде поверхностных волн.
Радиоволны аналогично световым лучам распространяются в однородной среде по строго прямолинейным траекториям. Поэтому из-за сферичности Земли поверхностная волна может достичь приемной антенны лишь в том случае, если между ней и передающей антенной есть геометрическая видимость. Отсюда следует, что прием телевизионных передач возможен только в пределах геометрической видимости между приемной и передающей антеннами. В действительности дальность приема телевизионных передач несколько превышает дальность геометрической видимости, это связано с явлениями дифракции и рефракции волн.
Дифракция радиоволн - это физическое явление, состоящее в том, что радиоволны способны в определенной мере огибать препятствия, заходя в область тени за ними. Сферическая поверхность Земли также является препятствием, которое радиоволны могут огибать. Чем ниже частота радиосигнала, тем сильнее проявляется дифракция. Километровые и гектометровые волны могут заходить за геометрический горизонт на сотни километров, декаметровые волны огибают Землю в меньшей степени, а на метровых и дециметровых волнах дифракция проявляется слабо, поэтому дальность приема телевизионных передач вследствие дифракции радиоволн возрастает незначительно.
Более существенный фактор, влияющий на дальность приема телевизионных передач - атмосферная рефракция радиоволн. Земная атмосфера является средой неоднородной - плотность атмосферы, ее давление, влажность и температура изменяются с высотой. Кроме того, характер изменения указанных физических параметров атмосферы с высотой может меняться в зависимости от интенсивности солнечной радиации, времени суток и т. д. В неоднородной среде радиоволны преломляются и распространяются не прямолинейно, а по некоторым криволинейным траекториям, что приводит к заходу радиоволн за геометрический горизонт. Это явление называется рефракцией.
Существует понятие о так называемом среднем или нормальном состоянии атмосферы. Нормальное состояние атмосферы характеризуется определенным сочетанием ее физических параметров: температура воздуха на уровне моря + 15° С, понижение температуры с высотой 0,65° С на каждые 100 м, понижение давления - по барометрической формуле, влажность не зависит от высоты. Атмосферная рефракция, соответствующая нормальному состоянию атмосферы, называется нормальной атмосферной рефракцией. Она приводит к увеличению дальности приема телевизионных передач в среднем на 15 ...20%. Дальность прямой видимости Ro в километрах при нормальной атмосферной рефракции может быть подсчитана по формуле
Например, при высоте установки передающей антенны h1 = 400 м, приемной антенны h2 = 20 м дальность прямой видимости составляет 100 км.
С учетом явлений дифракции и нормальной атмосферной рефракции территорию вокруг передающей антенны телевизионного центра или ретранслятора можно с точки зрения возможностей приема телевизионных передач разделить на три зоны — зону прямой видимости (до 0,8 Ro), зону полутени (от 0,8 Ro до 1,2 R0), зону тени (более 1,2 R0).
Зона прямой видимости (освещенная зона) характеризуется устойчивым уровнем сигнала, достаточным для высококачественного приема цветного изображения. Вместе с тем в пределах этой зоны могут быть отдельные территории с недостаточным уровнем сигнала, что следует учитывать при выборе типа антенны и места ее установки. Например, спад уровня сигнала и значительное ухудшение качества приема возможно, как показали исследования, проведенные в Москве в период подготовки к Олимпийским играм 1980 г., в отдельных точках в непосредственной близости к передающей антенне телевизионного центра. Это объясняется тем, что главный лепесток диаграммы направленности передающей антенны в вертикальной плоскости весьма узкий (от 2... 3° на дециметровых до 10... 12° на метровых волнах) и в радиусе до 2 ... 3 км от башни прием телевизионных сигналов ведется благодаря боковым лепесткам диаграммы. Уменьшение уровня сигнала на 15... 20 дБ наблюдается также в отдельных точках на расстояниях до 12 ... 15 км от телецентра, что связано с интерференцией (сложением или вычитанием) прямого сигнала от передающей антенны и сигнала, отраженного от Земли. Ухудшение качества приема в освещенной зоне возможно также в районах с пересеченным рельефом местности, а также в городах с разноэтажной застройкой, где за высокими зданиями образуются зоны тени.
Во всех перечисленных выше случаях качество приема можно, как правило, улучшить применением остронаправленных антенн и выбором места их установки.
Зона полутени характеризуется относительно слабым и нестабильным сигналом, возможны замирания сигнала. Нестабильность сигнала в зоне полутени вызвана следующими причинами. При изменении состояния атмосферы меняется степень рефракции, что эквивалентно приближению или удалению видимого горизонта. В этих условиях приемная антенна в некоторые моменты может оказываться в зоне тени, а затем выходить из нее в освещенную зону. Соответственно происходит уменьшение или увеличение напряженности поля в точке установки приемной антенны. Для повышения качества приема в зоне полутени нужно поднимать антенну как можно выше, так как при этом уменьшается вероятность того, что при изменении состояния атмосферы антенна выйдет из «освещенной зоны. Зона тени характеризуется очень быстрым уменьшением напряженности поля с расстоянием. Качественный прием телевизионных передач в этой зоне практически невозможен, за исключением отдельных коротких отрезков времени, когда при значительных изменениях параметров атмосферы имеет место повышенная атмосферная рефракция. Вопросы приема в зоне тени, в том числе сверхдальнего приема, рассмотрены далее.
Радиоволны аналогично световым лучам распространяются в однородной среде по строго прямолинейным траекториям. Поэтому из-за сферичности Земли поверхностная волна может достичь приемной антенны лишь в том случае, если между ней и передающей антенной есть геометрическая видимость. Отсюда следует, что прием телевизионных передач возможен только в пределах геометрической видимости между приемной и передающей антеннами. В действительности дальность приема телевизионных передач несколько превышает дальность геометрической видимости, это связано с явлениями дифракции и рефракции волн.
Дифракция радиоволн - это физическое явление, состоящее в том, что радиоволны способны в определенной мере огибать препятствия, заходя в область тени за ними. Сферическая поверхность Земли также является препятствием, которое радиоволны могут огибать. Чем ниже частота радиосигнала, тем сильнее проявляется дифракция. Километровые и гектометровые волны могут заходить за геометрический горизонт на сотни километров, декаметровые волны огибают Землю в меньшей степени, а на метровых и дециметровых волнах дифракция проявляется слабо, поэтому дальность приема телевизионных передач вследствие дифракции радиоволн возрастает незначительно.
Более существенный фактор, влияющий на дальность приема телевизионных передач - атмосферная рефракция радиоволн. Земная атмосфера является средой неоднородной - плотность атмосферы, ее давление, влажность и температура изменяются с высотой. Кроме того, характер изменения указанных физических параметров атмосферы с высотой может меняться в зависимости от интенсивности солнечной радиации, времени суток и т. д. В неоднородной среде радиоволны преломляются и распространяются не прямолинейно, а по некоторым криволинейным траекториям, что приводит к заходу радиоволн за геометрический горизонт. Это явление называется рефракцией.
Существует понятие о так называемом среднем или нормальном состоянии атмосферы. Нормальное состояние атмосферы характеризуется определенным сочетанием ее физических параметров: температура воздуха на уровне моря + 15° С, понижение температуры с высотой 0,65° С на каждые 100 м, понижение давления - по барометрической формуле, влажность не зависит от высоты. Атмосферная рефракция, соответствующая нормальному состоянию атмосферы, называется нормальной атмосферной рефракцией. Она приводит к увеличению дальности приема телевизионных передач в среднем на 15 ...20%. Дальность прямой видимости Ro в километрах при нормальной атмосферной рефракции может быть подсчитана по формуле
где h1 и h2 — высоты передающей и приемной антенн, м.
Например, при высоте установки передающей антенны h1 = 400 м, приемной антенны h2 = 20 м дальность прямой видимости составляет 100 км.
С учетом явлений дифракции и нормальной атмосферной рефракции территорию вокруг передающей антенны телевизионного центра или ретранслятора можно с точки зрения возможностей приема телевизионных передач разделить на три зоны — зону прямой видимости (до 0,8 Ro), зону полутени (от 0,8 Ro до 1,2 R0), зону тени (более 1,2 R0).
Зона прямой видимости (освещенная зона) характеризуется устойчивым уровнем сигнала, достаточным для высококачественного приема цветного изображения. Вместе с тем в пределах этой зоны могут быть отдельные территории с недостаточным уровнем сигнала, что следует учитывать при выборе типа антенны и места ее установки. Например, спад уровня сигнала и значительное ухудшение качества приема возможно, как показали исследования, проведенные в Москве в период подготовки к Олимпийским играм 1980 г., в отдельных точках в непосредственной близости к передающей антенне телевизионного центра. Это объясняется тем, что главный лепесток диаграммы направленности передающей антенны в вертикальной плоскости весьма узкий (от 2... 3° на дециметровых до 10... 12° на метровых волнах) и в радиусе до 2 ... 3 км от башни прием телевизионных сигналов ведется благодаря боковым лепесткам диаграммы. Уменьшение уровня сигнала на 15... 20 дБ наблюдается также в отдельных точках на расстояниях до 12 ... 15 км от телецентра, что связано с интерференцией (сложением или вычитанием) прямого сигнала от передающей антенны и сигнала, отраженного от Земли. Ухудшение качества приема в освещенной зоне возможно также в районах с пересеченным рельефом местности, а также в городах с разноэтажной застройкой, где за высокими зданиями образуются зоны тени.
Во всех перечисленных выше случаях качество приема можно, как правило, улучшить применением остронаправленных антенн и выбором места их установки.
Зона полутени характеризуется относительно слабым и нестабильным сигналом, возможны замирания сигнала. Нестабильность сигнала в зоне полутени вызвана следующими причинами. При изменении состояния атмосферы меняется степень рефракции, что эквивалентно приближению или удалению видимого горизонта. В этих условиях приемная антенна в некоторые моменты может оказываться в зоне тени, а затем выходить из нее в освещенную зону. Соответственно происходит уменьшение или увеличение напряженности поля в точке установки приемной антенны. Для повышения качества приема в зоне полутени нужно поднимать антенну как можно выше, так как при этом уменьшается вероятность того, что при изменении состояния атмосферы антенна выйдет из «освещенной зоны. Зона тени характеризуется очень быстрым уменьшением напряженности поля с расстоянием. Качественный прием телевизионных передач в этой зоне практически невозможен, за исключением отдельных коротких отрезков времени, когда при значительных изменениях параметров атмосферы имеет место повышенная атмосферная рефракция. Вопросы приема в зоне тени, в том числе сверхдальнего приема, рассмотрены далее.
