Kissné Akli Mária 11 A VÉDENDŐ TÉRERŐSSÉG VÁLASZTÁSÁNAK HATÁSA A KATONAI BERENDEZÉSEK ÉS TELEVÍZIÓ ÁLLOMÁSOK KÖZÖTTI KIZÁRÓTÁVOLSÁGRA THE INFLUENCE OF THE FIELD STRENGTH TO BE PROTECTED FOR THE SEPARATION DISTANCE BETWEEN MILITARY SERVICES AND TELEVISION TRANSMITTERS A 645-862 MHz közötti közös polgári és kormányzati felhasználású sávban üzemelő katonai eszközök és műsorszóró televízió állomások közötti kompatibilitási vizsgálatok rendkívül fontosak a frekvencia, mint véges erőforrás gazdaságos felhasználása érdekben. A számítások alapja a védendő térerősségek, valamint a katonai eszközök és televízió állomások közötti védelmi értékek ismerete, melyek korábban nem álltak rendelkezésre, és mérésekkel határozhatók meg. Magyarország komoly szerepet vállalt a mérések elvégzésében és az eredmények nemzetközi elfogadtatásában. A mérések kritikus eleme a rendszerérzékenység meghatározása, mely jelentősen befolyásolja a kizárótávolságot, ezáltal a katonai berendezések és televízió adók közös sávhasználatának feltételeit. Az RSZBN közelnavigációs rendszer és a földfelszíni digitális televízió (DVB-T) állomások közötti mérési eredmények felhasználásával megismerhetjük, hogy milyen hatása van a rendszerérzékenység változásának a kizárótávolságra. The EMC analyses are very important between military systems and television broadcasting in order to use the limited resource, the frequency efficiently in band 645-862 MHz. This band is commonly used by civil and governmental services. The field strength to be protected and the protection ratios between military and television services form the bases of the compatibility calculations. These values were not known earlier and they can be presented in the way of measurement campaign. Hungary played very important roll in the field of measuring the missing technical data and having the data accepted internationally. Measuring the system sensitivity is a very critical part of the measuring process, which has significant effect on the value of separation distance, consequently on the conditions of the common usage of the band by military and broadcasting services. In the article there are presented how the system sensitivity (the field strength to be protected) influences the separation distance based on the measuring data. 11 okleveles villamosmérnök, Nemzeti Hírközlési Hatóság ELEKTRO TECHN IKA-ELEKTRONIKA 67
Bevezetés A Nemzetközti Rádiószabályzat [1] S5.312. számú lábjegyzete 12 ország - köztük Magyarország - számára lehetővé teszi a 645-862 MHz-es frekvenciatartomány közös műsorszóró (analóg és digitális televízió) és légi rádiónavigációs célú használatát. Mindkét szolgálat elsődleges státuszt kapott. A lábjegyzetben felsorolt országok korábban valamennyien a Varsói Szerződés tagállamai voltak, és a sávban nem polgári légi rádiónavigáció szolgálat számára biztosítanak védelmet. A CH97 Megállapodásban [2] az érintett országok kötelezettséget vállaltak a televízió állomások nemzetközi koordinációs kérelmeinek kompatibilitási számításon alapuló elbírálására. A megállapodás tartalmazza azokat az eljárási szabályokat és műszaki kritériumokat, melyeket az egyéb szolgálat, azaz a katonai berendezések védelme érdekében alkalmazni kell. A megállapodás aláírásakor azonban kevés információ állt rendelkezésre a katonai eszközök védelmi követelményeivel kapcsolatban. Ezért olyan nem véglegesnek tekinthető műszaki paraméterek (védendő térerősség, védelmi értékek) kerültek be a megállapodásba, melyek felülvizsgálatára, pontosítására, illetve kiegészítésére vonatkozóan a CH97 Megállapodás 3. Határozata ad iránymutatást. Az interferencia szintek meghatározásának módszerére és az inkompatibilitás kritériumára vonatkozóan szintén további vizsgálatokat ír elő a 3. Határozat. Az adatok pontosítása alapvetően mérésekkel érhető el. Ezen a területen Magyarország úttörő szerepet vállalt [3] azáltal, hogy a 645-862 MHz-es sávban hat különböző katonai eszközre is elvégezte a digitális és analóg televízió adók zavaró hatásának vizsgálatára vonatkozó összeférhetőségi méréseket 1997 és 1999 között. A mérési eredmények alapján az ún. kizárótávolság figyelembe vételével televízió adók is üzembe helyezhetők a korábban tiltott frekvenciákon. A műsorszóró sávban üzemelő katonai eszközök A volt Varsói Szerződés országaiban, így Magyarországon is, és a Szovjetunió utódállamaiban a műsorszóró sávban többféle katonai eszköz is üzemel. 68 ELEKTRO TECHN IKA-ELEKTRONIKA
A repülőgépek saját-idegen felismerő (IFF) rendszerei (SZRO, SZRZO, NRZ-15, NRZ-20) a 646-694 MHz, az aktív üzemmódú radarok (RSZP-10) a 730-750 MHz, az RSZBN közelnavigációs rendszer a 770-813 MHz, a passzív üzemmódú földi radarok (RSZP-10) és az aktív üzemmódú radarok fedélzeti vevői (SZO-69) a 815-890 MHz sávot használhatják. Annak ellenére, hogy a 645-862 MHz frekvenciasáv teljes egészében légi rádiónavigáció szolgálat számára van biztosítva, a katonai eszközök a sávnak csak egy részét használják fel Magyarországon [4] és a többi országban is. A teljes sáv lefoglalása titkossági és biztonsági okokra, például frekvencia manőverek lehetőségének biztosítására, vezethető vissza. A katonai eszközök és televízió állomások közötti összeférhetőségi mérések elvégzésével a szükséges védelmi értékek meghatározhatók, ezáltal a katonai eszközök reális védelme és a sáv jelentős részének műsorszóró célú felhasználása elősegíthető. A mérési feladat rövid leírása [3] A mérések célját az analóg és digitális televízió adók jelének a különböző katonai eszközök vevőire gyakorolt zavaró hatásának a vizsgálata képezte. Ennek érdekében meg kellett mérni a katonai eszközök zajhatárolt érzékenységét, rendszerérzékenységét, valamint a szükséges védelmi értékeket. Hasznos jelnek a katonai eszközök által előállított, a katonai eszköz antennájáról a vevő bemenetére jutó jelet tekintjük. A zavaró jel a földi műsorszóró televízió állomás jele a katonai eszköz vevőjének bemenetén. A vevő S érzékenységének azt a hasznos jelszintet tekintjük, amelynél a vevő kizárólag zajok jelenlétében, tehát zavarforrás hatása nélkül valamilyen minőségi kritériumnak eleget tesz. A zajhatárolt érzékenységre (S n ) vonatkozó minőségi kritérium a katonai eszközök mérési utasításaiban meg van adva. A mérések során az előírásnak megfelelő módszerrel történt az S n ellenőrzése [5] kizárólag a saját zaj (termikus zaj) figyelembe vételével. A rendszerérzékenység (S s ) azt a legkisebb hasznos jelszintet jelenti, amelynél a rendszer az előírt szolgáltatást már biztosítja saját és külső zajok jelenlétében zavarforrás hatása nélkül. ELEKTRO TECHN IKA-ELEKTRONIKA 69
Tekintettel arra, hogy az előírt szolgáltatás minőségi kritériuma a különböző rendszereknél más és más lehet, minden egyes katonai eszköz rendszerérzékenységének a mérése előtt a résztvevők meghatározták és egyhangúlag elfogadták a szükséges minimális minőségi követelményt. A védelmi érték (PR) a hasznos jelteljesítménynek és annak a zavaró jelteljesítménynek a hányadosa, amelynél az adott rendszer az előírt szolgáltatást még biztosítja. A védelmi érték függ a hasznos jel és a zavaró jel frekvenciáinak a különbségétől is. PR( f)=p u /P n (1) f: A hasznos jel és a zavaró jel középfrekvenciáinak a különbsége P u : A hasznos jel teljesítménye P n : A zavaró jel teljesítménye A PR logaritmikusan kifejezve: PR[dB]=P u [dbm]-p n [dbm] (2) A frekvenciafüggő védelmi értékek a mért hasznos és zavaró jelekből a fenti képlet alapján számítással kerültek meghatározásra. A katonai rendszerek védelmét biztosító kompatibilitás számításokhoz szükség van az ún. védendő térerősség (E min ) ismeretére is, melynek megadása kötelező az egyéb szolgálatokra vonatkozó adatszolgáltatás során a CH97 Megállapodás alapján. A védendő térerősség a gyakorlatban azt a minimális hasznos térerősség szintet jelenti az vevőantenna közelében, melynél alacsonyabb szint esetén a berendezés nem tud a minőségi kritériumnak megfelelően működni zavarforrás jelenléte nélkül sem a természetes és az emberi környezet által keltett zajok miatt. Ha megnézzük a rendszerérzékenység fogalmát, láthatjuk, hogy a védendő térerősség nem más, mint az a térerősség érték a vevőantenna közelében, ami a vevő bemenetén a rendszerérzékenységnek megfelelő jelszintet hozza létre. A rendszerérzékenységből a védendő térerősség meghatározásához szükség van a vevőantenna C korrekciós tényezőjének az ismeretére is. 70 ELEKTRO TECHN IKA-ELEKTRONIKA
Tekintettel arra, hogy ez az érték a műszaki leírásokban nem szerepel, szükség volt a C megmérésére is. C az antenna közelében mért E térerősség és az antennakábel kimenetén illesztett lezárás esetén jelentkező U a kapocsfeszültség hányadosa. C logaritmikusan kifejezve: C[dB/m]=E[dB V/m]-U a [db V]. (3) A védendő térerősség az E min [db V/m]=U s [db V]+ C[dB/m] (4) összefüggéssel határozható meg. U s a hasznos jel által a vevő bemenetén létrehozott azon minimális határfeszültség, amely a rendszer működéséhez zavaró jel nélkül éppen szükséges. A vevő Z bemeneti impedancia esetén 10lgS s =10lgU s 2/Z és (5) E min [db V/m]= 20lg 106 Az S s dbw-ban, Z ohm-ban van megadva. /10 Z 10 Ss [db V]+ C[dB/m] (6) A hasznos és zavaró jel eltérő polarizációja esetén az A pol keresztpolarizációs védelmet is figyelembe kell venni, ezért ennek meghatározása is a mérési feladat részét képezte. A kizárótávolság meghatározása A mérési eredményekre támaszkodó kompatibilitás vizsgálatok elvégzését a kizárótávolságok alkalmazása megkönnyíti. Célszerű ezért a televízió adók teljesítményétől és effektív antennamagasságától függő kizárótávolságokat ábrázoló grafikonok elkészítése (2. ábra). A kizárótávolságon annak a körnek a sugarát értjük, amely körnek a középpontjában a földi katonai berendezés vevőantennája helyezkedik el, és amely körön belül az interferenciát okozó, jelen esetben televízió állomás nem üzemelhet a katonai eszköznek okozott káros zavarás miatt (1. ábra). ELEKTRO TECHN IKA-ELEKTRONIKA 71
1. ábra A kizárótávolság szemléltetése A kizárótávolságok a védendő térerősségből és a védelmi értékekből határozhatók meg a televízió adó teljesítménye és effektív antenna magassága figyelembe vételével. A számítás alapja az, hogy a televízió adó által a katonai berendezés vevőantennája közelében létrehozott E nu zavaró térerősség nem lehet nagyobb a védendő térerősségnél. E nu E min (7) A kizárótávolság éppen azzal a távolsággal egyenlő, amikor az egyenlőség teljesül. E min =E nu =E n +PR+A+A pol, ahol (8) E n : a televízió adó térerőssége, A: vevőantenna védelem, ami a vizsgált berendezéseknél 0 db. E n a mért rendszerérzékenység, védelmi érték, és ha szükséges az A pol alapján a (6) és (8) kifejezésekből meghatározható. Az E n térerősségből a kizárótávolság a televízió adó teljesítményének és effektív antennamagasságának a függvényében az ITU-R P. 1546 Ajánlás terjedési görbéiből leolvasható [6]. 72 ELEKTRO TECHN IKA-ELEKTRONIKA
A kizárótávolság függése a rendszerérzékenységtől A (6) és (8) összefüggésekből látható, hogy a kizárótávolság függ a rendszerérzékenységtől, melynek értéke a mérés során konszenzus alapján megállapított kritérium függvénye. Példaként nézzünk meg egy kizárótávolságokat ábrázoló grafikont (2. ábra), amely Ss=-120 dbw és S s =-111 dbw rendszerérzékenységeket és f=0 MHz-t választva készült RSZBN és DVB-T szolgálatok között, ahol a digitális televízió adó a zavarforrás. ( h=50 m, T=1%) 2. ábra RSZBN és DVB-T közötti kizárótávolság Az tehát, hogy mit tekintünk még elfogadható működésnek, melynek alapján a rendszerérzékenység megmérhető, vitára adhat okot a mérési eredmények elfogadtatása során. Érdemes tehát megvizsgálni, milyen hatással van a kizárótávolságra a rendszerérzékenység. Tekintettel arra, hogy terjedelmi okok miatt nincs lehetőség az eddig végzett összes (18 féle) mérés eredményeinek a vizsgálatára, példaként az RSZBN közelnavigációs rendszer, valamint a földfelszíni digitális televízió közötti zavarvizsgálat mérési eredményire támaszkodva végezzük az analízist különböző ERP, heff és f értékekre. ELEKTRO TECHN IKA-ELEKTRONIKA 73
A választás azért esett erre, mert az RSZBN - DVB-T mérésnek a nemzetközi elfogadtatása már lezárult. A mintegy négy évig elhúzódó folyamatnak a védendő térerősség, ezen keresztül a rendszerérzékenység meghatározása, és elfogadtatása képezte a legkritikusabb részét, és a mérési eredménytől eltérő, kompromisszumos megoldás született [7]. Érdekes kérdés tehát, hogy jelentősen befolyásolja-e a mintegy 9 db-el kisebb elfogadott védendő térerősség a DVB-T adók tervezését a kizárótávolság növekedése miatt. Az 1. táblázatban található számértékek azt mutatják meg, hogy hányszorosára növekednek meg a kizárótávolságok Ss=-120 dbw esetén az Ss=-111 dbw alapján számítotthoz képest. (Az üresen hagyott mezőkhöz az alacsony jelszintek miatt nem tartoznak mérési eredmények.) 1. táblázat S=9dB változás hatása a kizárótávolságra 74 ELEKTRO TECHN IKA-ELEKTRONIKA
A táblázatban szürke háttérrel vannak kiemelve az 1,35 és 1,65 közé eső értékek. Megfigyelhető, hogy a kizárótávolságok az esetek jelentős részében közelítően 1,5 0,15-szeresére nőnek a védendő térerősség (rendszerérzékenység) 9 db-el történő csökkentése esetén, amit az ERP értéke csak kis mértékben befolyásol. Vizsgáljuk meg, hogy konkrétan hány km kizárótávolság növekedést jelent a 9 db változás, ha egy olyan DVB-T adót választunk, melynél az ERP=100KW, Heff=300m és a DVB-T és RSZBN berendezések középfrekvenciáinak különbsége f =0 MHz. A 2. ábrából leolvasva: d kiz (S=-111dBW)=112 km és d kiz (S=120dBW)=169 km, d kiz =57km. Az alábbi számításból kitűnik (lsd. 3. ábra), hogy több, mint kétszeresére növekszik az a terület, melyen belül DVB-T adók telepítése nem lehetséges az okozott káros interferencia miatt. T=T(S=-120dBW) - T(S=-111dBW)=1692-1122 =(89727-39408)km2=50318km2 3. ábra A tiltott terület növekedése S=9dB változás esetén ELEKTRO TECHN IKA-ELEKTRONIKA 75
A zajhatárolt érzékenység és a mért rendszerérzékenység közötti különbség okainak vizsgálata A zajhatárolt érzékenység mérése úgy történik, hogy sem vevőantenna, sem kábel nem csatlakozik a vevő bemenetére. Az érzékenységet csak a készülék saját zaja befolyásolja. Amennyiben valós működési környezetbe helyezzük a vevőkészüléket, azaz antennát és tápvonalat is csatlakoztatva a készülékhez, külső zajok is juthatnak a vevőbe, melyek csökkentik a vevőérzékenységet. A rendszer érzékenysége emiatt akár egy nagyságrenddel is kisebb lehet, mint a vevő zajhatárolt érzékenysége. Az ITU-R P. 372-8 Ajánlása szerint [8] ötféle külső zajforrás létezik. o A villámlástól eredő zaj; o Az elektronikus berendezések által keltett zajok (man-made noise); o Atmoszférikus zaj; o A föld és egyéb akadályok hatása az antenna környezetében; o Naptevékenységből származó zaj. Összegzés Az eredményből látható, hogy a védendő térerősség néhány db-es csökkenése jelentősen csökkenti a DVB-T állomások telepítési lehetőségét. Éppen ezért nagyon fontos, hogy a katonai eszközök biztonságos működését szem előtt tartva, csak a feltétlenül szükséges kompatibilitási követelményt támasszunk a műsorszóró állomásokkal szemben. További kutatás tárgyát képezi, hogy a lehetséges zajforrások milyen mértékben módosítják a sokszor vitatott rendszerérzékenységet, azaz mekkora különbség lehet elméleti számítások alapján a zajhatárolt érzékenység és a rendszerérzékenység között. Amennyiben lényeges különbség adódik az elméleti és mért rendszerérzékenység között, meg kell vizsgálni, milyen további okokra vezethető vissza az eltérés. 76 ELEKTRO TECHN IKA-ELEKTRONIKA
Felhasznált irodalom [1] Radio Regulations, Editions of 2001, Geneva [2] The Chester 1997 Multilateral Coordination Agreement relating to Technical Criteria, Coordination Principles and Procedures for the introduction of Terrestrial Digital Video Broadcasting (DVB-T), Chester, 25 July 1997 [3] A katonai eszközök és műsorszóró állomások között Magyarországon végzett kompatibilitási mérések jegyzőkönyvei. [4] 284/2002. (XII. 21.) Korm. rendelet A Frekvenciasávok Nemzeti Felosztási Táblázatának megállapításáról [5] Műsorszóró frekvenciasávban üzemelő katonai eszközök szabályzatai [6] Rec. ITU-R P.1546: Method for point to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz (2001) [7] A CEPT SE PT27 munkacsoport munkadokumentumai [8] Rec. ITU-R P.372-8: Radio noise (2003) ELEKTRO TECHN IKA-ELEKTRONIKA 77