Odbiór sygnałów radia i telewizji

Każda instalacja antenowa musi być przed uruchomieniem starannie zaplanowana. Należy określić odbierane nadajniki radia i naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T oraz przewidywany rozmiar instalacji. Stąd w bezpośredni sposób wynikają koszty instalacji. W przypadku najprostszej instalacji antenowej RTV nie ma konieczności stosowania elementów aktywnych, chyba że występuje trudna sytuacja odbiorcza. Celowe jest wykonanie schematu zawierającego wszystkie niezbędne elementy i połączenia oraz poziomy poszczególnych sygnałów.

Czasami w stosunku do małych instalacji antenowych wykonywanych w domach stosuje się określenie: Antenowa Instalacja Indywidualna - AII.

1. Odbierane nadajniki naziemne i sygnały RTV

Na początku szczegółowego planowania instalacji wskazane jest wykonanie zestawienia odbieranych sygnałów zawierającego oznaczenia nadajników, miejsca posadowienia i programy. Dalej niezbędny jest kierunek odbioru, odbierane kanały oraz odległość do nadajnika. Doświadczony praktyk antenowy może najczęściej określić te dane na podstawie własnych doświadczeń. Należy jednak pamiętać, że nawet przy małych różnicach lokalizacji anteny może wystąpić zupełnie inna sytuacja odbiorcza. Dlatego też fachowe planowanie instalacji antenowej opiera się zawsze na pomiarze poziomu sygnału. Przy pomiarach poziomu antenowego wykorzystuje się w praktyce anteny, które wydają się być korzystne do ostatecznego zastosowania. Wynika to stąd, że przeliczanie poziomu odpowiednio do różnych wartości zysku anteny bywa problematyczne, ponieważ w miejscu odbioru nie występuje z reguły jednorodny rozkład pola.

1.1. Odbiór radia UKF

Odbiór programów UKF jest bardzo różny z powodu wielu nadajników. Poziom odbiorczy powinien dążyć do wartości 50dB względem mikrowolta. Przy mniejszych poziomach można zauważyć uwarunkowaną systemowo różnicę w odstępie szumów między odbiorem mono i stereo. W zależności od konkretnej sytuacji odbiorczej należy decydować się na odbiór dookólny lub kierunkowy. Odbiór dookólny wymaga dużych natężeń pól i jest najczęściej możliwy tylko na dobrze zasilanych obszarach odbiorczych.

Antena radiowa UKF dookólna
Antena radiowa UKF-D dookólna

Odbiór kierunkowy jest zawsze wart polecenia do odbioru stereofonicznego. Odbiór kierunkowy jest korzystny dla nadajników znajdujących się w kierunku odbioru. Poszkodowane są jednak nadajniki ze wszystkich innych kierunków. Przy instalacjach indywidualnych w najprostszym przypadku należy wybrać jedną na stałe mocowaną antenę UKF w stosunku do całego szeregu nadajników godnych odbioru. Prawie idealnym rozwiązaniem byłaby kierunkowa antena UKF wielkiej mocy obracana za pomocą zdalnego sterowania.

Antena radiowa UKF-1 1-elementowa
Antena radiowa UKF-1
do stosowania przy niedużych odległościach od nadajnika

Antena radiowa UKF 3-elementowa
Antena radiowa UKF-3
do stosowania przy większych odległościach od nadajnika

Inną możliwością przy instalacji antenowej AII jest montaż wielu anten kierunkowych dla różnych nadajników w połączeniu ze wzmacniaczami wstępnymi, które najczęściej łączone są przez małostratne rozgałęźniki i mogą być pojedynczo dołączane lub odłączane za pomocą poszczególnych napięć zasilających. (Przy równoczesnej pracy wielu takich anten ze wzmacniaczami wstępnymi zwiększa się moc szumów w punkcie połączenia!)

1.2. Odbiór naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T

W przypadku sygnałów naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T należałoby dążyć do minimalnego poziomu antenowego 60dB względem mikrowolta. W przypadku interesującego odbioru sygnałów z nadajników dalekich oczywiście musimy zadowolić się mniejszym poziomem. Do odbioru sygnałów naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T stosuje się zasadniczo anteny kierunkowe.

Stosunkowo duże różnice występują w przypadku anten odbiorczych przeznaczonych dla różnych kanałów, w szczególności w pasmach częstotliwości VHF III do UHF V pod względem wielkości anteny TV, zysku i kierunkowości. Tłumienność przenoszenia względnie skuteczna powierzchnia anteny półfalowego elementu dipolowego jest zależna bezpośrednio od długości fali roboczej. W praktyce oznacza to np., że przy jednakowych warunkach odbioru (lokalizacja nadajnika, moc nadawcza, miejsce odbioru) antena odbiorcza w paśmie telewizyjnym VHF III w stosunku do anteny odbiorczej w paśmie TV VHF I (prawie trzykrotne zwiększenie częstotliwości) musi mieć zysk o około 10dB większy, aby osiągnąć jakościowo porównywalny wynik odbioru. W przypadku relacji między zakresem UHF i TV III (około 600MHz w stosunku do 200MHz) potrzebne jest zwiększenie zysku o około 10dB w celu osiągnięcia porównywalnego wyniku odbioru. Można przy tym zwrócić uwagę, że moc nadawcza nadajników UHF w stosunku do nadajników TV III jest z reguły większa. Poza powyższą zależnością również straty w instalacji odbiorczej rosną wraz z częstotliwością. Antena wielozakresowa do odbioru wielu kanałów DVB-T w zakresie UHF w jednakowych warunkach musi mieć zatem rosnącą charakterystykę częstotliwościową. W praktyce anten szerokopasmowych o dużym zysku jest to przypadek wymuszony. Poza zyskiem dominujące znaczenie przy antenach odbiorczych ma kierunkowość.

Antena TV szerokopasmowa DIGIToptima Telmor
Antena telewizyjna dvb-t DIGITactiva TELMOR

Antena telewizyjna DIGITactiva Telmor jest przeznaczona do odbioru sygnałów naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T pracujących w zakresie pasma UHF. Konstrukcja anteny zapewnia równomierne wzmocnienie odbieranych sygnałów w całym zakresie częstotliwości. Antena jest dedykowana do obszarów o średnich poziomach odbieranych sygnałów telewizyjnych. Wysoki współczynnik promieniowania tył/przód (kierunkowości) gwarantuje niewrażliwość anteny na sygnały odbite od przeszkód znajdujących się za anteną. Wykonana z wysokiej jakości tworzywa ABS kroploszczelna obudowa gwarantuje bardzo dużą trwałość oraz lekkość anteny DIGIT activa.

Przedstawiona na poniższym rysunku antena szerokopasmowa DIGIToptima Telmor ma dość szeroki kąt widzenia. Taka antena jest przydatna na obszarach, gdzie z jednego kierunku lub z kierunków zbliżonych do siebie jest nadawanych kilka programów telewizyjnych DVB-T.

Antena telewizyjna dvb-t DIGIToptima IQ TELMOR
Antena telewizyjna dvb-t DIGIToptima IQ TELMOR

Z kolei antena DAT HD Boss 1495 Televes jest anteną o dużej kierunkowości. Doskonale zatem będzie się sprawdzać w miejscach, gdzie należy unikać sygnałów pochodzących z nadajników nadających z boku. W sposób szczególny dotyczy to również wszelkiego rodzaju zakłóceń.

Antena TV typu YAGI Dat HD Boss 1495 Televes
Antena TV typu YAGI Dat HD Boss 1495 Televes

Obie te anteny są wyposażone w inteligentne wzmacniacze, które optymalnie dostosowują swoje wzmocnienie do natężenia odbieranego sygnału. W ten sposób w nowoczesnych antenach zapobiega się niekorzystnym skutkom przesterowania wzmacniaczy. Zwłaszcza w przypadku naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T przesterowanie może doprowadzić do poważnych zakłóceń lub wręcz do zaniku odbioru. Inteligentny wzmacniacz ułatwia instalowanie anteny niezależnie od odległości do nadajnika. Ponadto niweluje wahania poziomu odbieranego sygnału powodowane zmiennymi warunkami atmosferycznymi.

1.3. Pożądane napięcie antenowe

Przy dobieraniu anten należy kierować się przede wszystkim poziomem sygnału. Właściwy dobór anten odbiorczych może spowodować, że uzyskany poziom sygnału wystarczy do zasilenia nawet kilku odbiorników. Przy nieco większych instalacjach antenowych należy dążyć do tego, aby wzmacniacz niwelował tłumienie wnoszone przez elementy dystrybucyjne. Chodzi tu o wszelkiego rodzaju rozgałęźniki, kable i gniazda abonenckie. Przy obliczeniach należy uwzględnić wszystkie wartości tłumień elementów i kabla przy wszystkich częstotliwościach między wejściem odbiornika i anteną. W skrajnym przypadku przy niskim poziomie antenowym wzmacniacz wstępny (przedwzmacniacz) powinien być umieszczony bezpośrednio przy antenie. Poziom antenowy zależy od zysku anteny odbiorczej oraz od jej lokalizacji.

Przy określaniu poziomu sygnałów radiowych i telewizyjnych DVB-T można z czystym sumieniem kierować się wymaganiami dotyczącymi antenowych instalacji zbiorowych. Poziomy wyjściowe w gniazdach abonenckich powinny mieścić się granicach określonych w poniższej tabeli.

Poziomy sygnałów na wyjściach gniazda abonenckiego
Usługa Standard Modulacja Pasmo Poziom min
[dBuV]
Poziom max
[dBuV]
TV D1/PAL AM-VSB VHF/UHF 57 80*
DVB-T
COFDM
QPSK 1/2...7/8 VHF/UHF 26...35 74
16-QAM 1/2...7/8 32...45 74
64-QAM 1/2...7/8 42...54 74
Radio Mono FM VHF 40 70
Stereo FM VHF 50 70
DAB OFDM III 28 94
*) 77dBuV w przypadku ponad 20 kanałów
Uwaga: Jeżeli kanał COFDM sąsiaduje z kanałem D1/PAL, to jego poziom powinien być co najmniej 9dB niższy niż poziom fali nośnej wizji kanału D1/PAL.

Dla zapewnienia prawidłowej pracy odbiorników telewizyjnych ważne są również różnice poziomów doprowadzanych do nich sygnałów telewizyjnych. Należy podkreślić, iż maksymalne różnice poziomów na wyjściach gniazd abonenckich nie powinny przekraczać wartości określonych w poniższej tabeli.

Maksymalne różnice poziomu sygnałów na wyjściu gniazda abonenckiego
Standard Modulacja Zakres Różnica max
[dB]
D1/PAL AM-VSB 174 do 790 MHz 12
D1/PAL AM-VSB VHF 6
D1/PAL AM-VSB Kanał sąsiedni 3
DVB-T COFDM Kanał sąsiedni 3
DVB-T COFDM Kanał sąsiedni
z AM-VSB
6

Przy planowaniu antenowych instalacji do odbioru indywidualnego należy też uwzględnić odpowiednie rezerwy dla możliwych w czasie wahań poziomu sygnału. Najczęściej spotykany zasięg odbioru zawiera się w zależności od konkretnych warunków w zakresie od 40 do 60km. Tutaj wahania poziomu nie przekraczają zwykle 3dB. Przy korzystnych warunkach odbiór dobry jakościowo jest również możliwy do około 100km, jednak wahania poziomu mogą wynosić 10dB i więcej. Te dane mogą jednak być traktowane tylko jako zgrubne.

2. Warunki miejscowe odbioru antenowego

Miejscowe warunki odbioru są bardzo różnorodne i prawie w każdym miejscu instalacji anteny inne. Dokładne określenie może nastąpić tylko za pomocą pomiarów występującego pola. Istnieje jednak kilka prawidłowości, które zostaną poniżej opisane.

2.1 Wpływ położenia topograficznego na odbierane pole

Optymalnym przypadkiem propagacji fal jest taki, gdy między anteną nadawczą i anteną odbiorczą fala może rozprzestrzeniać się prostoliniowo i bez zakłóceń (fala bezpośrednia). Jednak nawet w takim przypadku na równym terenie w sposób nieunikniony tworzy się również fala odbita od ziemi, która nakłada się w miejscu odbioru na falę bezpośrednią (rys.1).

Rys.1. Powstawanie maksimum przyziemnego na skutek nakładania się fali bezpośredniej i odbitej
Rys.1

Jest to wyjaśnienie dla często obserwowanego fenomenu wysokiego natężenia pola odbieranego w pobliżu ziemi. Pole elektromagnetyczne zmienia się zarówno wraz z odległością od nadajnika przy stałej wysokości anteny (tzw. funkcja drogi), jak i przy zmianie wysokości anteny przy stałej odległości (tzw. funkcja wysokości).

Jeżeli między anteną nadawczą i anteną odbiorczą znajduje się przeszkoda, wówczas na krawędzi (krawędź ugięcia) powstaje tzw. ugięcie fali. Taka krawędź ugięcia może w praktyce być utworzona np. przez domy (wieżowce) lub przez góry. Za taką krawędzią fala ugina się do dołu, a natężenie pola przy antenie odbiorczej jest zależne od odległości anteny odbiorczej za krawędzią i od różnicy wysokości oraz długości fali. Przy "widoku z zaledwie dotknięciem" już powstaje tłumienie ugięcia wynoszące 6dB.

Obok odbić od ziemi i ugięć bardzo istotną rolę przy polu odbiorczym w płaszczyźnie poziomej grają odbicia od budynków, budowli przemysłowych i stalowych. Łącznie z odbiciem od ziemi i falami ugiętymi rozkład pola w każdym miejscu odbioru może być zupełnie inny.

2.2. Warunki odbioru przy niejednorodnym rozkładzie pola

Jeżeli w niejednorodnym polu elektromagnetycznym zostanie zamontowana stosunkowo duża antena (lub zestaw anten), wówczas jej funkcjonowanie adekwatne do jej parametrów stoi pod znakiem zapytania. Niejednorodne pole elektromagnetyczne prowadzi do tego, że różne typy i wielkości anten w różnych miejscach odbioru nie zawsze zachowują się odpowiednio do swoich parametrów technicznych. Dowolna wymiana anten w takich miejscach prowadzi do nieprzewidywalnych wyników.

Podawane przez producentów dane techniczne anten obowiązują wyłącznie dla pola jednorodnego. Nie można ich stosować w zespolonych niejednorodnych polach odbiorczych jako bezwzględnych wartości obliczeniowych. Przy pomiarze poziomu antenowego nie zawsze jest potrzebna antena porównawcza. Już o wiele bardziej powinna być wykorzystywana antena przewidywana do końcowego zastosowania. Rozkład przestrzenny pola zmienia się również w zależności od długości fali (od częstotliwości roboczej). Dlatego też wyznaczony rozkład pola jest ważny tylko dla konkretnej częstotliwości pomiarowej. Przy innych częstotliwościach rozkład może być zupełnie inny. Pomiary przy niejednorodnych rozkładach pola dla szerokopasmowych zadań odbiorczych należy przeprowadzać przy wszystkich wchodzących w grę kanałach. Nawet wewnątrz jednego kanału telewizyjnego mogą istnieć różne warunki (częstotliwości luminancji, chrominancji i nośnej dźwięku).

2.3. Napięcie antenowe i odbiór odbiciowy

Z niejednorodnego rozkładu pola wynika, że napięcie oddawane z anteny jest zespolone - odpowiednio do poszczególnych składowych natężenia pola. W zależności od charakterystyki anteny powstają zarówno zmiany amplitudy, jak i fazy. Przy odbiorze analogowej telewizji kolorowej prowadzi to do tworzenia kolorowych obramowań i zafałszowań kolorów (w zależności od systemu). Stąd też wynika, że czysty pomiar napięć na antenie w celu oceny jakości odbioru nie jest w większości przypadków wystarczający.

Do takiej oceny jest zawsze niezbędna kontrola ekranowa - najlepiej za pomocą telewizora. Przy występujących odbiciach antena odbiorcza musi charakteryzować się dużą kierunkowością. W praktyce występuje tutaj pewien fenomen, który często jest uważany za niewyjaśniony. Chodzi tu mianowicie o fakt, że w niejednorodnym polu - przy zastosowaniu anteny odbiorczej z dużą kierunkowością i odpowiadającym temu dużym zyskiem - nie występuje odpowiednie zwiększenie poziomu odbioru, w stosunku do anteny porównawczej z mniejszym zyskiem. Chociaż należałoby tego oczekiwać porównując zyski anten. W polu niejednorodnym antena z większym zyskiem i większą kierunkowością może dawać mniejsze napięcie antenowe.

Rys.2. Oddziaływanie odbić na napięcie antenowe przy różnej kierunkowości anteny
Rys.2

Na rys.2. wyjaśniono to zjawisko za pomocą charakterystyki dwóch anten z różną kierunkowością i odpowiednio różnym zyskiem. Przy istnieniu sygnału bezpośredniego E1 i odbicia E2 zwiększone ogniskowanie (krzywa a) powoduje mniejsze sumacyjne napięcie antenowe w stosunku do anteny z mniejszym ogniskowaniem (krzywa b).

Obraz telewizyjny umożliwia jednak jednoznaczne rozpoznanie jakościowego polepszenia, które powstaje w wyniku zwiększonego działania kierunkowego anteny. W tym sensie więc antena z wysokim zyskiem i dużą kierunkowością daje jakościowo lepszy wynik odbioru przy silnie wyrażonej funkcji wysokości i/lub drogi rozkładu natężenia pola na skutek odbić, chociaż dostępne napięcie antenowe jest niższe, niż można byłoby oczekiwać przy danym zysku. To ogólnie oznacza, że antena o dużej kierunkowości jest lepsza we wszystkich wyobrażalnych przypadkach. Ponieważ zysk jest w sposób nieunikniony połączony z kierunkowością, to do zapewnienia jakościowo dobrego odbioru zalecane są zasadniczo anteny z dużymi wartościami zysku (anteny dużej mocy). Nie ma przy tym żadnej sprzeczności, jeżeli stosuje się tę zasadę również w pobliżu nadajnika, ponieważ w takich przypadkach ma się często do czynienia z odbiciami i niejednorodnym polem. Połączony z tym duży zysk anteny prowadzi do niepożądanego zwiększenia napięcia, które powinno być obniżone do wymaganej wartości za pomocą tłumików.

Główna właściwość - jaką jest kierunkowość anteny odbiorczej - ma więc znaczenie zarówno w obszarze zasilania dalekiego, jak i bliskiego. Przy testowaniu natężenia pola za pomocą anteny wielkiej mocy (duża kierunkowość i duży zysk) przez zmianę miejsca będzie można wyciągnąć wniosek, że w tym przypadku występuje całkiem dobra "jednorodność". Wynika to z tego, że odpowiednio do dużej kierunkowości jest odbierana prawie wyłącznie fala bezpośrednia, a napięcie antenowe przy zmianie miejsca anteny jest względnie stałe odpowiednio do fali bezpośredniej.

Autor: Aleksy Kordiukiewicz