Publicado por: revistainternacionaldoconhecimento | 24/02/2012

ENGENHARIA – COBERTURA DE SINAL UHF (ULTRA-HIGH FREQUENCY) PARA TELEVISÃO DIGITAL, por Raphael Almeida de Siqueira, Pedro Eugênio de Magalhães e Leni Joaquim de Matos

COBERTURA DE SINAL UHF (ULTRA-HIGH FREQUENCY) PARA TELEVISÃO DIGITAL

Raphael Almeida de Siqueira, Pedro Eugênio de Magalhães e Leni Joaquim de Matos

 

RESUMO

Este trabalho visa determinar o modelo de predição de cobertura que melhor se ajusta às medições de um canal digital de TV. Partindo de medições realizadas na cidade, os dados adquiridos são comparados àqueles calculados pela aplicação dos modelos de predição mais usuais, onde parâmetros de entrada como potência do transmissor e ganho da antena são os mesmos usados nas medições. O estudo conclui que o modelo de Okumura-Hata suburbano é o mais adequado para o cálculo de cobertura do sinal em distâncias a partir de 1,8 km, enquanto o modelo de Okumura-Hata urbano mostra-se mais adequado para as distâncias inferiores a essa.

Palavras-Chave: TV Digital. Cobertura UHF. Modelos de Predição.

ABSTRACT

This work aims to determine the coverage prediction model that best fits to a given digital TV channel. Starting from measurements carried out in the city, the acquired data are compared to that calculated by applying the most usual prediction models where input parameters like transmitter power and antenna gain are the same used in the measurements. The study concludes that the suburban Okumura-Hata model is the most proper for the signal coverage calculus in distances greater than 1,8 km, while that the urban Okumura-Hata model one is most suitable for minor distances.

Keywords: Digital TV. UHF Coverage. Prediction Models.

1 INTRODUÇÃO

Os modelos de predição de cobertura permitem delimitar o alcance do sinal rádio nos mais variados tipos de área. Dentre eles, estão os modelos empíricos [1], semi-empíricos [2] e determinísticos [3], existindo uma grande variedade de modelos na literatura científica. Cada qual tem sua aplicabilidade, dependendo do tipo de ambiente de propagação do sinal, que pode ser urbano, suburbano ou rural e, ainda, com ou sem vegetação, esta influindo grandemente no sinal devido a efeitos de absorção, espalhamento e difração do mesmo. Além da influência do ambiente, chamado de canal de propagação, a amplitude do sinal recebido é função da sua frequência, das alturas das antenas transmissora e receptora usadas e da distância entre elas.

 

Dentre os diversos modelos de predição encontrados na bibliografia, neste estudo foram empregados aqueles que têm tido grande uso na cobertura de TV digital: o proposto pela International Telecommunications Union (ITU), na Recomendação 1546-4 [4], e o modelo Okumura-Hata, para ambientes urbano e suburbano, desenvolvido por Okumura [5] a partir de medições realizadas em Tóquio e adaptadas, analiticamente, por Hata [6].

 

 Inicialmente, as medições foram realizadas em 150 pontos distribuídos numa cidade de relevo baixo, sendo sondado o canal 21, correspondente à faixa de frequências de 512 a 518 MHz. A campanha durou 6 (seis) dias no mês de janeiro de 2011. Os locais dos pontos foram escolhidos, a priori, de maneira que se cobrisse toda a cidade, priorizando as áreas de maior densidade urbana. Pequenos ajustes foram realizados durante o trabalho, de acordo com as características de cada ponto (locais próximos a prédios ou árvores foram evitados). A área coberta foi de, aproximadamente, 1 000 km², que corresponde à área total da cidade, incluindo 5 (cinco) localidades.

 

O sistema de transmissão da emissora é composto por transmissor, linha de transmissão e antena. O transmissor opera com a potência de 10 kW; com linha de transmissão de 130 m, impedância de 50 W e apresenta uma atenuação de 0,87 dB/100m. Já a antena é do tipo painel de 16 elementos, dispostos em 4 (quatro) níveis, cada um com 4 (quatro) painéis. Apresenta um diagrama horizontal omnidirecional, sem tilt, e apresenta um ganho de 9,54 dBd, acarretando em uma potência efetiva irradiada (ERP) máxima de 61,79 kW. Para a recepção, foram utilizados um analisador de espectro, uma antena do tipo log-periódica diretiva, com ganho de 6 dBi (3,85 dBd), um cabo coaxial de 3 m com atenuação de 0,33 dB/m (para a faixa de frequências em estudo), um adaptador de impedância (de 75 W da antena para 50 W do cabo), que apresenta uma perda de inserção de 6 dB, e um mastro de 1,5 metro de altura usado para levantar a antena.

 

Em cada ponto de análise, a antena receptora foi elevada a uma altura de 3 metros e posicionada, com a ajuda de uma bússola, de modo que o máximo do seu diagrama de irradiação apontasse para a antena transmissora. O analisador de espectro apresentava uma média das 50 últimas medidas (varreduras) e o nível coletado foi o da frequência central do sinal digital, este ocupando 6 MHz de faixa.

Com a finalidade de estudar a cobertura de uma estação de televisão, já instalada, e determinar o melhor modelo para a predição de sinal de TV digital na cidade em questão, medições foram realizadas e processadas offline, no laboratório de Propagação da UFF, através de programação desenvolvida.

 2 DISCUSSÃO E RESULTADOS

Em programação desenvolvida, inicialmente foi realizado o cálculo da atenuação em espaço livre [7], onde o sinal não sofreria reflexão nem difração A Figura 1 mostra a reta de ajuste das medições e aquela referente à atenuação no espaço livre.  Observa-se, pelas Equações (1) e (2), que a atenuação medida segue a lei quadrática do espaço livre (= f (1/d2) ou 20 dB/década), já que o coeficiente angular das duas retas são muito próximos, sendo acrescido de 26,74 dB (= 41,46 – 14,72), aproximadamente. A equação (1) é da reta de ajuste para o espaço livre, em azul na Figura 1. A equação (2) é a reta de ajuste para os pontos medidos, em verde na Figura 1:

 

L (dB) = -14,72 -19,49 log(d)      (1)

 

L (dB) = -41,46 – 20,10 log(d)      (2)

 

A partir dos cálculos, por interpolação e extrapolação da altura da antena, da frequência e da distância recomendadas pela ITU, traçou-se, na Figura 2, o gráfico da atenuação com a distância e observa-se que, a partir de poucos quilômetros, o modelo passa a se ajustar melhor, pois no trecho inicial não ficou bom. Já na atenuação calculada pelo modelo de Okumura-Hata, mostrada graficamente na Figura 3, verifica-se que nas distâncias menores, que são caracterizadas por prédios altos no grande centro urbano, o melhor ajuste é o realizado com o modelo urbano, enquanto nas regiões mais afastadas, predomina o ajuste pelo modelo suburbano. Para as equações de ajuste por esse modelo, para grandes cidades, tem-se: na equação (3), a reta de ajuste para o modelo de Okumura-Hata  urbano, em azul na Figura 3. Na equação (4), está a reta de ajuste para o modelo de Okumura-Hata suburbano, em verde claro na Figura 3:

  

L (dB) = -36,89 – 30,65 log (d)      (3)

 

L (dB) = -28,30 – 30,65 log (d)      (4)

 

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Figura 1 – Reta de ajuste das medições e a atenuação no espaço livre.

 

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Figura 2 – Reta de ajuste das medições e a atenuação pelo modelo do ITU.

 

 

 

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Figura 3 – Reta de ajuste das medições e a atenuação pelo modelo Okumura-Hata.

 

A Tabela 1 mostra os resultados do teste qui-quadrado [8], usado para avaliar o melhor ajuste de modelo aos dados obtidos das medições. Vale observar que quanto menor o valor, melhor é o ajuste e, em cada coluna, este se acha em negrito. Adotando-se um único modelo, o Hata-Suburbano mostrou o melhor ajuste entre os 3 (três) modelos empregados. Verificou-se, também, que o valor do qui-quadrado para a reta de melhor ajuste dos dados obtidos das medições, mostrado na Figura 1, foi igual a 281. 

 

              Tabela 1 – Resultados do teste de ajuste para os modelos usados

Modelo

0 a 41 km

(modelo único)

0 a 1,8 km

1,8 a 41 km

Espaço Livre

6128,6

3419,8

2708,8

ITU Rec.1546

933,7

713,8

219,9

Okumura-Hata urbano/cidade grande

347,9

187,4

160,5

Okumura-Hata suburbano/cidade grande

756,9

599,3

157,6

 

3 CONCLUSÕES

Os resultados do teste de ajuste pelo método qui-quadrado mostraram que, ao longo de todo o percurso sondado, o modelo de Okumura-Hata urbano para grandes cidades foi o melhor ajustado, entretanto, observa-se nas figuras 1 a 3 e na tabela 1, que esse modelo já não fica tão bem ajustado para as maiores distâncias. Os cálculos indicam que a partir de 1,8 km, o modelo de Okumura-Hata para regiões suburbanas está melhor se ajustando aos valores medidos, embora os outros dois não estejam tão distantes. Para distâncias inferiores a 1,8 km, acredita-se que o modelo do ITU com o emprego da morfologia do ambiente, considerando as muitas edificações na área central da cidade, dê um resultado melhorado, talvez até melhor do que o de Okumura-Hata urbano, contudo neste trabalho não foi possível considerar a morfologia visto não se ter disponível o mapa morfológico da cidade.  

 

AGRADECIMENTOS

À Universidade Federal Fluminense (UFF) pela oportunidade de realizar os testes com o material disponível no Laboratório de Propagação, e ao engenheiro André Slanic Lopes pelo suporte na campanha de medições.

 

 

4 REFERÊNCIAS

[1] PARSONS, J. D.. The Mobile Radio Propagation Channel. London, UK: John Wiley & Sons, 2002.

[3]  BERTONI, Henry L. 2000. Radio Propagation for Modern Wireless Systems. New Jersey : Prentice Hall PTR, 2000.

[4] Rec. ITU P.1546-4. Métodos de Predição Ponto-Área para Serviços Terrestres na Faixa de Frequências de 30 a 3000 MHz.

[5] OKUMURA, Y.. Field strength and its variability in UHF and VHF land-mobile radio service. Rev. Elec. Commun. Lab., vol. 16, 1968.

[6] HATA, M.: Empirical Formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services. IEEE Trans. Vehicular Technology, VT-29, 1980, pp. 317 – 325.

[7] LEE, W. C. Y.. Mobile Cellular Telecommunications. McGraw-Hill International Editions, 1995.

[8] HINES, William W., et al. 2006. Probabilidade e Estatística na Engenharia. 4ª. Rio de Janeiro : LTC, 2006.

 


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