Спутниковые и наземные системы радиосвязи

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

цифровой радиорелейный антенна

В настоящее время значительная часть телевизионных, телефонных и сетей передачи данных в развитых странах мира реализованы на основе радиорелейных систем передачи. Поэтому вопросам проектирования и строительства новых РРЛ уделяется большое внимание.

Главная задача курсового проектирования - познакомить студентов с методикой проектирования и расчета трасс радиорелейных линий, научить их умению анализировать расчетные данные, сравнивать с рекомендациями МСЭ-Т (международного союза электросвязи) и ВСС (взаимоувязанной сетью связи), находить наиболее рациональные пути для повышения качественных показателей передачи сигналов на РРЛ.

Проектирование является учебным, в связи с чем в данном пособии не рассмотрены все особенности расчета РРЛ, т.к. это зависит и от назначения проектируемой РРЛ, и от местности, где она будет проходить. Выполнение курсового проекта возможно только после изучения основных вопросов курса и изучения аппаратуры РРЛ.

Радиосигнал цифровых РРЛ является по радиочастоте аналоговым, поэтому распространение радиоволн ЦРРЛ и АРРЛ практически одинаково, но отличается расчетом качественных показателей. Проектирование ЦРРЛ во многом аналогично проектированию АРРЛ. Выбор трассы, местонахождения ЦРРС, выбор просветов решают также, как и при проектировании аналоговых РРЛ.

Задание на курсовой проект выдается индивидуально каждому студенту. В процессе работы над проектом он должен определить структуру проектируемой РРЛ, дать обоснование выбора аппаратуры, ее основные технические данные, привести структурные схемы приемо-передающей аппаратуры, рассчитать и построить профили интервалов, определить высоты подвеса антенн и устойчивость связи на интервале РРЛ, произвести анализ полученных данных.

Объем пояснительной записки не должен превышать 20 листов текста (формата А4) и двух листов демонстрационных чертежей формата А4.

Пояснительная записка и графическая часть проекта должны быть выполнены в соответствии с требованиями ЕСКД.

Курсовые проекты, оформленные не в соответствии с требованиями ЕСКД, будут возвращаться на доработку. Отрецензированные и зачтенные курсовые проекты допускаются к защите.

Техническое задание на курсовое проектирование выполняется на типовом бланке, где указываются исходные данные к курсовому проектированию и основные вопросы, которые должны быть рассмотрены в пояснительной записке.

1. Выбор трассы. Определение структуры проектируемой РРЛ

В этом разделе нужно отразить требования, предъявляемые к выбору трассы РРЛ, основные задачи проектирования и расчета трасс РРЛ.

Основной задачей расчета является такой выбор мест установки РРС, при котором обеспечивается высокий и стабильный во времени уровень сигналов на входе приемников всех станций. При этом надежность и качество связи должны удовлетворять заданным нормам.

Расчет трасс производится при их проектировании, реконструкции и иногда в условиях эксплуатации. В задании на проектирование обычно указаны направление РРЛ, населенные пункты, между которыми она проходит, основные пункты, где должны быть ввод и выделение ТФ каналов, установлены ТВ ретрансляторы и т.п. Таким образом, известны населенные пункты, около которых нужно разместить ОРС и УРС. Установка ТВ ретрансляторов возможна рядом с любой РРС. Протяженности участков ОРС - УРС и УРС - УРС определяют в соответствии с потребностями данного экономического района в выделении каналов и ориентируясь на структуру гипотетической цепи. Соседние РРС должны находиться в пределах прямой видимости, но высоты антенных опор не следует брать слишком большими, чтобы не удорожать строительство. Поэтому расстояние между соседними РРС выбирают, ориентируясь на его среднее значение, указанное в технических параметрах АРРС, используемой на проектируемой РРЛ. Ко всем РРС должны вести хорошие подъездные пути, в первую очередь от УРС ко всем ПРС в пределах эксплуатационного участка. Поэтому часто РРЛ прокладывают вдоль шоссейных или железных дорог. Для расположения РРС выбирают места с хорошим энергоснабжением, т.е. такие, где рядом есть ЛЭП, трансформаторные подстанции и т.п. Трассу прокладывают зигзагообразно, что позволяет снизить помехи от РРС, работающих на тех же частотах.

Для строительства РРС предпочтительны площадки на возвышенных местах. Такой выбор позволяет устанавливать невысокие антенные опоры. Соблюдение определенных правил при прокладке трассы помогает обеспечить устойчивость работы РРС. Высоты антенн желательно выбирать так, чтобы точка отражения от земной поверхности приходилась на пересеченный участок профиля с лесными массивами. При этом отраженная энергия будет рассеиваться, устойчивость работы РРЛ возрастет. Следует избегать участков с большими водными пространствами, нефтехранилищами, аэродромами и другими отражающими поверхностями.

Так как при курсовом проектировании нет реального технического задания, то выбор трассы, определение числа узловых радиорелейных станций УРС и расстояния между ними производим на основе таблицы 1, где указана максимальная протяженность АРРЛ или ЦРРЛ. Длина рассчитываемого в курсовом проекте пролета задана в таблице 2. Число и расположение на местности промежуточных радиорелейных станций выбирается при проектировании.

При проектировании РРЛ следует выбирать ее структуру, ориентируясь на номинальные цепи. Если такая РРЛ спроектирована правильно, то в ней должны быть выдержаны рекомендации, установленные МСЭ.

В соответствии с рекомендациями МСЭ-Р гипотетическая (т.е. предполагаемая) эталонная цепь (ГЭЦ) - это полная цепь между источником и приемником сообщения, имеющая определенную протяженность и включающая определенное число преобразований сигнала. Для РРЛ с ЧМ и ЧРК приняты гипотетические эталонные цепи МСЭ протяженностью L_г=2500 км. Каждую ГЭЦ делят на однородные участки одинаковой длины L_yч, на концах которых устанавливают модемы.

Номинальная цепь ВСС соответствует рекомендациям МСЭ-Р. По заданной протяженности трассы и емкости линий определяем к какой первичной сети ВСС относится проектируемая РРЛ: магистральной, внутризоновой или местной.

Для канала ТЧ, организованного на магистральной сети, принята номинальная цепь протяженностью 12 500 км. Она состоит из пяти идентичных участков длиною по 2500 км. Каждый такой участок в свою очередь делится на 10 участков по 250 км. Модемы устанавливают через 250 км. друг от друга. В гипотетической эквивалентной цепи содержится три пары канальных преобразователей на каждые 2500 км. Это вызвано необходимостью обеспечить высокие электрические параметры канала ТЧ на магистральных линиях большой протяженности.

Для внутризоновой связи установлена номинальная цепь канала ТЧ протяженностью 1400 км с тремя парами канальных преобразователей, т.е. тремя переприемами по ТЧ, расположенными друг от друга на разных расстояниях.

Для местной связи установлена номинальная цепь канала ТЧ протяженностью 100 км.

Номинальная цепь для канала изображения телевидения, организованного на магистральной сети, имеет протяженность 12500 км и состоит из пяти идентичных участков по 2500 км. На конце каждого участка устанавливают преобразователь ПЦТС в канале изображения. Протяженность номинальной цепи для канала изображения, организованного на внутризоновой линии - 600 км. Преобразователи в канале изображения устанавливают только на концах цепи.

По номинальной цепи ВСС, определяем структуру заданной линии. Сначала находим длину одной секции в полной цепи, затем определяем число секций (участков) в заданной РРЛ. Определяем количество участков:

n_уч=L_ррл /L_учэт, (1)

где

L_ррл - протяженность заданной линии;

L_учэт - длина эталонного участка цепи.

Результат расчета округляется до целого числа, в большую сторону.

Определяем длину участка проектируемой РРЛ:

L_уч= L_ррл / n_уч (2)

где

L_уч - длина участка РРЛ, км

1.6 Определяем количество интервалов на участке:

N_инт=L_уч / R₀ (3)

где

R₀ - длина заданного интервала РРЛ, км

Определяем длину остальных интервалов РРЛ за исключением заданного:

R₀₌ (L_уч - R₀₎/(N_инт - 1)

Расположение на местности промежуточных радиорелейных станций (ПРС) выбирается, исходя из технико-экономических соображений удобства эксплуатации будущей РРЛ и возможности обеспечения необходимой устойчивости связи на всех интервалах линии.

В курсовом проекте по заданной длине интервала определяем число ПРС на участке РРЛ

m=L_уч /R₀ -1 (4)

где m-число ПРС,

При реальном проектировании стремятся к тому, чтобы число ПРС было наименьшим. Это число зависит от протяженности трассы, рельефа местности и рабочей длины волны.

Зарисовываем структуру проектируемой РРЛ (рисунок 1).

После определения структуры РРЛ необходимо привести краткую техническую характеристику аппаратуры проектируемой РРЛ.

Указывается назначение аппаратуры, особенности плана распределения частот, система резервирования, электропитания, телеобслуживания, организация служебной связи.

Основные параметры сводятся в таблицу. Для определения характеристики аппаратуры используется справочная литература. Для ЦРРЛ технические данные приведены в таблице 2б раздела 5.

В соответствии с заданием рисуется схема организации связи.

2. Расчет интервала РРЛ

2.1 Построение профиля интервала

Этот раздел в курсовом проектировании является основным, в нем необходимо отразить задачи расчета, исходные данные, построить профиль интервала заданной длины, определить высоты подвеса антенн и устойчивость связи на интервале РРЛ. Расчетные данные сравниваются с нормами МККР и ВСС.

Профиль интервала отображает вертикальный разрез местности между соседними РРС, со всеми высотными отметками, включая строение, лес и т.д. Для его построения, используется топографическая карта местности (желательно масшаба 1:100 000). Профиль пролета представляет собой вертикальный разрез местности в плоскости, проходящей через линию АВ и центр Земли (рис. 2), где АВ - линия прямой видимости, соединяющая центры антенн. Для удобства профиль строят в прямоугольных координатах. Расстояния откладывают не по дуге окружности, соответствующей поверхности гладкой Земли, а по оси абсцисс, а высоты - не по радиусам Земли, а по оси ординат. Для того чтобы профиль в прямоугольных координатах соответствовал реальному, используют параболический масштаб. В этом масштабе все высоты отсчитываются не от оси x, а от линии условного нулевого уровня, имеющей вид параболы.



Профиль пролёта: а - к объяснению построения профиля; б - к выбору точек при построении линии условного нулевого уровня

В курсовом проектировании для построения профиля интервала используем таблицу 3 раздела 5, в которой даны высотные отметки некоторых точек профиля при определенных значениях относительной координаты К_i.

(3)

где

R_i - расстояние до текущей точки, км;

R₀ - длина интервала, км.

Построение линии условного нулевого уровня (ЛУНУ) делается по формуле:

(4)

с учётом того, что R_i /R₀= К_i формула преобразуется в более удобную для расчетов.

(5)

где

y - текущая координата линии нулевого уровня, м;

R₀ - протяженность интервала, км;

R_i - расстояние от нулевого конца до точки, где определяется у, км;

а - радиус Земли, км а=6370 км.

Полученные результаты расчета точек ЛУНУ, R_i и значения К_i данные в таблице 3 раздела 5 удобнее занести в таблицу.

При вычерчивании профиля берутся разные масштабы по осям, так как высоты отсчитываются в метрах, а расстояния в километрах. Ординату начальной точки параболы (y=0, k=0) совмещают с уровнем моря (H=0), а абсциссу с R=0. В случае, когда средняя высота местности значительно выше уровня моря, высоту начальной точки параболы принимают на 10…20 м меньше самой низкой точки профиля (см. рис. 2 а), где при y=0 и k=0, h=120 м и R= 0. На профиль наносят высоты, указанные для данных точек местности на топографической карте, и местные объекты: лес, населенные пункты и др. Обязательно указывают водные поверхности: реки, водохранилища и т.п. Отмеченные высоты соединяют прямыми. Полученная ломаная линия и есть профиль пролета.

Рекомендуемый масштаб при построения профиля интервала в курсовом проекте (лист А4):

по оси абсцисс - 2 км в 1 см

по оси ординат - 10 м в 1 см

2.2 Методические указания по выбору высот подвеса антенн

При проектировании новых РРЛ высоты подвеса антенн определяются непосредственно из профиля интервала по известным просветам. Причем действительные высоты подвеса антенн должны быть больше расчетных на величину погрешности топографических карт, использованных при построении профиля интервала.

Как известно мощность сигнала на входе приемника РРС при его распространении в свободном пространстве определяется по формуле:

(6)

где

Р_п - мощность сигнала на выходе передатчика РРС,

G_п, G_пр - усиление передающей и приемной антенн, соответственно,

?_п, ?_пр - КПД антенно-фидерного тракта передающей и принимающей РРС, соответственно,

л - рабочая длина волны

В реальных условиях распространения мощность сигнала на входе приемника зависит от влияния земной поверхности и тропосферы. Учитывают это влияние с помощью множителя ослабления поля свободного пространства. Множитель ослабления показывает, во сколько раз напряженность поля в точке приема в реальных условиях (Е_Р) меньше, чем напряженность поля в той же точке при распространении в свободном пространстве (Е₀). Множитель ослабления

(7)

или если перевести в дБ

, дБ

Поскольку состояние тропосферы непрерывно меняется, то и значение множителя ослабления меняется во времени. Таким образом при реальных условиях распространения мощность сигнала на входе приемника:

(8)

Рассмотрим случай влияния земли на распространение радиосигнала.

Вначале полагаем, что поверхность Земли - плоская, гладкая, однородная. В этом случае в точку приема приходят два луча: прямой АВ(1) и отраженный от земной поверхности АСВ(2) (рис. 3).

Ход лучей на пролёте при плоской, гладкой и однородной поверхности Земли (а) и векторная диаграмма на приёме (б)

Плоская поверхность дает только один отраженный луч. Координату точки отражения С определяют из условия равенства углов падения и отражения q. Просвет H определяют для этой точки. Между волнами 2 и 1 существует разность хода ?r=ACB-AB, а следовательно, разность фаз в точке приема

(9)

где ц - изменение фазы в точке С (фаза коэффициента отражения).

?r = HІ/2R₀k (1 - k) (10)

Сложив векторы сигналов 1 и 2, получаем реальную напряженность поля в точке приема (Е_Р на рис. 3, б). Выше отмечалось, что условия распространения луча АВ такие же, как в свободном пространстве. Следовательно, амплитуда сигнала 1 равна Е₀ а сигнала 2 составляет Е₂=Е₀Ф, где Ф - модуль коэффициента отражения от земной поверхности.

Для гладкой земной поверхности Ф=1. Из треугольника 012 (рис. 3, б) получаем

(11)

Подставив это выражение в (7) и приняв во внимание (9),

при b--=p получаем

(12)

В правой части (12) из-за изменения атмосферной рефракции ? r меняется во времени. Формула (12) справедлива при распространении сигналов в пределах прямой видимости, когда H>H₀. Она получила название - интерференционная формула.

Рассмотрим второй случай: земная поверхность - сферическая, гладкая, однородная. Теперь Ф<1 из-за явления расходимости радиоволн.

Модуль коэффициента отражения от сферической поверхности:

Ф_сф = ФD (13)

где

- коэффициент расходимости радиоволн.

При работе в условиях повышенной рефракции, когда p(g)>1, нужно знать характер отражения от препятствия. Для выпуклых гладких препятствий коэффициент расходимости радиоволн

(14)

и модуль коэффициента отражения Ф=D. В интерференционных минимумах для расчета D применяют более точное выражение, которое можно найти в справочниках. Модуль коэффициента отражения от плоских поверхностей оценивают в зависимости от вида отражающей поверхности. На пролетах, где D<0,8, отражение носит диффузный характер, т.е. отраженную волну в точке приема можно не учитывать. Такие пролеты называют пересеченными. Если получили D>0,8, то принимают D=1. Это имеет место на слабопересеченных пролетах. На устойчивость работы на таких пролетах оказывает сильное влияние волна, отраженная от земной поверхности.

К пояснению условия прямой видимости на холмистой местности

Рассмотрим реальный случай: земная поверхность - сферическая, неровная. Для этого случая лучевая трактовка распространения радиоволн неприменима, так как дает большую погрешность. Теперь нужно рассматривать область пространства, эффективно участвующую в распространении сигнала. Эта область представляет собой эллипсоид вращения, на большой оси которого лежит АВ (рис. 4). Сечение этого эллипсоида плоскостью профиля заштриховано, а сечение его в плоскости, перпендикулярной линии АВ представляет собой круг радиусом H₀, который называют первой полузоной Френеля. Если в самой высокой точке пролета H>H₀, то условия распространения прямой волны такие же, как и в свободном пространстве, и множитель ослабления определяют по интерференционной формуле. При HH₀ препятствие экранирует прямую волну. Теперь множитель ослабления будет падать с уменьшением H, но он также будет зависеть от формы и размеров препятствия, которые принято оценивать с помощью параметра препятствия µ, характеризующего радиус кривизны препятствия. При H=0 трассу называют касательной. Поле в точке приема на ней создает дифрагирующая (огибающая препятствие) волна, для которой множитель ослабления v₀ определяют по рис. 4.

Энергия волны, дифрагирующей вокруг сферического препятствия (рис. 6, а), для которого µ > 0, почти на всем пути распространяется в непосредственной близости от Земли. Такое препятствие экранирует ее в большей степени, чем клиновидное препятствие (рис. 6, б), для которого µ > ?. Поэтому и значения v₀ для этих двух видов препятствий будут значительно отличными друг от друга. Для реальных препятствий 0<µ < ?.

Виды препятствий: сферические (а), клиновидное (б)

Влияние неровностей на отраженную волну состоит в том, что отражение может носить диффузный характер. В диапазоне СВЧ большинство поверхностей создает диффузное отражение (Ф<1). Зеркальное отражение имеет место только от совершенно гладких площадок: аэродромов, гладких водных поверхностей и т.п.

Влияние атмосферной рефракции. Для тропосферы можно определить относительную диэлектрическую проницаемость е, которая зависит от температуры и давления сухого воздуха, а также давления водяных паров. В хорошо перемешанной тропосфере содержание водяных паров и температура воздуха падают с высотой, поэтому и значение е уменьшается по высоте. Траектория электромагнитной волны в такой тропосфере будет искривлена (рис. 8, кривая 2).

Прямая 1 на этом рисунке соответствует случаю распространения в свободном пространстве. Искривление траекторий волн, обусловленное неоднородным строением тропосферы, называется атмосферной рефракцией. Ее характеризуют градиентом диэлектрической проницаемости воздуха g=dе /dh. В хорошо перемешанной тропосфере е падает с ростом высоты h, т.е. g<0, и траектория имеет выпуклую форму. Такую рефракцию называют положительной. С учетом рефракции просвет на пролете:

H(g)=H+?H(g), (15)

где приращение просвета

?H(g)= - (R₀І/4) gk (1-k) (16)

Различают следующие виды рефракции (рис. 8). Рефракцию, соответствующую среднему состоянию тропосферы, называют стандартной, для нее g= - 8·10^-8 1/м. Это наиболее распространенный случай.

В вечерние, ночные и утренние часы летних месяцев в тропосфере иногда наблюдают температурные инверсии (рост температуры с высотой) и резкое уменьшение влажности. В этих условиях может возникать критическая рефракция, при которой траектория радиоволны концентрична земной поверхности,

g =g_КР= - 31.4·10^-8 1/м

При g<g_КР возникает сверхрефракция. Радиоволны в этом случае преломляются к поверхности Земли и отражаются от нее. Если в месте отражения Ф=1, то возникает тропосферный волновод. Волна из пункта А в этом случае распространяется далеко за пределы прямой видимости и может создавать помехи другим РРС, использующим такие же частоты.

На участках РРЛ с низинами, где осенью или весной обычно имеют место приземные туманы, может возникнуть отрицательная рефракция или субрефракция, при этом g>0. Траектория радиоволны имеет вогнутый характер и просвет H(g)<H (см. рис. 8). Если на трассе имеется препятствие, то в этих условиях его экранирующее действие возрастает.

Для реальных трасс определяют относительный просвет

p(g)=H(g)/H₀ (17)

В зависимости от значения p(g) различают трассы: открытые при p(g)>1 закрытые при p(g)<0 и полуоткрытые при 1>p(g)>0.

На открытых трассах в точку приема приходят две волны: прямая и отраженная от поверхности Земли. Экранирующее действие препятствия не учитывают. Для расчета множителя ослабления применима интерференционная формула. Однако теперь разность хода лучей ?r должна быть определена с учетом приращения просвета при рефракции. Поэтому полагаем H = H(g).

; p(g)1. (18)

При изменении диэлектрической проницаемости воздуха множитель ослабления может принимать максимальные значения V_max=1+Ф, когда фазы прямой и отраженной волн на входе приемника совпадают, и минимальные V_min=1 - Ф, при сложении этих волн в противофазе. Когда , где n=1, 2, 3,…; V(t) = V_min и мощность сигнала в точке приема резко падает. Возникают замирания сигнала, которые носят название рефракционных замираний интерференционного типа. Это быстрые замирания. Их средняя длительность при глубине 35… 25 дБ составляет секунды - десятки секунд. Под глубиной понимают величину, численно равную |V_min|. Различные стволы РРЛ используют разные частоты (волны). Разность фаз?? ? между приходящими на вход приемника волнами зависит от длины волны. Поэтому замирания в ВЧ стволах происходят не одновременно. Эту особенность используют для борьбы с замираниями, а сами замирания характеризуют как частотно-зависимые или селективные. Если условия распространения на трассе таковы, что n=1, то говорят, что приемная антенна попала в первый интерференционный минимум, при п=2 - во второй и т.п.

При возрастании g просвет Н (g) на трассе уменьшается, и она может стать полуоткрытой и даже закрытой (g<0). Множитель ослабления падает. Возникают рефракционные замирания из-за экранирующего действия препятствия. Эти замирания сравнительно медленные (их длительность десятки минут - часы при глубине 35… 25 дБ) и наблюдаются одновременно во всех ВЧ стволах РРЛ.

К пояснению отражения радиоволн от слоистых неоднородностей тропосферы

Из-за случайных изменений g меняется угол прихода (выхода) радиоволн относительно главного направления приемной (передающей) антенны. Это явление приводит к колебаниям уровня сигнала на приеме. Такие колебания называют замираниями из-за влияния диаграмм направленности антенн. Это медленные замирания глубиной 10… 20 дБ. На практике такие замирания ощутимы при остронаправленных антеннах с коэффициентом усиления не ниже 45 дБ.

Определив тип интервала, из профиля находят все параметры трассы и для каждого значения просвета определяют время перерывов в связи. Оптимальным будет просвет, при котором время перерывов в связи наименьшее, т.е. устойчивость связи высокая. При этом интервал (трасса) должны быть открытыми, т.е. просвет при нормальной рефракции Н(0), должен быть больше просвета в свободном пространстве Н₀.

2.3 Расчет высот подвеса антенн

Построив профиль интервала определяем относительную координату наивысшей точки:

(19)

где R_max - расстояние до наивысшей точки профиля, км (рисунок 4);

R₀ - длина интервала, км.

Определяем просвет интервала Н₀ при распространении в свободном пространстве:

(20)

где

- средняя длина волны,

в м.

На распространение сигнала в условиях прямой видимости влияет рефракция радиоволн. Рефракция изменяет величину просвета на интервале определяем приращение просвета Н(g) за счет рефракции, т.е. необходимо обеспечить свободную от затенения минимальную зону Френеля так, чтобы просвет в любой точке трассы с учетом рефракции был не менее радиуса минимальной зоны Френеля:

(21)

где - вертикальный градиент диэлектрической проницаемости воздуха, 1/м (см. техническое задание).

- задается для положительной рефракции, наиболее вероятной в течение 50% рабочего времени, для рефракции, вероятной в течении 80% времени в формулу 9 подставляют , а не .

H()<H(g)

Если > 0 рефракция отрицательная, H(g)<0

Если < 0 рефракция положительная, H(g)>0

Определите вид рефракции в вашем расчете.

Для интервала 2 типа задаемся несколькими значениями просвета примерно через 5 м. Исходной точкой может служить просвет:

Н?Н₀-Н(g) (22)

Весь дальнейший расчет ведем на 3-4 просвета. При оформлении пояснительной записки приводите один пример расчета, остальные данные сводите в таблицу.

Высоты подвеса антенн h₁ и h₂ определяются по профилю интервала, при этом линия прямой видимости между антеннами должна отстоять от наивысшей точки профиля на величину Н, а высоты подвеса антенн должны быть примерно одинаковыми. Значения h₁ и h₂ должны быть в пределах 20-50 м. Если h₁ или h₂ > 45 м, требуется сигнальное освещение мачт. Увеличение высоты подвеса антенн (т.е. антенных опор) может привести:

1) к неоправданному увеличению строительных и эксплуатационных затрат, связанных с увеличением высоты опор и длины волноводов;

2) к увеличению средней и 20% мощности шума из-за попадания приемной антенны в интерференционные минимумы обусловленные отражением от леса, неровностей земной поверхности и т.д.

2.4 Расчет минимально-допустимого множителя ослабления

Для учета влияния рельефа местности и метеорологических условий на распространение сигнала вводится понятие множителя ослабления поля свободного пространства.

, (23)

т.е. отношение напряженности поля в реальных условиях к напряженности поля в этой же точке в условиях свободного пространства.

Каждый тип РРЛ допускает строго определенную величину минимального множителя ослабления на интервалах, который на одном интервале полностью определяется параметрами аппаратуры РРС и протяженностью интервала. Эта величина называется минимально допустимым множителем ослабления V_{min доп}.

V_{min доп} - это такое значение множителя ослабления, при котором мощность шумов Р_ш или отношение в канале на конце линии равны максимально допустимым значениям Р_шmax и определяемым рекомендациями МСЭ-Т для малых процентов времени.

Если множители ослабления на интервалах больше V_minдоп, то интервалы выбраны правильно, устойчивость связи соответствует нормам. Поэтому для определения устойчивости связи необходимо рассчитать V_minдоп и сравнить с ним реальный множитель ослабления на интервале, который в зависимости от условий может быть больше V или меньше.

Для определения минимально допустимого множителя ослабления нужно знать КПД антенно-фидерного тракта:

_АФТ = а_АФТ, дБ (24)

где а_АФТ - потери в АФТ в дБ

а_АФТ = 2 (а_эл+а_в*l_АФТ) (25)

где

а_эл - потери в элементах антенно-фидерного тракта, дБ (см. таблицу 2 в приложении) ? 2.5дБ;

а_в - погонные потери волновода, м (см. табл. 1 в приложении) ? 0.02…0.08 дБ/м;

l_АФТ - длина приемного и передающего волноводов, м.

Длину волноводов принимаем равной высоте подвеса антенн в аналоговых РРЛ, если высота подвеса антенн не более 25 метров и 0,5 м в цифровых. В случае подвеса антенн в аналоговых РРЛ на высоту более 25 метров, применяем перископические антенны, длину волновода принимаем равной 5 метрам.

КПД антенно-фидерного тракта в относительных единицах определяется по формуле:

, раз (26)

Если проектируемая линия аналоговая и предназначена для передачи сигналов многоканальной телефонии и телевидения, то определяются V_minТФ и V_minТВ. Дальнейший расчет ведется для большего значения V_min, т.е. для наихудших условий распространения. В КП рассчитываете V_minТФ и V_minТВ, сравниваете их и дальнейший расчет ведете для наибольшего V_min.

Как правило, для систем емкостью меньше 600 каналов ТЧ определяющим является V_{min доп} для телевидения. Для систем емкостью меньше 600 каналов ТЧ значения V_{min доп} для сигналов телевидения и телефонии примерно совпадают. Для систем, имеющих емкость 1020 и более каналов ТЧ, определяющим является V_{min доп} для телефонии.

Определяем минимально допустимый множитель ослабления при передачи телефонии (аналоговый вариант):

(27)

где

- в км,

М_ТФ - коэффициент, зависящий от электрических параметров аппаратуры, пВт/км² (таблица 1 в п. 1)

Р_шмmax - максимально-допустимая величина шумов в канале в точке с нулевым относительным уровнем.

По нормам МККР Р_шмmax = 40000 пВт.

Данные для определения коэффициента М для некоторых типов аппаратуры даны в таблицах 2а и 2б раздела 5.

Коэффициент М можно определить по формуле:

(28)

где:

n_ш - коэффициент шума приемника, отн. ед.;

Р_пд - мощность передатчика, Вт;

G - коэффициент усиления антенн, отн. ед.;

- длина волны, м;

F - максимальная групповая частота, кГц;

f_к - эффективная девиация частоты на канал, кГц;

_m - коэффициент предискажения для верхнего по групповому спектру канала. _m=0,4.

Для расчета V_min можно также воспользоваться формулой:

(29)

где К_ТФ - коэффициент системы, дБ

Определяем минимально-допустимый множитель ослабления при передаче телевидения:

(30)

где:

Т - коэффициент, зависящий от электрических параметров аппаратуры, 1/км²;

R₀ - длина интервала, км;

_АФТ - КПД, отн. ед.;

(U_ш/U_РС)² - максимально допустимое значение напряжения шума к напряжению размаха телевизионного сигнала.

По нормам МККР (U_ш /U_РС)²Т_max=1.18*10^-5 (-49.28 дБ).

Коэффициент Т можно определить по формуле:

 (31)

где:

F_max - верхняя граница полосы пропускания видеотракта, кГц, F_max=6МГц или 8МГц с учетом двух поднесущих.

f_с - девиация частоты передатчика, соответствующая размаху сигнала изображения, МГц, f_с=5,6МГц;

_взв - визометрический коэффициент (коэффициент взвешивания), учитывающий особенности восприятия глазом помех, вызванных тепловыми шумами.

_взв=1.56*10^-2.

Дальнейший расчет ведете для наихудшего варианта.

Пункты 2.4.4 и 2.4.5 рассчитываются для АРРЛ (варианты с 1 по 5 и 16 по 20). Для цифровых ЦРРЛ расчет минимально допустимого множителя ослабления V_min производят по формуле:

, дБ (32)

где

- пороговая мощность сигнала на входе приемника, дБВт при BER 10^-3;

- мощность сигнала на выходе передатчика, дБВт;

W₀ - затухание сигнала в свободном пространстве дБ.

, дБ (33)

где - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн в дБ.

Если G неизвестно, то это значение можно рассчитать по формуле:

, т.к. , то (34)

где:

S - площадь раскрыва антенны (м²);

- длина волны (м);

К₁ - коэффициент использования поверхности, раскрыва (апертуры), антенны.

В КП принять К₁=0,6.

2.5 Расчет устойчивости связи на пролете при одинарном приеме T(V_min)

Устойчивость работы РРЛ определяется процентом времени любого месяца, в течении которого значения Р_ш и (U_ш /U_pc) в канале на конце линии не превышает предельно допустимых значений. По рекомендациям МККР определяется процент времени наихудшего (любого) месяца в течении которого:

Р_ш?Р_шmax и (U_ш /U_pc)²?(U_ш²/U_pc)²_max, т.е.V<V_min

Расчетное значение S<S_max можно считать временем перерывов в связи:

где S - суммарный процент времени, в течении которого достигается допустимое значение мощности шума.

T_j(V_imin) - процент времени, в течении которого на j-интервале V?V_min. Все параметры, входящие в формулу, расшифрованы ниже:

Определяем процент времени, в течении которого множитель ослабления на интервале меньше минимально допустимого (V<V_min) за счет экранирующего действия препятствий. Из построенного профиля интервала определяем параметры сферы, отражающие влияние препятствий на трассе:

(37)

где

, т.к. при построении y=Н₀;

l - определяется следующим образом:

1) от наиболее высокой точки вершины профиля интервала по вертикали в направлении к земле откладывается в соответствующем масштабе отрезок y'=Н₀;

2) через нижнюю точку отложенного отрезка проводится прямая, параллельная линии, соединяющей концы антенны;

3) значение ширины препятствия r определяем как длину отрезка между точками пересечения горизонтальной прямой с линией профиля:

(38)

По графику (приложение 6 рисунок 3) считая =₀ определяем относительный просвет, P(g₀) при котором V=V_{min доп}.

Определяем вспомогательный параметр А, необходимый для дальнейшего расчета устойчивости связи:

где

- в метрах.

- стандартное отклонение, 1/м (см. исходные данные);

R₀ - длина интервала в метрах.

Определяем параметр (для определения процента времени, в течение которого V<V_min за счет экранирующего действия препятствий).

где относительный просвет на интервале:

(41)

Т₀(V_min) определяем по графикам (раздел 6 рисунок 1).

Если > 5,2, то Т₀(V_min) ? 0, т.е. экранирующее действие препятствия срыва связи не вызывает.

Определяем процент времени, в течении которого V<V_min за счет интерференции прямой и отраженной волн:



Для дальнейшего расчета устойчивости связи нужно знать коэффициент отражения, т.е. тип интервала. Из-за сложности и многообразия природных условий на трассе невозможно определить коэффициент отражения Ф, используйте данные из справочников.

При точных расчетах, если отражающая поверхность выпуклая и гладкая, то

Ф=Д

где Д - коэффициент расходимости радиоволн, учитывающий уменьшение модуля коэффициента отражения из-за расхождения пучка волн при отражении от сферической поверхности земли.

Если Ф=1, то

Если Ф=0, то

Величина T_n(V_min) учитывается лишь для тех значений V_min, при котором величина подкоренного выражения (см. формулу14) положительна.

Определяем процент времени, в течении которого V<V_min за счет влияния тропосферы:

 (43)

где:

- величина скачки диэлектрической проницаемости воздуха;

T() - вероятность появления в тропосфере слоистых неоднородностей со значением <-/R₀.

Величину T() определяем по графикам.

V²_{min доп} в относительных единицах можно определить по графикам или по формуле:

где:

R₀ в км, f в ГГц,

для сухопутных районов (для севера ), для приморья, рек, болот .

Определяем процент времени, в течении которого V<V_min за счет влияния осадков.

Замирания радиоволн за счет деполяризации и ослабления в дожде сказываются на частотах от 8 ГГц и выше. Для определения длительности замираний по известному V_min по рисунку 1 определим минимально допустимую интенсивность дождей I_доп для нашего пролета.

После этого по найденному I_доп для заданного климатического района определяем процент времени, в течении которого I> I_доп, т.е. искомую величину по графикам на рисунке 4 раздела 5.

Определяем суммарный процент времени, в течении которого V<V_min.

(44)

Все расчеты для нескольких значений просвета сводим в таблицу. Выбираем величину оптимального просвета, при котором S минимально и интервал открытый, т.е. Н_опт>Н₀

При выбранном значении оптимального просвета определяем устойчивость связи

y=100%-S% (45)

Определяем допустимое время перерывов в связи S_max для линии длиной L. Для магистральных линий протяженностью L>280 км и зоновых линий протяженностью L>200 км, при Р_шmax=47500пВт:

(46)

где L_r - длина эталонной гипотетической линии, км.

При реальном проектировании вычисляется время перерывов S для каждого интервала и суммарное время, значение сравнивается с S_max. Должно выполняться условие S<S_max. В КП считаем все интервалы идентичными и определяем S_max для одного интервала:

(47)

где

m - число интервалов на участке;

n - число участков.

При правильном выборе интервала и высот подвеса антенн расчетный процент времени перерывов и связи не должен быть больше нормы:

S_{расч инт} < S_{max инт}.

Если это условие не выполняется, то сделайте анализ полученных результатов и дайте рекомендации по повышению устойчивости связи.

Весь расчет вели для одинарного приема, т.е. не учитывали резервирование аппаратуры. В реальном проектировании время перерывов рассчитывается с учетом резервирования, а затем сравнивается с нормами.

В КП из-за сложности эти расчеты не производите, а только даете рекомендации по повышению устойчивости связи.

y=100%-S% (48)

2.6 Расчет уровня сигнала на интервале РРЛ

При проектировании РРЛ в обязательном порядке рассчитываются:

1) средние мощности сигнала на входах приемников всех интервалов Р_пр;

2) мощности сигнала на входах приемников, не превышаемые в течении 20% времени любого месяца Р_пр (20%).

Средний уровень сигнала на интервалах РРЛ, измеряемый в дневные часы, является важным параметром, обязательным для реализации как при настройке РРЛ, так и в эксплуатационных условиях. Он позволяет оценить точность юстировки антенн, состояние антенно-волноводного тракта, правильность исходного профиля трассы.

Определяем мощность сигнала на входе приемного устройства при распространении в свободном пространстве.

(49)

где (/4R)²=W₀ - ослабление в свободном пространстве.

Величину Р_опр удобно выражать в децибелах.

где:

Р_пер - дано в децибелах относительно Ватта.

g_пер = 10lgG_пер

g_пр = 10lgG_пр

=10lg

Определяем минимальную мощность сигнала на входе приемного устройства:

(50)

При малых углах отражения, p(g)1, V_линдоп определяем по формуле (18) или по графику раздел 6 рисунок 2:

Расчетное значение Р_пр сравните с номинальным значением Р_{ном пр} и сделайте выводы, а также сравните Р_{пр min} c порогом включения замещающего генератора для АРРЛ.

Список литературы

1. Маглицкий Б.Н. Расчет качественных показателей цифровых радиорелейных линий: практикум по дипломному проектированию [для направления 210400 «Телекоммуникации»] / Б.Н. Маглицкий. - Новосибирск: Изд-во ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2009

2. Носов В.И. Распространение радиоволн и проектирование радиорелейных линий прямой видимости: учеб. пособие [для вузов] / В.И. Носов. - Новосибирск: Изд-во ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2011

Размещено на Allbest.ru