Расчет радиорелейной линии прямой видимости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1 Выбор и расчет трассы РРЛ связи и мест расположения РРС

2 Расчет высоты подвеса антенны

3 Расчет КПД антенно-фидерного тракта

4 Расчет уровней принимаемых сигналов и шумов в канале ТВ ствола

5 Расчет устойчивости РРЛ ПВ

6 Частотный план РРЛ

Заключение

Список сокращенных слов

Список использованных источников

Приложение А (обязательное)

Введение

Радиорелейная связь - один из видов наземной радиосвязи, основанный на ретрансляции радиосигналов. В зависимости от используемого вида распространения радиоволн РРЛ можно разделить на две группы: прямой видимости и тропосферные. РРЛ прямой видимости являются одним из основных наземных средств передачи сигналов телефонной связи, программ звукового и ТВ вещания, цифровых данных и других сообщений на большие расстояния с высоким качеством и большой надежностью.

В 1932-1934 гг. в СССР была разработана приёмопередающая аппаратура, работающая на метровых волнах, и созданы опытные линии связи Москва-Кашира и Москва-Ногинск. Первое отечественное оборудование «Краб», используемое на линии радиорелейной связи через Каспийское море, между Красноводском и Баку (1953-1954 гг.), работало в метровом диапазоне.

В середине 50-х годов прошлого века в России было разработано семейство радиорелейной аппаратуры «Стрела», работавшей в диапазоне 1600-2000 МГц. Следующая разработка для РРЛ - аппаратура Р-60/120. Она была построена в различных районах СССР и одной из первой и, пожалуй, самой протяженной была линия Москва - Ростов-на-Дону. Оборудование типа Р-60/120, работавшее в диапазоне 2 ГГц, было предназначено для внутризоновых РРЛ.

Первой отечественной радиорелейной системой магистральной радиорелейной связи была система Р-600, работающая в диапазоне 4 ГГц. Первая магистральная радиорелейная линия Ленинград - Таллин, оборудованная аппаратурой Р-600, была построена в 1958 году.

В период 1960-1970 гг. были разработаны, произведены и внедрены в эксплуатацию новые виды оборудования семейства Р-600: Р-600М, Р-600-2М, Р-600-2МВ и «Рассвет», также работающие в диапазоне 4 ГГц.

Важнейшей разработкой, проводившейся в СССР в середине 60-х годов, было создание магистральной радиорелейной системы большой емкости «Восход». Она предназначалась, в первую очередь, для РРЛ Москва-Дальний Восток. СВЧ приемопередающая аппаратура «Восход» работала в полосе частот 3400-3900 МГц.

Следующим важным этапом в развитии техники радиорелейной связи стала разработка в 1970 году комплекса унифицированных радиорелейных систем связи «КУРС». Комплекс охватывал четыре системы связи, работающие в диапазонах 2, 4, 6 и 8 ГГц. Аппаратура КУРС-4 и КУРС-6 отличались от предыдущих разработок своей компактностью.

Последней разработкой в СССР для магистральной радиорелейной связи было создание нового поколения «Радуга», работающая в диапазонах 4 и 6 ГГц.

Основной задачей, которую приходится решать при моделировании РРЛ связи, является такой выбор мест установки радиорелейных станций, при котором обеспечивается высокий и стабильный уровень высокочастотных сигналов на входах приемников всех станций. При этом надежность и качество связи моделируемой РРЛ полностью должны удовлетворять заданным нормам на ее качественные показатели.

В процессе проектирования необходимо выполнить выбор трассы РРЛ связи и мест расположения станций РРЛ; расчет высоты подвеса антенн; расчет уровней принимаемых сигналов и шумов в канале ТВ ствола, расчет устойчивости.

1. Выбор и расчет трассы РРЛ связи и мест расположения РРС

Первым этапом процесса проектирования является выбор оптимальной трассы, числа и места расположения промежуточных станций по топографической карте. Отметим, что трассой называется расположение РРЛ связи на местности или карте. Выбор трассы - определение места расположения узловых и промежуточных станций, а следовательно, определение числа интервалов линии и их протяженности, расстояние которых не должно превышать 50 км, при заданных оконечных пунктах РРЛ.

Основные условия при выборе РРЛ и мест расположения РРС:

- близость к населенным пунктам, т.к. это обеспечивает удобство подведения электропитания, удобство доступа обслуживающего персонала и ремонтных бригад; для техники это обеспечивается легкими подъездными путями;

- РРС должны располагаться по возможности на возвышенностях (высота может быть значительно меньше антенно-мачтовых сооружений (АМС), что экономически выгодно), т.к. обеспечивает часть защиты от воздействия окружающей среды, например, при различных наводнениях станция будет незатопленной;

- РРС должны располагаться зигзагообразно (трасса РРЛ должна иметь зигзагообразную форму);

- трасса РРЛ в идеале должна проходить над лесом и по возможности избегать водной поверхности, чтобы не было отраженных волн.

При проектировании трассы РРЛ выбрали наиболее подходящую, согласно вышеперечисленным условиям. В результате получили, что РРЛ состоит из трех пролетов на участке «Павлов-Ясногорск», на аппаратуре КУРС-4 с антенной АДЭ-5. После предварительного выбора трассы на карте обозначаем места, в которых намечается расположение ОРС и ПРС.

Для построения профиля необходимо учитывать кривизну земной поверхности. На распространение радиоволн вблизи поверхности земли влияют вертикальные изменения в показателе преломления атмосферы. По причине рефракции радиоволны проходят по изогнутым путям в вертикальной плоскости. Величина кривизны пути меняется со временем из-за изменения давления, температуры радиолуча и изгибается так, что имеет форму дуги, выгнутой к земле, и радиогоризонт расширяется. Однако, когда градиент рефракции увеличивается, траектория луча изгибается в обратную сторону, что приводит к уменьшению радиогоризонта. Когда трасса радиосвязи проходит низко над поверхностью земли могут появиться дополнительные дифракционные потери на наземных препятствиях. Например, если ось луча только касается препятствия, затухание сигнала может составить от 6 до 20 дБ, в зависимости от типа поверхности. В критических случаях препятствие может фактически закрывать весь радиолуч. В это случае пропадает прямая видимость между передающей и приемной антеннами и принимаемый сигнал может стать настолько слабым, что РРЛ перестанет функционировать.

Одна из самых главных задач при проектировании РРЛ связи - выбрать высоты антенн так, чтобы потеря прямой видимости между ними было чрезвычайно редким событием.

По заданию имеем масштаб равный 1:500000 (1 см = 5 км). Производим построение дуги земной кривизны. Линия, изображающая на профиле уровень моря (линия земной кривизны) или условный нулевой уровень (условный горизонт) и имеющая вид параболы, рассчитывается по формуле:

где Y - текущая координата дуги нулевого уровня, м;

R₀ - протяженность интервала, км;

R₁ - расстояние от левого конца интервала, км, до точки, в которой определяется величина Y, км;

R_з = 6370 км - радиус Земли

Для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

По полученным ординатам строят в выбранном масштабе дугу земной кривизны.

После предварительного выбора трассы и после того, как рассчитали дуги кривизны Земли, необходимо построить профиль интервалов. Профиль интервала представляется в виде вертикального разреза местности по линии, соединяющей две соседние РРС. При этом на профиль наносятся все высотные отметки, включая строения, лес и т.д., водные поверхности: реки, болота, озера и др. Построение продольного профиля интервала надо начинать с построения дуги земной кривизны (линии уровня моря или условного нулевого уровня) в виде параболы. Затем от точек дуги, соответствующих относительным координатам рельефа интервала, восстанавливаются точки рельефа в выбранном масштабе. Причем для сокращения размеров чертежа линию земной кривизны допускается условно приподнимать на несколько десятков метров. Затем ломанной кривой соединяются точки отложенных высот рельефа местности. Таким образом строится продольный профиль рельефа местности. После этого на полученный рельеф местности наносятся препятствия.

2. Расчет высоты подвеса антенны

Высоты подвеса антенн рассчитываются для случая отсутствия рефракции. Рефракция - это изменение направления распространения радиоволн в неоднородной среде, показатель преломления которой зависит от координаты времени. При расчете высот подвеса антенн необходимо, чтобы отсутствовала экранировка препятствиями минимальной зоны Френеля, так как это приводит к ухудшению связи. Напряженность поля в точке приема, созданная всеми вторичными излучателями, расположенными внутри минимальной зоны Френеля, численно равна напряженности поля свободного пространства. Минимальная зона Френеля представляет собой эллипсоид вращения с фокусами в точках приемной и передающей антенн. Радиус минимальной зоны Френеля в любой точке пролета (или критический просвет) осуществляется по следующей формуле:

где k - относительная координата критической точки интервала (ед), которая находится по формуле:

где Rкр - расстояние от начала интервала до критической точки, м;

лср - средняя длина радиоволны. В 4-ГГц диапазоне лср=0,075.

Определим k для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Определим H₀ для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Нахождение H₀ было бы достаточным для дальнейшего определения высоты подвеса антенн, если бы не рефракция радиоволн. Рефракция зависит от относительной диэлектрической проницаемости воздуха, которая обозначается е. е зависит от температуры, давления воздуха, а также от давления водяных паров. Рефракция характеризуется вертикальным градиентом относительной диэлектрической проницаемости воздуха , который определяется по следующей формуле:

Рефракцию, соответствующую среднему состоянию атмосферы называют стандартной, для нее , это стандартный градиент е (как правило наблюдается днем).

При расчете курсового проекта принимаем среднее значение 1/м и отклонение 1/м.

Величина приращения просвета с учетом стандартной рефракции атмосферы определяется по формуле:

Определим ДH(g) (м) для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Величина приращения просвета с учетом отклонения определяется по формуле:

Определим для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Выбор высот повеса антенн определяется высотой просвета при нулевой рефракции , которая рассчитывается по формуле:

Определим H(0) для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Далее, исходя из вышеперечисленных расчетов, построим профиль интервала. По вершинам препятствия (критическим точкам) проведем касательную. От касательной откладываем вверх значение H(0) и проводим прямую линию, которая пересечет вертикальные линии на концах пролета., это будет высота h' Затем от H(0) откладываем вниз значения и, далее от откладываем H₀. Определяем высоты подвеса антенн по формуле:

Для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Первая часть курсового проектирования закончена, все необходимые построения профилей выполнены.

3. Расчет КПД антенно-фидерного тракта

После того, как определили высоту подвеса антенн, необходимо рассчитать КПД (коэффициент полезного действия) антенно-фидерного тракта) . КПД АФТ определяется по следующей формуле:

где - суммарное затухание АФТ, которое находится по формуле:



Для расчета необходимо знать затухание каждого элемента на рисунке 1

Рисунок 1 - Антенно-волноводный тракт. Схема принципиальная

Антенна (А) не вносит затуханий, секция штуцерная (СШ) вносит затухание 0,1 дБ, монтажный комплект изгиба (МКИ) вносит затухание 0,2 дБ, фильтр верхних волн (ФВВ) вносит затухание 0,2 дБ, корректор эллиптичности (КЭ) вносит затухание 0,1 дБ, поляризационный селектор (ПС) вносит затухание 0,2 дБ, вставка герметичная (ВГ) вносит затухание 0,1 дБ. Пользуясь перечисленными значениями, определим :

Для получения необходимо знать погонное затухание используемого волновода, длина которого равна высоте подвеса антенн. Погонное затухание для равно 1,5 дБ на 100 м в 4-ГГц диапазоне.

Для получения необходимо знать погонное затухание круглого (горизонтального) волновода. Длина круглого волновода принимается равной 15 м. Погонное затухание для равно 4 дБ на 100 м в 4-ГГц диапазоне.

Таким образом, исходя из вышеперечисленных данных, определим для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Затем, зная , определим КПД для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

4. Расчет уровней принимаемых сигналов и шумов в канале ТВ ствола

Для того, чтобы рассчитать уровень принимаемых сигналов и шумов, необходимо определить мощность сигнала на входе приемника. P_пр.0 (Вт)_. определяется по формуле:

где, - мощность сигнала на входе приемника в свободном пространстве, Вт;

- мощность передатчика, равная 0,5 Вт;

- коэффициент усиления антенны, равный 43,3 дБ (21379 раз).

Определим для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Далее определим уровень средней мощности принимаемого сигнала при влиянии профиля интервала (во время вертикального градиента диэлектрической проницаемости). Величина относительного просвета (Вт) определяется по следующей формуле:

Определим для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Зная величину , можем определить по графику на рисунке А.1 (Приложение А) . - это множитель ослабления поля от свободного пространства, показывает во сколько раз уровень напряженности поля в месте приема при влиянии профиля интервала Е отличается от напряженности поля в месте приема при распространении волны в свободном пространстве (Е₀).

Для первого пролета М=0,4, отсюда следует, что =6 дБ (2 раза). Для второго и третьего пролетов М=0,6, значит =0 дБ (1 раз).

Затем, зная , можем найти (Вт) (это величина средней мощности на входе приемника при влиянии профиля интервала), которая находится по формуле:

Определим для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Среднее напряжение сигнала на входе приемника при согласовании его с волновым фидером определяется по формуле:

где - сопротивление волнового фидера, равное 75 Ом.

Определим для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Затем необходимо рассчитать мощность теплового шума, вносимую на канале ТЧ на данном интервале. P_шт(тв) (пВт) рассчитывается по следующей формуле:

где К_тв - коэффициент ТВ канала, равный 146,4

- ослабление сигнала в пространстве (дБ), которое находится по формуле:



Рассчитаем для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Теперь необходимо рассчитать для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

5. Расчет устойчивости РРЛ

Устойчивость работы РРЛ определяется процентом времени любого месяца, в течение которого значение мощности теплового шума в канале на конце РРЛ не превышает предельно допустимых значений (P_ш.max).

Момент, когда шум в ТФ канале превысил 47500 пВт или соотношение сигнал/шум на выходе канала яркости ТВ окажется меньше -49 дБ, принято считать моментом ухудшения качества сигнала (состояние неустойчивости РРЛ). В эти моменты мощность сигнала на входе приемника равна минимально допустимому значению (P_пр.min), этому значению соответствует минимально допустимое значение множителя ослабления V_min (значение V_min на i пролете называется V_imin). Значение V_imin, при котором вносимые тепловые шумы данным i пролетом, составит 40000 пВт в ТФ стволе (а в ТВ стволе отношение сигнал/шум равно -49 дБ).

Расчет устойчивости РРЛ сводится к нахождению суммарного процента времени , при котором на пролетах РРЛ множитель ослабления свободного пространства, вследствие замирания сигнала, будет минимально допустимым. Устойчивость проектируемой РРЛ Y (%) находится по формуле:

Суммарный процент времени находится по формуле:

где - процент времени перерыва связи за счет экранирующего действия препятствий (%), который находится по графику, изображенному на рисунке А.2 (Приложение А);

- процент времени перерывов радиосвязи за счет интерференции радиоволн от поверхности (%);

- процент времени перерывов связи за счет интерференции радиоволн прямой и отраженных от слоистых неоднородностей тропосферы (%);

- процент времени перерывов связи за счет поглощения радиоволн в гидрометеорах (рассчитывается только для диапазонов 8 и 11 ГГц) (%).

Необходимо найти величину . Ее можно определить по графику, изображенному на рисунке А.2 (Приложение А) зная . Для нашего диапазона =2,5, значит .(для всех пролетов одинаковая).

Величину можно найти по формуле:

где - величина, которая находится по графику на рисунке А.3 (Приложение А), при А=0,8;

Ф - величина, равная 0,75;

- минимально допустимое значение множителя ослабления, дБ.

Расчет для ТВ ствола определяется по следующей формуле:

где R₀ - протяженность интервала (км);

(U_ш/U_р.с.) - наихудшее соотношение сигнал/шум в канале видео, ;

Т - коэффициент, зависящий от параметров аппаратуры, найденный по формуле, ед:

где - взвешивающий коэффициент, ;

- коэффициент шума приемника, 8 раз (9дБ);

- максимальная частота видеосигнала, равная 6 МГц;

- эффективная девиация частоты, равная 4 МГц.

Рассчитаем коэффициент Т для трех интервалов, так как коэффициент усиления антенн одинаковый:

После расчета коэффициента T, определим V_imin (дБ) для первого интервала:

для второго интервала:

для третьего интервала:

Затем можем рассчитать для первого интервала, при = 0,01:

Так как значение под корнем получилось отрицательным, то = 0.

Рассчитаем для второго интервала при =0,1:

Так как для 2 и 3 интервала одинаково, то тоже будет одинаковым, и так как значение под корнем получилось отрицательным, то =0.

Процент времени перерывов связи за счет интерференции радиоволн прямой и отраженных от слоистых неоднородностей тропосферы (%) определяется по формуле:

где - вероятность, которая находится по графику на рисунке А.4 (Приложение А).

Чтобы определить необходимо знать , которая находится по формуле:

Рассчитаем для первого интервала:

для второго и третьего интервалов:

После того, как рассчитали , можно определить по графику величину . Для первого интервала =5, для второго и третьего интервалов =20.

Определим (%) для первого интервала:

для второго и третьего интервалов:

Далее необходимо рассчитать (%) для первого интервала:

ля второго и третьего интервалов:

Далее, зная , можем рассчитать Y. Определим Y (%) для первого интервала:

для второго и третьего интервалов:

6. Частотный план РРЛ

Под частотным планом системы РРЛ связи понимают распределение частот приема и передачи между стволами системы, а также распределение частот гетеродинов, т.е. распределение частот передачи и приема на одном стволе. Для того, чтобы эффективно использовать отводимые для РРСП полосы частот, а также для исключения взаимных помех между радиорелейными станциями и стволами данной РРС вводят определенный порядок распределения частот. В РРЛ связи применяют два типа планов распределения частот: двухчастотный план и четырехчастотный план. При двухчастотном плане на ПРС и УРС с противоположных направлений обязательно должна быть взята одинаковая частота. Двухчастотная система имеет то преимущество, что позволяет в выделенной полосе частот организовать в 2 раза больше ВЧ стволов, чем четырехчастотная, однако она требует более дорогих антенн.

В плане частот обычно указывают среднюю частоту f₀. Частоты приема стволов располагают в одно половине выделенной полосы, а частоты передачи - в другой. При такой делении получают достаточно большую частоту сдвига, чем обеспечивают достаточную развязку между сигналами приема и передачи, поскольку РФ приема (или РФ передачи) будут работать только в половине всей полосы частот системы. При этом можно использовать общую антенну для приема и передачи сигналов. В случае необходимости получают дополнительную развязку между волнами приема и передачи в одной антенне за счет применения разной поляризации. На РРЛ используют волны с линейной поляризацией: вертикальной и горизонтальной. Станцию, на которой частоты приема расположены в нижней (Н) части выделенной полосы, а частоты передачи в верхней (В) - обозначают индексом «НВ». На следующей станции частота приема окажется выше частоты передачи, а такую станцию обозначают индексом «ВН».

По заданию дан двухчастотный план с индексом «НВ». Для 4-ГГц диапазона f₀₌ 3653,5 МГц. Расстояние между соседними стволами равно 28 МГц, границы диапазона 3400-3900 МГц.

План расчета частот стволов:

радиорелейная линия частотный

Рисунок 2 - Схема частотного плана РРЛ для диапазона 4 ГГц

Рисунок 3 - Одночастотная система распределения частот на участке РРЛ для 4 ГГц

Заключение

В ходе курсовой работы была построена радиорелейная линия прямой видимости. Выбранная аппаратура позволила организовать связь между пунктами «Павловск-Ясногорск», которая удовлетворяет всем поставленным требованиям. При выборе мест расположения станций были учтены все необходимые требования. В результате расчетов получили, что Y= 99,4% и 99,399%, что означает, что построенная радиорелейная линия связи прямой видимости очень устойчива, близка к 100%.

Список сокращенных слов

АФТ - антенно-фидерный тракт

ВЧ ствол - высокочастотный ствол

КПД - коэффициент полезного действия

ОРС - оконечная радиорелейная станция

ПРС - промежуточная радиорелейная станция

РРЛ ПВ - радиорелейная линия прямой видимости

РРС - радиорелейная станция

РРСП - радиорелейные системы передачи

СВЧ аппаратура - сверхвысокочастотная аппаратура

ТВ вещание - телевизионное вещание

ТФ канал - телефонный канал

УРС - узловая радиорелейная станция

Список использованных источников

1. Быховский, М.А. Основы проектирования радиорелейных линий связи: учебное пособие / Быховский М.А., Кирик Ю.М., Носов В.И., Сахаров О.Ю., Сорокин А.С., Сорокин Н.Б. - Москва: МТУСИ и СибГУТИ, 2014. - 332 с.

2. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://ru.Wikipedia.org, свободный.

3. СТО 1.01 -- 2015. Работы и проекты курсовые и дипломные, отчеты технические: правила оформления. - Введ. 2015. - 20. 05. - Архангельск. - 59 с.

4. Поисковая система интернета [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://google.ru, свободный.

Приложение А

(обязательное)

В процессе проектирования были использованы следующие графики:

Рисунок А.1 - Зависимость множителя ослабления от параметров и величины относительного просвета P(g)

Рисунок А.2 - График для определения процента времени перерыва связи за счет экранирующего действия препятствий



Рисунок А.3 - График функции

Рисунок А.4 - График для определения вероятности

Размещено на Allbest.ru