Цифровая радиорелейная станция и расчет ее параметров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники»

Кафедра систем телекоммуникации

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Спутниковые и радиорелейные системы передачи»

По теме «Цифровая радиорелейная станция и расчет ее параметров»

Выполнил:

Винникова О.М.

Минск БГУИР 2017



Введение

Радиорелейные системы передачи (РРСП) - это такие системы, в которых для обеспечения связи между двумя пунктами используются электромагнитные колебания очень высокой частоты. Они относятся к фиксированным радиосистемам. В этих системах каналы связи реализуются посредством радиорелейных станций (РРС). При разме­щении соседних станций на расстоянии, обеспечивающем радиосвязь пря­мой видимости, образуются радиорелейные линии (РРЛ) прямой видимо­сти. Радиорелейные системы передачи включают в себя совокупность тех­нических средств и среду распространения для организации радиорелей­ной связи.

За исключением нескольких систем, рассчитанных на полосы частот 70 - 80 и 400 - 470 МГц, все остальные радиорелейные системы работают на частотах выше 2 ГГц.

Исходные данные:

Пропускная способность Е1(2048бит/с)

Рабочий диапазон частот 8 ГГц,11 ГГц

Длина интервала 40 км

Уровень мощности прд. 20 дБм

Вид модуляции QPSK (квадратурная 4ФМ)

Коэффициент усиления антенны 34 дБ

Коэффициент шума МШУ 2,0 дБ

Коэффициент расширения полосы 1,25

Скорость кода 7/8.



1. Структура построения и принцип работы цифровой радиорелейной станции

1.1 Общая характеристика радиорелейных систем с цифровой обработкой сигналов (назначение, достоинства, недостатки, функциональные возможности, укрупненная структурная схема)

Радиорелейные системы передачи (РРСП) - это такие системы, в которых для обеспечения связи между двумя пунктами используются электромагнитные колебания очень высокой частоты. Они относятся к фиксированным радиосистемам. В этих системах каналы связи реализуются посредством радиорелейных станций (РРС). При размещении соседних станций на расстоянии, обеспечивающем радиосвязь прямой видимости, образуются радиорелейные линии (РРЛ) прямой видимости. Радиорелейные системы передачи включают в себя совокупность технических средств и среду распространения для организации радиорелейной связи.

Рисунок 1.1 - Укрупненная схема радиорелейной системы передач

Радиорелейная связи сочетает в себе достоинства как радиосвязи, так и проводной многоканальной связи и занимает промежуточное положение: многоканальные сигналы передаются и принимаются средствами радиосвязи, но формируются, особенно при частотном уплотнении средствами проводной связи. При этом радиорелейные линии обеспечивают такое же качество связи и достоверность передачи информации, как и линии проводной дальней связи.

Радиорелейная связь получила широкое распространение во всех областях народного хозяйства, а также в вооруженных силах для управления войсками.

Радиорелейные линии широко используются для коммерческой связи и для обмена программ вещания и телевидения между различными странами всех континентов.

Достоинство радиорелейной связи:

-- возможность организации многоканальной связи и передачи любых сигналов, как узкополосных, так и широкополосных;

-- возможность обеспечения двухсторонней связи (дуплексной) связи между потребителями каналов (абонентами);

-- возможность создания 2-х проводных и 4-х проводных выходов каналов связи;

-- узконаправленность излучения антенных устройств;

-- сокращение времени организации связи в сравнении с проводной связью.

Недостатки радиорелейной связи:

--необходимость обеспечения прямой геометрической видимости между антеннами соседних станций;

-- необходимость использования высокоподнятых антенн;

-- использование промежуточных станций для организации связи на большие расстояния, что является причиной снижения надежности и качества связи;

-- громозкость аппаратуры;

-- сложность в строительстве радиорелейных линий в труднодоступной местности.



1.2 Структурная схема и принцип функционирования внутреннего блока цифровой РРСП

Несмотря на широкую номенклатуру цифровых радиорелейных станций, концепция их построения применительно к внешнему и внутреннему блокам, во многом схожа.

На рисунке 1.2 приведена типовая структурная схема внутреннего (модемного) блока оконечной цифровой радиорелейной станции.

Рисунок 1.2 - Структурная схема модемного блока цифровой системы

Внутренний блок IDU состоит из передающего и приемного трактов. Установленные на входе и выходе этих трактов интерфейсы служат для согласования параметров IDU с транспортными линиями. В зависимости от пропускной способности и варианта применения ЦРРСП интерфейсы блока IDU могут быть электрическими или оптическими. Принятые цифровые потоки данных преобразуются из квазитроичного кода HDB-3в двоичный код NRZ и проходят устройства регенерации цифровых сигналов. Регенераторы исключают линейные искажения, внесенные кабелем, выделяют тактовую частоту цифровых потоков и восстанавливают амплитуду, длительность и фронт импульсной последовательности с помощью решающего и формирующего устройств.

После регенерации цифровые потоки объединяются в программируемом мультиплексоре 3 (MUX). В нем объединяются также сигналы служебной связи, телеуправления и синхронизации, которые поступают от блока вспомогательных сигналов 13. В состав MUX может входить преобразователь кода, предназначенный для преобразования одного вида цифровой последовательности в другой, например, в относительный код. Объединенные данные считываются с буферной памяти мультиплексора в последовательном коде и поступают на устройства цифровой обработки и модуляции.

Скремблер формирует из принятого цифрового сигнала псевдослучайную последовательность, у которой количество нулей и единиц в потоке примерно равное. Благодаря скремблированию, упрощается процедура выделения тактовой частоты на приемной стороне и обеспечивается на выходе передатчика равномерный спектр радиосигнала. Последний показатель позволяет улучшить электромагнитную совместимость радиосредств.

Канальный кодер 5 служит для повышения помехоустойчивости системы и предполагает внесение по определённому алгоритму проверочной информации. Кодирование может быть одноступенчатым или двухступенчатым (с использованием сверточного и блочного кодов). За счет внесения избыточности при кодировании на приёмной стороне осуществляется обнаружение и прямое исправление ошибок, благодаря чему улучшается достоверность приема. В результате кодирования снижается требуемое значение ОНШ, при котором достигается заданная вероятность ошибки на бит. Выигрыш в ОНШ от кодирования может составлять 6…8 дБ. Для улучшения работы декодеров в кодере 5 производится временное перемежение бит или символов цифрового потока. На приёмной стороне деперемножитель переводит групповые ошибки, возникшие на радиолинии, в одиночные.

После помехоустойчивого кодирования цифровой поток поступает на модулятор 6, который формирует радиосимволы на промежуточной частоте (например, на fн 310МГц) с длительностью ТC. Каждый радиосимвол (радиопосылка) содержит сведения о составе группы переносимых им бит информации. Число бит в группе зависит от порядка модуляции M. Если используется квадратурная QPSK (4-QАМ), фазовая4-Ф Мили относительная DQPSK модуляция, то амплитуда радиосимволов постоянна и два переносимых ими бита информации отображаются одним из четырех значений фаз. При М-QAM(M<4) для отображения состава бит в радиосимволах задействованы разные начальные фазы и амплитуды радиосигнала. В модуляторах форматов 16-QAMи64-QAM для передачи 4 и соответственно 6 бит информации используется 16 и 64 различных признака. На выходе модулятора присутствуют две боковые полосы частот, спектр которых ограничен полосовым фильтром 7. Причем несущая для снижения мощности передаваемого радиосигнала подавлена на 30…40 дБ.

Далее радиосигнал на промежуточной частоте поступает через устройство разделения и объединения сигналов 9 по соединительному кабелю на внешний блок. Кроме того, на устройство объединения 9 с устройства формирования управляющих сигналов (УФУС) поступают сигналы для управления режимами блока ODU и напряжение 48 В для питания внешнего блока. Сигналы управления передаются на блок ODU путем модуляции низкочастотной несущей в диапазоне частот 6…8 МГц.

В приемном тракте IDU происходит выделение радиосигнала с промежуточной частотой 70 МГц. Этот сигнал доставляется по соединительному кабелю от внешнего блока и проходит через электронный ключ (ЭК), полосовой фильтр 18, корректор 19, усилитель 20 (УПЧ) и поступает на демодулятор 21. ЭК позволяет перевести IDU в режим контроля его устройств передачи и приема, если блок ODU отключен или уровень принимаемых сигналов на его входе недостаточен.

В режиме контроля включается смеситель 15 и генератор «шлейфа» 14 с частотой 380 МГц, которые формируют из поступившего сигнала 310 МГц сигнал с частотой 70 МГц. Если в режиме контроля выходной уровень на стороне приёма соответствует норме, то все устройства блока IDU исправны.

В демодуляторе 21 выделяется цифровая последовательность и восстанавливается форма двоичных импульсов. В декодере 22 осуществляется обнаружение и исправление ошибок. При одноступенчатом декодировании, например, с помощью декодера сверхточного кода (декодер максимального правдоподобия Витерби с мягким принятием решения о символе) осуществляется исправление ошибок, начиная с P_ОШ 7 102, и получение на его выходе значений P_ОШ 2 104. Для меньших значений P_ОШ на входе декодера его исправляющая способность еще выше. Если используется декодирование по алгоритму Рида - Соломона, то эффективное исправление блочных ошибок начинается со значений P_ОШ 103. В случае каскадного двухступенчатого декодирования с последовательным включением декодеров Витерби и Рида - Соломона их исправляющая способность такова, что на выходе второй ступени P_ОШ 1011.

Это значение соответствует квазибезошибочному приему, поскольку при потоке в 30 Мбит/с совершается только одна ошибка за час.

Последующие устройства тракта приема IDU выполняют задачи обратные задачам тракта передачи.

Центральное место в блоке IDU занимает микропроцессор (МП). Он управляет работой всех основных устройств блока, позволяет вести контроль параметров и отображать на ПК конфигурацию РРЛ. Контроль всех параметров аварийных сигналов, показателей качества ЦРРСП ведётся без перерыва связи. При управлении конфигурацией оборудования РРЛ возможна программная установка параметров блоков и станций, замена рабочего ствола на резервный, организация контроля в режимах шлейфов по ПЧ и СВЧ. Контролируемые параметры и события запоминаются и выводятся через процедуру фильтрации на монитор. В частности, регистрируются такие события, как изменение состояния, появление аварии, восстановление после аварии, изменение параметров. Технические показатели могут выводиться как в табличном, так и в графическом виде.

1.3 Структурная схема и принцип функционирования внешнего блока цифровой РРСП

ODU представляет собой приемопередающий модуль (трансивер) с процессорным изменением его частоты настройки и выходной мощности передатчика (рисунок 1.3). Диапазон изменения выходной мощности равен 20...30 дБ, шаг изменения 1...3 дБ. Максимальные значения выходной мощности различных моделей ЦРРСП находится в пределах 0,1…1,0 Вт. В качестве разделительных устройств сигналов приема и передачи используют поляризационный селектор 3 (в ряде моделей циркулятор) и блок частотных развязок 1.

Приемный тракт ODU строится по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты и малошумящим усилителем 6 на его входе. Полосовой фильтр 4 снижает уровень мощности передатчика (из-занеидеальности ПС) и помех, попадающих на вход приемника, а также ограничивает просачивание мощности гетеродина с частотойfГ1 на его вход до значений-120...-130дБм.

Частотный разнос между несущими передачи и приема соответствует плану распределения частот. Смеситель частоты 7 является балансным или двойным балансным с компенсацией шумов гетеродина и некоторых нежелательных составляющих преобразования. Первая промежуточная частота выбирается высокой f_ПЧ1 0,5 1,0 ГГц, что позволяет простыми средствами обеспечить должный уровень подавления помех по зеркальному каналу до значений а_ЗК 60 дБ. Требуемые частоты гетеродинов f_Г1 и f_Г2 формируются в синтезаторе частоты 12 под действием команд с устройства выделения управляющих сигналов 14. Долговременная нестабильность частоты гетеродина обычно 10-⁵…5·10-⁶.

Рисунок 1.3 - Структурная схема внешнего блока цифровой станции

Основное усиление ВЧ-тракта реализуется в усилителе промежуточной частоты 8. Необходимая ширина полосы пропускания ВЧ-тракта обеспечивается за счёт частотной избирательности УПЧ и полосового фильтра 10. Этот фильтр обычно выполнен на поверхностных акустических волнах и настроен на стандартную частоту f_ПЧ270 МГц.

В тракте передачи блока ODU радиосигнал на промежуточной частоте 310 МГц проходит устройства линейной коррекции 23, фильтрации 22 и усиления 21. В смесителе частоты 20 производится конвертация сигнала ПЧ на выходную частоту передачи. Процесс преобразования частоты в смесителе (обычно балансном) осуществляется благодаря воздействию сигнала гетеродина, поступающего от синтезатора частоты. При настройке блока на новый канал эта частота гетеродина изменяется одновременно с частотой f_Г1, подаваемой на См 1. В результате преобразования на выходе См 4 образуются две боковые полосы (если не используется смеситель с компенсацией боковой полосы), одна из которых пропускается перестраиваемым полосовым фильтром ПФ 4. После фильтрации выходной сигнал усиливается в СВЧ-усилителе 24 с низким уровнем нелинейных искажений. Его коэффициент передачи изменяется по командам с устройства управления 14, что необходимо для адаптивной регулировки уровня выходной мощности при наличии потерь на радиолинии. Чтобы исключить возможный выход из строя усилителя СВЧ при повышенных на его выходе уровнях мощности, предусматривается устройство защиты выходных СВЧ каскадов от перегрузки. В состав устройства защиты входят направленный ответвитель 25, амплитудный детектор 26 и усилитель постоянного тока 27. Работа устройства основывается на том, что в случае превышения допустимых значений выходной мощности по цепи обратной связи осуществляется автоматическое уменьшение коэффициента передачи усилителя 21 и снижение выходной мощности передатчика.

Контроль работоспособности устройств внешнего блока при отсутствии сигнала на входе приемника производится путем включения СВЧ-шлейфа по команде с УРУС. В шлейф входят два направленных ответвителя 5 и 16 с ослаблением в 40 дБ, смеситель частоты 18 и электронный ключ 17. Смеситель 18 посредством сигнала с частотой сдвига конвертирует, снятую с помощью ответвителя 16, малую часть выходной мощности с частотой передачи в сигнал с частотой приема. Образованный уровень сигнала на входе МШУ примерно равен-60дБм.

Для снижения уровня внеполосных помех, образованных в тракте передачи, на выходе УСВЧ устанавливается многозвенный полосовой фильтр 11 с требуемой АЧХ. Обычно необходимо, чтобы спектральные компоненты, отстоящие от центральной частоты канала (радиоствола) на величину, равную символьной скорости BC, были ослаблены не менее чем на 37 дБ. Уровень побочных излучений на частотах, отстоящих от центральной частоты канала на ПЧ (310 МГц) и 2 ПЧ (620 МГц) должны быть менее -60 и -90 дБм соответственно.

Контроль работоспособности отдельных устройств ODU осуществляется с помощью подключенных к ним датчиков. Снятая с датчиков информация, поступает на вспомогательный низкочастотный модулятор (с частотой несущей 4…8 МГц) устройства разделения и объединения сигналов 15 и после него по коаксиальному кабелю на блок IDU. Напряжение питания (40…48 В), поданные с IDU, трансформируется в преобразователе напряжения (ПН) до номинального значения (обычно равного +7 и -7В).



2. Расчет системных показателей цифровой РРСП

2.1 Ширина полосы ВЧ-тракта и частотный разнос между радиостволами

Ширина полосы радиотракта опрделяется по следующей формуле 1:

(1)

где - общая скорость сигнала бит/с;

- коэффициент расширения полосы радиотракта;

- кратность модуляции;

- относительная скорость кодирования.

Для моего варианта получаем:

МГц;

Частотный разнос между радиостволами между соседними каналами определяется по полученному значению Величина , кратна 3,5 МГц.

1463 МГц. (2)

2.2 Спектральная эффективность

Спектральная эффективность характеризует меру использования полосы частот радиотракта ЦРРСП для передачи требуемого объема данных и определяется по формуле:



,(бит/с)/Гц(3)

(бит/с)/Гц;

2.3 Диаметр антенны и ее пространственная избирательность

Диаметр антенны определяется по формуле 4, обычно она составляет 0,3…1,8 м:

, м. (4)

где - рабочая частота, ГГц;

- коэффициент использования поверхности зеркала антенны (для потока Е1 возьмем прямофокусную антенну и ) ;

максимальное усиление антенны равное 34 дБ.

Пространственая избирательность антенны определяется при по формуле:

(5)



2.4 Требуемое отношение несущая/шум (ОНШ)

Минимальное необходимое значение ОНШ на входе приемника при квадратурной фазовой модуляции и скорости кода 7/8, m=2 определяем следующим образом:

При использовнаиии кодирования сверхточным кодом и многопозиционной фазовой модуляции 4ФМ.

(6)

при

при



2.5 Пороговая чувствительность приемника

Пороговая чувствительная приемника характеризует минимальный уровень входного сигнала, при котором на его выходе обеспечивается допустимая вероятность ошибок , где - число ошибочных бит за время t.

, (7)

где - требуемое отношение мощности сигнала на частоте несущей к мощности шума, при котором реализуется заданное значение

- коэффициент шума приемника.

- коэффициент шума приемника, измеренный в точке соединения с фидером антенны. На частотах до 10 ГГц составляет 3,5…5 дБ и определяется по формуле 8:

(8)

где - коэффициент шума МШУ равен 2,0 дБ.

- потери входной мощности в пассивных высокочастотных устройствах приемника и берется приблизительно 1,5…4,5 дБ. За расчетное значение возьмем 2 дБ.

,

,



2.6 Уровень собственных шумов приемника

Уровень собственных шумов приемника определяем по формуле 9

(9)

где - защитное отношение и при снижении ОНШ.

На 1 дБ

На 3 дБ

2.7 Коэффициент системы

Коэффициент системы (или коэффициент её усиления) характеризует энергетический потенциал приемопередающего оборудования по компенсации потерь на интервале радиолинии при условии обеспечения заданных значений и определяется по формуле 10:

(10)

где - уровень мощности радиосигнала на выходе передатчика и равен 20 дБ.



2.8 Энергетический выигрыш от кодирования

Энергетический выигрыш от кодирования характеризует меру снижения требуемого ОНШ за счет коррекции ошибок при обеспечении заданной достоверности приема:

(11)

Для типовых режимов и видов помехоустойчивого кодирования с кодом Рида - Соломона или сверхточным кодом выигрыш может составлять около 4…5 дБ.



3. Уровни сигналов и помех на входе приемника

3.1 Средний уровень сигнала при его распространении в свободном пространстве

Средней уровень сигнала на входе приемника открытого интервала определяется на основании уравнения передачи:

(12)

где - уровень мощности передатчика на входе фидерного тракта,

- усиление передающей и приемной антенны,

- потери в фидерных устройствах на стороне передачи и приема, дБ;

- потери мощности сигнала в свободном пространстве и атмосфере соответственно, дБ.

-64,528

3.2 Уровень сигнала с учетом потерь в атмосфере и дождях

Потери в фидерном тракте зависят от способа размещения оборудования станций. При их размещении у основания опоры потери составляют:

(13)



где , -длина фидера вертикального и горизонтального участков, (15…20) м;

- погонное затухание сигнала в фидере соответствуюзщего участков, (0,08…0,1) м;

- потери в элементах базового тракта (0,5…1,2), дБ.

Для возможности передачи сигналов с горизонтальной и вертикальной поляризацией по одному фидеру используют волноводы круглого сечения.

(14)

где - рабочая частота, ГГц;

- длина интервала, км.

Атмосферные потери в основном обусловлены поглощением части передаваемой мощности в парах воды и кислороде:

(15)

где - коэффициенты поглощения мощности сигнала в парах воды и кислороде.

Значение определяются по следующем формулам:

Для значения 8ГГц:

Для значения 11 ГГц:

3.3 Энергетический запас на замирание

Отношение средней мощности сигнала к мощности шума на входе приемного устройства составляет

(16)



По полученным значением определим энергетический запас на плоские замирания который характеризует диапазон возможных изменений уровней входных сигналов на приеме в условиях эксплуатации системы:

(17)

3.4 Допустимый уровень одиночной помехи на входе приемника

Допустимый уровень одиночной помехи я определила по формуле 9

(18)

Значение защитных отношений устанавливают по величине ухудшения ОНШ приемника под действием помех (обычно в приделах 1…3 дБ).

На 1 дБ

На 3 дБ



Рисунок 3.1 - Изображение линии действия помехи.

3.5 Диаграмма уровней

Рисунок 3.2 - Диаграмма уровней сигналов, проходящих через путь передачи от передатчика к приемнику.



4. Таблица результатов расчета

Таблица 1

Параметр	Рассчитанное значение
Ширина полосы ВЧ-тракта	1462,86 МГЦ
Частотный разнос между радиостволами	1463 МГц
Спектральная эффективность	(бит/с)/Гц
Диаметр антенны 8 ГГц 11 ГГц
Пространственая избирательность антенны 8 ГГц 11 ГГц	дБ дБ
Минимальное необходимое значение ОНШ	9,92 дБ 10 дБ
При использовнаиии кодирования сверхточным кодом и модуляции 4ФМ.	5,12 дБ 7,46 дБ
Пороговая чувствительная приемника	1007,89 дБ 1008,79 дБ
Уровень собственных шумов приемника 1 дБ 3 дБ	1006,29 дБ 1000,29 дБ
Коэффициент системы
Энергетический выигрыш от кодирования	4,22 дБ
Средней уровень сигнала на входе приемника 8 ГГц 11 ГГц	64,528
Потери в фидерных устройствах	3,33 дБ
Потери мощности сигнала в свободном пространстве 8 ГГц 11 ГГц
Потери мощности сигнала в атмосфере 8 ГГц 11 ГГц
Энергетический запас на замирание

радиорелейный цифровой сигнал приемник



Заключение

В данной контрольной работе я научилась расчитывать параметры необходимые для правельной работы систем РРСП, а также наглядно просмотреть распростронение сигнала в тракте передаче при помощи диаграммы и просмотреть изменение сигнала при использовании квадратурной фазовой модуляции.



Литература

1. ЭРУД по СиРРСП

2. Методическое пособие по курсовому проектированию по дисциплине “СиРРСП” В.В. Муравьев, Э.Б. Липкович 2011 г.

Размещено на Allbest.ru