Случай использования критериев, ограничивающих уровень помех на выходе канала, вызванных влиянием мс

Практически критерии ЭМС такого рода действуют лишь для основных радиосистем аналогового типа. Из них наиболее распространены системы с частотной модуляцией для передачи сигналов многоканальной телефонии с частотным разделением каналов (системы типа ЧРК-ЧМ) и телевизионных программ с помощью оборудования, соответственно, телефонных и телевизионных стволов. В соответствии с Рекомендациями МСЭ на выходах каналов таких систем установлены максимально допустимые значения уровня помех, вызванных влиянием МС, которые могут превышаться в течение определенных малых процентов времени. Реальные проценты времени превышения максимально допустимой мощности помех из-за влияния МС на выходе любого канала телефонного ствола рассчитывают по утвержденным существующим методикам. Однако, в случае известных законов распределения быстрых и медленных замираний ПС и МС можно математически строго рассчитать реальные проценты времени превышения максимально допустимой мощности помех из-за влияния МС на выходе любого канала телефонного ствола и после сравнения этого процента с максимально допустимым сделать вывод о наличии или отсутствии ЭМС двух рассматриваемых систем [17,18].

При проектировании сетей радиосвязи различного назначения и решении многих других задач теории ЭМС одной из главных задач является определение минимально допустимых территориальных разносов (ТР) потенциально несовместимых с точки зрения ЭМС радиопередатчиков и радиоприемников совмещаемых служб (радиослужб, совместно использующих определенные полосы частот) при различных частотных разносах (ЧР) и при различных вариантах взаимной ориентации их антенн, характеризуемых их угловым разносом (УР) – углом между их направлениями максимального коэффициента направленного действия. Если реальное значение ТР больше минимального требуемого значения ТР, которое называют координационным расстоянием (КР), то считается, что условия ЭМС рассматриваемых РЭС выполняются. Рассмотрим эту проблему определения КР детальнее, используя [10].

Эффективным способом достижения ЭМС РЭС является применение норм частотно-территориального разноса (ЧТР) между взаимодействующими РЭС.

Нормы ЧТР представляют собой совокупность взаимосвязанных значений КР, ЧР и УР рассматриваемых РЭС, при которых обеспечивается ЭМС этих РЭС. Следование нормам ЧТР позволяет определять конкретные рабочие частоты (присвоения) приемопередатчиков РЭС совмещаемых служб на определенной территории. Кроме того, нормы ЧТР позволяют более конкретно сформулировать требования к характеристикам направленности и ориентации антенн взаимодействующих РЭС при заданных рабочих частотах. Определение норм ЧТР производится из условия выполнения критерия ЭМС (КЭМС) с учетом случайных флуктуаций уровней ПС и МС (замираний) в процессе их распространения.

В используемых на практике методиках расчетов ЭМС распределения вероятностей уровней ПС и МС на входе приемника обычно задаются эмпирически в виде моделей распространения радиоволн, построенных на основании результатов многолетних измерений. Так, например, в службах подвижной связи и радиовещания распределение уровней ПС и МС сигналов принимается логнормальным c определенным диапазоном параметров этого распределения[29?]. Критерии ЭМС в системах радиосвязи (см. раздел Пр. 3.2), как правило, определяют процент времени Тп доп., в течение которого показатель ухудшения качества приема из-за влияния МС в любом рецепторе системы D может превышать допустимое значение Dдоп. При этом условие выполнения ЭМС имеет вид: Tп (D>Dдоп.) < Тп доп. Для аналоговых систем наземной и спутниковой фиксированной связи (НФС,ФСС), по которым передаются многоканальные телефонные сигналы, критерии ЭМС нормируют в качестве допустимого показателя ухудшения качества приема D из-за влияния МС мощность помех Ртф доп на выходе телефонного канала в точке относительного нулевого уровня, которая может превышаться в течение не более, чем Тп доп % времени любого месяца. В этом случае условие выполнения ЭМС имеет вид: Tп (Ртф > Ртф доп) < Тп доп.

При передаче аналоговых телевизионных сигналов критерии ЭМС в ФСС (Фиксированной Спутниковой Службе) нормируют мощность помех Ртв доп на выходе канала изображения, а в РСС (Радиовещательной Спутниковой Службе) -- защитное отношение qтв доп на входе приемника для процента времени Тп доп. непревышения величины qтв доп.

В цифровых системах фиксированной связи в качестве критерия ЭМС используется вероятность ошибочного приема символов pош доп, которая может превышаться в течение не более чем Тп доп % времени любого месяца. При этом в критериях ЭМС могут содержаться несколько градаций показателей ЭМС в виде нескольких значений пар { pош > pош доп ; Тп доп.}. При анализе ЭМС обычно используются показатели ЭМС для малых значений Тп доп, поскольку они являются определяющими в выполнении условий ЭМС [2].

Для ряда радиослужб (СПС -- Сухопутная Подвижная Служба и НРС -- Наземная Радиовещательная Служба) в качестве критерия ЭМС используется допустимое значение напряженности поля мешающего сигнала Ем доп в точке размещения антенны станции - реципиента. В этом случае условие ЭМС имеет вид: Тп (Ем доп < Ем доп) < Тп доп , Тп (Ем > Ем доп) < Тп доп ,

где Тп (Ем .>Ем доп) – процент времени, в течение которого напряженность поля мешающего сигнала Ем может быть выше допустимого значения. В отдельных случаях в качестве критерия ЭМС может использоваться допустимое значение уровня мешающего сигнала Pм доп на входе приемника с условием ЭМС в виде: Тп(Pм > Pм доп) < Тп доп , где Тп (Pм > Pм доп) – процент времени, в течение которого уровень МС на входе приемника Pм может превышать допустимое значение Pм доп.

Конкретный расчет ЧТР всегда связан с определением значения координационного расстояния dк между источником помехи и станцией-реципиентом из выражения (3.2):

рм доп (Тм доп) = рпд м + gа пд м(α) + gа пр с(φ) - аф пд м - аф пр с – В пол – Lк = Zм (α,φ) – Lк, дБВт , (3.1)

где

Zм(α,φ) = рпд м + gа пд м(α)+gа пр с(φ) - аф пд м - аф пр с – В пол , (3.2)

В (3.1) и (3.2) обозначено:

-- рм доп(Тм доп) – допустимый уровень МС на входе приемника станции-реципиента, превышаемый в течение Тм доп % времени, дБВт; рпд м – уровень выходной мощности передатчика мешающей станции, дБВт; gа пд м(α) – коэффициент усиления передающей антенны мешающей станции под углом α, дБ; α – угол исхода МС, т.е. угол между осью диаграммы направленности антенны (ДНА) мешающей станции и направлением на станцию-реципиент; gа пр с (φ) – коэффициент усиления приемной антенны станции-реципиента под углом φ, дБ; φ – угол прихода МС, т.е. угол между осью ДНА приемной РС и направлением трассы распространения МС; Впол – выигрыш за счет поляризационной развязки, дБ; Zм – обобщенный энергетический параметр МС, зависящий от угла исхода МС α и угла прихода МС, φ, дБВт; Lк – координационные (минимально-допустимые) потери распространения МС, дБ на трассе протяженностью dм = dк, которые не должны превышаться в течение более Тм доп % времени; dк – пока неизвестное координационное расстояние (КР), т.е. минимально-допустимое значение территориального разноса между мешающей станцией и станцией-реципиентом при фиксированном значении их энергетических параметров; Впол -- дополнительное ослабление МС из-за различия поляризаций ПС и МС, дБ; аф пд м – потери в передающем АФТ мешающей станции, дБ; аф пр с - потери в приемном АФТ станции-реципиента, дБ.

Из (3.1) находятся координационные потери :

Lк = Zм(α,φ) – рм доп(Тм доп), дБ, (3.3) по значению которых с помощью кривых распространения МС вида Lм (dм,Тм) находится координационное расстояние dк:

dк = dм = [Lк,Тм доп ] , (3.4) где [Lк,Тм доп] – функция, обратная функции Lм(dм,Тм): зная рассчитанные координационные потери Lк и зависимость потерь L(d, T), которые на расстоянии d для заданной частоты f радиосигнала не превышаются лишь в течение не более T процентов времени , можно найти по упомянутой зависимости значение d = dk .

Потери распространения МС Lм (dм,Тм) зависят от высот подвеса приемной и передающей антенн, диапазона частот, в котором работают РЭС, от характеристик трасс, климатических параметров региона и имеют сложное аналитическое математическое описание. В связи с этим реализацию процедуры (3.4) при расчете ЧТР, выполняемой ручным способом, целесообразно проводить графоаналитическим способом. Для этой цели, очевидно, необходимо располагать графическим представлением функции Lм(dм,Т м).

Детальное рассмотрение этого вопроса для различных диапазонов волн дано в гл.2 [1/2].

В общем случае воздействия Nm мешающих сигналов на ПРС при использовании в качестве критерия ЭМС защитного отношения имеем:

qм = 10lg(Qм∑) (3.5) где Qм∑ - результирующее ОСП на входе приемника, определяемое соотношением 1/Qм∑ = (3.6)

Здесь:

Qм i – отношение мощности ПС к мощности i-го МС на входе демодулятора приемника (т.е. на выходе его тракта ПЧ, осуществляющего основную частотную фильтрацию ПС) Pмс вх.дем.

Qм i определяется следующим образом:

Qм i = P ПС ВХ..ДЕМ. / Pi мс вх.дем. = [эиим ПС / Lпс (раз)] / [эииммс (αi)∙F2(φм i)] / Li мс(раз)] æачх i мс =

= [эиимПС æачх i мс] Li мс(раз) / [эииммс (αi)∙F2(φм i)] Lпс (раз)] (3.7)

В (3.7) приняты следующие обозначения:

Li мс(раз) - потери i-го МС при его распространении; Lпс(раз) – потери ПС при его распространении; эиимПС – эквивалентная изотропно излучаемая мощность полезного радиосигнала; эииммС(αi) -- эквивалентная изотропно излучаемая мощность i-го МС под углом αi в направлении на рецептор помехи ; F2(φм i) – коэффициент направленного действия приемной антенны ПС в направлении прихода i-го МС; æачх i – коэффициент ослабления мощности i-го МС за счет существенного ослабления наиболее удаленных от середины полосы пропускания тракта ПЧ участков спектра МС из-за крутых скатов АЧХ этого тракта c учетом расстройки несущих частот ПС и МС (рис. ..).

Для практических расчетов ЧТР используют приближенное соотношение [УП АС]:

Тп (qм доп) ~ Тс (Lс доп) + Тм (Lм доп), (3.8) где Тс (Lс доп) - процент времени, в течение которого потери распространения ПС превышают допустимое их значение Lс доп в дБ; Тм (Lм доп) - процент времени, в течение которого потери распространения МС ниже допустимого значения потерь распространения МС Lм доп в дБ.

Приближенность (3.8) заключается в использовании предположения о том, что промежутки времени с достаточно глубокими замираниями ПС и временные интервалы времени с повышенным уровнем МС практичеcки не перекрываются. Точность этого предположения тем выше, чем меньше вероятность и временная протяженность этих событий. В защиту допустимости использования соотношения (3.8) можно привести и соображение о том, что в случае временного перекрытия этих событий уменьшается искомый суммарный процент времени Тп(qм доп), хотя степень ухудшения качества приема ПС в моменты перекрытия событий будет еще выше, чем при воздействии лишь одного неблагоприятного фактора. Cледовательно, использование (3.8) даже дает некоторый инженерный запас, ввиду чего его использование для практических расчетов считается оправданным. Как упоминалось выше, точное решение задачи об определении Тп (qм доп) можно получить строго аналитически случае известных законов распределения замираний ПС и МС на трассах их распространения [17, 18, ].

В явном виде параметры Lс доп и Lм доп находятся из соотношений, по-лучаемых логарифмированием (3.7), (3.8), имеющих вид

qм =10lg(Qм)= qм0 + Lм - Lс , (3.9) где

qм0=10lg(Qм0)= ри с +æачх0 - ри м(α) - F2(φм)0, дБ (3.10) Здесь: ри с – ЭИИМ передающей станции ПС, дБВт; æачх0 - коэффициент ос-лабления мощности МС за счет АЧХ приемника ПРС, дБ; ри м(α) – ЭИИМ МРС в направлении на ПРС, дБВт; F2(φм)0 – значение ДНА ПРС в направле-нии прихода МС, дБ. На основании (3.11) Lс доп и Lм доп записываются в виде

Lс доп = qм0 - qм доп + Lм мед; (3.11)

Lм доп = qм доп - qм0 + Lс мед. (3.12)

В (3.11) величина Lм мед является медианными потерями распространения МС в дБ и определяется значением Lм при Тм=50%, а в (3.12 ) величина Lс мед является медианными потерями распространения ПС в дБ и определяется Lс при Тс=50%.

Следует отметить, что использование соотношения (3.8) при анализе ЭМС дает некоторую погрешность при оценке Тп(qм доп), которая уменьшается с уменьшением Тп доп. Однако, как указывалось выше, данная погрешность будет создавать определенный запас в оценке ЧТР и поэтому в принципе допустима при данных расчетах. При особых требованиях к определению ЧТР расчет, возможно, целесообразно выполнять по точным формулам, в которых математически корректно учтены замирания ПС и МС в области малых значений Тп доп […]. Так как значение Lм мед в (3.11) неопределенно (поскольку оно зависит от dм, а последнее неизвестно), то необходимо применить итерационную процедуру расчета по (3.8) при варьировании значения dм. Для этого задается значение dм и по зависимости обобщенных потерь распространения МС от процента времени при Тм=50 % определяется значение Lм мед, затем по (3.11) рассчитывается значение Lc доп и далее по аналогичной зависимости потерь распространения ПС от процента времени Тс, представленной в [35], находится значение Тс(Lc доп). По (3.12) находится Lм доп и по зависимости обобщенных потерь распространения МС в плоскости большого круга находится значение процента времени для этого вида мешающего воздействия Тм1, а по зависимости потерь распространении МС из-за рассеяния осадками находится значение процента времени Тм2.

По (3.8) определяется процент времени, в течение которого qм<qм доп при воздействии МС в плоскости большого круга Тп1=Тс+Тм1 и процент времени, в течение которого qм<qм доп при воздействии МС из-за рассеяния осадками Тп2=Тс+Тм2. Затем проводится следующий шаг итерации при большем значении dм. Максимальное расчетное значение dм, определяется опытным путем и должно иметь такое значение, чтобы при нем выполнялось условие Тп<<Тп доп. Результаты расчета показателей по соотношениям (3.8)-(3.12) сводятся в таблицу, по которой затем строятся графики Тп1=ζ[dм] и Тп2=ζ[dм]. Требуемый ЧТР определяется по этим графикам как dk=max{dk1,dk2}, где dk1- КР при воздействии МС в плоскости большого круга, определяемое по зависимости Тп1=ζ[dм] как dk1=dм при Тп1=Тп доп; dk2 - КР при воздействии МС из-за рассеяния осадками, определяемое по зависимости Тп2=ζ[dм] как dk2=dм при Тп2=Тп доп.

На рис. 3.1 в качестве иллюстрации приведены зависимости обобщенных потерь распространения МС для механизмов распространения в плоскости большого круга, а на рис. 3.2 - зависимости потерь распространения МС из-за рассеяния осадками на сухопутной трассе распространения МС на частоте 11 ГГц для среднемесячных процентов времени Тм, рассчитанные на основании зависимости потерь распространения МС для среднегодовых процентов времени, приведенных в [35, 36-41].

В случае воздействия одного МС на прием аналогового ПС процент времени Тп доп (Р п доп) определяется на основании обобщенной функциональной зависимости:

Рп = ψ[qш, qм] , (3.13)

в которой qш – отношение сигнал-шум (ОСШ) на входе приемника (дБ); qм - результирующее ОСП на входе приемника (дБ), определяемое в общем случае воздействия нескольких МС соотношением (3.5).

Рис. 3.1. Зависимость обобщенных потерь распространения мешающего радиосигнала Lм от процента времени Тм на сухопутной трассе распространения на частоте 11 ГГц для малых процентов времени (а) и для больших процентов времени (б)

Рис. 3.2. Зависимость потерь распространения МС из-за рассеяния осадками от Тм в дождевой климатической зоне Е на частоте 11 ГГц

В (3.13) величина qш определяется соотношением

qш = рс вх – рш вх , (3.14) где рс вх – уровень ПС на входе приемника станции-реципиента, дБВт; рш вх – уровень теплового шума (ТШ) на входе приемника станции-реципиента, дБВт, рассчитываемый по формуле

рш вх= 10lg(kБTшПш), (3.15)

в которой kБ – константа Больцмана: kБ=1,38∙10-23Вт/(К∙Гц); Tш – эквивалентная шумовая температура приемника станции-реципиента, К; Пш – шумовая полоса радиотракта (Гц) приемника станции-реципиента, определяемая полосой пропускания его УПЧ.

Соотношение (3.23) для определения процента времени Тп (Рп доп) целесообразно представить в виде :

qш = qш0 - Lc , (3.16) где : qш0 = рис + ga пр - рш вх, (3.17) здесь: ри с – ЭИИМ передающей станции ПС, дБВт; ga пр - коэффициент усиления антенны станции-реципиента в направлении прихода ПС, дБ.

С учетом (3.10 и (3.17) функциональная зависимость (3.14) может быть записана в виде

Рп =ψ[Lc, Lм] . (3.18) Тогда процент времени Тп(Рп доп) может быть записан по аналогии с (3.09):

Тп(Рп доп)=Тс(Lс доп)+Тм(Lм доп), (3.19) где Lс доп = [Рп доп, Lм=Lм мед), где -- функция, обратная (3.19) относительно Lс при подстановке в нее Рп=Рп доп и Lм=Lм мед; Lм доп = [Рп доп, Lс=Lс мед]), где функция, обратная (3.19) относительно Lм при подстановке в нее Рп=Рп доп и Lс=Lс мед.

Определение ЧТР при одновременном воздействии нескольких МС на практике производится в предположении статистической независимости ПС и МС на основе соотношения

Тп(Рпдоп) = Тп i(Рпдоп), (3.20) в котором Тпi(Рп доп) – значение процента времени Тп при Рп=Рп доп, определяемое влиянием только i-го МС, которое рассчитывается по соотношению, аналогичному (3.19):

Тп i (Рп доп) =Тс(Lс доп) + Тм i (Lм i доп), в котором Тм i(Lм i доп) – значение процента времени, в течение которого потери распространения i-го МС ниже Lм i доп; Lм i доп = [Рп доп, Lс=Lс мед]), где - функция, обратная (3.18) относительно Lм при подстановке в нее Рп=Рп доп и Lс=Lс мед .

В [10] приведены основанные на базе данной обобщенной методики анализа ЭМС систем радиосвязи методики и примеры расчета характеристик ЭМС аналоговых и цифровых, наземных и спутниковых систем радиосвязи, а также методика координации спутниковых систем связи и пример расчета плотности потока мощности радиосигнала передающей космической станции у поверхности Земли.

***