ЭМС

Глава 4. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов

4.1 Общие закономерности распространения радиоволн

При работе систем радиосвязи, телерадиовещания и радиосистем многих других типов в земных условиях уровень сигнала, принятого после его прохождения по трассе распространения от передающей антенны, зависит от характеристик местности на трассе, а также от изменчивости тропосферы и ионосферы в зависимости от сезона года, времени суток и ряда других условий. Вследствие этого радиосигнал на входе приемника имеет паразитные амплитудно-фазовые изменения, которые принято называть замираниями Существует восемь основных механизмов распространения радиоволн:

-через тропосферный волновод;

-посредством земной волны;

-посредством ионосферной волны;

-посредством пространственной волны (состоящей из прямой волны и волн, отраженных от различных поверхностей и слоистых неоднородностей атмосферы);

-посредством дифракции радиоволн;

-посредством тропосферного рассеяния;

-в пределах прямой видимости;

-посредством рассеяния на гидрометеорах атмосферы.

При этом к долгосрочным механизмам распространения радиоволн относятся прямая видимость, дифракция, тропосферное рассеяние, которые могут являться носителями как полезных, так и мешающих сигналов (см. рис. 4.1).

Вероятностные расчеты уровней полезных и мешающих радиосигналов различных частот для различных трасс обычно производятся в соответствии с Рекомендациями Международного Союза Электросвязи (МСЭ или ITU), в разработке которых в течение многих десятилетий принимали участие

35

специалисты многих стран. Большой вклад внесли и ученые нашей страны. В частности, сотрудник НИИР д.т.н. А.И. Калинин в течение многих лет являлся вице-председателем исследовательской комиссии МСЭ по вопросам распространения радиоволн.

Тропосферное рассеяние

Дифракция

Прямая видимость

Рис. 4.1 Механизмы распространения долговременных помех

К краткосрочным механизмам распространения радиоволн относятся тропосферное рассеяние, рассеяние на гидрометеорах, тропосферный волновод и некоторые другие. Эти механизмы распространения вследствие краткосрочности их действия являются только носителями помеховых сигналов, хотя также вызывают и увеличение уровней полезных сигналов. Для решения задач ЭМС в общем случае необходимо знать характеристики распространения как полезных, так и мешающих сигналов, которые для повышения надежности статистических данных принято различать, а именно: представляющие интерес данные для полезного сигнала соответствуют области значений уровней ниже его медианного значения, а мешающего сигнала – выше его медианного значения.

4.2. Особенности распространения полезных радиосигналов

Диапазон частот 10 кГц…30 МГц

На частотах ниже 30 кГц потери при распространении радиоволн приближаются к уровню потерь при распространении в свободном пространстве. При этом распространение радиоволн этих частот в волноводе, образованном

36

нижней границей ионосферы и поверхностью Земли, может происходить на очень большие (десятки тысяч км) расстояния. В этом случае полагают, что полезные сигналы в основном распространяются земной волной, а мешающие – ионосферной. Для расчета напряженности поля земной волны в этом случае используют кривые напряженности поля, которые учитывают диэлектрическую проницаемость и проводимость земной поверхности и справедливы при низко расположенной приемной антенне.

Приподнятый слой отражения/рефракции

Рассеяние в гидрометеорах

Прямая видимость с усилением

за счет многолучевости

0452-02

Рис. 4.2. Аномальные (кратковременные) механизмы распространения помех

В поддиапазоне 1…30 МГц преобладающим механизмом становится распространение за счет ионосферной волны, при этом для расчета напряженности поля используют специальные карты ионосферных прогнозов, которые учитывают состояние ионосферы в зависимости от месяца года, времени суток и других условий.

Потери при распространении радиоволн в свободном пространстве (т.е. в условиях прямой видимости в вакууме) называются основными потерями радиолинии и рассчитываются по формуле:

37

где R – длина трассы “по дуге большого круга” (т.е. по выпуклой поверхности Земли), км; f – частота, МГц.

Диапазон частот 30МГц … 1 ГГц

В этом диапазоне, за исключением самых нижних его частот, распространение радиоволн за счет отражения от ионосферы не происходит. Влияние метеоусловий приводит к появлению сверхрефракции и тропосферных волноводов, которые есть следствие инверсии градиента индекса рефракции атмосферы (нарушения монотонного уменьшения диэлектрических свойств атмосферы по мере увеличения высоты над поверхностью Земли). Другими существенными отклонениями от распространения в свободном пространстве в этом диапазоне являются тропосферное рассеяние и дифракция радиоволн на выпуклости Земли и на препятствиях на трассе распространения. Для учета тропосферного рассеяния радиоволн используется Рекомендация МСЭ-Р Р.369, а для учета дифракции на выпуклости Земли используется Рекомендация МСЭ-Р Р.526. При расчетах распространения радиоволн в условиях города используется Рекомендация МСЭ-Р Р.529 и модель Окамура-Хата. При этом учитываются расстояние, высоты расположения передающей и приемной антенн, процент застройки зданиями вблизи расположения приемной антенны, степень неровности земной поверхности и другие параметры. Иногда радиоволны этого диапазона (до 70 МГц) могут распространяться на большие расстояния за счет локальных неоднородностей ионосферы (так называемый, спорадический слой Еs). Распространение радиоволн этого диапазона в тропосферном волноводе и за счет сверхрефракции рассматриваются в Рекомендациях МСЭ-Р Р.834 и Р.452. При этом учитывается характер трассы (сельская местность, пригород, город), высоты передающей и приемной антенн, а также тип трассы: сухопутная, или морская.

Диапазон частот 3 … 20 ГГц

В этом поддиапазоне действуют все описанные ранее факторы распространения радиоволн, за исключением отражения от ионосферы. Кроме того, в этом поддиапазоне весьма существенное влияние приобретает рассеяние и ослабление радиоволн на гидрометеорах и их поглощение в водяных парах и атмосферном кислороде. В частности, на частотах выше 10 ГГц ослабление радиоволн в дожде может привести к существенному ухудшению качества принимаемого сигнала. Методы расчета поглощения радиоволн за счет этих механизмов их распространения предполагают учет интенсивности дождей и климатологических параметров (давления, температуры и влажности) в

38

различных регионах мира, что описано в Рекомендациях МСЭ-Р Р.837, Р.838, Р.453.

На трассах «Земля-космос» важное значение имеют такие явления распространения радиоволн, как ослабление сигнала, замирания за счет мерцаний и деполяризации сигнала. Учет этих явлений описан в рекомендациях МСЭ-Р Р.679, 680, 681, 682.

Диапазон частот выше 20 ГГц

Основное достоинство этого диапазона заключается в широкой доступной полосе частот и возможности применения антенн с большими коэффициентами усиления. Основной недостаток – высокая подверженность атмосферным эффектам, которые приводят к большим ослаблениям сигнала. Кроме того, данный поддиапазон характеризуется наличием так называемых «окон прозрачности» и «окон поглощения» для радиоволн определенных частот. Наличие этих «окон» обусловлено селективным поглощением радиоволн конкретных частот в газах атмосферы (в основном, в кислороде и в парах воды). В частности, поглощение в кислороде максимально на частотах 60 и 119 ГГц, а в парах воды – на частотах 22 и 183 ГГц.

4.3 Механизмы и особенности распространения мешающих радиосигналов

Проблема надежного прогнозирования уровней мешающих сигналов связана с трудностью учета большого разнообразия типов и параметров трасс и условий распространения на них. При этом, как правило, наряду с преобладанием одного какого-нибудь конкретного механизма распространения радиоволн, наблюдается и одновременное действие нескольких механизмов распространения мешающих сигналов. Можно выделить следующие основные особенности наиболее важных механизмов распространения мешающих сигналов:

-“Прямая видимость”. В этом случае уровни мешающих сигналов могут частот значительно увеличиваться в короткие периоды времени вследствие многолучевого распространения и фокусирующих свойств атмосферы (образования атмосферных “волноводов”);

-“Дифракция”. Распространение радиоволн за пределами расстояния прямой видимости за счет огибания ими препятствий. При определенных

39

условиях дифракция может приводить к большим уровням мешающих сигналов

вточке приема полезного сигнала.

-“Тропосферное рассеяние”. Этот механизм определяет уровень фоновой помехи на трассах протяженностью более 100…150 км, на которых дифракционное поле становится очень слабым. Помехи за счет тропосферного рассеяния имеют относительно низкий уровень;

-“Поверхностный волновод”. Этот наиболее важный краткосрочный механизм распространения мешающих сигналов путем многократных отражений от неоднородностей тропосферы и поверхности Земли может вызвать высокий уровень помех в месте приема на больших (до 500 км и более над морем) расстояниях. При определенных условиях он может оказаться даже больше, чем уровень сигнала в свободном пространстве;

-“Отражение и преломление поднимающимися слоями”. Этот механизм также может привести к повышению уровня мешающего сигнала на приемной стороне даже в большей степени, чем за счет дифракции. Влияние этого механизма распространения мешающих сигналов может быть существенным на больших расстояниях (до 250…300 км);

-“Рассеяние гидрометеорами”. Оно может являться потенциальным источником мешающих сигналов из-за фактически всенаправленного характера этого механизма рассеяния, т.е. даже для трасс, на которых рассеивающий объем не находится на пути распространения радиоволн по дуге большого круга.

Методы прогноза уровней помеховых сигналов

Эти методы для диапазона частот 0,7…100 ГГц содержатся в Рекомендации МСЭ-Р Р.452. При этом используются радиометеорологические данные различных регионов мира. В этой Рекомендации рассматриваются все основные механизмы распространения мешающих сигналов:

-распространение в условиях прямой видимости с учетом эффектов многолучевого распространения и поглощения в газах атмосферы;

-распространение за счет дифракции;

-распространение за счет тропосферного рассеяния;

-распространение за счет волновода и отражений от слоев;

40

-экранирование мешающих сигналов локальными неоднородностями;

-распространение за счет рассеяния на гидрометеорах.

Глава 5. Методы определения защитных отношений

5.1. Общие сведения о защитных отношениях

гдеР свх иР пвх - мощностьполезсигпомехиогонаалавходеприемника

соответственно.

Этот параметр наиболее часто используется в качестве критерия ЭМС аналоговых и цифровых систем радиосвязи, поскольку качество сигнала на выходе приемника монотонно зависит от входного отношения сигнал/помеха Qвх = Рс вх /Рп вх , а действие помехи приводит к ухудшению характеристик полезного сигнала на выходе приемника, например к увеличению коэффициента ошибок, ухудшению качества выходного изображения или разборчивости речи.

На величину защитного отношения влияют многие факторы, такие, как частотный разнос между несущими частотами полезного и помехового сигналов, вид и глубина их модуляции, способ обработки сигнала и метод его кодирования, характеристики приемника и другие. При этом заданное качество приема полезного сигнала в присутствии помехи обеспечивается, если выполняется критерий ЭМС в виде:

где qвх и qм доп - отношение сигнал/помеха на входе приемника и требуемое защитное отношение, дБ, соответственно.

В общем случае отношение сигнал/помеха на входе приемника Qвх изменяется во времени случайным образом, вследствие чего условие ЭМС (5.2) в определенном проценте времени (Т %) работы канала связи может не