Интерференционные замирания на пролете РРЛ

В антенну ПРМ сигнал может поступать как по прямому пути, так и отразившись от ровной поверхности Земли. Кроме того, отражения могут возникнуть и от облаков, и от фронта дождя (рис.1.10). В результате в точке приема может происходить геометрическое сложение прямой волны и отраженных волн, которые могут прийти в противофазе, а значит, возникает интерференция - сложение волн. И поэтому возникают глубокие замирания сигнала.

Рис.1.10. Распространение радиоволн от передающей антенны к приемной

Механизм возникновения интерференционных замираний сигнала иллюстрируется на рис.1.10, где представлен профиль пролета РРЛ с отражением от поверхности земли (луч АВС) и отражением от фронта дождя в тропосфере (луч ADC). В точке приема С, если прямая и отраженная волны сложатся в противофазе, то возникнет глубокое замирание сигнала. Волны сложатся в противофазе, если разность хода окажется кратной половине длин волны (λ /2) (рис.1.11) и тогда выполняется условие:

, где n= 1, 3, 5, … и , где m= 1, 3, 5, …

Рис.1.11.Сигналы, принятые: а – в фазе, б – в противофазе

Замирания могут продолжаться от долей секунд до десятков секунд и когда время интерференционного замирания равно:

,

где Δ ε - скачки диэлектрической проницаемости; V_min - минимально допустимый множитель ослабления сигнала;

где R ₀- длина пролета РРЛ; f - частота излучаемого сигнала; ξ - характеризует условия распространения в воздухе

ξ = 1 - при отсутствии влажности, ξ = 5 - при повышенной влажности возле озер, рек и т.д.

1.11. Замирания сигнала в пролете РРЛ, вызванные рассеянием электромагнитной энергией в дожде

Этот вид замираний проявляется, если длинна волны излучаемых колебаний λ соизмерима с размерами дождевых капель. Эти замирания существенны, если λ < 4 ÷ 5 см, иначе, если f > 6 ÷ 8 ГГц. Ливень может полностью прервать связь. Процент времени ухудшения качества связи, вызванного замираниями из-за дождя, обозначают Т _д (V_min).

Имеются таблицы и графики, учитывающие ослабление сигнала в зависимости от интенсивности дождя для различных длин волн (рис.1.12).

Рис.1.12. Зависимость потерь вызванных замираниями из-за дождя от интенсивности дождя

1.12. Меры повышения устойчивости связи на РРЛ

Последовательно учитываются ослабления сигналов ото всех факторов. После расчета на каждом пролете процента времени ухудшения качества связи при рефракции T ₀(V_min), интерференции Т _инт(V_min)и при потерях в дожде Т _д(V_min), находят суммарный процент времени ухудшения качества связи.

Для борьбы с быстрыми интерференционными замираниями на РРЛ применяют разнесенный прием. Во-первых, разнесение может быть по частоте, а во-вторых, может быть разнос по пространству. При частотно разнесенном приеме используют две частоты f ₁и f ₂ смещенные друг от друга на столько, чтобы сигнал на второй частоте не был бы в противофазе к сигналу на первой частоте. Если f ₁ замирает, то переходят на вторую частоту f ₂.

Т.е. на передающей стороне сигналы излучаются на двух частотах, а на приемной стороне принимается та частота, на которой основной и отраженный сигнал приходят в фазе.

Кроме того, можно создать пространственно разнесенный прием. Для этого используют вторую антенну и сдвоенный приемник с блоком автовыбора наибольшего сигнала. Обычно вторая антенна опущена по вертикали относительно первой на расстоянии Δ h = 150λ. Схема пространственно разнесенного приема показана на рис.1.13.

Рис.1.13. Пространственно разнесенный прием

По 2-му пути отраженный сигнал приходит в фазе с основным сигналом.

1.13. Шумы в телефонных каналах РРЛ

Уровень шумов в радиоаппаратуре влияет на качество связи. Различают два вида шумов в телефонном канале.

1. Тепловые шумы, т.е. шумы, вызванные тепловым движением электронов в резисторах, в усилителях входных каскадов приемника, гетеродинах, и в выходных каскадах передатчика.

2. Шумы, образующиеся из-за нелинейности характеристик тракта РРЛ.

На выходе телефонного канала в приемнике мощность шумов (P _{ш вых}) оценивают в точке относительного нулевого уровня (ТОНУ). В этой точке мощность сигнала Р _с = 1 мВт. Если мощность сигнала меньше, то вводиться усиление.

При проектировании РРЛ необходимо обеспечить, чтобы суммарная мощность шумов P _шΣ была бы меньше допустимой P _{ш доп}, т.е.

P _шΣ ≤ P _{ш доп}.

1.14. Источники шумов в каскадах передатчика и приемника РРЛ. Структурная схема передатчика и приемника

Тепловые шумы (ТШ) образуются в каскадах передатчика, а также в каскадах приемника (рис.1.14).

Суммарная мощность теплового шума Р_Т, с учетом обозначений на рис.1.14, будет равна:

- для передатчика ;

- для приемника .

При замираниях мощность сигнала на выходе приемника Р _с уменьшается. Для поддержания постоянной выходной мощности телефонного канала необходимо постоянно увеличивать коэффициент усиления УПЧ через автоматическую регулировку усиления (АРУ). При этом, увеличивая коэффициент усиления, мы увеличиваем и мощность тепловых шумов вносимых УПЧ. Тепловой шум во времени может меняться.

Рис.1.14. Структурная схема передатчика и приемника РРЛ: ЧМ - частотный модулятор; СМ - смеситель; Г - гетеродин; УПЧ - усилитель промежуточной частоты; ЧД - частотный детектор; АРУ - автоматическая регулировка усиления; УВЧ - усилитель высокой частоты; АУ - аппаратура уплотнения - разуплотнения телефонных каналов; УМ - усилитель мощности.

1.15. Переходные шумы, вызванные нелинейностью амплитудно-частотной характеристики группового тракта

Переходные шумы вызваны нелинейностью амплитудной характеристики группового тракта, т.е. нелинейностью модема (ЧМ, ЧД) и групповых усилителей (ГУ). На рис.1.15. представлена структурная схема группового тракта.

Рис.1.15. Структурная схема группового тракта

Для неискаженной работы необходимо, чтобы амплитудная характеристика группового тракта была линейной (рис.1.16).

Рис.1.16. Амплитудная характеристика группового тракта

Нелинейность характеристик приводит к появлению гармоник (дополнительных частот) на нелинейных элементах, которые воспринимаются как помехи. Эти помехи называют нелинейные переходные шумы. Переходной шум оценивают с помощью коэффициента гармоник, который показывает насколько первая гармоника больше всех остальных гармоник.

1.16. Нелинейные переходные шумы, вызванные нелинейностью фазо-частотной характеристики ВЧ-тракта РРЛ

В РРЛ к ВЧ-тракту относят усилители СВЧ-колебаний передатчика и приемника, УПЧ, преобразователи частоты в приемнике и передатчике (смеситель и гетеродин) и УМ передатчика.

Частотно-модулированный сигнал, передаваемый по ВЧ-тракту, имеет сложный частотный спектр (рис.1.17).

Рис.1.17. Спектр частотно-модулированного сигнала

Для неискаженной передачи, компоненты спектра частотно-модулированного сигнала должны задерживаться в ВЧ-тракте на одинаковое время τ _з. Это время задержки называется групповым временем запаздывания (ГВЗ), т.е. каждая гармоника должна задерживаться на одинаковое время. Например, при прохождении через УПЧ τ _з = 1 мкс, т.е. τ _гвз = 1 мкс (рис.1.18)

Рис.1.18. Задержка сигнала в УПЧ

Если время задержки в высокочастотном тракте у отдельных составляющих спектра будет различным, то на выходе высокочастотного тракта спектр исказится. Тогда исказится и форма напряжения многоканального телефонного сообщения (МТС). Эти искажения эквиваленты созданию паразитных гармоник (помех), иначе говоря, образуется нелинейный переходной шум.

На рис.1.19 показаны идеальные фазо-частотная характеристика (ФЧХ) и ГВЗ, а также неидеальные характеристики.

Рис.1.19. ФЧХ и ГВЗ высокочастотного тракта

Идеальные характеристики ФЧХ и ГВЗ адекватны,

и .

Тогда фазовый сдвиг φ (f) пропорционален τ _з.

На практике, идеальность характеристик высокочастотного тракта нарушается, и возникают искажения формы сигнала. Например, может исказиться форма прямоугольного импульса, это приводит к возникновению помех.

1.17. Нелинейные переходные шумы, вызванные отражениями в антенно-фидерном тракте

Существует неидеальность согласования стыков секций волноводов, а также рассогласование волноводов с антеннами, поэтому возникают отражения электромагнитной энергии от концов фидеров (рис.1.20). Эти отражения возникают как в фидерах передатчика, так и в фидерах приемника.

Рис.1.20. Отражение волн в волноводах

На рис.1.21 показан на векторной диаграмме результирующий сигнал, где

,

τ _ф - время распространения сигнала по фидеру, т.е. по волноводу.

Рис.1.21. Векторная диаграмма результирующего сигнала на входе приемной антенны

На входе приемной антенны соседнего ретранслятора присутствует прямой сигнал U _прям и дважды отраженный U _отр. Дважды отраженный сигнал запаздывает относительно прямого на 2τ _ф, где ,

l _ф - длина фидера; u_ф - групповая скорость распространения высокочастотного сигнала в фидере.

Для волноводов ,

где: с = 3·10⁸ м/с - скорость света; λ _кр- критическая длинна волны волновода.

Таким образом, фаза суммарного колебания (φ _отр) на входе антенны ПРМ определяется действующими значениями прямого U _прям и отраженного U _отр сигналов и временем распространения в волноводе τ _ф. Если фазовая характеристика антенно-фидерного тракта φ _отр нелинейная, то появляются переходные шумы на выходе телефонного канала. Таким образом, при проектировании РРЛ учитывают мощность всей совокупности помех. Суммарная мощность шумов, создаваемая всем перечнем помех внутри РРЛ (Р _{Σ помех}), недолжна превышать допустимый уровень (Р _{доп помех}). Т.е. Р _{Σ помех} ≤ Р _{доп мккр}.

Этот уровень определяется рекомендациями Международной Консультативной Комиссии по Радио (МККР), которая в настоящее время получила название Бюро по Радио Международного Союза Электросвязи (МСЭ).

1.18. Особенности построения цифровых РРЛ

Передача сигналов в цифровой форме имеет ряд преимуществ:

- более высокое качество передачи сигнала при замираниях;

- более высокую помехозащищенность;

- более выгодную экономическую эффективность при снижении эксплуатационных расходов на 25%;

- снижение требований к линейности характеристик тракта передачи сигнала;

- исключение накопления искажений.

Рис.1.22. Структурная схема оконечной станции цифровой РРЛ

На рис.1.22 показано, что в ПРД аналого-цифровой преобразователь (АЦП) состоит из дискретизатора, кодера (К) и преобразователя кода (ПК).

Дискретизатор производит дискретизацию по времени и квантование по уровню непрерывных сигналов от абонентов телефонных каналов u _тф, что иллюстрируется на рис.1.23, где Т _Э - интервал дискретизации по времени отсчетов; ∆ h - шаг квантования по уровню.

Рис.1.23. Дискретизация сигнала по времени уровню

С выхода дискретизатора сигнал поступает на кодер (К). Где каждый дискретизированный уровень преобразуется в двоичный код (рис.1.24), т.е. каждому уровню квантования присваивается соответствующее кодовое слов. Такой сигнал называется цифровым (ЦС).

Рис.1.24. Пример двоичного кода одного дискретизированного уровня

Преобразователь кода (ПК) преобразовывает двоичный код в линейно-цифровой сигнал (ЛЦС) для передачи по соединительной кабельной линии связи (СЛ). Линия связи может достигать нескольких километров, поэтому используются регенераторы (Р) для восстановления формы, длительности и амплитуды каждого из импульсов ЛЦС. Цифровой модулятор (М) модулирует сигнал.

В приемнике осуществляются обратные преобразования по сравнению с передатчиком. На выходе приемника стоит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Где получают непрерывные сообщения с фильтра нижних частот. Эти непрерывные сообщения соответствуют разговорной речи.

Качество тракта цифровой РРЛ (ЦРРЛ) характеризуется следующими параметрами:

- вероятностью ошибки р _ош;

- проскальзыванием;

- фазовым дрожанием;

- задержкой импульсов τ _З.

1.19. Вероятность ошибки, проскальзывание и фазовое дрожание импульсов

Вероятность ошибки р _ош определятся вероятностью переименования полярности информационного импульса под действием совокупности помех. Т.е. под действием совокупности помех положительные и отрицательные импульсы могут менять свою полярность (рис.1.25).

Рис.1.25. Изменение полярности импульсов под действием совокупности помех

Вероятность ошибки определяется по формуле:

,

где: N _ош- число переименованных импульсов за одну секунду; N _общ - общее принятое количество импульсов.

,

где: R - скорость передачи информации, т.е. число информационных импульсов за 1 секунду.

Таким образом, можно записать:

.

Проскальзывание - это уменьшение или увеличение числа тактовых интервалов цифрового сигнала. Проскальзывание приводит либо к потере импульсов, либо к появлению вставок ложных импульсов.

Фазовое дрожание - это смещение информационных импульсов во времени (рис.1.26).

Рис.1.26. Фазовое дрожание импульсов

Согласно нормам МККР в РРЛ за 10 секунд допускается пропадание одного импульса при скорости передачи R = 8, 45 Мбит/с. А вероятность ошибки не более р _ош ≤ 10^-3.

Вероятность ошибки, как и вероятность проскальзывания, зависит от отношения сигнал/шум на выходе приемника.

Мощность тепловых шумов приведенных к входу приемника определяется следующим выражением:

, [Вт]

где: N_Ш - шум-фактор входных каскадов приемника; k - постоянная Больцмана; T₀ - шумовая температура антенны; Δ f - полоса пропускания приемника в МГц.

Пример:

,

, Гц

, Вт

.

Полезный сигнал (P _c) для обеспечения p _ош = 10^-3 должен в 20 раз превосходить мощность шумов на входе приемника.

1.20. Обеспечение электромагнитной совместимости РРЛ и спутниковых систем связи

Различные радиотехнические системы могут работать в близком диапазоне частот и на достаточно близком расстоянии. Особенно важно обеспечить электромагнитную совместимость (ЭМС) РРЛ и спутниковых систем связи (ССС), работающих в общем диапазоне частот.

Согласно нормам МККР необходимо ограничивать мощность излучения передатчиков в направлении приемников РРЛ и ССС. У разработчиков должен быть подробный план размещения всех радиотехнических средств в данном районе и частот, на которых они работают. Кроме того, нужно знать направление излучений антенн, мощностей излучения передатчиков и чувствительность приемников (рис.1.27).

Рис.1.27. Пример расположения РРЛ и ССС

Мощность сигнала как земных станций (ЗС) ССС, так и РРЛ нужно распределять в рабочей полосе частот равномерно. Для расширения спектра вводят скремблирование. Скремблер создает случайность в импульсном потоке. Это приводит к равномерному распределению мощности в некоторой полосе частот (рис.1.28).

Рис.1.28. Распределение мощности сигнала: а - без скремблера, б - со скремблером

Между ЗС ССС и ретранслятором РРЛ рассчитывают допустимое расстояние, такое чтобы не было помех, превышающих допустимый уровень.

Две радиотехнические системы работают в общей полосе частот (Δ f), и нужно определить необходимое ослабление мешающего сигнала (L _м), которое определяется между выходом излучающей антенны мешающей передающей радиотехнической системы и выходом приемной антенны принимающей радиотехнической системы.

,

где: Р _прм(Р)_м - допустимое значение мощности мешающего сигнала на входе приемника в течение заданного времени.

Если рассматривать потери в дБ, то получим:

,

дБ·Вт дБ дБ дБ·Вт

где: φ - угол между направлением оси главного лепестка диаграммы направленности передающей антенны ССС и направлением на приемную антенну РРЛ.

Кроме того, необходимо учитывать ослабления сигналов в дожде, влияние рефракции, дифракции и интерференции.

1.21. Обзор выпускаемых РРЛ

Современная промышленность России выпускает РРЛ различного назначения. В качестве примера укажем телевизионные РРЛ «Трек» и «Трек-2». Диапазон рабочих частот РРЛ «Трек» (10.7 ÷ 11.7) ГГц, а для РРЛ «Трек-2» (12, 75 ÷ 13.25) ГГц.

РРЛ «Трек» и «Трек-2» - малогабаритные, быстро развертываемые РРЛ модульного типа. Они симплексные (излучают только в одном направлении) и предназначены для создания постоянно действующих и временных локальных сетей передачи телевизионного сигнала на расстоянии до 25 километров. Они имеют один канал видео и одну несущую звука. Диаметр антенны составляет 0, 6 метра. Мощность передатчика для «Трек» – 10 мВт, для «Трек-2» – 100 мВт. Коэффициент шума 1 дБ.

Блоки модулятора и демодулятора выпускаются в силуминовом литом корпусе с габаритами 180× 200× 50 мм, габариты передатчика 40× 40× 200 мм.