книги / Радиорелейные линии связи. Курсовое и дипломное проектирование
.pdfТогда с учетом (2.9) можно записать:
Таким образом, минимально допустимому отношению сигналшум на выходе канала соответствует минимально допустимое зна чение множителя ослабления.
Расчет Vmin может быть проведен с помощью коэффициента системы, для определения которого следует записать систему из двух уравнений передачи
РС.ВХ—- Р1^-1»
d = (Р'/Рт) |
вых |
(2.13) |
|
’ |
|
(PJP.X, |
||
где d — выигрыш в отношении сигнал-шум, обусловленный приме нением частотной модуляции; этот выигрыш при известных пара метрах аппаратуры также можно считать известным.
Если значение Рс.вх из первого уравнения подставить во вто рое, то получим
d = - Рс-вы*Р'11-'» |
(2.14) |
РШВЫхРпР- |
|
Умножив правую и левую части выражения (2.14) на отноше ние РatРш.вх, получаем два равных отношения для коэффициента системы
~ш.вх |
*-Е \ •* ш / вы |
<215) |
С помощью первого соотношения по известным параметрам ап паратуры Р„, Рш.вх, d может быть рассчитан коэффициент системы в децибелах:
для ТФ ствола
* тф= |
175,41 + |
101gPn - |
10l |
g — 20lg (FJД /к); |
(2.16) |
для ТВ ствола |
|
|
|
|
|
Ктв — 158,4 -|- 10 lg Р„ — 10 lg « ш, |
(2.17) |
||||
где lOlgPn — в децибеловаттах; |
пш— коэффициент |
шума прием |
|||
ника; FB— верхняя |
частота |
группового спектра многоканального |
|||
телефонного сообщения; AfK— девиация частоты на канал. |
|||||
Тогда с учетом (2.2) выражение (2.15) можно |
переписать в |
||||
виде |
|
|
|
|
|
К = |
1 |
|
|
|
(2.18) |
L V2 |
|
|
|
||
|
x-nocTv шп1 |
|
|
|
|
где величина (Рс/Рш)выхт1п определяется выражением (2.10). Тогда минимально допустимый множитель ослабления для те
лефонного (Vmin тф) и телевизионного ( Vт ш тв стволов будет опре деляться (в децибелах) по формулам
Ушш тф = |
44 |
— /Стф — L„ |
(2.19) |
^Ш1птв = |
49 |
-/Ств-/.Л0СТ. |
(2.20) |
Расчет проводят по обоим выражениям (2.19) и (2.20) и сравнивают Vmm между собой. Дальнейшие расчеты проводят для худшего случая, т. е. для большей величины Emin (меньшей в дБ по абсолютной величине).
2.4. КРИТЕРИЙ УСТОЙЧИВОСТИ СВЯЗИ НА РРЛ
Связь на РРЛ считается устойчивой, если выполняется нера
венство |
|
|
|
|
Тъ(Уш^ ^ Т т . |
|
|
|
(2.21) |
где Тдоп— допустимый процент |
времени |
(любого |
месяца |
года) |
ухудшения качества связи на |
РРЛ, определяемый выражением |
|||
(2.12); 7 s(Kmln)— суммарный |
расчетный |
процент |
времени |
ухуд |
шения качества связи на РРЛ из-за глубоких замираний сигнала. Ухудшение качества связи происходит в конечном счете из-за того, что множитель ослабления (дополнительные потери) окажет ся меньше минимально допустимого. Иными словами, процент вре мени ухудшения качества связи — это процент времени, в течение которого V< Vmin, обозначаемый T(V<Vmm), или сокращенно
T(Vmin).
В расчетах исходят из предположения о неодновременности глубоких замираний на пролетах РРЛ, т. е. если в данный момент
времени на одном из пролетов |
возникли глубокие замирания сиг |
||||
нала, то |
на остальных (п— 1) |
пролетах |
(где |
п— число пролетов |
|
на РРЛ) |
глубоких замираний сигнала в данный момент не будет. |
||||
При |
этом |
расчет устойчивости связи проводят |
следующим обра |
||
зом: |
поочередно рассматривают каждый |
пролет проектируемой |
|||
РРЛ, предполагая на нем глубокие замирания сигнала и опреде ляя процент времени ухудшения качества связи из-за замираний на этом пролете. Суммарный процент времени ухудшения качест ва связи на всей РРЛ определяют как сумму процентов времени, вносимых каждым из пролетов,
7'г (^ т1п) = (2-1 7’г^™1п)-
2.5. ПРИЧИНЫ ЗАМИРАНИЙ СИГНАЛА НА ПРОЛЕТЕ РРЛ И РАСЧЕТ T{Vmin)
Для пояснения методики расчета величины Г(Ут 1П) необходи мо рассмотреть особенности распространения радиоволн на про лете РРЛ.
ОБЛАСТЬ ПРОСТРАНСТВА, СУЩЕСТВЕННО УЧАСТВУЮЩАЯ В РАСПРОСТРАНЕНИИ РАДИОВОЛН. ЗОНЫ ФРЕНЕЛЯ
Для выделения из всего окружающего пространства той об ласти, которая существенна для распространения радиоволн от передающей к приемной антенне на пролете РРЛ, необходимо воспользоваться принципом Гюйгенса — Френеля. Этот принцип впервые был сформулирован в 1690 г. нидерландским физиком Христианом Гюйгенсом (1629— 1695) и в 1818 г. доказан француз ским физиком Огюстом Жаном Френелем (1788— 1827). В соот ветствии с этим принципом распространение электромагнитной энергии на пролете РРЛ от передающей антенны (л) к прием ной (В) (рис. 2.4) может быть представлено следующим образом: электромагнитная энергия переносится из точки А к точке В с по мощью фронта волны, представляющего собой бесконечную пло скость, проведенную перпендикулярно линии, соединяющей цент ры передающей и приемной антенн (точки А и В). Этот фронт волны движется со скоростью С = 3-108 м/с. Каждая точка этого •фронта волны представляет собой элементарный вторичный источ ник излучения, т. е. в каждый момент времени сосредоточенный источник энергии из передающей антенны как бы переносится на •фронт волны и «размазывается» по этому фронту. Таким образом, в каждый момент времени в точке приема сигнал образуется гео метрическим суммированием бесконечно большого числа сигналов, приходящих от отдельных вторичных источников, находящихся на фронте волны. Векторная диаграмма напряженности полей от вто ричных источников будет иметь вид, показанный на рис. 2.5. Если суммирование производить с определенным шагом вдоль фронта волны симметрично относительно линии АВ, то получится ломаная линия (рис. 2.5,о); если же суммировать поля от каждого вторич ного источника, то ломаная линия векторной диаграммы превра тится в плавную кривую, а результирующий вектор напряженно сти поля Ei будет замыкать концы этой кривой (рис. 2.5,6). Если
С = 3-10ам/с
А
Пропет ррл
Фронт Волны
•Рис. 2.4. К определению напряженно сти поля по принципу Гюйгенса-Фре неля
о )
Рис. 2.5. Векторная диаграмма поля в первой зоне Френеля при скачко образном (а) и при плавном (б) из менении ее диаметра
N |
3-я зона 2 -я зоне |
Рис. 2.6. Эллипсы, соответствующие зонам Френеля на плоскости
просуммировать поля от всех вторичных источников фронта вол ны, то можно обнаружить следующую закономерность: по мере удаления в обе стороны от центра фронта волны (точки О на рис. 2.6) наступает такой момент, когда поля от вторичных источ ников окажутся в противофазе (сдвиг фазы на я) с полем в цент
ре фронта |
волны. Это будет соответствовать |
разности |
хода |
|
ADB—АВ = К/2. Суммарная |
напряженность поля |
от вторичных |
||
источников |
области DOD' |
будет определяться |
вектором |
Е! |
(рис. 2.7). Эта область называется первой зоной Френеля. Переме щая фронт волны по длине пролета (линии ЛВ), можно отметить другие граничные точки первой зоны Френеля. Эта зона представ ляет собой эллипсоид вращения с фокусами в центрах передаю щей и приемной антенн (точки Л и В).
В) |
В) |
Рис. 2.7. Векторные диаграммы полей в первой (а), второй (б) и во всех
(в) зонах Френеля
Е./?
Рис. 2.8. Векторная диаграмма поля в точке приема в первой и остальных зонах Френеля
При дальнейшем увеличении расстояния от точки О напряжен ность поля в точке приема (точка В) будет уменьшаться вследст вие того, что поля от вторичных источников будут складываться в этом случае в противофазе с полями первой зоны Френеля. При разности хода лучей АМВ—АМ = % суммарная напряженность по ля в точке В вновь изменит фазу (вектор Е2 на рис. 2.7). Это обо значает границу второй зоны Френеля, которая представляет собой также эллипсоид вращения, конфокальный с эллипсоидом первой зоны Френеля. Если продолжить суммирование полей от вторич ных источников, все более удаляясь от центра О, то картина бу дет периодически повторяться.
Таким образом, все пространство, окружающее точки передачи и приема, разделено зонами Френеля. Векторная диаграмма по лей от отдельных зон будет изображаться закручивающейся спи ралью (рис. 2.7).
На рис. 2.8, а приведена векторная диаграмма результирующих полей от каждой зоны Френеля, а на рис. 2.8,6 показаны два век тора: вектор напряженности поля от первой зоны Френеля и всех остальных зон.
Для связистов, проектирующих РРЛ прямой видимости, основ ные выводы из сказанного выше могут быть следующими:
1. Любое частичное экранирование пространства неровностями рельефа местности ослабляет излучение, исходящее из некоторых зон Френеля, что влияет на мощность сигнала на входе прием ника.
2. Напряженность поля в точке приема от первой зоны Френе ля в 2 раза превышает напряженность поля, определяемую всеми остальными зонами. Таким образом, основная доля энергии пере дается внутри первой зоны Френеля. Если просвет на пролете Н (расстояние между линией, соединяющей центры антенн, и наи высшей точкой рельефа местности, рис. 2.9) таков, что неровности рельефа местности не попадают в пределы первой зоны Френеля, то мощность сигнала на входе приемника максимальна (если не учитывать других факторов, влияющих на распространение радио волн).
Рис. 2.9. Профиль пролета РРЛ с |
Рис. 2.10. Кривая изменения напряжен- |
минимальной зоной Френеля |
ности поля в точке приема в зависимо |
|
сти от Н |
3. |
Зависимость напряженности поля в точке приема от просве |
||
та Н показана на рис. 2.10. Эта зависимость имеет характер коле |
|||
баний. Амплитуда этих колебаний убывает с увеличением просве |
|||
та, что |
соответствует векторной диаграмме, |
приведенной на |
|
рис. 2.8. При большом просвете (когда открыто |
8—12 зон Френе- |
||
_ля) эти колебания практически затухают, и напряженность поля |
|||
;в точке |
приема соответствует напряженности |
поля свободного |
|
пространства ЕСв. Из рис. 2.10 следует, что внутри |
первой зоны |
||
Френеля может быть выделена минимальная зона Френеля, гра |
|||
ница которой определяется разностью хода лучей |
АРВ—АВ = Х/6 |
||
(рис. 2.6), от которой напряженность поля в точке приема также |
|||
нравна Е Св. Минимальная зона Френеля должна |
быть свободна от |
||
препятствий. Любая экранировка этой зоны приводит к ухудше нию качества связи. Напряженность поля в точке приема, создан ная всеми вторичными излучателями, расположенными внутри ми нимальной зоны Френеля, численно равна напряженности поля -свободного пространства. Это обстоятельство положено в основу ,расчета просвета (выбора высот подвеса антенн).
Радиус минимальной зоны |
Френеля в любой точке пролета |
|
(2.22) |
где |
(2.23) |
к = /? ,/Я 0 |
|
— относительная координата |
точки определения радиуса зоны |
(рис. 2.9). |
|
ЗАМИРАНИЯ СИГНАЛА, ВЫЗВАННЫЕ С.УБРЕФРАКЦИЕИ РАДИОВОЛН
Неоднородность нижних слоев атмосферы (тропосферы) приво дит к тому, что ее диэлектрическая проницаемость меняется с вы сотой. Это изменение, характеризуемое параметром g (вертикаль ный градиент диэлектрической проницаемости), приводит к искри влению траекторий радиоволн на пролете РРЛ. Это явление назы вается рефракцией. Различают положительную (£ < 0 ) и отрица-
'Рис. 2.11. Виды рефракции радиоволн |
Рис. 2.12. К пояснению механизма |
в атмосфере |
возникновения замираний сигнала, |
|
вызванных субрефракцией радио |
|
волн |
тельную (^ > 0 ) рефракцию (рис. 2.11). В случае отсутствия ре фракции g = 0.
К замираниям сигнала приводит отрицательная рефракция, на зываемая субрефракцией. Механизм возникновения такого рода замираний следующий: постоянное изменение микроклимата тро посферы приводит к тому, что диэлектрическая проницаемость (и соответственно g) начинает меняться во времени по случайному закону, что в свою очередь приводит к постоянному случайному изменению степени рефракции траекторий радиоволн. При этом могут возникнуть такие обстоятельства, когда степень рефракции окажется значительной настолько, что неровности рельефа мест ности существенно заэкранируют минимальную зону Френеля (рис. 2.12), что приведет к резкому уменьшению мощности сигна ла иа входе приемника. Это и будет моментом глубоких замира ний сигнала. Процент времени ухудшения качества связи, вызван ного указанной причиной, обозначается ^(К ш т).
Такого рода замирания характерны для сухопутных трасс, осо бенно в летнее время и весной. Они имеют большую продолжи тельность (от нескольких десятков минут до нескольких часов), так как обусловлены инерционными метеорологическими процесса ми (например, приземными туманами).
ВЫБОР ВЫСОТЫ ПОДВЕСА АНТЕНН И РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ Tol^mm)
Основным методом борьбы с субрефракционными замираниями является правильный выбор просвета на пролете (расстояния между линией, соединяющей центры антенн, и наивысшей точкой пролета; рис. 2.13). По характеру рельефа местности пролеты мо гут быть разделены на пересеченные и слабопересеченные.
На пересеченном пролете высота неровностей земной поверхно сти соответствует условию
Д/i, > 2Н0. |
(2.24) |
К слабопересеченным пролетам относятся морские пролеты, сухопутные пролеты с неровностями земной поверхности, неудов летворяющими условию (2.24), а также пролеты с гладким рель ефом, для которых коэффициент расходимости Dn> 0,8 (методика расчета Dn приведена ниже).
Независимо от типа пролета производят следующие предвари тельные операции:
1.Строят профиль пролета, из которого определяют наивыс шую точку рельефа (критическую точку) и определяют ее коор динату Ri (см. рис. 2.13).
2.Рассчитывают относительную координату критической точки по формуле (2.23).
3.Для климатического района прохождения трассы проектиру емой РРЛ выписывают среднее значение вертикального градиен
та g и стандартное отклонение а (значения g и о приведены в При ложении 2).
На пересеченном |
пролете просвет, существующий в течение |
||
80% времени (tf(80) = H (g+a), рис. |
2.13), должен быть |
равен |
|
радиусу минимальной зоны Френеля # 0. |
|
||
При этом просвет с учетом рефракции |
|
||
# ( 7 + о ) = # (0 ) + Д # ( £ + о ), |
рефракции (при |
g = 0); |
|
где _ # (0)— просвет |
в отсутствие |
||
AH(g+a) — приращение просвета за счет рефракции.
Тогда просвет без учета рефракции (а именно для этого слу
чая построены профили пролетов) |
|
|
|||
# (0 ) = # 0— A# (g -}- о), |
|
(2.22), а |
(2.25) |
||
где Н0 рассчитывают по выражению |
|
||||
(g + °) — ------^— (£ -b °)к (1 — к)- |
(2.26) |
||||
На слабопересеченном |
пролете |
задают |
последовательно не |
||
сколько |
значений |
просвета |
(например, # ( 0) = # 0, а затем # ( 0) = |
||
= # о ±2 |
м; # 0± 4 |
м и т. д.) |
и для каждого значения просвета про |
||
водят соответствующие расчеты, на основании которых выбирают оптимальный просвет по минимуму суммарного процента вре
мени 7V
При заданном значении просвета определяют высоты подвеса
антенн hi |
и Л2 (рис. 2.13), а затем по методике, изложенной выше, |
||
рассчитывают |
минимальнодопустимый множитель ослабления |
||
(при этом |
длины вертикальных участков волноводов |
принимают |
|
равными /bi= ; |
/в2=Лг)- |
методике: |
|
Расчет |
величины T’o(V'min) проводят по следующей |
||
1. Определяют среднее значение просвета на пролете |
|||
# ( i ) = # ( 0)-| -A #(7 ), |
(2.27) |
||
где |
|
__ |
(2.28) |
Д #(£ ) = - |
(Rl/4) g K (1 — ft). |
||
2. Определяют относительный просвет |
|
||
p(g) = |
H(i)/H0. |
(2.29) |
|
Рис. 2.13. К пояснению вы бора высот подвеса антенн и определения параметра препятствия \i
|
VajAB |
|
|
-10 |
- |
|
- 2 0 |
- |
|
- з о |
- |
|
-40 - |
|
|
|
п |
Рис. 2.14. Профиль пролета РРЛ с дву |
Рис. 2.15. Зависимости V0 |
|
мя препятствиями |
от |
параметра препятствия |
3. Для унификации расчетов принято аппроксимировать пре пятствие любой формы сферой. Параметр р, характеризующий аппроксимирующую сферу, определяют следующим образом: про водят прямую АВ параллельно радиолучу на расстоянии Ау=Н0 от вершины препятствия (рис. 2.13) и из профиля находят шири ну препятствия г.
Тогда
р. |
/<2 ( 1— К)*/р.уГ64ir<*73. |
(2.30) |
где |
l = r/R0; о. = Ьу1Н0. |
(2.31) |
Если рельеф местности таков, что прямая АВ отсекает два препятствия (рис. 2.14), то необходимо проверить, можно ли дан ные препятствия аппроксимировать одной сферой. Для этого сле дует рассчитать коэффициент связи
//? = 1,66 lg 2/ |
1 |
Rp (Rj ^l) |
(2.32) |
1 --------arcsln |
|||
|
it |
Ri (Ro —^i). |
|
Если /><0,67, то препятствия можно аппроксимировать одной сферой, а если />>0,67, то необходимо учитывать каждое препят ствие отдельно.
4. Рассчитывают значения относительного просвета p(go), при котором наступает глубокое замирание сигнала, вызванное экра нировкой препятствием минимальной зоны Френеля
P{ga) = (V0- V mln)IV09 |
(2.33) |
где Vo— множитель ослабления при Я (0) = 0, |
определяемый из |
рис. 2.15 по известному значению параметра р. |
|
Если на пролете имеются два удаленных препятствия, которые
надо |
учитывать отдельно, |
то |
значение |
p(go) определяют по |
формуле |
|
|
|
|
p ^ g |
j = У м — V mini/ р -\~ Ц )2 |
П — l 2 ( 0 ) + l l ( 0 ) |
V ^ 2 ^ ~ ~ 'К 2 )!К \ П к ч) ] |
|
|
VQI Ч" |
V |
— к ч)1к \ (1 — |
|
(2.34)
Рис. 2.16. График для опре деления
где Vmin» |
Voi, V02 — в де |
||
цибелах; |
V0i( V02) — мно |
||
житель ослабления |
(Vo) |
||
при наличии только |
пер |
||
вого |
(или |
второго) |
пре |
пятствия; |
К\ и Ко — отно |
||
сительные |
координаты |
||
первого и второго препят |
|||
ствия |
соответственно. |
||
5. |
Рассчитывают пара |
||
метр |
|
|
|
*=2,31 A [p(g)-p(g0)], |
|||
|
|
|
(2.35) |
А |
|
|
(2.36) |
6. Значения 7o(Vmin) определяют из рис. 2.16.
Глубина субрефракционных замираний существенным образом зависит от ширины препятствия, экранирующего минимальную зо ну Френеля. Худшим случаем является трасса с плоским релье фом (р-^0), когда при незначительных прогибах траекторий ра диолуча значительная часть минимальной зоны Френеля экрани руется препятствием.
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЗАМИРАНИЯ
Электромагнитная энергия может попасть в точку приема не только непосредственно от передающей антенны, но и отразившись от поверхности Земли. Отраженная волна наиболее интенсивна на сухопутных плоских трассах, проходящих в слабопересеченной, лишенной лесного покрова местности, а также трассах, проходя щих над большими водными пространствами. На пересеченных пролетах и пролетах с лесным покровом отражениями от поверх ности Земли можно пренебречь.