ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙ

ЗАТВЕРДЖУЮ

к.т.н., доц.

“ __ ” ______________ 201_ р.

ЛЕКЦІЯ № 2

для проведення заняття зі студентами

Дисципліна Основи електромагнітної сумісності.

Тема №2. Технічна недосконалість передатчиків та приймачів, як причини виникнення взаємних завад.

.

Розроблена у відповідності до навчальної програми 201_ р., розглянута на засіданні кафедри РРМ і рекомендована для використання в навчальному процесі.

Протокол № __ від “ ___ ” _________ 201__ р.

Навчальна мета: вивчити причини виникнення взаємних завад передавача і приймача.

Виховна мета: сформувати почуття наполегливості до вивчення дисципліни.

Час: 2 години.

Матеріальне забезпечення: дошка, крейда, указка.

Література:

1. Винников В.В. Основы проектирования РЭС. Электромагнитная совместимость и конструирование экранов: Учеб. пособие - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2006.- 164 с.

2. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Учебное пособие / Под ред. д.т.н., проф. М.А. Быховского. – М.: Эко-Трендз, 2006. – 376 с.

Навчальні питання та розрахунок часу

І. Вступна частина 5 хв.

- приймаю доповідь чергового навчальної групи;

- перевіряю наявність особового складу, зовнішній вигляд та готовність до заняття;

- оголошую тему заняття, його цілі, зв’язок з попередніми темами, літературу.

ІІ. Основна частина 80 хв.

1. Випромінювання на виході радіопередавальних пристроїв

і їх нормування. 45 хв.

2.  Види небажаних випромінювань та методи боротьби з ними. 35 хв.

ІІІ. Заключна частина 5 хв.

• відповідаю на запитання;

• підбиваю підсумки заняття;

• оголошую оцінки;

• даю завдання на самопідготовку;

• оголошую назву та дату наступного заняття.

Організаційно-методичні вказівки:

Заняття доцільно проводити у навчальній аудиторії, призначеній для проведення занять з однією навчальною групою на протязі двох годин.

Іі основна частина

2.1 Випромінювання на виході радіопередавальних пристроїв і їх нормування

Радіопередаючий пристрій (РПП), що складається з радіопередавача й антенно-фідерної системи, призначено для генерації несучого гармонійного коливання, його модуляції й випромінювання за допомогою передавальної антени. Крім основного (корисного) радіовипромінювання, на виході антени РПП присутні неосновні (небажані) випромінювання. Ці випромінювання можуть бути заважаючими для приймачів інших РЕЗ, створюючи їм ненавмисні завади й погіршуючи ЕМС РЕЗ. Класифікація випромінювань на виході антени РПП й зразковий розподіл їхньої спектральної щільності потужності представлені на рис. 2.1 і 2.2.

Рисунок 2.1 - Класифікація випромінювань РПП

Рисунок 2.2 - Спектр щільності потужності радіовипромінювань РПП:

1 – основного; 2 – позасмугового; 3 – на гармоніках; 4 – на субгармоніках;

5 – комбінаційного; 6 - інтермодуляційного; 7 – паразитного;8 – шумового

Основне випромінювання займає деяку необхідну смугу частот , призначену для передачі корисного радіосигналу. Всі інші (неосновні) випромінювання, розташовані за межами основної (працюючої) ділянки радіочастотного спектра , є небажаними. Ці випромінювання підрозділяються на зовнішньосмугові, побічні й шумові. Спектр позасмугового випромінювання безпосередньо примикає до необхідної смуги частот праворуч і ліворуч. Спектри побічних випромінювань на гармоніках, на субгармоніках, на комбінаційних частотах, паразитних і інтермодуляційних коливань вилучені від частот основного каналу випромінювання. Шумове випромінювання займає широку смугу частот.

Необхідна смуга частот визначається як мінімальна за шириною смуга частот, що забезпечує передачу даного повідомлення з необхідною швидкістю і якістю [1,2]. Норми на необхідну ширину смуги частот для різних типів повідомлень (телеграфія, телефонія, звукове радіомовлення й ін.) і видів модуляції (амплітудна, кутова, імпульсна) наведені у Регламенті радіозв’язку (РР) [1]. Необхідна ширина смуги частот може визначатися також розрахунковим шляхом відповідно до рекомендацій МСЕ й формулами, зазначеними у відповідних розділах рекомендацій [1,2]. Наприклад, у випадку амплітудної модуляції несучими аналоговими сигналами телефонії або звукового віщання необхідна ширина смуги радіовипромінювання

(2.1)

де , – нижня і верхня граничні частоти модулюючого сигналу.

Значення необхідної ширини смуги частот для РEЗ різного призначення наведені в РР і інших документах [1, 2, 7].

Поява позасмугових випромінювань викликана тим, що всякий обмежений у часі сигнал має нескінченний спектр.

Оскільки прийомні пристрої мають кінцеву ширину смуги пропущення, прийнятий сигнал відтворюється з викривленнями. Припустима величина викривлень залежить від призначення й умов роботи радіолінії й, у свою чергу, визначає необхідну ширину смуги випромінювання (ШСВ).

Ширина займаної смуги випромінювань може бути рівна, більше або менше необхідної. У першому випадку випромінювання називається досконалим, у другому - недосконалим і в третьому - випромінюванням більш вузьким, ніж досконале. Очевидно, в останньому випадку викривлення сигналу перевищують припустимі.

Для поліпшення електромагнітної сумісності РЕЗ займана ШСВ повинна бути мінімальною, а для одержання найменших викривлень сигналу бажане розширювати необхідну, а, отже, займану ШСВ. При заданій тривалості сигналів зменшити ширину займаної смуги випромінювання можна тільки зміною форми сигналів, наприклад їх скругленням.

Так, в імпульсів різної форми - прямокутної, трапецеїдальної, трикутної, косинусоїдальної, з косинус-квадратним скругленням, косинус-квадратної, косинус-кубичної - найменшу смугу випромінювання займають косинусоїдальний і трикутний імпульси. З погляду ЭМС застосування цих імпульсів переважно.

(Аналітичні вираження форми цих імпульсів, займані ШСВ, час установлення й швидкості убування спектра таких імпульсів законспектувати на самостійному занятті [ ]).

Однак це справедливо тільки при визначенні займаної ШСВ як утримуючої 99% випромінюваної потужності. Оскільки швидкість убування спектра зі зміною частоти в різних імпульсів різна, то при зміні відносної величини потужності, випромінюваної в межах займаної смуги, результати порівняння ШСВ різних імпульсів можуть бути іншими.

Так, при збільшенні відносної величини потужності, випромінюваної в займаній смузі, ШСВ косинус-кубічного, косинус-квадратного імпульсів і імпульсів з косинус-квадратним скругленням стане менше ШСВ трикутного й косинусоїдального імпульсів через більшу швидкість убування спектра перших. Отже, у міру зменшення припустимого рівня позасмугових випромінювань застосування імпульсів з більш швидким убуванням спектра з погляду ЕМС буде переважним.

Ефективним з погляду ЕМС є імпульс дзвонової форми (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 - Дзвоновий імпульс

(2.2)

Спектр цього імпульсу також має дзвонову форму

, (2.3)

а швидкість убування спектра пропорційна . (2.4)

Займана ШСВ дзвонового .імпульсу

(2.5)

Якщо під тривалістю імпульсу розуміти проміжок часу, у якому зосереджено 99% енергії імпульсу, то тривалість імпульсу рівна, а ШСВ .

Таким чином, дзвоновий імпульс має порівняно вузьку ШСВ при великій швидкості убування спектра. Дослідження показують, що при модуляції клістронного підсилювача імпульсом, близьким за формою до дзвонового із тривалістю =3,5 мкс, випромінювання на всіх частотах, що відрізняються від несучої не менш чим на 1 МГц, не перевищують -60 дБ від пікового рівня випромінювання [11].

Швидкість убування спектра є досить важливим параметром ЕМС. Збільшення швидкості веде до зменшення взаємних завад у смугах частот, досить віддалених від займаної ШСВ. Однак через збільшення нерівномірності розподілу позасмугових випромінювань у смугах частот, що примикають до займаної ШСВ, рівень взаємних перешкод буде тем вище, чим більше швидкість убування спектра. Тому застосування сигналів з великими швидкостями убування спектра припускає досягнення електромагнітної сумісності РЕЗ, у першу чергу, розносом РЕЗ по частоті, а застосування сигналів з малою швидкістю убування спектра припускає досягнення ЕМС головним чином просторовим розносом.

Імпульси, що займають меншу ШСВ, мають більший час установлення. Отже, поліпшення якості роботи конкретної радіотехнічної системи неминуче веде до погіршення електромагнітної сумісності РЕЗ і навпаки. Це протиріччя й визначає необхідність уведення розумно обґрунтованих норм на займану ШСВ.

При виборі форми використовуваних у радіолінії сигналів слід також ураховувати можливість їх технічної реалізації в передавальних пристроях. Застосування імпульсів з «подовженими хвостами» (дзвонових, косинус-кубичних і ін.) не забезпечує стабільної роботи магнетронних і інших генераторів, частота яких визначається значенням напруги, що модулює. При використанні таких генераторів доцільно застосовувати модулюючі імпульси із плоскою вершиною й часом установлення, близьким до часу встановлення коливань генератора.

Позасмугові випромінювання не використовуються для передачі корисної інформації і є, як і основні, результатом модуляції несучої переданим повідомленням. При цьому вони є джерелом взаємних завад.

Причинами появи позасмугового випромінювання можуть бути [2, 3]:

– недостатнє придушення на вході модулятора складових спектра модулюючого сигналу, що перебувають за межами верхньої граничної частоти, що забезпечує необхідну якість передачі (наприклад, модуляція імпульсами із крутими фронтами);

– наявність нелінійності амплітудної й фазової характеристик тракту передавача (підсилювачів, модулятора);

– застосування модулюючих сигналів великого рівня (явище перемодуляції) або обмеження їхніх амплітуд; квантування й ін.

У результаті в спектрі випромінюваних станцією радіосигналів з'являються складові, що лежать за межами необхідної смуги частот, які погіршують її ЕМС із іншими РЕЗ, що працюють у сусідніх каналах.

Випромінювання, ширина якого не виходить за межі необхідної ширини смуги радіочастот , називають удосконаленими (оптимальним). На практиці більшість радіостанцій мають недосконале (неоптимальне) випромінювання через появу позасмугового радіовипромінювання. Тому для оцінки фактичного (недосконалого) випромінювання уведене поняття займаної смуги радіочастот, за межами якої випромінюється певна частка β (наприклад, β=1%) середньої потужності радіостанції на привласненій їй частоті .

У межах займаної смуги в цьому випадку зосереджено 100-β=99% середньої потужності випромінювання. При цьому потужність радіозавад від позасмугових випромінювань станцій, що працюють у суміжні (сусідніх) частотних каналах з даної, не перевищує β% потужності сигналу в основному каналі прийому. Значення β установлюється для кожного класу випромінювання й у більшості випадків не перевищує 0,5%.

Контроль і нормування зовнішньосмугового випромінювання здійснюється за допомогою контрольної ширини смуги частот випромінювання , за нижньою й верхньою межами якої будь-яка спектральна складова ослаблена на 30 дБ (в 1000 разів) і більше стосовно максимального значення випромінюваної потужності. Значення контрольної ширини смуги частот використовується при розподілі й присвоєнні номінальних частот радіостанціям і при розрахунках частотного розносу між сусідніми станціями.

Таблиця 2.1 - Приклад норм на ширину смуги частот і позасмугове випромінювання

Клас випромінювання JЗЕ	Формули для розрахунку
	Необхідної ширини полоси частот , Гц	Контрольної ширини полоси частот , Гц	позасмугових радіовипромінювань
			на рівні –Х дБ	ширини полоси , Гц
Телефонія, одна бокова полоса, подавлена несуча			30 35 40 50 60

Виміряні значення контрольної ширини смуги частот і позасмугових випромінювань не повинні більш ніж на 20% перевищувати нормовані значення [2]. Наявність норм дозволяє будувати моделі огинаючої спектра потужності основного й позасмугового випромінювань, що необхідно при аналізі ЕМС радіостанцій.

Боротьбу із цими випромінюваннями ведуть звичайно за допомогою фільтрів прийомних пристроїв. Економічно ж вигідніше боротися з ними, як і з індустріальними завадами, у місцях їх виникнення, т. е. у передавальних пристроях.

Найбільш радикальний метод боротьби із позасмуговими випромінюваннями - застосування високочастотних фільтрів на виході, передавачів. Однак технічна реалізація цього методу сполучена з істотними труднощами, головні з яких:

необхідність розсіювати потужність позасмугових випромінювань, середні значення якої досягають десятків кіловатів;

необхідність перестроювання фільтрів при роботі передавальних пристроїв у діапазоні частот;

одержання частотних характеристик фільтрів із крутими скатами.

Класифікація випромінювань РПП.

Клас випромінювання позначається відповідно до основних і додаткових характеристик радіосигналу. Перший символ (буква) у позначенні вказує на тип модуляції несучої: А – амплітудна двосмугова; Н, R, J – амплітудна односмугова з різним ступенем придушення несучої; F, G – кутова (частотна й фазова) і ін. Другий символ (цифра) у позначенні вказує на характер модулюючого сигналу: 1,2 – один канал цифрової інформації; 3 – один канал аналогової інформації; 7, 8 – два або більше канали, що містять цифрову (7) або аналогову (8) інформацію. Третій символ (буква) у позначенні вказує тип переданої інформації: А, Б – телеграфія, Е – телефонія (включаючи звукове радіомовлення), F – телебачення і т.д. Четвертий символ містить дані про сигнал (сигналах): В, С – двопозиційний код з однаковим числом елементів і однаковою тривалістю без виправлення (В) і з виправленням (С) помилок, G, J – передача звуку віщального (G) або комерційного (J) якості; N – передача колірного телевізійного сигналу. П’ятий символ вказує характер ущільнення: N – без ущільнення, F, Т – частотне (F) або часове (Т) ущільнення й ін.

До параметрів основного випромінювання радіостанції в необхідній смузі частот выдносяться:

– несуча частота і її відхилення, Гц;

– необхідна смуга частот, Гц;

– вихідна потужність, Вт, дБВт;

– поверхнева щільність потоку потужності, Вт/м², дБВт/м², для бортових – передавачів супутникових РEЗ;

– вид і параметри модуляції;

– ослаблення несучого коливання й придушення неробочої бічної смуги, дБ, для однополосних РПП.

Присвоєння частот передавальним станціям.

Передавальним станціям дозволяється випромінювати радіосигнали тільки в межах певної смуги частот, що називається привласненою. Частота, що відповідає середині привласненої радіостанції смуги частот, називається привласненою частотою. Операція присвоєння – дозвіл, виданий Адміністрацією зв’язку, відповідальною за дотримання РР, на використання радіочастоти або радіочастотного каналу за певних умов. Присвоєння й використання частот передавальними станціями визначаються правилами, викладеними в РР [1]. Для радіосигналів з двосмуговою передачею привласнена частота збігається з несучою, а при односмуговій передачі відрізняється від неї. Наприклад, при односмуговій передачі верхньої бічної амплітудно-модульованого радіосигналу середня частота радіоспектру

, (2.6)

де – несуча частота,  – верхня гранична частота модулюючого сигналу.

Залежно від значення верхньої граничної частоти модулюючого сигналу середня частота змінюється, що не дозволяє використовувати її в якості привласненої. Тому для радіоліній з односмуговою передачею нормується різниця між несучою й привласненою частотами. Наприклад, для морської і повітряної рухливих служб, де необхідна ширина смуги частот , встановлена різниця 1400 Гц для всіх класів випромінювань із односмуговою модуляцією (Н, R, J).

З урахуванням нестабільності частоти радіопередавачів ширина привласненої смуги частот повинна перевищувати ширину необхідної смуги на подвоєну величину абсолютного допустимого відхилення частоти у відповідності з виразом

(2.7)

Допустиме відхилення частоти радіопередавача – це максимально припустима величина відхилення фактичної середньої частоти радіовипромінювання станції від номінального значення привласненої їй частоти [2]. Допустиме відхилення частоти – довгострокова нестабільність, яку повинен забезпечувати передавач за весь час його роботи. Розширення привласненої смуги частот стосовно необхідного на величину забезпечує захист від радіозавад у суміжних (сусідніх) каналах, розташованих вище й нижче привласненої смуги. Припустимі відхилення встановлюються з урахуванням норм РР і залежать від приналежності РЕЗ до певної служби, діапазону частот і середньої потужності РПП. Наприклад, відповідно до діючих норм [2] припустиме відхилення робочої частоти радіомовних передавачів для діапазонів НЧ, СЧ і ВЧ не повинне перевищувати ±10 Гц, а в діапазоні ДВЧ – ±100 Гц. Для космічних станцій привласнена смуга частот включає подвоєний максимальний допплерівський зсув частоти, який може спостерігатися стосовно будь-якої точки земної поверхні.