Державний університет телекомунікацій

ЗАТВЕРДЖУЮ

к.т.н., доц.

“ __ ” ______________ 201_ р.

ЛЕКЦІЯ № 6

для проведення заняття зі студентами

Дисципліна Основи електромагнітної сумісності.

Тема №6.Методи забезпечення електромагнітної сумісності радіоелектронних засобів.

.

Розроблена у відповідності до навчальної програми 2010 р., розглянута на засіданні кафедри РРМ і рекомендована для використання в навчальному процесі.

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

Навчальна мета:вивчити основні методи забезпечення ЕМС РЕЗ.

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.- 164с.

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. Методи визначення захисних відношенн. 20 хв.

2. Критерії ЕМС для різних служб і умови їхнього виконання. 30 хв.

3. Принципи визначення видів і значень критеріїв

ЕМС для різних радіослужб. 15 хв.

4. Критерії ЕМС для основних радіослужб,

що рекомендуються МСЕ. 15 хв.

ІІІ. Заключна частина 5хв.

• 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 Методи визначення захисних відношень

Захисні відношення - відношення щодо високої частоти визначається як мінімально-допустиме (граничне) відношення потужності корисного сигналу (КС) до потужності заважаючого сигналу(ЗС) на вході приймача, що дозволяє одержати на його виході задану якість корисного сигналу [1,2]:

, (2.1)

де , –відповідно потужності КС і ЗС на вході приймача.

Звичайно захисні відношення (ЗВ) виражаються в децибелах відповідно до вираження

. (2.2)

Захисні відношенни найбільше часто використовують як критерій ЕМС аналогових і цифрових систем радіозв’язку. Вибір такого критерію пояснюється тим, що якість сигналу на виході приймача звичайно монотонно залежить від вхідного відношення сигнал/завада . Дія завад приводить до погіршення характеристик КС на виході приймача, наприклад, до збільшення коефіцієнта помилок, погіршенню якості вихідного зображення й (або) розбірливості мови.

На величину ЗВ впливають багато факторів, такі, як частотний рознос між несучими КС і ЗС, вид і глибина їхньої модуляції, спосіб обробки сигналу й метод його кодування, характеристики приймача (його чутливість, вибірковість) і ін.

Задана якість прийому КС у присутності ЗС забезпечується, якщо виконується критерій ЕМС у вигляді

(2.3)

де –відповідно відношення сигнал/завада на вході приймача й необхідне ЗВ, дБ.

Відношення сигнал/завада на вході приймача змінюється в часі випадковим чином, внаслідок чого умова ЕМС (2.3) у певному відсотку часу (Т%) роботи каналу зв’язку може не виконуватися й відповідно якість вихідного корисного сигналу в деякі тимчасові інтервали (при ) буде гірше в порівнянні із заданим. Наприклад, у цифрових системах передачі в цьому випадку коефіцієнт помилок перевищить припустиме значення протягом Т% часу. Тому в сумісних радіослужбах нормується відсоток часу будь-якого місяця (7%), протягом якого коефіцієнт помилок може бути більше припустимої величини. Наприклад, у цифрових РРЛ прямій видимості при завадах з боку фіксованої супутникової служби допускається збільшення тривалості періоду часу, коли коефіцієнт помилок перевищує , не більше, ніж в 0,04% часу будь-якого місяця [1].

Необхідна величина ЗВ залежить від характеристик модуляції КС і ЗС, а також від різниці їхніх несучих частот. Звичайно при передачі аудіо або відеоінформації визначення ЗВ для систем радіозв’язку здійснюється шляхом суб’єктивних оцінок якості сигналів на їхньому виході. Умови вимірів ЗВ визначені рекомендаціями МСЕ, а якість прийому оцінюється за п’ятибальною шкалою [1]. У телевізійних каналах якість вихідного сигналу з оцінкою 4,5 бали відповідає появі ледь помітної завади на зображенні. Втрати якості вихідного КС під дією завад і залежність цих втрат від вхідного відношення сигнал/завада оцінюють безпосередньо одержувачі повідомлень або група кваліфікованих експертів. Результати їхніх суб’єктивних оцінок піддаються статистичній обробці й представляються у вигляді таблиці або графіка.

На рис. 2.1 показані отримані методом експертних оцінок захисні відношенни для телевізійного сигналу стандарту SEKAM D,K при дії на вході приймача завад у вигляді гармонійного коливання або ЧМ сигналу звукового радіомовлення [2]. Захисні відношенни на рис. 2.1 представлені у вигляді функції від різниці частот несучих корисного (ТВ) і заваджаючого (ДВЧ ЧМ) радіосигналів. Такі завади можуть створюватися радіостанціями ДВЧ ЧМ звукового радіомовлення (діапазон робочих частот 88...108 МГц) при настроюванні телевізійного приймача на п’ятий ТВ канал, що займає смугу частот 92...100 МГц [2].

Рисунок 2.1 - Норми на захисні відношенни для системи SEKAM К, D при заваді від гармонійного коливання або ЧМ радіосигналу звуку: 1 – поріг помітності; 2 – гарна якість; 3 – задовільна якість

Необхідне ЗВ на вході приймача може бути визначено аналітичним (розрахунковим) шляхом, якщо відомі максимально припустимі значення рівня завад на виході приймача (у каналі зв’язку), або на вході демодулятора (для цифрових систем). Норми на гранично припустимі рівні взаємних завад для забезпечення ЕМС різних космічних і наземних радіослужб, що відповідають рекомендаціям МСЕ, наведені в [1]. Наприклад, у випадку спільного використання смуг частот вище 1 ГГц фіксованими наземними (РРЛ) і фіксованими супутниковими службами при передачі телефонних повідомлень в аналоговій формі припустима середньохвилинна потужність шумів на виході телефонного каналу (1000 пВт) може бути перевищена не більш ніж в 20% часу будь-якого місяця. При сполученні цифрових фіксованої супутникової й фіксованої рухливої служб максимальна потужність ЗС на вході приймача не повинна перевищувати такого значення, при якому частка завади становить не більше 10% загальної потужності шумів на вході демодулятора, які викликають появу помилок на його виході з імовірністю . Допускається збільшення коефіцієнта помилок до, але не більш ніж в 0,03% місяця [1]. Наведені приклади норм визначають критерії ЕМС різних космічних і наземних радіослужб і дозволяють розрахувати припустимі рівні взаємних завад і необхідні ЗВ при їхній спільній роботі в смугах частот, що перекриваються.

А. Вплив завад на приймач аналогової системи радіозв’язку. Корисний сигнал являє собою радіосигнал несучої, модульованої за частотою багатоканальним телефонним повідомленням із частотним поділом каналів (сигнал виду ЧРК-ЧМ, клас випромінювання F8EJF) заваджаючим сигналом може бути довільний сигнал – аналоговий або цифровий. На виході приймача (каналу ТЧ) у точці з нульовим відносним рівнем КС (=1 МВт) псофометрична зважена потужність завади, пВт, визначаєтьсявираженням [1]

(2.4)

де  – потужність радіосигналу, що заваджає, на вході приймача;

–потужність корисного радіосигналу;

=3,1 кГц – ширина смуги пропускання каналу ТЧ;

=0,75 – псофометричний коефіцієнт;

–середня частота каналу в лінійному спектрі;

 – верхня гранична частота спектра корисного повідомлення;

–коефіцієнт перекручувань;

–ефективного девіація частоти, що приходиться на один канал.

Функція D(b,)являє собою згортку енергетичних спектрів КС і СЗ:

(2.5)

де  – нормалізовані енергетичні спектри КС і СЗ;

–верхні граничні частоти спектрів КС й СЗ модулюючих сигналів.

Значення функцій , що входять у вираження (2.5), можуть бути визначені за графіками нормалізованих енергетичних спектрів, наведених в [1]. Одне із сімейств таких графіків, що характеризують спектри ЧМ радіосигналів залежно від значень ефективного індексу модуляції , показане на рис. 2.2. По осі ординат відкладена величина , а по осі абсцис – відносна частота .

Найбільшу потужність завади мають у верхньому телефонному каналі при . У цьому випадку з урахуванням (3.4) захисне відношення виражається у вигляді [1]

(2.6)

де  – максимально допустима величина потужності завади від одного джерела на виході каналу ТЧ, рівна 800 пВт, що перевищує не більше 20% часу місяця [1].

Рисунок 2.2 -Нормалізовані енергетичні спектри радіосигналів виду ЧРК-ЧМ

Формула (2.6) придатна для будь-яких видів заважаючих сигналів, які будуть розрізнятися тільки своїм внеском у вираження для функції (l,8).

У загальному випадку значення D()розраховуються чисельним інтегруванням за формулою (2.5). Для деяких окремих випадків, розглянутих далі, формула (2.5) спрощується.

Заважаючий радіосигнал – аналоговий (ЧРК-ЧМ).

Якщо спектр СЗ значно ширший спектра КС, то функція приблизно постійна в межах більшої частини спектра КС і її можна винести за знак інтеграла у вираженні (2.5). Для залишився під знаком інтеграла нормалізованого спектра КС справедлива рівність

внаслідок чого вираження (2.5) при перетвориться до виду [1]

(2.7)

При збігу частот несучих корисного й заваджаючих радіосигналів , і з (2.7) видно

(2.8)

Якщо, крім того, система, що заваджає такій же ємності, що й корисна, тобто , то з (2.8) видно

(2.9)

де визначається за графіками нормалізованих енергетичних спектрів при індексі модуляції .

В іншому випадку, коли спектр КС значно ширший від спектра СП, функція обчислюється за формулами (2.7)-(2.9) після заміни в них на. Обчислення за цими наближеними формулами забезпечують достатню точність, якщо в межах ширини спектра одного із взаємодіючих радіосигналів, обмірюваному на рівні (-25...-30) дБ, спектральна густина потужності іншого радіосигналу зменшується щодо максимальної не більше ніж на 3...5 дБ [1].

Заважаючий радіосигнал – несуча, модульована за фазою цифровим сигналом (сигнал типу ІКМ-ФМ, клас випромінювання G7EBT).

Якщо спектр цифрового СЗ значно ширший від спектра КС ЧРК-ЧМ, а їхні несучі частоти збігаються , то можна використовувати вираження [1]

(2.10)

де  – швидкість передачі, біт/с;

= 1 при двопозиційній ФМ;

= 0,5 при четирьохпозиційній ФМ;

.

Величина визначає частку потужності СЗ, що попадає на вихід каналу КС.

Заважаючий радіосигнал - цифровий типу «один канал на кожній несучій».

Сигнал завади складається з безлічі несучих, кожна з яких модулюється цифровим сигналом одного каналу (один канал на кожній несучій, ОКН). Приблизно можна думати, що енергетичний спектр такого сигналу рівномірний з верхньою граничною частотою . Якщо в смугу частот корисного сигналу ЧРК-ЧМ попадають N каналів системи ОКН, то

(2.11)

де  – відносна різниця частоти несучої КС і частоти і-й несучої сигналу ОКН.

Б. Вплив завад на приймач цифрової системи радіозв’язку.

У космічних системах цифрового радіозв’язку корисним сигналом, як правило, є сигнал з М-позиційною ФМ (М-ФМ). Завади, що надходять на вхід приймача разом із КС, приводять до збільшення кількості помилково прийнятих символів на виході демодулятора. Відповідно до критерію ЕМС [1], потужність завади від одного джерела не повинна перевищувати а відсотків повної потужності шумів на вході демодулятора приймача, при якій забезпечується задана якість зв’язку, що відповідає коефіцієнту помилок . Якщо номінальне відношення потужності сигналу до потужності шуму на вході демодулятора забезпечує коефіцієнт помилок , то, відповідно до критерію ЕМС, мінімально-допустиме відношення потужності КС до потужності СЗ від одного джерела (тобто захисне відношення) складе

Якщо в спектрі КС розміщається N сигналів завади однакової потужності, то ЗВ повинне бути збільшене в N раз, тобто

(2.12)

В ідеальній системі цифрового радіозв’язку з Ч-ФМ, у якій може бути реалізована теоретична (потенційна) завадостійкість, імовірність появи помилок забезпечується при номінальному відношенні потужності сигналу до потужності теплового шуму на вході демодулятора 14 дБ [1]. Якщо на вході приймача, крім теплових шумів, діє одиночний заважаючий радіосигнал, то значення зручно визначати за отриманими розрахунковим шляхом графікам, показаним на рис. 2.3 [1]. Графіки характеризують залежність імовірності появи помилок на виході демодулятора сигналів з Ч-ФМ від відношення КС до СЗ на вході приймача. Параметром сімейства є відношення сигнал/шум на вході демодулятора. Із графіків на рис. 2.3 видно, що при C/Ш14 дБ задана якість прийому цифрового сигналу на виході приймача з коефіцієнтом помилок забезпечується, якщо на його вході відношення корисного сигналу до заважаючого (CЗ) не менше 25 дБ.

Вираження (2.12) і дані графіків на рис. 2.3 справедливі для ідеального каналу зв’язку. У реальних каналах завжди є певні енергетичні втрати, що погіршують їхню завадостійкість у порівнянні з потенційною (теоретично можливою). Причинами появи втрат є перекручування АЧХ і ФЧХ елементів тракту передачі сигналів, погрішності синхронізації, нестабільність частоти гетеродинів, коливання рівнів сигналів і ін. На основі дослідних даних і відповідно до рекомендацій МСЕ ці втрати можуть бути враховані за допомогою співвідношення [1]

де – енергетичні втрати, дБ;

–число рівнів маніпуляції фази радіосигналу.

Енергетичні втрати показують, на яку величину потрібно збільшити відношення сигнал/шум на вході демодулятора приймача в реальному каналі зв’язку в порівнянні з ідеальним, щоб одержати на його виході ту ж саму якість цифрового сигналу, тобто таку ж імовірність появи помилок (у цьомувипадку). Тому з обліком (2.13) і даних рис. 2.3 величина відношенни сигнал/шум на вході демодулятора приймача реального каналу зв’язку з Ч-ФМ повинна бути не менше

.

Тоді з (2.12) для необхідного захисного відношення одержуємо при а = 6%

. (2.14)

Формула (2.14) придатна для заважаючих сигналів будь-якого виду [1].

Рис. 3.3 - Імовірність помилки для чотирьохпозиційної ФМ

Корисний сигнал - цифровий, виду «один канал на кожної несучій (ОКН)».

Практично всі види заважаючих радіосигналів мають спектри, істотно більш широкі, чим спектр одноканального сигналу ОКН. Тому можна вважати, що спектральна щільність потужності СЗ постійна в межах смуги пропускання одного каналу системи ОКН. При аналоговому СЗ виду ЧРК-ЧМ захисне відношення [1]

(2.15)

де  – максимальна величина нормалізованої спектральної щільності потужності сигналу завади;

–ширина смуги одного каналу в системі передачі ОКН.

Для цифрового СП типу ІКМ-ФМ необхідне ЗВ [1]

(2.16)

де  – максимальна відносна величина спектральної щільності потужності цифрового СЗ.

Відношення в (2.16) визначає частку потужності СП, що попадає в смугу пропускання каналу ОКН. Якщо сигналом завади є сигнал ОКН, такий же, як і корисний, і їхні несучі частоти збігаються, то вся потужність завади попадає на вхід демодулятора приймача корисного сигналу. У цьому випадку захисне відношення [1]

(2.17)

.