Методы и средства передачи информации (Лекция №17)

Pпр = Pπпер2 s,

4 r

где Pпер – мощность, излучаемая в передающей антенной;

Pпр – мощность, поступающая на выходные зажимы приемной антенны; s – эффективная «площадь» приемной антенны;

r– расстояние между антеннами.

Вэтой простейшей формуле не нет никаких данных о связи понятия эффективная площадь приемной антенны с её конструктивными особенностями, нет учета климатических особенностей среды распространения электромагнитной волны (которые оказывают существенное влияние на уровень потерь мощности в пределах радиолинии). Все эти моменты можно учесть только при реализации алгоритма расчета радиолинии, учитывающего все этапы её проектирования, начиная с рационального выбора частотного диапазона и заканчивая оценкой отношения сигнал/шум на входе приёмного устройства.

Рассмотрение алгоритма расчета проведем на примере проектирования радиолинии в структуре LMDS (т.е. точка/многоточка).

2.Расчет радиолинии передачи информации

Рассмотрим задачу создания радиолинии для ретранслятора в диапазоне крайне высоких частот (КВЧ - диапазоне), в области 50 ГГц. Такие ретрансляторы используются за рубежом при построении радиорелейных линий в MMDS (точка/точка) системах «междуточечной» связи начиная с конца прошлого столетия. Такие системы предлагались известными фирмами NEC, POSOLINK и пр.) Достоинства выбранного частотного диапазона заключается в высоком информационном потенциале каналов связи, так как он позволяет осуществлять передачу информационных сигналов в широкой полосе частот (обычно доступная полоса частот информационных сигналов ограничена одной десятой частоты несущей, реально же составляет единицы процента), а также небольшими габаритными размерами, которые уменьшаются пропорционально уменьшению длины волны. Недостатком устройств диапазона КВЧ является нарастание технологиче-

2

ских трудностей создания электронных блоков аппаратуры генерации электромагнитных колебаний в КВЧ диапазоне (что повторяет общую закономерность нарастания стоимости аппаратуры с ростом частотного диапазона).

Проектирование (расчет) радиолинии начинается с Технического задания (ТЗ). Пусть в нашем случае требуется обеспечить передачу информационного сообщения занимающего полосу частот 800 МГц (т.е. около 40 аналоговых ТВ каналов). Исходя из этого, создание требуемого ретранслятора (и радиолинии в его составе) возможно в диапазоне несущих частот (т.е. центральных частот передаваемого информационного сигнала) не ниже 8 ГГц, а реально – в диапазон частот выше 30 ГГц.

Выбор частотного диапазона ориентировочно проводится по следующей структурной схеме.

Ориентируясь на регламент радиосвязи (см., например, Регламент радиосвязи. Международный союз электросвязи. Том I. Москва, Радио и связь, 1985, 511 с. и Регламент радиосвязи. Приложения. Резолюции и рекомендации. Том II. Москва, Радио и связь, 1986, 747 с.), создание требуемого ретранслятора возможно в диапазонах 40,5 – 42,5 ГГц или 84 – 86 ГГц , выделенных для радиовещательных спутниковых каналов, но не запрещенных (в отличие от диапазона частот 11,7 – 12,5 ГГц для организации вторичных источников сигналов (см. Приложение 30, том II, Регламент радиосвязи).

Диапазон частот 40,5 – 42,5 ГГц характеризуется средним атмосферным поглощением мощности миллиметровых волн при горизонтальном распространении на уровне моря величиной порядка 0,2 дБ/км (напомним, что по мощности

1дБ равен 10lg Р1/P2, т.е. 0,1 = lg Р1/P2, Р1/P2=100,1=1,259 , а 0,2 дБ соответствует

Р1/P2=100,02=1,047, т.е. P2= 0,955Р1). На высоте 4 км поглощение составит 0,04 дБ/км. В диапазоне частот 80 ГГц поглощение характеризуется значениями 0,4 и 0,1дБ/км, соответственно.

Кроме того, обеспеченность элементной базой указанных диапазонов частот и их стоимость ориентируют на создание ретранслятора в диапазоне длин волн

7,5 мм.

3

Определенные трудности разработки ретранслятора в этом диапазоне связаны с близостью частотного диапазона радиоастрономических служб, соответст-

венно, 42,77–42,87 ГГц, 43,07–43,17 ГГц и 43,37–43,47 ГГц , где запрещено соз-

дание помех на уровнях превышающих 130 дБм (где понятие дБм соответствует уровню минус 130 дБ относительно милливатта). Тем не менее, учитывая сказанное представляется рациональным создание ретранслятора в диапазоне частот 40,5 – 42,5 ГГц несмотря на жесткие требования по внеполосному излучению.

Оценка параметров радиоканала начинается с расчета радиолинии между передающей антенной и каждой приемной антенной. Радиолиния представляет собой линию прямой видимости. Оценим энергетические характеристики такой линии.

Оценка влияния среды на ослабление сигнала заключается в учете факторов, влияющих на ослабление. К этим факторам относятся кислород воздуха, водяные пары в атмосфере, а также гидрометеоры (дождь, снег, град, туман), которые зависят от географического местоположения трассы. Оценка показывает, что на частотах около 40 ГГц ослабление из-за кислорода и водяных паров составляет доли дБ/км (0,2 дБ/км). Наиболее существенными факторами на коротких трассах являются гидрометеоры, в частности дождь. Ослабление, вызываемое дождем различной интенсивности, можно оценить, пользуясь данными в книге Фортушенко А.Д. и др. Основы технического проектирования систем связи через ИСЗ. – М., Связь, 1970.

В соответствии с данными, приведенными на рис. 7.17 в этой книге, для частоты f 40ГГц затухание может составить от 0,05 до 20 дБ/км при интенсивности дождя соответственно от 025 до 150 мм/час. Осадки высокой интенсивности весьма редки. Как следует из литературных данных, в Москве с вероятностью 99,9% наибольшая среднемесячная интенсивность осадков не превышает 3 мм/час. При этом величина поглощения составит около 1 дБ/км. Однако следует иметь в виду, что в случае интенсивного дождя кратковременное ослабление может составить 20 дБ/км.

4

Ослабления, вносимые туманом в зависимости от значений расстояния прямой видимости согласно экспериментальным данным, систематизированным в книге Я.Л. Альперт, В.Л. Гинзбург, Е.Л. Фейнберг Распространение радиоволн.

– М. Гостехиздат технико-теретической литературы, 1953, с. 826–827, оцениваются формулой

где εд и εм – действительная и мнимая части комплексной диэлектрической про-

ницаемости.

Для концентрации М =1г/м3, что соответствует густому туману (в среднем М = (0,5–0,6)г/м3 – прямая видимость – 50 м , при длине волны ~8 мм ослабление Lдоб составляет 1 дБ/км.

Таким образом, с точки зрения вносимых потерь в радиолинию средние ослабления, вносимые дождем и туманом одинаковы и составляют единицы (около 1…2 дБ/км).

Подводя итоги, можно заключить, что в соответствии с данными Приложения 30 регламента радиосвязи, климатические условия в зоне России – по Международному регламенту – зона №2 – ориентируют на учет среднесуточного дополнительного уровня затухания при угле места радиолинии 200–300 около 2 дБ. Это соответствует среднесуточному уменьшению зоны уверенного приема в 1,25 раза в сравнении с случаем отсутствия этого дополнительного затухания.

Свойства радиолинии определяются свойствами среды распространения электромагнитных волн, характеристиками антенн на обоих концах и мощностью передатчика и чувствительностью приемника.

Рассмотрев свойства среды, а значит особенности трассы радиолинии, перейдем к проектированию свойств остальных элементов линии.

5

Разработка требований к антенным устройствам передатчика и приемника устанавливаются в зависимости от конкретных условий развертывания радиоканала. Возможно создание системы передачи информации на приемники, размещенные, условно, по периметру окружностей с центром в местоположении передатчика, а возможна организация радиолиний, образованных по радиальному принципу. Первый вариант соответствует организации систем территориального вещания, т.е. LMDS структурам, а второй – MMDS системам. Отличия этих вариантов вещания определяет требования к антеннам и уровню суммарной излучаемой мощности. Антенные системы приемников в любом случае должны обеспечивать узкую диаграмму направленности (в идеальном варианте – «игла»). Это потребует создания более дорогих параболических (их еще называют «зеркальные») антенн. Антенны систем LMDS однозначно должны иметь широкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости (от 900 до (в идеале) 3600) и относительно узкую в вертикальной плоскости (обычно около 300 по нулям диаграммы).

Учитывая условия распространения радиоволн миллиметрового диапазона в пределах прямой видимости, передающая антенна в системах LMDS должна быть размещена на самой высокой точке области трансляции информационных сигналов, но обеспечивать прием сигнала и в ближних, а значит, низко размещенных точках. Поэтому оптимальная форма диаграммы направленности в вер-

тикальной плоскости – косеканс ( cosec θ= sin1 θ ). Простыми антеннами, обеспе-

чивающими эти требования, являются рупорные антенны, а в случае косекансной диаграммы направленности – рупорно-параболические антенны, у которых вместо параболической части – поверхность специальной формы.

В первом приближении коэффициент усиленияG рупорных антенн (в нашем случае это антенны передатчиков) можно оценить по формуле

где ab – площадь раскрыва рупорной антенны;

6

η– КПД антенны;

λ– длина волны ( нашем примере это 7,5 мм).

Типичные значения коэффициентов усиления рупорных антенн составляют не менее 10 дБ.

Диаграмма направленности приемной антенны и в системах LMDS и MMDS, а также и диаграмма направленности передающей антенны в системах MMDS должны быть пространственно максимально узкополосными. Для этого применяют остронаправленные зеркальные антенны. При этом можно получить высокий коэффициент усиления в более узком секторе углов, что важно с точки зрения повышения энергетических показателей радиолинии и уменьшении уровня взаимных помех.

Для параболических зеркальных антенн коэффициент усиления оценивается по формуле (выражение приводится без вывода):

λ

где S – площадь антенны,

КИП – коэффициент использования поверхности антенны.

В частности, при η– КПД антенны, равном единице, и КИП ≈ 0,5… 0,7 для ан-

тенн диаметром около 0,5 м на частоте 40 ГГц коэффициент усиления составит около 45 дБ. При этом ширина диаграммы направленности по половинной мощности (или по уровню 0,707 по напряжению, которого здесь нет, но формально указать эту связь можно) определяется формулой:

2θ0,5 ≈702λR ,

где R – радиус зеркала, оказывается равной 10.

Опираясь на приведенные значения коэффициентов усиления передающих и приемных антенн, можно получить соотношение между мощностью сигнала на входе усилителя Рпр и излучаемой передатчиком мощностью Рпер с учетом ослаб-

ления сигнала в радиолинии. Это соотношение устанавливается формулой

7

где ηперηпр – коэффициенты передачи мощности в фидерных трактах передат-

чика и приемника, соответственно;

Lдоп – общее затухание сигнала на трассе, например из-за потерь в среде и гидрометеоров;

R – расстояние между передатчиком и приемником. Для предварительной оценки можно положить:

ηперηпр ≈1; Gпер ≈10 (что соответствует 10 дБ); Gпр ≈30000 (что соответствует

Теперь, исходя из заданной в ТЗ выходной мощности передатчика (пусть для определенности это 0,5 Вт) и практически реализуемого в этом частотном диапазоне коэффициенте шума N* приемника (точнее, малошумящего усилителя на входе приемного устройства), который в этом диапазоне частот не меньше 8 дБ, можно оценить необходимый для уверенного приема информационного сигнала уровень мощности на входе приемного устройства.

В дальнейших оценках радиолинии, где будут необходимы числовые данные для конкретных систем, будем исходить, например, из рекомендаций, существующих для обеспечения работы телевизионных каналов. Так, в соответствии с рекомендацией 421 МККР (Международного комитета координации радиочастот) норма шумов в полосе 6 МГц телевизионного сигнала должна быть равна минус 57 дБ. Этому (согласно Фортушенко А.Д. и др. Основы технического проектирования систем связи через ИСЗ. – М., Связь, 1970) соответствует отношение сигнала к эффективному значению мощности шумов на выходе при-

* Коэффициент (или иначе фактор) шума характеризует увеличение мощности шумов при прохождении сигнала через четырехполюсник и показывает во сколько раз отношение сигнал/шум на выходе ЧП ухудшается за счет собственных шумов каскада в сравнении с их отношением на входе ЧП.

8

ем, которая согласно данным книги Фортушенко А.Д. и др. Основы технического проектирования систем связи через ИСЗ на рис. 7.27 не превышает 3000К в пренебрежении вкладом в неё излучения Солнца (ввиду остронаправленности приемных антенн и, соответственно, малой вероятности попадания солнечного излучения в главный лепесток приемной антенны), а также учитывая известное уменьшение эквивалентной температуры Солнца и Луны в миллимеировом диапазоне длин волн (там же , на рис. 7.28. Тогда в полосе частот 6 МГц мощность

шумов Ni на входе приемника окажется равной примерно 2,5·10–14 Вт. Отсюда

следует допустимый минимальный уровень входной мощности приемного устройства:

Si = S0 Ni N =1000 2,5 10−14 100,8 ≈1,5 10−10 = Pпр min , Вт

N0

С учетом полученного значения минимального допустимого уровня мощности входного сигнала приемника можно оценить теоретическую дальность радиолинии в зависимости от мощности передатчика. Согласно (17.4)

Тогда при Pпер = 0,5 Вт Rmax ≈18 км, а при Pпер = 1 Вт Rmax ≈ 25 км.

Рассмотрение указало на резерв увеличения дальности радиолинии. Вопервых можно увеличить коэффициент усиления (т.е. направленность) передающей антенны (в пределе это соответствует переходу от системы LMDS к системе MMDS, у которой обе антенны остронаправленные). Так, уменьшение ширины диаграммы направленности рупорной антенны в вертикальной плоскости на 100 по уровню половинной мощности приведет к увеличению Gпер до 17 дБ, т.е в 5

раз, и соответственно к увеличению Rmax до 75 км (при Pпер = 1 Вт).

Полученные цифры для длины (дальности) радиолинии относятся к одному каналу с полосой 6 МГц. Однако согласно условному ТЗ (которое положено в основу оценки радиолинии) ширина полосы ретранслируемых частот составляет 800 МГц и позволят передавать как минимум 10 каналов. При этом дальность

10