Радиорелейная система передачи прямой видимости

Исходные данные

Вариант 1

 

Таблица 1 - Задание на курсовую работу

Длина интервала R0, км	Вертикальный градиент , 10-8 м-1	Стандартное отклонение σ, 10-8 м-1	Климатический район	Интенсивность дождя  в течении 0,01% времени J0.01, мм/час
35	-9,0	7,0	Северные районы ETС	55

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2 - Аналоговая РРСП

 

Аппаратура АРРЛ	Антенна АРРЛ	Длина АРРЛ L, км	Число каналов ТЧ в  стволе	Число ТФ стволов, ед.	Число ТВ стволов, ед.
КУРС-2М	АДЭ-3,5	580	300	1	1

 

Таблица 3 - Цифровая РРСП

 

Аппаратура ЦРРЛ	Диаметр антенны ЦРРЛ, м	Длина ЦРРЛ L, км	Число передачи ЦС по стволу, Мбит/с	Качество
Электроника-Связь-11	1,2	66	8,448	среднее, 1 класс

 

Таблица 4 - Высотные отметки профиля

 

Высотные отметки профиля (в метрах) А, при значениях относительной координаты ki
0,0		0,1	0,2		0,3		0,4		0,5		0,6		0,7		0,8		0,9		1,0
АРРЛ	74			49		41		41		49		40		29		23		31		48		48
ЦРРЛ	58			37		32		40		49		52		47		39		36		39		60

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Технические данные заданной аппаратуры приведены в таблицах 5 и 6.

 

Таблица 5 – Технические данные аппаратуры АРРЛ «КУРС-2М»

 

Диапазон частот, ГГц	1,7–2,1
Средняя длина волны, см	15,8
Система резервирования	поучаст. 2+1
Мощность передатчика, Вт (дБВт)	1,5(1,75)
Коэффициент шума, ед (дБ)	8(9)
Ширина полосы пропускания приемника, МГц	30
Число каналов ТЧ	300
Верхняя частота  линейного спектра, кГц	1300
Эффективная девиация частоты на канал, кГц	200
Уровень включения ЗГ, пВт (дБВт)	25 (-106)
Коэффициент системы полный, дБ: ТФ ТВ	152,1 151,2

 

Таблица 6 – Технические  данные аппаратуры ЦРРЛ «Электроника-связь-11»

 

Диапазон частот, ГГц	10,7-11,7
Мощность передатчика, дБВт	0
Метод модуляции	2-ОФМ
Скорость передачи ЦС по стволу, Мбит/с  (округленного до целого числа)	8
Мощность сигнала пороговая  при Рош=10-3, дБВт	-110

 

Для оборудования аналоговой РРЛ (АРРЛ) определяем  максимальное и минимальное значения длины волны:

                    

,                   (1)

Полоса пропускания ТФ-ствола АРРЛ:

ПП^ТФ=2(F_в+Δf_п(0,1%)), МГц,

 

где F_в – верхняя частота  линейного спектра;

Δf_п(0,1%) – квазипиковая девиация частоты (максимальное             отклонение частоты под действием модулирующего сигнала, соответствующее квазипиковой мощности группового сигнала P_п(0,1%), превышаемой в течение 0,1% времени):

, кГц,

где N – число каналов ТЧ;

P_1ср = –13 дБм – средняя мощность одного канала по нормам ВСС для                 систем с N >240;

χ(0,1%)=10,5 дБ – пик-фактор группового сигнала для систем с N >240;

 Δf_к – эффективная девиация частоты на канал (девиация частоты на           выходе модулятора, соответствующая измерительному сигналу мощностью 1 мВт на входе любого канала ТЧ).

 

.

Полоса пропускания ТФ-ствола АРРЛ:

 

ПП^ТФ=2(1300+2597,71)= 7795,42 кГц =7,795 МГц.

 

 

 

Полоса пропускания ТВ-ствола АРРЛ:

ПП^ТВ=2(F_в+Δf_ТВ) = 2(6+4)=20 МГц,

 

где F_в = 6 МГц – верхняя частота  линейного спектра ТВ-сигнала;

      Δf_ТВ = 4 МГц – девиация частоты ТВ-сигнала.

Эффективная шумовая температура  приемника АРРЛ:

Т_пм = (n_ш–1)T₀= (8-1)293=2051 К,

 

где Т₀= 293 К – эффективная шумовая температура источника,

       n_ш – коэффициент шума, ед.

Для оборудования цифровой РРЛ (ЦРРЛ) определить максимальное и  минимальное значения длины волны  λ_max и λ_min, коэффициент системы .

,

.

 

Коэффициент системы  ЦРРЛ:

 

=-0 - (-110)=110 дБ,

 

где P_пд, дБВт – мощность передатчика;

P_{с пор}, дБВт – пороговая мощность сигнала, при которой соблюдается              вероятность ошибки P_ош≤10^-3.

 

1 Структурная схема РРЛ, как часть гипотетической эталонной цепи (ВСС для магистральной АРРЛ)

 

Определим  число секций (n) и число интервалов (пролетов) (m).

Число секций равно:

 

,

 

где L – протяжённость РРЛ;

       l_c – протяженность секции (для магистральной РРЛ, ВСС l_c=250 км); 
                 [*]_БЦ – операция округления до большего целого числа.

Число интервалов  в  каждой секции магистральной РРЛ  m_с=6.

Общее количество интервалов АРРЛ:

m = m_с∙ n= 6·3=18.

 

На рисунке 1 приведена  структурная схема  проектируемой  РРЛ, которая состоит из станций:

• оконечных (ОРС) – 2 шт.,
• узловых (УРС) – 2 шт.,
• промежуточных (ПРС) - 15 шт.,
• всего на РРЛ – 19 шт.

 

Обозначения:       – ПРС,        – УРС,         – ОРС

 

Рисунок 1 – Структурная схема РРЛ как часть гипотетической эталонной цепи

 

 

Для ЦРРЛ число секций n=1, число интервалов m=3.

2 Нормирование качественных показателей стволов РРЛ

                   2.1  Нормы на шумы в канале ТЧ АРРЛ

 

 

В любом телефонном канале гипотетической эталонной цепи протяженностью 2500 км должны выполняться нормы на допустимую мощность шума, приведенные  в таблице 7.

 

Таблица 7 - Нормы на шумы в канале ТЧ магистральной АРРЛ

 

Эталонная протяженность   РРЛ, L, км	Нормируемый показатель	Значение  нормируемого показателя
2500	Среднеминутная  псофометрическая мощность шума, которая может превышаться не более чем в 20% времени любого месяца: Рш 0.01%, пВт	10000
	Среднеминутная псофометрическая мощность шума, которая может превышаться не более чем в 0,1 % времени любого месяца: Рш 0,01%, пВт	50000
	Средняя за 5 мс невзвешенная мощность шума, которая может превышаться не более чем в 0,01% времени любого месяца: Рш 0,01%, пВт	1000000

2.2  Нормы на отношение сигнала изображения к напряжению помех в телевизионном канале АРРЛ

 

Нормы на отношение  сигнала изображения к напряжению помех в телевизионном канале гипотетической эталонной цепи протяженностью 2500 км  приведены в таблице 8.

2.3 Нормы на показатель не готовности ЦРРЛ

Неготовность  аппаратуры – такое состояние  участка ЦРРЛ, при котором в  течении десяти секунд интервалов, следующих порядок, имеет место  хотя бы  одного из событий:

 

 

• пропадание сигнала (потеря синхронизации)
• коэффициент ошибок , где N – число переданных    символов, N_ош – число ошибочно принятых символов.

Нормы на показатель неготовности (ПНГ)– допустимые проценты времени, в течении которого ЦРРЛ может находится в состоянии неготовности – приведены в таблице 9.

Таблица 8 - Нормы на отношение сигнала изображения к напряжению помех в телевизионном канале магистральной аналоговой РРЛ

Эталонная протяженность РРЛ, L, км	Нормируемый показатель	Значение  нормируемого показателя
2500	Величина, ниже которой отношение сигнала изображения  к визометрическому шуму может падать не более чем 20% времени любого месяца, дБ	61
	Величина, ниже которой отношение сигнала изображения к визометрическому шуму может падать не более чем 1% времени любого месяца, дБ	57
	Величина, ниже которой отношение сигнала изображения к визометрическому шуму может падать не более чем 0,1% времени любого месяца, дБ	49

 

Таблица 9 - Нормы на показатель неготовности (ПНГ) ЦРРЛ

 

Качество линии		ПНГ, %
Линии связи высокого качества		≤0,3L/2500
Линии связи среднего класса	1 класс	≤0,033 (L=280 км)
	2 класс	≤0,05 (L=280 км)
	3 класс	≤0,05 (L=50 км)
	4класс	≤0,1 (L=50 км)
Линии связи локального качества		=0,01-1

 

 

3 План распределения частот

План распределения  частот радиорелейной системы КУРС-2М, работающей в диапазоне 2 ГГц приведен на рисунке 2. Он соответствует Рекомендации 382-2 МККР и обеспечивает организацию шести дуплексных стволов по двухчастотной системе (или трех дуплексных стволов по четырехчастотной системе).

 

Рисунок 2 - План распределения частот системы КУРС-2М-2

 

По заданию общее количество стволов 3 – 1 телефонный ТФ, 1 телевизионный ТВ и 1 резервный.

Номинальные значения частот стволов, выражаются следующим соотношением:

• для нижней полосы частот

 

,

 

• для верхней полосы частот

 

,

 

где f₀ = 1903 МГц,

     n = 1,2,3,4,5,6.

 

 

 

 

Определяем частоты  несущих:

f₁=  1724 МГц;

f₃ = 1608 МГц;

f₅ = 1550 МГц;

f’₁ = 1937МГц;

f’₃ = 1995 МГц;

f’₅ = 2053 МГц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Построение  профиля пролета и  определение  высот подвеса антенн

4.1 Профиль пролета для АРРЛ

 

 

Построим профиль пролета  для АРРЛ, для чего рассчитаем и  построим линию условного нулевого уровня, высоту текущей точки которой  находят по формуле:

y = (R₀² / (2а)) k_i (1 – k_i),м,

 

где k_i= R_i/R₀– относительная координата текущей точки на оси абсцисс;

 R₀  – длина интервала;

 R_i –расстояние до текущей точки;

 а = 6370 км – геометрический радиус Земли.

 

 

Результаты расчета  профиля интервала с учетом условного нулевого уровня занесём в таблицу 10 и построим профиль пролета АРРЛ на рисунке 3.

 

 

 

 

 

Таблица 10 – Расчет профиля пролета АРРЛ

 

ki	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
hi, м	74	49	41	41	49	40	29	23	31	48	48
yi, м	0	8,65	15,38	20,19	23,08	24,04	23,08	20,19	15,38	8,65	0
yi+hi, м	74	57,65	56,38	61,19	72,08	64,04	52,08	43,19	46,38	56,65	48

 

2.  Высота подвеса антенн для АРРЛ

 

Выбор высот подвеса  антенн (h) определяется высотой просвета при нулевой рефракции Н(0), которая откладывается вертикально вверх от самой высокой точки профиля (вершины препятствия). Через эту точку проводим линию, соединяющую центры антенн на станциях, ограничивающих пролет.

В проекте предусмотрен расчет пролетов первого типа. На пролетах 1 типа местность пересеченная (нет зеркального отражения от Земли). Величина Н(0) вычисляется по формуле:

H(0) = H₀ + d – ΔH(

+ σ),м,

 

где – радиус минимальной зоны Френеля;

   ΔH( + σ) = – (R₀² /4) ( + σ) k (1 – k) – изменение просвета на пролете    за счет атмосферной рефракции;

      k = k_i для наивысшей точки пролета (0,4);

 d – средняя ошибка топографической карты (для равнинно-холмистой местности и масштаба карты 1:10⁵ значение средней ошибки d = 9 м);

= -9·10^-8 м^-1;

σ =   7·10^-8  м^-1 ;

λ – средняя длина  волны (15,8 см).

 

,

 

,

H(0) = 21,033+ 9 - 1,47 =28,563  м.

Аналитически найдем высоты подвес антенн (см. рисунок 3).

Проведем через крайние  точки профиля пролета линию АВ. Так как, высоты подвес должны быть примерно одинаковыми, то постоим линию СD, которая будет СD АВ и т.E СD. Полученный четырех угольник ABCD параллелограмм, из этого следует АВ=CD, АС=BD=EN.

Проведем через точку В линию А`В параллельно горизонтали и найдем

tg .

,

 м,

Координаты точки Е определяются высотой просвета при нулевой рефракции Н(0), которая откладывается вертикально вверх от самой высокой точки профиля.

E=(y_0.4+h_0.4)+H(0)= 72,08+28,563=100,643 м,

Найдем высоту подвеса антенн АС=BD=EN

 м.

Таким образом, высота левой (передающей) и правой (принимающей)  антенны h_л=h_п=37,103 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Профиль пролета для ЦРРЛ

 

Аналогично построим профиль пролета для ЦРРЛ, для чего рассчитаем и построим линию условного нулевого уровня, высоту текущей точки, где считаем длину пролета ЦРРЛ равной одной трети длины ЦРРЛ:

R₀ =L/3=66/3=22 км.

Рассчитаем высоту текущей  точки по формуле (12)

 

 Результаты расчета профиля интервала с учетом условного нулевого уровня занесём в таблицу 11.

 

Таблица 11 – Расчет профиля пролета ЦРРЛ

 

ki	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
hi, м	58	37	32	40	49	52	47	39	36	39	60
yi, м	0	3,42	6,078	7,978	9,12	9,5	9,12	7,978	6,078	3,42	0
yi+hi, м	58	40,42	38,08	47,978	58,12	61,5	56,12	46,978	42,08	42,42	60

 

 

 

4.  Высота подвеса антенн для ЦРРЛ

Рассчитаем высоту просвета в ЦРРЛ по формуле (13)

 

,

,

H(0) = 7,01+9-0,605=15,405 м.

Аналитически найдем высоты подвес антенн, аналогично как  для АРРЛ.

,

 м,

E=(y_0.5+h_0.5)+H(0)= 61,5+15,405=76,905 м,

 м.

Таким образом, высота левой (передающей) и правой (принимающей)  антенны h_л=h_п=17,915 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5   Расчёт потерь, вносимых антенно-волноводным трактом (АВТ)

 

На рисунке 5 показана схема антенно-волноводного тракта работающая в диапазоне частот 2 ГГц.

Рисунок 5 - Схема антенно-волноводного тракта для работы в диапазоне 2 ГГц:

1 - антенна; 2 - поляризационный селектор; 3 – коаксиально-волноводный переход; 4 –отрезки коаксиального кабеля; 5 – герметизирующая вставка со штуцером.

 

 

Суммарные потери в АВТ  для АРРЛ рассчитывают по формуле:

b_Σ = b_{ЭЛ АВТ} + α_вl_в + α_гl_г,

 

где b_{ЭЛ АВТ}  – потери в элементах АВТ (b_{ЭЛ АВТ} = 2,4 дБ);

       α_в и α_г – потери на единицу длины в вертикальном и горизонтальном      волноводах соответственно (α_г = 0,05 дБ/м, α_в=0,02 дБ/м);

       l_в – длина вертикального волновода (l_в = h – 3=37,103-3=34,103 м);

       l_г – расстояние от вышки до технического здания (l_г= 10 м)

 

b_Σл =2,4+0,05∙10+0,02∙34,103= 3,58 дБ,

 

Суммарные потери в АВТ  для ЦРРЛ считаются равными b_Σ=b_Σл=b_Σп=0,5дБ, т.к. в ЦРРСП приемопередатчики объединены с антенной в виде моноблока, приемопередающий блок соединен с антенной коротким отрезком гибкого волновода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Расчет минимально допустимых множителей ослабления рабочих стволов АРРЛ и запаса на замирание ЦРРЛ

1.  Расчет для телефонного ствола

 

Для ТФ-ствола АРРЛ минимально допустимый множитель ослабления определяют по формуле:

 

, дБ,

 

где    - мощность шумов;

P_к= 1 мВт = 10⁹ пВт – полезная мощность на выходе каждого ТФ-       канала;

P_{шт 0,1%} = 40000 пВт – максимальная допустимая мощность тепловых шумов;

K_ТФ – коэффициент системы для ТФ-ствола (152,1 дБ);

L₀ – основные потери передачи в открытом пространстве;

G_Σ = 2G – суммарный коэффициент усиления антенн, задан по типу антенны (2∙35=70 дБ);

b_{Σ л+п} – потери в АВТ на пролете (2∙3,58=7,16 дБ).

 

Основные потери передачи в открытом пространстве рассчитывают по формуле:

L₀ = 20 lg (4 π R₀ / λ),дБ,

 

При расчете минимально допустимых множителей ослабления рабочих стволов в качестве R₀ примнем среднее значение:

R₀ = L/m=580/18=32,2 км.

 

 дБ

 дБ

2.   Расчет для телевизионного ствола

 

Для ТВ-ствола АРРЛ минимально допустимый множитель ослабления определяют по формуле:

, дБ,

где ;

      U_рс – размах яркостного сигнала;

      U_ш – шумовое напряжение;

      K_ТВ – коэффициент системы для ТВ-ствола (151,2 дБ).

 

 

Для получения устойчивой связи необходимо, чтоб множитель  ослабления в течение заданного  достаточно малого процента времени  не падал ниже некоторого минимального значения, которое должно быть таким, чтобы мощность шумов в телефонном канале Р_ш и отношение в телевизионном канале соответствовали нормам. Исходя из выше сказанного будем использовать множитель ослабления -36,87 дБ.

 

6.3 Расчет запаса на замирания для ЦРРЛ

 

Для ствола ЦРРЛ запас на замирание при k_ош=10^-3 определяют по формуле:

М=Р_прм – Р_{с пор}, дБ,

 

где Р_{с пор} – пороговая мощность сигнала, при которой соблюдается вероятность ошибки Р_ош≤10^-3 (-110 дБВт);

         Р_прм – мощность сигнала на входе приемника при отсутствии замирания, рассчитывают по формуле:

Р_прм = Р_пд + G_Σ – L_о – b_Σл+п – L_доп – L_г,дБВт,

 

где Р_пд – мощность передатчика (0 дБВт);

L_доп  – дополнительные потери, складываются из потерь  в антенных обтекателях  и  потерь  от перепада высот приемной и  передающей антенн  (1 дБ);

L_г – потери в газах, рассчитывают по формуле:

L_г= (γ_О2 + γ_Н2О)R₀, дБ,

 

где γ_О2 , γ_Н2О – погонные затухания в водяных парах и кислороде атмосферы, определяется из графика (рисунок 6);

R₀ примнем среднее значение R₀ = L/m=66/3=22 км;

 

L_г= (0,004 + 0,003)∙22= 0,154 дБ

 

G_Σ = 2G – суммарный коэффициент усиления антенн,

где G – коэффициент усиления задан по диаметру антенны, рассчитывают по формуле:

 дБ,

 

 

где D – диаметр антенны;

      – коэффициент использования поверхности антенны (считать

      = 0,6).

 дБ,

Р_прм = 2∙45,03 – 140,27 – 0,5∙2 – 1 – 0,154= - 52,364 дБВт,

М=-52,364 – (-110)= 57,64 дБ.

 

 

 

 

 

 

`

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6 – Погонные потери радиосигнала в газах атмосферы

 

 

 

 

 

 

7 Проверочный расчет устойчивости связи на РРЛ

  7.1 Расчет устойчивости связи на АРРЛ

Допустимый процент  времени перерывов связи 0,1% задан  для гипотетической эталонной цепи длиной 2500 км, поэтому для заданной длины РРЛ L (в км) допустимый процент времени перерывов связи:

 

.

 

Неустойчивость связи  на i-м пролете:

T_i = T_0i (V_min) + T_иi (V_min) + T_дi (V_min),%,

 

где T_0i – неустойчивость связи из-за экранирующего действия препятствий (в данном случае можно принять T_0i = 0);

T_иi – неустойчивость связи из-за интерференции прямой волны и волн, отраженных от поверхности Земли и от слоистых неоднородностей тропосферы;

T_дi – неустойчивость связи из-за ослабления энергии радиоволн в гидрометеорах (считается только для частоты f ≥ 8 ГГц), T_дi=0.

Неустойчивость связи  из-за интерференции прямой и отраженной волн определяют по формуле:

 

,%,

 

где V_min – минимально допустимый множитель ослабления в разах, т.е.

V_min = 10^{0,05 Vmin} =10^{0,05∙ (-36,87)}=14,34∙10^-3 ;