Спутниковые и радиорэлейные системы передачи

Исходные  данные.

Номер зачетной книжки 03 
           Общие данные для курсового проекта

Введение.

Курсовой проект охватывает материал: содержащий вопросы проектирования цифровых микроволновых линий связи, работающих в диапазонах частот выше 10 ГГц и предназначенных для  передачи цифровых потоков со скоростями до 34 Мбит/c.  
    В процессе выполнения проекта должны быть проделаны расчеты, необходимые для решения поставленных задач, даны обоснования принятых решений и сделаны выводы из полученных результатов. Выполненные расчеты, полученные результаты и графические материалы, должны быть приведены в виде пояснительной записки.

2.1. АНАЛИЗ ДАННЫХ,  ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ТИПА АППАРАТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ АНТЕННО-ФИДЕРНОГО ТРАКТА (АФТ)

Выбираем  диапазон рабочих частот

1. Диапазоны 11 и 13 ГГц  (10.7-11.7, 12.7-13.2 ГГц)

    Эти диапазоны  перспективны с точки зрения  эффективности систем РРЛ. При  протяженности пролета 15-30 км, высокоэффективные  антенны имеют небольшие габариты  и вес, что обеспечивает относительную  дешевизну антенных опор.  
    Доля влияния атмосферной рефракции на устойчивость ра-боты систем уменьшается, но увеличивается влияние гидрометеоров.  
    В этих диапазонах, в основном, строятся цифровые радиорелейные системы связи на скорости до 55 Мбит/с, хотя, есть примеры передачи цифровых потоков со скоростями до 155 Мбит/с  
    Аппаратура часто строится в виде моноблоков, т.е. приемопередатчики объединены с антенной и располагаются на вершине антенной опоры.  
    Но эти диапазоны используют большое количество радиосредств. Спутниковые системы связи, различные радиолокаторы и пеленгаторы, охранные системы создают неблагоприятную электромагнитную обстановку, что затрудняет работу в данных диапазонах.

2. Диапазоны 15 и 18 ГГц (14.5-15.35, 17.7-19.7 ГГц)

    Интенсивное  развитие систем связи привело  к бурному освоению этих диапазонов  частот.  
Средняя протяженность пролетов достигает 20 км для зон с умеренным климатом. Аппаратура выполняется в виде моноблока. Типовые параболические антенны имеют диаметры 0.6, 1.2 или 1.8 м при коэффициентах усиления от 38 до 46 дБ.  
    В ряде регионов России диапазон 15 ГГц уже перегружен радиосредствами. Диапахзон 18 ГГц пока более  свободен.  
    На распространение сигналов сильное влияние оказывают гидрометеоры и интерференция прямых и отраженных волн. Ослабление в дожде может составлять 1-12 дБ/км (при интенсивности дождей 20-160 мм/час). Некоторое влияние оказывает и сама атмосфера (атомы кислорода и молекулы воды), ослабление в которой достигает 0.1 дБ/км.  
 

3. Диапазон 23 ГГц (21.2-23.6 ГГц)

    Согласно рекомендациям  МСЭ-Р в этом диапазоне разрешено  строить  системы аналоговой и цифровой связи любой емкости.  
    Средняя протяженность пролетов меньше 20 км, так как на распространение сигналов сильное влияние оказывают гидрометеоры и ослабления в атмосфере. Желательно использовать вертикальную поляризацию радиоволн, хотя разрешено использование любой поляризации. Типовые параболические антенны имеют диаметры 0.3, 0.6 и 1.2 м.  
    Ослабление в дождях может быть от 2 до 18 дБ/км, а в атмосфере достигает 0.2 дБ/км.  
Диапазон разрешено использовать в спутниковых системах связи. Поэтому при расчетах необходимо учитывать возможность помех.

Затем, по заданной скорости работы и  выбранному диапазону частот, найти  подходящий тип оборудования (прил. 1) и выписываем его основные параметры.

Рассчет  коэффициента усиления по формуле

                                          (1) 

Где D -диаметр антенны, м, f= рабочая частота, ГГц (при расчетах использу. округленное значение средней частоты выбранного диапазона).  
    При выборе антенн необходимо учитывать, что на практике не применяются антенны с коэффициентами усиления большими, чем 45 - 47 дБ.  
    При дальнейших расчетах эти параметры можно будет изменять для оптимизации проектируемой линии связи. 

2.2. ВЫБОР МЕСТ РАСПОЛОЖЕНИЯ  СТАНЦИЙ  
И ПОСТРОЕНИЕ ПРОФИЛЕЙ ИНТЕРВАЛОВ

Высотные отметки профиля

Местные предметы профиля

Рис. Пролет №1

2.3. ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ ВЫБОР  ВЫСОТ ПОДВЕСА АНТЕНН

Необходимо  определить ориентировочные значения высот подвеса антенн. При этом нужно руководствоваться величиной  просвета между линией прямой видимости  и профилем трассы.

Ориентировочное значение просвета для короткопролетных микроволновых систем связи должно быть численно равно радиусу первой зоны Френеля, которая определяется по формуле

Где Ro = 10,38 км - протяженность пролета, км,  
          f1 = 8 ГГц - рабочая частота, ГГц,         

f1 = 18 ГГц - рабочая частота, ГГц,         

f1 = 23 ГГц - рабочая частота, ГГц,

         k = 0,67 - относительная координата наивысшей точки на трассе.

определите ориентировочные значения высот подвеса антенн h1 и h2.

Рис. Пролет №1 (f1, f2,f3)

2.4. УЧЕТ АТМОСФЕРНОЙ РЕФРАКЦИИ  И УТОЧНЕНИЕ ВЫСОТ ПОДВЕСА  АНТЕНН

   Основная сложность  расчетов РРЛ определяется тем,  что траектория распространения  электромагнитной волны непрямолинейна, случайна и зависит от состояния  атмосферы, от величины градиента  диэлектрической проницаемости  атмосферы (g). Это явление называется атмосферной рефракцией.  
    В среднем, атмосферная рефрация приводит к увеличению значения просвета по сравнению с геометрической величиной, определяемой высотами подвеса антенн . Однако при определенных атмосферных условиях (субрефракции), наблюдается уменьшение величины просвета и, при недостаточно высоких антенных опорах, трасса может закрываться, т.е. может нарушаться прямая видимость.  
    Для нормальной работы цифровой РРЛ, величина просвета с учетом атмосферной рефракции на трассе, должна удовлетворять условиям, приведенным в табл

Катм - коэффициент преломления атмосферы, представляющий собой отношение эквивалентного радиуса Земли (при атмосферной рефракции) к геометрическому радиусу Земли.  
    Необходимо иметь в виду, что в ряде практических случаев (например, при узком препятствии на пролете), можно выбрать меньшие величины просвета, чем получатся по критериям из табл. При этом допускаются редкие события закрытия пролета из-за субрефракции, приводящие к некоторому ухудшению показателей неготовности ЦРРЛ.  
    Для учета атмосферной рефракции и уточнения высот антенных опор, нужно перестроить (трансформировать) профили. Заключается перестройка в изменении условных нулевых линий, пересчитанных при аэкв = 6370* Катм.  
    По трансформированному профилю при нормальной атмосферной рефракции (Катм =1.33) уточняются высоты подвеса антенн. Для этого, величина  откладывается от наивысшей точки трансформированного профиля и, соответственно, высоты подвеса антенн уменьшаться.  
    Трансформация профиля при Катм = 0.5 или 0.7 проводится для проверки вероятности закрытия трассы.   

2.5. РАСЧЕТ НОРМ НА ПОКАЗАТЕЛИ  НЕГОТОВНОСТИ  
И НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПО ОШИБКАМ

Нормы, по рекомендации МСЭ-Т G. 821, состоят из двух основных компонент: показатели неготовности и показатели качества по ошибкам.

ПОКАЗАТЕЛИ  НЕГОТОВНОСТИ (ПНГ)   

 Неготовность аппаратуры - такое состояние участка ЦРРЛ, при котором в течение десяти  секундных интервалов, следующих  подряд, имеет место хотя бы  одно из событий: 

·  пропадание сигнала (потеря синхронизации);  
·  коэффициент ошибок koш = Nош / N > 10^-3, где N - число переданных символов, Nош - число ошибочно принятых символов.

Причины, приводящие к неготовности аппаратуры:  
    ·  экранирующее влияние препятствия при субрефракции;  
    ·  влияние гидрометеоров (учитывается при частотах выше 6 ГГц);  
    ·  влияние промышленных атмосферных метеоров (экологические факторы). Данные для расчетов отсутствуют;  
    ·  ненадежность аппаратуры;  
    ·  ошибки обслуживающего персонала.

 ПОКАЗАТЕЛИ  КАЧЕСТВА ПО ОШИБКАМ (ПКО)   

 Показатели качества  по ошибкам системы связи  относятся к тем промежуткам времени, в течение которых система находится в состоянии готовности !  
    Различаются следующие параметры:  
    ·  сильно пораженные секунды (СПС);  
    ·  минуты пониженного качества (МПК);  
    ·  секунды с ошибками (СО);  
    ·  остаточный koш (ОКО).  
    Сильно пораженные секунды представляют собой процент времени превышения величины koш  = 10^-3 за 1 секунду. Минуты пониженного качества - процент времени превышения koш  = 10^-6  за 1 минуту. Секунды с ошибками - процент времени превышения koш  = 10^-6  за 1 секунду (эта норма определяет качество работы системы связи при передаче данных). В некоторых источниках имеется определение параметра секунды с ошибками как процентное отношение числа бракованных секунд, в течение которых имеется одна или больше ошибок к общему времени работы системы.  
    Величины всех этих параметров зависят от интерференционных замираний сигнала на интервале ЦРРЛ, которые складываются из гладких и частотно-селективных. К гладким замираниям необходимо относить такие замирания, которые не искажают частотную характеристику системы связи.  
Соответственно частотно-селективные замирания влияют на АЧХ ствола РРЛ, т.е. в пределах полосы пропускания линии связи вносят различные ослабления на разных частотах. Эти замирания необходимо учитывать при полосе пропускания ВЧ ствола больше 10-15 МГц.  
Таблица  
                    Показатели качества по ошибкам.

2.6. РАСЧЕТ ЗАПАСОВ НА  ЗАМИРАНИЯ

    Важнейший параметр  для расчета цифровой системы  радиосвязи - запас на замирания (M). Запас на замирания представляет собой разницу между уровнями сигнала на входе приемника в отсутствии замираний и пороговым уровнем, при котором коэффициент ошибок составляет определенную величину.  
    Рассмотрим упрощенную структурную схему интервала радиолинии и соответствующую диаграмму уровней .  
Очевидно, что качество работы линии связи, определяется уровнем сигнала на входе приемника Pпр и возможными отклонениями этого уровня при замираниях.  
    На диаграмме уровней видно, что сигнал излучается передатчиком с уровнем Pпд, проходит через разделительный фильтр (РФ), в котором уровень упадет за счет потерь и поступает через фидер в передающую антенну с коэффициентом усиления G1. За счет потерь в фидере Lф1 уровень сигнала еще уменьшиться, а в передающей антенне увеличится на величину G1.  
    При распространении сигнала по интервалу РРЛ (протяженностью R0, на рабочей частоте f) уровень сигнала упадет за счет ослабления свободного пространства, потерь в газах атмосферы и некоторых дополнительных потерь. Общее ослабление сигнала за счет этих причин может достигнуть 130-140 дБ и больше.  
   
 

Рис.    

  В приемной антенне уровень  сигнала увеличится на величину G2, затем уменьшится в приемной фидерной линии, в разделительном фильтре и поступит на вход приемника с уровнем Pпр. Это значение получается в отсутствии замираний сигнала на пролете РРЛ.  
    Запас на замирания (M) является разницей между пороговым значением уровня сигнала на входе приемника Pпр и пороговым значением Pпр пор, которое определяется из параметров конкретной аппаратуры цифровых РРЛ для заданной величины  koш  (10^-3 или  10^-6).

Уровень сигнала на входе приемника (Pпр, дБм)

\

где Рпд  - уровень мощности передатчика, дБм;  
    Lф1, Lф2- ослабление сигнала в фидерных линиях, дБ.  
    Lф1= La, где L - длина фидера, м; a - погонное затухание фидера, дБ/м,  
            Lф2 - определяется аналогично.  
     При отсутствии фидера (когда приемопередатчики объединены с антенной в виде моноблока) необходимо учитывать конструктивные особенности устройства объединения. При диаметре антенн 30 - 50 см приемопередающий блок соединяется с антенной непосредственно с помощью прецизионного волноводного соединителя, поэтому в этих случаях потери в фидерах можно принять равными 0 дБ.  
    При больших диаметрах антенн соединение проводится коротким отрезком гибкого волновода, потери в котором  
Lф1 = Lф2 = 0.5 дБ.  
  Lрф - определяется из параметров аппаратуры. Но при моноблочной конструкции, данные на уровень мощности передатчика и пороговые значения уровня сигнала на входе приемника, часто относятся к точкам, соответствующим уровням на антенном волноводном соединителе (другими словами, в значения уровней уже заложены потери в разделительных фильтрах).  
    В этих случаях величина потерь Lрф = 0. При разнесенной конструкции приемопередатчиков и антенн, потери в РФ составляют  4 - 5 дБ (это относится к РРЛ большой емкости)  
    Lдоп - дополнительные потери, складывающие из потерь в антенных обтекателях Lао и потерь от перепада высот приемной и передающей антенн Lпв. (Lдоп = 1 - 2  дБ)..

где R0 - протяженность интервала РРЛ, км,  
         f - рабочая частота, ГГц,  
Lг рассчитывается по формуле  
  
где go, gн - погонные затухания в водяных парах и атомах кислорода атмосферы (дБ/км), определяемые из графика (0,01; 0,08).  
    В рамках курсового проекта, запас на гладкие замирания определяется при  koш = 10^-3 по соотношению

где Рпр пор(10^-3) - пороговый уровень сигнала на входе приемника при коэффициенте ошибок koш = 10^-3 (определяется из параметров аппаратуры).    

  В дальнейших расчетах, величины, относящиеся к koш = 10^-3 будут обозначаться индексом 3 (например, M3).  
Величина запаса на замирания должна получиться порядка 37 - 43 дБ. При меньших значениях, устойчивой связи может не получиться, а при значениях, значительно превышающих эти пределы - параметры системы, а следовательно, ее стоимость будут неоправданно завышены. Поэтому, меняя коэффициенты усиления антенн, мощности передатчиков, диапазон рабочих частот, тип аппаратуры и пр. нужно добиться, чтобы запас на замирания находился в вышеуказанных пределах.

2.7. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ  НЕГОТОВНОСТИ

    При расчете  показателей неготовности в курсовом  проекте учитывается только влияние  гидрометеоров. К гидрометеорам  относятся дожди, снег, град, туман  и пр. Влияние гидрометеоров заметно  уже при частотах больше 8 ГГц,  а в неблагоприятных экологических  условиях (при наличии в атмосферных  осадках металлизированной пыли, смога, кислот или щелочей)  и на значительно более низких  частотах.  
    Методика учета влияния гидрометеоров на показатели неготовности линии связи основывается на расчете ослабления сигнала в атмосферных осадках, вероятность появления которых в данной местности равна 0.01%.  
Погонное затухание в дождевых образованиях определяется по  формуле:  

gд = b J ^a, дБ/км,                                                                                                       (7)

где J - интенсивность осадков (мм/час), (J=55 мм/час) 
b и a  - коэффициенты, которые определяются из табл. 8.  
    В табл. приведены две группы коэффициентов для вертикальной и горизонтальной поляризации радиоволн. Расчет нужно провести для обеих поляризаций с тем, чтобы в дальнейшем выбрать лучшие результаты.  
            Таблица

g_1r=1,679  g_1в=1,423

g_2r=5,18  g_2в=4,15

g_3r=7,76  g_3в=6,15

Известно, что протяженность дождевых образований  различная для дождей разной интенсивности. Чем сильнее дождь, тем меньшую  поверхность он покрывает.  
Эффективная протяженность дождевого образования:

, км,                                                                            

где J_0.01 - интенсивность дождя, который идет в данной местности в течение 0.01% времени. Эта величина определяется из таблицы прил.6.

R_эфф=6,191 км

Ослабление сигнала, к  которому приводит дождь данной интенсивности:

A_0.01 = gд Rэфф, дБ.       

Процент времени Tд, в течение которого уровень сигнала на входе приемника на пролете линии связи станет меньше порогового значения для коэффициента ошибок 10^-3 (что соответствует составляющей показателя неготовности линии связи) определяется выражением:  
 

2.8. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА  ПО ОШИБКАМ

    Показатели качества  по ошибкам (ПКО) связаны с  быстрыми замираниями на интервалах  линии радиосвязи. Основная при-чина быстрых замираний (проходящих за доли секунд) - интерференция прямых и отраженных радиоволн, поступающих на вход приемников. Основные сведения о причинах интерференции приведены в.  
    Вероятность появления гладких интерференционных замираний  определяется в соответствии с рекомендациями  МСЭ-Т 338-4

Ринт = Ккл Q  f ^bR0^dc,  %,                                                                            

где Kкл - климатический фактор;  
   b, c , d - коэффициенты;  
          Q - фактор условий земной поверхности.

Р_инт1=7,3 % Р_инт2=15,3 %  Р_инт3=22 %

СПСрасч = Pинт 10^{-0.1 M3}, %,

СПС1=0,027 % СПС2=0,003 %  СПС3=0,0013 %

Заключение.

В заключение работы проводится анализ полученных результатов, выписываются выбранные  и рассчитанные параметры и строится результирующая диаграмма высот антенн на пролетах.

Второй интервал (метка 2 – метка3) чуть короче первого, но равномернее (поля), поэтому выбираем тоже самое оборудование, и те же частоты, только вышки ниже.