Проектирование сегментов радиорелейной линии связи

В сетях связи происходит интеграция безпроводных и проводных линий и переход к цифровым системам передачи, которые обеспечивают передачу всех видов первичных сигналов в цифровом виде. При этом широко используются волоконно-оптические, радиорелейные и спутниковые системы передачи, новые технологии производства и эксплуатации средств связи при повсеместном использовании элементов цифровой техники и ЭВМ. Примером этому являются системы “Глонасс” и зарубежные МMDS, МSDN.

Данное обстоятельство приводит к необходимости совместного использования антенно-фидерных устройств и наземного оборудования радиорелейных и спутниковых приемо-передающих систем, а также к необходимости решения задач их электромагнитной совместимости.

В вопросах цифровизации сети связи Украина существенно отстаёт от развитых стран. Для эффективного развития связи в Украине предпринимаются определённые меры. В частности, введены в эксплуатацию в областных центрах и Киеве электронные АТС типа 5ESS и EWSD. Строятся мощные соединительные линии на основе волоконно-оптического кабеля, производится реконструкция эксплуатируемых сетей путём замены аналоговой аппаратуры на цифровую, налаживается и расширяется производство аппаратуры современных цифровых систем передачи (ЦСП) и т.д. В этих условиях решение задач по цифровизации сетей связи Украины существенно зависит от того, насколько специалисты электросвязи владеют вопросами построения и функционирования современных ЦСП.

Курсовая работа имеет целью дать студентам знания и привить практические навыки по проектированию основных элементов радиорелейных систем передач - наземных цифровых систем передачи. Она также нацелена на привитие навыков расчета основных характеристик электромагнитных волн в свободном пространстве и в средах, что является необходимым для проектирования антенно-фидерных устройств.

1. Расчет характеристик электромагнитных волн в свободном пространстве и в проводящих средах

Исходные данные для расчёта основных характеристик ЭМВ, распространяющихся в свободном пространстве и в проводящих средах представлены в таблице 1.1

Таблица 1.1-Исходные данные

При выполнении приведенных ниже заданий воспользуемся следующими соотношениями:

для бегущей електромагнитной волны выполняется равенство

 (1.1)

фазовая скорость электромагнитной волны

 (1.2)

объемная плотность энергии электромагнитного поля

 (1.3)

плотность потока энергии – вектор Пойтинга

 (1.4).

При проведении расчетов также использовали уравнения Максвелла.

Задание 1

Плоская электромагнитная волна с частотой  распространяется в слабо проводящей среде с удельной проводимостью  и диэлектрической проницаемостью . Найти отношение амплитуд плотностей токов проводимости и смещения в зависимости от номера варианта.

Решение

Амплитуда плотности тока проводимости определяется выражением

 (1.5)

Амплитуда плотности тока смещения определяется выражением

 (1.6)

где

Используя выражения (1.5), (1.6) и данные табл.1.1 производим расчёт искомой величины

Задание 2

В вакууме распространяется плоская электромагнитная волна E = E_mcos (wt-kr), где E_m= E_me_y,k = ke_х, e_х,e_{y –} орты осей х, y. Найти вектор H в точке с радиус – вектором r = хe_х в момент: а) t = 0; б) t = t₀.

Решение

Используя выражение (1.1) выражаем вектор Н(r.t)

 (1.7)

Используя выражение (1.7) расчитываем вектор Hв момент t = 0

Используя выражение (1.7) расчитываем вектор Hв момент t = t₀

Задание 3

Плоская электромагнитная волна E = E_mcos(wt-kх), распространяющаяся в вакууме, наводит э.д.с. индукции _инд в квадратном контуре со стороной l. Расположение контура показано на рисунке 1.1. Найти _инд(t).

Рисунок 1.1 – Контур, в котором наводится _инд

Решение

Искомую э.д.с. индукции _индбудем искать как сумму составляющих э.д.с. индукции в каждой стороне контура (рис.1.1).

Задание 4

Найти средний вектор Пойнтинга <S> у плоской электромагнитной волны E =E_mcos (wt-kr), если волна распространяется в вакууме.

Решение

Среднее значение вектора Пойнтинга <S>будем искать как

<S>=ckW (1.8)

Используя выражения (1.8), (1.3) определяем среднее значение вектора Пойнтинга <S>

Задание 5

Плоская гармоническая линейно поляризованная электромагнитная волна распространяется в вакууме. Амплитуда напряженности электрической составляющей волны E_m, частота . Найти:

а) действующее значение плотности тока смещения;

б) среднюю за период колебания плотность потока энергии.

Решение

Действующее значение плотности тока смещения будем определять по выражению

 (1.9)

где - значение плотности тока смещения (1.6)

Используя выражения (1.6), (1.9) определяем действующее значение плотности тока смещения

Среднюю за период колебания плотность потока энергии определим по выражению

 (1.10)

Используя выражение (1.10) определяем среднюю за период колебания плотность потока энергии

Задание 6

В вакууме в направлении оси х установилась стоячая электромагнитная волна, электрическая составляющая которой E(x,t) = E_mcos kхcos wt. Найти магнитную составляющую волны B (х,t). Изобразить примерную картину распределения электрической и магнитной составляющих волны (E и B) в моменты t1 и t2, где T – период колебаний.

Решение

Магнитную составляющую волны B (х,t)определяется выражением

 (1.11)

где

 (1.12)

Используя выражения (1.11), (1.12) определяем магнитную составляющую волны B (х,t)

Примерная картину распределения электрической и магнитной составляющих волны (E и B) в моменты t1 и t2 изображена на рис.1.2 – рис.1.3

Рис.1.2 - Картины распределения магнитной составляющей волны (B) в моменты t1 = 0 и t2 = T/10

Рис.1.3 - Картины распределения электрической составляющей волны (E) в моменты t1 = 0 и t2 = T/10

Задание 7

В вакууме вдоль оси х установилась стоячая электромагнитная волна E =E_mcos kхcos wt. Найти х – проекцию вектора Пойнтинга S_х (х, t).

Решение

Электрическая и магнитная компоненты стоячей электромагнитной волны (E и B), установившейся вдоль оси х определяются выражениями (1.13)

 (1.13)

Найдём проекцию вектора Пойнтинга S_х (х, t) используя соотношения (1.13)

2. Определение качественных показателей телефонных и телевизионных каналов на участке радиорелейного канала связи

2.1 Определение среднего уровня принимаемого сигнала

Характеристики оборудования радиорелейной станции Р-600 приведены в табл.2.1

Таблица 2.1- Характеристики оборудования радиорелейной станции Р-600

В табл.2.2 представлены исходные данные для расчёта среднего уровня принимаемого сигнала

Таблица 2.2 – Исходные данные

Среднее значение мощности принимаемого сигнала определяется формулой

 (2.1)

или в децибелах

 (2.2)

Определение среднего уровня принимаемого сигнала будем производить в следующем порядке:

1. По профилю рис.2.1 при заданных длине интервала r₀ = 38 км, высотах антенн h1 и h2 находятся относительная координата критического препятствия (точки отражения)

и величина просвета в отсутствии рефракции Н(0) = 15 м.

Рис.2.1 – Профиль участка РРЛ

2. По ф-ле (3.4.4) или графику рис. 3.4.2 (1) определяется величина H₀, соответствующая случаю нулевых дополнительных потерь на данном интервале

3. По ф-ле (3.4.22) или графику рис. 3.4.6 (1) определяется среднее приращение просвета

4. Определяется величина относительного просвета

5. Определяются потери поля свободного пространства

6. По кривым рис.3.4.11 (1) находится величина средних дополнительных потерь

7. Определяются потери в антенно-волноводном тракте передатчика и преемника  и

Здесь  — погонные потери энергии в фидере, дБ/м; _элавт — потери в элементах антенно-волноводного тракта передатчика или приемника.

8. По известным коэффициентам усиления передающей и приемной антенн G₁=G₂=39,5 определяется средняя величина потерь системы на интервале

где прочие потери А_прочприняты равными 1 дБ.

9. При известной мощности передатчика Р_пд=33 дБм определяется средняя мощность принимаемого сигнала

2.2 Определение мощности шума в верхнем телефонном канале и отношения сигнал/шум в телевизионном канале

Мощность шума Р_ш в телефонном канале на интервале РРЛ в общем виде может быть представлена суммой

 (2.3)

Где Р_{ш апп} = 385пВт — мощность тепловых шумов (Р_шт) и шумов нелинейных переходов (Р_шн), вносимых аппаратурой (приемопередатчиком, модуляторами и демодуляторами и стойками управления горячим резервированием УГР); Р_шнавт = 40пВт— мощность переходных шумов, возникающих из-за отражений энергии электромагнитной волны в антенно-волноводном тракте (АВТ); Р_{шн пза}=20пВт— мощность переходных шумов, вызванных недостаточной величиной защитного действии антенн; Р_шмн=0пВт — мощность шума, вызванного многолучевым распространением волн; Р_{шт доп} = 16пВт — мощность тепловых шумов, обусловленных изменением дополнительных потерь системы на интервалах РРЛ.

Мощности шума Р_{ш апп} и Р_шнавт, вносимые аппаратурой, определяются ее составом и конструктивными особенностями и обычно не рассчитываются, а определяются экспериментально. В табл. 4.4.2 (1) приведены значения псофомет-рической мощности основных составляющих шума в верхнем телефонном канале для некоторых отечественных радиорелейных систем при использовании предыскажений, рекомендованных МККР (табл. 4.3.1(1)).

Величина переходных шумов, вызванных недостаточной помехозащищенностью антенн при работе системы по двухчастотному плану распределения рабочих частот Р_{шн пза}, может быть определена с помощью рис. 3.2.5 (1).

Из-за отсутствия ясного представления о характере местности вблизи площадок радиорелейных станций при определении вероятности помехозащищенности антенн принимают наиболее жесткие условия защищенности (например, для 1% вероятности превышения значений помехозащищенности). При этом, учитывая, что в системе Р-600 используется различный вид поляризации волн при передаче в прямом и обратном направлениях, помехозащищенность антенн можно принять равной 60—65 дБ. Мощность первых трех слагаемых шума можно считать постоянной для данного интервала РРЛ, так как она не зависит от условий распространения радиоволн.

Что касается мощности шума, обусловленного многолучевым распространением, то вероятность ее появления пренебрежимо мала даже на морских трассах РРЛ средней протяженности, оборудованных аппаратурой Р-600.

Мощность шума Р_{шт доп} является случайной величиной, зависящей от уровня сигнала на входе приемника.

Используя выражение (2.3) расчитываем значение мощности шума Р_ш в телефонном канале на интервале РРЛ

2.3 Определение устойчивости каналов радорелейной линии связи

Устойчивость связи на РРЛ оценивается временем превышения псофометрической мощности шума на выходе линии, равной Р_{ш макс} =47 500 пВт — для верхнего телефонного канала или отношения уровня взвешенного шума к уровню видеосигнала (U_ш/U_с)=-49 дБ - для телевизионного канала. Иными словами, устойчивость связи определяется временем превышения допустимых дополнительных потерь А_{доп макс}, зависящих от требований, предъявляемых к качественным показателям каналов РРЛ.

Допустимые дополнительные потери для телевизионных и телефонных каналов определяли по ф-лам (4.3.7) и (4.3.11) (1).

Расчет времени превышения А_{доп макс} производили по следующей методике:

а. Определили Т₀(V_iмин) процент времени, в течение которого А_доп> А_{доп макс} за счет экранирующего действия препятствий на трассе при увеличении вертикального градиента диэлектрической проницаемости g.

Для этого:

1) определив А_{доп макс} и зная коэффициент μ (табл. 4.4.1 (1)), с помощью кривых рис. 3.4.11(1) нашли величину нормированного просвета р(g);

2) по ф-лам (3.4.23) и (3.4.24) (1) определили приращение просвета ∆Н(g);

3) по ф-ле (3.4.22) (1) нашли величину вертикального градиента диэлектрической проницаемости g, соответствующую полученному приращению просвета;

4) с помощью кривой рис. 4.4.2 (1) определили процент времени превышения допустимых дополнительных потерь Т₀(V_iмин).

Результаты расчета Т₀(V_iмин) приведены в табл. 2.3.

б. Определили процент времени, в течение которого А_доп> А_{доп макс} за счет интерференции прямой волны и волн, отраженных от земной поверхности

-∑T_n(V_{i мин})

Для этого:

1) проверили выполнение критерия Рэлея;

2) по ф-лам (3.4.8) и (3.4.9) (1) определили для каждого интервала размеры х и у области формирования отраженного луча ;

3) воспользовавшись данными табл. 4.4.1, по ф-ле (3.5.7) (1) или кривым рис. 3.5.8 (1) нашли параметр А;

Таблица 2.3

4) по кривым рис. 3.5.9 (1), используя данные табл. 4.4.1 (1), определили функцию f(A, (g));

5) по ф-ле (3.5.20) (1) нашли время превышения допустимых дополнительных потерь ∑T_n(V_{i мин}). Результаты расчета приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4

в. Определили процент вреемни, в течение которого А_доп> А_{доп макс} из-за отражений от слоистых неоднородностей T_сл(V_{i мин}). Для этого, согласно методике § 3.5 (1) по графику рис. 3.5.11 (1) определили вероятность t(∆ε<-λ/r₀). Затем по ф-лам (3.5.30) (1) рассчитывается величина T_сл(V_{i мин}). Результаты расчетов сведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5

Итоги расчёта устойчивости связи иллюстрирует табл.2.6

Таблица 2.6

2.4 Расчет конструктивно – энергетических параметров трасс с пассивными ретрансляторами

Закрытая горная траса имеет профиль гребня хребта в плоскости хребта горизонтали рис. 2.2 – 2.3.

Требуется рассчитать пассивный ретранслятор в виде плоского непрозрачного экрана и дифракционной линзы для волны l=0,2 м., устанавливаемый на вершине гребня хребта (вдоль трассы); определить выигрыш по напряженности поля, который получается при установке дифракционной линзы. Множитель ослабления составляет - 67 Дб. Дать оценку устойчивости работы интервала с применением пассивной ретрансляции. Для расчетов взять оборудование Р-6002М. Среднюю длину волны рабочего диапазона l=8,2 см.

Рис. 2.2 – Профиль горной трассы

Рис. 2.3 – Профиль гребня хребта

При установке на вершине гребня пассивного ретранслятора в виде плоского непрозрачного экрана (прямой сетки) множитель ослабления будет определяться

Таким образом, установка пассивного ретранслятора в виде плоского непрозрачного экрана даёт выигрыш

Определим размеры павссивного ретранслятора

Выбираем высоту сетви 6.5м. Ширину сетки определим согласно выражению

Производим расчёт размеров пассивного ретранслятора в виде дифракционной линзы. Ширина первой зоны Фринеля составит

Выбираем ширину дифракционной линзы равной 148 м. При высоте Н=950 м высота сегмента линзы составит h_с=2,94 м, а длина дуги сегмента l'=149 м.

Дифракционную линзу выбираем с круговым профилем с высотой сегмента h_с =2,94 м и шириной 148 м. Ретранслятор при указанных размерах по сравнению с ретранслятором, выполненным в виде прямой сетки, дает выигрыш в напряженности поля в два раза или в 6 дБ. Суммарный выигрыш по напряженности поля при установке пассивного ретранслятора в виде ди-фракционной линзы составит 28,8+6 = 34,8 дБ.

Геометрия рассматриваемого интервала трассы (рис. 2.4) характеризуется следующими данными: r₀ = 65,5 км, r ₀₁=44,0 км, r ₀₂=21,5 км, r '₀₁ = 14,2 км, r '₀₂= = 1,9 км. Относительные координаты препятствий

Рис.2.4- Геометрия рассматриваемого интервала трассы

Для обеспечения прямой видимости между активными станциями РРЛ, расположенными в пунктах Аи Б (рис. 2.4), необходимо использовать антенные опоры высотой более 100 м. С целью снижения высот антенных опор на данном интервале устанавливается пассивный ретранслятор типа препятствия. По условиям рельефа пассивный ретранслятор целесообразно установить на высоте, расположенной на расстоянии 44 км от пункта А.

Для расчета высот антенных опор активных станций определяем Н₀₁ и Н₀₂

Определяем и , считая, что

Рассчитываем Н₁ и Н₂

Далее согласно рис. 2.4 определяем высоты антенных опор активных станций:

Проведём оценку устойчивости связи на интервале с пассивной ретрансляцией.

Сначала определяем множитель ослабления при средней рефракции  Предварительно рассчитываем эффективную площадь ретрансляции, считая, что

По известным параметрам аппаратуры определяется . Для данного-интервала считаем  = -34,4 дБ. По известным значениям Vи  вычисляем энергетический запас в децибелах на замирания сигнала

=  —  = -34,4 - (-14,1) = -20,3 дБ.

По графику рис. 4.6.12 (9) оцениваем устойчивость работы интервала: 100% - -0,2%=99,8%. Для повышения уровня сигнала увеличиваем горизонтальный раз мер ретранслятора до 85 м, т. е. 2a=l,45*L_s = 1,45*58,5=85 м. При этом эффективная площадь ретранслятора S_эфф= 342 м² и =-10,8 дБ. Устойчивость работы при таком ретрансляторе повышается до ~ 99,9%.

3. РАСЧЁТ ЭнергетичЕСКИХ параметрОВ системЫ тропосферноЙ радИорелейноЙ СвязИ

Открытие эфекта дальнего тропосферного распространения СВЧ позволило создать тропосферные линии (ТРЛ) с расстояниями между соседними станциями 200…350 км, а при отдельных благоприятных условиях распространения – 600…800 км. В этих системах применяются передающие устройства мощностью 1…10 кВт и более в непрерывном режиме, приёмные устройства с малошумящими параметрическими усилителями с температурой шума 100…200 К, антен площадью до 1000 м², а также ряд систем борьбы с завмираниями сигнала, вызванными многолучевой структурой сигнала.

Основные особенн