Лекция 5. Определение высот антенных опор, расчет энергетического запаса аппаратуры

Цель лекции: научиться рассчитывать основные параметры РРЛ.

Строительство РРЛ прямой видимости (аналоговых РРЛ) включает в себя три основных задачи:

- расчет высот подвеса антенн;

- расчет мощности сигнала на входе приемника каждого пролета и ожидаемой мощности шума;

- расчет устойчивости связи.

Расчет высот подвеса антенн. Явление рефракции оказывает существенное влияние на распространение радиоволн в пределах прямой видимости антенн РРЛ. Cлучайные изменения вертикального градиента диэлектрической проницаемости атмосферы (g) приводят к искривлению траектории радиолуча, который в некоторых случаях может касаться земной поверхности и при этом возникают эффекты дифракции, снижающие уровень принимаемого сигнала. Из-за наземного препятствия возможна даже полная потеря взаимной видимости антенн (отсутствие связи).

Поэтому при проектировании РРЛ важно обеспечить достаточный просвет трассы путем выбора высот подвеса антенн.

Все пространство, окружающее точки передачи и приема разделено зонами Френеля, как это показано на рисунке 5.1.

Основная часть энергии передатчика распространяется в сторону приемной антенны внутри минимальной зоны Френеля (области DOD₁), представляющей эллипсоид вращения с фокусами в точках передающей А и приемной В антенн.

Рисунок 5.1 – Эллипсы, соответствующие зонам Френеля на плоскости

Радиус минимальной зоны Френеля в любой точке пролета, изображенного на рисунке 5.2 можно определить по формуле

(5.1)

. (5.2)

где R₀ – длина пролета;

k_j = R_j/R₀ – относительная координата точки препятствия;

R_j – расстояние до точки препятствия.

Пролет относится к пересеченным, если высоты неровности земной поверхности Δh_j ≥ 2H₀.

Рисунок 5.2 – Профиль пролета РРЛ (вертикальный разрез местности, проходящий через места установки антенн)

При этом были приняты следующие обозначения:

A1,A2 – приемо-передающие антенны РРЛ;

h1,h2 – высоты подвеса антенн;

CD, MO, ZY – высоты местности;

M –критическая точка (вершина препятствия);

Z_j = ON – реальная кривизна Земли, которую можно определить по приближенной формуле

м (5.3)

где R₀ в км;

а=6370км – радиус Земли;

H(0) – просвет на пролете при отсутствии рефракции;

ΔH(ĝ+σ) – среднее значение изменения просвета за счет рефракции, существующее в течение 80% времени (ĝ , σ –соответственно среднее значение и стандартное отклонение вертикального градиента диэлектрической проницаемости тропосферы);

H(ĝ +σ) – просвет на пролете, существующий в течение 80% времени, который, как правило, берут равным H0.

, (5.4)

. (5.5)

Итак, после предварительного выбора радиотрассы и мест расположения площадок (в нашем случае точки С и Z), построения профиля пролета с помощью равновысотных контурных карт (по рекомендации ITU масштаб должен быть по крайней мере 1/50000) и учета путем осмотра местности, высоты растительности и зданий можно приступить к определению высот подвеса антенн. Порядок следующий:

- определяют H0;

- определяют ;

- определяют H(0);

- на профиле пролета от критической точки М откладывают в масштабе величину H(0);

- через верхнюю точку отрезка H(0) проводят луч, соединяющий антенны;

- высоты подвеса антенн определяют с помощью формул

h1 = ON+OM+H(0) – CD, (5.6)

h2 = ON+OM+H(0) – ZY. (5.7)

Расчет мощности сигнала на входе приемника каждого пролета и ожидаемой мощности шума

Расчет высот подвеса антенн и ряд других немногих исключений являются общими как для аналоговых, так и цифровых РРЛ. Для РРЛ прямой видимости определены критерии качества связи в соответствии с нормами ITU-R. Задачи проектирования – проверить соответствие параметров проектируемой РРЛ этим критериям. Рассмотрим аналоговую РРЛ.

Расчет устойчивости связи

Если высоты подвеса антенн выбраны, то устойчивость связи оценивается выполнением неравенства

(5.8)

– суммарная вероятность (процент времени) ухудшения качества связи из-за глубоких замираний сигнала на одном из пролетов,

– допустимая вероятность ухудшения качества связи на данной РРЛ в соответствии с нормами. Рассматриваем данный вопрос для одного пролета, так как для РРЛ, состоящей из n пролетов вероятность ухудшения качества связи определится соответственно .

Л.

Рисунок 5.3 – Упрощенная структурная схема одного пролета РРЛ (а); диаграмма уровней сигнала на пролете РРЛ (б)

Рассмотрим диаграмму уровней сигнала на одном из пролетов, изображенную на рисунке 5.3 б). Суммарное ослабление сигнала с выхода передатчика до входа приемника

(5.9)

или в децибелах

. (5.10)

Здесь – суммарное ослабление сигнала в передающем и приемном фидерных трактах; – суммарный коэффициент усиления передающей и приемной антенн; L_P – ослабление сигнала в тракте распространения радиоволн.

Ослабление сигнала в фидерном тракте можно определить в дБ

. (5.11)

Здесь – ослабление в сосредоточенных элементах фидерного тракта (разделительных фильтрах, гермовставках и пр.);

– ослабление в волноводе; (α – вдБ/м; l_Г – в м; l_В – в м – погонное ослабление и длина соответственно горизонтального и вертикального участков волноводов).

Ослабление сигнала в тракте распространения радиоволн в дБ

(5.12)

где

(5.13)

– ослабление сигнала при распространении радиоволн в свободном пространстве; L_ДОП – дополнительное ослабление сигнала за счет неоднородностей реальной среды распространения, зависящее от множителя ослабления поля свободного пространства (V) соотношением

, (5.14)

(5.15)

E_Ри E_СВ – напряженность поля на входе приемной антенны в случае распространения радиоволн соответственно в реальных условиях и в свободном пространстве (т. е. без учета влияния атмосферы и рельефа местности).

Множитель ослабления и, следовательно, дополнительные потери меняются во времени по случайному закону, также меняется по случайному закону и мощность сигнала на входе приемника, определяемая основным уравнением передачи

(5.16)

где Р_П – мощность передатчика или в децибелах по отношению к 1 Вт

. (5.17)

Отношение сигнал-шум на выходе канала связи, зависящее от мощности сигнала на входе приемника, также будет меняться во времени по случайному закону. В точке относительного нулевого уровня (ТОНУ), где мощность сигнала 1 мВт, мощность шума будет меняться во времени по случайному закону.

В расчетах принимают, что одновременно на всех пролетах РРЛ мощность сигналов на входах приемников в течение 80% времени любого месяца не должна падать ниже значения соответствующей суммарной псофометрической мощности шумов на входе ТФ канала, равной (для гипотетической эталонной цепи – ГЭЦ в 2500 км) 75 пВт. Такой мощности сигнала на входе приемника соответствует множитель ослабления V(20). При глубоких замираниях сигнала на одном из пролетов РРЛ мощность входного сигнала может снизиться настолько, что мощность шума на выходе канала превысит максимально допустимое значение 47500 пВт, т. е. на выходе канала возникает «всплеск» шума, вызванный замиранием сигнала на одном из пролетов. Общая продолжительность таких «всплесков» для ГЭЦ не должна превышать 0,1% времени любого месяца. Момент, когда шум в ТФ канале превысит 47500 пВт (или отношение сигнал-шум на выходе канала яркости ТВ ствола окажется меньше 49 дБ), принято считать моментом ухудшения качества связи из-за глубоких замираний. В этот момент мощность сигнала на входе приемника равна минимально допустимому значению, которому соответствует минимально допустимое значение множителя ослабления V_min. По рисунку видно, что энергетический запас аппаратуры, после которого начинаются замирания (запас на замирания) можно в дБ рассчитать как

. (5.18)

При этом

(5.19)

Для РРЛ произвольной протяженности l_РРЛ допустимый процент времени Т_ДОП, в течение которого может быть ухудшено качество связи, определяется по формуле:

Т_ДОП=0,1% l_РРЛ/2500.