Принципиальные схемы аналоговых радиостанций.
Функциональная группа тракта приема включает радиоприемник с RX-синтезатором и тракт модулированных сигналов RX AUDIO (низкочастотный приемник). Функциональная группа тракта передачи включает тракт модулирующих сигналов ТХ AUDIO (низкочастотный передатчик) и радиопередатчик с ТХ-синтезатором.
Приём –Rx. Приёмник состоит из следующих узлов:
Спиральной антенны, первичного – входного модуля Front module. Входной модуль: преселектор, усилитель высокой частоты и последующий селективный фильтр.
После фильтра УВЧ входной сигнал поступает на трансформатор 1-го смесителя First mixer. На второй вход смесителя поступает сигнал гетеродина с синтезатора частот Synthesizer.Сигнал первой промежуточной частоты 45,1 МГц выделяется кварцевым фильтром и усиливается. После усилителя сигнал поступает на второй кварцевый фильтр 45,1 Мгц, который в отдельных моделях может шунтироваться перемычкой. Сигнал ПЧ 1 далее поступает на второй смеситель, кварцевый фильтр и УПЧ 2, формирующий 2-ю промежуточную частоту 455 кГц, демодулятор Demod. Работа передатчика. (Tx-Transmit).
Передающий тракт модулирующих сигналов (TX AUDIO) обеспечивает обработку первичных электрических сигналов звуковой частоты, поступающих от микрофона МК. Усилитель и фильтр звуковой частоты включает VOX детектор, осуществляющий голосовое управление радиостанцией при работе через гарнитуру. Модулирующие сигналы Mod In поступают на вход перестраиваемого частотно-модулированного генератора и изменяют его частоту, далее на модулятор и буфер. Усилитель мощности – чаще всего микросборка с охлаждающим радиатором. TX сигнал с выхода усилителя мощности через фильтр поступает в антенну.
Управление работой радиостанции производится микропроцессором .
Технические параметры аналоговых профессиональных радиостанций
Приёмник:
Тип супергетеродин с двойным преобразованием.
Промежуточные частоты 17,7МГц; 450 кГц (44,3 МГц; 455 кГц)
Чувствительность не хуже 0,16- 0,25 мкВ
Порог шумоподавителя не хуже 0,16- 0,25 мкВ
Избирательность по не хуже 50 – 70дБ (12,5 кГц)
соседнему каналу
выходная мощность 0,5 Вт
Передатчик:
Максимальная выходная мощность передатчика носимой АС VHF –-5 Вт,
UHF – 4 Вт
имеются модели с уменьшенной мощностью.
Мощность передатчика возимой (стационарной) АС 1-10 Вт (25-50). Возможность регулировки мощности.
Максимальное отклонение частоты +/- 2,5 кГц (5 кГц)
Внеполосное излучение 60 – 70 дБ ниже несущей
Принципиальные схемы абонентских станций ТСС – типовые и отличаются только введением дополнительных каскадов, обеспечивающих работу в диспетчерских и транкинговых сетях.
Расчёт зон радиодоступа.
При проектировании любой системы радиосвязи определяющим фактором является оценка её эффективности. Для сетей сухопутной подвижной связи. понятие эффективности означает: обеспечение радиообмена абонентов с заданным качеством на пределе расчётной дальности. Понятие качества включает предоставление канала связи с заданной вероятностью блокировки В% и достаточной разборчивостью при аналоговом способе передачи или достаточно малой вероятностью поэлементной ошибки при передаче цифровых сигналов.
Мощность полезного сигнала на входе приёмника Р пр, минимально необходимая для обеспечения удовлетворительного качества приёма (его реальная чувствительность Рр) должна превышать мощность собственных и внешних шумов на 12-20 дБ и составлять –(140…150)дБ/Вт. Величина Рр как правило приводится в паспорте, следовательно предметом для оценок эффективности являются определение теоретической зоны вокруг каждой базовой станции, в пределах которой будет выполняться условие Рпр>Рр. Главным элементом таких оценок являются расчёты энергетики отдельных радиолиний между БС и абонентскими станциями.
Уравнение «радиосвязи» для идеальной радиотрассы в свободном пространстве:
Рпр = Рпер+ hфпер + Gпер +Gпр+ hфпр+ Lсв(дБ/Вт),где
Рпер – вых. мощность передатчика БС,
Hфпер – КПД фидерного тракта передатчика БС
Gпер – коэф. усиления передающей антенны БС
P изл – излучаемая мощность.
Gпр – коэффициент усиления приёмной антенны АС
hфпр – КПД фидера АС
Lсв = -Wсв = 20lg[λ/(4nr)], дБ – потери энергии сигнала при распространении в свободном пространстве (величина обратная затуханию W), λ– длина волны, r – расстояние.
(Подробнее Грудинская Г.П. Распространение радиоволн М, ВШ, 1975,
Фок В.А. Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн М. Сов.радио, 1970).
Пространство между приёмной и передающей антеннами по дальности условно можно разбить на три области: прямой видимости, полутени и тени. В двух первых из этих областей распространение радиоволн описывается по разному. В третьей зоне считается, что сигнал затухает до ничтожно малой величины и его приём не возможен. В первой из них преобладают механизмы отражения радиоволн от поверхности Земли, т.е. законы геометрической оптики и, в силу этого, она ограничена расстоянием «прямой видимости»: rо= 3,57( √ h1 +√ h2), км
Где h1 и h2 высоты подвеса передающей и приёмной антенн в метрах.
Для расчёта уровня поля в точке приёма Б.А.Введенским выведена формула, названная «отражательной» (Введенский Ю.А. Вопросы распространения ультракоротких волн М. Сов. Радио 1948):
Е = 2,18 √ Ризл.*√ Gпер. * h1*h2/λ*r мВ/м
Pизл – в кВт, G пер – Коэффициент усиления АФУ
h1, h2, λ (длина волны) – в метрах, r – расстояние от передатчика в км
Формулой Введенского можно пользоваться для расчёта мощности передатчика, если известны высоты подвеса антенн, или наоборот, вычислять необходимые высоты при известной мощности передатчика. При определённых системах расчёт по формуле Введенского оказывается излишним, т.к. современные приёмники обладают высокой чувствительностью, а мощность передатчиков достаточна, что бы выполнялось условие
Рпр>Рр
Вторая область (полутени) уже не подчиняется, строго говоря, правилам геометрической оптики, в ней действуют более сложные механизмы, описываемые законами электродинамики. Эта зона располагается до расстояний, определяемых по формуле:
rо= 4,12 (√ h1 +√ h2), км где h1 и h2 также в метрах.
Здесь необходимо учитывать множество факторов как общего характера, так и связанных с характерными особенностями распространения радиоволн над рельефом местности конкретного географического региона, в котором должна работать система.
К таким факторам кроме потерь распространения в свободном пространстве Lсв (которые рассматривались до этого) и потерь в фидерных трактах приёмопередающего оборудования η ф = ηфпер + ηф пр, можно отнести:
· дифракционные потери огибания земли и затеняющих препятствий;
· потери поглощения, дифракции в лесопарковых зонах;
· интерференционные потери (замирания);
· рассеяние энергии сигнала на поверхности Земли по трассе;
· потери за счёт отрицательной рефракции в атмосфере;
· помехи радиоприёму.
Распространение УКВ вдоль границы раздела воздух – земная поверхность подчиняется законам дифракции. Если область пространства, существенная для распространения радиоволн по трассе, частично захвачена каким-либо препятствием, соизмеримым или меньшим длины волны, то происходят одновременно огибание препятствия и изменение структуры волны, сопровождающееся появлением дополнительных потерь Lд. Кривизна земного шара представляет собой препятствие очень больших размеров. Поэтому УКВ плохо дифрагируют за пределы оптического горизонта. То же самое можно сказать и об относительно крупных объектах на трассах связи.
К тому же, земная поверхность не является ни чистым диэлектриком, ни чистым проводником, поэтому радиоволны теряют часть своей энергии в ней и затухают по мере удаления от базовой станции в том числе и по этой причине. Чем короче волна, тем больший
ток индуцируется в земле и тем больше потери. По этим причинам дифракционная составляющая поля в зоне полутени заметно меньше, чем рефракционная. Трассам распространения между базовой и подвижными станциями практически всегда присущи явления отражения, рассеяния, поглощения энергии радиоволн различными объектами. Этим обусловлен эффект многолучевого распространения – главной причины замираний сигналов в приемнике. Причем различные механизмы образования многолучевости или, как иногда говорят, многомодовости, случайно проявляются во времени и в пространстве. В наиболее общем случае, когда движется MS и, соответственно, случайно изменяются многочисленные отражающие и рассеивающие объекты, результирующий сигнал на входе приемника представляет собой векторную сумму всех парциальных волн с различными временем и углами прихода. Все это приводит к искажению формы принимаемого сигнала, изменению его параметров и, следовательно, к потере получаемой информации. Поэтому распространение РВ между базовой станцией и подвижными объектами при расчетах обычно описывается физическими и математическими моделями, которые учитывают медианные величины статистических характеристик сигналов. Это означает, что в 50% случаев уровень поля может быть выше значения, предсказанного по модели, а в 50% - ниже. Существуют также вариации характеристик распространения РВ во времени: суточные, сезонные и прочие. Однако, как правило, временные вариации гораздо меньше, чем вариации положения. Изменения уровней сигналов на небольших площадях были исследованы японским ученым Okumura и др. и как было установлено, имеют нормальное распределение. Если уровень сигнала измеряется в децибелах, то распределение его вероятностей, соответственно, будет подчиняться логарифмически-нормальному закону. Среднеквадратические отклонения (СКО) для этого закона, полученные различными авторами несколько отличаются друг от друга. Okumura в приводит значения ОКО, показанные в таблице:
Табл. 14
| Частота, Мгц | Среднеквадратичное отклонение, дБ | |
| Пригород, холмистая местность | Городской район | |
| 6,75 | 5,5 | |
| 7,5 | 6,0 | |
| 8.25 | 6,5 |
Большинство систем наземной радиосвязи с мобильными объектами рассчитываются на 90% уровень надежности. Это означает, что с вероятностью 0,9 уровень принимаемого сигнала должен быть выше порогового. Для обеспечения такого качества связи уже на стадии проектирования системы предусматривается введение в структуру потерь составляющей L3, определяемой как произведение СКО на множитель надёжности:
Табл. 15
| Вероятность связи,% | 99,99 | |||
| Множитель надёжности | 1.3 | 1,64 | 2,3 | 3,73 |
Пример расчета фактора надежности L3.
Система наземной радиосвязи с мобильными объектами, работающая на частоте 850 МГц, рассчитывается на 90% уровень надежности. Для обеспечения связи такого качества множитель надежности должен быть равен 1.3. Согласно данным таблицы стандартное отклонение должно быть равно 8.25 дБ.
Следовательно, фактор надежности L3 равен 8.25X1.3, то есть 10.725 дБ.
Это число представляет собой те потери, которые необходимо добавить к потерям на распространение чтобы повысить надежность связи с 50% до 90%. Для обеспечения 95% надежности связи необходимо добавить 8.25X2.81, т.е. 13.53 дБ.
Таким образом, для повышения надежности связи с 90 до 95% необходимо добавить 2.81 дБ, что означает почти двукратное повышение мощности передатчика Базовой станции.
Вышеизложенное показывает, сколь важным для дальнейших расчетов является этап формирования исходных данных на проект СПС, детально представляющих технические условия, рельеф местности и другие характеристики, необходимые для оценок величин затухания радиоволн и уровней электромагнитного поля.
Оценки зоны радиодоступа с учетом различных факторов электродинамики могут выполняться или на основе строгой теории поля, или приближенных математических выражений, или большого количества феноменологических моделей и эмпирических формул в зависимости от требований технического задания ТЗ. Учет дифракционных потерь и потерь рассеяния на неровной поверхности Земли и других объектах выполняется отдельно, для чего также существует множество алгоритмов. Главной исходной предпосылкой для этого является наличие карты местности, позволяющей классифицировать типы и рельеф поверхности земли, ее электрические параметры. Расчеты зоны доступности связи могут проводиться как лучевым, так и растровым способом. Выбор осуществляет Заказчик, поэтому он должен отчетливо понимать соотношение своих требований и возможностей по предоставлению соответствующих и очень разных исходных данных в том и другом случаях. Особенно это касается картографических сведений. Если они представлены файлами на машинных носителях в удовлетворительном масштабе, то это - оптимальный вариант, так как ручная обработка карт удлиняет сроки и увеличивает стоимость работ.
Вопросы самоконтроля
1. Какие характеристики радиооборудования профессиональной связи считаются наиболее важными?
2. Какие параметры оборудования определяют зону связи?
3. Назовите средние дальности связи для носимых, автомобильных и стационарных PMR – радиостанций.
4. На какой уровень в системах PMR мощность полезного сигнала на входе приёмника должна превышать мощность собственных и внешних шумов?
5. Составьте «уравнение радиосвязи» для идеальной радиотрассы в свободном пространстве.
6. Назовите три области пространства между передающей и приёмной антеннами и поясните характер распространения радиоволн в каждой области.
7. Как влияют на качество связи сезонные и суточные вариации распространения радиоволн?
8. Как при расчётах системы связи учитываются вариации статистических характеристик распространения? Как среднестатистические отклонения (СКО) зависят от диапазона частот? Что такое фактор надёжности и как он учитывается при проведении расчётов?