9.1. Рекомендации МСЭ-Р на качественные показатели радиорелейных линий
9.2. Мощность сигнала на входе приемника. Расчет множителя ослабления при замираниях
9.1. Рекомендации МСЭ-Р на качественные показатели радиорелейных линий
Рекомендации МСЭ-Р приводятся для эталонных цепей.
Гипотетическая (т. е. предполагаемая) эталонная цепь — это полная цепь между источником и приемником сообщения, имеющая определенную протяженность и включающая определенное число преобразований сигнала. Для РРЛ с ЧМ и ЧРК приняты гипотетические эталонные цепи МСЭ протяженностью LГ=2500 км. Каждую ГЭЦ делят на однородные участки одинаковой длины Ly4, на концах каждого участка устанавливают модемы. Кроме того, структура цепи определяет, какие группы каналов могут быть выделены на конце каждого участка.
В рекомендациях МСЭ (табл. 9.1) установлены допустимые значения мощности шума на конце ГЭЦ в ТФ канале в ТНОУ. Таким образом, если допустимая мощность шума составляет, например, 7500 пВт, то отношение сигнал-шум в ТФ канале
дБ
Приведенные в табл. 9.1 значения мощности шумов не включают шумы от АСП с ЧРК, мощность которых может достигать 2500 пВт.
Рекомендациями МСЭ для ГЭЦ установлены следующие допустимые значения отношения сигнала к визометрическому шуму в канале изображения: для более чем 20% времени любого месяца 
дБ; для более 0,1% времени любого месяца 
дБ. Для реальной цепи протяженностью L км:
дБ при L<500 км (9.1,а)
при L=500…2500 км (9.1,б)
Таблица 9.1. Рекомендации МСЭ-Р на шумы в канале
|
Мощность шума на конце цепи в телефонном канале в ТНОУ |
В ГЭЦ |
В реальной РРЛ протяжённостью L, км |
примечания |
|
Среднеминутная псофометрическая, которая может быть превышена в течение не более 20% времени любого месяца, пВт 0.1% времени любого месяца, пВт 0.0112% времени любого месяца 0.1% (L/2500) времени любого месяца |
7500 47500 — — |
3L 3L+D P* 47500 47500 |
Для цепей со структурой, значительно отличающейся от ГЭЦ
L 280 |
|
D P*=200 пВт при L=50…840 км; D P=400 пВт при L=840…1670 км; D P=600 пВт при L=1670..2500 км |
|||
280 кмДля малых процентов времени месяца в реальной цепи допустимое отношение должно превышать значение 45 дБ, а допустимый процент времени превышения Ттвдоп пропорционален числу участков ГЭЦ. Для линии с L
833 км он составляет Ттвдоп = 0,1%/3 и Ттвдоп = 0,1% (2/3) для РРЛ протяженностью, примерно равной двум участкам ГЭЦ.
Для канала ТЧ, организованного на магистральной сети, принята номинальная цепь протяженностью 12 500 км. Она состоит из пяти идентичных участков длиною по 2500 км. Каждый такой участок в свою очередь делится на 10 участков по 250 км. Модемы устанавливают через 250 км, т. е. примерно на таком расстоянии друг от друга. Однако рассматриваемая номинальная цепь содержит одну пару канальных преобразователей на каждые 2500 км, а в ГЭЦ их три. Это вызвано необходимостью обеспечить высокие электрические параметры канала ТЧ на магистральных линиях большой протяженности.
Для внутризоновой связи установлена номинальная цепь канала ТЧ протяженностью 1400 км с тремя парами канальных преобразователей, т. е. тремя переприемами по ТЧ, расположенными друг от друга на разных расстояниях [1].
Номинальная цепь для канала изображения, организованного на магистральной сети, имеет протяженность 12500 км и состоит из пяти идентичных участков по 2500 км. На конце каждого участка устанавливают преобразователь ПТВС в канале изображения. Протяженность номинальной цепи для канала изображения, организованного на внутризоновой линии — 600 км. Преобразователи в канале изображения устанавливают только на концах цепи.
При проектировании РРЛ следует выбирать ее структуру, ориентируясь на номинальные цепи. Если такая РРЛ спроектирована правильно, то в ней должны быть выдержаны рекомендации, установленные МСЭ. При этом контролируют следующие величины. В ТФ канале на конце магистральной РРЛ:
1. Суммарная мощность шумов, превышаемая в течение не более 20% времени месяца, не должна быть выше значений, указанных в табл. 9.1 для t=20% для реальной РРЛ. Это норма на шумы.
2. Процент времени месяца Ттф доп, в течение которого может быть превышена мощность шума 47500 пВт, не должен превышать значений, указанных в табл. 9.1.. Это норма на устойчивость.
В канале изображения на конце магистральной РРЛ:
- Норма на шумы, т. е. отношение сигнал-шум в течение более чем 20 % времени любого месяца, не должно падать ниже значений, рассчитанных по 9.1а и 9.1б.
Таблица 9.2. Нормы на устойчивость местных и внутризоновых РРЛ протяженностью L
|
Норма на устойчивость |
L |
1=200…600 км |
L=200…1400 км |
|
TТФ ДОП , % ТТВ ДОП , % |
0,0143 0,033 |
— 0,1 (L/600) |
0,1 (L/1400) — |
200 км2. Норма на устойчивость, т. е. процент времени месяца, в течение которого отношение сигнал-шум падает ниже 49 дБ, не должен превышать значений ТТВДОП, рассчитанных для реальных РРЛ.
Для внутризоновых РРЛ нормы на шумы остаются теми же, а нормы на устойчивость определяются по табл. 9.2.
9.2. Мощность сигнала на входе приёмника. Расчёт множителя ослабления при замираниях
Профиль пролета. Его строят, используя топографическую карту местности. Профиль пролета представляет собой вертикальный разрез местности в плоскости, проходящей через линию АВ и центр Земли (рис. 9.1), где АВ — линия прямой видимости, соединяющая центры антенн. Для удобства профиль строят в прямоугольных координатах. Расстояния откладывают не по дуге окружности, соответствующей поверхности гладкой Земли, а по оси абсцисс, а высоты — не по радиусам Земли, а по оси ординат. Для того чтобы профиль в прямоугольных координатах соответствовал реальному, используют параболический масштаб. В этом масштабе все высоты отсчитываются не от оси x, а от линии условного нулевого уровня, имеющей вид параболы. Построение профиля начинают с расчета ординат этой параболы по соотношению
, (9.1)
где а3=6370 км — геометрический радиус Земли; R0 — протяженность пролета, k=Ri/Ro — относительная координата точки; Ri — расстояние от начала пролета до текущей точки. Достаточно рассчитать ординаты для точек 1…5, показанных на рис. 9.1,б. При вычерчивании берут разные масштабы по осям, так как высоты отсчитывают в метрах, а расстояния в километрах. Ординату начальной точки параболы (y=0, k=0) совмещают с уровнем моря (H=0), а абсциссу с R=0. В случае, когда средняя высота местности значительно выше уровня моря, высоту начальной точки параболы принимают на 10…20 м меньше самой низкой точки профиля (см. рис. 9.1,а), где при y=0 и k=0, h=120 м и R= 0. На профиль наносят высоты, указанные для данных точек местности на топографической карте, и местные объекты: лес, населенные пункты и др. Обязательно указывают водные поверхности: реки, водохранилища и т. п. Отмеченные высоты соединяют прямыми. Полученная ломаная линия и есть профиль пролета. На концах профиля откладывают высоты антенн h1 и h2 и проводят линию прямой видимости АВ. На профиле отмечают просвет Н — расстояние между линией прямой видимости и самой высокой точкой профиля. Для этой точки рассчитывают значение некоторого ориентировочного просвета:
(9.2)
Рисунок 9.1. Профиль пролёта: а – к объяснению построения профиля; б – к выбору точек при построении линии условного нулевого уровня
Мощность сигнала на входе приемника при распространении в свободном пространстве. Множитель ослабления поля свободного пространства. По пути АВ распространяется прямая радиоволна. Земная поверхность практически не влияет на ее распространение, если на пролете H>H0. При выполнении этого условия прямая радиоволна распространяется так же, как и в свободном пространстве.
Ненаправленный излучатель в свободном пространстве излучает одинаковую мощность во всех направлениях. Фронт электромагнитной волны на некотором расстоянии R от излучателя представляет собой сферу радиуса R. Мощность, проходящая через единицу поверхности этой сферы,
, (9.3)
где Р — мощность, подведенная к изотропному излучателю.
На пролете РРЛ устанавливают передающую и приемную антенны с коэффициентами усиления GП и GПР соответственно. Антенны направлены друг к другу главными лепестками ДН. Для передающей антенны находим ЭИИМ при G = GП. В таком случае плотность потока мощности в точке приема в соответствии с 9.3
(9.4)
Мощность сигнала на входе приемника при распространении в свободном пространстве 
, где 
— КПД приемного фидера, ему соответствуют потери аФ.ПР.
Подставив П1 из (9.4) и положив G = GПР, запишем
(9.5)
При распространении в свободном пространстве суммарное ослабление мощности сигнала между выходом передатчика и входом приемника 
Подставив (9.5), получаем:
(9.6)
Первый сомножитель этой формулы показывает ослабление сигнала между антеннами при распространении в свободном пространстве. Эта величина носит название основных потерь при распространении в свободном пространстве
(9.7)
Перейдя к уровням, записываем
, (9.8а)
(9.8б)
Уровень мощности сигнала на входе приемника 
,
где рП — уровень мощности передатчика. Значение рС.ВХ0 получает ту же размерность, что и рП.
В реальных условиях распространения мощность сигнала на входе приемника отлична от (9.5) из-за влияния земной поверхности и тропосферы. Учитывают это влияние с помощью множителя ослабления поля свободного пространства. Множитель ослабления показывает, во сколько раз напряженность поля в точке приема в реальных условиях (ЕР) меньше, чем напряженность поля в той же точке при распространении в свободном пространстве (Е0). Множитель ослабления
(9.9)
или
Поскольку состояние тропосферы непрерывно меняется, то и значение множителя ослабления меняется во времени.
При реальных условиях распространения мощность сигнала на входе приемника 
Влияние земной поверхности. Сначала полагаем, что поверхность Земли — плоская, гладкая, однородная. В этом случае в точку приема приходят два луча: прямой АВ(1) и отраженный от земной поверхности АСВ(2) (рис. 9.2). Плоская поверхность дает только один отраженный луч. Координату точки отражения С определяют из условия равенства углов падения и отражения q . Просвет H определяют для этой точки. Между волнами 2 и 1 существует разность хода D r=ACB-AB, а следовательно, разность фаз в точке приема
(9.11)
где b — изменение фазы в точке С (фаза коэффициента отражения).
Вычислив АС, СВ и АВ из треугольников ADC, CBF и АbВ и приняв во внимание, что на реальных пролетах углы q малы, b =p и расстояния DC, CF и DF много больше, чем высоты антенн, получаем D r=2h1h2/R0. Разность хода можно выразить через просвет. Учитывая, что на реальных трассах наклон линии АВ незначителен, полагаем h1»h2» H AB=R0. При этих допущениях получаем
(9.12)
Сложив векторы сигналов 1 и 2, получаем реальную напряженность поля в точке приема (ЕР на рис. 9.2,б). Выше отмечали, что условия распространения луча АВ такие же, как в свободном пространстве. Следовательно, амплитуда сигнала 1 равна Е0 а сигнала 2 составляет Е2=Е0Ф, где Ф — модуль коэффициента отражения от земной поверхности.
Для гладкой земной поверхности Ф=1. Из треугольника 012 (рис. 9.2,б) получаем
,
Подставив это выражение в (9.9) и приняв во внимание (9.11),
при b =p получаем
(9.13)
В правой части (9.13) из-за изменения атмосферной рефракции D r меняется во времени. Формула (9.13) справедлива при распространении сигналов в пределах прямой видимости, когда H>H0. Она получила название – интерференционная формула.
Рисунок 9.2. Ход лучей на пролёте при плоской, гладкой и однородной поверхности Земли (а) и векторная диаграмма на приёме (б)
Рассмотрим второй случай: земная поверхность – сферическая, гладкая, однородная. Теперь Ф<1 из-за явления расходимости радиоволн.
— коэффициент расходимости
Рисунок 9.3. К пояснению условия прямой видимости на холмистой местности
Рассмотрим реальный случай: земная поверхность — сферическая, неровная. Для этого случая лучевая трактовка распространения радиоволн неприменима, так как дает большую погрешность. Теперь нужно рассматривать область пространства, эффективно участвующую в распространении сигнала. Эта область представляет собой эллипсоид вращения, на большой оси которого лежит АВ (рис. 9.3). Сечение этого эллипсоида плоскостью профиля заштриховано, а сечение его в плоскости, перпендикулярной линии АВ представляет собой круг радиусом H0, который называют первой полузоной Френеля. Если в самой высокой точке пролета H>H0, то условия распространения прямой волны такие же, как и в свободном пространстве, и множитель ослабления определяют по интерференционной формуле. При H
H0препятствие экранирует прямую волну. Теперь множитель ослабления будет падать с уменьшением H, но он также будет зависеть от формы и размеров препятствия, которые принято оценивать с помощью параметра препятствия (л, характеризующего радиус кривизны препятствия. При H=0 трассу называют касательной. Поле в точке приема на ней создает дифрагирующая (огибающая препятствие) волна, для которой множитель ослабления v0 определяют по рис. 9.8. Энергия волны, дифрагирующей вокруг сферического препятствия (рис. 9.5,а), для которого. m ® 0, почти на всем пути распространяется в непосредственной близости от Земли. Такое препятствие экранирует ее в большей степени, чем клиновидное препятствие (рис. 9.5,б), для которого m ® ¥ . Поэтому и значения v0для этих двух видов препятствий будут значительно отличными друг от друга. Для реальных препятствий 0 < m < ¥ .
Влияние неровностей на отраженную волну состоит в том, что отражение может носить диффузный характер. В диапазоне СВЧ
