Расчет пролёта радиорелейной линии. Выбор оптимальных высот подвеса антенн. Ухудшения связи, вызванные дождем и субрефракцией радиоволн. Энергетический расчет линии "вниз" и "вверх" для спутниковой системы связи. Коэффициент усиления антенны приемника.
Аннотация к работе
В первой задаче необходимо по известным высотным отметкам земли и указанным расстояниям от начала пролета построить чертеж продольного профиля земли и рассчитать устойчивость связи на пролете. Таким образом, высоты откладываются на профиле не по линиям, проходящим через центр Земли (т.е. по радиусу Земли), а по вертикали (по оси ординат), и отсчет их ведется не от горизонтальной линии профиля, а от линии кривизны земной поверхности, принимаемой за линию уровня моря или за условный нулевой уровень. Построение дуги земной кривизны (параболы) производится после определения расстояний между станциями и максимальной разности высот на поверхности земли, так как в зависимости от расстояния меняется масштаб по вертикали. Расстояния между станциями, а также наиболее низкие (hmin) и наиболее высокие (hmax) точки профиля интервала РРЛ связи определяются по данным топографических карт, и затем вычисляется максимальная разность высот в метрах. Линия, изображающая на профиле уровень моря (дуга земной кривизны) или условный нулевой уровень (условный горизонт) и имеющая вид параболы, рассчитывается по формулеНаиболее важные задачи при проектировании и строительстве РРЛ - повышение эффективности капитальных вложений, сокращение сроков сооружения объектов, повышения качества и снижение стоимости строительства, реконструкция и техническое перевооружение действующих РРЛ на базе использования новейших цифровых станций. Если он встречается с естественным препятствием, то связь нарушается. Расчеты показали, что предварительно найденных высот подвеса антенн не хватает для обеспечения требуемой устойчивости связи на пролете. Для заданного пролета было определено время ухудшения связи изза дождя, интерференции и рефракции. Задачей энергетического расчета спутниковой линии связи «вниз» было определение основных энергетических параметров, обеспечивающих требуемое качество передачи сигналов по спутниковой линии связи.
Введение
Основной задачей курсового проектирования по спутниковым и радиорелейным системам передачи является определение параметров спутниковой системы и расчет устойчивости связи на пролете РРЛ.
За последние годы создано большое число систем спутниковой связи (ССС), различных по назначению, обслуживаемой территории, составу, числу и пропускной способности каналов. Для передачи информации между ИСЗ могут организовываться линии межспутниковой связи, повышающие гибкость спутниковых систем. По охвату территорий, размещению и принадлежности ЗС, структуре управления спутниковые системы связи подразделяют на ведомственные, национальные, международные, а также на региональные или глобальные системы.Также широкое распространение получили радиорелейные линии связи, которые позволяют передавать телевизионные программы и одновременно сотни и тысячи телефонных сообщений на огромные расстояния.
В первой задаче необходимо по известным высотным отметкам земли и указанным расстояниям от начала пролета построить чертеж продольного профиля земли и рассчитать устойчивость связи на пролете.
Во второй задаче необходимо выполнять энергетический расчет участка спутниковой линии. Спутниковая линия состоит из двух участков: «вверх» - передающая ЗС - бортовой ретранслятор и «вниз» - бортовой ретранслятор - приемная земная станция.
После расчета необходимо построить диаграмму уровней на участке.
Третья задача посвящена электромагнитной совместимости двух спутниковых систем: проектируемой и существующей. В конце расчета необходимо оценить величину мешающего влияния по сравнению со значением температуры при отсутствии влияния.
1. Расчет пролета радиорелейной линии
1.1 Выбор аппаратуры
Исходные данные: длина пролета R0=25 км, частотный диапазон 22 ГГЦ, аппаратура Pasolink.
По частотному диапазону подходит аппаратура Pasolink 23G8M8 с техническими характеристиками: Диапазон частот f, ГГЦ 21,2 - 23,6
Коэффициент системы SG, ДБ 110,5
Диаметр антенны D, м 1,2
Коэффициент усиления антенны можно рассчитать по формуле: , (1.1) где - коэффициент использования поверхности антенны;
D - диаметр антенны;
- длина волны.
1.2 Построение продольного профиля пролета
Продольный профиль интервала представляет собой вычерченный в определенном масштабе вертикальный разрез местности по линии, соединяющей две соседние радиорелейные станции. Продольные профили интервалов РРЛ полно и наглядно характеризуют рельеф местности на каждом интервале связи и являются основными рабочими документами, позволяющими выполнить расчет устойчивости работы радиорелейной линии при заданных нормах на ее качественные показатели.
Построение продольных профилей производится в прямоугольной системе координат с применением разных масштабов по горизонтали и вертикали. Высоты препятствий на поверхности Земли измеряются в метрах, а расстояния между ними радиорелейными станциями - в километрах. Таким образом, высоты откладываются на профиле не по линиям, проходящим через центр Земли (т.е. по радиусу Земли), а по вертикали (по оси ординат), и отсчет их ведется не от горизонтальной линии профиля, а от линии кривизны земной поверхности, принимаемой за линию уровня моря или за условный нулевой уровень. Расстояния же между станциями откладываются не по криволинейной поверхности, а по горизонтали (оси абсцисс). При таком построении профиля земная поверхность изображается не окружностью, а параболой. Построение дуги земной кривизны (параболы) производится после определения расстояний между станциями и максимальной разности высот на поверхности земли, так как в зависимости от расстояния меняется масштаб по вертикали. Расстояния между станциями, а также наиболее низкие (hmin) и наиболее высокие (hmax) точки профиля интервала РРЛ связи определяются по данным топографических карт, и затем вычисляется максимальная разность высот в метрах.
После выбора масштабов производится построение дуги земной кривизны.
Линия, изображающая на профиле уровень моря (дуга земной кривизны) или условный нулевой уровень (условный горизонт) и имеющая вид параболы, рассчитывается по формуле
R - расстояние от левого конца интервала, км, до точки, в которой определяется величина x;
RЗ=6,37·106 м - радиус Земли.
Максимальная высота препятствия, создаваемого выпуклостью земной поверхности, для любой протяженности интервала R0 при R=R0/2 равна
. (1.2,б)
Для сокращения размеров чертежа высокие отметки отсчитываются от линии условного горизонта, которая выбирается в зависимости от рельефа местности. Полученная кривая характеризует профиль интервала данного участка связи.
1.3 Выбор оптимальных высот подвеса антенн
Изза неравномерности вертикального градиента диэлектрической проницаемости атмосферы радиолуч получает искривление, что приводит к ухудшению радиосвязи. Если он встречается с естественным препятствием, то связь нарушается. Поэтому необходимо правильно определить просвет трассы путем правильного выбора высот подвеса антенн.
Радиолуч перемещается внутри зоны Френеля, которая представляет собой эллипсоид вращения в точке приема и передачи. Минимальный радиус зоны Френеля определяется по формуле
, (1.3) где - длина волны, м;
- относительное расстояние до препятствия.
Среднее значение изменения просвета за счет рефракции, существующее в течение 80% времени, вычисляется по формуле
, (1.4) где и - соответственно среднее значение и стандартное отклонение вертикального градиента проницаемости.
При длине пролета меньше 50 км стандартное отклонение должно определяться по формуле
, (1.5) где - значение стандартного отклонения, м-1;
y=0.81 - находится по рисунку 1.
Рисунок 1 - К определению параметра у
Просвет в отсутствии рефракции радиоволн (при g=0) рассчитывается по формуле
, (1.6)
Высоты подвеса антенн определим из рисунка 2. Для этого от критической точки профиля откладывается расстояние Н(0) и через данную точку проводится луч, соединяющий антенны.
Рисунок 2 - Профиль пролета РРЛ
Высоты подвеса антенн: h1=35 м h2=44 м
1.4 Расчет запаса на замирание
Расчет запаса на замирание производится по формуле
, (1.8) где - коэффициент системы, ДБ;
- коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, ДБ;
- коэффициент полезного действия антенно-фидерного тракта;
- затухание радиоволн в свободном пространстве, ДБ
, (1.9) где f - частота передачи, МГЦ;
d=R0 - расстояние между передающей и приемной антеннами (длина пролета), км.
1.5 Расчет времени ухудшения связи изза дождя
Чем выше частота радиоизлучения, тем сильнее влияет на ослабление сигнала размер капель и интенсивность дождя. Поэтому при расчете времени ослабления необходимо учитывать климатическую зону в зависимости от интенсивности дождя в течение 0,01% времени. Территория СНГ разделена на 16 климатических зон. Казахстан относится к зоне Е, для которой интенсивность осадков =22 мм/час ( ).
Коэффициенты регрессии для оценки затухания в зависимости от поляризации волны представлены в таблице Б.2 [1].
Так как интенсивность дождя неравномерно распределяется вдоль трассы, определяем эффективную длину пролета
, (1.10) где R0 - длина пролета, км;
- коэффициент уменьшения;
- опорное расстояние, км.
Удельное затухание в дожде в зависимости от поляризации волны (ДБ/км)
. (1.11) определяется для горизонтальной и вертикальной поляризации и выбирается наименьшее из них: , (1.11, а)
, (1.11, б) где - коэффициенты регрессии.
Наименьшее удельное затухание - для вертикальной поляризации:
Затухание на трассе, превышающее 0,01% времени, определяется по формуле: . (1.12)
Время, в течение которого ослабление сигнала больше, чем запас на замирание: , (1.13) при принимаем .
1.6 Ухудшения связи, вызванное субрефракцией радиоволн
Стандартная атмосфера имеет наибольшую плотность у поверхности Земли, поэтому радиолучи изгибаются к низу. В результате просвет на пролете, определяемый по минимальному радиусу зоны Френеля, не имеет постоянной величины, т.к. плотность атмосферы изменяется и зависит от времени суток и состояния атмосферы.
Среднее значение просвета на пролете: . (1.14)
Относительный просвет: . (1.15)
На чертеже профиля пролета проводим прямую параллельно радиолучу на расстоянии от вершины препятствия и находим ширину препятствия r (см. рисунок 2). r = 9.3 км
Относительная длина препятствия: . (1.16)
Параметр , характеризующий аппроксимирующую среду
, (1.17) где или . Принимаем .
Значение относительного просвета р(g0), при котором наступает глубокое замирание сигнала, вызванное экранировкой препятствием минимальной зоны Френеля: , (1.18)
где V0 - множитель ослабления при H(0)=0, определяемый из рисунка В.1 приложения В [1] по значению ;
Процент времени ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн, определяется по рисунку В.2 Приложения В [1].
Оптимизация высот подвеса антенн проводится, если , при этом необходимо увеличить , пересчитать и соответственно на эту величину увеличить h1 и h2 на пролете.
Увеличим на 5 метров. Тогда . При этом условие выполняется.
Новые высоты подвеса антенн на пролете: h1=35 5=40 м h2=44 5=49 м
1.7 Проверка норм на неготовность
Характеристики неготовности для ГЭЦТ (гипотетический эталонный цифровой тракт) установлены в рекомендации 557МСЭ-Р.
ГЦЭТ считается неготовой, если в течение 10 последовательных секунд возникли следующие условия или одно из них: передача цифрового сигнала прервана;
в каждой секунде BER хуже 10-3.
Неготовность аппаратуры уплотнения исключается. Характеристики неготовности делятся на неготовность оборудования и неготовность, вызванную условиями распространения радиоволн, например, величина неготовности, вызванной дождем, составляет 30-50%.
Характеристики готовности ГЭЦТ протяженностью 2500 км определяются величиной 99,7%, причем эти проценты определяются в течение достаточно большого интервала времени. Этот интервал должен составлять более года, характеристики неготовности определяются, таким образом, величиной 0,3%.
Норма на неготовность
, (1.21) где R0 - длина пролета, км;
2500 - длина эталонной гипотетической линии.
- условие выполняется.
Учитывая увеличение H(g) для получения , указываем оптимальные высоты. Опоры в основном предоставляют трубчатую мачту с основанием диаметра 2,5 м, которая может состоять из секций длиной 6,5 м и 11 м.
Для h1=40 м - одну секцию по 11 м и 3 секций - 6,5 метров;
для h2=49 м: 1 секция - 11 м и 3 секций - 6,5 метров.
1.8 Расчет времени ухудшения радиосвязи изза многолучевого распространения
При моделировании радиолиний протяженностью более чем несколько километров должны учитываться четыре механизма замирания в чистой атмосфере, обусловленные чрезвычайно преломляющими слоями: расширение луча;
развязка в антенне;
поверхностное многолучевое распространение;
атмосферное многолучевое распространение.
Большинство этих механизмов возникают сами по себе или в комбинации с другими механизмами. Сильные частотно-избирательные затухания возникают, когда расфокусировка прямого луча сочетается с отражением сигнала от поверхности, что вызывает замирание вследствие многолучевого распространения. Мерцающие замирания, вызванные небольшими турбулентными возмущениями в атмосфере, всегда имеют место при этих механизмах, но на частотах ниже 400 ГГЦ их влияние на общее распределение замираний не существенно. На больших глубинах замирания процент времени Тинт, в течение которого в узкополосных системах не превышается уровень принимаемого сигнала в средний худший месяц, может быть определен с помощью следующего приближенного асимптотического выражения
, (1.22) где - A=Ft - запас на замирание, ДБ;
d - длина пролета, км;
f - частота, ГГЦ;
K - коэффициент, учитывающий влияние климата и рельефа местности;
Q - коэффициент, учитывающий другие параметры трассы;
Коэффициент, учитывающий влияние климата и рельефа местности
, (1.23) где PL=5%=0,05 - процент времени с вертикальным градиентом рефракции;
CLAT=CLON=0 для Казахстана.
Коэффициент, учитывающий другие параметры трассы
, (1.24) где - наклон радиотрассы, мрад (здесь h1, h2 в м; d в км).
, .
Норма на допустимое время ухудшения связи для высшего качества связи
. (1.25)
.
, условие выполняется.
1.9 Выводы о результатах расчета
В данной работе была смоделирована и рассчитана радиорелейная линия прямой видимости с передачей цифровых сообщений.
При выборе мест расположения станций были учтены три важных фактора: наличие подъездных дорог, наличие электропитания в районе, осуществление связи между населенными пунктами.
По полученным результатам можно сделать вывод, что все нормы на неготовность выполняются даже на самых протяженных пролетах. Замирания в дожде были снижены за счет правильного выбора поляризации, изза субрефракции радиоволн - за счет выбора оптимального уровня подвеса антенн, которые составили 40 и 49 метров.
2. Энергетический расчет линии «вниз» и «вверх» для спутниковой системы связи
Линии спутниковой связи состоят из двух участков: Земля-спутник и спутник-Земля. В энергетическом смысле оба участка оказываются напряженными, первый - изза стремления к уменьшению мощности передатчиков и упрощению земных станций (в особенности в системах с большим числом малых приемопередающих земных станций, работающих в необслуживаемом режиме), второй - изза ограничений на массу, габаритные размеры и энергопотребление бортового ретранслятора, лимитирующих его мощность.
Основная особенность спутниковых линий - наличие больших потерь сигнала, обусловленных затуханием (ослаблением и рассеянием) его энергии на трассах большой физической протяженности. Так, при высоте орбиты ИСЗ 36 тыс. км затухание сигнала на трассе может достигать 200 ДБ. Помимо этого основного затухания в пространстве сигнал в линиях спутниковой связи подвержен влиянию большого числа других факторов, таких как поглощение в атмосфере, фарадеевское вращение плоскости поляризации, рефракция, деполяризация и т.д. С другой стороны, на приемное устройство спутника и земной станции кроме собственных флуктуационных шумов воздействуют разного рода помехи в виде излучения Космоса, Солнца и планет. В этих условиях правильный и точный учет влияния всех факторов позволяет осуществить оптимальное проектирование системы, обеспечить ее уверенную работу и в то же время исключить излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры.
Параметры приемной земной станции: координаты ; диаметр антенны 3 м; отношение Рс/Рш на приеме 16 ДБ (40 раза); коэффициент шума приемника Кш=7 ДБ; эффективная полоса частот 36 МГЦ; КПДАФТ ЗС 0,9; шумовая температура антенны 60 К.
Расстояние между передающей (КС) и приемной (ЗС) антеннами: , (2.1) где ;
ХЗС - широта земной станции;
- разность долгот земной и космической станциями.
, .
Тогда км.
Ослабление сигнала: , (2.2) где d - расстояние между КС и ЗС;
- длина волны.
,
. или в децибелах: Дополнительное ослабление на трассе: в дополнительных потерях сигнала учитываются поглощение в атмосфере (осадки) , потери изза несогласованности поляризации антенн и потери изза рефракции : , (2.3)
.
Суммарная шумовая температура приемного тракта: , (2.4) где ТА =60 К - шумовая температура приемной антенны;
Т0»290 К;
- собственная шумовая температура приемника.
К, К.
Коэффициент усиления антенны ЗС: , (2.5)
где - коэффициент использования поверхности антенны (0,6…0,8);
- диаметр антенны ЗС.
.
Мощность передатчика КС: , (2.6) где Dfш. - шумовая полоса приемника;
b=1.2 ДБ (1.3183) - коэффициент запаса для линии «вниз».
Коэффициент усиления антенны передатчика (КС) равен 28 ДБ ( ), КПДАФТ для приемной ЗС и КС равен 0.9. Тогда подставив в формулу (2.6) данные, получим:
Суммарная мощность шумов на входе приемника: . (2.7)
.
2.2 Энергетический расчет линии «вверх»
Исходные данные: диапазон частот 14^/11v ГГЦ.
Параметры передающей земной станции: координаты ; диаметр антенны 3 м; отношение Рс/Рш на передаче 16 ДБ (40 раза);
Расстояние между передающей (ЗС) и приемной (КС) антеннами определяется по формуле (2.1): , .
Тогда .
Ослабление сигнала рассчитывается по формуле (2.2): , .
Дополнительное ослабление на трассе, учитывающих поглощение в атмосфере (осадки) , потери изза несогласованности поляризации антенн и потери изза рефракции , рассчитывается по формуле (2.3).
.
Суммарная шумовая температура приемного тракта рассчитывается по формуле (2.4): , .
Коэффициент усиления антенны ЗС определяется по формуле (2.5).
.
Мощность передатчика ЗС: антенна радиоволна связь
, (2.8) где а=6 ДБ (3.9811) - коэффициент запаса для линии «вверх».
Суммарная мощность шумов на входе приемника определяется по формуле (2.7): .
2.3 Диаграмма уровней мощности сигнала на участках «вниз» и «вверх»
Рисунок 4 - Диаграмма уровней на участках «вверх» и «вниз»
Вывод
В данной курсовой работе были исследованы две линии связи: радиорелейная и спутниковая.
Наиболее важные задачи при проектировании и строительстве РРЛ - повышение эффективности капитальных вложений, сокращение сроков сооружения объектов, повышения качества и снижение стоимости строительства, реконструкция и техническое перевооружение действующих РРЛ на базе использования новейших цифровых станций.
Изза неравномерности вертикального градиента диэлектрической проницаемости атмосферы радиолуч получает искривление, что приводит к ухудшению радиосвязи. Если он встречается с естественным препятствием, то связь нарушается. Поэтому необходимо правильно определить просвет трассы путем правильного выбора высоты подвеса антенны. Расчеты показали, что предварительно найденных высот подвеса антенн не хватает для обеспечения требуемой устойчивости связи на пролете. Для заданного пролета было определено время ухудшения связи изза дождя, интерференции и рефракции. Была проведена проверка норм на неготовность и на допустимое время ухудшения связи изза многолучевого распространения волн.
Задачей энергетического расчета спутниковой линии связи «вниз» было определение основных энергетических параметров, обеспечивающих требуемое качество передачи сигналов по спутниковой линии связи.
Вывод о степени влияния проектируемой системы на существующую основывается на вычислении приращения шумовой температуры приемного тракта, подверженного влиянию. Расчет показал, что между системами требуется коррекция, так как степень влияния превышает допустимое значение температуры при отсутствии влияния.
Широкому использованию ИСЗ для целей связи и передачи данных способствуют такие преимущества спутниковой связи, как: - высокая "связность" - возможность быстро соединять между собой десятки и сотни ЗС, удаленных на значительные расстояния;
- гибкость сети по отношению к изменениям ее конфигурации и графика отдельных ЗС;
- независимость в широких пределах затрат на канал от расстояния между абонентами;
- незначительное влияние атмосферы и географических особенностей окружающей местности на устойчивость связи;
- небольшие затраты энергии на поддержание ИСЗ на орбите.
Список литературы
1. Гладышева Н.Н., Клочковская Л.П. Спутниковые и радиорелейные системы передачи. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения специальности 050719 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации. - Алматы: АИЭС, 2008. - 29 с.
2. Каменский Н.Н. и др. Справочник по радиорелейной связи. / Под редакцией С.Н.Березина. - М.: Радио и связь, 1981.
3. Мордухович Л.Г., Степанов А.П. Системы радиосвязи. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - 192 с.
4. Мордухович Л.Г. Радиорелейные линии связи. Курсовое и дипломное проектирование: Учеб. пособие для техникумов. - М.: Радио и связь, 1989. - 160 с.: ил.
5. Полет космических аппаратов / Под общей редакцией А.С. Виницкого. - М.: Радио и связь, 1993.
6. Радиосистемы управления / Под ред. В.А. Вейцеля. - М.: Высшее образование, 2005.
7. Радиорелейные и спутниковые системы передачи: Учебник для вузов. Под ред. А.С. Немировского. - Москва: Радио и связь, 1986.
8. Системы радиосвязи / Под редакцией Н.И.Калашникова. - М.: Радио и связь, 1988. - 352 с.
9. Спутниковая связь и вещание. Справочник под ред. Л.Я.Кантора. - Москва: Радио и связь, 1997.