Тоискин В.С., Петренко В.И., Бибарсов М.Р., Мишин Д.Ю. Системы радиосвязи
Подождите немного. Документ загружается.
101
Очевидно, в интервалы времени Δt
1
... Δt
к
на данном интервале РРЛ
а
ш
< а
ш пор
, то есть качество связи в течение этих отрезков времени хуже тре-
буемого. Эти отрезки времени в сумме определяют потерю надежности связи
Т
1
%.
,%зТ
qW
=
Δ
пр пор
Р
50%пр
Р
к
t
Δ
1
t
Δ
Рисунок 4.7 - Определение процента времени быстрых замираний
Для одного интервала, как следует из рис.4.7.
Т
1
% = (ΣΔt
k
/T)·100%,
(4.7)
где
T - обычно полагают равным суткам.
Для линии из
М интервалов T% = Т
1
%·М.
4.2 Радиорелейные линии с ЧРК-ЧМ
4.2.1 Использование уплотнения в радиорелейных линиях связи
Наиболее распространенным способом повышения эффективности
использования линий связи является их
уплотнение. Уплотнение позволяет
снизить стоимость одного канала, что особенно ощутимо при передаче со-
общений на очень большие расстояния. Возникнув и получив первоначально
развитие и широкое применение в системах проводной связи, принципы и
методы уплотнения были распространены на системы радиосвязи (СРС).
Совокупность технических средств, обеспечивающих одновременную
передачу
N сигналов по одной физической цепи (по одному стволу), называ-
ется
N -канальной (многоканальной) системой передачи.
102
Упрощенная структурная схема многоканальной системы передачи
приведена на рис. 4.8.
M
1
M
2
M
N
...
C
1
(t)
C
2
(t)
C
N
(t)
u
1
(t)
u
2
(t)
u
N
(t)
УО
u(t)
KC
ДМ
1
ДМ
2
ДМ
N
C
/
N
(t)
u
/
1
(t)
u
/
2
(t)
u
/
N
(t)
РУ
C
/
2
(t)
C
/
1
(t)
u
/
(t)
Рисунок 4.8 - Упрощенная структурная схема многоканальной системы передачи
На передающей стороне исходные индивидуальные сигналы
C
1
(t)…C
N
(t), которые должны передаваться по типовым каналам, преобразу-
ются устройствами модуляторами М
1
…М
N
в канальные сигналы u
1
(t)…u
N
(t).
В устройстве объединения (УО) канальные сигналы объединяются по како-
му-либо
признаку, образуя групповой сигнал u(t). На приемной стороне с по-
мощью разделяющего устройства (РУ) осуществляется выделение канальных
сигналов из группового сигнала, которые преобразуются устройствами- де-
модуляторами ДМ
1
…ДМ
N
в индивидуальные сигналы C
/
1
(t)… C
/
N
(t).
Очевидно, что способ уплотнения определяет и способ разделения
сигналов. В настоящее время известны и широко используются системы
час-
тотного
, временного и кодового уплотнения каналов.
При ЧРК за каждым каналом в линии передачи закрепляется опреде-
ленный спектр частот. При этом в РРЛ с ЧРК обычно используют аппаратуру
объединения и разделения каналов, применяемую в проводных системах. Это
обеспечивает простоту и других систем и отражает общую тенденцию к уни-
фикации оборудования на сетях связи.
С
точки зрения информационно-технических показателей важным яв-
ляется тот факт, что в радиорелейных системах радиосвязи осуществляется
две ступени модуляции сигнала: модуляция индивидуальных сигналов для
получения группового сигнала (первая ступень модуляции) и модуляция
группового сигнала для его излучения с помощью радиоволн (вторая ступень
модуляции). В большинстве существующих РРЛ с ЧРК в качестве
первой
ступени модуляции используется однополосная модуляция, а для передачи
сигналов многоканальной телефонии в линию связи - частотная модуляция.
4.2.2 Обобщенная структура РРСт с ЧРК-ЧМ
Рассмотрим структуру РРЛ с ЧРК-ЧМ, ее достоинства и недостатки,
разберемся с характеристиками сигналов, посредством которых реализуется
указанный режим, а также с основными помехами, которые возникают при
этом.
103
Обобщенная структурная схема РРС с ЧРК-ЧМ имеет вид, представ-
ленный на рисунке 4.9.
Рисунок 4.9 - Обобщенная структурная схема РРСт с ЧРК-ЧМ
Аппаратура уплотнения (АУ) построена по принципу частотного раз-
деления каналов (ЧРК), широко применяемому для уплотнения кабельных
линий связи. Перенос спектра для образования группового сигнала осущест-
вляют методом однополосной модуляции.
3-х канальная группа занимает спектр частот 12,3...23,4 кГц.
Аппаратура группового тракта и ВЧ ствола строится по принципу
представленному на рисунке 4.10.
Рисунок 4.10 - Аппаратура группового тракта и ВЧ ствола
В малоканальных станциях с ЧРК-ЧМ, работающих в основном в мет-
ровом диапазоне волн, ЧМ сигнал формируется непосредственно на радио-
частоте в ЧМГ, на стабилизированном кварце (рис.4.10).
Колебания усиливаются в УВЧ, на выходе которого формируется мно-
гоканальный ЧМ сигнал. Модуляция колебания осуществляется с помощью
варикапа, включенного в колебательный контур ЧМГ, предварительно
прой-
дя групповой усилитель (ГУ) и предыскажающий контур (ПК), предназна-
ченный для выравнивания качества канала по шумам.
104
Для обеспечения высокой стабильности ЧМГ, его частота стабилизи-
руется по колебанию синтезатора опорных частот (СОЧ).
При приеме сигналов обычно используется двукратное преобразова-
ние частоты (рис.4.11).
f
f
1
2
t
u
гр
f
ПЧ
f
ПЧ
МК ЧМС
УВЧ СМ
f
г
УПЧ Огр ЧД ГУ ВК
f
пер
Тракт приема
Линейный тракт Групповой тракт
Рисунок 4.11 – Линейный и групповой тракт
4.2.3 Достоинства и недостатки РРЛ с ЧРК-ЧМ
Достоинства РРЛ с ЧРК-ЧМ:
возможность сопряжения с проводными линиями многоканальной
электросвязи по групповому тракту и по трактам широкополосных каналов
(ШП);
возможность применения метода внешнего уплотнения, т.е. существу-
ет возможность размещения РРС на значительном удалении от узла связи
(УС);
отсутствие необходимости применения системы синхронизации;
универсальность групповых и радиотрактов, т.е. их можно использо-
вать
для передачи высокоскоростных потоков бинарной информации, ТВ
сигналов и т.п.;
высокая эффективность использования частотной полосы, высокая
помехоустойчивость.
Недостатки РРЛ с ЧРК-ЧМ:
громоздкость аппаратуры уплотнения при числе каналов 10 и более;
невозможность выделения любых номеров каналов ТЧ без демодуля-
ции до ТЧ всех или части каналов, необходимость выделения каналов только
группами (тройками, шестерками и т.д.);
необходимость обслуживания отдельных аппаратных уплотнения
своими экипажами;
относительная дороговизна;
повышенные требования к линейности АХ групповых усилителей,
модуляционной и
демодуляционной характеристикам модуляторов и демо-
дуляторов; степени согласования АФУ с антеннами, РПУ и РПрУ; ФЧХ УВЧ
и УПЧ; качеству характеристик амплитудных ограничителей приемных уст-
ройств.
105
4.2.4 Характеристики группового ЧМ сигнала
Многоканальный (групповой) сигнал имеет сложную структуру, кото-
рая зависит от общего количества каналов, числа работающих в данный мо-
мент (активных) каналов, затуханий абонентских линий, индивидуальных
особенностей абонентов, качества их микрофонов.
Кроме того, часть каналов ТЧ используется не для передачи речевых
сигналов, а для вторичного уплотнения (тональный
телеграф), передачи би-
нарной информации и т.п.; периодически по каналам отсылаются сигналы
вызова. Поэтому величина средней и пиковой мощности группового сигнала
и его пик - фактора значительно зависит от числа каналов и непостоянна во
времени, что во многом определяет качество функционирования группового
тракта РРЛ.
Для обеспечения расчета аппаратуры РРЛ применяют понятие
мате-
матической модели группового сигнала, на которую и ориентируются в рас-
четах системы. Модель отражает некоторое усредненное и частично упро-
щенное представление реального группового сигнала применительно к т.н.
часу наибольшей нагрузки (ЧНН).
В частотной области групповой сигнал имеет вид (см. рис. 4.12):
1
F
Δ
k
FΔ
2
F
k
N
F
Δ
k
FΔ
Рисунок 4.12 – Вид группового сигнала в частотной области
ΔF - ширина полосы частот группового сигнала;
F
1
, F
2
- нижняя и верхняя граничные частоты;
N - число каналов;
ΔF
k
-полоса эффективно передаваемых частот канала (3,1кГц);
F
k
- средняя частота k-го канала;
Δ - защитные полосы частот между каналами (900 Гц).
Во временной области сигнал имеет вид (см. рис. 4.13)
При это он характеризуется следующими основными параметрами:
U
эф
= ut
rp
2
()- эффективное напряжение;
U
пик ε
- пиковое напряжение - постоянное значение напряжения, кото-
рое превосходится
u
гр
(t) с заданной вероятностью ε, т.е. практически в задан-
ном проценте времени ε%;
ν
ε
=20 lg(U
пик ε
/ U
эф
), дБ - пик фактор.
106
0
эфф
u
гр
u
1
ω( )
гр
u
гр
u
0пик
U
0,01пик
U
0,1пик
U
t
=0,01
=0,1
=0
Рисунок 4.13 - Вид группового сигнала во временной области
Кроме того используются производные параметры:
P
ср
= U
2
эф
/R - средняя мощность группового сигнала на нагрузке R;
p
ср
= 10 lg (P
ср
/1мВт), дБм - уровень средней мощности группового
сигнала;
P
пик ε
= U
2
пик
ε
/R - пиковая мощность группового сигнала;
p
пик ε
= 10 lg(P
пик ε
/1мВт), дБм - уровень пиковой мощности.
Анализ величины
Р
ср
показывает, что она непостоянна во времени.
Это объясняется тем, что не все абоненты работают одновременно. Даже в
час наибольшей нагрузки каждый канал, как показывает статистика, занят не
более 70% времени (из-за пауз между словами). Поэтому вводится понятие
коэффициента активности
K
а
, который определяется выражением K
а
=n
a
/N,
где
n
a
- число активных абонентов.
Для учета сложного характера зависимости
Р
ср
от вида сигнала КТЧ,
его структуры, числа КТЧ -
N, при практических расчетах вводится понятие
усредненного значения средней мощности, приходящейся на один канал -
Р(1), мВт и соответственно, уровня этой мощности р
ср1
. Величина р
ср1
вво-
дится исходя из следующих соображений.
Пусть средняя мощность одного телефонного сообщения равна
Р(1),
мВт, тогда средняя мощность группового сигнала
Р
ср
=P(1)·n
a
, а уровень сред-
ней мощности
107
р
ср
= р(1)+10 lg n
a
=р(1)+10 lg k
a
+10 lg N.
Сигналы вторичного уплотнения каналов тональной частоты, остатки
токов поднесущих увеличивают
р
ср
на некоторую величину х, т.е.
р
ср
=р(1) + 10 lg k
a
+10 lg N+x.
Обозначим
р(1) + 10 lg k
a
+ x = р
ср1
.
Тогда
р
ср
= р
ср1
+ 10 lg N или Р
ср
= Р
ср1
N
k
.
Многочисленные измерения показывают, что величина
Р
ср1
зависит от
числа каналов и определяется формулой, рекомендованной МСЭ-Т.
р
ср1
=−1−6 lg N
k
, дБм0.
Тогда
р
ср
= −1+4 lg N
k
, дБм0 (норма) (дБм0 децибел по мощности с ну-
левым относительным уровнем, 0-й уровень – мощность гармонического
сигнала измерительного уровня 800 Гц, 1мВт).
Для точки с измерительным уровнем
Р
k
Р
ср
=10
0,1 (Рср+Рк)
, дБм.
Таким образом, введение упрощенной математической модели груп-
пового сигнала с учетом статистических данных позволило обосновать про-
стые формулы для расчета средней мощности и уровня средней мощности
группового сигнала.
Уровень пиковой мощности в этом случае может быть рассчитан по
формуле
р
пик ε
=р
ср
+ν
ε
.
Вторым важным моментом является определение параметров много-
канального ЧМ радиосигнала. К ним относятся:
f
0
- частота несущего колебания;
Р
пер
- мощность ЧМ колебания передатчика;
Δf
k
- девиация частоты передатчика “на канал”;
Δf
эфф
- эффективная девиация частоты передатчика при ЧМ группо-
вым сигналом;
Δf
пик ε
- пиковая девиация частоты передатчика;
m
fk
- индекс частотной модуляции на канал;
m
fэфф
- индекс ЧМ эффективный при модуляции групповым сигналом;
m
f пик
- индекс ЧМ пиковый;
Δf
с
- ширина полосы частот многоканального ЧМ радиосигнала.
Девиация частоты на канал
Δf
k
есть такая девиация частоты РПУ, ко-
торая имеет место при передаче измерительного синусоидального сигнала по
данному
k-му каналу при условии, что по остальным каналам не передается
никаких сигналов. Измерительный сигнал частоты 800 Гц должен быть под-
ключен ко входу данного канала с номинальным входным уровнем
р
*
вх
, при
этом эффективное значение девиации частоты на канал:
Δf
k эф
=0,707 · Δf
kм
, Δf
k Р-409
= 35 кГц,
где
Δf
kм
– амплитудное значение девиации частоты на канал.
108
Индекс частотной модуляции на канал m
fk
определяется выражением
m
fk
= Δf
k
/F
k
,
где
F
k
- средняя частота k-го сигнала в спектре группового сигнала (под
Δf
k
обычно понимают Δf
k эф
).
Эффективная девиация частоты РПУ при ЧМ групповым сигналом -
Δf
эфф
- девиация частоты при эффективном значении напряжения группового
сигнала
U
эф
= ut
rp
2
().
Пиковая девиация частоты
Δf
пик ε
- девиация частоты, которая возни-
кает в частотном модуляторе передатчика при подаче на его вход пиковых
значений группового сигнала
U
пик ε
.
На практике пиковое
Δf
пик ε
и эффективное Δf
эфф
значения девиации
частоты при модуляции групповым сигналом, удобно выражать через вели-
чину девиации частоты на канал
Δf
k
, которые имеют вид
Δf
эфф
= Δf
k
· PP
cp k
/ , Δf
пик ε
= Δf
k
·
kпик
PP /
ε
.
Обычно полагают
Р
к
= 1 мВт. Нормированные значения девиации час-
тоты на канал определяются техническими условиями или рекомендациями
МСЭ-Т. Так для
12<
N<24,
Δf
k
=35кГц,
N= 60...120,
Δf
k
=50, 100, 200 кГц.
4.2.5 Помехи в РРЛ с ЧРК-ЧМ
В каналах имеют место помехи в основном трех типов: тепловые шу-
мы
Р
шт
, шумы нелинейных переходов Р
ш нп
и аппаратурные шумы Р
ш ап
. Все
типы шумов возникают внутри аппаратуры, имеют характер невнятных шу-
мов, аддитивны, суммируются по мощности, накапливаются по линии с уве-
личением числа интервалов.
Тепловые шумы. Появляются в каналах вследствие искажений ЧМ ра-
диосигнала собственными тепловыми шумами РПрУ. Характерная особен-
ность составляющей
Р
шт
- ее зависимость от мощности радиосигнала на вхо-
де РПрУ, т.е. от величины
Р
пр
.
Величина Р
шт
в сравнительно малоканальных РРЛ, к которым принад-
лежат военные РРЛ, составляет в среднем 50-60%, а в моменты замираний
сигналов достигает 90% и более.
Шумы нелинейных переходов. Возникают вследствие неидеальности
электрических характеристик элементов радиотракта при прохождении через
них многоканального сигнала. Неидеальность характеристик приводит к по-
явлению так называемых продуктов нелинейности, вызывающих искажения
сигналов и проявляющихся в виде невнятных шумов. Составляющая
Р
ш нп
при уровнях радиосигнала, не превышающих нормальные, не зависит от ве-
личины
Р
пр
и, как правило, существенно меньше составляющей Р
шт
.
109
Аппаратурные шумы. Складываются из индукционных наводок, не-
идеальной фильтрации продуктов преобразования сигналов и питающих на-
пряжений и т.п. Обычно в правильно спроектированной аппаратуре их вели-
чина гораздо меньше мощности тепловых шумов и шумов нелинейных пере-
ходов.
Таким образом, основное влияние оказывают тепловые шумы.
Поэтому рассмотрим вопрос определения мощности тепловых шумов
на
выходе приемника.
На практике нас интересует величина мощности
Р
шт
теплового шума,
вносимого в некоторый
k-й канал каждым интервалом, т.е. каждым радио-
приемным устройством линии. Найдем эту величину для следующей струк-
туры РПрУ (рис.4.14).
к АУ
гет
f
швх
g
n ТR=
пр
Р
c
u
0
ff
±Δ
/
max
UU
1,0
пч
f
f
Δ
0,7
вых
u
вх
u
f
u
f
Δ
f
f
Δ
k
f
Δ
k
u
См
f
f
1
2
Огр
УПЧ
УВЧ ГУ
ЧД
Рисунок 4.14 – Структура и параметры типового РПрУ с ЧРК-ЧМ
Полагаем, что спектральная плотность компонент теплового шума на
входе РПрУ в полосе частот
Δf, равной полосе пропускания на ПЧ, равно-
мерна и составляет
вхш
RTkng ⋅⋅⋅=
,
(4.8)
где
n
ш
- коэффициент шума приемника;
kТ=4,1 ·10
-21
Вт/Гц; (k – постоянная Больцмана 1,38·10
-23
Дж/град,
Т=300
о
К – температура входных цепей, приведенная ко входу приемника);
R
вх
- входное сопротивление приемника.
В этом случае мощность тепловых шумов
Р
ш вх
≈ n
ш
·k·T· Δf, Вт.
(4.9)
Крутизна ЧД в пределах рабочего линейного участка может быть за-
писана в виде
S
ЧД
=du/df≈u
k
/Δf
k
.
(4.10)
110
Векторная диаграмма смеси сигнала и шума на входе приемника пред-
ставлена на рис. 4.15.
o
B
A
C
U
c
U
U
ш
i
t
i
(t)
max
U
пор
Рисунок 4.15 - Векторная диаграмма смеси сигнала и шума на входе приемника
Т.к. на входе ЧД стоит амплитудный ограничитель, то паразитная АМ
из-за u
шi
исключается, а влияние шума проявляется в изменении фазы u
Σ i
на
величину
θ
i
(t) (ЧД будет реагировать на θ
i
(t).
Из рис 4.14 непосредственно следует, что
θ
i
(t)=arctg(BC/(OA+AC))=arctg(U
шi
sinΩt/(U
c
+U
шi
cosΩt),
(4.11)
Ω=2πF, где F -отклонение мгновенной частоты шума от центральной
частоты.
Т.к.
U
c
>>U
шi
, то можно записать
θ
i
(t)≈ (U
шi
/ U
c
)· sinΩt.
(4.12)
Изменение фазы
θ
i
(t) приводит к появлению паразитной частотной
модуляции
Δω
ι
=d/dt θ
i
(t)= (U
шi
/ U
c
)· Ω·cosΩt.
(4.13)
Тогда максимальное отклонение частоты из-за шума
Δω
ι
= (U
шi
/ U
c
)· Ω или Δf= (U
шi
/ U
c
)·F.
(4.14)
На выходе ЧД из-за паразитной ЧМ возникает напряжение шума
u
штi
= S
чд
(U
шi
/ U
c
)·F.
(4.15)
Очевидно, мгновенное значение напряжения шума на входе РПрУ,
будет определяться соотношением
dU
шi
=g dF ,
(4.16)
где
g определяется из (4.8).
Тогда (4.15) приводится к виду
u
штi
= S
чд
g dF /U
c
· F.
(4.17)