Спутниковые и радиорэлейные системы передачи

Исходные  данные.

Номер зачетной книжки 03 
           Общие данные для курсового проекта

Качество линий связи	Среднее, 4 класс
Скорость работы	8 Мбит/с
R0 мин	10 км
Число интервалов	2

 

Введение.

Курсовой проект охватывает материал: содержащий вопросы проектирования цифровых микроволновых линий связи, работающих в диапазонах частот выше 10 ГГц и предназначенных для  передачи цифровых потоков со скоростями до 34 Мбит/c.  
    В процессе выполнения проекта должны быть проделаны расчеты, необходимые для решения поставленных задач, даны обоснования принятых решений и сделаны выводы из полученных результатов. Выполненные расчеты, полученные результаты и графические материалы, должны быть приведены в виде пояснительной записки.

2.1. АНАЛИЗ ДАННЫХ,  ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ТИПА АППАРАТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ АНТЕННО-ФИДЕРНОГО ТРАКТА (АФТ)

Выбираем  диапазон рабочих частот

1. Диапазоны 11 и 13 ГГц  (10.7-11.7, 12.7-13.2 ГГц)

 

    Эти диапазоны  перспективны с точки зрения  эффективности систем РРЛ. При  протяженности пролета 15-30 км, высокоэффективные  антенны имеют небольшие габариты  и вес, что обеспечивает относительную  дешевизну антенных опор.  
    Доля влияния атмосферной рефракции на устойчивость ра-боты систем уменьшается, но увеличивается влияние гидрометеоров.  
    В этих диапазонах, в основном, строятся цифровые радиорелейные системы связи на скорости до 55 Мбит/с, хотя, есть примеры передачи цифровых потоков со скоростями до 155 Мбит/с  
    Аппаратура часто строится в виде моноблоков, т.е. приемопередатчики объединены с антенной и располагаются на вершине антенной опоры.  
    Но эти диапазоны используют большое количество радиосредств. Спутниковые системы связи, различные радиолокаторы и пеленгаторы, охранные системы создают неблагоприятную электромагнитную обстановку, что затрудняет работу в данных диапазонах.

2. Диапазоны 15 и 18 ГГц (14.5-15.35, 17.7-19.7 ГГц)

 

    Интенсивное  развитие систем связи привело  к бурному освоению этих диапазонов  частот.  
Средняя протяженность пролетов достигает 20 км для зон с умеренным климатом. Аппаратура выполняется в виде моноблока. Типовые параболические антенны имеют диаметры 0.6, 1.2 или 1.8 м при коэффициентах усиления от 38 до 46 дБ.  
    В ряде регионов России диапазон 15 ГГц уже перегружен радиосредствами. Диапахзон 18 ГГц пока более  свободен.  
    На распространение сигналов сильное влияние оказывают гидрометеоры и интерференция прямых и отраженных волн. Ослабление в дожде может составлять 1-12 дБ/км (при интенсивности дождей 20-160 мм/час). Некоторое влияние оказывает и сама атмосфера (атомы кислорода и молекулы воды), ослабление в которой достигает 0.1 дБ/км.  
 

3. Диапазон 23 ГГц (21.2-23.6 ГГц)

 

    Согласно рекомендациям  МСЭ-Р в этом диапазоне разрешено  строить  системы аналоговой и цифровой связи любой емкости.  
    Средняя протяженность пролетов меньше 20 км, так как на распространение сигналов сильное влияние оказывают гидрометеоры и ослабления в атмосфере. Желательно использовать вертикальную поляризацию радиоволн, хотя разрешено использование любой поляризации. Типовые параболические антенны имеют диаметры 0.3, 0.6 и 1.2 м.  
    Ослабление в дождях может быть от 2 до 18 дБ/км, а в атмосфере достигает 0.2 дБ/км.  
Диапазон разрешено использовать в спутниковых системах связи. Поэтому при расчетах необходимо учитывать возможность помех.

Затем, по заданной скорости работы и  выбранному диапазону частот, найти  подходящий тип оборудования (прил. 1) и выписываем его основные параметры.

 

	Аппаратура	Фирма	f, ГГц	Рпд, дБм	Модуляция	Скорость, Мбит/с	Рпор(10-3) дБм
1	МИК-РЛ11	Микрон Россия	10,7-11,7	28,5	QPSK	8	-86
2	MINI-LINK 18E	Erisson Швеция	17,7-19,7	23	C- QPSK	8	-88
3	MINI-LINK 23-C	Erisson Швеция	21,2-23,6	20	4FSK	8	-83

 

Рассчет  коэффициента усиления по формуле

 

                                          (1) 

     

 

 

 

Где D -диаметр антенны, м, f= рабочая частота, ГГц (при расчетах использу. округленное значение средней частоты выбранного диапазона).  
    При выборе антенн необходимо учитывать, что на практике не применяются антенны с коэффициентами усиления большими, чем 45 - 47 дБ.  
    При дальнейших расчетах эти параметры можно будет изменять для оптимизации проектируемой линии связи. 

2.2. ВЫБОР МЕСТ РАСПОЛОЖЕНИЯ  СТАНЦИЙ  
И ПОСТРОЕНИЕ ПРОФИЛЕЙ ИНТЕРВАЛОВ

Высотные отметки профиля

№ точки	r(i), км	h(i), м
1	0	120
2	10,38	180
3	20,5	210

 

Местные предметы профиля

№ МП	r1(км)	r2(км)	h(м)	Вид МП
1	4,11	5,92	15	лес
2	8,08	8,99	8	строение

 

Рис. Пролет №1

2.3. ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ ВЫБОР  ВЫСОТ ПОДВЕСА АНТЕНН

 

Необходимо  определить ориентировочные значения высот подвеса антенн. При этом нужно руководствоваться величиной  просвета между линией прямой видимости  и профилем трассы.

Ориентировочное значение просвета для короткопролетных микроволновых систем связи должно быть численно равно радиусу первой зоны Френеля, которая определяется по формуле

 

 

 

 

Где Ro = 10,38 км - протяженность пролета, км,  
          f1 = 8 ГГц - рабочая частота, ГГц,         

f1 = 18 ГГц - рабочая частота, ГГц,         

f1 = 23 ГГц - рабочая частота, ГГц,

         k = 0,67 - относительная координата наивысшей точки на трассе.

 

определите ориентировочные значения высот подвеса антенн h1 и h2.

Рис. Пролет №1 (f1, f2,f3)

2.4. УЧЕТ АТМОСФЕРНОЙ РЕФРАКЦИИ  И УТОЧНЕНИЕ ВЫСОТ ПОДВЕСА  АНТЕНН

 

 

   Основная сложность  расчетов РРЛ определяется тем,  что траектория распространения  электромагнитной волны непрямолинейна, случайна и зависит от состояния  атмосферы, от величины градиента  диэлектрической проницаемости  атмосферы (g). Это явление называется атмосферной рефракцией.  
    В среднем, атмосферная рефрация приводит к увеличению значения просвета по сравнению с геометрической величиной, определяемой высотами подвеса антенн . Однако при определенных атмосферных условиях (субрефракции), наблюдается уменьшение величины просвета и, при недостаточно высоких антенных опорах, трасса может закрываться, т.е. может нарушаться прямая видимость.  
    Для нормальной работы цифровой РРЛ, величина просвета с учетом атмосферной рефракции на трассе, должна удовлетворять условиям, приведенным в табл

Критерии	R0, км	Катм
Величина просвета должна соответствовать  радиусу первой зоны Френеля при нормальной  атмосферной рефлакции  для данной местности	любая	1,333
Величина просвета должна быть больше или равно нулю при субрефракции.	J15	0,5 0,7

 

Катм - коэффициент преломления атмосферы, представляющий собой отношение эквивалентного радиуса Земли (при атмосферной рефракции) к геометрическому радиусу Земли.  
    Необходимо иметь в виду, что в ряде практических случаев (например, при узком препятствии на пролете), можно выбрать меньшие величины просвета, чем получатся по критериям из табл. При этом допускаются редкие события закрытия пролета из-за субрефракции, приводящие к некоторому ухудшению показателей неготовности ЦРРЛ.  
    Для учета атмосферной рефракции и уточнения высот антенных опор, нужно перестроить (трансформировать) профили. Заключается перестройка в изменении условных нулевых линий, пересчитанных при аэкв = 6370* Катм.  
    По трансформированному профилю при нормальной атмосферной рефракции (Катм =1.33) уточняются высоты подвеса антенн. Для этого, величина  откладывается от наивысшей точки трансформированного профиля и, соответственно, высоты подвеса антенн уменьшаться.  
    Трансформация профиля при Катм = 0.5 или 0.7 проводится для проверки вероятности закрытия трассы.   

2.5. РАСЧЕТ НОРМ НА ПОКАЗАТЕЛИ  НЕГОТОВНОСТИ  
И НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПО ОШИБКАМ

Нормы, по рекомендации МСЭ-Т G. 821, состоят из двух основных компонент: показатели неготовности и показатели качества по ошибкам.

ПОКАЗАТЕЛИ  НЕГОТОВНОСТИ (ПНГ)   

 Неготовность аппаратуры - такое состояние участка ЦРРЛ, при котором в течение десяти  секундных интервалов, следующих  подряд, имеет место хотя бы  одно из событий: 

·  пропадание сигнала (потеря синхронизации);  
·  коэффициент ошибок koш = Nош / N > 10^-3, где N - число переданных символов, Nош - число ошибочно принятых символов.

Причины, приводящие к неготовности аппаратуры:  
    ·  экранирующее влияние препятствия при субрефракции;  
    ·  влияние гидрометеоров (учитывается при частотах выше 6 ГГц);  
    ·  влияние промышленных атмосферных метеоров (экологические факторы). Данные для расчетов отсутствуют;  
    ·  ненадежность аппаратуры;  
    ·  ошибки обслуживающего персонала.

Качество линии		ПНГ, %
Линии связи высокого качества		J 0,3 L/2500
Линии связи среднего качества	1 класс	J 0,033 (L=280 км)
	2 класс	J 0,05 (L=280 км)
	3 класс	J 0,05 (L=50 км)
	4 класс	J 0,1 (L=50 км)
Линии связи локального качества		J 0,01-1

 

 

 ПОКАЗАТЕЛИ  КАЧЕСТВА ПО ОШИБКАМ (ПКО)   

 Показатели качества  по ошибкам системы связи  относятся к тем промежуткам времени, в течение которых система находится в состоянии готовности !  
    Различаются следующие параметры:  
    ·  сильно пораженные секунды (СПС);  
    ·  минуты пониженного качества (МПК);  
    ·  секунды с ошибками (СО);  
    ·  остаточный koш (ОКО).  
    Сильно пораженные секунды представляют собой процент времени превышения величины koш  = 10^-3 за 1 секунду. Минуты пониженного качества - процент времени превышения koш  = 10^-6  за 1 минуту. Секунды с ошибками - процент времени превышения koш  = 10^-6  за 1 секунду (эта норма определяет качество работы системы связи при передаче данных). В некоторых источниках имеется определение параметра секунды с ошибками как процентное отношение числа бракованных секунд, в течение которых имеется одна или больше ошибок к общему времени работы системы.  
    Величины всех этих параметров зависят от интерференционных замираний сигнала на интервале ЦРРЛ, которые складываются из гладких и частотно-селективных. К гладким замираниям необходимо относить такие замирания, которые не искажают частотную характеристику системы связи.  
Соответственно частотно-селективные замирания влияют на АЧХ ствола РРЛ, т.е. в пределах полосы пропускания линии связи вносят различные ослабления на разных частотах. Эти замирания необходимо учитывать при полосе пропускания ВЧ ствола больше 10-15 МГц.  
Таблица  
                    Показатели качества по ошибкам.

Линии связи высокого качества		СПС J 0,054% L/2500
		МПК J 0,4% L/2500
Линии связи среднего качества Lсекции=280 км	1 класс	СПС J 006% МПК J 045%
	2 класс	СПС J 0,0075% МПК J 0,2%
Линии связи среднего качества Lсекции=50 км	3 класс	СПС J 0,002% МПК J 0,2%
	4 класс	СПС J 0,005% МПК J 0,5%
Линии связи локального качества		СПС J 0,015% МПК J 1,5%

2.6. РАСЧЕТ ЗАПАСОВ НА  ЗАМИРАНИЯ

 

    Важнейший параметр  для расчета цифровой системы  радиосвязи - запас на замирания (M). Запас на замирания представляет собой разницу между уровнями сигнала на входе приемника в отсутствии замираний и пороговым уровнем, при котором коэффициент ошибок составляет определенную величину.  
    Рассмотрим упрощенную структурную схему интервала радиолинии и соответствующую диаграмму уровней .  
Очевидно, что качество работы линии связи, определяется уровнем сигнала на входе приемника Pпр и возможными отклонениями этого уровня при замираниях.  
    На диаграмме уровней видно, что сигнал излучается передатчиком с уровнем Pпд, проходит через разделительный фильтр (РФ), в котором уровень упадет за счет потерь и поступает через фидер в передающую антенну с коэффициентом усиления G1. За счет потерь в фидере Lф1 уровень сигнала еще уменьшиться, а в передающей антенне увеличится на величину G1.  
    При распространении сигнала по интервалу РРЛ (протяженностью R0, на рабочей частоте f) уровень сигнала упадет за счет ослабления свободного пространства, потерь в газах атмосферы и некоторых дополнительных потерь. Общее ослабление сигнала за счет этих причин может достигнуть 130-140 дБ и больше.