- •Анализ электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств
- •Оглавление
- •10. Описание антенных устройств в задачах эмс 198
- •11. Оценка потерь на трассах распространения 223
- •12. Критерии оценки эмс 261
- •13. Организационные методы обеспечения эмс 289
- •Список использованных сокращений
- •Введение
- •1. Проблема эмс и причины ее появления
- •Основные понятия и определения
- •Причины появления проблемы эмс
- •Последствия отсутствия эмс и особенности изучения проблемы эмс рэс
- •2. Источники и рецепторы электромагнитных помех (эмп)
- •Классификация эмп по связям с источником помехи и некоторые их характеристики
- •2.1.1. Естественные эмп.
- •Чувствительность некоторых полупроводниковых приборов к электростатическому разряду
- •2.1.2. Искусственные эмп
- •Рецепторы эмп. Внутрисистемная и межсистемная эмс
- •Пути проникновения помех. Виды помех в электрических цепях
- •3. Измерение параметров эмс технических средств
- •Измерение кондуктивных помех и восприимчивости к ним
- •Измерение помех излучения и восприимчивости к ним
- •4. Технические методы подавления и защиты от помех
- •Экранирование
- •Фильтрация
- •Заземление
- •5. Радиочастотный спектр и его использование
- •Радиочастотный спектр и диапазоны частот
- •Диапазоны частот электромагнитных колебаний
- •Основные понятия, связанные с использованием рчс
- •Регулирование использования рчс в Российской Федерации
- •Стандартизация и международная кооперация в области эмс
- •6. Общий подход к анализу и обеспечению эмс
- •Требования к методам анализа эмс
- •Анализ параметров эмс систем на стадии разработки
- •Анализ внутрисистемной и межсистемной эмс рэс
- •Основные направления по решению проблемы эмс
- •7. Описание излучений радиопередатчиков в задачах эмс
- •Виды излучений радиопередатчиков
- •Основное и внеполосное сигнальное излучения
- •7.2.1. Класс излучения
- •7.2.2. Параметры и модели основного и внеполосных излучений
- •Границы областей внеполосных излучений относительно центральной частоты основного излучения в зависимости от диапазона рабочих частот передатчика и необходимой ширины полосы частот
- •Точки излома спектральной маски для рис. 7.2
- •Точки излома масок спектров, представленных на рис. 7.3
- •Параметры модели (7.1)
- •Побочные излучения радиопередатчиков
- •Параметры модели (7.9)
- •Предельные значения мощности побочных излучений в контрольной полосе
- •Шумовые излучения передатчика
- •Параметры эмпирической модели, представленной выражением (7.10)
- •8. Описание радиоприемных устройств в задачах эмс
- •Общие характеристики радиоприемных устройств, определяющие их совместимость с окружением
- •Основной канал приема радиоприемника и его описание
- •Побочные каналы приема и их описание
- •Параметры модели (8.9)
- •Оценка коэффициента частотной коррекции
- •Результаты расчета относительной расстройки частоты Δp
- •9. Нелинейные эффекты в приемопередающей аппаратуре и их оценка в задачах эмс
- •Анализ нелинейных явлений в каскадах радиоаппаратуры
- •Компрессия сигнала в радиоприемнике. Параметры, определяющие динамический диапазон приемника по основному каналу приема
- •Эффект блокирования радиоприемного устройства. Основные параметры, характеристики и методы их измерения
- •Перенос шумов гетеродина
- •9.4.1. Фазовый шум генератора
- •9.4.2.Перенос шумов гетеродина
- •Интермодуляция
- •9.5.1. Порядок интермодуляции. Наиболее опасные порядки интермодуляции
- •9.5.2. Интермодуляция в радиоприемных устройствах. Параметры, связанные с эффектом интермодуляции
- •9.5.3. Интермодуляция в радиопередатчиках
- •9.5.4. Точка пересечения и расчет уровней интермодуляционных продуктов на нелинейном элементе
- •9.5.5. Измерение и расчет точек пересечения
- •9.5.6. Динамический диапазон приемника по интермодуляции и связь параметров нелинейности
- •9.5.7. Оценка мощности интермодуляционных продуктов с использованием точки пересечения
- •Перекрестные искажения
- •Оценка нелинейных явлений в задачах эмс рэс
- •9.7.1. Оценка эффекта блокирования рпу
- •Представление функции Pb(X) при оценке эффекта блокирования
- •Характеристики блокирования приемников некоторых цифровых систем связи
- •9.7.2.Оценка уровней интермодуляционных продуктов в радиопередатчиках
- •Параметры эмпирической модели (9.66)
- •9.7.3. Оценка интермодуляции в радиоприемниках
- •Границы частотных интервалов для анализа нелинейных эффектов в приемнике
- •Эмпирические модели для оценки эффекта интермодуляции в радиоприемниках
- •9.7.4. Оценка перекрестных искажений
- •10. Описание антенных устройств в задачах эмс
- •Некоторые общие сведения о характеристиках антенн
- •Особенности описания антенных устройств в задачах эмс
- •Детерминированное описание диаграмм направленности антенн
- •10.3.1. Дна в области рабочих частот.
- •10.3.2. Дна на нерабочих частотах
- •Параметры диаграмм направленности за пределами диапазона рабочих частот антенн.
- •Статистическое описание диаграмм направленности антенн
- •Параметры функции f(g) для области бокового усиления
- •Потери в антенно-фидерном тракте и потери рассогласования
- •Учет поляризационных характеристик антенн и сигналов
- •Ослабление мешающих сигналов при несовпадении поляризации с приемной антенной
- •Ближняя зона
- •11. Оценка потерь на трассах распространения
- •Общие положения
- •Модели для оценки потерь на трассах распространения и цифровые карты местности
- •Графические модели
- •Аналитические модели
- •Расчетные соотношения, используемые в классической модели Хата
- •Расчетные соотношения, используемые в модели cost 231 Хата
- •Расчетные соотношения, используемые в модифицированной модели Хата
- •Среднеквадратическое отклонение (ско) потерь на трассах распространения
- •Оценка потерь на дифракцию
- •11.5.1. Зоны Френеля.
- •11.5.2. Дифракция на клине
- •11.5.3. Дифракция на цилиндре
- •12. Критерии оценки эмс
- •Рабочие характеристики и оценка качества работы рэс
- •12.2. Виды рабочих характеристик рэс различного назначения
- •12.3. Критерии эмс
- •Защитные отношения для систем тв (625 строк), работающих в соседнем канале
- •Защитные отношения для аналоговых каналов звукового сопровождения тв
- •Защитные отношения для цифровых каналов звукового сопровождения тв, дБ
- •Защитные отношения по совмещенному каналу для некоторых современных систем связи, дБ
- •Защитные отношения для некоторых современных систем связи в зависимости от расстройки помехи, дБ
- •12.4. Моделирование процессов управления мощностью передатчиков в сетях сухопутной подвижной связи
- •13. Организационные методы обеспечения эмс
- •13.1. Частотно-территориальное планирование
- •13.2. Управление параметрами радиосигналов
- •13.3. Радиоконтроль и его роль в управлении использованием радиочастотного спектра и обеспечения эмс
- •Заключение
- •Список литературы
- •Анализ электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств
- •197376, С.- Петербург, ул. Проф. Попова, 5
Аналитические модели
Как уже отмечалось, уровень сигнала в точке приема является случайной величиной, испытывающей медленные и быстрые флюктуации, величина которых зависит от ситуации. Аналитические модели, оценивают медианное значение потерь на трассах распространения.
Аналитические модели для оценки потерь радиосигналов на трассах распространения могут иметь разный вид. В настоящее время существует достаточно много аналитических моделей для оценки потерь в различных ситуациях. Кратко остановимся на некоторых, достаточно часто используемых моделях, а именно: модели потерь в свободном пространстве, модифицированной модели Хата и модели Уолфиша-Икегами.
Модель потерь в свободном пространстве. Среди моделей, используемых для оценки потерь при распространении радиоволн, важную роль играет модель оценки потерь при распространении в свободном пространстве. Во-первых, формула для оценки потерь в свободном пространстве выводится теоретически и потери, определяемые ею, являются неслучайной величиной. Во-вторых, медианные потери для других сред распространения, отличных от свободного пространства, не могут быть меньше потерь в свободном пространстве. В этом смысле формула потерь в свободном пространстве может использоваться в качестве одного из критериев применимости других математических моделей в конкретных ситуациях, а именно: если медианные потери, рассчитанные при данных условиях меньше, чем потери в свободном пространстве, то использованная модель не применима к данной ситуации, поскольку дает недостоверные результаты.
Модель для оценки потерь в свободном пространстве имеет и самостоятельное значение. Она используется в ситуациях, когда влиянием других факторов (влиянием подстилающей поверхности, тропосферы, ионосферы и т. п.) на потери распространения, кроме расширения фронта волны, можно пренебречь. Оценка, полученная на основе модели распространения в свободном пространстве, используется и тогда, когда другие модели дают значение медианных потерь меньше, чем потери в свободном пространстве. В свободном пространстве ослабление уровня сигнала происходит только за счет расширения фронта волны. Основные потери в свободном пространстве описываются следующим выражением:
Lсв = 32.45+20 lg d + 20 lg f, (11.4)
где Lсв – потери при распространении в свободном пространстве, дБ; d – расстояние от антенны передатчика (излучателя) до рассматриваемой точки, км; f – частота сигнала, МГц.
Формулу (11.4) можно получить следующим образом.
Поскольку потери рассматриваются между изотропными антеннами то плотность потока мощности W в свободном пространстве, создаваемая передатчиком с мощностью PT и изотропной антенной, на расстоянии d
W = PT /(4d 2)
Мощность сигнала S, принимаемого антенной с эффективной площадью Аэф
S = WAэф= PT Аэф/(4d 2)
Учитывая, что эффективная площадь изотропной антенны Аэф= 2/(4), где – длина волны, принимаемого сигнала, и = c/f, где с – скорость света в свободном пространстве, а f – частота сигнала, получим
S = PT c2/(4d f )2
Обозначим lсв = (4d f )2/c2 – множитель ослабление сигнала в свободном пространстве. Выражая lсв в децибелах, с – в км/с, d – в км и f – в МГц, получим
Lсв= 10 lg (lсв) = 20 lg (4d f /c) = 20 lg (4d f·106/3·105) = 32.45+20 lg d+20 lg f
В дальнейшем, если не оговорено особо, в моделях, используемых для оценки потерь на трассах распространения, расстояние будет всегда выражаться в километрах, а частота в мегагерцах.
Модель потерь в свободном пространстве является детерминистской моделью. Ее достоинством является очень простой вид, хотя область применения ограничена ситуациями, в которых влиянием окружения на распространение радиоволн можно пренебречь. В некоторых случаях модель потерь в свободном пространстве используется как элемент более сложной модели, учитывающей влияние окружения на потери при распространении радиоволн (например, поглощение растительностью или газами, дифракцию, отражения и т. п.).
Большой простотой отличается статистическая модель Эгли. Модель базируется на результатах измерений на трассах, преобразованных в математическую модель.
Модель Эгли [47]. Одна из известных статистических моделей для предсказания средних потерь. Является сильно упрощенной моделью, которая предполагает гладкую холмистую поверхность со средней высотой неровностей примерно 15 м. Согласно Эгли средние потери распространения вычисляются по формуле:
(11.5)
где L – средние (медианные) потери распространения, дБ; f – частота, МГц; d – расстояние от передатчика до точки приема, км; hb, hm – эффективные высоты антенн базовой и мобильной станций соответственно, м.
Диапазон частот, в котором может быть использована формула (11.5), составляет 40…1000 МГц.
Широкое использование новых радиотехнологий в полосах частот, лежащих в диапазонах ОВЧ и УВЧ, потребовало разработки математических моделей, позволяющих выполнить оценку потерь в этих диапазонах частот для различных условий распространения радиоволн. По результатам измерений в районе Токио была построена модель, получившая название модель Окумура (Okumura). Методика расчета, положенная в основу модели, представлена в работе [48]. В методике используются графики, полученные путем статистической обработки результатов измерений, которые позволяют определить медианную напряженность поля для городских областей, а также выполнить подстройку используемой модели по степени урбанизации рассматриваемой области и по некоторым другим особенностям трассы распространения: наклону земной поверхности, степени ее неровности, общей ориентации улиц в зоне обслуживания и т. п. По степени урбанизации окружения мобильной станции в методике Окумура выделены три области:
Открытая (сельская) область – область рассматривается как открытая, если в окрестности приемной станции (например, мобильного средства) на расстояниях 300…400 метров отсутствуют препятствия в направлении передающей (например, базовой) станции.
Пригородная область – область, в которой в окрестности приемной станции имеются препятствия, но плотность их мала.
Городская область – город с высокими зданиями и домами высотой не менее двух этажей.
Кроме того, городская область делится на большой и средний город, а открытая область – на открытую и «квазиоткрытую» (область, которая является средней между открытой и пригородной). Все определения областей носят качественный характер, что представляет определенные неудобства для их использования.
Поскольку зависимости напряженности поля от расстояния и корректирующие коэффициенты в модели Окумура представлены в графической форме, то использование такого материала для практических расчетов, особенно в задачах ЭМС, представляет определенные трудности.
М. Хата (M. Hata) преобразовал кривые Окумура в уравнения, получившие название модели Хата. В классической модели Хата [49] выполнен расчет медианных базовых потерь, а не напряженности поля. Уравнения ограничены трассами длиной от 1 до 20 км. Кроме того, было ограничено применение некоторых корректирующих коэффициентов. Модель получила широкое распространение, особенно для проектирования систем подвижной радиосвязи. Была расширена область ее применения, и в настоящее время используется несколько вариантов, различающихся своими возможностями.
Классическая модель Хата [49].Область применения:
– диапазон частот f = 150…1500 МГц;
– высота подъема антенны базовой станции hb = 30…200 м;
– высота подъема антенны мобильной станции hm = 1…10 м;
– длина трассы d = 1…20 км.
Основные расчетные формулы представлены в табл. 11.1.
Таблица 11.1