Методы измерения характеристик сигналов систем радиосвязи и вещания

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Характеристики антенн влияющие на электромагнитную совместимость, и их нормирование

Антенны имеют значительное разнообразие как по типам, так и по характеристикам. Вместе с тем все антенны можно подразделить на две группы: антенны осевого излучения и апертурные антенны. К антеннам осевого излучения относятся директорные (волновой канал), лучевые, спиральные антенны. К апертурным антеннам относятся рупорные антенны (на основе конического или пирамидального рупора), одно и двухзеркальные антенны с параболическим рефлектором или параболические антенны (ПА), а также комбинированные: рупорнопараболические (РПА), рупорнолинзовые (РЛА) и перископические антенны (ПРА). Характеристики излучаемого антенной поля зависят от расстояния между антенной и точкой наблюдения. Результирующая напряженность поля, создаваемого антенной в свободном пространстве, зависит от разности хода волн Дr, образованных отдельными излучающими элементами антенны, являющихся элементарными излучателями. Когда выполняется условие Дr << л (л -- длина волны), антенна может рассматриваться как точечная. Расстояние от антенны, где это условие выполняется, называется дальней зоной, или зоной Фраунгофера. Здесь напряженность поля изменяется обратно пропорционально расстоянию. Характер изменения напряженности поля существенно зависит от расстояния R до передатчика. Различают ближнюю и дальнюю зоны приема сигналов.

На практике граница дальней зоны Rдз принимается равной

Rдз = 2L/л (1)

где L -- максимальный размер апертуры антенны. Граница ближней зоны, или зоны Релея, определяется соотношением:

Rбз ? L/(2л). (2)

При R ? Rбз напряженность поля слабо зависит от расстояния. При расстояниях от антенны R, соответствующих условию:

Rбз ? R ? Rдз (3)

напряженность поля быстро уменьшается с увеличением расстояния. Эта зона называется зоной Френеля.

Обычно характеристики антенн указывают для дальней зоны, вместе с тем при решении ряда задач, например, расчета условий внутриобъектовой ЭМС или расчета биологической зоны передающей радиостанции (в которой должны выполняться санитарные нормы на уровень напряженности поля), требуются соответствующие характеристики антенн и в ближней зоне.

Важно также отметить, что характеристики электромагнитного поля в дальней зоне антенны, где оно имеет сформировавшийся характер, не зависит от конструкции и типа антенн, а определяется только ее диаграммой направленности. Ниже рассмотрены характеристики антенн, влияющие на условия ЭМС.

2. Основные параметры антенн

Коэффициент усиления (КУ) антенны -- отношение мощности подводимой к ненаправленной (изотропной) антенне с коэффициентом усиления 1, к мощности, подводимой к данной антенне, при условии одинаковой напряженности поля в месте приема.

В общем случае КУ в децибелах (в дальней зоне) в главном направлении излучения или приема определяется (при нулевых омических потерях в элементах антенны) соотношением:

gamax = 10lg(4рSa /л2) (4)

где Sа -- эффективная площадь антенны, которая зависит от типа и конструкции антенны.

Диаграмма направленности антенны (ДНА) - определяет угловое распределение амплитуд напряженности электрического поля антенны в дальней в двух ортогональных плоскостях при фиксированном удалении. Обычно эти плоскости выбирают так, чтобы в одной из них был расположен вектор электрического поля Е, а в другой магнитного поля Н, ДНА нормируется к максимальной интенсивности излучения, которое имеет место в главном направлении, т.е. при ? = 0, и представляется зависимостью

F2(?) = ga(?) - gamax (5)

где ? -- угол наблюдения, образуемый направлением от точки расположения антенны до точки наблюдения и главным направлением излучения (приема) данной антенны; F2(?) -- значение ДНА, дБ, под углом ?; ga(?) -- КУ антенны, дБ, под углом ?.

Рис 1. Общий вид идеализированных ДНА

Кроссполяризационная защита антенны ослабление поля перекрестной поляризации (кроссполяризованной волны). Кроссполяризационная защита антенны количественно определяется коэффициентом поляризационной защиты:

XPDа(?) = gaоп(?) - gaкп(?) (6)

где gaоп(?) -- КУ антенны на основной поляризации; gaкп(?) -- КУ антенны на кроссполяризации.

Коэффициент защитного действия Кзд, характеризующий разность КУ антенны в главном направлении и КУ с обратного направления, имеет вид:

Кзд = ga(?) - ga(? = 180°) (7)

3. Нормирование характеристик антенн

При расчетах ЭМС РЭС наиболее важными характеристиками антенн, требующими нормирования, являются ДНА на основной поляризации и кроссполяризации. Нормирование ДНА осуществляется для всех видов РЭС общего назначения. Причем нормирование осуществляется как на международном, так и национальном или корпоративном уровне.

Особо актуально нормирование ДНА для многоканальных широкополосных средств радиосвязи (СРС), таких, как спутниковые (ССС) и радиорелейные системы связи (РСС), которые используют общие полосы рабочих частот в УКВ диапазоне (главным образом в диапазоне частот 1…40 ГГц).

Для практических расчетов помех и решения вопросов координации указанных видов СРС в диапазоне частот 1…40 ГГц рекомендуется использовать так называемые эталонные (справочные) ДНА, устанавливающие допустимые значения огибающей ДНА, т.е. такие, которые не должны превышаться при использовании реальных антенн.

Эталонные ДНА для РРЛ прямой видимости в диапазоне 1…40 ГГц (параболические антенны) определяются соотношениями, которые получены на основании соотношений, содержащихся в виде аналитических зависимостей ga (?).

4. Методы измерения характеристик сигналов систем радиосвязи и вещание

частотный цифровой радиосвязь

Измерение напряженности поля.

Измерения напряженности поля в малых зонах. Во многих практических случаях для получения информации о распределении интенсивности сигнала на заданной территории пользуются усредненными по этой территории данными, полученными на ряде измерительных площадок с размерами приблизительно 100Ч100 м, называемых малыми зонами. Количество малых зон и их размещение на исследуемой территории зависит от сроков проведения измерений, требуемой точности результатов измерений.

Для определения медианного значения напряженности поля в каждой малой зоне назначаются (по возможности равномерно по всей ее площади) так называемые места приема в количестве N (N = 2n - 1 ? 9 -- нечетное число), в каждом из которых выполняются необходимые измерения. На основании этих измерений определяются усредненные по данной зоне значения напряженности поля. Медиана напряженности поля по измеренным данным определяется путем их упорядочивания по величине и выборе из образованного таким образом ряда n-го измерения.

Основным требованием при проведении таких измерений является возможность быстрого перемещения измерительной аппаратуры из одной малой зоны в другую, что предполагает использование мобильной станции. Описанная методика измерений напряженности поля позволяет, в частности, решать следующие практические задачи: определять зоны обслуживания вещательных передатчиков и базовых станций в подвижной связи, измерять диаграммы направленности передающих антенн, устанавливать зависимость изменения напряженности поля с увеличением расстояния, дистанционно определять мощность установленного на радиостанции передатчика, к которому отсутствует доступ, и т.д.

Измерения напряженности поля вдоль маршрута. В полосах частот выше 30 МГц уровень напряженности поля значительно изменяется от пункта к пункту во времени и в пространстве, что обусловлено явлениями рассеяния и отражения радиоволн. Поэтому для контроля зон обслуживания в службах, услуги которых должны быть доступны в любом месте этой зоны, необходимо проведение измерений во многих точках приема, распределенных в пространстве. Такой контроль необходим в подвижных сетях связи, а также в радиовещательной службе (ТВ и ОВЧ ЧМ радиостанции). Обычно связанные с этим контролем измерения проводятся на этапе планирования сети, а также в период ее эксплуатации.

При контроле зон обслуживания вместо измерения напряженности поля в отдельных малых зонах, методика проведения которых была рассмотрена выше, следует использовать другую методику -- проводить измерения напряженности поля во время движения транспортного средства по заранее установленным маршрутам. Эта методика позволяет уточнить результаты теоретических расчетов зоны обслуживания, в ходе выполнения которых невозможно с высокой точностью учесть рельеф местности, особенности городской застройки и т.п., а также выявить ухудшение качества приема аналоговых и цифровых сигналов из-за многолучевости, возникающей в процессе распространения радиоволн.

Минимальные требования к этим системам РК, позволяющим проводить измерения зон обслуживания, состоят в следующем.

- Измерения напряженности поля должны выполняться быстро и точно и одновременно на нескольких частотах. Интервалы времени, с которыми в ходе измерений осуществляется сбор данных об уровнях напряженности поля для каждой частоты, должны быть достаточно короткими, чтобы на любой из них можно было получить статистическую оценку результатов измерений. Для получения такой оценки требуется наличие измерительных точек через каждые 0,8 длины волны в каждом изучаемом канале.

- При проведении измерений необходимо обеспечивать возможность сопряжения получаемых результатов с данными, характеризующими координаты точек, которым эти данные соответствуют. Координаты точек, в которых проводились измерения напряженности поля, предоставляются навигационными системами и должны быть определены достаточно точно.

- Для хранения во время прохождения заданного маршрута всех полученных и еще необработанных данных должна иметься достаточная емкость памяти.

- Система должна быть оснащена дисплеем для отображения измеренных данных в реальном времени. Это дает возможность оператору определять нарушения в работе подвижной радиосети и/или в измерительной системе в ходе измерений на маршруте.

- Система должна быть способна выдавать статистическую оценку результатов измерений путем обработки полученных данных (например, статистическая оценка, классификация данных в соответствии с уровнями вероятности, усреднение на интервалах времени, определяемых пользователем).

- Система должна обеспечивать вывод данных на монитор, принтер и графопостроитель, а также перевод результатов в программу, используемую для частотного планирования сети.

Измерения ширины полосы частот

Измерения ширины полосы частот (спектра излучения) основаны на измерениях мощности. Технические и административные трудности не позволяют, как правило, проводить непосредственные измерения, поэтому следует довольствоваться приближенными оценками, которые могут быть получены только путем измерения амплитуд спектральных составляющих излучения с помощью анализатора спектра на значительном расстоянии от передатчика. Для выполнения таких измерений целесообразно использовать подвижную станцию РК, находящуюся на таком расстоянии от передатчика, чтобы в месте приема уровень поля вблизи границ полосы излучения превышал уровень шумов и помех не менее чем на 10 дБ.

То обстоятельство, что имеется некоторая свобода выбора в отношении местоположения подвижных станций, дает им определенные преимущества перед фиксированными, позволяя уменьшить уровень помех, которые часто снижают точность оценки граничных значений полосы. Подвижная станция РК должна подъехать как можно ближе к контролируемому передатчику и располагаться таким образом, чтобы можно было использовать направленное действие антенны для разделения контролируемого излучения от мешающего. Для определения ширины полосы частот должен применяться анализатор спектра с характеристиками, соответствующими частоте измеряемого передатчика и классу его излучения.

Измерение частоты.

Частотная характеристика анализаторов спектра и частотомеров охватывает в настоящее время диапазон ОВЧ/УВЧ с частотным разрешением порядка 1 Гц или менее. Как правило, в тех случаях, когда требуется более высокая точность, измерительные приборы могут настраиваться путем синхронизации их по стандарту частоты. Чаще всего в подвижных станциях РК не требуется обеспечения максимальной точности, которая может быть достигнута на фиксированных станциях РК, поскольку многие задачи, выполняемые подвижными станциями, не предназначены для проведения измерений с высокой точностью.

Измерения глубины модуляции и девиации частоты.

Такие измерения обычно представляет интерес только в радиовещании. В случае звукового радиовещания задача измерений параметров модуляции в пределах зоны обслуживания НЧ/СЧ передатчиков (с амплитудной модуляцией) или ОВЧ передатчиков (с частотной модуляцией) может быть выполнена чаще всего мобильной станцией, поскольку в случае относительно малой излучаемой мощности или удаленности от стационарной станции РК передатчики не могут контролироваться фиксированной станцией.

Измерение занятости спектра.

Проверка соблюдения операторами условий лицензии на излучающее РЭС является важнейшей задачей службы РК. Такая проверка выполняется сотрудниками местного отделения системы РК или специальной бригадой в соответствии с конкретным заданием, которое должно содержать исходные данные, определяемые возможными целями проверки:

- обнаружение в эфире данного РЭС в течение заданного времени на станции РК или в ином месте;

- проверка соответствия излучаемой в эфир информационной программы заявленной;

- проверка реальных значений технических параметров (излучаемой мощности, ширины занимаемой полосы частот, стабильности и номиналов несущих и поднесущих частот, глубины модуляции и величины девиации частоты, коэффициента нелинейных искажений звуковой программы и т.п.).

Кроме того, при измерениях занятости спектра выполняются следующие работы:

- проверка качества изображения и/или звука в зоне обслуживания (методические указания о выборе количества и расположения мест испытаний, используемой аппаратуре, условиях проведения проверки, продолжительности ее и т.д. высылаются из Центра управления системой РК в каждом конкретном случае);

- проверка помеховой обстановки в данном населенном пункте (методические указания о контролируемых частотных каналах, выборе количества и расположения мест испытаний, рекомендуемой аппаратуре, измерительных антеннах, времени суток и продолжительности испытаний, фиксировании характеристик и типа помех, их азимутов прихода, интенсивности и т.д. высылаются из Центра управления системой РК для каждого конкретного случая);

- проверка точности определения зоны обслуживания путем расчетов, т.е. сравнение формы, площади и положения границ расчетной и реальной зон обслуживания (методические указания о частотном канале, выборе количества и расположения мест испытаний, репрезентативных и измеряемых параметрах сигналов, используемых типах и поляризации измерительных антенн, рекомендуемой аппаратуре, условиях, объемах и последовательности проведения проверки, ее продолжительности и т.д. высылаются из Центра управления системой РК в каждом случае отдельно);

- проверка выполнения операторами излучающих РЭС временных и иных ограничений на работу в эфире, выданных Центром управления использования РЧС;

- проверка рекомендаций и предложений по улучшению использования РЧС (все условия и методика проверки высылаются Центром управления использованием РЧС в каждом случае индивидуально).

Радиоконтроль в полосах ВЧ или на более низких частотах может легко осуществляться фиксированными станциями. Подвижные станции используют для контроля занятости спектра в полосах более высоких частот (ОВЧ/УВЧ), когда в исследуемой зоне отсутствуют фиксированные станции этого диапазона.

Измерение качества приема цифровых сигналов в сетях радиосвязи и вещания.

Измерение коэффициента ошибок по битам. Для цифровых систем радиосвязи и вещания (например, систем сотовой связи стандарта GSM или цифрового звукового вещания стандарта DAB) знания напряженности поля недостаточно для анализа качества приема. Качество принимаемого сигнала может быть определено путем измерений коэффициента ошибок по битам (сокращенно BER -- bit error rate).

Для вышеуказанных служб в процессе РК должны проводиться измерения коэффициента ошибок. Такие измерения осуществляются во время движения транспортного средства, на котором установлено устройство приема сигнала базовой или вещательной станции.

Размещено на Allbest.ru