|
| |
|
Слаботочка Книги Ограничения на излучение для работы в диапазоне частот ниже 15 ГГц выражаются следующим образом: А= 35-1- lOlgB+0,8 (Р-50), Р>50, (6.25) где А - отношение мощности в полосе 4 кГц к средней мощности на выходе (в децибелах), В - разрешенная полоса в МГц, Р - расстояние от несущей частоты в безразмерных единицах (Р=50 на краю полосы). В дополнение к этому, затухание А должно быть не менее 50 дБ повсюду за пределами полосы, но может и не превышать 80 дБ в любой точке. Отметим, что ограничения на излучение определены не в значениях абсолютной мощности, а только в значениях мощности, отнесенной к передаваемой. Поэтому эти требования не ограничивают уровень мощности на выходе радиосистемы. В настоящее время СВЧ мощность на выходе ограничена элементной базой СВЧ училителей. (Предел выходной мощности, равный 10 Вт, существует, если техника позволит его достигнуть.) На рис. 6.28 представлен шаблон допусков на спектр излучаемых импульсов для радиосистем в диапазоне 11 ГГц, использующих полосу 40 МГц. Показан также энергетический спектр радиосистемы типа 8-ФМ, передающей цифровой сигнал со скоростью 90 Мбит/с с использованием тактовой частоты, равной 30 МГц. Для сопоставления с требованиями на излучение энергетический спектр сигнала с 8-ФМ представлен в значениях мощности, отнесенной к полосе 4 кГц. Разница между спектром сигнала и шаблоном, установленным ФКС, определяет минимальное затухание, требуемое от фильтра передачи. Отфильтрованный сигнал с 8-ФМ обеспечивает, таким образом, плотность передачи информации, равную 90/40=2,25 (бит/с) /Гц. Таков основной формат модуляции и фильтрации, используемый Мощность в полосе 4 кГц по отношению к средней мощности на выходе, дБ  Ограничения ФКС на излучение Энергетический спектр сигнала /С 8-ФМ, отнесенный к полосе 4 кГц (частота повторания символов 30 МГц) fo 20 Частота, МГц  Рис. 6.28. Шаблон допусков на излучение, установленный ФКС в диапазоне 11 ГГц и спектр сигнала с 8-ФМ при передаче цифрового сигнала со скоростью 90 Мбит/с фирмой Collins/Rockwell в цифровой радаосистеме на 90 Мбит/с типа MDR-11 [16]. Ограничения на излучение в диапазонах СВЧ выше 15 ГГц определяются как =ll + 101gB+0,4(P-50), Р>50, (6.26) где А - затухание в полосе 1 МГц по отношению к средней мощности на выходе (в децибелах); В - разрешенная полоса в МГц; Р - расстояние от несущей частоты в безразмерных единицах. Затухание А должно быть, как минимум, равно 11 дБ, но не обязано превышать 56 дБ. В сочетании с ограничениями на излучение ФКС поставила условием, чтобы в спектре передачи не существовали отдельные линии [17]. Таким образом, не могут существовать составляющие несущей и не допускается появление повторяющихся последовательностей цифрового сигнала. Повторяющиеся последовательности цифрового сигнала эффективно устраняются с помощью скремблера на передаче и дескремблера на приеме. Как уже упоминалось, ФМ и КАМ представляют собой модуляцию с подавленной несущей и двумя боковыми, так что составляющие несущей автоматически устраняются до тех пор, пока осуществляется непрерывная модуляция. 6.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОСИСТЕМ Главным требованием при проектировании магистральных радиосистем для телефонной связи общего пользования является надежность в работе, один из показателей которой обычно называется готовностью. Готовность выражается как процент времени, в течение которого система обеспечивает определенное минимальное качество обслуживания. В аналоговых системах минимальное качество определяется мощностью шума в принимаемом сигнале. Качество цифровых систем определяется коэффициентом ошибок на бит. Типовые предельные значения коэффициента ошибок заключены в диапазоне от 10 для речи до 10 или 10 для данных. Вспомним, что коэффициент ошибок, равный 10 *, соответствует порогу восприятия ошибок при передаче речевого сигнала методом ИКМ. Типовые значения коэффициента готовности для расчета СВЧ радиосистем нормируют величиной порядка 99,98% [18]. Отсюда максимально допустимое суммарное время простоя, обусловленного любыми причинами, составляет примерно 2 ч в год. Готовность радиосистем зависит от надежности оборудования и характеристик тракта распространения. Требования высокой готовности типовых радиосистем заставляют иметь избыточное оборудование, а зачастую и избыточные тракты. Необходимость в избыточных трактах определяется частостью простоев из-за условий распространения: внесения затухания дождем или многолучевости. Затухание в дожде является основным фактором, который необходимо учитывать для повышенных несущих частот (свыше 11 ГГц), а многолучевость должна рассматриваться на всех частотах. Замирания из-за многолучевости зависят от преобладающего режима погоды и местности. Избыточное радиооборудование работает обычно либо в режиме дублирования, либо в режиме горячего резерва с автоматическим переключением. Тракт передачи дублируется резервными стволами (разнос по частоте) или резервными трактами (приемники с пространственным разнесением). В крайних случаях можно использовать резервную трассу. 6.4.1. Запас на замирание Основной способ, используемый для предотвращения простоев, обусловленных условиями распространения в атмосфере, состоит в подаче в приемник сигнала избыточной мощности во время нормальных условий в тракте. Разность между нормально принимаемой мощностью и мощностью, необходимой для минимально допустимого качества, носит название запаса на замирчние. Наличие большого запаса на замирание означает уменьшение вероятности достижения уровня минимального качества. Радиосистемы, работающие в диапазонах более высоких частот, обычно требуют больших запасов на замирание, поскольку они более чувствительны к затуханию в дожде. Запас на замирание, равный 50 дБ, является типовым для 1щф-ровых радиосистем в диапазоне 11 ГГц, в то время как запас на замирание, равный 40 дБ, является типовым для более низких СВЧ частот. Запас на замирание, требуемый для конкретной трассы, зависит от вероятности замираний, обусловленных многолучевостью, и вероятности ливней. Поэтому в более сухом климате допускается меньший запас на замирание, в связи с этим возможны большие расстояния между ретрансляторами. На некоторых СВЧ линиях, проходящих в горных районах на западе США, длина пролета может достигать 160 км. Для сравнения укажем, что средняя длина пролета в других частях страны составляет менее 50 км. Когда создан большой запас на замирание, мощность принимаемого сигнала при отсутствии замираний является столь большой, что ошибок фактически нет. Тем не менее, проблемы, связанные с чрезвычайно сильными сигналами, существуют, а именно, динамический диапазон АРУ в приемнике должен быть достаточно широким. Если же не регулировать максимальный уровень сигнала в цепях демодуляции и детектирования, то существует вероятность, что насыщение ухудшит качество передачи, особенно в случаях модуляции с высокой плотностью, таких как 16-КАМ, где информация представлена в амплитудах сигнала. 6.4.2. Коэффициент системы Одним из наиболее важных параметров, используемых для описания цифровых СВЧ систем, является коэффициент системы Д. Коэффициент системы определяется как разность в децибелах между мощностью на выходе передатчика и минимальной мощностью на входе приемника при заданной вероятности ошибок: Л=101в(Р рд/Р р ), (6.27) где Рпр, - мощность на выходе передатчика; Р р - мощность на входе приемника для заданной вероятности ошибок. Минимально допустимую принимаемую мощность называют иногда пороговой мощностью. Она зависит прежде всего от уровня шумов приемника, отношения сигнал-шум, определяемого методом модуляции, и различных ухудшений в системе, таких как избыточная шумовая полоса, искажения сигнала, межсимвольная интерференция, смешения восстановленного колебания несущей, фазовые дрожания хронирующего колебания, а также потери при согласовании и фильтрации, которые либо вносят затухание в сигнал, либо увеличивают уровень шума. В приемнике обычно преобладает тепловой шум, создаваемый входными усилителями приемника. В этом случае мощность шума P =FNoB=F(kTo)B, (6.28) где F - коэффициент шума приемника; JVo - спектральная плотность энергии шума; В - ширина полосы приемника ; Л:=1,38- 10 (постоянная Больцмана); Го - эффективная температура приемника в Кельвинах. По существу, формула (6.28) устанавливает тот факт, что мощность шума приемника определяется спектральной плотностью шума входного сопротивления приемника и добавочным шумом, вносимым процессом усиления (коэффициент шума F). Обычно предполагается, что стандартная температура )авна 290 К, так что плотность теплового шума (кТо) равна 4- 10~ Вт/Гц. Коэффициент шума любого устройства определяется как соотношение между значениями отношения сигнал-шум на входе и выходе: F=(S/NKJ(S/N).. (6.29) В сущности, коэффициент шума определяет увеличение мощности шума по отношению к увеличению мощности сигнала. Поскольку все физические устройства вносят шум, коэффициент шума в любой системе всегда больше единицы и это увеличение обычно выражается в децибелах. Если система не вносит ни усиления, ни затухания, то коэффициент шума точно равен отношению мощности шума на выходе к мощности шума на входе. Коэффициенты шума для малошумящих СВЧ усилителей обычно лежат в диапазоне 2 ... 5 (3 ... 7 дБ). Коэффициенты шума радиоприемников обычно составляют 6 ... 10 (без малошумящего усилителя). Обычно предполагается, что В - минимальная теоретическая ширина полосы для конкретного способа модуляции. Расширение полосы, требуемое при практической реализации, вносится затем в число факторов ухудшения качества системы. Комбинируя формулы (6.27) и (6.28) и вводя член D, который включает в себя все виды ухудшений по сравнению с идеальной характеристикой, получим следующее обобщенное выражение для коэффициента системы: Л= lOlg (Pr/OClUFkToB) ~D, (6.30) где ОСШ - представляет собой теоретическое отношение мощности сигнала к мощности шума для максимально допустимой вероятности ошибки. Отметим, что член ОСШ в выражении (6.30) представляет отношение мощностей сигнала и шума, а не EJNo. Соотношение между ОСШ и Ei,/No приведено в приложении В. Коэффициент системы в сочетании с усилением в антеннах и затуханием тракта определяет запас на замирание: Запас на замирание = A+G +G +20lgl~A,~Ao, (6.31) где Спрд - усиление передающей антенны, дБ; G p - усиление приемной антенны, дБ; К - длина передаваемой волны; А, - затухание в фидерах, дБ; lo=201g4nd - затухание в свободном пространстве. (Расстояние d должно быть выражено в тех же единицах, что и К.) Направленность и, соответственно, усиление антенны прямо пропорциональны апертуре антенны и обратно пропорциональны квадрату длины передаваемой волны. Однако при определении мощности на приемной стороне, по существу, важна только площадь раскрыва антенны, а не ее направленность или усиление. Поэтому разработчики радиосистем при расчете энергетики систем обычно учитывают усиление передающей и приемной антенн, но нормируют длину волны (201gX), чтобы связать усиление приемной антенны с ее апертурой. Лучшая направленность антенны в дополнение к увеличению ее усиления уменьшает также влияние многолучевости. Уровни мощности вторых лучей, которые возникают при больших углах излучения, снижаются с увеличением направленности. К сожалению, практические соображения заставляют ограничивать значение усиления в антеннах по нескольким причинам: экономичные по размерам опоры могут держать антенны только ограниченного размера, механическая юстировка больших антенн становится затруднительной, а стабильность направленности антенны и тракта ограничена. Затухания в фидерах А включенные в выражение (6.31), возникают вследствие того, что одна антенна обычно обслуживает несколько стволов для различных радиосистем. Кроме того, соображения надежности обычно требуют, чтобы для переключения были доступны запасные передатчики и приемники. Процесс объединения сигналов для передачи и разделения их после приема по своему существу вносит затухания различной величины или приводит к разделению мощности сигнала на части. Пример 6.2. Определим коэффициент системы для СВЧ регенератора при цифровой передаче сигнала в диапазоне 2 ГТц со скоростью 10 Мбит/с при помощи модуляции типа 4-ФМ при выходной мощности 2,5 Вт. Предположим, что расширение полосы в приемнике составляет 30% и что остальные отклонения от идеальной характеристики ошибок приводят к ее ухудшению на 3 дБ. Предположим также, что коэффициент шума приемникасоставляет 7 дБ, а желаемая максимальная вероятность ошибок составляет 10 . Определите также запас на замирание, предполагая, что усиление каждой из антенн равно 30 дБ и длина пролета равна 50 км. Решение. Согласно рис. 6.16 требуемое значение величины Ef,/Nf, для модуляции типа 4-ФМ может быть определено как 10,7 дБ. Используя выражение (В.42) из приложения В, можно найти, что отношение мощности сигнала к мощности шума на входе детектора на 3 дБ больше чем Ei,/No. Таким образом, требуемое ОСШ равно 13,7 дБ. Поскольку при модуляции типа 4-ФМ 2 бита передаются в одном символе, тактовая частота составляет 5 МГц, что соответствует также теоретически минимальной (по Найквисту) ширине полосы. Теперь для определения коэффициента системы можно использовать выражение (6.30): 4. 10-- 5- Ю 13,7 - 7 - 3 - lOlg 1,3 = 116 дБ. При несущей частоте 2 ГГц длина волны составляет 3- 10/2- 10=0,15 м. В соответствии с этим из выражения (6.31) можно определить запас на замирание: Запас на замирание=116-1-60--20 Ig 0,15-5-20 Ig (4л5- 10) = 38,5 дБ. 6.4.3. Разнос по частоте Как уже упоминалось, ни приемное и передающее оборудование, ни тракт обычно не являются достаточно надежными, чтобы гарантировать приемлемый уровень готовности системы. Разнос по частоте представляет собой одну из мер обеспечения резервных дублирующих средств для преодоления простоя из-за обеих этих причин. Глубокое замирание, обусловленное многолучевостью, происходит тогда, когда сигнал, переносимый вторым лучом, приходит в противофазе по отношению к основному сигналу. Поскольку фазовый сдвиг, вносимый трактом, пропорционален частоте, представляется маловероятным, чтобы при замирании на одной несущей возникло одновременно замирание и на другой. Разнос по частоте состоит в использовании запасных передатчика и приемника, работающих в обычно не используемом стволе. Поскольку применяется отдельное оборудование, разнос по частоте обеспечивает также защиту и от выхода аппаратуры из строя. Простейшим способом реализации разноса по частоте является использование систем резервирования 1-f 1,как показано на рис. 6.29. Система резервирования 1 + 1 означает, что каждому определенному стволу, передающему сообщения, придается один резервный ствол. Если требуется высокая эффективность использования спектра, то в общем случае необходимо иметь только один резервный на группу из N рабочих стволов (система резервирования вида l+N). Федеральная комиссия по связи в США поставила условием, что в некоторых диапазонах частот система должна быть реализуема в конфигурациях вида 1+N. Основная трудность в системе резервирования l+N состоит в сложности блока переключений и необходимости 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 [56] 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 |