3-3а. ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ МИКРОВОЛНОВОЙ СВЯЗИ

Методические указания по выполнению учебной самостоятельной работы

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ОБОРУДОВАНИЯ

Выбор оборудования и расчет микроволновых систем связи представляет собой сложную многогранную задачу, включающую в себя:

формирование топологии сети связи;
выбор мест установки антенных опор;
построение профилей интервалов и определение высот подвеса антенн;
выбор диапазонов рабочих частот и типов оборудования;
расчет влияний атмосферы, метеорологических условий, препятствий на поверхности земли и прочих факторов на устойчивость связи;
оптимизация параметров сети связи с целью получения минимальной стоимости при выполнении заданных норм качества работы и учет еще множества требований.

В рамках курсового проектирования выполняются все вышеперечисленные пункты, а для самостоятельной практической работы ограничимся менее емкой проблемой, а именно - выбором диапазонов рабочих частот и типа оборудования. Основой критерия для выбора - обеспечение требуемого качества работы при минимальных размерах параболических антенн.

Желательно, расчеты выполнять при помощи компьютера, запрограммировав основные расчетные формулы (например, в среде Excel).

Основная проблема, которая возникает при передаче радиосигналов - это случайные изменения уровня принимаемого сигнала. В микроволновых системах связи изменения уровней сигналов на приеме (или, иначе, замирания) объясняются изменениями параметров атмосферы, связанными с погодными явлениями.

Характеризуется работа цифровых систем связи коэффициентом ошибок koш = Nош / N, где N - число переданных символов, N ош - число ошибочно принятых символов.

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 сигнала на входе приемника, при котором коэффициент ошибок составляет определенную величину. В рамках данной работы, запас на замирания определяется при koш = 10^-3 по соотношению

М = Pпр - Рпр пор(10^-3), (1)

где Pпр - уровеньсигнала при приеме в отсутствии замираний, Рпр пор(10^-3) - пороговый уровень сигнала на входе приемника при коэффициенте ошибок koш = 10^-3 (определяется из параметров аппаратуры). В дальнейших расчетах, величины, относящиеся к koш = 10^-3 будут обозначаться индексом 3 (например, M3).

Рассмотрим упрощенную структурную схему интервала радиолинии и соответствующую диаграмму уровней сигналов (рис. 1). Диаграммы уровней стройтся в уровнях, выраженных через децибеллы (дБ). Уровни мощности сигналов выражаются в децибеллах по отношению к 1 мВт и обозначаются дБм. Размерности мВт и дБ связаны соедующими соотношениями:

P, дБм=20lg(P, мВт/1, мВт); Р, мВт=10^(Р, дБм/10).

К примеру, уровень мощности передатчика 20 дБм соответствует мощности 100 мВт.
На диаграмме уровней видно, что сигнал излучается передатчиком с уровнем Pпд, проходит через полосовой фильтр дуплексера (ПФ), в котором уровень упадет за счет потерь и поступает через фидерную линию (точки С' - D') в передающую антенну с коэффициентом усиления G1. В многоствольных системах сигнал пройдет еще и через устройство объединения и разделения стволов (РОС). За счет потерь в фидерной линии 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 Lo, потерь в газах атмосферы Lг и некоторых дополнительных потерь. Общее ослабление сигнала за счет этих причин может достигнуть 130 -140 дБ и больше.

Рис. 1

    В приемной антенне уровень сигнала увеличится на величину G2, затем уменьшится в приемной фидерной линии, в РОС и ПФ и поступит на вход приемника с уровнем Pпр0. Это значение получается в отсутствии замираний сигнала на пролете РРЛ и при распространении радиоволн в свободном пространстве. Реальная атмосфера добавит еще почти постоянные потери Lг, возникающие при взаимодействии радиоволн с водяными парами и атомами кислорода воздуха и уровеньсигнала на входе приемника будет равен Рпр. Величина Рпр пор гарантируется фирмой-производителем оборудования и приводится в технических параметрах аппаратуры.

    Величина запаса на замирания (ф.1) должна находиться в пределах 37 - 43 дБ. При меньших значениях, устойчивой связи может не получиться, а при значениях, значительно превышающих эти пределы - параметры системы, а следовательно, ее стоимость будут неоправданно завышены. Поэтому, меняя коэффициенты усиления антенн, мощности передатчиков, диапазон рабочих частот, тип аппаратуры и пр. нужно добиваться, чтобы запас на замирания находился в вышеуказанных пределах. Следовательно, критерием по выбору параметров системы связи будет являться получение нужного запаса на замирания при минимальных размерах антенн!

Обобщенная структурная схема современного оборудования микроволновой связи

Указания к выполнению работы
        Введение
    Анализ данных и предварительный диапазонов рабочих частот
    Подбор оборудования для решения задачи
    Расчет устойчивости работы для заданного класса качества
    Расчет показателей неготовности
    Расчет показателей качества по ошибкам

Окончательный выбор типа аппаратуры и характеристик АФТ. Построение диаграммы уровней на пролете
Заключение

Литература

1. УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

    Введение должно содержать:
    · краткий анализ современного состояния цифровых систем связи, их достоинства и недостатки;
    · постановку задачи проектирования в общем виде.

1. АНАЛИЗ ДАННЫХ, ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ДИАПАЗОНОВ ЧАСТОТ И ПАРАМЕТРОВ АНТЕННО-ФИДЕРНОГО ТРАКТА (АФТ)

    В этом разделе работы необходимо сделать предварительный выбор 3-4 диапазонов рабочих частот для каждого пролета, руководствуясь кратким анализом, приведенным здесь. Важным критерием для выбора диапазона частот будет протяженность интервала (R). К примеру, при R = 5-7 км, неоправданно выбирать диапазон рабочих частот меньше 10 ГГц, а правильно - 23-38 ГГц.
    Затем, задайтесь параметрами гипотетической аппаратуры. Для расчетов нужно задаться уровнем мощности передатчика в пределах 15 - 25 дБм и пороговым значением приемника в пределах -80... -90 дБм.
    Задайтесь размерами (диаметром) приемных и передающих параболических антенн (0.3, 0.6, 0.9, или 1.2 м) и рассчитайте их коэффициенты усиления по формуле

G = 20 Lg(D) + 20 Lg(f) +17.5, дБ (2)

где D - диаметр антенны, м, f - рабочая частота, ГГц (при расчетах используйте 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. Для простоты будем считать, что размеры антенн на разных станциях одинаковы.

Рассчитайте запасы на замирания (ф.1) для разных рабочих частот и диаметров антенн по следующим соотношениям:

Уровень сигнала на входе приемника (Pпр, дБм)

Рпр= Рпд + G1 + G2 - L0 - Lф1 - Lф2 - Lг - Lдуп - Lдоп, (3)

где Рпд - уровень мощности передатчика, дБм;
    Lф1, Lф2 - ослабление сигнала в фидерных линиях, дБ.
    Lф1= La, где L - длина фидера, м; a - погонное затухание фидера, дБ/м,
            Lф2 - определяется аналогично.
     При отсутствии фидера (когда приемопередатчики объединены с антенной в виде моноблока) необходимо учитывать конструктивные особенности устройства объединения. При диаметре антенн 30 - 50 см приемопередающий блок соединяется с антенной непосредственно с помощью прецизионного волноводного соединителя, поэтому в этих случаях потери в фидерах можно принять равными 0 дБ.
    При больших диаметрах антенн соединение проводится коротким отрезком гибкого волновода, потери в котором
Lф1 = Lф2 = 0.5 дБ.
Lдуп - потери в дуплексерах, определяется из параметров аппаратуры. Но при моноблочной конструкции, данные на уровень мощности передатчика и пороговые значения уровня сигнала на входе приемника, часто относятся к точкам, соответствующим уровням на антенном волноводном соединителе (другими словами, в значения уровней уже заложены потери в дуплексорах).
    В этих случаях величина потерь Lдуп = 0.
    Lдоп - дополнительные потери, состоящие из потерь в антенных обтекателях Lао и потерь от перепада высот приемной и передающей антенн Lпв. (Lдоп = 1 - 2 дБ).

В данной работе расчет ведется для одноствольной систем и, поэтому, потери в РОС не учитываются.

Потери сигнала в свободном пространстве определяются по формуле

L0 = 20 lg (4.189 10⁴ R0 f), дБ, (4)

где R0 - протяженность интервала РРЛ, км,
f - рабочая частота, ГГц,
Lг рассчитывается по формуле
Lг = (go + gн) R0, дБ.
где go, gн - погонные затухания в водяных парах и атомах кислорода атмосферы (дБ/км), определяемые из графика.

Результаты расчетов оформите в виде следующей таблицы: Таблица 1

f, ГГц	Lo, дБ	Lг, дБ	D, м	G, дБ	Рпр, дБм	М3, дБ

Меняя размеры антенн, делая их одинаковыми на обоих концах пролета или разными, добейтесь для кажого диапазона частот величины запаса на замирания примерно равной 38 - 42 дБ и выберите тот вариант рабочей частоты, при котором размеры антенн получаться наименьшими.

Задачу выбора диапазонов частот можно выполнить и другим способом. Для этого нужно из вышеприведенных формул вывести обобщенную формулу для диаметра антенн, зафиксировав запас на замирания равным 40 дБ и, подставляя в зту формулу значения диапазонов частот, выбрать вариант с наименьшими размерами антенн.

2. ПОДБОР ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Из таблицы параметров оборудования выберите аппаратуру, подходящую по заданной скорости для диапазона частот, определенного в предыдущем разделе. Если задана скорость 5 и более потоков Е1, STM-0, STM-1, 2xSTM-1), то выбрать можно оборудование Anterum 630, Eclipse или Pasolink MX.

Данные аппаратуры запишите в следующую таблицу:

Таблица 2

Lo, дБ = ......., Lг, дБ = .........
Тип оборудования	Рпд, дБм	Рпр пор3, дБм	D1, м; G1, дБ	D2, м; G2, дБ	М3, дБ

Проведите расчеты и подберите размеры антенн для каждого варианта так, чтобы запасы на замирания примерно были равны 40 дБ. Результаты расчета занесите в таблицу 2 и выберите тот тип оборудования, который обеспечит запас на замирания при наименьших размерах антенн и наименьшей мощности передатчика.

3. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЗАДАННОГО КЛАССА КАЧЕСТВА

Устойчивая работа системы связи означает выполнение норм на заданный класс качества. 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 системы связи, 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,

N ош - число ошибочно принятых символов.

Причины, приводящие к неготовности аппаратуры:
    · экранирующее влияние препятствия на трассе 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.

Таблица 3

Качество линии		ПНГ, %
Линии связи высокого качества		< 0.3 L / 2500
Линии связи среднего качества	1 класс	< 0.033 (L=280 км)
	2 класс	< 0.05 (L=280 км)
	3 класс	< 0.05 (L=50 км)
	4 класс	< 0.1 (L=50 км)
Линии связи локального качества		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 ЦРРС, которые складываются из гладких и частотно-селективных.
Таблица 4
                    Показатели качества по ошибкам.

Линии связи высокого качества		СПС...< 0.054% L / 2500
Линии связи высокого качества		МПК... < 0.4% L / 2500
Линии связи среднего качества Lсекции = 280 км	1 класс	СПС .. < 0.006% МПК ...< 0.45%
Линии связи среднего качества Lсекции = 280 км	2 класс	СПС ...< 0.0075% МПК ..< .0.2%
Линии связи среднего качества Lсекции = 50 км	3 класс	СПС...< 0.002% МПК ...< 0.2%
Линии связи среднего качества Lсекции = 50 км	4 класс	СПС...< 0.005% МПК ...< 0.5%
Линии связи локального качества		СПС ... < 0.015% МПК ...<1.5%

4. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НЕГОТОВНОСТИ

При расчете показателей неготовности в данной работе учитывается только влияние гидрометеоров. К гидрометеорам относятся дожди, снег, град, туман и пр. Влияние гидрометеоров заметно уже при частотах больше 8 ГГц, а в неблагоприятных экологических условиях (при наличии в атмосферных осадках металлизированной пыли, смога, кислот или щелочей) и на значительно более низких частотах. Суть расчета заключается в определении интенсивности дождя, при которой ослабление сигнала на трассе будет соответствовать запасу на замирания (для коэффициента ошибок 10^-3) с последующим определением вероятности дождя такой интенсивности в данном климатическом районе.
Расчет для каждого пролета сети связи нужно проводить в следующей последовательности:
1. Задаться несколькими (5 - 10) значениями интенсивности дождя J в пределах 20 - 120 мм/час;

2. Рассчитать величины ослабления сигнала (А) в дождях заданной интенсивности J по формуле:

A=gд*Rэфф, дБ

Погонное затухание радиосигнала в дождевых образованиях:

gд = b J ^a, дБ/км,

где J - интенсивность осадков (мм/час),
b и a - коэффициенты, которые определяются из табл .5.

Таблица 5

f, ГГц	a	b
10	1.264	0.009
12	1.200	0.017
15	1.128	0.034
18	1.088	0.053
23	1.046	0.093
25	1.030	0.113
27	1.017	0.135
30	1.000	0.167
35	0.963	0.233
38	0.944	0.276
40	0.929	0.510

Известно, что протяженность дождевых образований различная для дождей разной интенсивности. Чем сильнее дождь, тем меньшую поверхность он покрывает.
Эффективная протяженность дождевого образования:

, км, (5)

где J_0.01 - интенсивность дождя, который идет в данной местности в течение 0.01% времени. Эта величина определяется из таблицы прил.
3. Результаты расчета занести в таблицу и построить график зависимости А = f (J);

Таблица 6

J, мм/ч	gд, дБ/км	Rэфф, км	А, дБ

         4. Из построенного графика определить интенсивность дождя, при котором ослабление сигнала соответствует запасу на замирания, рассчитанному для данного пролета. Может случиться так, что нужное значение будет за пределами построенного графика. В этом случае нужно соответственно изменить пределы выбора интенсивности дождя;
         5. Из карты районирования территории России по интенсивности дождей определите номер района, в котором будет функционировать проектируемая сеть связи;
         6. По графику статистического распределения среднеминутных значений интенсивности дождей определите вероятность дождя с интенсивностью, полученной в п. 4. Эта величина и будет являться искомой Тд.

Тд меньше или равно ПНГ/3

где ПНГ - величина неготовности для заданного класса качества.

При выполнении этого неравенства считается, что по показателям неготовности данный интервал соответствует норме. В противном случае нужно повторить расчеты для других параметров аппаратуры и диапазона рабочих частот с целью достижения результата.

Условная карта районирования территории России по интенсивности дождей

Статистические распределения среднеминутных значений интенсивности дождей

5. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПО ОШИБКАМ

Показатели качества по ошибкам (ПКО) связаны с быстрыми замираниями на интервалах линии радиосвязи. Основная при-чина быстрых замираний (проходящих за доли секунд) - интерференция прямых и отраженных радиоволн, поступающих на вход приемников. Основные сведения о причинах интерференции приведены в [1, разд. 9.6].
Вероятность появления гладких интерференционных замираний определяется в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т 338-4

Ринт = Ккл Q f ^bR0^dc, %, (7)

где Kкл - климатический фактор;
   b, c , d - коэффициенты;
          Q - фактор условий земной поверхности.
    В разных климатических зонах наблюдаются весьма большие различия при выборе величин, входящих в формулу 13. Данные для их выбора приведены в табл. 7, 8.

Таблица 7

№	Район	Ккл	b	d
1	Сухопутные районы России	4.1 10^-4	1.5	2
2	Приморские районы и районы, расположенные непосредственно вблизи водохранилищ, крупных рек и других водных массивов России	2 10^-3	1.5	2
3	Северо-запад России и Санкт-Петербург	4.1 10^-4	1.5	2
4	Западная Европа	1.4 10^-6	1	3.5
5	Скандинавия	6.8 10^-5	1	3

Таблица 8

№	Климат	с
1	Сухой	0,5
2	Умеренный	1
3	Жаркий, влажный климат или умеренный климат в прибрежных районах	2
4	Прибрежные районы с жарким, влажным климатом	4

Фактор влияния условий земной поверхности Q, учитывающий наличие отраженных волн от поверхности Земли, принимается равным единице.
Расчетное значение параметра

СПСрасч = Pинт 10^{-0.1
M}³, %, (8)

Полученные в результате расчета величины сравниваются с нормами из таблицы 4. При невыполнении норм, необходимо все пересчитать, задаваясь другими параметрами аппаратуры и антенно-фидерного тракта.

6. ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ТИПА АППАРАТУРЫ И ХАРАКТЕРИСТИК АФТ. ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ УРОВНЕЙ НА ПРОЛЕТЕ

В процессе расчета ПНГ и СПС уточняются параметры антенн и аппаратуры и перед выполнением этого раздела курсового проекта должен быть сделан окончательный выбор.
Затем, нужно построить диаграмму уровней для одного из пролетов по аналогии с рис. 1.