Лабораторная работа №1

Лабораторная работа №9.
Исследование потерь достоверности при передаче цифровой
информации по тропосферной линии
Содержание:
I. Теоретическая часть.
1.
2.
3.
4.
Общие характеристики тропосферной связи
Особенности тропосферной связи
Дальнее тропосферное распространение
Расчет потерь достоверности при передаче цифровой информации по
тропосферной линии
II. Расчѐтная часть.
III.Требования к оформлению.
Контрольные вопросы:
1. Вследствие чего создается электромагнитное поле далеко за горизонтом и каковы особенности дальнего тропосферного распространения УКВ?
2. Что такое потери усиления антенн?
3. Что происходит с сигналом вследствие многолучевого распространения радиоволн с частотной и временной областях?
4. Что такое медианная мощность сигнала?
5. От чего зависит вероятность ошибок при передаче цифровой
информации по ТРРЛ?
I. Теоретическая часть.
1. Общие характеристики тропосферной связи
Открытие в начале 50-х годов эффекта дальнего тропосферного
распространения (ДТР) дециметровых и сантиметровых волн позволило
существенно расширить инженерные возможности создания многоканальных
радиорелейных линий. Были созданы тропосферные радиорелейные системы
передачи (ТРСП) пропускной способностью до 120 ТЧ каналов с
расстоянием между соседними станциями 300...400 км, а в отдельных
случаях - и 600...800 км.
Предельная дальность тропосферной связи без ретрансляции составляет
около 1000 км, но достигается она лишь на отдельных уникальных линиях
связи. Так на линии тропосферной связи Вашингтон-Лондон, проходящий
через Канаду, Гренландию, Исландию, имеется интервал протяженностью
около 1100 км. Обычно связь между соседними станциями осуществляется
на интервале R =150...500 км.
Тропосферной называют радиосвязь на дециметровых и сантиметровых
волнах, основанную на явлении ДТР - проникновение радиоволн, рассеянных
и отраженных неоднородностями тропосферы, далеко за пределы горизонта.
Это обусловливается изменениями метеорологических параметров воздуха
(температуры, влажности, давления), приводящими к изменению
относительной диэлектрической проницаемости. Такие неоднородности
турбулентного и слоистого характера всегда существует во всей толще
тропосферы - от поверхности Земли до верхней границы, поэтому тропосферная связь возможна независимо от времени года и суток.
Для бывшего СССР с его огромной территорией ТРСП представляли особый
интерес, поскольку позволяли обеспечить современными средствами связи
отдаленные и труднодоступные районы Севера и Дальнего Востока. Для
ТРСП выделены полосы частот в диапазонах 1,0; 2,0 и 4,5 ГГц. Медианное
затухание сигнала на участке распространения может достигать значений
200-250 дБ в худшие по условиям распространения радиоволн зимние
месяцы, т.е. быть большим, чем для РРЛ, на 80... 100 дБ. При этом сигнал
претерпевает медленные и быстрые замирания.
Для обеспечения устойчивой связи в условиях большого общего затухания
приходится создавать аппаратуру с энергетическими параметрами,
значительно лучшими, чем параметры РРЛ прямой видимости. Мощность
передатчика достигает 3...10 кВт, а в отдельных случаях - и 100 кВт, размеры
антенн могут превышать 1000 м2, используются малошумящие входные
усилители, специальные устройства понижения порогового уровня ЧМ
сигнала.
Если не принимать специальных мер, то при наличии интерференционных
замирании на ТРСП приходится иметь большие запасы по энергетике (для
устойчивой работы в 99,9% времени запас на медианное затухание сигнала
должен составлять 28 дБ). Поэтому в аппаратуре должны предусматриваться
методы борьбы с замираниями.
Поскольку станции располагаются всегда вблизи населенных пунктов, в
которых выделяется часть каналов, применяется демодуляция сигнала на
каждый из них, транзит по промежуточной частоте не используется. Все
станции - обслуживаемые и имеют собственные энергобазы.
Многолучевой характер распространения сигнала в тропосферных радиорелейных линиях (ТРРЛ) определяет селективный характер замираний и, как
следствие этого, искажения передаваемых сигналов - возникновение
переходных шумов при передаче многоканальных сообщений.
2. Особенности тропосферной связи
Тропосферная связь имеет специфические особенности, обусловленные
непосредственно явлением ДТР.
 Ввиду весьма низкой эффективности рассеяния и отражения энергии
радиоволн неоднородностями тропосферы потери на участке распространения весьма велики и очень быстро растут с увеличением
расстояния и укорочения длины волны. Например, в диапазона 1 ГГц и
при интервале R = 300 км потери на тропосферной линии достигают
200...250 дБ, оказываясь практически такими же, как на линии
спутниковой связи протяженностью в несколько десятков тысяч
километров. Следовательно, тропосферная связь требует значительных
энергетических затрат - применения мощных передатчиков,
высокочувствительных
приемников
и
антенн
с
большим
коэффициентом усиления.
 На уровень сигнала ДТР влияет рельеф местности, простирающейся на
некотором расстоянии перед антеннами в направлении на
корреспондента. Находящиеся здесь возвышенности (лес, крупные
строения) могут оказывать вредное экранирующее действие. Лучше
всего тропосферные станции располагать на высотах, перед которыми
в сторону корреспондента имеется открытая местность.
 Устойчивость
тропосферной
связи
сильно
зависит
от
метеорологических условий и, следовательно, от климатических
особенностей района, по которому проходит трасса. При теплом и
влажном морском климате тропосферная связь осуществляется с
меньшими энергетическими затратами, чем при холодном и сухом
континентальном.
 Поскольку явление ДТР характеризуется направленностью потока
переизлученной электромагнитной энергии, для обеспечения
максимального уровня сигнала на выходе приемной антенны
недостаточно просто "скрестить" в тропосфере диаграммы
направленности антенн. Необходимо сделать это на минимальной
высоте и в вертикальной плоскости, проходящей через точки
размещения антенн передающей и приемной станций.
 Антенны в ДТР не реализуют полностью того усиления, которым они
обладают в условиях свободного пространства. Поэтому при определении необходимых параметров приемника и антенны в каждом случае
приходится принимать отдельное решение.
 Сигнал ДТР не стабилен во времени. Средний уровень его подвержен
сезонным колебаниям, причем зимой они ниже, чем летом.
Среднеминутные значения сигнала ДТР претерпевают медленные
случайные замирания, описываемые логарифмически нормальным
законом.
 Мгновенные значения сигнала ДТР непрерывно и быстро флуктуируют
по релеевскому закону. Для борьбы с этим явлением в тропосферной
связи применяют разнесенный прием, что существенно усложняет и
удорожает аппаратуру станций.
 Многолучевая структура радиосигнала при ДТР, для которой
характерна неравномерность запаздывания отдельных составляющих,
приводит к сильному искажению амплитудно- и фазочастотной
характеристик. В результате сужается полоса пропускания и
искажается передаваемый сигнал. Уменьшению этого нежелательного
эффекта и существенному улучшению частотных характеристик также
способствует разнесенный прием.
3. Дальнее тропосферное распространение
ДТР радиоволн на ТРРЛ происходит из-за переизлучений в тропосфере. При
этом имеют все три формы переизлучения:
 рассеяние радиоволн на объемных неоднородностях тропосферы;
 некогерентное отражение от слоистых неоднородностей;
 когерентное отражение от всей толщи тропосферы.
В переизлучении радиоволн участвует объем тропосферы, ограниченный
пересекающимися основными лепестками диаграмм направленности
передающей и приемной антенн, и который называется объемом
переизлучения или объемом рассеяния (на рис. 2.1 обозначен Зона).
Рис. 2.1. Схема переизлучения радиоволн
Интенсивность переизлучения в направлении приемников антенны быстро
уменьшается с увеличением угла рассеяния .
Сложный механизм распространения волн в ТРРЛ, непрерывные изменения
условий распространения, затрудняет количественный анализ происходящих
процессов. По этой причине инженерный расчет множителя ослабления в
ТРРЛ носит полуэмпирический характер, основанный на экспериментальных
данных и статистических зависимостях.
Максимальная
дальность
rmax
распространения радиоволн
из-за
переизлучения зависит от толщины тропосферы hт. При гладкой поверхности
Земли и стандартной рефракции (Rэ= 8500км; g= - 8 *10-8 1/м, при этом точка
пересечения касательных к поверхности Земли, вдоль которых ориентированы диаграммы направленности антенн, должна находиться на высоте
hт):
rmax  8Rýhò
(2.1)
При Rэ= 8500км и hт=15 км rmax= 1000 км.
4. Расчет потерь достоверности при передаче цифровой информации по
тропосферной линии
Передача цифровой информации возможна как в стандартном ТЧ канале (при
скорости передачи в несколько килобит в секунду), так и в специальных
дискретных стволах ТРРЛ. Помехоустойчивость приема в стволах и скорость
передачи в ТРРЛ ограничены из-за селективно-частотных замираний,
вызывающих появление межсимвольной интерференции - несократимых
ошибок, которые при фиксированных значениях параметров антенн и
кратности разнесенного приема не могут быть уменьшены за счет
увеличения мощности передатчиков и чувствительности приемников.
Фронты импульсов при увеличении скорости передачи по ТРРЛ выше
примерно 2 Мбит/с начинают сильно искажаться, что ухудшает
помехоустойчивость.
Вероятность ошибки при скорости замираний, существенно меньшей
cкорости передачи информации (что практически всегда имеет место на
ТРРЛ), состоит из двух составляющих: первая определяется влиянием шумов
и неселективых релеевских замираний рш.N, вторая из-за селективного
характера интерференционных замираний рн.N:
Рош.N= рш.N + рн.N
(2.2)
Рассчитаем для конкретности Рош.N при передаче цифровой информации
методом ОФТ и использовании N-кратного разнесенного приема с
оптимальным некогерентным сложением сигнала. При достаточно больших
средних значениях отношения сигнал-шум n0 и вероятность ошибки
Верхняя граница вероятности несократимой ошибки:
pøN  C2NN1 /(2n0 ) N
Верхняя граница вероятности несократимой ошибки:
(2.3)
pí N  10C
N
2N 1
N
  B 




1
max

1  ln 1 
2  
6
2



B
max

  


где В, Мбит/с – скорость передачи информации;
(2N-1) по N
C 2NN 1 
 max 
N
C 2N
1
(2.4)
- Число сочетаний из
(2 N  1)!
N !( N  1)!

rý  rý
  2 
2c  Rý

(2.5)
max – максимальное запаздывание, с, ("память") канала для направления
максимума ДН антенны на горизонт; с - скорость света; , рад - ширина ДH
антенны по половинной мощности; Rэ=8500 км, эквивалентный радиус
Земли.
При направлении антенны на горизонт линией половинной мощности (рис.
2.1) полученное в (2.5) значение max нужно удвоить.
Значения C2NN 1 приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Значения коэффициента C2NN 1
N
1
2
3
4
8
N
C2 N 1
1
3
10
35
6435
Пример.
ДАНО:
Мощность передатчика РПД=10 кВт
Длина пролета: 250 км
Рабочая частота f=1 ГГц
ширина ДH антенны по половинной мощности =1.2 град, что соответствует
0.02 рад
скорость передачи информации В=1 Мбит/с
rэ=275 км
Кратность приема: N=3
отношения сигнал-шум n0=10 дБ, что соответствует 10 разам
НАЙТИ:
Вероятность ошибки при передаче цифровой информации по тропосферной
линии для заданного значения n0
РЕШЕНИЕ
Вероятность ошибки определяется как:
Рош.N= рш.N + рн.N
Верхняя граница вероятности несократимой ошибки Рош.N :
N
N
3
pø N  C2N
1 /(2n0 )  10 /(2*10)  0.0125
Максимальное запаздывание:
 max 
 275000*0.02  275
rý  rý

 2*0.02   6.63*107 [ñ]
  2  

8
2c  Rý
2*3*10  8500


В формулу (2.4) подставляем удвоенное значение max:
Верхняя граница вероятности несократимой ошибки:
pí N  10C
N
2N 1
N
  B 




1
max


1  ln 1 
2  
6
2



B
max



 

3
 6.63*107 *1 
1

  
 10*10 
1  ln 1  2 *6.63*10712     0.021
6

  


Полная вероятность ошибки:
Рош.N= рш.N + рн.N=0,0125+0,021=0,0335
II. Расчѐтная часть.
ДАНО:
Мощность передатчика РПД=10 кВт
Увеличение эквивалентной длины пролета rэ относительно заданной r - 10%
Рабочая частота f=1 ГГц
Другие исходные данные приведены в таблице вариантов.
Таблица "ВАРИАНТОВ". Красным обозначены номера вариантов.
Длина пролета α,
В,
Кратность приема N и способ
r, км
град. Мбит/с суммирования сигналов
N=2
N=3
N=4
Отношение сигнал/шум n0, дБ
17 18 19 10 11 12 13 14
150
0.8
1.5
1
2
3
4
5
6
7
8
0.9
2
10 11 12 13 14 1 16 17
200
0.7
1.2
19 20 21 22 23 24 25 26
1.1
1.3
28 29 30 31 32 33 34 35
250
1.2
1
37 38 39 40 41 42 43 44
1.3
0.8
46 47 48 49 50 51 52 53
15
9
18
27
36
45
54
НАЙТИ:
1) Вероятность ошибки
при передаче цифровой информации по
тропосферной линии для заданного значения n0
2) Построить график зависимости полной вероятности ошибки Рош.N от n0,
если n0 [5;20] дБ.
III. Требования по оформлению.
1.На первом листе должны быть указаны: - ВУЗ, группа, Ф.И.О., дата,
наименование темы курсовой работы, номер варианта.
2.Привести все исходные данные для вашего варианта из раздела "ДАНО".
3.По каждому вопросу из раздела "НАЙТИ" привести содержание вопроса,
формулу по которой будет произведен расчѐт, значения параметров в
формуле для вашего варианта, ответ, размерность.
4.В конце отчѐта поставить личную подпись.