Проблема электромагнитной совместимости современных радиосистем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФГБОУ ВПО «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ;

УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС «

ФАКУЛЬТЕТ ВЕЧЕРНЕГО ОБУЧЕНИЯ Кафедра «Проектирование, технология электронных и вычислительных средств»

КУРСОВАЯ РАБОТА Тема: «Проблема электромагнитной совместимости современных радиосистем»

Выполнил студент гр. 5−4 Коверов С.А.

Руководитель Донцов В.М.

Орёл, 2013

1. Обозначение проблемы электромагнитной совместимости РЭС

1.1 Причины возникновения проблемы электромагнитной совместимости Прежде чем рассматривать причины возникновения и пути решения проблемы ЭМС, остановимся на некоторых общих и необходимых в дальнейшем понятиях и их определениях.

Радиоэлектронным средством (РЭС) называют техническое средство, состоящее из одного или нескольких радиопередающих и (или) радиоприемных устройств и вспомогательного оборудования. Все составные элементы РЭС размещаются совместно и объединяются общим для них управлением. Примерами РЭС, состоящих только из радиопередающих устройств, могут служить радиовещательные и телевизионные станции, радиопередающие устройства многих радионавигационных систем или, иначе говоря, все радиопередающие устройства, работающие в дежурном режиме. Радиоприемные устройства, работающие с такими радиопередающими устройствами, также являются РЭС, поскольку размещаются отдельно от радиопередающих и во время работы последних управляются самостоятельно. Примерами РЭС, имеющих в своем составе радиопередающие и радиоприемные устройства, являются радиолокационные станции с совмещенными передающими и приемными устройствами и связные радиостанции.

В радиосвязи, радионавигации, радиолокации для решения ряда задач радиоэлектронные средства объединяются в радиотехнические системы (РТС) — совокупности функционально связанных между собой радиоэлектронных средств. Примером простейшей РТС может служить радиолиния, состоящая из двух РЭС — радиопередающего и радиоприемного устройств, связанных между собой через пространство, обеспечивающих решение какой-либо задачи и имеющих в связи с этим общее для них управление.

При совместной работе РЭС, а также различной высокочастотной аппаратуры, электрических устройств и установок могут создаваться непреднамеренные радиопомехи искусственного происхождения (взаимные, индустриальные и контактные), нарушающие нормальное функционирование РЭС или, иначе говоря, электромагнитную совместимость РЭС. Поэтому возникновение проблемы ЭМС РЭС обусловлено теми причинами, которые приводят к появлению указанных непреднамеренных помех и недопустимому по своим результатам их воздействию на РЭС. Остановимся на этих причинах применительно к каждому виду непреднамеренных помех отдельно.

Взаимные радиопомехи возникают при одновременной работе нескольких РЭС как следствие:

большой загруженности диапазона радиочастот РЭС различных назначений; поэтому нередко они работают на совпадающих или близких частотах излучения и приема;

высокой пространственной (или территориальной) плотности размещения РЭС, в результате уровни создаваемых ими помех могут превышать допустимые;

технического несовершенства РЭС, проявляющегося в том, что устройства излучают радиосигналы и подвергаются их мешающему воздействию не только в основной полосе частот, но и за ее пределами.

Индустриальные радиопомехи создаются различной высокочастотной аппаратурой, электрическими устройствами и установками промышленного, транспортного, научного, медицинского, бытового и иного назначения, излучающими электромагнитные колебания радиочастотного диапазона, не предназначенные для передачи какой-либо информации, чаще всего являются паразитными и возникают в результате технических недостатков перечисленных источников этих помех.

Контактные помехи обусловлены переизлучениями электромагнитных волн переменными во времени сопротивлениями между проводящими телами, находящимися в поле излучения радиопередающих устройств. Эти помехи наиболее характерны при размещении РЭС на подвижных объектах и наблюдаются при работе радиопередающих устройств в движении. Воздействие на РЭС недопустимых по уровню взаимных, индустриальных и контактных помех приводит к нарушению ЭМС. При этом к числу причин, усугубляющих остроту проблемы РЭС, следует отнести большие мощности излучения радиопередающих устройств и высокую чувствительность радиоприемных устройств современных РЭС.

Для более полного уяснения существа причин возникновения и воздействия взаимных, индустриальных и контактных помех на РЭС, т. е. в конечном итоге причин возникновения проблемы ЭМС РЭС, рассмотрим их более подробно. Предварительно отметим, что сами РЭС могут быть как объектами воздействия указанных помех, так и их источниками.

ЗАГРУЖЕННОСТЬ ДИАПАЗОНА РАДИОЧАСТОТ И ПЛОТНОСТЬ РАЗМЕЩЕНИЯ РЭС Загруженность диапазона радиочастот (ДРЧ) и пространственная плотность размещения РЭС, а также время их работы в той или иной совокупности РЭС существенно влияют на состояние ЭМС в ней. При этом здесь и в дальнейшем под совокупностью РЭС будем понимать РЭС, размещенные в том или ином территориальном районе, пространстве, на том или ином объекте.

Диапазон радиочастот является ограниченным и охватывает область частот электромагнитных колебаний от 3 кГц до 3000 ГГц. Однако уже к настоящему времени загрузка технически освоенной его части только основными излучениями РЭС такова, что, если не принимать специальных мер, взаимные помехи за счет работы РЭС на совпадающих и близких частотах излучения и приема приводят и будут приводить к нарушению ЭМС РЭС.

Несмотря на это, загруженность ДРЧ за счет увеличения числа РЭС продолжает возрастать. При этом, как показывает практика, уже длительное время рост числа РЭС и необходимых для них радиочастот опережает освоение новых участков ДРЧ. Это можно подтвердить ориентировочными данными за период 1950— 1970 гг, приведенными в табл. 1.1 [1], показывающей опережающий рост числа РЭС основных классов по сравнению с освоением ДРЧ. Период 1970—1980 гг. не внес существенных изменений в соотношение между потребностями в радиочастотах для РЭС и темпами освоения ДРЧ, несмотря на то, что в соответствии с решением ВАКР 1979 г. начиная с 1982 г. введено распределение радиочастот вплоть до 400 ГГц. Пока же продолжается наиболее интенсивное освоение участка частот 10… 15 ГГц. В результате опережающего роста числа РЭС и необходимых для них радиочастот по сравнению с темпами освоения новых участков ДРЧ в настоящее время ощущается недостаток в радиочастотах практически во всей освоенной части радиочастотного пилона. Это усугубляется тем, что наряду с большой и все возрастающей загрузкой освоенной части ДРЧ имеет место ее неодномерность. На неравномерность загрузки ДРЧ существенно влияют также особенности распространения радиосигналов и некоторые другие факторы. В связи с этим в настоящее время наиболее перегруженными оказались метровый, дециметровый и частично гектаметровый диапазоны волн.

Табл. 1.1 — Сравнение увеличения числа РЭС с расширением ДРЧ

Большая загрузка освоенной части ДРЧ зачастую вынуждает назначать РЭС одни и те же близкие рабочие частоты. Это приводит к тому, что при высокой плотности размещения РЭС возникают взаимные помехи по основному и соседним каналам приема, О том, что плотность размещения РЭС является высокой, можно судить по следующим данным. В районе крупных административных центров число РЭС может достигать (50…60)· 103. При этом, например, в США в 1975 г. из общего числа радиостанций, составляющего 5,8 млн. экземпляров, 50% их действовало на 8% территории страны.

ТЕХНИЧЕСКОЕ НЕСОВЕРШЕНСТВО РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ Экспериментальные данные о спектрах передающих устройств современных РЭС свидетельствуют о том, что практически все они излучают не только в необходимой полосе частот, но и далеко за ее пределами (рис. 1.1).

радиосистема электромагнитный совместимость связь Рис. 1.1 — Энергетический спектр радиоизлучения радиопередающего устройства Основное радиоизлучение (1 на рис. 1.1) — излучение радиопередающего устройства в необходимой полосе радиочастот, предназначенное для передачи сигнала.

Нежелательное радиоизлучение (или, иначе говоря, неосновное радиоизлучение) — это излучение радиопередающего устройства за пределами необходимой полосы радиочастот. К нежелательным относятся все показанные на рис. 1.1 радиоизлучения, за исключением основного 1. Они делятся на внеполосные 4 и побочные. К последним относятся: радиоизлучения на гармониках 5, субгармониках 2, комбинационные 6, интермодуляционные 3 и паразитные 7. Если внеполосные излучения являются результатом модуляции сигнала, то побочные возникают как следствие любых нелинейных процессов в радиопередающем устройстве, кроме процесса модуляции. Уровни нежелательных излучений зачастую бывают недопустимо высокими.

В общем случае из-за недостаточного технического совершенства радиопередающих устройств в спектрах их излучений могут присутствовать все виды указанных нежелательных излучений. Поскольку они не используются для передачи полезной информации, то с информационной точки зрения они бесполезны, а с точки зрения ЭМС вредны, так как создают дополнительную загрузку ДРЧ и могут быть одной из основных причин взаимных помех даже таким РЭС, радиоприемные устройства которых настроены на рабочие частоты, далеко отстоящие от частоты настройки мешающего радиопередающего устройства.

Мощность нежелательных излучений многих современных радиопередающих устройств, особенно внеполосных, и на гармониках может значительно превышать мощность основного излучения наиболее массовых РЭС. Однако, даже если уровни нежелательных излучений мешающих радиопередающих устройств мало по сравнению с уровнями основных излучений РЭС, подвергающихся воздействию взаимных помех, при близком расположении РЭС — источников взаимных помех к объектам их воздействия за счет нежелательных излучений также может нарушиться. Другой причиной нерациональной загрузки ДРЧ, создаваемой радиопередающими устройствами и отрицательно сказывающейся на ЭМС РЭС, является нестабильность несущей частоты основного излучения и связанных с ее формированием нежелательных излучений. Так, на несущей частоте 10 ГГц при стабильности частоты занятость ДРЧ увеличивается на 2 МГц, а с учетом нежелательных излучений становится еще больше. Это повышает вероятность возникновения взаимных помех и нарушения ЭМС РЭС. Наличие в спектрах излучений радиопередающих устройств нежелательных излучений и расширение спектров излучений за счет нестабильности частоты обусловлено принципами построения и схемными решениями радиопередатчиков, не устраняющими этих недостатков. Поэтому последние следует считать результатом технического несовершенства радиопередатчиков РЭС с точки зрения ЭМС.

ТЕХНИЧЕСКОЕ НЕСОВЕРШЕНСТВО РАДИОПРИЕМНИКОВ Практика показывает, что, как и радиопередающие, радиоприемные устройства РЭС помимо основного канала имеют большое число неосновных каналов приема — соседних и побочных, не предназначенных и не используемых для приема полезного сигнала, создаваемого основным излучением радиопередающего устройства. Наличие неосновных каналов приема обусловлено недостаточной избирательностью приемников и нелинейными свойствами их каскадов. Неосновные каналы приема обычно имеют место в широкой полосе частот (рис. 1.2).

В супергетеродинных приемниках происхождение большинства неосновных каналов приема связано с самим принципом их построения, т. е. с применением в них преобразования частоты. Поскольку супергетеродинные приемники являются наиболее распространенными, то, если не будет сделано оговорок, все характеристики приема будут рассматриваться применительно к ним. В соответствии с ГОСТ 23 611–79 основным каналом приема (ОКП) радиоприемника называется полоса частот, находящихся в полосе пропускания радиоприемника и предназначенная для приема сигнала. При этом каналы приема, непосредственно примыкающие к основному и обусловленные недостаточной избирательностью радиоприемника вблизи последнего, будем называть соседними (4 на рис. 1.2)[1].

Побочным каналом приема (ПКП) радиоприемника называется полоса частот, находящаяся за пределами ОКП радиоприемника, в которой сигнал проходит на выход радиоприемника. В ГОСТе имеется примечание, из которого следует, что соседние каналы приема (СКП) не входят в число побочных; к последним относятся каналы, включающие промежуточную, зеркальную, комбинационную частоты и субгармоники частоты настройки радиоприемника (2 и 3 на рис. 2).

Рис. 1.2 — Характеристика частотной избирательности супергетеродинного радиоприемника для основного (1), побочного (2), зеркального (3) и соседнего (4) каналов приема В супергетеродинных радиоприемниках большинство ПКП возникает за счет взаимодействия мешающего сигнала и его гармоник с сигналом гетеродина и его гармониками, т. е. связано с преобразованием частоты. Чтобы без необходимости не усложнять вопрос, будем рассматривать радиоприемники с однократным преобразованием частоты. В этом случае воздействующий на приемник сигнал будет принят и проникнет на его выход, если выполняется следующее условие:

(1.1)

где fс — частота воздействующего сигнала; р = 1, 2, 3,… — номера гармоник воздействующего сигнала; fкг — частоты колебаний гетеродина; в их число входят колебания основной частоты и побочные; fпч — промежуточная частота; бкп?1 — коэффициент, учитывающий снижение восприимчивости радиоприемника по каналам приема (за исключением соседних) за счет избирательных свойств тракта, предшествующего смесителю, а также вида колебания гетеродина, участвующего в образовании канала приема; бскп?1 — коэффициент, учитывающий снижение восприимчивости радиоприемника по СКП за счет тех же причин, что и для бкп; ДFпчч — полоса пропускания УПЧ на уровне ч (обычно ч = 3 дБ); практически полоса пропускания по основному каналу приема ДFокпч = ДFпчч; ДFскп — полоса пропускания СКП, которая может определяться исходя, например, из коэффициента прямоугольности ОКП.

Как известно, коэффициент прямоугольности ОКП

Kч = ДFчl/ДFч, (1.2)

где ДFчl — полоса пропускания ОКП на уровне ч1. Практически ч1 выбирается на уровне 30…60 дБ, а иногда и более. Поэтому ч1 >> ч.

Из рис. 1.2 и соотношения (1.2) следует, что полоса пропускания СКП ДFскп = (ДFчl — ДFч)/2. (1.3)

Используя (1.1), можно установить следующие характерные случаи воздействия сигналов по каналам приема.

а) При p = 1

(1.4)

где fг — частота основного колебания гетеродина.

В рассматриваемом случае при выполнении условия

(1.5)

где fP — частота настройки радиоприемника, сигнал (будь то полезный или мешающий) воздействует по ОКП; при этом бкп=1. При выполнении условий:

(1.6)

сигнал (мешающий) воздействует по СКП, примыкающим к ОКП; при этом бк =1, бскп=1.

При выполнении условия

(1.7)

сигнал (мешающий) воздействует по ПКП, называемому зеркальным и имеющему среднюю частоту fзкп, и СКП, примыкающим к зеркальному.

Из (1.4) следует, что во всех трех случаях, соответствующих (1.5) (1.6), (1.7), воздействующие сигналы не подвергаются нелинейному преобразованию в радиоприемнике и проходят через него как через линейный тракт.

б) При р=1 fкг = fпкг и где fпкг — частоты побочных колебаний гетеродина, в число которых входят колебания на гармониках, имеющие частоты nfг, n = 2, 3,…

В данном случае сигнал (мешающий) воздействует по ПКП и при этом, как и в случае «а», не подвергается нелинейному преобразованию в тракте радиоприемника. Иначе говоря, при р=1 возникновение побочных каналов приема не связано с нелинейными явлениями по воздействующему сигналу.

в) При р>1

(1.8)

где fпкг — частоты побочных колебаний гетеродина, включая гармоники, причем возможны значения fпкг = 0, т. е. сигнал гетеродина или не участвует в преобразовании частоты воздействующего сигнала или отсутствует (радиоприемник прямого усиления). При этом

(1.9)

где fр — частота настройки радиоприемника; ДFpч —полоса пропускания основного канала приема.

В рассматриваемом случае сигнал (мешающий) воздействует по ПКП, но в отличие от случая «б» он подвергается нелинейному преобразованию (р>1). Это означает, что когда в радиоприемнике образуются гармоники воздействующего сигнала, возникновение ПКП связано с нелинейными явлениями. Учитывая, что возникновение ПКП может быть связано и не связано с нелинейными явлениями, целесообразно разделить их на линейные и нелинейные. Такое деление позволит не только судить о том, участвуют или не участвуют нелинейные элементы в образовании побочных каналов, но и принимать меры по снижению восприимчивости радиоприемника к непреднамеренным помехам, учитывающие причины возникновения ПКП. Поэтому в дальнейшем будем называть:

линейными (ЛПКП) побочные каналы приема, которые образуются за счет взаимодействия в смесителе первой гармоники воздействующего сигнала (р=1) с первой гармоникой сигнала гетеродина (п=1) и всеми его побочными колебаниями; в радиоприемнике прямого усиления ЛПКП отсутствуют;

нелинейными (НПКП) побочные каналы приема, которые образуются в результате возникновения на нелинейных элементах радиоприемника гармоник воздействующего сигнала (р>1), удовлетворяющих частотным условиям их прохождения на выход радиоприемника; НПКП имеются как в супергетеродинных, так и в радиоприемниках прямого усиления.

Определим средние частоты побочных каналов приема. Для супергетеродинного радиоприемника, положив в (1.1) fпкп = fс и приняв fпч за среднюю частоту полосы пропускания усилителя промежуточной частоты (УПЧ), получим

(1.10)

где fкг — частоты любых колебаний гетеродина.

На практике к числу более опасных с точки зрения нарушения ЭМС РЭС относятся ПКП, образуемые за счет взаимодействия мешающего сигнала и его гармоник с основным сигналом гетеродина и его гармониками. Для этого случая из (1.10) получим

(1.11)

при этом сумму р+п называют порядком ПКП.

Выразим fпкп через частоту настройки радиоприемника fр, введя предварительно следующее соотношение:

fг = fр + е fпч, (1.12)

где е = 1 при верхней и е = -1 при нижней настройке гетеродина.

Подставляя (1.12) в (1.11), будем иметь

(1.13)

Из (1.13) при п = 0 и n = 1 получим

(1.14), (1.15)

Побочные каналы приема со средними частотами, определяемыми соотношениями (1.14), (1.15), возникают за счет мешающих сигналов, являющихся субгармониками сигналов с частотами fпч, fр и fзкп.

Для радиоприемника прямого усиления, полагая в (1.9) в качестве средней частоты ПКП частоту настройки fр, получаем

fпкп = fр/p. (1.16)

Таким образом, радиоприемник прямого усиления имеет ПКП только на субгармониках частоты его настройки, т. е. только НПКП.

Из числа ПКП вида (1.13) наиболее восприимчивы к помехам каналы, имеющие сравнительно небольшую расстройку по частоте относительно ОКП. Это объясняется тем, что если не принимаются специальные меры, сигналы, воздействующие по таким каналам, недостаточно ослабляются каскадами радиоприемника, предшествующими смесителю. К числу указанных относятся: зеркальный канал (р=п=1); каналы, образуемые в результате взаимодействия гармоник сигнала и гетеродина одинакового, но невысокого порядка (р= п=2,3); каналы, соответствующие ближайшим субгармоникам частоты настройки радиоприемника и частоты зеркального канала (n=1, р=2), и канал приема на промежуточной частоте (п=0, р=1).

Ранее рассматривался случай однократного преобразования частоты. Но, как известно, на практике для снижения восприимчивости радиоприемника к непреднамеренным помехам, воздействующим по зеркальному каналу приема, нередко применяется двукратное и трехкратное преобразование частоты. С увеличением числа преобразований появляются условия для возрастания числа ПКП. Кроме того, широко применяется способ получения сигнала гетеродина с нужной частотой путем умножения частоты некоторого исходного колебания и смешивания полученных в результате этого вспомогательных колебаний. При этом, если фильтрация в цепях формирования сигнала гетеродина недостаточна, число ПКП увеличивается. Таким образом, из рассмотренного следует, что несовершенство характеристик приема радиоприемника, проявляющееся в наличии неосновных каналов приема (соседних и побочных), вредных с точки зрения ЭМС, обусловлено принципами построения и схемными решениями, применяемыми в них.

Однако воздействие мешающих сигналов на радиоприемник, будь то взаимные, индустриальные или контактные помехи, может быть связано не только с непосредственным проникновением их на выход радиоприемника по основному и неосновным каналам приема. Имеют место также более сложные случаи воздействия помех на радиоприемник, связанные, как и образование НПКП, с нелинейными процессами в радиоприемнике. При этом помехи могут как проникать, так и не проникать на выход, оказывая тем не менее и в последнем случае мешающее воздействие.

Реальные радиоприемники всегда имеют в своих трактах каскады с нелинейными амплитудными характеристиками. Нелинейность этих характеристик, помимо появления НПКП, приводит к так называемым явлениям интермодуляции, перекрестных искажений и блокированию полезного сигнала в радиоприемнике.

Интермодуляцией в радиоприемнике называется возникновение помех на его выходе при действии на входе двух и более сигналов, частоты которых не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема радиоприемника. Явление интермодуляции и сопровождающие его интермодуляционные помехи возникают за счет нелинейного взаимодействия в радиоприемнике двух и более мешающих сигналов и их гармоник либо между собой, либо между собой и затем с сигналом гетеродина и его гармониками. При этом как гармоники, так и продукты взаимодействия указанных составляющих образуются за счет нелинейных свойств высокочастотных каскадов (в супергетеродинном радиоприемнике до преобразователя частоты включительно).

При однократном преобразовании частоты условие возникновения интермодуляционных помех в общем виде можно записать как

(1.17)

где f1, f2,…, fi — частоты мешающих сигналов; p1, p2,…, pi — числа, соответствующие при pi?1 номерам гармоник; pi могут также принимать значение 0, что соответствует отсутствию сигнала.

Интермодуляционные помехи могут проникать в тракт УПЧ по различным каналам приема как при наличии, так и при отсутствии полезного сигнала. Отметим, что порядком интермодуляции и соответственно порядком интермодуляционных помех (составляющих) называется сумма коэффициентов pi участвующих в интермодуляции мешающих сигналов.

При воздействии на радиоприемник большого числа внешних мешающих сигналов число составляющих интермодуляционных помех, удовлетворяющих условию (1.17), может быть велико. Поэтому в общем случае картина образования интермодуляционных помех оказывается трудно обозримой. Однако на практике анализировать ее целиком нет необходимости и достаточно ограничиться двумя-тремя воздействующими сигналами и их гармониками не выше второй. Дело в том, что, во-первых, при реально ограниченном общем числе мешающих сигналов, воздействующих на радиоприемник, вероятность образования интермодуляционной помехи с увеличением числа участвующих в интермодуляции сигналов будет уменьшаться и, во-вторых, с увеличением номеров гармоник мешающих сигналов, участвующих в интермодуляции, уровень интермодуляционной помехи, а значит, и ее опасность будут снижаться.

По этим причинам обычно ограничиваются рассмотрением случая, когда на супергетеродинный радиоприемник воздействуют два мешающих сигнала. Для этого случая

(1.18)

Для двух мешающих сигналов, воздействующих, например, на радиоприемник со сравнительно низкой fпч (fпч < fрн, где fрн — нижняя частота диапазона перестройки), можно отметить наиболее характерные и опасные интермодуляционные помехи следующих видов:

f1 — f2 = fP (1.19а)

(рис. 1.3, а); этот вид интермодуляционных помех может иметь место как в супергетеродинном радиоприемнике, так и в радиоприемнике прямого усиления;

Рис. 1.3 — Зависимость коэффициента передачи преселектора радиоприемника от частоты[1]

Особенности и опасность показанных на рис. 1.3 случаев образования интермодуляционных помех определяются тем, что, во-первых, исходные мешающие сигналы могут недостаточно ослабляться в тракте, который предшествует нелинейному каскаду (особенно если этот каскад является первым в радиоприемнике) и в котором происходит интермодуляция, и, во-вторых, образовавшиеся интермодуляционные составляющие проходят на выход по каналам приема, имеющим сравнительно высокую восприимчивость к помехам. Это, однако, не означает, что совершенно исключается возможность возникновения интермодуляционных помех других видов и прохождения их в тракт УПЧ по другим побочным каналам приема.

Перекрестным искажением в радиоприемнике называется изменение структуры спектра сигнала на выходе радиоприемника при действии сигнала и модулированной радиопомехи, частота которой не совпадает с частотами основного и побочных каналов радиоприемника. Перекрестные искажения могут быть амплитудными и фазовыми.

Возникновение перекрестных искажений в радиоприемниках можно пояснить следующим образом. При наличии во входной части радиоприемника каскадов с нелинейными амплитудными и амплитудно-фазовыми характеристиками комплексный коэффициент передачи ее оказывается зависящим от амплитуды воздействующих сигналов. В результате этого при воздействии амплитудно-модулированной помехи полезный сигнал в общем случае одновременно модулируется по амплитуде и фазе, т. е. появляются амплитудные и фазовые искажения, которые во временном представлении выходного сигнала проявляются в виде его модуляции, а в частотном — в виде новых спектральных составляющих. Если нелинейной является только амплитудная или только амплитудно-фазовая характеристика, будет иметь место один из видов перекрестных искажений: амплитудные или фазовые. Из сказанного следует, что при перекрестных искажениях сам мешающий сигнал не проникает на выход радиоприемника и его мешающее воздействие проявляется в искажении полезного сигнала.

Для приемников амплитудно-модулированных сигналов существенное значение имеют амплитудные искажения и, как правило, на качество приема не оказывают заметного влияния фазовые искажения. Для приемников сигналов с угловой модуляцией — наоборот, а в случае однополосной модуляции могут быть мешающими оба вида искажений.

Блокированием в радиоприемнике называется изменение уровня сигнала или отношения сигнал-шум на выходе радиоприемника при действии радиопомехи, частота которой не совпадает с частотами основного и побочных каналов приема радиоприемника. Явление блокирования может иметь место как совместно с перекрестными искажениями, так и без них. Последний случай наблюдается при воздействии на радиоприемник немодулированной помехи. Причиной блокирования является наличие каскадов с нелинейной амплитудной характеристикой, в результате чего при воздействии помехи с уровнем, при котором проявляются нелинейные свойства какого-то каскада (или каскадов), коэффициент усиления каскада, а значит, и радиоприемника изменяется. Блокирование происходит, как правило, во входных каскадах (в супергетеродинном радиоприемнике до преобразователя частоты включительно) и может приводить как к увеличению, так и к уменьшению коэффициента передачи нелинейных каскадов. Однако практически чаще всего блокирование проявляется как уменьшение коэффициента усиления, а значит, и уменьшение сигнала и отношения сигнал-шум на выходе радиоприемника. Это приводит к ухудшению качества функционирования РЭС.

Блокирование является типичным случаем воздействия помех, когда сами помехи ни в каком виде не проникают на выход радиоприемника и, тем не менее, оказывают мешающее воздействие. При интермодуляции, перекрестных искажениях, блокировании образовании нелинейных побочных каналов приема проявляется техническое несовершенство радиоприемников, состоящее в том, что их каскады являются нелинейными или, по крайней мере, недостаточно линейными, чтобы при практически возможных уровнях помех их нелинейные свойства не проявлялись.

Все рассмотренные случаи воздействия взаимных, индустриальных и контактных помех на радиоприемник, вызывающие отрицательные последствия, в принципе возможны в широкой полосе частот, значительно превышающей полосу пропускания основного канала приема и тем большей, чем хуже избирательность высокочастотной части радиоприемника и линейность ее каскадов, а также чем выше уровень мешающих сигналов в этой полосе.

Как и для радиопередатчиков, отрицательно на ЭМС РЭС сказывается нестабильность частот принимаемых сигналов и сигнала гетеродина, а также нестабильность ширины полосы пропускания УПЧ. Это приводит к необходимости расширения полос пропускания основного, а значит, и побочных каналов приема радиоприемников, и в конечном итоге — к дополнительной нерациональной загрузке ДРЧ и ухудшению ЭМС РЭС.

НЕСОВЕРШЕНСТВО ЭКРАНИРОВКИ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ, РАДИОПРИЕМНИКОВ И ИХ АНТЕНН Из-за недостаточной экранировки передатчиков, приемников, фидерных или волноводных трактов, цепей питания, управления и коммутации, а также недостаточной фильтрации в последних РЭС могут излучать и принимать сигналы помимо антенны. При этом диаграммы излучения и приема отличаются случайным характером.

Излучения передающих устройств РЭС помимо антенны могут оказывать мешающее воздействие на другие радиоэлектронные средства, т. е. являться взаимными помехами. Проникновение мешающих сигналов на вход приемника или его отдельных каскадов, минуя антенну, будет приводить к таким же нежелательным последствиям, как и воздействие их через антенну. При размещении РЭС на объектах зачастую для их электропитания используются общие источники, а для управления — общие цепи. И те и другие также могут служить каналами для проникновения в приемники РЭС помех Некоторые присущие антеннам свойства также отрицательно влияют на ЭМС РЭС. Во-первых, широкие полосы пропускания реальных передающих и приемных антенн обеспечивают высокий уровень сигналов при излучении и приеме в полосе частот, составляющей несколько октав. Во-вторых, антенны направленного действия нередко имеют такие уровни боковых и задних лепестков, при которых излучаемые и принимаемые ими мешающие сигналы ослабляются недостаточно. При этом диаграммы направленности антенн в рабочей полосе частот и за ее пределами обычно существенно отличаются. В результате не обеспечивается необходимая пространственная селекция источников помех как в рабочей полосе частот, так и за ее пределами.

ТЕХНИЧЕСКОЕ НЕСОВЕРШЕНСТВО ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ АППАРАТУРЫ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И УСТАНОВОК. КОНТАКТЫ, ПЕРЕИЗЛУЧАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ Электромагнитные поля в пространстве помимо РЭС создает многочисленное и широко применяемое оборудование в виде высокочастотной аппаратуры, электрических устройств и установок, а также переменные контакты, находящиеся в поле излучения радиопередающих устройств РЭС. Поля, создаваемые источниками индустриальных и контактных помех, не предназначены для передачи какой-либо информации, а лишь дополнительно загружают РЧД, выступая при этом в качестве мешающих для РЭС.

Источники индустриальных помех могут либо быть внешними по отношению к РЭС и ни функционально, ни по месту размещения не связанными с ними, либо непосредственно входить в состав аппаратуры или оборудования РЭС (гетеродины радиоприемников, источники питания, переключающие и коммутирующие устройства и т. п.), а также располагаться на тех же объектах, что и РЭС.

Возникновение излучений высокочастотной аппаратуры (в том числе излучений гетеродинов радиоприемников), электрических устройств и установок, создающих индустриальные помехи РЭС, связано, с одной стороны, с процессами протекания токов высокой частоты или содержащих высокочастотные составляющие (в том числе в виде электрических разрядов, наблюдаемых, например, в высоковольтных линиях электропередач, в различных контактных устройствах при их прерывании, в коллекторных электродвигателях, в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, в сварочных аппаратах и т. п.), а с другой — с недостаточной фильтрацией в цепях источников излучений и недостаточной экранировкой этих цепей и источников индустриальных помех в целом. Таким образом, причинами возникновения индустриальных помех являются технические недостатки высокочастотной аппаратуры, электрических устройств и установок, приводящие к излучениям в РЧД.

Индустриальные помехи, создаваемые многими источниками, бывают весьма широкополосными. При этом для электрических устройств и установок самого различного назначения регламентируются только уровни помех, создаваемых этими источниками. Для высокочастотной аппаратуры и установок регламентированы не только уровни, но и полосы частот, в которых они могут создавать индустриальные помехи РЭС.

При размещении РЭС на подвижных объектах и особенно при работе их в движении наблюдаются контактные помехи, уровни которых, как показывает практика, могут быть настолько высокими, что радиоприем становится невозможным. Подвижные объекты (автомобили, поезда, самолеты, корабли и т. п.), на которых размещаются РЭС, содержат большое число соединенных между собой металлических элементов, образующих систему контактов. Одни из них благодаря жесткому или надежному соединению элементов оказываются постоянными, другие же при движении, особенно в случае нежесткого соединения элементов объекта, оказываются переменными. Имеются также контакты, сопротивления между которыми являются нелинейными.

Находясь в поле излучения передающего устройства РЭС, переменные контакты и контакты с нелинейными сопротивлениями создают поля вторичного излучения, в спектре которых появляются составляющие, отличные от спектра передающего устройства. Эти составляющие и образуют контактные помехи приемным устройствам РЭС, размещенным на подвижном объекте. Считается, что основную роль в создании контактных помех играют переменные контакты, поскольку эти помехи проявляются практически только в движении.

Спектры частот контактных помех сосредоточены вблизи частот основного и неосновных излучений передающего устройства. При одновременной работе нескольких передающих устройств образуются также комбинационные составляющие, расширяющие спектр контактных помех. Уровень и структура контактных помех зависит от многих факторов, к числу которых относятся:

мощности, частоты и спектры основного и неосновных излучений передающего устройства;

число одновременно работающих на объекте передающих устройств;

геометрические размеры, форма и конструктивные особенности объекта;

материал и состояние облучаемых конструкций, образующих переменные контакты (сопротивления их зависят, например, от степени загрязненности, электрических свойств смазки между трущимися элементами);

скорость движения объекта;

дорожные и погодные условия.

Возникновение контактных помех зачастую связано с техническими недостатками как конструкций самих объектов, так и соединений между их элементами.

1.2 Технические характеристики радиоэлектронных средств, влияющие на их электромагнитную совместимость Из изложенного выше следует, что большинство причин возникновения проблемы ЭМС РЭС обусловлено техническим несовершенством самих РЭС. Как источники и объекты воздействия непреднамеренных помех они имеют специфические характеристики, которые называют техническими характеристиками РЭС, влияющими на их ЭМС.

Учитывая особенности различных технических характеристик РЭС, влияющих на ЭМС, целесообразно разделить их на классы, приняв за основу деления два признака: отношение к РЭС как источнику и объекту воздействия непреднамеренных помех и связь с обеспечением функционирования РЭС. В соответствии с первым признаком к характеристикам радиопередающего устройства, влияющим на ЭМС РЭС, относятся характеристики излучения в широкой полосе частот, т. е. его характеристики как источника непреднамеренных помех (взаимных и индустриальных), а также характеристики восприимчивости к излучениям, т. е. его характеристики как объекта воздействия непреднамеренных помех, приводящие, например, к возникновению интермодуляционных и шумовых излучений, либо к иным отрицательным последствиям.

По этому же признаку к характеристикам радиоприемного устройства, влияющим на ЭМС РЭС, относятся характеристики приема в широкой полосе частот, т. е. его характеристики как объекта воздействия непреднамеренных помех, а также характеристики излучения, т. е. его характеристики как источника индустриальных помех.

В соответствии со вторым признаком технические характеристики РЭС, влияющие на их ЭМС, можно разделить на связанные и не связанные с обеспечением функционирования РЭС. К первым относятся все характеристики, от которых зависит решение задач, возлагаемых на РЭС. Те характеристики, которые влияют на ЭМС, но не являются необходимыми для решения РЭС своих задач, будем относить к несвязанным с обеспечением функционирования РЭС.

Перечень технических характеристик РЭС, влияющих на ЭМС, составленный на основе ГОСТ 23 611–79 и ГОСТ 23 872–79, включает:

для передающих устройств рабочие частоты;

основное радиоизлучение через антенну;

главный лепесток диаграммы направленности антенны (ДНА) при радиоизлучении на рабочих частотах;

временной режим работы на излучение;

боковые и задние лепестки ДНА при радиоизлучении на рабочих частотах;

внеполосное и побочное радиоизлучение через антенну;

ДНА на частотах внеполосных и побочных излучений;

радиоизлучение помимо антенны;

восприимчивость к радиопомехам, вызывающим интермодуляционные радиоизлучения;

восприимчивость к помехам по цепям питания, управления, коммутации, заземления;

нестабильность частоты радиоизлучения;

электромагнитное излучение оборудования (индустриальные помехи);

для приемных устройств рабочие частоты;

характеристика частотной избирательности (ХЧИ) по основному каналу приема;

главный лепесток ДНА при приеме на рабочих частотах;

временной режим работы на прием;

боковые и задние лепестки ДНА при приеме на рабочих частотах;

ХЧИ по соседнему и побочным каналам приема;

ХЧИ по блокированию;

ХЧИ по перекрестным искажениям;

ХЧИ по интермодуляции;

ДНА на частотах соседних и побочных каналов приема, блокирования, перекрестных искажений и интермодуляции;

восприимчивость к радиопомехам помимо антенн;

восприимчивость к помехам по цепям управления, питания, коммутации и заземления;

нестабильность частоты гетеродина;

радиоизлучение гетеродина (индустриальные помехи);

электромагнитное излучение оборудования (индустриальные помехи).

1.3 Основные пути обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и систем Обеспечение ЭМС радиоэлектронных средств и систем сводится к обеспечению такого состояния той или иной функционирующей совокупности РЭС, при котором излучения самих РЭС, источников индустриальных и контактных помех не приводят к нарушению нормальной работы радиоэлектронных средств и систем, входящих в состав этой совокупности. При этом основу обеспечения ЭМС РЭС и систем составляет борьба с взаимными, индустриальными и контактными помехами. Это означает, что ЭМС может быть обеспечена, если эти помехи либо вообще будут отсутствовать, либо, что более реально, их уровни или уровни полезных сигналов (в случае блокирования) на входах оконечных устройств РЭС, находящихся под воздействием помех, не будут нарушать нормальной работы последних. Такое состояние достигается:

наделением самих РЭС свойствами, обеспечивающими снижение или исключение взаимных помех;

максимальным снижением уровня помех, создаваемых источниками индустриальных и контактных помех;

снижением восприимчивости РЭС к непреднамеренным помехам;

обеспечением таких условий работы РЭС, при которых непреднамеренные помехи сводятся к минимуму или исключаются вообще.

Для достижения такого состояния используются технические и организационные способы. К техническим относятся способы обеспечения ЭМС, реализуемые при разработке и изготовлении РЭС и систем, высокочастотной аппаратуры, электрических устройств и установок в виде технических решений, включающих в числе других соответствующее оборудование мест их размещения, а при эксплуатации — в виде дополнительных технических решений или изменений, вносимых в имеющиеся.

К организационным способам обеспечения ЭМС РЭС относятся:

реализуемые при планировании использования радиочастотного спектра и состоящие в распределении полос радиочастот между радиослужбами различных назначений, выделении и присвоении радиочастот вновь разрабатываемым и модернизируемым РЭС, разработке рекомендаций и норм (стандартов), направленных на обеспечение ЭМС РЭС;

реализуемые при проектировании и изготовлении РЭС, а также различной высокочастотной аппаратуры, электрических устройств и установок и представляющие контроль выполнения рекомендаций и норм (стандартов), направленных на обеспечение ЭМС РЭС;

реализуемые в процессе эксплуатации РЭС и состоящие в распределении радиочастот между РЭС внутри радиослужб и назначении рабочих и запасных радиочастот конкретным РЭС, а также в таком размещении РЭС на местности (или в пространстве) и в такой организации их работы, при которых непреднамеренные помехи им сводятся к необходимому минимуму.

2. Обзор современных радиосистем Беспроводная передача данных в настоящее время переживает своеобразный бум. Если с речевым обменом все в достаточной степени понятно, он нужен всем, везде и всегда, то в области беспроводной передачи данных ситуация не столь однозначна. Крупнейшие разработчики технологий и производители элементной базы лихорадочно пытаются определить тенденции развития рынка, то есть интересы потребителя. Возникают и тихо угасают технологии и связанное с ними производство компонентов, вопросов много больше, чем ответов.

Сети передачи данных могут быть классифицированы следующим образом[2]:

автономные локальные сети (потоки данных территориально замкнуты в пределах предприятия, офиса, дома, квартиры);

локальные сети с выходом в транспортную (первичную) сеть (часть потребителей имеет выход за пределы локальной сети, например, в Интернет);

сети непосредственного доступа потребителей в транспортную сеть.

Подобная упрощенная классификация в данном случае вполне достаточна (см. рис.2.1).

Рис. 2.1 — Классификация сетей передачи данных Современные телекоммуникационные сети строятся и оптимизируются согласно двухуровневой иерархии: магистральные транспортные сети и сети доступа, что гораздо экономичнее и удобнее для построения открытых систем и доставки интегрированных услуг. При строительстве сети до 90% всей стоимости приходится на ее нижнее звено, т. е. на местную сеть, или сеть доступа. Для решения проблемы «последней мили «сегодня предложен целый ряд технологий. «Последняя миля «— это часть телекоммуникационной сети связи общего пользования, расположенная между точкой распределения ресурса первичной сети и абонентским оборудованием. Кроме традиционных проводных технологий для распределения информации используются беспроводные системы абонентского доступа и ряд других технологий. Диапазон телекоммуникационных услуг, предоставляемых сейчас конечным пользователям, достаточно широк: передача данных, доступ в Интернет, телефония, интерактивное видео, связь с подвижными объектами. Каждую из услуг можно подразделить далее в соответствии с предлагаемым уровнем производительности и качества.

Типовая структура системы абонентского доступа, как правило, включает в себя сеть доступа (access network) и сеть распределения (distribution network).

Далее будем использовать следующие определения (см. рис.2.1):

абонентский терминал (АТ) — приемно-передающее радиоустройство небольших размеров с внутренней или внешней антенной. Оконечное пользовательское оборудование подключается непосредственно к абонентскому терминалу и через радиоканал имеет доступ к сети связи;

точка доступа (ТД) — устройство, обеспечивающее связь абонентов сети доступа с телекоммуникационной (первичной) сетью доступа;

точка распределения (ТР) — элемент первичной сети, обеспечивающий организацию сети распределения с точками доступа.

Термин «сеть распределения «подразумевает часть сети между точкой доступа и точкой распределения. Сеть распределения может отсутствовать, если сеть доступа начинается непосредственно от точки распределения ресурса транспортной сети. В точке доступа должна обеспечиваться реализация протоколов сети доступа при взаимодействии с абонентскими терминалами, протоколов сети общего пользования при работе с узлом коммутации, а также взаимное конвертирование этих протоколов и управление потоком данных в системе абонентского доступа. На практике эти функции выполняют маршрутизаторы (в сетях передачи данных), концентраторы и базовые станции (в сотовых сетях и системах беспроводного абонентского доступа) и некоторые другие устройства. Как для сети доступа, так и для сети распределения могут быть использованы различные технологии; можно развертывать и гибридные сети. Допустимы разнообразные конфигурации сетей, которые зависят от требуемой пропускной способности, стоимости планируемой сети, топологии, ограничений, вводимых различными регулирующими организациями и т. д.

Классификация систем беспроводного абонентского доступа (WLL (Wireless Local Loop) или RLL (Radio Local Loop)) также может быть проведена по целому ряду параметров — структуре, используемому диапазону частот, содержанию трафика и т. п.

Общепринятой классификации систем WLL на сегодняшний день не существует, однако возможна некоторая систематизация по основным характеристикам (см. табл.2.1, [2]).

Табл. 2.1 — Систематизация характеристик WLL

Основное назначение систем «точка — точка «в инфраструктуре «последней мили «— это подключение небольших сосредоточенных систем связи (локальной сети, учрежденческой АТС и т. д.) к корпоративным сетям, сетям связи общего пользования или телекоммуникационным узлам. Сотовые системы и системы «точка — многоточка «применяются в тех случаях, когда нужно подсоединить к узлу системы связи разрозненные группы абонентов. Существует широкое многообразие WLL-систем этих двух типов, что вынуждает классифицировать системы с сотовой структурой и структурой «точка — многоточка «по характеру их трафика. Можно выделить три основных класса таких систем:

системы абонентского доступа к сетям передачи данных;

системы для подключения абонентов к телефонной сети общего пользования;

системы интегрального типа.

В свою очередь, системы абонентского доступа к сетям передачи данных можно разделить на следующие подклассы:

системы, ориентированные на обслуживание абонентов с небольшой индивидуальной интенсивностью коротких транзакций (системы мониторинга различного назначения, платежные системы безналичного расчета и др.);

системы, ориентированные на обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам (Интернет, услуги ISDN, удаленный доступ к локальным компьютерным сетям и др.).

Радиосистемы для подключения абонентов к телефонной сети общего пользования (ТФ-ОП) иногда еще называют «телефонными радиоудлинителями». Часто беспроводные «телефонные удлинители» предоставляют также услуги передачи данных и факсимильных сообщений.

Системы интегрального типа совмещают в себе системы первых двух типов и являются более универсальными. Кроме обеспечения телефонной связи, системы интегрального типа могут обслуживать абонентов, передающих данные и видеоинформацию. Причем абоненты, передающие данные, могут работать в широком диапазоне скоростей передачи — от 1200 бит/с до десятков и даже сотен килобит в секунду. Неотъемлемой задачей таких систем является также обеспечение доступа абонентов к услугам цифровых сетей связи с интеграцией служб (ISDN).

Не вдаваясь в подробности, можно отметить, что передача данных, как один из видов связи, обладает самыми высокими требованиями к достоверности передаваемой информации. Передача файлов, например, обычно не терпит ошибок вообще.

Посмотрим, что могут предложить нам существующие технологии и компоненты. Для ориентации используем рис. 2.2, на котором изображено примерное позиционирование ряда технологий беспроводной передачи данных в координатах «дальность связи — скорость передачи»,.

Рис. 2.2 — Позиционирование ряда технологий беспроводной передачи данных Дальность связи изменяется от единиц метров до единиц километров, скорость передачи данных изменяется от десятков килобит в секунду до десятков мегабит в секунду.

Варианты технологии Bluetooth 1 и Bluetooth 2 отличаются классом мощности (см. более подробно соответствующий пункт). Аббревиатура HL2 означает технологию HiperLAN2, разрабатываемую ETSI (The European Telecommunications Stahdarts Institute — европейский институт стандартизации в области телекоммуникаций). Потребительские свойства технологий HL2 и IEEE802.11a близки. На рисунке не показана технология HomeRF, которая в своем первом варианте со скоростью передачи 1,6 Мбит/с близка к Bluetooth, а в варианте HomeRF 2.0 со скоростью передачи 10 Мбит/с конкурирует с IEEE802.11b.Справа от рисунка приведены соответствующие сокращения сетевых технологий, в которых могут использоваться рассматриваемые технологии. Это: PAN (относительно новое понятие — Personal Area Network), LAN (локальные вычислительные сети), и WAN (распределенные). LMDS (Local Multipoint Distribution Service) означает сеть распределения данных (сейчас применяется в сотовых системах телевидения). В данной позиции может быть размещена и MMDS (Multipoint Multichannel Distribution Service) — многоканальная система распределения данных.

Из рисунка явно следует распределение технологий по различным потребительским нишам и наличие конкурирующих технологий, которые обычно имеют американское и европейское происхождение. Технологии, размещенные рядом друг с другом, также могут быть частично взаимозаменяемыми, то есть они скорее дополняют друг друга, чем конкурируют.

Используемые частотные диапазоны и их регулирование

На рис. 2.2 отсутствует информация об используемых частотных ресурсах. Вообще говоря, для передачи данных могут использоваться как диапазоны частот, требующие государственного разрешения (а вместе с ним и оплаты лицензирования), так и нелицензируемые интервалы частот, относительно свободные для их использования. Обычно это относится к ограничению допустимой плотности электромагнитного поля в дальней зоне, которая определяется мощностью передатчика и параметрами направленности антенн. Сейчас характерным является широкое использование нелицензируемых диапазонов частот. Потенциально это неизбежно приведет (и приводит) к возникновению проблем как внутрисистемной, так и межсистемной ЭМС.