Расчет цифровой радиорелейной линии связи

Курсовой проект РАСЧЕТ ЦИФРОВОЙ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ

• 1. Введение
• 2. Исходные данные для выполнения курсового проекта
• 3. Расчётная часть
• 3.1 Анализ данных, предварительный выбор типа аппаратуры и параметров антенно-фидерного тракта (АФТ)
• 3.2 Выбор мест расположения станций и построение профилей интервалов
• 3.3 Ориентировочный выбор высот подвеса антенн
• 3.4 Учет атмосферной рефракции и уточнение высот подвеса антенн
• 3.5 Расчёт запасов на замирания
• 3.6 Расчет показателей неготовности (ПНГ)
• 3.7 Расчет показателей качества по ошибкам (ПКО)
• 3.8 Построение диаграммы уровней на пролете
• Заключение
• Список используемой литературы
• Приложения

1. Введение

Линии радиорелейной связи — современный и перспективный для дальнейшего развития, способ передачи информации на большие расстояния. Применение радиорелейных линий (далее РРЛ) весьма целесообразно в России, так при необходимости проводить линии связи через необжитые территории дополнительные капиталовложения в развитие инфраструктуры вблизи центров передачи/приёма и обработки сигнала минимальны, это обусловлено большой протяженностью участков между ретрансляторами. Немаловажным фактором, также является более низкая цена и простота обслуживания РРЛ по сравнению с системами спутниковой связи.

Для построения РРЛ необходимо провести большой объем подготовительных работ:

а) Выбрать аппаратуру (однако чаще ее тип определяется заказчиком) — выбор должен определяться назначением РРЛ, требованиями к пропускной способности системы;

б) Выбрать места установки антенных опор на местности на господствующих высотах, с учётом сейсмической активности и степени заболоченности почвы;

в) Провести геодезические изыскания по планирующимся профилям пролётов с целью проверить данные местных предметов и отметки высот (желательно);

г) Выбрать на каждом интервале высоты антенных опор по различным критериям;

д) Оптимизировать высоту антенн на пролётах по затратам;

e) Рассчитать параметры и показатели качества на интервалах.

Выбор высот антенн и антенных опор является одной из основных задач при проектировании или реконструкции цифровых радиорелейных линий. От правильного выбора высот антенн в конечно итоге зависят затраты на строительство и качество каналов передачи, функционирование линии в целом. Такая задача имеет многовариантный характер, так как при одних и тех же затратах на построение антенных опор и сооружение фидерных трактов требуемые показатели качества могут быть обеспечены при различных высотах антенн. Соответственно возникает задача выбора оптимальной совокупности высот антенн на линии, для которой выполняются требования к качеству каналов при минимальных затратах на построение линии.

Курсовой проект охватывает материал: содержащий вопросы проектирования цифровых микроволновых линий связи, работающих в диапазонах частот выше 10 ГГц и предназначенных для передачи цифровых потоков со скоростями до 34 Мбит/c.

Радиорелейные линии связи (РРЛ) предназначены для передачи сигналов в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Передача ведется через систему ретрансляторов, расположенных на расстоянии прямой видимости. Ретрансляторы осуществляют прием сигнала, усиление его, обработку и передачу на следующий ретранслятор. Общая протяженность РРЛ может достигать тысяч километров.

Высокие технические характеристики современной аппаратуры позволяют применить упрощенную практическую методику для расчетов основных параметров ЦРРЛ. Основу методики расчета составляют рекомендации МСЭ-Р и предложения ряда отечественных и зарубежных фирм. При этом определяются высоты подвеса антенн в пунктах расположения станций ЦРРЛ и выбираются основные параметры оборудования для получения качественных показателей линии связи, удовлетворяющих нормам. Кроме того, проводится расчет влияния как внешних помех (например, от спутниковых систем связи), так и коррелированных и некоррелированных помех, создаваемых различными станциями или стволами линии связи.

цифровая радиорелейная линия связь

2. Исходные данные для выполнения курсового проекта

Номер зачётной книжки: 812 111

Общие данные для курсового проекта:

Высотные отметки профиля № 1

Высотные отметки профиля № 2

Параметры местных предметов профиля № 1

Параметры местных предметов профиля № 2

3. Расчётная часть

3.1 Анализ данных, предварительный выбор типа аппаратуры и параметров антенно-фидерного тракта (АФТ)

В этом разделе курсового проекта необходимо сделать предварительный выбор диапазона рабочих частот. Необходимо выбрать для расчета 2 интервала линии связи разной протяженности (с протяженностью не менее заданной величины), а также при расчете нужно задаться несколькими диапазонами частот для каждого интервала и несколькими типами оборудования, свести результаты расчета в общую таблицу и выбрать наилучшие варианты. Критерием для выбора будут являться наименьшие диаметры параболических антенн.

Выберем для расчета два интервала с протяжённостью и .

Выбираем диапазоны: 11 и 13 ГГц (10.7-11.7, 12.7-13.2 ГГц)

Эти диапазоны перспективны с точки зрения эффективности систем РРЛ. При протяженности пролета 15−30 км, высокоэффективные антенны имеют небольшие габариты и вес, что обеспечивает относительную дешевизну антенных опор.

Доля влияния атмосферной рефракции на устойчивость работы систем уменьшается, но увеличивается влияние гидрометеоров.

В этих диапазонах, в основном, строятся цифровые радиорелейные системы связи на скорости до 55 Мбит/с, хотя, есть примеры передачи цифровых потоков со скоростями до 155 Мбит/с Аппаратура часто строится в виде моноблоков, т. е. приемопередатчики объединены с антенной и располагаются на вершине антенной опоры.

Но эти диапазоны используют большое количество радиосредств. Спутниковые системы связи, различные радиолокаторы и пеленгаторы, охранные системы создают неблагоприятную электромагнитную обстановку, что затрудняет работу в данных диапазонах.

По заданной скорости работы и выбранному диапазону частот, найдём подходящий тип оборудования:

По заданной скорости работы и выбранному диапазону частот, найдём подходящий тип оборудования:

ЧМ (частотная модуляция).

Зададимся размерами (диаметром) приемных и передающих параболических антенн () и рассчитаем коэффициент усиления по формуле:

Выберем, тогда:

При выборе антенн необходимо учитывать, что на практике не применяются антенны с коэффициентами усиления большими, чем, условие выполняется.

3.2 Выбор мест расположения станций и построение профилей интервалов

Сначала строится линия (парабола), изображающая условный нулевой уровень. Уравнение параболы выглядит следующим образом:

где: — высота параболы () на относительной координате ,

— эквивалентный радиус Земли.

При построении профилей без учета влияния атмосферы, примем равным геометрическому радиусу Земли (6370 км).

Для первого профиля.

Рисунок нулевого уровня.

Рис. 1

Рисунки профилей интервалов при нулевой рефракции:

Рис. 2

Для второго профиля.

Рисунок нулевого уровня.

Рис. 3

Рисунки профилей интервалов при нулевой рефракции:

Рис. 4

3.3 Ориентировочный выбор высот подвеса антенн

После вычерчивания профилей интервалов необходимо определить ориентировочные значения высот подвеса антенн. При этом нужно руководствоваться величиной просвета между линией прямой видимости и профилем трассы.

Ориентировочное значение просвета для короткопролетных микроволновых систем связи должно быть численно равно радиусу первой зоны Френеля, которая определяется по формуле:

где:

— относительная координата наивысшей точки на трассе.

Профиль № 1, № 2:

Определяем высоты подвеса антенн из условия:

где — среднее значение вертикального градиента диэлектрической проницаемости для климатического района.

Находим величину просвета без учета рефракции из условия равенства единице величины относительного просвета:

Приращение просвета, обусловленное рефракцией, находим по формуле:

Таким образом, величина просвета равна:

Исходя из технико-экономических соображений высоты антенн обычно принимают равными. Для расчета высот антенн применяем формулу:

Для расчета высот антенн применяем формулу:

Определим ориентировочные значения высот подвесов антенн:

Рис 5. Рис 6.

Определим ориентировочные значения высот подвесов антенн:

Рис 7. Рис 8.

3.4 Учет атмосферной рефракции и уточнение высот подвеса антенн

Основная сложность расчетов РРЛ определяется тем, что траектория распространения электромагнитной волны непрямолинейна, случайна и зависит от состояния атмосферы, от величины градиента диэлектрической проницаемости атмосферы (). Это явление называется атмосферной рефракцией.

Для учета атмосферной рефракции и уточнения высот антенных опор, нужно перестроить (трансформировать) профили. Заключается перестройка в изменении условных нулевых линий, пересчитанных при .

При нормальной рефракции:

При субрефракции:

а) интервал :

На профилях пролётов изобразим три случая: отсутствие рефракции; при нормальной рефракции; при субрефракции.

— нормальная рефракция

— субрефракция

— отсутствие рефракции

Рис 9. Рис 10.

Уточненные значения высот подвеса антенн:

Профиль № 1:

Профиль № 2:

3.5 Расчёт запасов на замирания

Важнейший параметр для расчета цифровой системы радиосвязи — запас на замирания (). Запас на замирания представляет собой разницу между уровнями сигнала на входе приемника в отсутствии замираний и пороговым уровнем, при котором коэффициент ошибок составляет определенную величину. Качество работы линии связи, определяется уровнем сигнала на входе приемника и возможными отклонениями этого уровня при замираниях.

Запас на замирания () является разницей между пороговым значением уровня сигнала на входе приемника и пороговым значением, которое определяется из параметров конкретной аппаратуры цифровых РРЛ для заданной величины .

Уровень сигнала на входе приемника ():

где:

— уровень мощности передатчика, ;

- ослабление сигнала в фидерных линиях, .

В нашем случае при отсутствии фидера (когда приемопередатчики объединены с антенной в виде моноблока) необходимо учитывать конструктивные особенности устройства объединения. При больших диаметрах антенн соединение проводится коротким отрезком гибкого волновода, потери в котором:

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 разделительных фильтрах), т. е. .

— дополнительные потери, складывающие из потерь в антенных обтекателях и потерь от перепада высот приемной и передающей антенн, примем .

вычисляется по формуле:

вычисляется по формуле:

где:

— погонные затухания в водяных парах и атомах кислорода атмосферы, .

Рис. 7

интервал :

интервал :

В рамках курсового проекта, запас на гладкие замирания определяется при по соотношению:

где:

— пороговый уровень сигнала на входе приемника при коэффициенте ошибок (определяется из параметров аппаратуры).

Величина запаса на замирания должна получиться порядка. При меньших значениях, устойчивой связи может не получиться, а при значениях, значительно превышающих эти пределы — параметры системы, а следовательно, ее стоимость будут неоправданно завышены.

3.6 Расчет показателей неготовности (ПНГ)

При расчете показателей неготовности в курсовом проекте учитывается только влияние гидрометеоров. К гидрометеорам относятся дожди, снег, град, туман и пр. Влияние гидрометеоров заметно уже при частотах больше, а в неблагоприятных экологических условиях (при наличии в атмосферных осадках металлизированной пыли, смога, кислот или щелочей) и на значительно более низких частотах.

Методика учета влияния гидрометеоров на показатели неготовности линии связи основывается на расчете ослабления сигнала в атмосферных осадках, вероятность появления которых в данной местности равна .

Погонное затухание в дождевых образованиях определяется по формуле:

где:

— интенсивность осадков, ;

— коэффициенты, которые определяются из таблицы:

В таблице приведены две группы коэффициентов для вертикальной и горизонтальной поляризации радиоволн. Расчет нужно провести для обеих поляризаций с тем, чтобы в дальнейшем выбрать лучшие результаты.

1) Вертикальная поляризация:

интервал :

Интенсивность дождя, идущего с вероятностью :

Эффективная протяженность дождевого образования:

Ослабление сигнала, к которому приведет дождь данной интенсивности:

Процент времени, в течение которого уровень сигнала на входе приемника на пролете линии связи станет меньше порогового значения для коэффициента ошибок (что соответствует составляющей показателя неготовности линии связи) определяется выражением:

интервал : интенсивность дождя, идущего с вероятностью :

Эффективная протяженность дождевого образования:

Ослабление сигнала, к которому приведет дождь данной интенсивности:

Процент времени, в течение которого уровень сигнала на входе приемника на пролете линии связи станет меньше порогового значения для коэффициента ошибок (что соответствует составляющей показателя неготовности линии связи) определяется выражением:

2) Горизонтальная поляризация: интервал :

интервал :

Полученные значения должны удовлетворять условию:

где:

— величина неготовностиго интервала, которая в курсовом проектировании определяется из нормы пропорционально протяженностям пролетов.

При выполнении данного неравенства считается, что по показателям неготовности данный интервал соответствует норме.

1а: — условие выполняется

1б: — условие выполняется

2а: — условие выполняется

2б: — условие выполняется Неравенства выполняются для каждого интервала, значит эти интервалы соответствуют норме.

3.7 Расчет показателей качества по ошибкам (ПКО)

Показатели качества по ошибкам (ПКО) связаны с быстрыми замираниями на интервалах линии радиосвязи. Основная причина быстрых замираний (проходящих за доли секунд) — интерференция прямых и отраженных радиоволн, поступающих на вход приемников.

Вероятность появления гладких интерференционных замираний определяется в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т 338−4:

где:

— климатический фактор;

— коэффициенты;

— фактор условий земной поверхности.

Фактор влияния условий земной поверхности, учитывающий наличие отраженных волн от поверхности Земли, принимается равным единице, если пролет можно отнести к разряду пересеченных.

интервал :

Расчетное значение параметра:

интервал :

Расчетное значение параметра:

Должно выполнятся условие:

интервал :

— условие выполняется интервал :

— условие выполняется Качество линий связи интервала удовлетворяют необходимым требованиям к показателям качества по ошибкам и показателям неготовности.

Для первого интервала:

Для второго интервала:

3.8 Построение диаграммы уровней на пролете

Для построения диаграммы выберем пролёт № 1:

Рис. 8.

При распространении сигнала по интервалу РРЛ (протяженностью, на рабочей частоте) уровень сигнала упадет за счет ослабления свободного пространства, потерь в газах атмосферы и некоторых дополнительных потерь.

В приемной антенне уровень сигнала увеличится на величину, затем уменьшится в приемной фидерной линии, в разделительном фильтре и поступит на вход приемника с уровнем. Это значение получается в отсутствии замираний сигнала на пролете РРЛ.

Запас на замирания () является разницей между пороговым значением уровня сигнала на входе приемника и пороговым значением .

Заключение

В ходе расчета курсового проекта была спроектирована цифровая микроволновая линия связи, предназначенная для передачи цифровых потоков со скоростью. Были рассчитаны два пролёта, протяженностью и. Диапазон рабочих частот. С учетом этих условий выбрана аппаратура Радан-МС-11−15/30 производства Россия. Спроектированная радиорелейная линия будет удовлетворять всем необходимым условиям, как по ПНГ, так и по ПКО.

В данном случае горизонтальная и вертикальная поляризация оказалась одинаково эффективнее по показателю негативности.

Высоты подвесов антенн при наихудших условиях (с учетом субрефракции) составили:

Профиль № 1:

Профиль № 2:

Радиусы передающих и приемных антенн: .

Коэффициент усиления антенн: .

Результирующая диаграмма высот антенн на пролетах:

Рис. 9

Список используемой литературы

1. Методические указания по курсовому проектированию цифровых микроволновых систем связи/ Лобач Станислав Вячеславович

2. Гомзин В. Н., Лобач В. С., Морозов В. А. Расчет параметов цифровых РРЛ, работающих в диапазонах частот выше 10 ГГц / СПбГУТ, 1998.

3. Основы Радиоэлектроники / В. И. Нефредов М. Высш. Школа.

4. Методические указания по проектированию радиорелейных линий связи/ Санкт-Петербургский Государственный Университет Телекоммуникаций им. М. А. Бонч-Бруевичк, кафедра РТС

Приложения

Приложение№ 1

Погонные потери радиосигнала в газах атмосферы

Приложение№ 2

Коэффициенты для вертикальной и горизонтальной поляризации радиоволн.

Приложение№ 3