Глава 2. Критерии ЭМС для различных радиослужб и условия их выполнения

К групповым показателям ЭМС относятся такие, которые представляют совокупность элементарных энергетических параметров или некоторый системный показатель, являющийся функцией от такой совокупности:

- эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) РЭС – источника помех р _{и м}, дБВт: р _{и м = 10} lg (P пер * G пер. ант), где P пер –

мощность передатчика, а G пер.ант -- коэффициент усиления передающей антенны;

- плотность потока мощности (ППМ), создаваемая РЭС – источником помехи в точке расположения РЭС, подвергающегося воздействию помехи W_м дБВт/м²;

- отношение сигнал-помеха (ОСП) q _м и процент его уменьшения ниже фиксированного значения Т _м на входе РЭС, подвергающегося воздействию помехи, дБ;

- частотно-территориальный разнос (ЧТР), представляющий собой групповой показатель, учитывающий перечисленные выше простые показатели ЭМС (территориальный, угловой и частотный разносы между РЭС – источником помехи и РЭС, подвергающимся воздействию помехи);

- коэффициент ослабления помехи (КОП) æ, дБ.

К обобщенным показателям ЭМС относятся такие, которые содержат в себе практически все элементарные параметры взаимодействующих радиослужб:

- мощность помех Р _п и процент ее появления Т _п на выходе РЭС аналоговой системы связи, подвергающегося воздействию помехи;

- вероятность ошибок Р _ош и процент их появления Т _п на выходе РЭС цифровой системы связи, подвергающегося воздействию помехи;

- эффективность использования радиоспектра Э_f;

- дополнительные затраты на реализацию условий ЭМС (С _эмс) .

В некоторых случаях критерии ЭМС имеют специфические названия, например:

- минимально допустимое расстояние R _{п доп} между РЭС – источником помехи и РЭС, подвергающимся воздействию помехи – территориальный разнос (ТР) или координационное расстояние (КР);

- минимально допустимый угол прихода помехи φ _{п доп} – угловой разнос (УР);

- минимально допустимая расстройка несущих помехового и мешающего сигналов ∆f _{p доп} (ЧР);

- совокупность территориального и частотного разносов – частотно-территориальный разнос (ЧТР);

- минимально допустимое отношение “сигнал-помеха” q _{п доп} – защитное отношение. Этот критерий ЭМС является необходимым ограничением только определенной ЭМО, т.е. его действие распространяется на определенную полосу частот и фиксированный вариант взаимодействия радиослужб.

Критерии ЭМС разрабатываются Международным союзом электросвязи (МСЭ) и отражаются в соответствующих Рекомендациях МСЭ-Р и Регламенте Радиосвязи (РР). В соответствии с этим в РР определены следующие градации помехи:

- допустимая помеха – наблюдаемая или прогнозируемая помеха, соответствующая количественным критериям помехи и критериям совмещения РЭС, содержащимся в РР или Рекомендациях МСЭ-Р;

- приемлемая помеха – помеха с более высоким уровнем, чем допустимая помеха, которая согласована между двумя или более Администрациями связи без ущерба для Администраций связи других государств.

Критерии ЭМС должны быть основаны на компромиссе между максимально допустимым уровнем помех для каждой из совмещаемых служб и минимальной ЭИИМ, обеспечивающей заданное качество их работы: например, необоснованное увеличение мощности передатчика в РЭС одной системы радиосвязи приведет к возрастанию уровня МС от этого передатчика для РЭС других систем радиосвязи. Вообще слишком жесткие значения критериев ЭМС потребуют для их выполнения чрезмерных затрат имеющихся ресурсов: частотного (завышения частотных разносов РЭС и, следовательно, cнижения эффективности использования радиочастотного спектра); пространственного (завышения пространственных разносов РЭС и, следовательно, cнижения допустимой плотности расположения РЭС); финансового (необоснованно высоких цен на реализацию выполнения критерия ЭМС). Поэтому значения критериев ЭМС выбирают таким образом, чтобы обеспечивалась нормальная работа всех совмещаемых радиослужб в данной полосе частот при допустимом уровне взаимных помех. Некоторое ухудшение качества работы совмещаемых радиослужб из-за конечного допускаемого уровня помехового сигнала должно компенсироваться улучшением технических характеристик систем, повышением их энергетических параметров, что связано с некоторыми дополнительными затратами на реализацию условий ЭМС.

При разработке критериев ЭМС должны учитываться две категории помех (термин “помеха” в официальных документах эквивалентен используемому в данном учебном пособии более четкому в данном контексте термину “мешающий сигнал”):

- помехи, создаваемые радиослужбами, совместно использующими полосы радиочастот на первичной основе. Эти помехи могут полностью или частично попадать в полосу пропускания приемника РЭС, подвергающегося воздействию помехи;

- помехи от других радиослужб, работающих на первичной основе в других полосах радиочастот. Если спектры этих помех попадают в полосу пропускания рецептора помехи лишь частично, то эти помехи приближенно могут учитываться как гауссовский шум. Это связано с разрушением определенной структуры модулированного МС ввиду сильного искажения его спектра мощности при попадании его основной части в область “ската” АЧХ высокочастотного тракта рецептора помехи.

Поскольку помехи изменяются во времени, одного значения критерия ЭМС для корректного расчета условий ЭМС недостаточно. Поэтому определены два значения критерия ЭМС – долговременное (для 20% времени) и кратковременное (< 1% времени). Точное значение допустимого процента времени действия кратковременной помехи связано с показателями качества функционирования рассматриваемой системы. В частности, сведения об определении значений критериев ЭМС для случая совместного использования полос частот службами НФС и ФСС приведены в [15].

Наряду с показателями качества функционирования системы существуют показатели ее готовности. Коэффициент готовности системы Кг представляет собой вероятность того, что система окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, за исключением планируемых периодов, в течение которых работа системы по назначению не предусматривается. Неработоспособное состояние системы радиосвязи может быть вызвано аппаратурными отказами, глубокими замираниями полезного радиосигнала или сильным влиянием МС на входы одного или нескольких рецепторов этой системы. При анализе ЭМС системы радиосвязи уместно не рассматривать аппаратурные отказы аппаратуры, а оценивать неготовность этой системы,вызванную влиянием МС на рецепторы системы и представляющую собой суммарный процент интервалов времени длительностью 10 последовательных секунд и более, в течение которых не выполняется выбранный критерий ЭМС. [1-2 ].

Информация о принципах деления показателей качества и готовности, по которым можно вычислить допустимый уровень долговременной помехи, приведена в [16]. В частности, в [16] показано, что в случае Рэлеевских замираний МС, суммарный уровень которых на 10 дБ ниже собственных шумов приемника-рецептора, ухудшение показателей качества не будет превышать 10%. Расчет уровней кратковременных помех (длительностью менее 10 последовательных секунд, т.е. не влияющих на показатель готовности) и соответствующих процентов времени должен проводиться с учетом влияния на качество приема и готовность системы радиосвязи характеристик замираний ПС и МС на трассах их распространения, включая возможную корреляцию уровней помехового и полезного сигналов на входе рецептора [19].

При определении критерия ЭМС должна оцениваться вероятность появления помехи на входе приемной антенны рецептора. При этом используют современные модели распространения радиоволн, которые учитывают поглощение радиоволн в атмосфере, дифракционные потери, потери из-за рассеяния гидрометеорами и локальными неоднородностями местности, потери из-за деполяризации радиоволны, влияние многолучевого распространения радиоволн и другие факторы [20-23 и др.].

Худшими случаями воздействия МС на рецептор являются те, при которых ПС испытывает глубокие замирания, а МС имеет повышенный уровень. Существующие методики расчета уровней кратковременных помех являются приближенными, поскольку используют достаточно вероятное предположение о весьма малой вероятности упомянутых худших случаев и используют дополнительное ограничивающее предположение о медианном уровне МС в моменты глубоких замираний ПС. В принципе можно статистически достоверно рассчитать интегральный закон распределения отношения уровней ПС и МС на входе рецептора с одновременным учетом быстрых и медленных замираний каждого из них, если достаточно достоверно известны законы распределения всех четырех видов замираний. Такая задача была решена как в общем виде [17], так и для практически важного конкретного случая воздействия МС, попадающего на вход приемника телефонного ствола станции РРЛ прямой видимости с ЧМ-ЧРК в результате дальнего тропосферного рассеяния [18]. При этом был получен интегральный закон распределения среднеминутной мощности помех, вызванных наличием МС, на выходе телефонного канала и оценено раздельно влияние быстрых и медленных замираний на процент превышения максимально допустимой мощности помех в этом канале. В случае цифровой основной системы радиосвязи и использовании в качестве критерия ЭМС защитного отношения получение интегрального закона распределения Qвх(t) позволяет сразу сделать вывод о наличии или отсутствии ЭМС рассматриваемых РЭС. Однако, достоверность результатов расчетов по гипотетической методике, основанной на рассматриваемом методе анализа ЭМС, зависит от точности выбора законов распределения замираний ПС и МС на данных трассах и параметров этих распределений. Этот метод расчета может применяться в случаях, когда нет точных данных о профилях трасс распространения ПС и МС, но известен их характер, или когда достаточно достоверно известны типы законов распределения замираний ПС и МС, а вопрос о профилях упомянутых трасс неактуален (например, в случае морских трасс), или, наконец, при необходимости быстрого проведения предварительного оценочного анализа ЭМС в случае радиосетей с большим количеством РЭС.

Cуществующие международные и отечественные методики расчета влияния МС на качество приема ПС с достаточным основанием предлагают проводить такие расчеты по весьма объемным алгоритмам, которые либо учитывают реальные профили трасс распространения ПС и МС с элементами их аппроксимации и результаты длительных экспериментальных исследований статистики замираний радиосигналов в рассматриваемых диапазонах волн, либо дают заведомо завышенные требования к территориальному разносу взаимодействующих РЭС, если не используют информацию о реальных трассах.

Кроме того, они содержат предположения о существенной статистической независимости замираний ПС и МС, которая в большинстве случаев действительно имеет место, однако не всегда.

Рекомендуемая МСЭ-Р методика анализа процента времени нарушения критерия ЭМС для взаимодействия наземных РЭС рассмотрена в Пр.3.

В случае воздействия на рецептор нескольких (N) статистически независимых МС средняя мощность мешающего воздействия принимается равной сумме их средних мощностей мсi (i=1…N). В случае, когда мсi<< псанализ снижения качества приема производится далее, как и в случае одного МС, если не рассматривается влияние замираний ПС и МС. Учет влияния замираний всех МСi является непростой задачей, ввиду чего сумму МСi как функцию времени при значительном N и соизмеримых мощностях отдельных МСi представляют в виде случайного процесса с законом распределения Рэлея со средней мощностью, равной мсi (i=1…N)., с параметром … а в случае одного МС, заметно превосходящего по уровню все другие МС, представляют мсi (i=1…N) в виде случайного процесса с обобщенным законом распределения Рэлея

На практике также встречаются случаи воздействия одного МС на несколько РЭС одной радиосистемы, распределенных в пространстве (например на два радиоприемных устройства, установленных на станциях многопролетной радиорелейной линии, относящихся к разным ее участкам). В этом случае общие показатели ухудшения качества приема из-за наличия МС распределяются между соответствующими участками РРЛ [10].

Все радиослужбы практически всех стран мира в своей деятельности руководствуются Рекомендациями Международного Союза Электросвязи (МСЭ), а точнее – его сектора Радиосвязи (МСЭ-Р). При проектировании новых объектов -- систем или сетей радиосвязи -- обязательно требуется проводить детальный анализ возможности достижения ЭМС всех элементарных РЭС (станций или узлов) нового объекта со всеми возможными существующими РЭС как внутри своей страны, так и в других странах. Эта кажущаяся невыполнимой задача уже много лет постоянно успешно решается благодаря четко выстроенной сложной системе формирования согласованных документов на получение и использование радиочастот для всех элементарных РЭС строящегося объекта. Осуществимость таких объемов расчетов базируется на систематизированном поэтапном поиске наиболее опасных потенциальных “партнеров по помеховому взаимодействию” с учетом их рабочих частотных диапазонов, расстояний между ними, их энергетических параметров, диаграмм направленности антенн и других факторов, а также постепенном отсеивании их после получения положительного ответа о наличии ЭМС. Решение о наличии ЭМС между каждой парой элементарных РЭС принимается в случае выполнения критерия ЭМС, установленного для рецепторов рассматриваемого вида.Алгоритм принятия такого решения приведен в [10] (раздел 2.1). Там же детально рассмотрены ситуационные планы ЭМО для следующих важных случаев воздействия МС:

n от передатчиков земных станций ФСС на приемники радиорелейных линий (РРЛ);

n от передатчиков станций РРЛ на приемники земных станций ФСС;

n между приемопередатчиками РРЛ и сотовой системой мобильной связи (СМС). В Таблице 2.1 приведены Рекомендации МСЭ-Р, определяющие критерии ЭМС ряда важнейших радиослужб с cовмещаемыми радиослужбами.

Таблица 2.1 Критерии ЭМС для различных вариантов cовмещаемых радиослужб.

Критерии ЭМС для фиксированной спутниковой службы (ФСС)

Критерии ЭМС для наземной фиксированной службы (НФС)

Критерии ЭМС для наземной радиовещательной службы (НРС)

Критерии ЭМС для радиовещательной спутниковой службы (РСС)

Критерии ЭМС для подвижной спутниковойслужбы (ПСС)

Критерии ЭМС для сухопутной подвижной службы (СПС)

2.2. Методы определения защитных отношений

2.2.1. Общие сведения о защитных отношениях

Защитным отношением по высокой частоте называется минимально допустимое отношение Q_{м доп} мощности полезного сигнала к мощности помехи на входе приемника, которое позволяет получить на его выходе заданное качество полезного сигнала:

(2.1)

где Р_{с вх} и Р_{п вх} - мощность полезного сигнала и помехи на входе приемника соответственно.

Этот параметр наиболее часто используется в качестве критерия ЭМС аналоговых и цифровых систем радиосвязи, поскольку качество сигнала на выходе приемника монотонно зависит от входного отношения сигнал/помеха Qвх = Рс вх /Рп вх, а действие помехи приводит к ухудшению характеристик полезного сигнала на выходе приемника, например к увеличению коэффициента ошибок, ухудшению качества выходного изображения или разборчивости речи.

На величину защитного отношения влияют многие факторы, такие, как частотный разнос между несущими частотами полезного и помехового сигналов, вид и глубина их модуляции, способ обработки сигнала и метод его кодирования, характеристики приемника и другие. При этом заданное качество приема полезного сигнала в присутствии помехи обеспечивается, если выполняется критерий ЭМС в виде:

q_вх ≥ q_{м доп}, (2.2)

где qвх и qм доп - отношение сигнал/помеха на входе приемника и требуемое защитное отношение, дБ, соответственно.

В общем случае отношение сигнал/помеха на входе приемника Q _вх изменяется во времени случайным образом, вследствие чего условие ЭМС (2.2) в определенном малом проценте времени (Т %) работы канала связи может не выполняться и, соответственно, качество выходного полезного сигнала в соответствующие временные интервалы (при q_вх ≤ q_{м доп}) будет хуже, чем заданное минимально допустимое. Например, в цифровых системах связи это приведет к превышению допустимого значения коэффициента ошибок в течение Т % времени. Поэтому этот процент времени нормируется. В частности, в цифровых РРЛ прямой видимости при помехах со стороны фиксированной спутниковой службы допускается превышение увеличение длительности периода времени, когда коэффициентом ошибок значения превышает 10^-6, но не более чем в 0,04% времени любого месяца года [ АС уп].

При передаче аудио- или видеоинформации определение защитного отношения для систем радиосвязи регламентируется рекомендациями МСЭ [… ], а качество приема оценивается по пятибалльной шкале. В частности, в телевизионных аналоговых каналах качество выходного сигнала с оценкой 4,5 балла соответствует появлению едва заметной помехи на изображении.Эти оценки дает группа квалифицированных экспертов, затем оценки подвергаются статистической обработке и представляются в виде таблицы или графика. На рис. 2.1 представлен пример такой зависимости от расстройки несущих частот ПС и МС для частного случая, когда и ПС, и МС представляют собой аналоговые сигналы наземного ТВ вещания системы SEKAM. Отметим, что при другом виде МС эта зависимость будет существенно иной. Для ее получения потребовалось бы проводить новую субъективно-статистическую экспертизу -- для каждого иного типа МС!

Необходимое защитное отношение на входе приемников многих систем радиосвязи может быть определено аналитическим путем, если заданы максимально допустимые значения уровня помех на выходе приемника, вызванных наличием МС. Нормы на предельно допустимые уровни взаимных помех для обеспечения ЭМС различных радиослужб приведены в соответствующих рекомендациях МСЭ и ряде других документов […. и др.].