Общий механизм воздействия мешающего радиосигнала (МС) на приемник полезного радиосигнала (ПС) и основные положения анализа ЭМС РЭС

 

Рассмотрим вначале простейший случай электромагнитного помехового взаимодействия двух РЭС (Рис.1.2). РЭС1 на Рис.1.2 является источником (передатчиком) полезного сигнала (ПС), РЭС2 – рецептором -- приемником полезного сигнала от РЭС1, подвергающимся воздействию мешающего сигнала, а РЭС 3 -- источником (передатчиком) мешающего сигнала (МС).

Источник МС

РЭС 3 Трасса распространения МС

 

f Мс R мс РЭС 2

Рецептор

Vмс(t) МС

 

Источник ПС

f пс Vпс(t) ПС R пс

Трасса распространения ПС

РЭС 1

 

 

Рис.1.2 Воздействие одного мешаюшего сигнала на рецептор

 

ПС и МС в точке расположения антенны рецептора в общем случае могут отличаться уровнем, частотой, видом модуляции, характером модулирующего сообщения, поляризацией, характером замираний на трассах их распространения. Замирания ПС и МС обычно полагают некоррелированными. Это вполне справедливо в случаях, когда трассы их распространения неидентичны по их протяженности (Rпс и Rмс) и профилю местности. Однако, в определенных условиях замирания ПС и МС могут быть существенно коррелированными, что следует учитывать при анализе ЭМС. Высокая степень корреляции замираний может иметь место, например, в случае, когда они обусловлены в первую очередь осадками, одновременно воздействующими на обе трассы.

Как было отмечено выше, в подавляющем большинстве случаев, представляющих интерес, рецептор представляет собой супергетеродинный приемник радиосигналов, в котором основная избирательность (максимальное выделение спектра полезного радиосигнала на фоне спектров мешающих приему воздействий) осуществляется в тракте промежуточной частоты. Из-за этого участки спектров мешающего радиосигнала, наиболее удаленные от несущей частоты ПС, существенно ослабляются по отношению к компонентам спектра ПС, ввиду чего относительная мощность помех на входе демодулятора, определяющая степень ухудшения качества приема, уменьшается в æпч раз [14,ЕЛ…]. Таким образом, при определении минимально допустимого отношения мощностей ПС и МС на входе приемника Qмин = [Pпс/Pмс]вх.мин.доп следует уточнять, что ситуация рассматривается либо на выходе приемной антенны /Qмин(ант)/, либо на входе демодулятора /Qмин(дем)/, причем

Qмин(дем) = Qмин(ант)* æпч (1.1)

 

Как правило, рассматривается случай, когда мощность ПС на входе демодулятора рецептора заметно больше, чем у МС, ибо в противном случае чаще всего невозможно добиться требуемого качества приема ПС. Впрочем, в некоторых видах радиотехнических систем допускается незначительное превышение уровней ПС относительно МС, а при определенных условиях можно осуществить разделение близких по уровню ПС и МС с последующим высоким качеством их раздельного приема [Марк?? ].

 

Поскольку уровни ПС и МС на входе рецептора изменяются по разным случайным законам, то для более полного статистического описания процессов воздействия МС на качество приема ПС используют пару показателей ЭМС:

Показатель 1: допустимое ухудшение качества приема ПС из-за воздействия МС;

Показатель 2: допустимый процент времени нарушения связи Tм доп из-за воздействия МС.

Первый показатель характеризует максимально допустимый уровень искажений сигнала на выходе рецептора, который превышается достаточно кратковременно.

Второй показатель характеризует суммарный процент времени за определенный длительный интервал (например, месяц), в течение которого могут возникать достаточно протяженные временные промежутки (порядка 10 секунд и более), в течение которых уровень помех на выходе рецептора постоянно превышает допустимый уровень и которые рассматриваются как интервалы нарушения связи [ АС УП ].

Эти показатели включаются в соответствующие критерии ЭМС.

Так, наличие МС на входе демодулятора рецептора аналоговой системы радиосвязи приводит к появлению на его выходе не только полезного выходного сигнала С и допустимого уровня тепловых шумов, но и напряжения помехи П. Для этой помехи в качестве критерия ЭМС устанавливается достаточно малый процент времени Тдоп, в течение которого ее мощность в заданной точке тракта приема может превышать установленное допустимое значение Pп доп. Если выполняется условие Тр ≤ Тдоп, где Тр – реальный процент времени превышения Pп доп., то электромагнитная совместимость РЭС1, РЭС2 и РЭС3 считается достигнутой. В противном случае считают, что ЭМС рассматриваемых РЭС отсутствует.

 

Наличие МС на входе демодулятора рецептора цифровой системы радиосвязи приводит к увеличению коэффициента ошибок на выходе цифрового канала. Подобно случаю аналоговой системы радиосвязи в качестве критерия ЭМС устанавливается достаточно малый процент времени Тдоп, в течение которого коэффициент ошибок Кош на выходе канала связи может превышать установленное максимально допустимое значение Кош. доп. (например 10{-3}). Если этот процент времени не превышается (Tp < Тдоп), то электромагнитная совместимость РЭС1, РЭС2 и РЭС3 считается достигнутой – и наоборот.

Таким образом, в обоих случаях добавление МС к принимаемому ПС на входе демодулятора рецептора вызывает дополнительные искажения принятого сигнала на выходе рецептора, уровень которых может превышать допустимое значение лишь в течение заданного допустимого процента времени Т доп.

 

Вывод о наличии или отсутствии ЭМС двух РЭС может быть сделан именно в результате сравнения рассчитанного (или измеренного) процента времени недопустимого ухудшения качества приема с допустимым значением этого процента времени!

При очень малых уровнях МС относительно ПС качество приема ограничивается, естественно, уровнем тепловых шумов относительно ПС на входе демодулятора рецептора помех.

Таким образом, условие обеспечения ЭМС для каждой пары источников ПС и МС имеет вид:

Tp < Тдоп (1.2)

где Tp – реальное значение процента нарушения связи из-за влияния МС.

 

Соотношение (1.2) называется условием координации двух РЭС, т.е. их успешной совместной работы без недопустимого ухудшения качества приема в каждой из них из-за наличия взаимных радиопомех, если (1.2) выполняется для каждого из этих РЭС.

Минимальное расстояние от рецептора, при котором выполняется условие координации, называется координационным расстоянием (КР). В разных направлениях от рецептора КР получается различным из-за влияния диаграммы направленности антенны рецептора и различия условий распространения МС по этим направлениям. Cовокупность КР в различных направлениях образует координационнный контур (КК), который ограничивает территорию вокруг рецептора, называемую координационнной зоной (КЗ). Формы КК и КЗ в значительной степени определяются формой диаграммы направленности антенны рецептора.

 

Проведем обобщенное рассмотрение возникновения дополнительной помехи на выходе рецептора, вызванной появлением МС.

На рис. 1.3 приведена векторная диаграмма суммы ПС и МС, воздействующей на вход рецептора (приемника ПС).

 

 

S

 

Vмс

 

v∑

 

βмс

α параз.

Vпс

 

 

О βпс

 

 

Риc.1.3 Векторная диаграмма суммы ПС и МС на входе рецептора

 

 

Полезный сигнал ПС представлен на рис. 1.3 вектором с амплитудой Vпс и фазой βпс, а мешающий сигнал МС -- вектором с амплитудой Vмс и фазой βмс. Суммарное воздействие на рецептор представлено вектором с амплитудой и фазой (βпс + α параз), где α параз – паразитное изменение фазы ПС из-за появления МС. Поскольку фазы ПС (βпс) и МС (βмс) изменяются независимо, вектор МС на амплитудно-фазовой плоскости рис.1.3 будет изменять свое положение относительно вектора ПС, что вызовет изменения во времени амплитуды и фазы суммарного воздействия ( и α параз., соответственно).

Точка S на рис. 1.3 при этом будет смещаться по причудливой траектории, зависящей в основном от законов модуляции ПС и МС, а также изменений множителей ослабления V(t) = Е(t)/Ео на трассах распространения ПС и МС. Это означает, что суммарное воздействие будет модулировано по амплитуде и фазе по законам, отличным от законов модуляции ПС, что приведет к появлению на выходе демодулятора ПС не только полезного сообщения в электронном виде, но и напряжения помехи, вызванной наличием МС.

Конечно, это заключение справедливо при условии, что вид модуляции ПС связан с изменением амплитуды или фазы несущего колебания ПС, либо с одновременным изменением и амплитуды, и фазы (например, в случае использования квадратурной амплитудной модуляции (КАМ). Однако, все применяемые сейчас виды модуляции гармонического несущего колебания удовлетворяют этому условию (АМ, ФМ, ЧМ, КАМ, ОFDM, ОБП и их разновидности).

Радиосистемы с негармонической несущей или с ее отсутствием (например, сверхширокополосные системы связи [ТатПавл]) ниже не рассматриваются.

 

В цифровых системах наличие МС на входе приемника, как и в аналоговых системах, приводит к появлению напряжения дополнительной помехи на выходе демодулятора, которая вместе с полезным принятым сигналом поступает на вход решающего устройства и вызывает рост количества неверных решений при определении переданных символов, в результате чего возрастает коэффициент ошибок.

В случае одновременного воздействия на рецептор N статистически независимых МС можно использовать существующие расчетные соотношения для случая одного МС, полагая при расчетах среднюю мощность рассматриваемого суммарного мешающего воздействия на рецептор равной сумме средних мощностей каждого из МС, и убеждаясь, что эта средняя мощность существенно меньше средней мощности ПС.

 

В качестве примера рассмотрим на базе рис. 1.3 последовательность анализа степени ухудшения качества приема многоканального аналогового ПС с частотной модуляцией и частотным разделением каналов (ЧМ-ЧРК) от воздействия МС при отсутствии замираний ПС и МС:

1) Определение αпараз – паразитного изменения фазы ПС из-за появления МС -- по известным Vпс,Vмс, βпс (t), βмс (t).

2) Определение ∆fпараз(t) -- паразитного изменения частоты ПС из-за появления МС:

∆f параз = d[αпараз(t)] /dt.

3) Определение Vп(t) – случайного напряжения помехи, вызванной влиянием МС, на выходе частотного детектора c крутизной демодуляционной характеристики Sчд:

Vп(t) = Sчд ∆fпараз (t).

4) Нахождение автокореляционной функции Rп(τ) напряжения помехи Vп(t). R(τ) =

5) Нахождение энергетического спектра Gп( напряжения помехи Vп(t) по теореме Винера-Хинчина при найденной Rп(τ) [25 ]:

Gп(ω) = ;

Так как по определению Gп(ω) = dP/dω = dP/2πdF = Gп(F)/2π, то

Gп(F) = 2π Gп(ω) = 8π

6) Нахождение мощности помехи Pп(Fк), вызванной наличием МС, в канале со средней частотой Fк и с шириной полосы пропускания ∆Fк = :

Pп(Fк) =

7) Нахождение значения мощности помехи Pп, вызванной наличием МС, в канале со средней частотой Fк, в точке с относительным нулевым уровнем: Pп(Fк), пВт0.

8) Сравнение полученной величины мощности помех с допустимым значением.

9) Вывод о наличии или отсутствии ЭМС в рассматриваемом случае по результатам выполнения п.8 не может быть сделан, поскольку не учтено влияние замираний ПС и МС и, соответственно, не определен процент времени превышения мощностью помех на выходе канала максимально допустимого значения.

Представление о степени сложности проведения подобных анализов дает строгий вывод выражения для Pп(Fк), пВт0, выполненный в разделе 2.2 (стр 75-79) источника [7]. Подобный анализ, более доступный для студентов, приведен в разделе 7.3 источника [14.

Отметим, что в случае полезной аналоговой системы с фазовой модуляцией процедура расчетов ЭМС несколько упрощается, так шаг 2) отпадает.

В случае, когда воздействию мешающих сигналов подвергается цифровое РЭС, удобно использовать известные для каждого вида модуляции зависимости pош(Qвх) вероятности ошибок при приеме элементарных информационных символов от отношения Qвх мощностей полезного и мешающего сигналов на входе демодулятора рецептора -- pош = (Qвх), а также использовать критерий защитного отношения (см. подробнее ниже). При его использовании требуется определить процент времени Tн, в течение которого отношение мощности ПС к мощности МС на входе демодулятора приемника Qвx(t) меньше установленного минимального порога качественного приема Qвх порог., и сравнить этот процент Tн с установленным для него наибольшим допустимым значением Тн доп. В случае Tн < Тн доп считают, что ЭМС в данном пункте достигнута, в противном случае решение вопроса о достижении ЭМС продолжается на базе поисков реальных в данном случае путей повышения ЭМС рассматриваемых РЭС.

Таким образом, процедура расчетов ЭМС в актуальном случае цифрового рецептора практически сводится к следующему:

1/ определению выражения для интегрального закона распределения F[Qвx] случайного процесса Qвx(t) – зависимости вероятности непревышения случайной величиной Qвх (t) определенного значения Qвх:

F[Qвx] = Вер.{Q вx(t) < Qвх.};

2/ нахождению значения Тн по полученной зависимости F[Qвx] и его сравнению с допустимым значением Тн доп. Qвх порог.

Значение Qвх порог. определяется по кривым зависимостей pош = F(Qвх) для заданного вида модуляции, исходя из намеченной максимально допустимой вероятности ошибок pош доп. На рис.1.4-1.6 приведены такие зависимости для трех видов модуляции.

Нахождение вероятности непревышения случайной величиной Qвх (t) значения Qвх.порог. производится по одной из существующих методик расчетавлияния мешающих радиосигналов (МС) на качество приема полезных радиосигналов (ПС).Детальные методики такого родаразработаны для различных комбинаций взаимодействия РЭС, обеспечивающих передачу ПС и МС. Часть из них получила одобрение МСЭ и эти методики могут применяться в оговоренных регионах Земли ([25],.[..]). Другая их часть разработана отечественными специалистами именно применительно к условиям России [26-29 ].

 

Рис. 1.4. Зависимость вероятности ошибок в цифровой СРС с модуляцией 4-ФМ при воздействии МС от qм и qш

 

 

 

Рис. 1.5. Зависимость вероятности ошибок в цифровой СРС с модуляцией 64-КАМ при воздействии МС от qм и qш

 

 

 

Рис. 1.6. Зависимость вероятности ошибок в цифровой СРС с модуляцией 256-КАМ при воздействии МС от qм и qш

 

При этом взаимодействующие РЭС могут относиться как к одной радиослужбе (например, к наземной фиксированной службе – ФС), так и к разным радиослужбам (например, к ФС и ФСС – фиксированной спутниковой службе).

Все эти методики являются результатами многолетнего труда компетентных специалистов высокого уровня. Они очень сложны и имеют большой объем (много десятков страниц), содержат многочисленные аппроксимации различного рода характеристик анализируемых систем и упрощающие предположения. В них отдельно разработаны разделы, учитывающие статистические характеристики замираний ПС и МС на трассах их распространения в отсутствие осадков (“режим распространения МС №1”) и статистику замираний ПС и МС, вызванных осадками (“режим распространения МС №2”). При этом для упрощения анализа предполагается, что при рассмотрении режима 1 два вида наиболее опасных моментов -- глубоких замираний ПС и существенного возрастания уровня МС -- статистически практически независимы, что позволяет суммировать с определенными погрешностями малые проценты времени невыполнения допустимого значения используемого критерия ЭМС ввиду каждой из упомянутых причин. Помимо кратковременности рассматриваемых неблагоприятных промежутков времени дополнительным доводом в пользу упомянутого выше предположения является то, что в случае частичного совпадения моментов невыполнения критерия ЭМС по каждой из двух причин реальный суммарный процент времени невыполнения критерия ЭМС окажется меньше суммы процентов времени, соответствующих каждой из двух причин.

Другое упрощающее предположение заключается в том, что воздействия различных механизмов распространения радиоволн трассе полагаются неодновременными, хотя их перекрытие во времени вполне возможно.

Наконец, в этих методиках учитываются экспериментальные кривые усредненных экспериментальных данных о статистике замираний радиосигналов на трассах при отсутствии осадков.

При достаточно продолжительном интервале наблюдения эти предположения и использование обощенных экспериментальных данных не приводят к недопустимым расхождениям ожидаемых и фактических процентов времени ухудшения качества приема из-за наличия МС ниже допустимого уровня по используемым критериям ЭМС.