Излучения радиопередающих устройств РЭС

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙ

Кафедра космічних систем та комплексів и супутникової телекомунікації

Методична розробка

для проведення практичного заняття по дисципліні

«Методи оптимального використання радіочастотного спектру»

Для студентів денної форми навчання спеціальності РТДМ

Тема 1. Нормативно-правові засади використання радіочастотного спектру як категорії ресурсу.

Практическое занятие № 3

Визначення ширини присвоєння смуги радіочастот. Рішення задач по темі.

Київ 2015

Цель занятия

· изучение:

- специфики обозначений радиоизлучений для различных систем связи

- распределения полос частот радиочастотного спектра;

· получение практических навыков:

- классификации радиоизлучений для разных систем связи;

- оценки емкостей частотных диапазонов для радиоизлучений различных служб;

- определения ширины присвоения частот для передатчиков разных систем связи.

2. Литература:

1. Слободянюк П.В., Благодарный В.Г., Ступак В.С. Справочник по радиомониторингу. Нежин: ООО «Издательство «Аспект-Полиграф», 2008.-558С

2. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Учебн. пособие / Под ред. д.т.н., проф. М.А. Быховского. — М.: Эко-Трендз, 2006. — 376 с

3. Нарытник Т.Н. Основы управления использованием радиочастотного ресурса: Учебное пособие. – К.: Основа, 2008

Подготовка к занятию

1. Изучить указанную литературу.

2. Знать специфику обозначений радиоизлучений для различных систем связи.

3. Знать установленный МСЕ принцип распределения частот радиочастотного спектра

Задание

1. Разобрать природу возникновения побочных и внеполосных каналов радиоизлучений

2.

Содержание отчета

1. Результаты определения параметров заданного радиоизлучения

2. Результаты определения ширины присвоения частот

Методические указания.

Излучения радиопередающих устройств РЭС.

Кроме основного (полезного) радиоизлучения, на выходе антенны РПДУ присутствуют неосновные (нежелательные) излучения. Эти излуче­ния могут быть мешающими для приемников других РЭС, создавая им непреднамеренные по­мехи. Классификация излучений на выходе антенны РПДУ и примерное распределение их спектральной плотности мощности представлены на рис.1 и 2.

Рис. 1. Классификация излучений РПДУ

Рис.2. Спектр плотности мощности радиоизлучений РПДУ:

:

1 - основного; 2- внеполосного; 3 - на гармониках; 4 - на субгармониках;

5- комбинационного; 6 - интермодуляционного; 7 - паразитного;

8 – шумового

Основное излучение занимает некоторую необходимую полосу частот (В_н), предназна­ченную для передачи полезного радиосигнала. Все другие (неосновные) излучения, распо­ложенные за пределами основного (рабочего) участка радиочастотного спектра В_н, являют­ся нежелательными.

Эти излучения подразделяются на внеполосные, побочные и шумовые. Спектр внеполосного излучения непосредственно примыкает к необходимой полосе частот справа и слева. Спектры побочных излучений на гармониках, на субгармониках, на комби­национных частотах, паразитных и интермодуляционных колебаний удалены от частот ос­новного канала излучения. Шумовое излучение занимает широкую полосу частот.

Необходимая полоса частот В_н определяется как минимальная по ширине полоса час­тот, обеспечивающая передачу данного сообщения с требуемой скоростью и качеством.

Нормы на необходимую ширину полосы частот для различных типов сообщений (те­леграфия, телефония, звуковое радиовещание и др.) и видов модуляции (амплитудная, угло­вая, импульсная) приведены в Регламенте радиосвязи (РР). Необходимая ширина поло­сы частот может определяться также расчетным путем в соответствии с рекомендациями МСЭ и формулами, указанными в соответствующих разделах рекомендаций.

Напри­мер, в случае амплитудной модуляции несущей аналоговыми сигналами телефонии или зву­кового вещания необходимая ширина полосы радиоизлучения:

где F_н, F_в — нижняя и верхняя граничные частоты модулирующего сигнала.

Значения необходимой ширины полосы частот В_н для РЭС различного назначения при­ведены в РР и других документах.

Как мы уже рассматривали, в соответствии РР излучения должны обозначаться в соответствии с их необходимой шириной полосы частот В н и видом (классом) сигналов. Необходимая ширина полосы излу­чения указывается перед обозначением его класса и содержит три цифры и одну букву. Бук­ва играет роль запятой, отделяющей целую часть от дробной в десятичной дроби, и указы­вает единицу измерения полосы частот. Значения необходимой ширины полосы В н выража­ются

- от 0,001 до 999 Гц — в герцах (буква Н);

- от 1 до 999 кГц — в килогерцах (буква К);

- от 1 до 999 МГ ц — в мегагерцах (буква М);

- от 1 до 999 ГГц — в гигагерцах (буква G).

Например, 2К70J3Е — одноканальная однополосная телефония с подавленной несущей (J3Е) и необходимой шириной полосы частот

Вн = 3 - 0,3 = 2,7 кГ ц. (1)

К параметрам основного излучения радиостанции в необходимой полосе частот отно­сятся:

- несущая частота и ее отклонение, Гц;

- необходимая полоса частот, Гц;

- выходная мощность, Вт, дБВт;

- поверхностная плотность потока мощности, Вт/м², дБВт/м², для бортовых передатчи­ков спутниковых РЭС;

- вид и параметры модуляции;

- ослабление несущего колебания и подавление нерабочей боковой полосы, дБ, для од­нополосных РПДУ.

На основании “Регламента радиосвязи” разрабатываются региональные (например, общеевропейские) и внутригосударственные планы частот, в соответствии с которыми:

- производится выделение и присвоение частот службам и ведомствам с учетом местных условий и государственных (региональных) интересов;

- реализуется техническое планирование использования выделенных участков спектра и размещения излучающих радиосредств;

- контролируется выполнение требований Регламента радиосвязи и принципов технического планирования, а также накладываются административные санкции.

Для обозначения различных статусов полос радиочастот в международной практике используют следующие термины, относящиеся к использованию спектра: распределение, выделение и присвоение радиочастот.

Распределение полосы частот – запись в “Таблице распределения частот” некоторой заданной полосы частот с целью ее использования одной или несколькими наземными или космическими службами радиосвязи или радиоастрономической службой при определенных условиях.

Данный термин относится к радиослужбам. Документом, фиксирующим распределение частот, является Таблица распределения частот с Примечаниями. Они составляют основное содержание статьи 8 Регламента радиосвязи. Примечания к Таблице имеют такую же силу, как и Таблица.

Выделение радиочастоты (радиочастотного канала) – запись определенного частотного канала в согласованном плане, принятом компетентной конференцией, с целью использования его одной или несколькими администрациями для наземной или космической службы радиосвязи в одной или нескольких указанных странах или географических зонах при определенных условиях. Термин относится к стране или группе стран (зоне).

Документом, реализующим выделение радиочастот, является всемирный или региональный план, охватывающий определенную радиослужбу.

Присвоение частот передающим станциям. Передающим станциям разрешается из­лучать радиосигналы только в пределах определенной полосы частот, которая называется присвоенной. Частота, соответствующая середине присвоенной радиостанции полосы час­тот, называется присвоенной частотой. Операция присвоения — разрешение, выдаваемое Администрацией связи, ответственной за соблюдение РР, на использование радиочастоты или радиочастотного канала при определенных условиях. Присвоение и использование час­тот передающими станциями определяются правилами, изложенными в РР. Для радио­сигналов с двухполосной передачей присвоенная частота совпадает с несущей, а при одно­полосной передаче отличается от нее.

Например, при однополосной передаче верхней боко­вой амплитудно-модулированного радиосигнала средняя частота радиоспектра

f_ср = f + F_в /2 (2)

где f — несущая частота, F_в — верхняя граничная частота модулирующего сигнала.

В зависимости от значения верхней граничной частоты F_в модулирующего сигнала средняя частота изменяется, что не позволяет использовать ее в качестве присвоенной. По­этому для радиолиний с однополосной передачей нормируется разность между несущей и присвоенной частотами.

Например, для морской и воздушной подвижных служб, где необ­ходимая ширина полосы частот В_н = F_B - F_H = 3000- 300 = 2700 Гц, установлена разность 1400 Гц для всех классов излучений с однополосной модуляцией (Н, R, J).

С учетом нестабильности частоты радиопередатчиков ширина присвоенной полосы час­тот В_п должна превышать ширину необходимой полосы В_н на удвоенную величину абсо­лютного допустимого отклонения частоты ∆f_ДОП в соответствии с выражением

В_П = Вн + 2 ∆f_ДОП (3)

Допустимое отклонение частоты радиопередатчика — это максимально допустимая ве­личина отклонения ∆f_max фактической средней частоты радиоизлучения станции от номи­нального значения, присвоенной ей частоты. Допустимое отклонение частоты — долго­временная нестабильность, которую должен обеспечивать передатчик за все время его рабо­ты. Расширение присвоенной полосы частот по отношению к необходимой на величину 2 ∆f_ДОП обеспечивает защиту от радиопомех в смежных (соседних) каналах, расположенных выше и ниже присвоенной полосы. Допустимые отклонения устанавливаются с учетом норм РР и зависят от принадлежности РЭС к определенной службе, диапазона частот и средней мощности РПДУ.

Например, в соответствии с действующими нормами допусти­мое отклонение рабочей частоты радиовещательных передатчиков для диапазонов НЧ, СЧ и ВЧ не должно превышать ±10 Гц, а в диапазоне ОВЧ — ±100 Гц. Для космических станций присвоенная полоса частот включает удвоенный максимальный доплеровский сдвиг часто­ты, который может наблюдаться по отношению к любой точке земной поверхности.

Внеполосное излучение — нежелательное радиоизлучение, являющееся, как и основ­ное, результатом модуляции несущей f о передаваемым сообщением. Причинами появления внеполосного излучения могут быть:

· недостаточное подавление на входе модулятора составляющих спектра модулирую­щего сигнала, находящихся за пределами верхней граничной частоты Х_в, обеспечи­вающей требуемое качество передачи (например, модуляция импульсами с излишне крутыми фронтами);

· наличие нелинейности амплитудной и фазовой характеристик тракта передатчика (усилителей, модулятора);

· применение модулирующих сигналов излишне большого уровня (явление перемодуляции) или ограничение их амплитуд;

· квантование и др.

В результате в спектре излучаемых станцией радиосигналов появляются составляющие, лежащие за пределами необходимой полосы частот, которые ухудшают ее ЭМС с другими РЭС, работающими в соседних каналах. Излучение, ширина которого не выходит за преде­лы необходимой ширины полосы радиочастот В_н, называют совершенным (оптимальным).

На практике большинство радиостанций имеют несовершенное (неоптимальное) излучение из-за появления внеполосного радиоизлучения. Поэтому для оценки фактического (несовер­шенного) излучения введено понятие занимаемой полосы В_зн радиочастот, за пределами ко­торой излучается определенная доля р (например, р = 1%) средней мощности радиостанции на присвоенной ей частоте f (рис. 3).

В пределах занимаемой полосы в этом случае сосредоточено 100 - р = 99% средней мощности излучения. При этом мощность радиопомех от внеполосных излучений станций, работающих в смежных (соседних) частотных каналах с данной, не превышает р % мощно­сти сигнала в основном канале приема. Значение р устанавливается для каждого класса из­лучения и в большинстве случаев не превышает 0,5%.

На практике важно также иметь информацию о форме огибающей спектра и о скорости убывания спектральных составляющих внеполосного излучения за пределами необходимой полосы частот. С этой целью вводится понятие ширины полосы частот на уровне -X дБ от­носительно уровня основного излучения, принятого за 0 дБ (В_х на рис. 3). За пределами полосы В_х интенсивность любых дискретных спектральных составляющих или спектраль­ная плотность мощности внеполосного излучения ослаблена относительно уровня основно­го излучения (в полосе В_н на рис. 3) не менее чем на X дБ. Обычно за нижний уровень из­меряемой мощности принимается уровень, расположенный на 60 дБ (X = -60 дБ) ниже уровня основного излучения (0 дБ на рис. 3). Использование нескольких измерительных уровней (X = -30, -40, -50 и т.д.) позволяет контролировать форму и скорость убывания внеполосного излучения. Оценка занимаемой полосы частот по критерию относительного уровня -X дБ для классов излучений А3Е, Н3Е, R3Е, J3Е лучше и точнее характеризует спектр сигнала по сравнению с энергетическим критерием.

Рис. 3. Характеристики основного и внеполосного излучения РПДУ

Контроль и нормирование внеполосного излучения осуществляется с помощью кон­трольной ширины полосы частот излучения В_к, за нижним и верхним пределами которой любая спектральная составляющая ослаблена на 30 дБ (в 1000 раз) и более по отношению к максимальному значению излучаемой мощности. Значение контрольной ширины полосы частот используется при распределении и присвоении номинальных частот радиостанциям и при расчетах частотного разноса между соседними станциями.

Линия, проходящая через допустимые значения уровней Х излучения, называется огра­ничительной (уровни 0, -30, -Х, -60 дБ на рис. 3). Она определяет верхнюю границу мак­симально допустимых значений составляющих спектра внеполосного излучения.

Огибаю­щая реального спектра мощности излучения не выходит за пределы установленной ограни­чительной линии. Значения ширины полос частот (В_н, В_к, В_Х, В_зн) нормированы для различ­ных классов излучения.

Пример норм на ширину полосы частот и внеполосные ра­диоизлучения для сигнала класса 13 Е (радиопередатчики фиксированной службы) представ­лен в табл. 1

Таблица 2.1. Пример норм на ширину полосы частот и внеполосные излучения

Класс излучения З3Е	Формулы для расчета
необходимой ширины полосы частот Вн, Гц	контрольной ширины полосы частот Вк, Гц	внеполосных радиоизлучений
на уровне -Х дБ	ширины полосы Вх, Гц
Телефония,				1,15 Вн = Вк
одна боковая	Вн=FB-FH	Вк = 1,15 Вн		1,25 Вн = 1,09 Вк
полоса,				1,6 Вн = 1,39 Вк
подавленная				2,9 Вн = 2,52 Вк
несущая				5,4 Вн = 4,7 Вк

Измеренные значения контрольной ширины полосы частот В_к и внеполосных излучений В_Х не должны более чем на 20% превышать нормируемые значения. Наличие норм по­зволяет строить модели огибающей спектра мощности основного и внеполосного излуче­ний, что необходимо при анализе занятости РЧС.

При построении модели огибающая реального спектра аппроксимируется кусочно-ли­нейной ограничительной линией вида, показанного на рис. 3.

При этом распределе­ние мощности вблизи основного излучения представляется выражением

Р(∆f) = Р(∆f_i) + V_i lg(∆f/∆f_i) (6)

где Р(∆f) — уменьшение уровня мощности излучения при расстройке на ∆f_i относительно уровня основного излучения (0 дБ), дБ;

V_i — наклон огибающей ограничительной линии спектра в пределах i -го линейного участка аппроксимации, в интервале частот от ∆f_i до ∆f_{i +1}, дБ/дек.

Наклон ограничительной линии V (ее крутизна) характеризует скорость убывания мощ­ности спектральных составляющих излучения:

V_i = [Р(∆f_{i +1}) - Р(∆f_i)] /lg(∆f_{i +1}/ ∆f_i). (7)

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем заключается различие понятий «распределение полосы частот», «выделение радиочастоты» и «присвоение радиочастоты»?

2. Что означает термин «управление использованием РЧС»?

3. Перечислите основные руководящие документы по управлению использованием РЧС.

4. Каковы базовые концепции международного РР и что представляет собой РР?

5. Опишите структуру международной ТРЧ,

6. Какие планы применяются в практике МСЭ и какие являются неотъемлемой частью РР?

7. Для чего используют такие элементы управления использованием РЧС, как координация и регистрация частотных присвоений РЭС?

8. Какие основные документы регламентируют систему управления использованием РЧС на национальном уровне?

9. Что такое повышение эффективности использования спектра?

10. Изложите краткое содержание понятия «радиочастотный спектр» и его характеристику

Задача.1. Определить ширину присвоенной полосы частот Вп для радиовещательного передатчика диапазона частот 9400 – 9900 кГц с классом излучения 8М00F3TGN.

Задача.2. Определить ширину присвоенной полосы частот Вп для радиовещательного передатчика диапазона частот 9200 – 9800 кГц с классом излучения 8M00X7WWX.

Задача.3. Определить ширину присвоенной полосы частот Вп для радиовещательного передатчика диапазона частот 9100 – 9700 кГц с классом излучения 7M61X7WWX.

Задача.4. Определить ширину присвоенной полосы частот Вп для радиовещательного передатчика диапазона частот 9400 – 9900 кГц с классом излучения 7M63C3F.

Задача 5. Определить ширину присвоенной полосы частот В_п для телевизионного передатчика диапазона частот 174-230МГц с классом излучения 7M61X7WWX.

Задача 6. Определить ширину присвоенной полосы частот В_п для телевизионного передатчика диапазона частот 170-230МГц с классом излучения 7M63C3 F.

Задача 7. Определить ширину присвоенной полосы частот В_п для телевизионного передатчика диапазона частот 172-216МГц с классом излучения 7М60А 3F.

Задача 8. Определить ширину присвоенной полосы частот В_п для телевизионного передатчика диапазона частот 170-216МГц с классом излучения 7М60А 3F.