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

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 № 4

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. Решить задачи

Содержание отчета

1. Результаты определения параметров заданного радиоизлучения

2. Результаты определения ширины присвоения частот

Методические указания.

Побочные излучения — нежелательные радиоизлучения, возникающие в результате любых нелинейных процессов в тракте формирования высокочастотных сигналов РПДУ, кроме процесса модуляции. К ним относятся все показанные на рис. 2.(см. практичне 3) радиоизлучения, кроме основного, внеполосного и шумового.

Интенсивность подобных излучений зависит от:

- диапазона рабочих частот радиопередатчика,

- типа и режима работы активных элементов и др.

Уровень побочных излучений определяется по отношению к основному излуче­нию в децибелах и должен соответствовать нормам РР и другим директивным докумен­там.

Например, средняя мощность любого побочного колебания на выходе телевизион­ного передатчика, работающего в І-ІІІ диапазонах, не должна превышать 1 мВт и -60 дБ от его номинальной пиковой мощности.

Радиоизлучения на гармониках — побочные излучения на частотах f_п, в целое число раз больших частоты f основного излучения:

f_п = пf_о, п = 2, 3,

Причинами появления гармо­ник являются:

1) работа усилителя мощности передатчика с отсечкой анодного (коллектор­ного) тока;

2) нелинейность характеристик элементов радиотракта передатчика.

Уровень гармоник на выходе зависит от многих факторов:

- особенностей схемы передатчика,

- качест­ва фильтрации выходных цепей,

- рабочего режима активных приборов и др.

Амплиту­ды гармоник связаны со степенью нелинейности и обычно убывают с увеличением номе­ра гармоники. Уровни гармонических составляющих имеют значительный разброс даже для однотипных передатчиков (до 10...20 дБ). При расчетах радиопомех, создаваемых гармониками, полагают, что уровни мощности помех распределены по нормальному зако­ну около своего среднего значения и среднеквадратическое отклонение не зависит от но­мера гармоники.

Среднее значение уровня мощности излучения на частоте n-й гармоники, дБВт, можно выразить в виде

Р_Г(f_п) = Р_о(f_о) + V_Г lgf_n + А_Г, п 2, (8)

где Р _о( f _о ) — уровень средней мощности основного излучения, дБВт;

V _Г — коэффициент, ха­рактеризующий скорость убывания спектра, дБ/дек; А_Г — ослабление излучения на гармо­нике по отношению к основному, дБ.

Коэффициенты А_Г, V _Г , можно рассчитать по статистическим данным измерений. В табл. 1. представлены усредненные экспериментальные результаты измерений для ра­диопередатчиков различных диапазонов волн.

Таблица 1. Экспериментальные результаты измерений

Диапазон частот, МГ ц	VГ, дБ/дек	АГ, дБ
Менее 30	-70	-20
30…..300	-80	-30
Более 300	-60	-40

Выражение (8) и данные табл. 1 позволяют рассчитать ожидаемый уровень средней мощности излучения радиопередатчика на определенной гармонике.

Например, в передатчике с выходной мощностью Р = 10 Вт (10 дБВт), работающего на частоте 150 МГц, ожидаемый уровень средней мощности излучения на частоте второй гар­моники

Р_Г(f₂) = 10 – 80lg2 - 30 = 10 - 24 - 30 = -44 дБВт.

Ослабление уровня мощности второй гармоники относительно уровня основного излу­чения составляет 54 дБ.

На рис. 5 представлены рекомендованные МСЭ нормы на допустимые уровни радио­излучений на гармониках в зависимости от средней мощности основного излучения Р₀ в диапазоне частот 10 кГц...960 МГц

Рис 5. Нормы излучения радиопередатчиков на гармониках:

1 — диапазон 10 кГц...30 МГц; 2 — 30...235 МГц; 3 — 235...960 МГц

Ослабление уровня гармоник в диапазоне ниже 30 МГц должно быть не менее 40 дБ относительно уровня основного излучения, а в диапазоне 30…960 МГц не менее 40…60 дБ (в зависимости от мощности основного излучения).

Радиоизлучения на субгармониках — побочное излучение на частотах f _cг, в целое число раз меньших частоты основного излучения:

f _сг = f _о / n, n = 2, 3, 4, ….

Эти излучения характерны для радиопередатчиков, в которых выходные

радиосигналы формируются с помощью умножителей частоты. Хотя на

выходе умножителей обычно стоит фильтр, выделяющий основное

колебание с частотой f _о, но вследствие недостаточного ослабления

колебаний с частотами f_n = f _о / n, 2 f _о / n, 3 f _о / n, … они попадают на вход

усилителя мощности и с его выхода поступают в антенно-фидерную систему.

Оценку уровня излучения на субгармониках в диапазонах частот, указанных

в табл. 1, можно осуществлять с помощью выражения (8) с

использованием следующих значений: V_сг = -20 дБ/дек, А_сг = -80 дБ.

Комбинационное излучение — побочное радиоизлучение, возникающее в результате взаимодействия на нелинейных элементах РПДУ колебаний на частотах несущей или формирующих несущую частоту, а также гармоник этих колебаний.

Они образуются в возбудителе или синтезаторе частоты передатчика, когда

рабочая частота формируется из одной или нескольких частот автогенератора

или опорного кварцевого генератора. В синтезаторе сетка рабочих частот

создается путем нелинейных преобразований нескольких колебаний с

частотами f ₁, f ₂, f ₃, …, находящихся обычно в декадном соотношении:

f ₂ = 10 f ₁, f ₃ = 10 f ₂, ….

В результате их смешивания появляются различные комбинационные

составляющие с частотами f _к = pf ₁ qf ₂ mf ₃ (p, q, m = 1, 2, 3, …),

которые присутствуют на выходе синтезатора вместе с полезным колебанием

рабочей частоты. Уровни комбинационных составляющих излучения на

выходе радиопередающего устройства имеют наибольшее значение в

полосе частот оконечного усилителя мощности и быстро убывают за ее

пределами.

Оценку уровня средней мощности комбинационного излучения, дБВт, дает выражение

P _к(f) = P _o (f _о) + V _к lg(f _к / f _о) + A _к, (9)

где P _o (f _о) — уровень средней мощности основного излучения, дБВт;

f _к — частота комбинационного излучения, Гц;

V _к — коэффициент, характеризующий скорость убывания спектра, дБ/дек.;

А _к — величина ослабления комбинационного излучения, дБ.

Для коротковолновых передатчиков при 1,001 < f _к / f _о <1,1, V _к = – 160 дБ/дек,

А _к = – 39 дБ, вычисление по (9) дает общее ослабление уровня

комбинационного излучения –(40…46) дБ. Уровни комбинационных

излучений обычно меньше уровней излучений на гармониках.

Интермодуляционное излучение — побочное радиоизлучение, возникающее в результате воздействия на нелинейные элементы высокочастотного тракта радиопередающего устройства генерируемых колебаний и внешнего электромагнитного поля (от других передатчиков). Такая ситуация возможна при близком расположении антенн соседних радиостанций на ограниченной территории либо при работе передатчиков на общую диапазонную антенну. Отмечают две причины возникновения интермодуляционных колебаний:

1) мешающий сигнал поступает на оконечный каскад передатчика и усиливается вместе с полезным сигналом;

2) сигнал на частоте помехи изменяет параметры активного элемента во времени, что приводит к модуляции полезного сигнала на рабочей частоте и к появлению в спектре выходного сигнала передатчика интермодуляционных составляющих. При взаимодействии двух передатчиков с рабочими частотами f₁ и f₂ интермодуляционные составляющие возникают на частотах

f_и = p f₁ + n f₂, p, n = 1, 2, 3, ….

Их число быстро увеличивается с ростом порядка интермодуляции

N = | p | + | n |.

Значения некоторых интермодуляционных частот приведены в табл. 2.

Таблица 2. Интермодуляционные частоты

Порядок интермодуляции
Сочетание частот	| f 1 f 2 |	2 f 1 – f 2 2 f 2 – f 1	3 f 1 – 2 f 2 3 f 2 – 2 f 1	4 f 1 – 3 f 2

Мощность интермодуляционного колебания зависит от мощности мешающего передатчика, типа активных элементов в выходных каскадах, степени связи между передатчиками и от разности рабочих частот f₁ и f₂. Интермодуляционные частоты четного порядка имеют значительную расстройку относительно рабочей частоты передатчика, и поэтому их уровни сильно ослаблены фильтрующими системами. Составляющие 3-го порядка по частоте наиболее близки к частоте основного излучения и могут попадать в полосу пропускания выход ного каскада. Они мало ослабляются избирательными цепями каждого передатчика и поэтому оказывают наибольшее мешающее действие. Составляющие 5-го и 7-го порядков также могут находиться в полосе усиления оконечных каскадов, но их мощность значительно меньше составляющих 3-го порядка. Основные меры по уменьшению интермодуляционных излучений состоят в улучшении фильтрации и уменьшении степени связи между передающими антеннами путем их рационального розміщення.

Паразитное излучение — побочное радиоизлучение, возникающее в результате самовозбуждения радиопередатчика из-за паразитных связей в его каскадах. Паразитные колебания в усилительных и генераторных каскадах появляются, если выполняются условия самовозбуждения на частотах, определяемых параметрами цепи паразитной связи. Паразитные излучения могут возникать на частотах как ниже, так и выше частоты основного радиоизлучения. Их особенностью являются отсутствия кратности частоте основного радиоколебания. Мощность и значение частоты паразитного излучения трудно прогнозируемы и могут иметь значительный разброс даже в группе однотипных передатчиков.

Уровни побочных радиоизлучений нормируются РР и другими нормативными документами. За нормируемую величину мощности побочного излучения принимается средняя мощность, передаваемая от передатчика в антенно-фидерный тракт на частоте побочного излучения, выраженная в абсолютных и относительных единицах (по отношению к средней мощности передатчика в пределах необходимой ширины полосы). Приведенные в табл. 3 нормы установлены в зависимости от мощности передатчиков и от диапазона рабочих частот и должны выполняться для любой из рассмотренных выше составляющих побочных излучений.

Таблица 3. Нормируемые уровни побочных излучений

Полоса частот	Средняя мощность	Нормируемые уровни побочных излучений
9 кГц…30 МГц 30….235 МГц	25 Вт и менее	– 40 дБ; 50 мВт
Более 25 Вт	– 60 дБ; 1 мВт
235…960 МГц	25 Вт и менее	– 40 дБ; 25 мкВт
Более 25 Вт	– 60 дБ; 20мВт
960 МГц…17,7 ГГц	10 Вт и менее	100 мкВт
Более 10 Вт	– 50 дБ; 100 мкВт

Шумовое излучение — нежелательное радиоизлучение, обусловленное собственными шумами элементов передатчика и паразитной модуляцией несущей шумовыми процессами. Шумовые излучения характеризуются спектральной плотностью мощности (абсолютной или по отношению к уровню основного излучения) и шириной занимаемой полосы частот. Интенсивность шумовых излучений зависит от схемы передатчика, его назначения, диапазона частот применяемой элементной базы и отстройки f от частоты f_о основного излучения. Для количественного описания шумовых излучений можно использовать выражение, аналогичное (8), (9):

P_ш( f) = P_o (f_о) + V_ш lg(2 f) /В_зн) + A_ш, (2.10)

где P_ш( f) — уровень мощности шумового излучения при отстройке на f от частоты основного излучения, дБВт;

V_ш — скорость убывания уровня шумового излучения, дБ/дек;

A_ш — ослабление мощности шумового излучения в занимаемой полосе В_зн относительно основного, дБ.

Для широко- и узкодиапазонных радиопередатчиков коэффициент V_ш равен соответственно –3 и –15 дБ/дек, а A_ш = – 60… – 80 дБ. В основной полосе частот уровень шумов на 60…80 дБ ниже уровня основного излучения, и поэтому шумы не влияют на качество принимаемого сигнала. Однако за пределами этой полосы, даже при расстройке на (5…10) МГц, шумовое излучение передатчика может создавать ощутимые помехи близко расположенным приемным устройствам других РЭС, работающим в соседних частотных каналах. Уменьшить эти помехи можно, удалив приемники на достаточно большое расстояние.

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определение понятия класса излучения. Расшифруйте следующие классы излучений: F8EJF, G7EBT, F3FNN, G1EBN.

2. Какие параметры радиопередатчиков влияют на рациональное использование радиоспектра?

3. Одним из параметров ЭМС радиопередатчиков является ширина занимаемой полосы частот излучения. Аргументируйте требования к ней с позиций эффективности использования частотного спектра и способы их реализации. Что означают понятия «совершенное и несовершенное» излучение радиопередатчика?

4. Дайте характеристику внеполосного излучения. Как оно влияет на эффективность использования частотного спектра?

5. Дайте характеристику шумового излучения передатчика. Как оно оценивается и как влияет на эффективность использования частотного спектра?

6. Аргументируйте, почему отклонение частоты излучений влияет на эффективность использования частотного спектра.

7. Дайте классификацию неосновных излучений радиопередатчика. Аргументируйте, почему они влияют на эффективность использования частотного спектра.

8. Укажите основные причины возникновения внеполосных излучений и проиллюстрируйте это рисунком.

9. Укажите основные причины и виды побочных излучений. Какие способы уменьшения побочных излучений применяются в РЭС?

Задача 1. Построить модель огибающей спектра мощности основного и внеполосного излучений радиопередатчика фиксированной службы для сигналов класса 2К70J3E (телефония, одна боковая полоса частот, подавленная несущая). Координаты контрольных точек ограничительной линии спектра определите из приведенных в таблице норм на ширину полосы частот и внеполосные излучения.

Определить затухания мощности при расстройках 3,24 кГц и 4,05 кГц для используемого класса излучения 2К70J3E.

Класс излучения	Формулы для расчета
Необходимой ширины полос частот Вн, Гц	Контрольной ширины полосы частот Вк, Гц	Внеполосных радиоизлучений
На уровне – Х дБ	Ширины полосы Вх, Гц
J3E	Вн=Fв-Fн	Вк=1,15 Вн		115 Вн=Вк
	125 Вн=1,09Вк
	1,6 Вн=1,39Вк
	2,9 Вн=2,52Вк
	5,4 Вн=4,7Вк

Решение. Ограничительная линия спектра при выделении верхней боковой полосы час­тот представлена на рисунку.

Рисунок Модель огибающей радиоизлучения класса J3E

Таблица. Экспериментальные результаты измерений

Диапазон частот, МГц	VГ, дБ/дек	АГ, дБ
Менее 30	-70	-20
30...300	-80	-30
Более 300	-60	-40

Для используемого класса излучения 2K70J3E В_Н =2,7 кГц и при расстройке имеем

Значит для воспользуемся уравнением распределения мощности на участке 3

При отстройке имеем

.

Для этого случая воспользуемся уравнением распределения мощности на участке 4

Ответ. Затухание мощности при расстройке 3,24 кГц составляет 32,7 дБ, а при расстройке 4,05 кГц – 38,9 дБ.

Задача 2. Для используемого класса излучения 2K70J3E (телефония, одна боковая полоса частот, подавленная несущая), определить величину расстройки, за пределами которой получаемая радиопередатчиком мощность составляет 1% средней мощности на присвоенной ей частоте. Уравнение распределения мощности для этого участка расстроек имеет вид:

.

Ответ. Величина расстройки равна 11,117 кГц.

Задача 3. Определить ослабление уровня мощности второй гармоники относительно уровня основного излучения для радиопередатчика с выходной мощностью , работающего на частоте 51 канала диапазона.

Воспользуемся таблицей усредненных экспериментальных результатов измерений для радиопередатчиков различных диапазонов волн:

Диапазон частот, МГц	, дБ/дек	, дБ
Менее 30	-70	-20
30-300	-80	-30
Более 300	-60	-40

Ответ. 58 дБ.

Задача 4. Определить уровень мощности шумового излучения при отстройке на 5 МГц от частоты основного излучения для широкодиапазонного телевизионного передатчика с выходной мощностью 15 Вт (11,8дБВт) диапазона частот 174-230 МГц с классом излучения 7M63A3F и значением нижнего уровня измеряемой мощности 60дБ в полосе 41,2 МГц.

Ответ. Уровень мощности шумового излучения составляет -47,3дБ, т.е. -47,3дБ относительно уровня средней мощности основного излучения.

Задача 5. Определить допустимый уровень побочных излучений для передатчика космической службы с суммарной средней мощностью 20Вт. Укажите при этом контрольную полосу.

Ответ. Согласно таблице-нормам побочных излучений для передатчиков, установленных Регламентом радиосвязи (Т1 МС-Э, 1990, Приложение 3) для космической службы ослабления А (дБ) побочных излучений по сравнению с мощностью, подведенной к фидеру антенны должно быть не ниже:

или 60дБс, в зависимости от того, какой предел менее строгий, где

Р – средняя мощность, подводимая к фидеру антенны

дБс – децибелы относительно мощности немодулированной несущей излучения.

В случае отсутствия несущей, например, в некоторых цифровых схемах модуляции, когда несущая недоступна для излучения, эквивалент контрольного уровня в дБс соответствует децибелам относительно средней мощности Р.

Тогда имеем:

Принимается 60дБс.

Значит допустимый уровень побочных излучений не должен превышать в диапазоне частот от 9 КГц до 110 ГГц 20 мкВт, или -47 дБВт.

Ответ: -47 дБВт (20 мкВт).