АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ И МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ ЧАСТОТНОГО ПЛАНА

АННОТАЦИЯ

В этом исследовании рассматриваются вопросы разработки частотного плана и анализ электромагнитной совместимости подвижных радиоэлектронных средств. Определены оценки электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, в общем виде действующее напряжение мешающего сигнала, на входе приемника радиостанции как функция частоты, времени, пространственного разноса и поляризации передающей и приемной антенн.

ABSTRACT

In this study deals with the development of a frequency plan and analysis of the electromagnetic compatibility of mobile radio-electronic means. Estimates of the electromagnetic compatibility of radio electronic equipment, in general terms, the effective voltage of the interfering signal, at the input of the radio station receiver as a function of frequency, time, spatial separation and polarization of the transmitting and receiving antennas are determined.

Ключевые слова: анализ электромагнитной совместимости, расчет, проектирование, помеховая ситуация, радиосвязь.

Keywords: electromagnetic compatibility analysis, calculation, design, interference situation, radio communication.

Моделирование электромагнитного воздействия на приемник полезных и мешающих сигналов, а также анализ электромагнитной совместимости -ЭМС радиоэлектронных средств - РЭС, является одним из актуальных задач. Решение данной задачи дает возможность исследовать и качественно оценить воздействие мешающих сигналов на приемное устройство[1-4]. Кроме того, можно однозначно установить основные мешающие влияния и провести их количественную оценку.

При оценке ЭМС РЭС в общем виде действующее напряжение мешающего сигнала в, дБ, на входе приемника радиостанции как функция частоты f времени t, пространственного разноса r и поляризации p передающей и приемной антенн может быть представлена в виде:

U₂ (f, t, r, p) = U₁m(f, t)+B(f, t, r, p) ,

где  U₁m(f,t) – мощность излучения мешающего передатчика, дБ;

B (f, t, r, p) – функция, определяющая потери при распространении электромагнитных волн между приемником и передатчиком, дБ.

Потери при распространении, дБ, можно представить следующим образом:

B (f, t, r, p) = G₁(f, t, p) + L(f, t, r, p) + G₂(f, t, p),

где  G₁(f, t, p) и G₂(f, t, p) – коэффициенты усиления соответственно

пере­дающей и приемной антенн, дБ;

L (f, t, r, p) – основные потери при распространении.

Помеховая ситуация определяется сравнением действующего напряжения мешающего сигнала на входе приемника с допустимым его уровнем U_{2м доп}. Требование ЭМС РЭС заключается в том, чтобы

U_2м.доп (f, t, r, p) <U_1м.доп (f, t, r).

Таким образом, в качестве модели прогнозирования электромагнитных помех, возникающих в системе радиосвязи, может быть принята величина превышения мешающим сигналом допустимого уровня, дБ,

δ(f, t, r, p = U_2м.доп (f, t, r, p) – U_1м.доп (f, t, r),

если величина δ(f, t, r, p) отрицательная, то условие ЭМС РЭС не соблюдается и наоборот.

Это выражение может быть представлено в виде

δ (f, t, r, p) = U_{1м. доп} (f, t) + G₁(f, t, p) + L(f, t, r, p) + G₂(f, t, p) – U_2м.доп (f, t, r).

Принимая вероятность наличия полезного сигнала равной Р₁ (t,r), а вероятность мешающего сигнала – Р₂(t,r), можно определить вероятность одновременного воздействия полезного сигнала и помехи.

При воздействии на приемное устройство большого уровня мешающего сигнала на частоте соседнего канала может проявиться блокирование полезного сигнала мешающим, которое определяется избирательностью приемника по соседнему каналу. Увеличение этого параметра позволяет уменьшить пространственный разнос двух мешающих радиосредств, не нарушая при этом их нормальной работы.

В реальных условиях функционирования системы радиосвязи на вход приемника, помимо полезного сигнала, могут действовать 2 и более мешающих сигналов, работающих на неосновных каналах приема и проявляющихся в виде мешающего сигнала в основном канале [5-7]. Такие помехи относят к помехам взаимной модуляции (интермодуляции). В этом случае модель прогнозирования электромагнитных помех может быть представлена в виде:

δ (f, t, r, p) =U_2м.доп (f, t, r, p) + U^'_{2м доп} (f, t, r, p) + U_2м.доп (f, t r) – U_вх(f, t, r, p),

где  U^'_2м.доп (f, t r, p) –уровень второго мешающего сигнала, дБ. Вероятность одновременного воздействия на вход приемника полезного и двух мешающих сигналов определяется как:

Р''(t, r) = P₁(t, r) P₂(t, r) P₃(t, r) ,

где  P₃(t, r) – вероятность появления второго мешающего сигнала.

Результаты анализа функционирования радиосредств в системе связи показывают, что исходя из надежности связи по полю с вероятностью Р₁=0,95 и вероятностями превышения мешающими сигналами допустимого уровня Р₂= Р₃=0,05, можно установить, что вероятность проявления блокирования полезного сигнала мешающим значительно превышает вероятность образования интермодуляционных помех, т. е.

Р'(t,r)>>Р''(t,r).

Поэтому для радиосредств, функционирующих в системе, где в большинстве случаев 2 работающие на соседних каналах стационарные радиостанции устанавливают в одном здании, необходимо в первую очередь обеспечивать высокую двухсигнальную избирательность приемного устройства.

Уменьшение мешающих влияний из-за появления интермодуля­ционных помех может быть достигнуто рациональным выбором частотных каналов. При правильно выбранных с точки зрения интермодуляции частотах ЭМС РЭС можно оценивать только по избирательности приемника. В этом случае весьма актуальной задачей является разработка алгоритма расчета оптимальной сетки рабочих частот, в которой исключается образование интермодуляционных помех.

Рисунок 1. Допустимый уровень мешающего сигнала на входе приемника для конкретного случая

При определении мешающего влияния двух радиостанций допустимо сближение их антенн в зависимости от частотного разноса. В этом случае необходимо знать характеристики избирательности приемника относительно мешающего сигнала передатчика на различных частотах канала. Нормативные документы регламентируют избирательность, измеренную двухсигнальным методом лишь по соседнему каналу.

Приведенные на рис.1зависимости характеризуют допустимый уровень мешающего сигнала на входе приемника при соотношении сигнал/шум на выходе низкочастотного тракта приемника 12дБ для значений полезного сигнала от 0 до 40 дБ. 50кГц ~ | f – fм | ~ 2,5МГц.

U_{2меш.доп} =63+U_2min + | f - f м | k

где  k =1дБ²/кГц – коэффициент согласования размерности;

U_2min – наименьшее значение полезного сигнала на входе приемника, дБ;

f – f_м – частотный разнос между рабочим и мешающим каналами, кГц.

Приведенное выражение справедливо для всех каналов приема, исключая ложные, в полосе частот от 50кГц до 2,5МГц, т. е. при определении пространственного разноса между стационарными радиостанциями необходимо рассчитать уровень мешающего сигнала, дБ, на входе приемника

U₂ = U_{2меш.доп} + α₁l₁– G₁ + α'₁l'₁– G'₁ ,

где  α'₁l'₁ и G'₁, – параметры фидера и антенн мешающей радиостанции. Зная значение U₂, можно определить допустимое сближение антенн двух радиостанций.

Облучение произвольной поверхности с помощью радиостанций с одинаковыми параметрами, без просветов, с минимальным перекрытием и количеством используемых частот часто бывает необходимым. Наиболее плотная сеть передатчиков получается при расположении их в узловых точках решетки, состоящей из равносторонних треугольников. Терри­тория, облучаемая единственным передатчиком, может описываться шестиугольником.

Наиболее жесткие условия защиты от интерференции имеют место при минимальном расстоянии между передатчиками с одинаковыми частотами. Это расстояние может быть определено расчетами условий

защиты от интерференции и распространения радиоволн. Без учета иных интерференционных помех отношение площади треугольника, образованного одинаковыми каналами, к площади, обслуживаемой одним каналом, есть необходимое число каналов для обслуживания заданной территории в идеальном случае.

Минимальное число каналов, C=(1/3)(D/r)2, защиты от интерференции и распространения радиоволн. Без учета иных интерференционных помех отношение площади треугольника, образованного одинаковыми каналами, к площади, обслуживаемой одним каналом, есть необходимое число каналов для обслуживания заданной территории в идеальном случае.

Минимальное число каналов, C=(1/3)(D/r)2, где D – расстояние между радиостанциями, работающими по одному и то­му же каналу в режиме "Передача"; r–радиус территории, облучаемой одной радиостанцией.

Если должна быть создана радиосеть с одинаковыми свойствами во всех направлениях, имеющийся комплект каналов нужно распределить так, чтобы разнос номеров каналов (частотный разнос) соседних точек установки станций был постоянным. Для этого требуется 120°-координатная, система x–y со следующим числом реализуемых каналов:

a=k₂+kl+l₂,

где  k – разность номеров каналов соседних мест размещения в направ­лении х; l – то же самое в направлении у.

В радиосетях транспорта (железнодорожном, автомобильном, речном), газовой, нефтяной и электроэнергетической промышленности должна устанавливаться связь с транспортными средствами на определенной трассе. Здесь нет необходимости облучать большие территории, однако на выбранной трассе необходимо обеспечивать радиосвязь без просветов.

С помощью простых устройств нельзя обеспечить связь на одной частоте с автомобилем, движущимися на протяженной трассе. В радиосетях с небольшими требованиями к качеству связи необходимо иметь не менее двух каналов, а в радиосетях с повышенным качеством – не менее трех различных каналов, которые распределяются среди базовых станций попе­ременно. Три частоты могут быть использованы и таким образом, что частота передачи подвижной станции постоянная, но предусмотрены 3 частоты приема. Трехканальное распределение может быть согласовано с семи или девятиканальным планом распределения каналов.

Из имеющихся частот обычно необходимо на той же территории выделить частоты для нескольких радиосетей различного назначения. В районе передатчиков, излучаемых одновременно, источником наиболее

неблагоприятных помех является интерференция в приемных устройствах, в том числе интермодуляции третьего и пятого порядков. Для исключения интермодуляционных помех в радиосетях, работающих в одном районе, частоты каналов выбирают с учетом интермодуляции третьего порядка видов А + В – С = D и 2А – В = D, а также интермодуляции пятого порядка видов 2А + В + С – D = E, А + В + С –2D = Е, 2А + В – С = D, 3А – В – С = D, 3А–2В=С (буквами обозначены номера каналов).

Заключение

Как показали экспериментальные исследования, увеличение разноса между частотами рабочего и мешающего каналов ведет к повышению защищенности приемника от мешающего сигнала (приращение защищенности может быть аппроксимировано квадратным корнем из значения частотного разноса в килогерцах). Увеличение полезного сигнала на входе приемника также повышает его защищенность от ме­шающего сигнала на величину, выраженную уровнем полезного сигнала в децибелах относительно 1мкВ (0 дБ).

При проектировании радиосети необходимо стремиться к тому, чтобы интермодуляционные продукты передатчиков, работающих на определенной территории, не попадали в другие каналы, используемые на этой территории, а также необходимо в каждом районе выделить семи­ или девяти канальные группы, свободные от интермодуляции, и целесообразно их подбирать так, чтобы полный используемый комплект каналов образовал ряд каналов с полным покрытием территории.

Список литературы:

1. Волков В.М., Головин Э.С., Кудряшов В.А. Электрическая связь и радио на железнодорожном транспорте. /– М.: Транспорт, 1991. 311с.
2. Кривопишин В.А., Халиков А.А. Станционная и поездная радиосвязь. / Учебное пособие. Ташкент «Янги аср авлоди» 2007. 321с
3. Связь с подвижными объектами на железнодорожном транспорте: Справочник / Ваванов Ю.В., Доценко Н.Е., Малявко В.Е., Тропкин С.И. М: Транспорт, 1984. 320с.
4. Телекоммуникационные технологии на железнодорожном транспор­те / Горелов Г.В., Кудряшов В.А., Шмытинский В.В. и др. Под ред. Горелова Г.В. – М.: УМК МПС России, 1999. 576с.
5. Халиков А.А., Ураков О.Х. Математическая модель процесса функционирования сети ОТС - IP при передаче редкоследующего потока данных. // UNIVERSUM: Технические науки : электрон. научн. журн. Раздел Радиотехника и связь Москва –2020. № 3(72). –С.56-61. URL: tech@7universum.com
6. Халиков А.А., Ураков О.Х. Усовершенствование сети оперативно-технологической связи на АО «Узбекистон темир йуллари». Монография. / Под ред.проф. Халикова А.А. Ташкент –Тамбов: Консальтинговая компания Юком, 2020. 98с. https://ukonf.com/doc/mon.2020.04.01.pdf.
7. Халиков А.А., Мусамедова К.А., Ураков О.Х., Хуррамов А.Ш. Организация сети оперативно-технологической связи на базе МИНИ КОМ DX-500 ЖТ. // Научный альманах. Тамбов –2020.№3-1(65). –С.136-141. Издательство Юком (Ucom).