Выпускная квалификационная работа «Расчет радиорелейной трассы между удаленными объектами» (стр. 4 )

Ослабление в дождях может быть от 2 до 18 дБ/км, а в атмосфере достигает 0.2 дБ/км. Диапазон разрешено использовать в спутниковых системах связи. Поэтому при расчетах необходимо учитывать возможность помех.

Рассмотрим характеристики и основные парамерты радиоприемных и радиопередающих устройств.

Антенной называется радиотехническое устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн. Антенна является одним из важнейших элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемной радиоволн.

В конструктивном отношении антенна представляет собой провода, металлические поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики. Назначение антенны поясняется упрощенной схемой радиолинии (Рисунок. 1.2)

Рисунок 1.2 – Упрощенная схема радиолинии

Электромагнитные колебания высокой частоты, модулированные полезным сигналом создаваемые генератором, преобразуются передающей антенной в электромагнитные волны и излучаются в пространство. Обычно электромагнитные колебания подводят от передатчика к антенне не непосредственно, а с помощью линии питания (линия передачи электромагнитных волн, фидера).

При этом вдоль фидера распространяются связанные с ним электромагнитные волны, которые преобразуются антенной в расходящиеся в электромагнитные волны свободного пространства.

Приемная антенна улавливает свободные радиоволны и преобразует их в связанные волны, подводимые с помощью фидера к приемнику. В соответствии с принципом обратимости свойства антенны, работающей в режиме передачи, не изменяются при работе этой антенны в приемном режиме.

Способность антенны излучать электромагнитные волны с различной интенсивностью в разных направлениях характеризуется её направленными свойствами. Антенны, обладающие этими свойствами, позволяют без увеличения мощности передатчика увеличивать напряженность электромагнитного поля в необходимом направлении в сотни тысяч и даже миллионы раз путем концентрации электромагнитных волн в узкие пучки.

Наличие направленных свойств у приемных антенн, т. е. различная эффективность приема волн, приходящих с различных направлений (пространственная избирательность), ведет к ослаблению приема различных внешних помех, т. е. к повышению качества приема и улучшению помехозащищенности приемного устройства. Необходимо иметь в виду, что в ряде случаев к антеннам предъявляют требования всенаправленности. Направленные свойства являются настолько важными, что принято говорить о двух функциях, выполняемых антенной:

1) преобразование электромагнитных колебаний в свободные электромагнитные волны;

2) излучение этих волн в определенных направлениях.

Коэффициент направленного действия (КНД) характеризует способность антенны концентрировать излученное электромагнитное поле в каком-либо определенном направлении. Коэффициент направленного действия называется отношение среднего значения за период высокой частоты плотности потока мощности, излучаемого антенной в данном направлении (Ө1, φ1), к усредненному по всем направлениям значению плотности потока мощности П уср:

Коэффициент направленного действия можно выразить с помощью еще одного параметра, называемого действующей длиной или действующей высотой антенны. Этот параметр иногда используют при анализе приемных антенн, а также проволочных длинноволновых и средневолновых антенн и антенн-матч. В случае линейной антенны ток по её длине распределен неравномерно. Однако данную данную реальную антенну можно заменить воображаемым вибратором с равномерным распределением тока, создающим в направлении максимального излучения поле, равное полю данной антенны в главном направлении. При этом ток в точке питания реальной антенны считается равным току, текущему по воображаемому вибратору.

Коэффициент направленного действия не учитывает потерь подводимой энергии в проводниках антенны, в изоляторах, окружающих антенну предметах и в земле. В связи с этим вводится параметр, учитывающий эти потери, называемый коэффициентом усиления (КУ) антенны, равный отношению среднего значения плотности потока мощности, излучаемой антенной в данном направлении, к среднему значению плотности потока мощности, создаваемого воображаемым абсолютно ненаправленным излучателем. При этом предполагается, что точка наблюдения находится на одинаковом расстоянии от обеих антенн; мощности, подводимые к той и другой антеннам, равны и КПД ненаправленной антенны равен единице. Таким образом, КУ:

Отличие КУ от КНД состоит в том, что при определении КУ исходят из равенства мощностей, подводимых к исследуемой и эталонной (ненаправленной) антеннам Р0, а не из равенства мощностей излучения этих антенн.

Радиовещательные станции, работающие в разных диапазонах, имеют значительные мощности. При больших мощностях существенное значение имеет коэффициент полезного действия антенны.

Как указывалось выше, кпд антенны оказывается высоким, если сопротивление потерь антенны значительно меньше её сопротивления излучения. Сопротивление потерь складывается из потерь в проводах антенны, изоляторах, элементах настройки, оттяжках матч, окружающих предметах и заземлении.

Сопротивление потерь в проводах антенны можно определить через погонное сопротивление, которое для цилиндрического проводника с учетом поверхностного эффекта равно:

,

где r – радиус проводника, м;

μ’ – относительная магнитная проницаемость материала проводника.

Токонесущие части антенн могут выполняться из стали, меди, алюминия или оцинковонной стали. В технике передающих антенн находят широкое применение биметаллические провода со стальной сердцевиной и медной или алюминиевой оболочкой.

На высоких частотах глубина погружения тока в проводник мала, поэтому при расчете сопротивления биметаллических проводов потери в сердцевине провода не учитывают. Это относится также и оцинкованным канатам, если толщина их покрытия равна или больше 0,1 мм. Биметаллические провода с медным внешним слоем, обладая в диапазоне радиочастот параметрами медного провода, имеют большую механическую прочность, меньший вес и меньшую стоимость.

Погонное сопротивление потерь обычно пересчитывают к пучности тока или к току на зажимах антенны. К потерям следует отнести также ту часть мощности, которая тратится на нагрев изолятора антенны. Нагрев изоляторов обусловлен диэлектрическими потерями. В рационально сконструированных антеннах диэлектрические потери малы и ими можно пренебречь.

Важную роль в работе антенного устройства играет линия питания (фидерный тракт), которая передает электромагнитную энергию от генератора к антенне (или от антенны приемнику). Фидер не должен излучать электромагнитные волны и должен минимальные потери. Его необходимо согласовывать с выходной цепью передатчика (или с входной цепью приемника) и с входным сопротивлением антенны, т. е. в фидере должен существовать режим бегущей волны или близкой к нему. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров: двухпроводные или многопроводные воздушные фидеры, несимметричные экранированные (коаксиальные) линии, различные типы волноводов и др.

Рассмотрим важнейшие характеристики радиостанций, влияющие на дальность, качество связи и условия применения.

1. Диапазон рабочих частот радиостанции – участок диапазона радиоволн, на частоты которого могут настраиваться приемник и передатчик радиостанции. Обычно диапазона рабочих частот указывается по начальной и конечной частотам участкам, обозначенным в МГц.

2. Количество частотных каналов – это то количество в пределах диапазона, на которое могут настраиваться передатчик и приемник радиостанции. Как правило, номиналы частот каналов кратны 50, 25 или 12,5 кГц. В некоторых радиостанциях количество частотных каналов равно 40, в других может быть меньшим или большим.

3. Мощность радиопередатчика – количество энергии электрических колебаний высокой частоты, подводимой от радиопередатчика к передающей антенне за одну секунду,- измеряется в ваттах. Чем больше энергии подводится в единицу времени к антенне, тем большей энергией обладают излучаемые электромагнитные волны.

4. Чувствительность радиоприемника – величина номинального напряжения, наведенного в приемной антенне сигналом радиопередатчика и подведенного ко входу радиоприемника, при котором на выходе этого приемника разборчиво воспроизводится принимаемое сообщение. Измеряется в микровольтах.

5. Вид питания. От источника электропитания зависит возможность использования радиостанции в стационарных или полевых условиях. Как правило, стационарные радиостанции питаются от сети переменного тока 220 или 380 В, причем время непрерывной работы на передачу этих радиостанций не ограничивается. Возимые радиостанции получают электропитание от бортовой сети того транспортного средства, на котором установлены. Обычно это сеть постоянного тока с напряжением 12 или 24 В. Электропитание носимых радиостанций осуществляется от аккумуляторов или сухих батарей.

6. Массо-габаритные показатели. Они во многом зависят от используемого источника электропитания, тогда как приемопередатчики современных маломощных радиостанций могут быть выполнены малогабаритными и достаточно легкими.

7. Дальность радиосвязи. На даннуя характеристику линии связи оказывают влияние большое количество составляющих. Так диапазон рабочих частот радиостанции определяет возможные потери энергии распространяющихся радиоволн на препятствиях. От мощности радиопередатчика зависит энергия электромагнитных волн, излучаемых антенной. Чем выше мощность, тем на большее расстояние будут распространятся радиоволны. Причем дальность, на которой будет принят сигнал передатчика, зависит еще и от чувствительности приемника. Чем меньше напряжение должно подводиться ко входу радиоприемника от антенны для нормального воспроизведения принимаемого сигнала, тем на большем удалении от передатчика этот сигнал может принят.

Дальность радиосвязи во многом зависит от наличия препятствий между корреспондентами. Причем одни преграды, например металлические конструкции, полностью отражают или поглощают энергию электромагнитных волн, другие – частично. Наличие нескольких препятствий на трассе распространения радиоволн может привести к понижению уровня принимаемого сигнала до величины менее пороговой, когда радиоприемник не в состоянии воспроизвести этот сигнал. Наличие или отсутствие преград часто зависит от высоты антенны корреспондентов.

Дальность связи уменьшается при наличии помех радиоприему. Таким образом, дальность и качество связи во многом определяются выбором радиостанций.

За корреспондентом сохраняется возможность влияния на качество и дальность связи путем регулировки мощности радиопередатчика, изменяя чувствительности радиоприемника и высоты антенны, а также выбор трассы распространения радиоволн с минимальным количеством естественных и искусственных препятствий.

В настоящее время возрастает роль технических средств вообще и средств связи. Накопленный положительный опыт применения специальной технике создал предпосылки к совершенствованию правовых основ её использования в борьбе с преступностью.

В широком смысле правовыми основаниями применения техники связи в ФСИН можно считать содержащиеся в законах и подзаконных актах правила и предписания, которые определяют цели применения этой техники, задачи и методы их решения.

Сети электросвязи, действующие в ФСИН согласно статье 8 Закона «О связи», относятся к ведомственным сетям связи, созданным для обеспечения стоящих перед ними задач. Причем следует различать сети электросвязи в ФСИН, имеющие выход в сеть общего пользования (статья 7), и сети электросвязи, созданные для управлениями подразделениями ФСИН, не имеющими выхода на сеть связи общего пользования (статья 8).

Для нужд ФСИН может использоваться правительственная связь, обеспечиваемая специально уполномоченными на то органами, определяемые Президентом Российской Федерации.

Ряд нормативных документов регламентируют использование радиочастотного спектра, а также порядок производства и эксплуатации радиоэлектронных средств (РЭС).

1. Для выделения полосы радиочастот, необходимой той или иной службе (подразделению), ФСИН РФ получает разрешение на пользование полосы частот от Государственного комитета по радиочастотам (ГКРЧ) России («Положения о порядке выделения полос (номиналов) радиочастот», утвержденное решением ГКРЧ России 14.10.96 г., протокол /5)

2. Согласование и назначение частот осуществляется начальником связи Вооруженных Сил России га территории Московского военного округа и штабами военных округов соответствующих регионов согласно Положению о порядке назначения рабочих частот для РЭС федеральных органов, министерств и ведомств РФ, находящиеся не частном обеспечении Министерства обороны РФ, утвержденному начальником Генерального штаба ВС РФ и согласованному с заместителем председателя ГКРЧ России.

Для согласования и назначения частот РЭС ФСИН РФ управления связи соответствующих регионов обязаны направлять заявки в штаб военного округа со следующими данными:

а) тип РЭС и назначение;

б) принадлежность РЭС

в) номиналы частот;

г) мощность передатчика и чувствительность приемника;

д) место, координаты размещения РЭС;

е) тип и высота антенны, класс излучения;

ж) временной режим и срок работы РЭС;

з) схема (трассы) для радио, радиорелейных и тропосферных линий связи на картах масштаба 1:200000 и крупнее с указанием полос (номиналов частот).

2 Расчет радиорелейной линии связи между учреждениями ФСИН

ГУФСИН России по Республике Коми состоит из Главного Управления ФСИН по Республике Коми из десяти исправительных колоний, одной колонии особого режима, одного лечебно-исправительного учреждения, двух лечебно-профилактических учреждений, двенадцати колоний поселения и трех следственных изоляторов.

Главное Управление по Республике Коми и все учреждения связаны между собой проводной связью. При этом связь управления с учреждениями осуществляется через телефонную сеть общего пользования (ТФоП), тем самым, арендуя канал (линию) связи у ГТС.

С ростом объема информации, передаваемой между учреждениями, необходимостью вывода видеоинформации с видеокамер на пульт оперативного дежурного по управлению, увеличением электронного документооборота, развитием цифровой техники возникла необходимость увелечения пропускной способности между учреждениями. Также, в связи с оптимизацией расходов на настройку и функционирование канала связи, вновь организуемые каналы передачи данных должны быть собственностью ГУФСИН, а не принадлежать поставщикам телекоммуникационных услуг.

Для расширения канала связи возможно арендовать дополнительные линии связи, тем самым увеличиваются затраты за использования услуг связи. Вторым вариантом увеличения пропускной способности каналов связи является построение линии или сети связи с использованием РРС.

В качестве примера создания радиорелейной линии связи (РРЛ) рассмотрим два учреждения: ФБУ ИК-31 и КП-3 ГУФСИН России по Республике Коми,

ФБУ ИК-31 ГУФСИН России по Республике Коми, находящийся по адресу Республика Коми, п. Айкино, улица Промышлнная 2; географические координаты широта 620 13' сш.; долгота 490 59'вд. и КП-3 ГУФСИН России по Республике Коми: место расположения Республика Коми, п. Черный Яр д. 15; географические координаты широта 620 13'сш; долгота 500 17'вд. ФБУ ИК-31 ГУФСИН России по Республике Коми находится на высоте 126 метров над уровнем моря, а КП-3 ГУФСИН России по Республике Коми на высоте 80 метров над уровнем моря.

Проектируемый канал связи должен обеспечивать:

· телефонную связь и (со скоростью передачи 64 кбит/сек) – передача речевых сообщений;

· факсимильную связь (со скоростью передачи 64 кбит/сек) – передача по линиям связи печатных, рукописных, графических неподвижных изображений плоских оригиналов с воспроизведением в пункте приема их копий – факсимиле;

· передачу видеосигнала (со скоростью передачи 512 кбит/сек) – передача по линиям связи, подвижных изображений полученных с видеокамер;

· резервный канал – канал со скоростью передачи 64 кбит/сек.

Между указанными объектами имеется проложенная 32 года назад проводная телефонная линия связи на основе медного кабеля, использование которой для передачи данных большого объема нецелесообразно ввиду низкой надежности канала связи и высокой стоимости аренды цифрового канала.

Линия передачи данных на основе технологии мобильной связи GPRS не отвечает заданным требованиям по пропускной способности.

Учитывая невозможность организации проводного канала связи и использование технологии GPRS, для выполнения всех перечисленных требований для канала связи ИК-31 – КП-3 по техническим характеристикам необходимо установление радиорелейного канала связи с использованием комплекта РРЛ типа «АСТРА-СТЭЛ», стоящего на вооружении ФСИН РФ. С учетом возможного увеличения объема передаваемых данных будем использовать цифровой поток Е1, состоящий из 32 канальных интервалов по 64 кбит/сек, нумеруемых от 0 до 31. Тридцать канальных интервалов (1—15 и 17—31) используются для передачи трафика, а два — нулевой и шестнадцатый — для передачи служебной информации.

Примерная схема связи между ИК-31 – КП-3 представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Схема канала связи на основе РРС «Астра-СТЭЛ»

Семейство РРС «АСТРА-СТЭЛ» предназначено для создания радиорелейных линий и систем многостанционного радиодоступа и используется для сетей телефонии, передачи данных и телевидения в том числе:

1. Связь между двумя АТС по цифровым потоком Е1, Е2, Е3;

2. Связь между центральной АТС и несколькими выносными (абонентскими) АТС по цифровым потокам Е1, Е2, Е3;

3. Организация высокоскоростного доступа с сети «Интернет» (выделенные линии) по цифровым потокам Е1, Е2 и Ethernet 10 BASE-T;

4. Подключение базовых станций DECT к центральным контроллерам по цифровым потокам Е1, Е2, Е3;

5. Организация каналов телевидения и радиовещания;

6. Организация сетей дистанционного видеонаблюдения, телеметрии, управления, связи на объектах энергетики, нефтяной и газовой промышленности, транспорта, сельского хозяйства, МЧС и т. п.

Внешний вид РРС «АСТРА-СТЭЛ» представлен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2. – РРС «Астра СТЭЛ»

РРС «АСТРА-СТЭЛ» имеет следующие модификации.

Для радиорелейных линий:

- «АСТРА-СТЭЛ-У» – узловая;

- «АСТРА-СТЭЛ-О» – оконечная;

- «АСТРА-СТЭЛ-Р» – - ретранслятор.

Для систем многостанционного доступа:

- «АСТРА-СТЭЛ-У базовая» – базовая;

- «АСТРА-СТЭЛ-О абонетская» – абонетская.

Общие сведения

1. РРС «АСТРА-СТЭЛ» выпускаются для работы в частотных диапазонах 10.38 – 10.68 ГГц и 10.7 – 11.7 ГГц.

2. РРС «АСТРА-СТЭЛ» обеспечивают прием/передачу стандартных цифровых потоков со скоростями 2,048 Мбит/сек, 8,448 Мбит /сек, 17,184 Мбит/сек; 34,368 Мбит/ сек; Ethernet 10 BASE-T.

3. Типовое значение длины одного пролета:

- до 35 км по потоку Е1 (2,048 Мбит/сек)

- до 25 км по потоку Е2 (8,448 Мбит /сек) и Ethernet 10 BASE-T;

- до 20 км по потоку Е3 (34,368 Мбит/ сек).

4. РРС « АСТРА-СТЭЛ» предназначены для эксплуатации в различных климатических зонах при условиях:

- воздействия повышенной температуры среды до 50˚С;

- воздействия пониженной температуры среды до 50˚С;

- воздействия повышенной влажности до 98% при температуре до 25˚С;

- воздействия на оборудование верхнего расположения конденсированных осадков (инея, росы).

5. РРС «АСТРА-СТЭЛ» могут транспортироваться всеми видами транспорта на расстоянии до 10000 км в штатной упаковке.

6. Срок службы РРС «АСТРА-СТЭЛ» при круглосуточном режиме работы – 10 лет.

7. Гарантийный срок – 1 год.

8. Технические данные:

Основные характеристики РРС «АСТРА-СТЭЛ» приведены в таблице 2.1.