2.4. ПРОГРАММА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РРЛ И СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
При разработке аппаратуры связи целесообразно в технических проектах давать отдельной главой или томом программу Метрологического обеспечения разрабатываемых систем связи. Прежде чем осветить основные задачи метрологического обеспечения РРЛ и спутниковых систем связи, целесообразно осветить Некоторые метрологические вопросы разрабатываемых систем связи.
Как наземные РРЛ, так и линии спутниковой связи представляют собой комплекс весьма сложных радиотехнических устройства, являются универсальными в отношении передаваемой информации как телевизионных, радиовещательных программ, многоканальных телефонных сообщений, так и телеграфных и фототелеграфных сигналов, а также любой другой информации. Качественные показатели каналов спутниковой связи должны быть весьма высокими и соответствовать нормам наземных линий.
Производство и эксплуатация аппаратуры систем связи требуют выполнения:
измерения параметров элементов измерительных систем, Ходящих в состав аппаратуры РРЛ, проведение входного контроля элементов;
измерения величин, характеризующих параметры сигналов.(напряжения, тока, мощности, частоты, формы сигнала);
измерения величин, характеризующих параметры трактов передачи сигналов (коэффициент усиления, затухание, согласование);
измерения различных помех (псофометрических, визометрических и др.);
определения характера и места повреждения аппаратуры;
настройки, поверки рабочих измерительных приборов и калибровки их в соответствии с паспортными данными по образцовым приборам;
измерения для определения дополнительной погрешности, т. е. измерения параметров аппаратуры при отклонении одного из влияющих факторов от нормального значения.
Все вышеперечисленные измерения проводятся в нормальных или рабочих условиях, оговоренных в ТУ. Нормальными условиями считаются окружающая температура + 20±5°С, относительная влажность воздуха 65±15% при температуре окружающей среды +20±5°С, атмосферное давление 100±4 кПа (750±30 мм рт. ст.), напряжение питания сети 220 В±2%.
Под рабочими условиями понимаются интервалы температуры, относительной влажности и атмосферного давления, в пределах которых аппаратура должна удовлетворять заданным в ТУ требованиям. Рабочие условия могут отличаться от нормальных: окружающая температура от 5 до 40°С, относительная влажность 95% при температуре 30°С, напряжение питания 220 В± 10%.
Измерительная аппаратура, применяемая для разработки производства и эксплуатации РРЛ представляет собой комплект, состоящий из набора отдельных измерительных приборов, измерительных комплексов и встроенных приборов. Этот комплект включает в себя как стандартные измерительные приборы, выпускаемые отечественной промышленностью, так и специальные средства измерения, предназначенные для измерения специфических параметров систем связи. Например, для измерения тепловых и переходных шумов группового тракта — ИПП, приборы для телевизионных измерений К2-35, Г6-30 и т. д. Средства измерений (измерительные приборы, установки и системы), используемые для настройки и эксплуатации аппаратуры РРЛ, должны обладать более высокими техническими показателями, чем настраиваемая аппаратура. Метод, выбранный для проведения и3мерений, должен исключать возникновение дополнительных погрешностей.
Как было сказано ранее, при сдаче аппаратуры на заводе - изготовителе устанавливаются следующие виды испытаний: приёмосдаточные, периодические, типовые, испытания на надежность. Измерительная аппаратура, используемая для проведения указанных видов испытаний, и используемая методика испытаний должны обеспечивать достоверность измерения.
Объем и последовательность приемосдаточных испытаний включают следующие работы:
проверка комплектности документации; проверка комплектности изделия; проверка соответствия материалов и комплектующих изделий стандартам и ТУ (производится входным контролем);
проверка основных параметров изделия при изменении питающих напряжений на ±10%;
проведение технологической тряски (производится на ударном стенде);
проведение испытаний на транспортную тряску; проверка метрологических характеристик;
проверка на воздействие климатических факторов (тепло-, холодо - и влаго устойчивость).
Периодическим испытаниям подвергаются не менее двух комплектов аппаратуры из годового, месячного, квартального выпусков.
Типовые испытания производятся после внесения изменений в конструкцию или технологию изготовления. Программа всех видов испытаний составляется предприятием-изготовителем с участием метрологической службы.
Контрольные испытания на надежность проводятся на аппаратуре, прошедшей приемосдаточные испытания и принятые ОТК. В процессе испытаний аппаратуры РРЛ выявляются: приемочный уровень наработки на отказ Та ; браковочный уровень наработки на отказ Гр ; риск изготовителя а; риск потребителя р. Для оценки качественных метрологических показателей и соответствия их действующим нормам, а также для выявления как явных, так особенно скрытых отказов в процессе эксплуатации производятся периодические измерения метрологических характеристик аппаратуры, указанных в инструкции по эксплуатации.
Измерения разделяются на станционные — измерения метрологических параметров одной станции и линейные — при которых измеряются метрологические характеристики участка линии, состоящего из двух станций или всей линии в целом.
На магистральных РРЛ большой протяженности, которые состоят из РРЛ и сочинительных линий к междугородным телефонным станциям, телевизионным центрам и ретрансляторам, метрологические характеристики измеряются отдельно на РРЛ и соединительных линиях.
Единые нормы на допустимые искажения той или иной передаваемой информации установлены международными соглашениями и стандартами СССР.
При проведении метрологической оценки аппаратуры связи необходимо обратить. внимание на то, что в состав схем измерения наряду с измерительными приборами входят переходные и соединительные элементы. Следовательно, для обеспечения достоверных результатов измерения погрешность, вносимая соединительными и переходными элементами, должна быть минимальной и при необходимости должна быть учтена. Кроме того, важным условием при измерении метрологических характеристик является обеспечение высокого согласования всех элементов схемы.
Рассмотрим более подробно возникновение погрешностей из-за рассогласования. Хорошее согласование тракта определяется отсутствием отраженной энергии. Только при этих условиях может быть гарантирована истинность измеренных параметров. В технической документации следует обратить особое внимание на согласование и при необходимости надо подробно изложить методику контроля согласования тракта. Если линия передачи состоит из разных элементов, то согласованным должен быть каждый из них.
Физически процесс рассогласования состоит в следующем. Электрическое поле в линии передачи можно представить в виде двух волн — падающей, идущей от генератора к нагрузке, и отраженной, идущей от нагрузки к генератору. Когда падающая волна дойдет до конца линии к нагрузке, то там начинают накапливаться заряды и возникает разность потенциалов. Разность потенциалов действует подобно напряжению некоторого генератора и образует в линии новую волну, двигающуюся от конца линии к началу, — отраженную волну. При полном отражении можно сказать, что энергия отраженной волны равна энергии падающей. Наличие отраженной волны приводит к потерям энергии, и они тем больше, чем хуже согласование между элементами. Для характеристики согласования линии передачи пользуются отношением КСТи=Uмакс/Uмин., называемым коэффициентом стоячей волны по напряжению |КСТи|. Если отраженной волны нет, то КСТи=1. Иногда вместо КСТи пользуются отношением 1/КСТи, называемым коэффициентом бегущей волны. Наряду с коэффициентом стоячей волны пользуются другой величиной — коэффициентом отражения нагрузки, равным отношению амплитуд отраженной и падающей волн: Г = UОтр/Uпад.
Между модулем коэффициента отражения Г, который изменяется в пределах от 0 до 1, и коэффициентом стоячей волны КСТu существует связь:
Для оценки потерь линии передачи используют безразмерную величину — коэффициент передачи тракта Q, который характеризует степень ослабления волны, проходящей через элемент. Коэффициент передачи Q меняется от 0 до 1. Если коэффициент передачи тракта Q, амплитуда напряжения сигнала на входе Uo,
то на выходе тракта амплитуда напряжений UBblx=U0Q, а мощность Р=Ро Q2
Погрешность, определяемая рассогласованием тракта, дБ:
где δАрі— возможная погрешность из-за рассогласования, возникшая между генератором и нагрузкой; Гвх, ГВЫх — модули входного и выходного коэффициентов отражения измеряемого устройства; Q — коэффициент передачи на участке тракта.
Приведем примеры для нахождения погрешности рассогласования для различных схем соединения.
Для схемы, состоящей из генератора Г, измеряемого устройства ИУ и нагрузки RH (рис. 2.9), δАР= ±8,7(ГгГВх. и.у + Гвых. и.уГн + ГгГн(Q21).
Для схемы рис. 2.10 с включенным в нее измерительным прибором ИП σА р = ± 8,7(Гr Гвх. иу + ГВЫХ. ИУ Гвх. и.п+Гвых. и.п Гн +Гг Г вх. и.п Q21+Гвых. иу ГH Q22+ГrГн Q21 Q22) .
Для схемы измерений с применением согласующего аттенюатора Атт, включаемого перед измерительным прибором ИП. (Рис 2.11)
где Г г, Гн — модули коэффициента отражения генератора и нагрузки Гвх. и.у, Гвых. и.у, Ql — модули входного и выходного коэффициентов отражения и коэффициента передачи измеряемого устройства; Гвх. и.ш Гвых. и.п Q — модули входного и выходного коэффициентов отражения и коэффициента передачи измерительного прибора; Гвх. а, Гвых. а, Q3 — модули входного и выходного коэффициентов отражения и коэффициент передачи согласующего аттенюатора.
Если в схему включены для согласования ферритовые вентили то в формулу вместо коэффициентов Q2 необходимо поставить произведение Qnp Qoб, где Qnp — коэффициент передачи вентиля в прямом направлении; Qoб — коэффициент передачи вентиля в обратном направлении.
Рис. 2.11. Определение погрешности рассогласования в цепи с включенным аттенюатором Атт (остальные обозначения как на рис. 2.9—2.11)
Если значения Q2 не превышают 0,01 и величины ГГГ„ Гвх. аГвых. а окажутся неизменными, то в приведенных формулах членами с Q2 можно пренебречь. Например, Гвх. и.у на входе измеряемого устройства не изменяется, тогда δАР= ±8,7ГВЫх и У Гн, а если на выходе ГВых. и.у не изменяется, тогда δАР = ±8,7ГгГВх. и.у. Так как построение трактов может быть разнообразным, для вычисления погрешности рассогласования целесообразно пользоваться данными приложения 1.
Для исключения погрешности из-за рассогласования в тракт включают элементы с входными сопротивлениями, близкими к выходному сопротивлению предыдущего элемента, либо между элементами, которые следует согласовать, включают развязывающие аттенюаторы или ферритовые вентили. Для согласования с помощью аттенюатора необходимо знать параметры аттенюатора: начальное затухание, входное сопротивление, сечение волновода или коаксиала, ослабление, КСТМ в диапазоне частот.
Ослабление выражается в децибелах или относительных единицах и определяется отношением напряжений или мощностей:
где Р1 и U1 — мощность и напряжение на входе аттенюатор Р2 и U2 — мощность и напряжение на выходе аттенюатора.
Перевод децибел в отношение мощностей и напряжений приведен в приложении 1.
Коэффициент передачи аттенюатора Q = 1/Au=
. Тогда модуль коэффициента отражения при согласовании с помощи аттенюатора Гс = UoQ2Г/Uo=Q2Г = ГАP; где Г — модуль коэффициента отражения согласуемого объекта; Q — коэффициента передачи аттенюатора; UQ — амплитуда волны, падающей на аттенюатор; Гс — модуль коэффициента отражения объекта, согласованного с помощью аттенюатора.
При использовании в качестве согласующего элемента феритового вентиля необходимо знать такие его параметры, как ослабление в прямом направлении А1 и ослабление в обратном направлении А2. Причем А2 должно быть намного больше А1 При согласовании с помощью ферритового вентиля
где Аи пр — прямое ослабление ферритового вентиля; Аиоб — обратное ослабление ферритового вентиля.
Контроль за согласованием трактов состоит из контроля за изменением КСТи, за изменением модуля коэффициента отражения и за изменением полного сопротивления. Точность каждого из этих трех контролей зависит от точности контролирующих приборов, которыми могут служить измерительная линия, рефлектометры, измерители полных сопротивлений и фазовращатели. Чаще всего применяют измерительные линии и рефлектометры.
Практически достаточно, чтобы погрешность измерителя KCTU была δАп≤0,3δА, где δАпз — погрешность измерителя KCTU; δА — допустимая погрешность изменяемого элемента тракта, дБ.
Известно, что 
— погрешность образцовой меры; δАр — погрешность из-за рассогласования; — δАсо суммарная случайная погрешность, которую определяют как среднеквадратическое значение случайной погрешности ряда измерений:
Для облегчения оценки метрологических параметров РРЛ целесообразно рассмотреть диаграмму уровней системы связи.
Многоканальные системы могут содержать большое число участков усиления и затухания: усилителей, модуляторов, демодуляторов и т. д. Говорить об уровне мощности сигнала, измеренном в такой. системе, бессмысленно, если три этом неизвестно усиление или затухание его в данной измерительной точке. Усиление или 3атухание сигнала в любой точке системы может быть определено только в том случае, если задан некоторый эталонный уровень Заданной системы. Уровни мощности (напряжения, тока) сигала в других точках системы (а следовательно, коэффициенты Усиления или затухания сигнала) в этом случае могут выражаться в Децибелах относительно эталонного уровня.
В многоканальной системе такая эталонная точка называется точкой нулевого измерительного уровня передачи (ТНИУ), в которой абсолютная мощность стандартного измерительного сигнала равна 1 мВт или уровень мощности равен 0 дБм.
Уровень сигнала в любой точке системы, выраженный в децибелах относительно ТНИУ, называется измерительным уровнем передачи в данной точке. Любые отклонения от измерительного уровня показывают, что система имеет избыточное усиление д. затухание.
Соотношения между параметрами систем передачи информации являются основой для расчета и построения диаграмм уровней. Диаграммы уровней для участка РРЛ даны на рис. 2.12.
Рассмотрим структурную схему участка линии передачи, изображенную на рис. 2.12, где Пм приемник, Пд — передатчик, приведем в качестве примера уравнение связи для одного участка РРЛ. Передатчик выдает на выходе эффективную мощность Рпер на частоте f. Этот сигнал, проходя через антенно-волноводный тракт, имеющий коэффициент передачи мощности ηпер, поступает в антенну и излучается в эфир.
Передающая антенна излучает энергию в определенном направлении. Излучаемая передающей антенной в заданном направлении эффективная мощность сигнала Ризл = Рпер ηпер ЛпеРGПер, где Gnep — коэффициент усиления передающей антенны.
Действующее значение напряженности электромагнитного поля на расстоянии d от передатчика при распространении в свободном пространстве 
а затухание энергии в свободном пространстве, определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от излучателя, определяется потерями L0=16π2d2 /λ2.
Кроме этих основных потерь, в линии имеются дополнительные, обусловленные затуханием энергии в атмосфере Земли, а также влиянием различных возмущающих факторов. Эти потери обозначим Lдоп. Тогда суммарные потери энергии Ls =Lо+Lдоп. В точке приема установлена антенна с коэффициентом усиления G Пм, связанная с приемником антенно-волноводным трактом имеющим коэффициент передачи мощности ηпд. При правильном согласовании волновых сопротивлений элементов тракта мощность сигнала на входе приемника
Это выражение является известной формулой, применяемой для расчета радиорелейных линий прямой видимости, оно же является уравнением связи для приведенного участка РРЛ.
Для спутниковой системы передачи при активной ретрансляции линия связи состоит из двух участков, связанных между собой ретранслятором (рис. 2.13). Уравнения связи для отдельных участков:
для участка Земля — спутник
где Рш. з = kTз∆fш. з; .-Рш. б — суммарная мощность шумов приемника борта; k — постоянная Больцмана; ∆fш. б — эквивалентная полоса шумов приемника борта; Т6 — эквивалентная шумовая температура
Рис. 2.13.
Диаграмма уровней спутниковой системы при активной ретрансляцию
приемника борта с учетом внутренних и внешних шумов; (Рс/Рш)вх. б — минимально допустимое отношение сигнал к шуму на входе приемника борта.
На рис. 2.14 приведена диаграмма уровней мощности для передающей наземной станции спутниковой связи. Приведем перечень измеряемых параметров каждого из блоков станций.
В модуляторе ЧМ измеряются выходная мощность, нестабильность частоты, дифференциальное усиление, неравномерность ХВГЗ, неравномерность АЧХ, затухание несогласованности. В преобразователях Пр1 и Пр2 измеряются выходная мощность, полоса, неравномерность АЧХ, неравномерность ХГВЗ, коэффициент шума КСТи„ входа и выхода, затухание несогласованности. Гетеродинах Гет1, Гет2 измеряются частота сигнала, нестабильность частоты. мощность сигнала на выходе, уровень паразитной девиации. В фильтрах Ф1, Ф2 измеряются полоса частот, потери КСТи входа и выхода. В усилителях Ус1, Ус2 измеряются равная мощность, коэффициент усиления, диапазон частот, неравномерность ХГВЗ, неравномерность АЧХ, КСТи, входа и выхода. В волноводных элементах — потери, КСТи входа и выхода. Рассмотрим программы метрологического обеспечения аппаратуры связи на этапах производства и эксплуатации аппаратуры.
Этап разработки. Целесообразно в техническом проекте на аппаратуру связи построить следующую программу метрологического обеспечения:
определить основные нормируемые метрологические характеристики отдельных блоков и всей системы в целом;
Рис. 2.14 Диаграмма уровней передающей системы наземной станции спутниковой связи
в соответствии со структурной схемой дать диаграмму уровней с привязкой основных параметров к заданным в техническом задании;
разработать методику измерений основных нормируемых параметров блоков, узлов и аппаратуры в целом в соответствии с диаграммой уровней;
провести метрологическую экспертизу конструкторской и технологической документации;
определить виды испытаний и рекомендуемые методики измерений блоков аппаратуры и системы в целом на этапах изготовления, испытания аппаратуры, а также в период эксплуатации;
разработать перечень средств измерений (стандартные, нестандартные, встроенные приборы), используемый на этапе разработки аппаратуры, для производства аппаратуры на заводе-изготовителе, для эксплуатации (для проведения профилактики и ремонта аппаратуры);
разработать методики поверки нестандартных, встроенных средств измерений и технологического оборудования;
разработать методы контроля аппаратуры с применением технической диагностики неисправностей.
Очень важно, чтобы техническая документация, придаваемая к аппаратуре, и методики измерений основных метрологических характеристик были составлены возможно подробнее, изложен максимально просто и доходчиво.
Этап производства. Программа включает:
разработку методов контроля технологических процессов;
экспертизу технологической и конструкторской документации;
корректировку методик настройки узлов и блоков аппаратуры применительно к конкретным заводским условиям;
поверку метрологических характеристик аппаратуры в нормальных условиях;
поверку запасного имущества (ЗИП);
поверку измерительной аппаратуры, контрольно-измерительных средств и технологического оборудования, поставляемых с основной аппаратурой;
проведение климатических и механических испытаний отдельных узлов и блоков;
проведение приемосдаточных, периодических и типовых испытаний узлов и блоков;
проведение приработки блоков в условиях завода-изготовителя;
проведение комплексных испытаний аппаратуры. Для проведения комплексных испытаний аппаратура монтируется в один модемный участок соединением отдельных станций по СВЧ с включением между станциями комплекта соединительных устройств, имитирующих затухание пролета. Проверяется ряд параметров модемного участка и оформляется протокол испытания. После проведения комплексных испытаний проводятся приемосдаточные испытания аппаратуры на заводе-изготовителе или при сдаче линии в эксплуатацию. Для проведения приемо-сдаточных испытаний предварительно разрабатывается программа испытаний. Во время испытаний измеряют параметры следующих составных частей РРЛ: системы электропитания, антенно-волноводного тракта, трактов передачи, трактов приема, телефонных и телевизионных стволов, групповых трактов.
Этап эксплуатации: метрологическое обеспечение аппаратуры радиосвязи на эксплуатации в основном должно быть направлено на проведение ряда метрологических мероприятий Для сохранения надежности аппаратуры. Такими мероприятиями являются:
оснащение эксплуатационных предприятий нормативно-технической документацией, отражающей соблюдение правил законодательной метрологии;
создание парка образцовых и рабочих средств измерений;
оборудование контрольно-проверочных мест для технического обслуживания и проведение профилактического контроля измерительной аппаратуры;
проведение ведомственного надзора за средствами измерений;
выбор и применение метода поиска неисправностей;
выбор метрологического интервала, как для проведения профилактических измерений аппаратуры, так и для проверки средств измерений;
аттестация технологического оборудования.
