Анализ внеполосных радиоизлучений средств связи



В статье анализируются вопросы актуальной проблеме — электромагнитной совместимости (ЭМС) средств и систем связи вещания. Рассмотрено совместное использование общей полосы частот спутниковыми системами, так как эта проблема является наиболее острой вследствие перегрузки геостационарной орбиты системами связи и вешания.

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, спутниковые системы, полоса частот, системы связи радиоизлучение

In article questions to an actual problem — electromagnetic compatibility are analyzed (EMS) of means and communication systems of broadcasting. Sharing of the general frequency band by satellite systems as this problem is the sharpest owing to an overload of a geosynchronous orbit communication systems and hangings is considered.

Keywords: electromagnetic compatibility, satellite systems, frequency band, communication systems radio-frequency radiation

Обеспечение ЭМС является в настоящее время главной первоочередной проблемой при создании новых систем в то числе и спутниковой связи или вещания [3].

В настоящее время невозможно в полном масштабе реализовать ни одну электронную услугу без использования спутниковых технологий, будь то электронная медицина, электронное дистанционное образование или, наконец электронное правительство, поскольку спутниковый участок либо входит как неотъемлемая часть общей линии связи, либо полностью создает ее. Надо сказать, что в силу естественных особенностей геостационарной орбиты (спутник, выведенный на ГО, неподвижен относительно наблюдателя на поверхности Земли), эта орбита является в настоящее время наиболее востребованной и загруженной. Так, в настоящее время на геостационарной орбите находятся по разным оценкам от 240 до 260 действующих искусственных спутников. Естественно, такая высокая загрузка орбиты требует тщательно отработанной системы международной координации не только между собственно спутниковыми сетями, но и с наземными службами, так как практически за малым исключением отсутствуют полосы частот, которые были бы выделены для спутниковых систем на исключительной основе.

Практически сразу после запуска первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) стала очевидной необходимость выработки международно-признанных норм и правил использования спектра радиочастот для спутниковых систем различного назначения.

Несмотря на почти 50-летнюю историю, международное сообщество не смогло найти идеальную систему, обеспечивающую максимально эффективное использование ресурса при одновременной долгосрочной гарантии доступа, хотя такая цель и сформулирована в основных документах МСЭ — Уставе и Регламенте радиосвязи.

Говоря о перспективах спутниковых технологий, нельзя не упомянуть подвижную спутниковую службу, которая в свое время реализовывалась в виде отдельных специальных сетей (Инмарсат, Иридиум, Глобалстар и др.). При этом сети подвижной связи используют как геостационарные (Инмарсат, Турайя), так и низколетящие спутники (Иридиум, Глобалстар). Хорошо известны и другие довольно развитые применения, кроме чисто связанных или вещательных, а именно системы спутниковой радионавигации (GPS, Глонасс, Галилео), метеорологические системы, или системы дистанционного зондирования Земли, системы предупреждения о катастрофах и т. д. Отметим что основное внимание уделено ЭМС систем спутниковой связи и вещания.

По своему функциональному назначению радиопередающие устройства формируют радиочастотные сигналы, модулированные в соответствии с передаваемой информацией, в определенной полосе частот. Требования к ширине этой полосы определяются видом передаваемой информации, скоростью и качеством передачи. Минимальную полосу Вн для данного класса сообщений, обеспечивающая передачу сигналов с требуемыми скоростью и качеством, обозначим как необходимую полосой радиочастот. Излучения в пределах необходимой полосы частот это основные, а вне необходимой полосы — нежелательные. Как показывает анализ последние присущи любым реальным радиопередающим устройствам и могут быть ослаблены без ущерба для качества передаваемой информации. Их можно подразделить на побочные, внеполосные и шумовые. К таким относят нежелательные радиоизлучения, возникающие в результате любых нелинейных процессов в радиопередающем устройстве, за исключением процесса модуляции сигнала (излучения на гармониках, субгармониках, паразитные, комбинационные и интермодуляционные). Перечисленные виды излучений вызываются нелинейными процессами, существующими в самом передатчике, а также фидере и антенне. В образовании интермодуляционных излучений, кроме того, принимают участие внешние электромагнитные поля, воздействующие на данное радиопередающее устройство. Независимо от конкретной природы побочные радиоизлучения характеризуются значениями частот, спектральной плотностью потока мощности, а также с учетом свойств антенн — направленностью и поляризацией [2].

Радиоизлучения на гармонике — побочное радиоизлучение на частотах, в целое число раз больших частоты основного радиоизлучения: f_гарм = mf₀, m=2,3…n (рис. 1). (Строго говоря, это определенно справедливо для случая немодулированного излучения. При наличии модуляции вместо термина «частота» имеется в виду «значение несущей частоты».) Излучения на гармониках принципиально присущи любым радиопередающим устройствам и обусловлены нелинейностью амплитудных и фазовых характеристик активных элементов. Конечным результатов этих нелинейных свойств является то, что выходное немодулированное колебание u(t) имеет форму, отличающуюся от гармонической, и, следовательно, представляют собой сумму колебаний основной частоты f₀ и ее гармоник:

где u(m) — коэффициенты разложения u(t) в ряд Фурье; m = 0,1,2..

Уровень гармонических составляющих генерируемого или усиливаемого колебания зависит от схемы радиопередающего устройства, типа и рабочих параметров активных приборов, режима работы, наличия дополнительных устройств частотной фильтрации и т. д. Конкретное проявление нелинейных свойств различно в зависимости от диапазона частот.

Независимо от конкретных причин возникновения гармоник их амплитуды связаны со степенью нелинейности и, как правило, убывают с ростом номера гармоники: чем сильнее выражены нелинейные свойства, тем больше амплитуды гармоник и большее число гармоник имеющих заметную амплитуду. Кроме того, уровень гармоник на выходе передатчика зависит от качества фильтрации цепей, особенностей схеы передатчика и степени согласования его с нагрузкой на частоте данной гармоники. Последнее обстоятельство становится весьма важным, если в выходном тракте, включая фидерные линии и антенну, образуются резонансные контуры на частоте, близкой к частоте одной из гармоник. В этом случае уровень излучения на данной гармонике может возрасти. Как показывает опыт, уровень излучений на m-й гармонике необязательно монотонно убывает с ростом номера гармоники [1,2].

Анализ показывает, что независимо от конкретного механизма возникновения внеполосные излучения характеризуются шириной занимаемой полосы частот и относительным уровнем.

Последний представляет собой отношение спектральной плотности мощности внеполосного излучения к максимальному значению спектральной плотности мощности основного радиоизлучения, выраженное в децибелах.

Рис. 1. Зависимости мощности излучения от частоты для различных вариантов образования побочного излучения: а — основное излучение и излучение на гармониках; б — излучение задающего генератора, основное излучение и излучение на гармониках; в — основное излучение и побочные излучения на гармониках и на частотах, не являющихся гармониками основной частоты; г — основное и шумовое излучения

Ширину занимаемой полосы частот Взан определим как ширина полосы частот, за пределами которой излучается не более чем заданная (β) часть средней мощности излучения (рис. 3); при определении занимаемой ширины полосы Взан отсчет производим при β=1 % от общей средней излучаемой мощности. Для оценки убывания внеполосных составляющих возьмем значение полосы частот на уровне Х дБ (Вх), понимаемое как значение полосы, за пределами которой интенсивность любых спектральных составляющих ослаблена относительно заданного уровня основного излучения не менее чем на Х дБ (рис. 2) (нижним уровнем измеряемой мощности излучения часто считают — 60дБ от максимального значения, принятого за 0 дБ). Занимаемую полоса частот Взан и ряд полос Вх на уровне Х дБ удобно использовать для количественного описания внеполосных излучений при анализе ЭМС, а также для контроля и нормирования.

Удобно используют понятие контрольной полосы частот Вк, отсчитываемой на уровне — 30 дБ относительно исходного уровня 0 дБ; вне этих границ мощность внеполосных излучений ослаблена в 1000 раз относительно максимального значения мощности излучения. Значение ширины полосы излучения на уровне — 30дБ используется при расчетах частотного разноса между соседними радиопередающими устройствами.

Рис. 2. Характеристика внеполосного излучения радиопередающего устройства

Современное развитие радиоэлектронных средств таково, что практически всегда любая система связи работает в окружении других систем связи. При этом передатчики данной системы связи могут создавать помехи приемникам других систем и наоборот.

Выводы.

Таким образом, при проектировании систем связи необходимо проверить возможность электромагнитной совместимости (ЭМС) проектируемой системы с другими радиоэлектронными средствами. Задача обеспечения ЭМС радиоэлектронных средств состоит в том, чтобы при выполнении соответствующих условий взаимные помехи не мешали нормальному функционированию радиоэлектронных средств и систем.

Литература:

1 Петровский В. И., Седельников Ю. Е. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1986. — 216 с.

2 Хачикян В. С. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств: Учеб. пособие.– Алматы, 2013. — 68 с.

3 Электромагнитная совместимость систем спутниковой связи. Под ред. Л. Я. Кантора, В. В. Ноздрина. — М.: НИИР, 2009. — 280 с.