Автор: Алексей МИХАЙЛОВ, эксперт
Пути достижения максимальных возможностей базовых станций радиосистем передачи извещений (РСПИ)
Искусство в технике – достижение максимального из того, что есть. Основные возможности разработчика РСПИ ограничены уровнем развития элементной базы, стоимостью изделия и параметрами на РСПИ Государственного комитета по радиочастотам (ГКРЧ). ГКРЧ регламентирует полосы рабочих частот, ширину канала связи и мощность передатчика. В таких условиях кажется, что все функциональные параметры РСПИ должны быть одинаковыми (в какой- то мере это так), но искусство разработчика и заключается в достижении максимальных параметров при внешних ограничениях. Значительно улучшить функциональные параметры РСПИ можно рациональным протоколом обмена информацией, помехозащищенным кодированием, использованием современных методов модуляции радиосигнала. Огромное влияние на качество работы РСПИ оказывают технические особенности и принципы построения базовых станций (БС), ретрансляторов (РТ), объектового оборудования и антенного хозяйства. В данной статье остановимся на принципах организации БС. Прежде чем говорить о БС, немного надо поговорить о замираниях принимаемого сигнала. Прием коротких радиоволн всегда сопровождается изменением во времени уровня принимаемого сигнала, причем это изменение носит случайный характер. Такое явление называют замираниями сигнала. Различают быстрые и медленные замирания сигнала. Основной причиной быстрых замираний сигнала является многолучевое распространение радиоволн. Для изменения фазы волны на 180° достаточно, чтобы длина пути изменилась на λ/2. Такие незначительные изменения длины пути могут происходить непрерывно, поэтому колебания напряженности электрического поля в диапазоне коротких волн являются частыми и глубокими. Замирания характеризуются их скоростью. Скорость замираний показывает, какое число раз n в единицу времени огибающая амплитуды сигнала пересекает в положительном направлении заданный уровень сигнала. Наблюдения показали, что при быстрых замираниях для уровней напряженности поля, превышаемых в 90% времени, средняя величина n = 12 в минуту.
Рис.1 Быстрые замирания Помимо быстрых замираний наблюдаются медленные замирания, с периодом 40÷60 мин. Причиной этих замираний является изменение поглощения радиоволн в ионосфере. Одним из применяемых в настоящее время способов борьбы с замираниями является разнесенный прием. Примечание. Существуют следующие разнесения: пространственное (Space Diversity),частотное (Frequency Diversity),временное (Time Diversity), многолучевое (Path Diversity), поляризационное (Polarization Diversity). По разным причинам, вдаваться в которые не позволяют размеры статьи, на практике чаще всего используется пространственное разнесение. Для этого необходимо использовать не менее 2 разнесенных антенн. Дело в том, что увеличение и уменьшение напряженности электрического поля происходит неодновременно даже на сравнительно небольшой площади земной поверхности. В то время как в месте расположения одной антенны уровень напряженности поля мал, вблизи второй антенны на расстоянии в несколько длин волн от первой напряженность электрического поля оказывается достаточной для приема.
Рис.2 Распределение напряженности поля по поверхности Всегда возникает вопрос: на какое расстояние необходимо разносить эти антенны? Чем больше расстояние между антеннами, тем меньше функция корреляции между уровнями напряженности поля при замираниях (т. е. меньше вероятность того, что эти уровни будут равными). С другой стороны, антенны БС сложно разнести между собой на сотни метров (крыша высотного здания имеет ограниченные размеры). Существует эмпирическое правило. Желательно, чтобы расстояние между антеннами составляло (10÷25) длин волн принимаемого сигнала (λ). Минимальный разнос между антеннами должен быть не менее 2 λ. Примечание: выраженная в метрах длина волны в свободном пространстве и частота связаны простой зависимостью.
,где  – длина волны в м; с – скорость света, (физическая константа – /с); t – время в с,
; F – рабочая частота в Гц. Длина волны – это путь, который пройдет радиосигнал за один период колебания (см. рис. 3). Скорость радиоволны для упрощения принимают за скорость света. Таким образом, всегда можно перейти от длины волны к частоте и наоборот.
Рис. 3 Графическое представление длины радиоволны () При использовании высокочастотного диапазона УКВ связи данный разнос антенн возможно выполнить на одной мачте (см. рис.4).
Рис. 4 Разнос антенн по горизонту На данном рисунке изображены коллинеарные антенны типа A-7W на рабочую частоту 2,4 ГГц. ( = 12,5 см) с коэффициентом усиления 7 dBi. Судя по рисунку, разнос между этими антеннами является минимальным и не превышает 2. Для передачи информации в РСПИ чаще всего используется диапазон частот 134-174 МГц, что, соответственно, потребует увеличения размеров базовых антенн до 4–5 м (cм. рис. 6). Разумеется, сделать пространственный разнос антенны А-1000 MVI на одной мачте невозможно. Поэтому такие антенны размещают на крыше здания на расстоянии 4–20 м. Примечание. При развертывании базовой антенны необходимо производить укорачивание вибраторов антенны согласно таблице укорочения (см. рис. 5). Если не делать обрезки, то антенна будет настроена не на рабочую частоту, а на самую низкую частоту (максимальная длина вибратора). Больший разнос по горизонту таких антенн уменьшает коэффициент взаимной корреляции между ними, но требует большой длины кабеля, поэтому такие антенны стараются далеко не разносить. Для компенсации потерь полезного сигнала в кабеле необходимо использовать малошумящий усилитель. Качество этого усилителя будет определять уровень шумов ВЧ-тракта нашей БС, поэтому выбор характеристик такого усилителя (в первую очередь шумовые характеристики) далеко не праздный вопрос. Любой усилитель имеет такой параметр, как «коэффициент шума» (Кш.). Кш. имеет размерность дБ. Коэффициент шума показывает, насколько наш усилитель своими собственными шумами ухудшает соотношение сигнал/ шум на своем выходе. Необходимо использовать усилители с Кш., лежащими в диапазонах 0,3–0,1 дБ. Малошумящие усилители часто в английской транскрипции имеют обозначение LNA. >Примечание. LNA – low-noise amplifier, малошумящий усилитель.
Рис. 5 Внешний вид малощумящего усилителя LNA144JXX   Таблица 1. Технические характеристики малощумящего усилителя LNA144JXX
Примечание. Обратите внимание на значение коэффициент шума <0,3 дБ. Более дешевые LNA усилители на базе микросборок SPF5122Z, SPF5043Z имеют коэффициент шума в диапазоне (0,5–0,6) дБ, но они доступны по цене от 100 до 300 руб. Другим достоинством данных микросборок является то, что они штатно работают при подаче на вход сигнала с мощностью до 200 МВт. Таблица 2. Основные технические характеристики малошумящего усилителя SPF5043Z
Таблица 3. Основные технические характеристики малошумящего усилителя SPF5122Z
Любой усилитель ухудшает соотношение сигнал/шум в принятом сигнале, но позволяет компенсировать потери полезного сигнала на коаксиальном кабеле и последующем полосовом фильтре. В качестве полосовых фильтров в РСПИ используются фильтры на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) или на объемных резонаторах. Фильтры на ПАВ намного дешевле фильтров на объемных резонаторах, но имеют худшие амплитудно-частотные характеристики по сравнению с фильтрами на объемных резонаторах. Не позволяют ПАВ фильтры пропустить через себя сигнал с мощностью несколько Вт, что не позволяет их использовать в передающих трактах РСПИ К сожалению, от входного полосового фильтра нам отказаться не удастся, расположенные рядом с приемной антенной мощные передатчики без полосового фильтра обрушат свою мощность на вход приемника, что приведет к его блокировке или нелинейному усилению. Данный эффект происходит из-за того, что антенна является очень слабой избирательной цепью в приемном тракте РСПИ. Задачей антенны является прием переданного сигнала, более того, чем больше у антенны полоса пропускания, тем она считается лучше. На широкополосную антенну оказывают гораздо меньшее влияние окружающие токопроводящие предметы и различные погодные условия.
Рис. 6 Внешний вид антенны А-1000 MVI и график ее «обрезки» Примечание. Расстояние от крыши до основания антенны должно составлять не менее нескольких длин волн.
Рис. 7 Структурная схема РСПИ с разнесенным приемом На рис. 7 представлена структурная схема РСПИ с разнесенным приемом. На входе малошумящих усилителей устанавливают полосовые фильтры с малыми проходными потерями (как правило, это пассивные однозвенные фильтры на LC-элементах), что и определяет их незначительную избирательность. Несмотря на предварительное усиление сигнала, не рекомендуется увеличивать длину коаксиального кабеля более 100 м, используя при этом кабель с малыми потерями (например, H 1000, потери 4 дБ на 100 м). Таким образом, приемник должен находиться на крыше здания как можно ближе к антеннам (обычно получить длину коаксиального кабеля меньше 30 м не удается). Кроме того, в длинный кабель, несмотря на экранировку, начинает пролезать и высокочастотный шум, поэтому нам так нужен малошумящий усилитель, применение которого снимает все перечисленные здесь проблемы. Устройство согласования и коммутации осуществляет или синфазное суммирование входных сигналов, или, что бывает чаще, переключает на вход приемника ту антенну, которая в данный момент имеет значительный выигрыш по полезному сигналу. Оценка уровня сигнала осуществляется в приемнике (функция RSSI, есть практически во всех приемных модулях). Поскольку длительность передачи информации (извещения) во много раз меньше длительности замирания сигнала, такая упрощенная схема работы коммутатора дает хорошие результаты. Примечание. RSSI (англ. received signal strength indicator) – полная мощность принимаемого приемником сигнала. Итак, посчитаем наши достижения: 1) Использование разнесенного приема дает выигрыш по соотношению сигнал/шум минимум в +6 дБ (может доходить до 12–25 дБ). 2) Применение антенны АNLI A 1000 (по сравнению с более дешевым вариантом) – +3 дБ. 3) Использование МШУ – -0,5 дБ. 4) Компенсация потерь в кабеле – +3 дБ. 5) Компенсация потерь в высокодобротном фильтре –+2,5 дБ. Итого: 14 дБ. Много это или мало? Если считать соотношение сигнал/шум по напряжению, то выигрыш будет в 5 раз. У нас теперь остался последний козырь в рукаве – скорость передачи информации. Дело в том, что. варьируя скоростью передачи, можно значительно повысить соотношение сигнал/шум. При согласованной фильтрации соотношение сигнал/шум (с/ш) при прохождении через полосовой фильтр пропорционально квадратному корню из полосы пропускания фильтра.
Рис. 8 Таким образом, уменьшая полосу фильтра в 4 раза, мы увеличиваем С/Ш в 2 раза. Почему снижение скорости передачи информации повышает соотношение сигнал/шум? Рассмотрим спектр полезного сигнала и «белого» шума в согласованном фильтре (в согласованном фильтре полоса пропускания фильтра совпадает со спектром принимаемого сигнала, который зависит от скорости передачи информации). Мгновенное соотношение сигнал/шум не зависит от полосы фильтра, см. рис. 9 Энергия полезного сигнала пропорциональна площади АЧХ фильтра, но в более широкий фильтр попадает и больше шума (см. рис. 9 – заштрихованную площадь), поэтому мгновенное значение С/Ш не зависит от полосы согласованного фильтра. Однако из-за разной скорости передачи время передачи этих сигналов различно (см. рис. 10). Поэтому согласованный фильтр выступает в роли интегратора. Амплитуда полезного сигнала при этом растет пропорционально времени интегрирования (т. е. Δ F ф.), а шум – пропорционально корню квадратному из времени интегрирования, (т. е. ).
Рис. 10 Согласованный фильтр в роли интегратора Рассчитаем выигрыш по соотношению С/Ш для РСПИ со скоростью передачи информации в 2400 бит/с и 600 бит/с. Поскольку полоса пропускания согласованного фильтра пропорциональна скорости передачи информации (бит/с), то можно для расчета полосы фильтра использовать скорость передачи информации. Исходные данные для РСПИ № 1, скорость передачи = 2400 бит/с. Исходные данные для РСПИ № 2, скорость передачи = 600 бит/с. Выигрыш по С/Ш , С/Ш =
Объем статьи не позволяет подробно рассмотреть все узлы антенно-фидерного тракта РСПИ. Мы опустили такой узел, как антенный коммутатор, отключающий антенну от приемника и подключающий тракт передатчика. Этот узел достаточно прост, если его рассматривать с радиотехнической точки зрения, необходимо только помнить, что антенный коммутатор должен физически оторвать вход и выход малошумящего усилителя от тракта передатчика. На БС можно даже физически выполнить приемник и передатчик отдельно друг от друга и на передачу использовать независимую антенну. Таким образом, достигается максимальная развязка тракта приемника от тракта передатчика. Поскольку сигналы управления и синхронизации в РСПИ на два порядка меньше по длительности всего цикла опроса, то скорость передачи этих сигналов можно еще больше снизить до 50–100 бит/с. Можно констатировать, что тракт передачи РСПИ всегда будет в заведомо выигрышном положении с трактом приема. Вывод Рациональным построением приемного тракта БС и максимальным снижением скорости обмена возможно улучшить соотношение сигнал/шум в РСПИ до 7 раз. Список использованной литературы: 1) И. С. Гоноровский «Радиотехнические цепи и сигналы», изд-во «Советское радио», 1957; 2) М. А. Тришенков «Обнаружение слабых оптических сигналов», изд-во «Радио и связь», 1992; 3) http://dl2kq.de/ant/3-64.htm; 4) http://jre.cplire.ru/mac/oct02/6/text.html; 5) http://sernam.ru/book_tec.php?id=112; 6) http://www.imc.org.ua/index3.php?a=rspi; 7) http://www.sbi-telecom.ru/raznesennyi-priem.html
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru