CC BY
120
А.Н. Бабкин,
кандидат технических наук, доцент
ОЦЕНКА ЗАЩИЩЕННОСТИ СИГНАЛА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЧАСТОТНЫХ РАЗНОСАХ МЕЖДУ СОСЕДНИМИ КАНАЛАМИ В СИСТЕМАХ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ ОРГАНОВ
ВНУТРЕННИХ ДЕЛ
SIGNAL-TO-NOISE RATIO ESTIMATION IN THE RADIO MOBILE SYSTEMS WITH DIFFERENT BANDWIDTH OF CHANNEL
Проведен анализ защищенности сигнала в системах подвижной радиосвязи с различными частотными разносами между соседними каналами. Разработаны рекомендации по обеспечению заданной зоны покрытия. Предложен метод контроля радиоканала.
The analysis of signal-to-noise ratio estimation in the radio mobile systems with different bandwidth of channel is conducted. The recommendations to provide required zone of radio signal are offered. The control method of radio channel is suggested.
Системы подвижной радиосвязи органов внутренних дел (СПР ОВД) относятся к узкополосным системам. Основу СПР ОВД составляют транкинговые и конвенциаль-ные сети.
Частотный разнос между соседними каналами в таких сетях равен 25 кГц [1]. В условиях дефицита частотного ресурса одним из возможных решений является переход на частотный разнос в 12,5 кГц и в перспективе 6,25 кГц. При этом необходимо обеспечить ту же зону покрытия для абонентов сети, какая была при частотном разносе 25 кГц. Поскольку в цифровых СПР ОВД может использоваться частотная модуляция (например, в стандарте APCO-25 четырехуровневая частотная модуляция с непрерывной фазой), вопросы обеспечения защищенности сигнала при частотно-территориальном планировании сетей с меньшим частотным разносом между соседними каналами представляются важными.
Защищенность сигнала определяется допустимым отношением сигнал/помеха на входе приемного устройства СПР ОВД (Рс/Рп )вх (дБ) при условии, что его численное значение определяется по допустимому численному значению отношения сигнал/ помеха на выходе устройства (Рс/Рп)вых (дБ).
Для оценки защищенности сигнала в СПР ОВД при различных частотных разносах сетей и выработке необходимых рекомендаций по обеспечению заданной зоны покрытия проведем анализ работы радиоканала.
Существуют три модели радиоканала с точки зрения анализа распространения сигнала и оценки влияния шума и замирания: с аддитивным белым гауссовым шумом, релеевский и райсовский каналы.
В качестве характеристики канала связи можно применить [2] коэффициент, определяемый отношением мощности Рпр доминирующего сигнала в радиоканале (распространяемого по линии прямой видимости) к мощности Ротр отраженных сигналов:
К = Р / Р
пр отр •
Для релеевского канала характерно К = 0, для канала с аддитивным белым гауссовым шумом К = го, для райсовского К > 1.
Райсовский канал характеризуется тем, что существует хотя бы одна траектория распространения сигнала по линии прямой видимости.
Для СПР ОВД в условиях плотной городской застройки необходимо обеспечить, по крайней мере, райсовское замирание сигнала в радиоканале и избежать наихудший релеевский вариант.
Одним из возможных способов повышения защищенности сигнала и компенсации искажений, вносимых замиранием сигнала вследствие многолучевого распространения, является использование пространственного разнесения приемопередатчиков радиосетей с образованием множества логических каналов между ними. Применительно к СПР ОВД — применение ретрансляторов (Р/ТР), оборудованных антеннами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга и позволяющими приемнику Р/ТР выбирать сигнал с лучшей защищенностью.
В настоящее время большинство СПР ОВД построены по принципу двухчастотного симплекса с использованием базового ретранслятора.
Радиоканал в таких радиосетях образован двумя направлениями связи, представленными на рис. 1.
Рис. 1
На этом рисунке ВР — возимая радиостанция; ПРД — передатчик; ПРМ — приемник; Р/ТР — ретранслятор; &рд и &рм — соответственно частоты передачи и приема.
Возимая радиостанция является симплексным устройством, ретранслятор — дуплексным.
Первое направление связи образовано ПРД ВР и ПРМ Р/ТР, второе — ПРД Р/ТР и ПРМ ВР. Для обеспечения заданной зоны покрытия необходимо в первую очередь снизить потери сигнала на радиотрассе.
На рис. 2 представлена структурная схема направления связи, образованного ПРД ВР и ПРМ Р /ТР.
Lфпрд Gапрд Lтр Gапрм Lфпрм Кш (Рс/Рп)выхвч (Рс/Рп)вых
На рис. 2 А — антенна; ВЧ тракт — линейный высокочастотный тракт приемника ретранслятора; ДМД — демодулятор; Рвыхпрд — мощность сигнала на выходе передатчика ВР, дБм; Lфпрд и Lфпрм — соответственно потери в фидере передатчика ВР и приемника Р/ТР, дБ; Ьтр — потери сигнала на радиотрассе, дБ; Gапрд и Gапрм — соответственно усиление антенн ПРД ВР и ПРМ Р/ТР, дБ; (Рс /Рп)вх — защищенность сигнала на входе ПРМ Р/ТР, дБ; Кш — коэффициент шума ВЧ тракта, дБ; (Рс/Рп )выхвч — защищенность сигнала на выходе ВЧ тракта ПРМ Р/ТР, дБ; (Рс/Рп )вых — защищенность сигнала на выходе ДМД, дБ.
Мощность сигнала Рс на входе ПРМ Р/ТР будет определяться выражением:
Р = Р - Ь + О
с еыхпрд фпрд апрд
Из [3] следует:
(р / р ) = 4,7 + 20 1д т
V с п ' вых ’ С
где тч — индекс частотной модуляции,
а/д .
тр
апрм
- Ь
фпрм
дБм.
+ (Р / Р )
сп
дБ,
(1)
(2)
¥
Д{д — девиация частоты несущего сигнала, Гц; Fв — значение высшей частоты в спектре модулирующего сигнала, Гц.
В свою очередь:
(Р / Р ) = (Р / Р ) - К дБ (3)
^ с п ' выхвч V- с п ' вх ш ’ У'-'/
С учетом (2) и (3)
(Рс / Рп) выых = 4,7 + 20 1в т ч + [( Рс / Рп ) вх - Кш ], дБ, (4)
Кш = 1 + (Тш / Т>) + (Тш.кс / Т 0),
где Тш — эквивалентная шумовая температура ПРМ Р\ТР (Кельвин); Т0 — комнатная температура (290 К); Тш.кс — эквивалентная шумовая температура канала связи.
Проанализируем зависимости защищенности сигнала на выходе ДМД (Рс/Рп)вых от защищенности на входе ПРМ Р\ТР (Рс/Рп)вх при разных значениях индекса частотной модуляции mч и значении Кш = 3 дБ (Тш = Тш.кс = Т0 = 290К):
1. шч = 1,5 при частотном разносе 25 кГц, Д£д = 5 кГц.
2. шч = 0,9 при частотном разносе 12,5 кГц, Д£д = 3 кГц.
3. шч = 0,6 при частотном 6,25 кГц, Д£д = 2 кГц.
4. шч = 4, Д£д = 13,6 кГц.
5. шч = 8, Дй = 27,2 кГц.
На рис. 3 приведены результаты анализа.
ч
Существенный выигрыш в обработке сигнала при использовании рассматриваемой частотной модуляции можно достичь только при больших значениях индекса модуляции (кривые 4 и 5 на графике), что соответствует частотным разносам между соседними каналами с учетом защитных отношений соответственно 75 кГц и 100 кГц.
При экономии частотного ресурса в СПР ОВД ставится задача перехода на меньший частотный разнос с сохранением заданной зоны обслуживания с качеством передаваемого сигнала не хуже требуемого.
Как видно из графика, защищенность сигнала с уменьшением частотного разноса с 25 кГц до 12,5 кГц ухудшается на 6 дБ (кривые 1 и 2), а с 25 кГц до 6,25 кГц — на 8 дБ (кривые 1 и 3), что соответствует уменьшению мощности сигнала Рс на входе ПРМ Р/ТР соответственно в 4 и 6 раз.
Для того чтобы обеспечить ту же защищенность сигнала при переходе на меньший частотный разнос, а следовательно, сохранить зону обслуживания абонентов, необходимо компенсировать потери сигнала в радиоканале в соответствии с (1). Одним из возможных вариантов компенсации потерь сигнала является использование антенн базового ретранслятора с большим (как минимум на 8—10 дБ) коэффициентом усиления и круговой диаграммой направленности, а также снижение потерь в антенно-фидерных трактах.
Одной из главных задач обеспечения качественной связи в системах подвижной радиосвязи органов внутренних дел (СПР ОВД) является контроль радиоканала.
Оценить качество канала связи можно, анализируя прохождение по радиоканалу контрольного сигнала (КС), имеющего спектр, равный ширине полосы пропускания канала, и содержащего гармонические составляющие одинаковой амплитуды.
Функциональная схема реализации алгоритма контроля представлена на рис. 4.
ГКС
ФНЧ1
КУ1
Икс
ику
V | &рм 1 1'
ФНЧ2 КУ2 ПРМ * 1 1 прд
ир
ВР
Рис. 4
На этом рисунке ГКС — генератор КС; КУ1 и КУ2 — соответственно первый и второй корректирующие усилители, ФНЧ1 и ФНЧ2 — фильтры низких частот.
Алгоритм контроля заключается в следующем. На выходе ГКС ВР формируется последовательность прямоугольных импульсов скважностью q = 2:
Ти
Я = — = 2,
Ш
где Ти — длительность одного периода следования импульсов; іи — длительность импульса. Спектр этой последовательности имеет только нечётные составляющие. При разложении его в ряд Фурье имеем:
тт Ш ~ 2Ш . ,кр.
и =-----+ £ ------------8іи(—)со8к^і =
2 к=1,3,...., кр 2
ит 2Цт , ^ х 1 ^ х 1 ^ х 1 х ,
=-----+-----(С08Г; І - — С08 3Р; І + ~ С08 5Р; І — С08 7Р; І + ...),
2 р 3 5 7
где ит — амплитуда прямоугольного импульса; Бн — частота основной гармоники последовательности прямоугольных импульсов (нижней частоты речевого диапазона).
Нетрудно видеть, что амплитуды спектральных составляющих убывают со скоростью 6дБ/октава. Фильтр нижних частот предназначен для пропускания спектральных составляющих в полосе пропускания контролируемого радиоканала (для речевого диапазона СПР ОВД нижняя частота, частота основной гармоники, будет равна 300Гц, а верхняя частота, частота 11-й гармоники, будет равна 3300Гц). С выхода ФНЧ1 сигнал икс поступает на КУ1, имеющий подъём частотной характеристики 6дБ/октава и формирующий уровень сигнала на выходе, равный чувствительности модуляционного входа ПРД ВР. На выходе ПРД ВР излучается сигнал іпрд, содержащий набор гармонических составляющих с одинаковой амплитудой.
Этот сигнал принимается приёмником Р/ТР. С выхода ПРМ Р /ТР сигнал поступает на модуляционный вход передатчика Р/ТР и излучается. Приемник ВР принимает сигнал частотой іпрм. С выхода ПРМ ВР сигнал поступает на вход КУ2, имеющий спад частотной характеристики 6дБ/октава и формирующий сигнал на выходе ФНЧ2 иу, который сравнивается с икс, формируемый ГКС и ФНЧ1 ВР. В идеальном случае (при соответствии характеристик канала связи критерию «Норма»): ир=ику- %с=0.
При несоответствии характеристик канала связи критерию «Норма» (наличие дополнительных спектральных составляющих в принятом КС, неравномерности частотной характеристики канала или значительной величине фона)
Ы ку ^ Ы кс, Ыр ^ 0,
что свидетельствует о несоответствии характеристик канала связи требуемому качеству передачи сигналов.
Так как ВР является симплексной радиостанцией, Р/ТР должен задержать низкочастотный сигнал на выходе своего приемника на время переключения ВР из режима передачи в режим приема.
Минимальное время контроля Тк будет определяться выражением:
Т к = 1 прд .ВР + 1 зад .Р / ТР + 1 прд .Р / ТР ,
где 1лрд.ВР — время передачи КС ПРД ВР, Ьад.Р/ТР — время задержки КС на выходе приемника Р/ТР, іпрд. Р/ТР — время передачи КС ПРД Р/ТР.
При этом
1 прд . ВР 1 прд . Р / ТР 1 / Р н .
Особенностью данного алгоритма контроля является высокое быстродействие и простота организации, что позволяет реализовать его в действующих СПР ОВД.
Таким образом, для обеспечения заданной зоны покрытия радиосетей СПР ОВД при переходе на меньший частотный разнос между соседними каналами необходимо предусмотреть выполнение следующих задач:
1. Снижение потерь сигнала в радиоканале и, в частности, антенно-фидерных устройствах радиостанций (не менее чем на 2-3 дБ).
2. Снижение уровня помех в местах расположения приёмных антенн базовых ретрансляторов.
3. Увеличение коэффициента усиления антенн базовых ретрансляторов на 8-10 дБ.
4. Разработка адаптивных фильтров основной селекции приёмного тракта радиостанций, предусматривающих снижение полосы пропускания при переходе радиосетей с частотного разноса между соседними каналами с 25 кГц на 12,5 кГц и 6,25 кГц (для уменьшения уровня шума на выходе приёмного устройства и соответственно увеличения защищенности сигнала).
При этом необходимо помнить, что для обеспечения заданной зоны покрытия следует избегать увеличения выходной мощности радиостанций.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 12252-86. Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы.
2. Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети: пер. с англ. — М. : Вильямс, 2003. — 640 с.
3. Каганов В. И. Радиотехника+ компьютер+МаШсаё. — М.: Горячая линия - Телеком, 2001. — 416 с.
