CC BY
81
БП
КАЧЕСТВО ИНФРАСТРУКТУРЫ АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА
Анализ влияния промышленных радиопомех на помехоустойчивость телекоммуникационных каналов*
В .А. ШПЕНСТ,
профессор Национального минерально-сырьевого университета «Горный»(г. Санкт-Петербург), д.т.н. ([email protected]
Н.А. ШАТУНОВА,
аспирант Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (г. Санкт-Петербург) ([email protected])
Повышение устойчивости телекоммуникационных каналов и эффективности систем передачи информации в настоящее время является важнейшей проблемой современной теории и техники связи. Источники индустриальных помех весьма разнообразны. Это обусловлено тем, что работа любого электромагнитного устройства вызывает электромагнитное излучение. Помехи создаются энергетическим и электротехническим оборудованием, высоковольтными линиями электропередачи, промышленным электрическим транспортом. Следует отметить,
что источники электромагнитного излучения распределены в пространстве произвольно и случайно. Их влияние тем сильнее, чем ближе они расположены к телекоммуникационному оборудованию.
Сточки зрения проблем электромагнитной совместимости под внешними электромагнитными помехами понимаются излучения, генерируемые в широком диапазоне частот внешними по отношению к электротехническим устройствам и комплексам источниками самой разнообразной природы. В качестве таких источников могут выступать различные элементы электротехнических систем, генерирующие электромагнитные поля [1, с. 61].
Существует довольно много признаков, пригодных для классификации электромагнитных помех как в целом, так и в промышленности в частности. Помехи могут быть:
□
нн ппа нна
электромагнитные помехи, телекоммуникационные
Ключевые слова:
каналы, подземные сооружения, распространение радиоволн, многолучевое распространение радиоволн, устойчивость, рефракция, дифракция.
П
пп
ППЕ
electromagnetic interference, telecommunication
Key words:
channels, underground structures, wave propagation, multipath propagation, stability, diffraction, refraction.
^ узкополосными и широкополосными; ^ низкочастотными и высокочастотными; ^ индуктивными и кондуктивными.
Узкополосные, широкополосные, низкочастотные и высокочастотные помехи характеризуются исходя из частотных свойств вредного электромагнитного излуче-
Mathematical descriptions of radio interferences telecommunication channels
of industrial objects
Improving the sustainability of telecommunication channels and effectiveness-efficiency of data transmission systems is currently a major problem of modern theory and technology of communication. Industrial noise sources are very diverse. This is because operation of any solenoid device causes electromagnetic radiation. Interference generated energy and electrical equipment, industrial electric vehicles. It should be noted that sources of electromagnetic radiation is quite arbitrary, and are randomly distributed in space. Their influence is stronger, the closer they are to telecommunications equipment.
*Статья выполнена в рамках проведения исследований по гранту РФФИ «Обеспечение устойчивости телекоммуникационных каналов подземных сооружений в условиях воздействия электромагнитных помех промышленного характера».
АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА
1Ш КАЧЕСТВО ИНФРАСТРУКТУРЫ
ния. Очевидно, что наиболее опасными для систем передачи информации являются те помеховые воздействия, составляющие спектра которых лежат в одной полосе частот с полезным сигналом. Такие составляющие беспрепятственно могут быть пропущены входными фильтрующими цепями приемных устройств, затем будут обрабатываться так же, как и полезный сигнал, и тем самым вносить искажения в принимаемый информационный сигнал [7, 10-12].
Следует учитывать, что интенсивность, частотные свойства и характеристики спектров радиотехнических помех весьма разнообразны. Они могут представлять собой как случайные электромагнитные возмущения, так и периодически повторяющиеся во времени функции.
Для того чтобы с высокой долей вероятности оценить помехоустойчивость системы связи, в том числе, функционирующей в подземном сооружении, требуются определенные показатели. В наиболее простом случае, когда шум является белым гауссовским, оптимальным показателем для оценки помехоустойчивости является средняя вероятность ошибки приема на единицу (бит) информации. Средняя вероятность ошибки может быть представлена с математической точки зрения следующим выражением [6]:
(1)
где ц - отношение сигнал-шум по энергии, Б3 -энергия сигнала, Ы0 - спектральная плотность мощности шума, М/ - ширина полосы сигнала, Рп и Р5 - мощности белого гауссовского шума и полезного сигнала соответственно.
гп
отношение сигнал-шум по мощности. 2
erfc(z) = -— Vît
*7.
(2)
(3)
Помехоустойчивость представляет собой способность систем связи успешно функционировать и противостоять воздействию помех различного типа [2, 3] .
Работа всех электроприборов и радиотехнических устройств неизбежно будет сопровождаться паразитным электромагнитным излучением той или иной степени силы, с разными частотными и энергетическими свойствами. В промышленности паразитные электромагнитные наводки создаются силовыми энергетическими установками и электротехническим оборудованием [4-5].
век| КАЧЕСТВА № 4 • 2014
Действие каждого электроприбора сопровождается паразитным электромагнитным излучением. Индустриальные электромагнитные помехи в подземных сооружениях могут создаваться промышленными силовыми установками, электротехническим и энергетическим оборудованием, силовыми линиями передачи, электрическим транспортом. Все источники помех, как правило, достаточно компактно размещены в пространстве. Типичными помехами подземных объектов являются: шум, создаваемый в сети питания аппаратуры при работе импульсного блока питания; импульсы, возникающие при коммутационных операциях; переходные процессы в сетях высокого и низкого напряжения; поля промышленной частоты, создаваемые силовым оборудованием станций и подстанций, а также проводными линиями электропередачи [6].
Интенсивность и спектральные характеристики всех вышеперечисленных мешающих воздействий разнообразны. Помехи могут возникать в виде периодически повторяющихся или случайно распределенных во времени величин. В обоих случаях речь может идти как о узкополосных, так и о широкополосных помехах: синусоидальная, постоянно действующая помеха частотой 50 Гц или высокочастотная несущая волна представляют собой узкополосный процесс; последовательность тактовых импульсов - пример широкополосного процесса с дискретным спектром; периодические затухающие однократные импульсы - узкополосный процесс; одиночные импульсы (разряды статического электрического) - широкополосный процесс.
Среда, в которой происходит распространение радиосигнала, не является идеальной. В помещении, где происходит радиотрансляция, можно выделить целый комплекс различного рода факторов, которые тем или иным образом в разной степени влияют на качество принимаемого сигнала. Согласно рекомендациям МСЭ-Я Р.1238-4 [7], используемым в качестве основы при разработке систем связи, планировании систем и прогнозировании распространения радиоволн внутри помещений и локальных зоновых радиосетях в частотном диапазоне 900 МГц - 100 ГГц, ухудшение характеристик распространения радиосигнала в радиоканале внутри помещения обусловлено следующими причинами [4]: ^ отражением от предметов и дифракцией над предметами (включая стены и полы) внутри помещений; ^ потерями передачи при прохождении сигнала через
стены, полы и другие препятствия; ^ канализированием энергии сигнала на высоких частотах, особенно в коридорах; ^ перемещением людей и предметов в помещении (включая одно или оба оконечных устройства связи).
КАЧЕСТВО ИНФРАСТРУКТУРЫ
АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА
В свою очередь это вызывает такие ухудшения, как:
- потери на трассе (не только потери в свободном пространстве, но и дополнительные потери за счет препятствий и прохождения сигнала через материалы, из которых построено здание), а также возможное уменьшение потерь в свободном пространстве за счет его ка-нализирования;
- изменение величины потерь на трассе во времени и пространстве;
- многолучевые эффекты, вызванные отражением и дифракцией компонентов радиоволны;
- несогласованность поляризаций из-за случайной юстировки подвижного терминала [6, 12-14].
К факторам, ухудшающим помеховую обстановку в канале передачи в промышленном подземном сооружении, можно отнести следующие [7]:
Дифракция - представляет собой совокупность явлений, которые можно наблюдать при распространении электромагнитной волны в средах с резко выраженными неоднородностями, которые приводят к перераспределению энергии поля. Это явление присуще волнам любой частоты. Любая задача, связанная с явлением дифракции, сводится к решению волновых уравнений (уравнений Максвелла) с использованием соответствующих граничных условий. Дифракция встречается в том случае, если электромагнитная волна при своем распространении сталкивается с шероховатой поверхностью с некоторым радиусом кривизны. Вследствие этого при распространении волны происходит огибание углов, неровностей и других выступов. Это явление может быть как полезно, так и губительно для качества передачи. Сигнал в этом случае может пройти по пути, отличающемуся от исходного.
Рефракция - преломление радиосигнала при его распространи в средах с переменным показателем преломления. Имеются в виду такие виды сред, в которых эти показатели резко различаются. В подземных сооружениях сигнал преломляется при прохождении через предметы, состоящие из разных конструктивных материалов, через двери, перегородки, перекрытия и т.п.
Эффект Доплера заключается в изменении частоты или длины волны сигнала при перемещении приемника и передатчика относительно друг друга с некоторой скоростью.
Рассеивание сигнала возникает в случае, если на пути распространения радиосигнала возникает предмет, размеры которого меньше, чем длина волны [6-7].
Из вышесказанного следует сделать вывод, что потери при распространении радиосигнала на трассе неизбежны. Оценку помех и потерь распространения мож-
но проводить разными путями, как с учетом конкретных условий местности, так и с использованием неких обобщенных данных и показателей, которые основаны на предварительно проведенных опытах и экспериментах, обобщенных и усредненных. ■
Литература
1. Белашов В.Ю., Чураев Р.Р. Оценка уровня коммутационных полевых помех, возбуждаемых токоограничителем // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2004. № 1-2. С. 59-70.
2. Брюханов В.А. Методы повышения точности измерений в промышленности. М.: Изд-во стандартов, 1991. 108 с.
3. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Физматгиз, 1962. 564 с.
4. Вербин В.С. Обзор типов и источников электромагнитных помех, влияющих на работу электронной аппаратуры [Электронный ресурс] // URL: http://www.ezop.ru.
5. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М.: Связь, 1972. 336 с.
6. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации/ А.Г. Зюко, А.И. Фалько, И.П. Панфилов, В.Л. Банкет, П.В. Иващенко; под ред. А.Г. Зюко. М.: Радио и связь, 1985. 272 с., ил.
7. Рекомендация МСЭ-R P.1238-4. Данные о распространении радиоволн и методы прогнозирования для планирования систем радиосвязи внутри помещений и локальных зоновых радиосетей в частотном диапазоне 900 МГц - 100 ГГц (Вопрос МСЭ-R 211/3).
8. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. М.: Мир, 1985. 272 с.
9. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Сов. Радио. 1966. 672 с.
10. Управление радиочастотным спектром и электромагнитная совместимость радиосистем. Учеб. пособие / Под ред. д.т.н., проф. М.А. Быховского. М.: Эко-Трендз, 2006. 376 с., ил.
11. Харлов Н.Н. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: Учеб. пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. 207 с.
12. Шабалина Н.А. Анализ особенностей среды распространения сигналов в телекоммуникационных каналах подземных сооружений // Телекоммуникации и транспорт. 2013. № 8. С. 157-160.
13. Шабалина Н.А. Электромагнитные помехи в промышленности: принципы возникновения и влияние на электронное оборудование // URL: http://sibac.info/index.php/2009-07-01-10-21-16/4400-2012-10-26-12-15-43.
14. Шабалина Н.А. Особенности использования телекоммуникационных сетей в промышленности // Научная дискуссия: вопросы технических наук: Материалы VI международной заочной научно-практической конференции (7 февраля 2013 г.). М.: Изд. «Международный центр науки и образования», 2013. С.124-129.
15. Шабалина Н.А. Анализ особенностей среды распространения сигналов в телекоммуникационных каналах подземных сооружений// Телекоммуникации и транспорт. 2013. № 8. С. 157-160.
