CC BY
127Электромагнитная совместимость
УДК 621.396(075)
Б. М. Антипин, Е. М. Виноградов
Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф. М. А. Бонч-Бруевича
Оценка электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств по результатам радиоконтроля
Предложен подход к оценке электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, основанный на измерениях уровней сигналов и помех, частоты которых лежат в полосе преселектора и в полосах побочных каналов приема приемника, в местах размещения приемных антенн радиоэлектронных средств. Подход предполагает знание защитных отношений и характеристик односигнальной и многосигнальной избирательностей приемника.
Электромагнитная совместимость, радиоконтроль, защитное отношение, нелинейные эффекты, критерии ЭМС
Закон "О связи"1 в качестве важнейших целей контроля за излучениями радиоэлектронных средств (РЭС) указывает на обеспечение их электромагнитной совместимости (ЭМС). Обеспечение ЭМС дает возможность одновременно функционирующим в одном регионе РЭС качественно выполнять свои функции в сложной помеховой обстановке и не создавать недопустимых помех друг другу. Поэтому при получении разрешения на использование радиочастот и радиочастотных каналов Радиочастотная служба проводит расчеты ЭМС вновь вводимого РЭС с уже действующими радиосредствами2. Расчеты основываются на принятых методиках и действующих нормативных документах, в качестве которых, в частности, выступают нормы частотно-территориального разноса РЭС.
При эксплуатации РЭС поддержание их ЭМС осуществляется радиоконтролем, проводимым предприятиями радиочастотной службы, и инспекционными проверками владельцев радиопередающих устройств территориальными управлениями Роскомнадзора. Современная практика проведения радиоконтроля в соответствии с "Правилами осуществления радиоконтроля"3 сводится в основном к регулярным измерениям параметров излучений радиопередатчиков и сравнением полученных значений с требованиями Норм ГКРЧ4 (далее - Нормы) и разрешений на работу РЭС. При этом негласно подразумевается,
1 Федеральный закон "О связи" от 07.07.2003 № 126-Ф3. URL: http://minsvyaz.ru
2 Порядок проведения экспертизы возможности использования заявленных радиоэлектронных средств и их электромагнитной совместимости с действующими и планируемыми для использования радиоэлектронными средствами, рассмотрения материалов и принятия решений о присвоении (назначении) радиочастот или радиочастотных каналов в пределах выделенных полос радиочастот. Утвержден решением ГКРЧ от 20.12.2011 № 11-13-02. URL: http://minsvyaz.ru
3 Правила осуществления радиоконтроля в Российской Федерации. Утверждены Постановлением Правительства РФ от 01.04.2005 №175. URL: http://base.garant.ru/12139431
4 Нормы ГКРЧ 17-08, 18-07, 19-02. URL: http://base.consultant.ru
© Антипин Б. М., Виноградов Е. М., 2012 97
что если значения измеренных параметров удовлетворяют требованиям Норм и разрешений, то в отсутствие других нарушений правил использования радиочастотного спектра ЭМС обеспечивается, в противном случае - обеспечения нет5.
При указанном подходе, как правило, проводят измерения частоты, ширины полосы частот, занимаемой излучением, и уровней внеполосных излучений РЭС. Однако по целому ряду причин существующие Нормы ГКРЧ, с требованиями которых сравниваются измеренные значения для получения корректного ответа на вопрос, обеспечивается ЭМС РЭС или нет, не могут быть использованы. В качестве одной из таких причин, на взгляд авторов настоящей статьи, является то, что суть и содержание Норм ближе к проведению сертификационных испытаний параметров передатчиков систем радиосвязи, проводимых непосредственно в трактах передатчиков, чем к проверке соблюдения ЭМС действующих РЭС, выполняемой с помощью средств радиоконтроля излученного электромагнитного поля. Кроме того, Нормы неприменимы для радиоконтроля непосредственно, так как содержат требования к измерительным процедурам, невыполнимые в условиях радиоконтрольных измерений при работе контролируемого передатчика в штатном режиме. Это касается прежде всего измерений ширины полосы частот, занимаемых излучениями, и уровней внеполосных излучений передатчиков, поскольку при измерении указанных параметров Нормы 19-02 требуют использования специальных тестовых сигналов, которые могут быть сформированы передатчиком только во взаимодействии с оператором связи (владельцем РЭС). Данное обстоятельство вступает в противоречие с п. 11 "Правил осуществления радиоконтроля в Российской Федерации"6, где отмечено, что "... радиоконтроль осуществляется без участия и уведомления владельцев радиоэлектронных средств и (или) высокочастотных устройств".
Весьма важен и тот факт, что результаты измерений параметров излучений передатчиков далеко не всегда отражают реальную ситуацию обеспечения ЭМС РЭС. Так, например даже многократное превышение норм на допустимые отклонения частоты передатчиком радиовещательной службы, может не сказаться на состоянии ЭМС РЭС на практике. То же самое можно отметить и в отношении отклонения частоты для некоторых других систем связи. С другой стороны, внутрисистемные требования к отклонению частоты передатчиков базовых станций в сотовых системах связи на порядок выше, чем указано в требованиях Норм 17-08.
В отношении методик оценки ЭМС необходимо отметить следующее. В настоящее время методики оценки ЭМС при вводе в эксплуатацию новых РЭС и сетей связи и реализующее их программное обеспечение используют информацию о параметрах действующих РЭС и об их местоположении, которая содержится в базе данных (БД) частотных присвоений и РЭС. Реализуемые в соответствии с указанными методиками расчеты опираются только на математические модели, описывающие излучения передатчиков, потери энергии на трассах распространения и процессы взаимодействия помех и полезных сигналов в радиоприемных устройствах (РПУ). Результаты измерений, полученные с помощью
5 При появлении помех процедура радиоконтроля предусматривает наряду с измерениями установление причин возникновения помех с целью их дальнейшего устранения.
6 Правила осуществления радиоконтроля ... http://base.garant.ru/12139431 98
радиоконтроля, носят консультативный характер и, как правило, непосредственно при расчетах не используются. Вследствие этого оценка ЭМС, выполненная с использованием таких методик, может сопровождаться ошибками по следующим причинам:
БД частотных присвоений и РЭС может быть неполной (особенно, если оценка проводится во ФГУП "Главный радиочастотный центр", а не в регионе, где разворачиваются средства) или, как показывает практика, содержать ошибки;
• модель, с помощью которой оцениваются потери в пространстве распространения, может быть неадекватна анализируемой ситуации;
• БД частотных присвоений и РЭС не содержит информации относительно ожидаемого уровня индустриальных помех в местах развертывания РЭС.
Учитывая изложенное, в настоящей статье предложен подход к оценке ЭМС РЭС, основанный на измерениях как уровней сигналов, так и уровней помех, действующих по основному и по побочным каналам приема (ПКП) приемных устройств РЭС в местах, где установлены или предполагается установить антенны РЭС, содержащих РПУ. В настоящее время станции радиоконтроля (СРК) измеряют напряженность поля контролируемых радиосигналов. Однако эти измерения проводятся, как правило, не в местах расположения приемных антенн РЭС, и потому практически трудно напрямую использовать их результаты для оценки ЭМС. Поэтому наибольший интерес в данном случае ЭМС представляет информация об электромагнитной обстановке в точках размещения функционирующих РЭС или в предполагаемых точках размещения новых РЭС, содержащих РПУ. Измерения, выполненные средствами радиоконтроля в этих точках, позволяют непосредственно оценить уровни возможных помех (в том числе создаваемых РЭС, информация о которых отсутствует в БД частотных присвоений и РЭС) в реальных условиях распространения радиоволн, а также уровень внешнего индустриального фона и его распределение по частоте. Измерения должны быть организованы таким образом, чтобы полученные результаты можно было использовать непосредственно для оценки ЭМС функционирующих и вводимых в эксплуатацию РЭС.
Для оценки ЭМС достаточно обычных измерений параметров излучений, выполняемых радиоконтрольным оборудованием на стационарных постах радиоконтроля, а также значений напряженности поля, создаваемой этими излучениями (включая полезный сигнал). Измерения должны охватывать полосу частот, перекрывающую полосу пропускания преселектора приемника планируемого к постановке РЭС, а также частоты ПКП. Результаты измерений в точках, где размещаются приемные антенны, заменяют расчеты уровней сигналов и помех на входе приемника, выполняемые по методике оценки ЭМС, и соответствуют реальной электромагнитной обстановке. При этом они позволяют избежать ошибок в расчетах, обусловленных отмеченными ранее факторами. Дальнейший анализ ЭМС совпадает с традиционным аналитическим анализом. Информация, полученная средствами радиоконтроля, используется для оценки качества приема полезного сигнала приемником по критериям оценки ЭМС, учитывающим возможные пути прохождения помех в приемнике и нелинейные эффекты, которые могут вызвать мощные помехи.
Для выполнения необходимых расчетов нужно знать ряд параметров приемников. В подходе, рассматриваемом в настоящей статье, при аналитическом расчете учитывались
99
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Вып. 6======================================
характеристики приемников, представленные в их спецификациях, а также в стандартах на соответствующие радиотехнологии и в форме № 1 ГКРЧ.
Оценка ЭМС ведется, как правило, на энергетическом уровне, поскольку, в конечном счете, именно отношением мощностей сигнала и помехи определяется качество работы РЭС. Поэтому в первую очередь необходимо определить характеристики и параметры РПУ, позволяющие оценить энергетические параметры сигнала и помех на его входе, при которых качество приема полезного сигнала не ухудшается ниже определенного предела.
Основным параметром, определяющим нижнюю границу энергетики полезного сигнала, является чувствительность приемника, т. е. минимальный уровень мощности на его входе, который в отсутствие внешних помех обеспечивает заданное качество приема полезного сигнала. Для аналоговых систем требуемое качество сигнала считают достигнутым, если на выходе приемника обеспечены определенный уровень сигнала и определенное отношение "сигнал/шум" [см. лит.]. Для цифровых систем связи в зависимости от типа системы, используемой радиотехнологии, а в ряде случаев - и от типа канала системы, качество приема определяют частотой ошибок (BER) или остаточной частотой ошибок (RBER) при приеме бита информации, и частотой ошибок при приеме кадра информации [см. лит.].
В реальных условиях эксплуатации наличие внешних помех приводит к тому, что для обеспечения требуемого качества связи приходится работать с сигналами, уровни которых превышают чувствительность приемника даже в сетях, где используются регулировки мощности абонентских и/или базовых станций. Чтобы решить вопрос о наличии или об отсутствии ЭМС РЭС по результатам радиоконтроля в местах установки приемных антенн, нужно измеренные уровни помех сравнить с максимально допустимыми для требуемого качества приема при известном уровне полезного сигнала. Сделать это можно, используя определенные параметры и характеристики РПУ.
Для основного канала приема наиболее важными параметрами являются динамический диапазон, защитное отношение А и характеристика частотной избирательности. Информация о последней может отсутствовать, если известна зависимость защитного отношения от отстройки мешающего сигнала относительно частоты настройки РПУ. Защитное отношение в спецификацию РПУ не включается, однако в задачах оценки ЭМС играет важную роль. Его значения для разных типов сигналов и помех можно получить из стандартов на соответствующие радиотехнологии, отчетов и рекомендаций Европейской конференции администраций почт и электросвязи и Международного союза электросвязи. Защитное отношение используется, если помеха действует по линейным каналам приема. Примеры защитных отношений представлены в табл. 1 и 2.
К числу других параметров, определяющих качество приема полезного сигнала при наличии непреднамеренных помех со стороны других РЭС, относится восприимчивость приемника по ПКП, выраженная в децибелах относительно чувствительности приемника. В спецификациях РПУ она указана как избирательность по ПКП. Наиболее восприимчивы к помехам ПКП, сигналы в которых обрабатываются линейно. Именно они определяют значение избирательности, указанное в спецификациях РПУ.
Таблица 1
Система Ширина
или стандарт канала, А, дБ
связи кГц
GSM7 200 9 (речь)
12 (данные)
max 200 25
Радио- (аналог.)
микрофон7 около 300 (цифр) 18
TETRA8 25 19
TAPS8 200 9
25 17
FM9 20 17
12.5 21
DSRR10 25 18
Таблица 2
Полезный сигнал Помеха Отстройка помехи Af, кГц
0 200 400 600
А, дБ
GSM GSM11 9 - 9 - 41 - 49
TAPS12 9 - 33 - 51 -
Фиксированная служба13 9 - 33 - 51 -
TAPS GSM12 11 - 19 - 49 -
Фиксированная служба GSM14 По двустороннему соглашению
В спецификациях избирательность по ПКП может быть представлена одним значением либо задана отдельно по зеркальному каналу приема, по каналам промежуточных частот и по другим ПКП. Использование этого параметра позволяет оценить опасность излучений других РЭС для наихудшего случая - помех, к которым приемник наиболее восприимчив, поскольку их частоты находятся в полосах пропускания ПКП.
В реальной электромагнитной обстановке уровень помех может быть произвольно большим. В этой ситуации приемник будет вести себя как нелинейное устройство и при анализе ЭМС следует учитывать возможные нелинейные эффекты в РПУ и их влияние на качество приема полезного сигнала. Для оценки ЭМС наиболее важны нелинейные эффекты блокирования и интермодуляции. Линейные свойства приемника относительно них могут быть представлены динамическими диапазонами по блокированию и по интермодуляции. Динамический диапазон по интермодуляции зависит от ее порядка.
Динамический диапазон и, следовательно, восприимчивость приемника к нелинейным эффектам зависят от отстройки помехи от частоты настройки приемника, причем с увеличением отстройки помехи динамический диапазон приемника растет. В технической документации на приемник приводится минимальное значение динамического диапазона, когда помеха находится во втором соседнем канале приема. Информация о динамическом диапазоне приемника и реально измеренный уровень помехи позволят получить оценку ЭМС для наихудшего случая.
7 ECC Report 96. Compatibility between UMTS 900/1800 and systems operating in adjacent bands. Krakow, March 2007. URL: http://www.erodocdb.dk/Docs/doc98/oificial/pdf/ECCREP096.PDF
8 ECC Report 42. Spectrum efficiency of CDMA-PAMR and other wideband systems for PMR/PAMR. Granada, February 2004. URL: http://www.erodocdb.dk/Docs/doc98/official/pdf/ECCREP042.PDF
9 ERC Report 104. Adjacent band compatibility of 400 MHz tetra and analogue FM PMR - an analysis completed using a Monte Carlo based simulation tool. Vilnius, June 2000. URL: http://www.erodocdb.dk/Docs/doc98/official/pdf/REP104.PDF
10 ERC Report 7. Compatibility between certain mobile radiocommunications systems operating in adjacent bands. Oslo, December 1991. http://www.erodocdb.dk/Docs/doc98/official/pdf/REP007.PDF
11 ETSI EN 300 910. Digital cellular telecommunications system (Phase 2+). Radio transmission and reception (GSM 05.05 version 8.5.1 Release 1999). URL: http://pda.etsi.org/queryforn.asp
12 ECC recommendation (05)08. Frequency planning and frequency coordination for the GSM 900, GSM 1800, E-GSM and GSM-R land mobile systems. URL: http://www.erodocdb.dk/Docs/doc98/official/pdf/REC0508.PDF
13 Recommendation T/R 20-08E (Lecce 1989 CR) frequency planning and frequency coordination for the GSM system. URL: http://www.erodocdb.dk/Docs/doc98/official/pdf/REC0508.PDF
Таблица 3
Частотный параметр Системы цифровой связи
GSM 400; P-, E-, и R-GSM 900 || DCS 1800 || PCS 1900
Типы станций
Базовые Мобильные Базовые Мобильные Базовые Мобильные
малые другие
Pб, дБм
, МГц В рабочем диапазоне /н ... /в
0.6...0.8 - 26 - 43 - 38 - 35 - 43 - 35 - 43
0.8...1.6 - 16 - 43 - 33 - 25 - 43 - 25 - 43
1.6.3.0 - 16 - 33 - 23 - 25 - 33 - 25 - 33
более 3.0 - 13 - 23 - 23 - 25 - 26 - 25 - 26
f, МГц Вне рабочего диапазона
0.1.1705 - 0 0 -
1705.1785 - - - 12 -
1920.1980 - - - 12 -
1980.12750 - 0 0 -
0.1. fH 8 0 0 - 0 0
fв .12 750 8 0 0 - 0 0
Примечание. Малые мобильные станции - станции, имеющие класс мощности 4 или 5 (максимальная мощность не превышает 2 и 0.8 Вт соответственно), не предназначенные для установки на подвижные средства.
Динамические диапазоны по нелинейным эффектам указывают в спецификациях на аналоговые приемники. Спецификации на современные цифровые РПУ содержат, как правило, связанную с нелинейными эффектами информацию другого вида. Для широкополосных систем эффект блокирования обычно учитывается по предельно допустимой мощности мешающего сигнала на входе приемника, при которой приемник еще формирует на выходе сигнал требуемого качества. При этом входной полезный сигнал имеет уровень, на 3 дБ превышающий чувствительность приемника. В стандартах на более узкополосные системы приводится зависимость мощности помехи блокирования /д от отстройки от частоты настройки приемника Af, представляющая, по сути, ступенчатую аппроксимацию характеристики избирательности приемника по блокированию. Примеры таких характеристик представлены в табл. 3 для стандарта GSM 05.0514 и в табл. 4 для стандарта TETRA для сигналов с частотной модуляцией15.
Параметром, определяющим линейные свойства аналоговых приемников в отношении интермодуляционных искажений, является динамический диапазон приемника по интермодуляции соответствующего порядка. В настоящее время вместо динамического диапазона используют точки пересечения по интермодуляции второго и третьго порядков,
14 ETSI EN 300 910. Digital cellular telecommunications system (Phase 2+). Radio transmission and reception (GSM 05.05 version 8.5.1 Release 1999). URL: // http://pda.etsi.org/queryforn.asp
15 ETSI EN 300 392-2 v.3.1.1 (2006-09). Terrestrial trunked radio (TETRA), voice plus data (V+D). Pt. 2: air interface (AI). URL: // http://pda.etsi.org/queryforn.asp
Таблица 4
л/ кГц Рб, дБм (немодулированная несущая)
50.100 - 40
100.200 - 35
200.500 - 30
>500 - 25
отнесенные к входу приемника. Точка пересечения, отнесенная к входу, является виртуальным параметром, который не может быть непосредственно измерен, но удобен для оценки степени опасности интермодуляционной помехи в приемнике. Ее определяют для ситуации, когда на вход приемника поступают два мешающих сигнала одинаковой мощности. Она соответствует мощности этих сигналов на входе приемника, при которой на его выходе как сами сигналы, так и образованные из них интермодуляционные продукты интересующего порядка, имеют одинаковую мощность.
Точка пересечения может быть использована для оценки уровней интермодуляционных продуктов, приведенных к входу приемника, как для аналоговых, так и для цифровых РПУ. Например для продукта интермодуляции третьего порядка, на частоте интермодуляции =|2f\ —/2I (/l и fl ~ частоты мешающих сигналов, имеющих мощности Ру и соответственно) мощность интермодуляционной помехи третьего порядка на входе приемника составит ^шз = 2Д +/2 ~ 27^,3 (.Рдрз - точка пересечения 3-го порядка, приведенная к входу приемника)16.
В стандартах на современные цифровые РПУ спецификации содержат либо коэффициент подавления интермодуляционного отклика третьего порядка IMR, выраженный в децибелах, либо подавление интермодуляционного отклика для той же интермодуляции третьего порядка, также выраженное в децибелах [см. лит]. IMR представляет собой отношение мощностей мешающих сигналов, создающих интермодуляционную помеху третьего порядка на частоте настройки приемника, к полезному сигналу, который превышает чувствительность приемника на заранее заданное значение X (наиболее часто на 3дБ). Уровень мешающих сигналов устанавливают таким, чтобы качество приема полезного сигнала (например, BER или FER) с уровнем, превышающим чувствительность приемника на значение X, в присутствии интермодуляционной помехи было таким же, как при отсутствии мешающих сигналов и при уровне полезного сигнала, равном чувствительности приемника. Математически указанное определение имеет вид IMP = I — (PR + X), где / - мощность помехи; PR - чувствительность приемника. В приведенном выражении величины I и PR выражены в децибелах относительно милливатта.
В табл. 5 представлены параметры и характеристики приемников, которые используются при анализе ЭМС.
Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы.
• Регулярные измерения параметров излучений РЭС и сравнение полученных значений с требованиями Норм ГКРЧ не всегда дает правильное представление о состоянии ЭМС в данном территориальном районе.
• Предложен подход к оценке ЭМС РЭС по результатам радиоконтроля, который предполагает измерение не только уровней полезных сигналов, но и уровней помех (в основном канале и в ПКП РПУ) в местах установки приемных антенн.
16 Мощности измеряются в децибелах относительно милливатта (дБм).
Таблица 5
Канал приема или нелинейный эффект Параметры и характеристики канала или нелинейного эффекта Область преимущественного применения
Основной канал приема Чувствительность, избирательность, защитное отношение Аналоговые и цифровые приемники
Побочные каналы приема Восприимчивость (избирательность) по побочным каналам приема То же
Блокирование Динамический диапазон по блокированию Аналоговые приемники
Допустимый уровень помехи блокирования Цифровые приемники
Интермодуляция Динамический диапазон по интермодуляции второго или третьего порядка Аналоговые приемники
Точка пересечения второго или третьего порядка Аналоговые и цифровые приемники
Коэффициент подавления интермодуляции третьего порядка Цифровые приемники
• Для получения информации о состоянии ЭМС по результатам радиоконтроля необходимо также знать величины защитных отношений и характеристики РПУ, влияющие на ЭМС.
• Сформулирован достаточный перечень параметров и характеристик РПУ аналоговых и цифровых систем радиосвязи, влияющих на ЭМС (см. табл. 5).
• Располагая представленными в перечне параметрами и характеристиками РПУ, на основе предложенного подхода можно разработать алгоритм, позволяющий по результатам измерений параметров сигналов на станциях радиоконтроля более достоверно выполнить оценку ЭМС.
В заключение отметим, что предложенный метод оценки ЭМС по результатам радиоконтроля не предлагается взамен традиционных методов аналитической оценки ЭМС и не отвергает их. С учетом того, что связанные с измерениями процедуры достаточно трудоемки, требуют использования мобильных и/или переносных средств радиоконтроля, указанный метод может быть использован в первую очередь для проверки и коррекции результатов, полученных традиционным аналитическим путем, при размещении вновь вводимых РЭС (в дополнение к существующим аналитическим методам расчета). Кроме того, метод безусловно будет полезен на этапе эксплуатации РЭС для оперативной оценки ЭМС в сложной помеховой обстановке.
Список литературы
Виноградов Е. М. Анализ электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2010. 300 с.
B. M. Antipin, E. M. Vinogradov
Saint-Petersburg state university of telecommunications n. a. prof. M. A. Bonch-Bruevich
Radioelectronics electromagnetic compatibility estimation based on spectrum monitoring results
Approach to radioelectronics electromagnetic compatibility estimation based on measurements of signal and interference levels at receiving antenna places whose frequencies come into spurious channels and preselector bandwidth of receiver is proposed. The approach assumes knowledge ofprotection ratios and single- and multi-signal selectivity of receiver.
Electromagnetic compatibility, radio monitoring, protection ratio, nonlinear effects, EMC criteria
Статья поступила в редакцию 21 сентября 2012 г.
