Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекція 6. Методи вимірювання параметрів сигналів радіотехнічних систем
1. Вимірювання ширини смуги частот ДРВ.
Для досягнення заданого рівня якості зв’язку потрібно, щоб спектр випроміненого сигналу відтворювався на приймальній стороні з певною точністю. Чим більше відмінностей між вихідним і відтвореним спектрами, тим гірша якість обслуговування операторами зв’язку. З іншого боку, спектральні складники від інших ДРВ, які приймаються разом із корисним сигналом, призводять до погіршення якості внаслідок спотворення спектра вихідного сигналу.
З точки зору економії РЧС залежно від співвідношення між шириною займаної смуги радіочастот та шириною необхідної смуги відповідно до Рекомендації ІТU-R розрізняють три види випромінювання: досконале, недосконале та вузьке. На рис. 1. випромінювання в необхідній смузі частот відзначені вертикальним штрихуванням, а в займаній смузі - горизонтальним. Випромінювання досконале, якщо займана смуга радіочастот для даного класу радіовипромінювання повністю збігається з необхідною (рис. 1, а). Якщо ширина займаної смуги радіочастот переважає ширину необхідної, то випромінювання є недосконалим (рис. 1, в). У випадку, коли ширина займаної смуги радіочастот менша ширини необхідної, то випромінювання займає вужчу смугу частот, ніж досконале (рис. 1, б). Нині термін “досконале випроміню-вання” діючими стандартами та іншими нормативними документами не регламенто-ваний, тому в науково-технічній літературі зустрічаються його синоніми – оптималь-не випромінювання або узгоджене випромінювання.
Рис. 1. Види спектру радіовипромінювання.
В більшості випадків радіовипромінювання РЕЗ відносяться до недосконалих (рис. 1,в), що негативно позначається на вирішенні проблем, пов’язаних із необхідністю забезпечення ЕМС. У випадку вузьких випромінювань ЕМС РЕЗ покращується, але в цьому випадку можливі втрати інформації через спотворення повідомлень, що передаються, та зниження швидкості передавання. Для покращення умов ЕМС необхідно приймати заходи стосовно зменшення ширини необхідної смуги радіочастот, наприклад, за рахунок вибору відповідного класу радіовипромінювання, виду модуляції, оптимізації якості та швидкості повідомлень, що передаються, тощо. Очевидно, що для того, щоб можна було сформулювати вимоги до якості обслуговування та до ЕМС РЕЗ у виді фізичних величин, необхідно належним чином визначити займану ширину смуги частот радіовипромінювання з тим, щоб мати можливість її порівняти з необхідною.
Нині існують два основні підходи щодо оцінювання ширини займаної смуги частот радіовипромінювання:
Безпосереднє вимірювання ширини займаної смуги частот найчастіше проводять за критерієм відношення потужностей (енергетичний критерій) або за критерієм Х дБ (‟рівневий” критерій). З позиції ефективності використання РЧС енергетичний критерій оцінювання ширини смуги частот, фактично зайнятої радіовипромінюванням, не має суттєвих переваг перед ‟рівневим”. Численні вимірювання та дослідження доказали неефективність орієнтації на нормування й контроль ширини займаної смуги частот, визначеної тільки за енергетичним критерієм, оскільки ширину займаної смуги частот часто практично неможливо безпосередньо зафіксувати на спектрі випромінювання через те, що вимірювання завжди піддані значним похибкам унаслідок впливу шумів, радіозавад тощо. Крім цього, на результати вимірювання суттєво впливають значні інструментальні похибки, які досить важко усунути. Разом із тим відмінності у вимірах із застосуванням цих методів складають від 5 % до 7 %, що є прийнятним для їх практичного застосування.
Побічне оцінювання ширини займаної смуги частот радіовипромінювання базується на її визначенні за результатами вимірювання параметрів цього радіовипромінювання, залежних від ширини цієї смуги частот, таких як, наприклад, рівня затухання спектра поза смугою частот, середньо-квадратичного значення девіації частоти сигналу, часу наростання імпульсу, тощо. В деяких випадках, наприклад, у разі наявності шумів та радіозавад ці параметри часто можуть бути виміряні з більшою точністю, ніж ширина самої смуги.
Метод, заснований на вимірюванні крутизни спадання позасмугового спектра, базується на обчисленні рівнів спектральної густини потужності на межах займаної смуги частот за відомим відсотковим значенням В/2 та виміряним значенням крутизни спадання обвідної спектра поза смугою частот (якщо відомий закон зміни спектральної густини потужності за межами смугового спектра), з наступним вимірюванням ширини смуги на цих рівнях. У більшості випадків поблизу межі займаної смуги частот спектральна густина потужності фактичного випромінювання спадає майже лінійно (в децибелах на одиницю частоти). На базі цієї характеристики ширину займаної смуги частот можна визначити за допомогою вимірювання крутизни спадання обвідної спектра (кута нахилу обвідної) і подальшого обчислення рівня спектра на певній частоті. Перевага цього методу полягає в тому, що в разі відомого розподілу спектра та виміряного кута нахилу обвідної спектра ширина смуги частот може бути визначена навіть за наявності суттєвого рівня шумів та радіозавад.
Для класів радіовипромінювання, у яких ширина займаної смуги частот строго залежить від відносного часу наростання імпульсного сигналу (відношення часу наростання сигналу до тривалості імпульсу на рівні половини амплітуди цього сигналу), вживається метод визначення ширини смуги частот радіовипроміню-ваньня на основі встановлення відносного часу наростання імпульсу. Даний метод базується на вимірюванні відносного часу наростання найкоротшого за тривалістю імпульсу відомими методами з наступним розрахунком ширини займаної смуги частот радіосигналу.
Метод із застосуванням середньоквадратичного значення девіації частоти сигналу вживається для визначення ширини займаної смуги частот ЧМ радіосигналів. Він базується на залежності ширини займаної смуги частот деяких ЧМ випромінювань від середньоквадратичної девіації частоти сигналу. Відрізняється простотою, оскільки не потребує спеціального вимірювального обладнання, але його результати не відрізняються високою точністю. В Україні методи, що базуються на побічному (непрямому) оцінюванні ширини смуги частот практичного поширення не набули.
Нині вимірювання ширини смуги частот базується на застосуванні сучасних вимірювальних РПП із цифровою обробкою сигналу, що дозволяє визначати ширину смуги частот, як методом за критерієм Х дБ, так і методом за критерієм відношення потужностей. Останній передбачає вимірювання ширини смуги частот незалежно від модуляції сигналу, тому рекомендують віддавати йому перевагу особливо в разі вимірювання ширини смуги цифрових сигналів, коли їхнє технічне розпізнавання утруднене або неможливе, і в разі низьких відношень сигнал/шум. У той же час у разі наявності радіозавад треба віддавати перевагу вимірюванням ширини смуги частот за критерієм Х дБ.
Метод вимірювання ширини займаної смуги частот за критерієм відношення потужностей
Згідно з визначенням ширини займаної смуги частот її оцінювання необхідно проводити за результатами вимірювання спектральної густини потужності радіовипромінювання.
На рис. 2 наведений графік обвідної енергетичного спектра - частотна залеж-ність спектральної густини потужності умовного радіовипромінювання, що кон-тролюється, за умови відсутності радіозавад.
Згідно з Рекомендацією ІТU-R визначення ширини займаної смуги частот за даним методом проводиться шляхом обчислення відношення всієї (загальної) потужності радіовипромінювання до потужності за межами смуги з граничними
частотами f1 і f2, різниця яких і визначає ширину займаної смуги. Для знаходження значень частот f1 і f2 потрібно розв’язати систему рівнянь:
Рис. 2 Графік частотної залежності спектральної
густини потужності умовного радіовипромінювання.
умовного радіовипромінювання
Якщо в нормативних документах або Рекомендаціях ІТU-R для певного класу радіовипромінювання значення частини потужності випромінювання, що відповідає заштрихованим частинам спектра за нижньою та верхньою межами смуги частот, не вказане, то приймається по 0,5β % від загальної потужності випромінювання.
Зрозуміло, що в реальних умовах оцінювання ширини займаної смуги частот радіовипромінювання, інтегрування його енергетичного спектра не може проводитися в межах всієї осі частот (від 0 до ∞), а повинне бути обмежене областю з певними границями fн та fв для виключення впливу на результати вимірювання великої кількості сторонніх радіовипромінювань, в тому числі, радіозавад та шумів. Тому перед виконанням розрахунків необхідно в системі рівнянь (29) визначити такі границі області інтегрування, в яких забезпечуються найточніші вимірювання.
З практичної точки зору межі області інтегрування енергетичного спектра випромінювання, що підлягає контролю, повинні бути вибрані, виходячи з таких суперечливих умов:
Для контролю можливої похибки вимірювання, пов’язаної з обмеженнями області інтегрування, в цій методиці використовується ітераційна процедура вибору оптимальних границь інтегрування спектра, яка полягає в тому, що під час вимірювання проводять поступове зменшення області інтегрування, яке спочатку не призводить до зміни результатів обчислень ширини займаної смуги частот, а після досягнення певних границь, подальше зменшення області інтегрування починає призводити до заниження результатів оцінювання ширини займаної смуги. Ці границі й приймаються за оптимальні. Таким чином, шляхом послідовних наближень можна визначити область інтегрування з межами близькими до оптимальних (мінімально необхідними). Але в реальних умовах проведення вимірювання така ситуація не завжди можлива і залежить від рівня радіовипромінювання, що контролюється. Якщо шляхом ітерацій не вдається встановити оптимальну область інтегрування, то це значить, що відношення сигнал/завада недостатнє для надійного оцінювання ширини займаної смуги частот. Необхідно відмітити, що в загальному випадку під час проведення радіоконтролю випромінювань на значних відстанях від РЕЗ, коли позасмугові випромінювання маскуються радіозавадами й шумом, цей метод застосувати неможливо, але якщо визначення ширини займаної смуги частот, може бути виконано шляхом вимірювань поблизу передавача, то точність їхніх результатів буде значно вища, ніж у разі визначення ширини смуги частот цього передавача іншими методами.
Відомий другий принцип визначення ширини смуги частот випромінювання, який полягає у вимірюванні відношення повної потужності до потужності, що залишається за межами вимірюваної ширини смуги. Для цього необхідно визначити „місцезнаходження” верхньої й нижньої границь смуги шляхом підсумовування потужностей позасмугових складників на стороні верхніх частот до тих пір, доки не буде отримано значення 0,5 % повної потужності, і потім повторити цю процедуру для позасмугових складників на стороні нижніх частот, починаючи в кожному випадку досить далеко від середньої частоти, з тим щоб не виключити з процесу вимірювання які-небудь складники зі значною енергією. Визначення ширини смуги частот випромінювання за цим принципом доцільно проводити поблизу РЕЗ. Цей принцип не можна застосовувати для вимірювань на значній відстані від передавача через те, що завадові радіовипромінювання і шуми можуть маскувати контрольовані позасмугові випромінювання.
Нині відсутні строго регламентовані правила або оптимальний алгоритм вибору границь інтегрування, але існують рекомендації, враховуючи які можна забезпечити мінімальні похибки вимірювань:
а) спектральна густина потужності повинна бути визначена у смузі частот, що перевищує в (1,5 - 2) рази очікувану ширину займаної смуги частот, причому, нерівномірність амплітудно-частотної характеристики аналізатора спектра не повинна суттєво впливати на результат інтегрування, тому в області спектра випромінювання, що підлягає контролю, вона повинна знаходитися в межах ± 0,5 дБ;
б) у смузі частот, у межах якої проводиться інтегрування, не повинні бути сторонні випромінювання, оскільки в даному випадку буде виміряна смуга, яку займають декілька випромінювань;
в) необхідно виключити інтегрування в межах частот, на яких спектральна густина потужності випромінювання, що контролюється, стає порівняною зі спектральною густиною шумів і фону приймача.
Перша рекомендація фактично задає вимоги до радіоконтрольного обладнання, яке використовується для вимірювання ширини займаної смуги частот. Виконання другої рекомендації забезпечує оператор радіомоніторингу під час проведення вимірювання з урахуванням запропонованої процедури вибору оптимальних меж інтегрування спектра. Виконання третьої рекомендації також забезпечує оператор, при цьому, перед проведенням розрахунків за формулами (29) необхідно прийняти за нуль всі значення вихідної спектральної густини потужності сигналу, які перевищують рівень фонових завад не більше, ніж на У дБ. Уважається, що для більшості сигналів значення У = 6 дБ забезпечує добрі результати. Однак практичне виконання цієї рекомендації досить проблематичне, оскільки в цьому випадку повинні бути відомі значення відношення сигнал/завада для кожного складника спектральної потужності, а детальне врахування впливу співвідношень рівнів спектральних потужностей випромінювань і радіозавад на точність вимірювання ширини смуги частот представляє складне завдання.
Метод вимірювання ширини займаної смуги частот за критерієм Х дБ
Не дивлячись на те, що вимірювання ширини контрольної смуги частот відповідно до чинних нормативних документів повинне проводитися з використанням випробувальних сигналів та попереднього встановлення опорного (вихідного) рівня 0 дБ, що для більшості класів радіовипромінювання потребує управління режимами роботи РЕЗ, оцінювання контрольної смуги частот у процесі вирішення завдань моніторингу спектра та технічного радіоконтролю в процесі штатної роботи передавачів має поширене застосування. При цьому виходять із того, що згідно з положеннями ГОСТ 30318, під час штатної роботи РЕЗ значення його ширини контрольної смуги частот, не повинне перевищувати нормативне більше, ніж на 20 %. Основна складність практичної реалізації технічного радіоконтролю ширини смуги частот радіовипромінювання під час штатної роботи передавача полягає у встановленні опорного нульового рівня, відносно якого проводиться відлік вимірювального рівня Х дБ.
Наприклад, у разі вимірювання ширини смуги ЧМ радіовипроміню-вань, їхній нульовий рівень являє собою пікове значення обвідної випромінювання, яке інколи досить тяжко піддається визначенню внаслідок зменшення амплітуди несучої частоти у процесі модуляції. Деякі РЕЗ працюють з неперервною модуляцією, тому для них досить рідко появляється можливість співвіднести повну потужність радіовипромінювання передавача до його несучої частоти з тим, щоб можна було встановити нульовий рівень.
Однак, оскільки загальна потужність ЧМ сигналу постійна, то для цього випадку визначають опорний нульовий рівень шляхом вибору ширини смуги пропускання вимірювального РПП, яка охоплює весь контрольований сигнал, у той час, коли сам РПП настроєний на його центральну частоту. У процесі вибору ширини смуги пропускання вимірювального РПП необхідно забезпечити усі можливі заходи, щоб до вибраної смуги пропускання не попали частини спектрів сусідніх випромінювань.
АМ випромінювання займають ширину смуги, яка, як правило, відповідає найвищій модулюючій звуковій частоті. У цьому випадку значення мінімальної необхідної смуги пропускання РПП для поточних вимірювань точок спектра на рівні Х дБ, може виявитись недостатньо точним через низьку роздільну здатність у разі контролю широких смуг частот. З метою вирішення цієї проблеми запропоновано контролювати спектр за необхідної вузької дозвільної ширини смуги частот із використанням функції утримання максимумів.
В разі вимірювання ширини смуги частот цифрових модульованих сигналів, які зазвичай мають шумоподібний спектр, пропонується опорний нульовий рівень встановлювати на максимум сигналу і вимірювати рівні Х дБ за однієї ширини смуги пропускання вимірювального РПП.
Рекомендації стосовно встановлення нульового рівня в залежності від класу радіовипромінювання наведені також у ГОСТ 30318, які в деяких випадках можна застосувати й під час проведення технічного радіоконтролю. Зокрема, ним регламентовані такі варіанти встановлення нульового рівня:
- для радіовипромінювання класів A1AAN, A1BBN, A2AAN, H2BBN, J2BBN, F1BCN, G1BCN, F3EGN, F1C, F3C, F7BDX, F1D, F1E, F2B, F7E, F7B, F8B, G1B, G1E, G1F, G1W, G2B, G2D, G7D, G7E, G7F, G7W – за рівнем немодульованої (неманіпульованої) несучої частоти (рис. 8, а);
- для радіовипромінювання класів А3С та R3C – за рівнем немодульованої (неманіпульованої) піднесучої частоти (рис. 8, а);
- для радіовипромінювання класів P0NAN, K1B, Q1B – за рівнем максимального (пікового) складника спектра сигналу, що контролюється;
- для радіовипромінювання класів A3EJN, A3EGN, R3EGN, R3EJN,
B8EJN, H3EJN, J3EJN, R7BCF, J7BCF, В9WWX, F3EJN, F8EJF, F8WWN, D7W
– за максимальним рівнем обвідної спектра в межах бічної смуги частот, причому рівень несучої частоти або її залишок не враховується (рис. 8, б).
Нині не існує однозначного способу встановлення вихідного рівня.
Найпростіше опорний нульовий рівень можна встановити відповідно до рівня максимального складника спектра сигналу, що контролюється, наприклад, для імпульсних сигналів, які відповідають класам радіовипромінювання P0NAN, K1B, Q1B. Аналізуючи спектр сигналу, можна також установлювати вихідний рівень для класів радіовипромінювання, в яких нульовий рівень відповідає максимальному рівню обвідної спектра в межах бічної смуги частот без урахування рівня несучої частоти або її залишку (рис. 8, б). При цьому цілком можливе маскування несучої частоти, що утруднює встановлення вихідного рівня. Для радіовипромінювання класу A3EGN у даному випадку ГОСТ 30318 допускає встановлення нульового рівня таким чином, щоб на рівні мінус 10 дБ ширина смуги частот випромінювання була рівною 4 кГц, що в певній мірі спрощує процес проведення вимірювань.
Рис. 8. Приклади встановлення вихідного рівня:
а - нульовий рівень більший максимального значення спектра сигналу;
б - нульовий рівень менший максимального значення спектра сигналу
Найскладніше під час штатної роботи радіопередавальних пристроїв установити вихідний рівень відповідно до рівня немодульованої несучої або піднесучої частоти. Для цих найпоширеніших радіовипромінювань (27 класів) рекомендується застосовувати метод заміщення, який базується на тому, що для випромінювання цих класів можна під час штатної роботи передавача визначати рівень немодульованої несучої частоти.
Метод заміщення проводиться двома етапами: на першому визначається рівень немодульованої несучої частоти, на другому етапі на аналізатор спектра подається гармонійний сигнал із рівнем, виміряним на першому етапі, і проводиться калібрування аналізатора за максимальним значенням спектра.
Після встановлення нульового рівня проводять вимірювання ширини контрольної смуги частот і, за потреби, контроль позасмугових випромінювань. У випадку використання аналізатора спектра з логарифмічним детектором відлік значень ширини контрольної смуги частот та рівнів позасмугових випромінювань проводять безпосередньо за шкалою аналізатора спектра на відповідних рівнях частотного інтервалу між крайніми спектральними складниками, що перевищують цей рівень. ГОСТ 30318 рекомендує проводити вимірювання за цим методом лише аналізаторами спектра, у яких похибка вимірювання за логарифмічною шкалою не перевищує 2 дБ.
Практична реалізація вимірювання ширини смуги частот за вказаною методикою залежить від класу радіовипромінювання. В імпульсно-модульованих випромінюваннях під час штатної роботи передавача амплітуда немодульованої несучої частоти відповідає піковому значенню амплітуди. В цьому випадку для вимірювань можна використати вольтметр із піковим детектором або осцилограф.
Під час використання методу заміщення необхідно мати на увазі, що встановлення нульового рівня та самі спектральні вимірювання ширини смуги частот повинні проводитися:
- лише у випадку стабільних сигналів, тобто коли відсутні завмирання сигналу протягом всього часу вимірювання в місці проведення радіоконтролю;
- за одних і тих же умов та параметрів аналізатора спектра: смуги пропускання фільтра, швидкості сканування, сталих часу тощо.
Якщо ширина смуги частот радіовипромінювання, яку вимірюють, виходить за межі шкали аналізатора спектра, що потребує збільшення смуги огляду, то після її зміни і проведення вимірювання необхідно повторно провести калібрування аналізатора за рівнем немодульованої несучої частоти, після чого повторити весь процес вимірювання.
Вимірювання ширини займаної смуги частот за критерієм Х дБ проводять, в основному, двома методами спектрального аналізу:
1) послідовного (з використанням одного смугопропускного фільтра);
2) паралельного (з використанням декількох смугопропускних фільтрів).
Методом послідовного спектрального аналізу проводиться пряме вимірювання ширини займаної смуги частот сигналу на рівні Х дБ шляхом проведення повного аналізу його спектра за допомогою скануючого вузькосмугового фільтра, настроєного на певну фіксовану частоту. При цьому окремі складники частотного спектра сигналу, що контролюється, співпадають з частотою фільтра у процесі її послідовної зміни. Перестроювання частоти фільтра проводиться в автоматичному або в ручному режимі. В якості такого фільтра може бути застосований, наприклад, аналізатор спектра.
Під час послідовного аналізу спектра сигналу ширина смуги частот на рівні Х дБ розглядається як сукупність дискретних складників сигналу, рівні яких послаблені менше ніж на 30 дБ відносно пікового рівня випромінювання. Така процедура, зазвичай, не забезпечує точного вимірювання ширини займаної смуги частот сигналу відповідно до її визначення, наведеного в Регламенті радіозв’язку. Наприклад, цілком можливо, що певне радіовипромінювання буде створювати багато низькорівневих частотних складників з обох сторін основного випромінювання, внаслідок чого сума їх потужностей на кожній стороні може бути набагато більшою 0,5 % загальної середньої потужності, хоча при цьому рівні цих складників будуть меншими рівня мінус 30 дБ. У такому випадку ширина займаної смуги частот сигналу, яка визначена методом вимірювання відношення потужностей під час проведення технічного радіоконтролю безпосередньо на передавачі, буде, цілком ймовірно, дещо перевищувати ширину смуги частот на рівні Х дБ, яка виміряна цим методом на відстані.
Головний недолік аналізаторів спектра, які використовують одиночний фільтр для сканування всієї контрольованої смуги частот, – це невідповідність між високою роздільною здатністю та великими швидкостями сканування, особливо в процесі контролю смуги частот значної ширини.
Висока швидкість сканування в даному випадку необхідна для отримання достовірного відображення проміжних складників частотного спектра сигналу, але в разі зростання швидкості сканування роздільна здатність погіршується, так що значимі складники радіовипромінювання будуть відображатися неточно, що в цілому погіршує точність вимірювання ширини смуги частот.
Метод паралельного аналізу спектра частот базується на розділенні смуги частот, яка контролюється, на певну кількість, прилеглих одна до одної, вузьких смуг, на кожну з яких передбачений свій смугопропускний фільтр. При цьому, виходи цих фільтрів або постійно підключені кожен до свого засобу вимірювання, або автоматично послідовно підключаються до входу одного засобу вимірювання. Даний метод особливо доцільно вживати під час контролю неперіодичних радіосигналів, але при цьому необхідно мати на увазі, що його практична реалізація надзвичайно складна.
В останні роки, дякуючи досягненням обчислювальної техніки та комп’ютеризації процесів радіоконтролю, застосовують більш ефективний математичний аналіз частотних спектрів сигналів, наприклад, за допомогою швидкого перетворення Фур’є.
В реальних умовах проведення на РКП вимірювання ширини смуги частот радіовипромінювання РЕЗ, коли існують невирішені досі такі проблеми, як, наприклад, флуктуації вимірів, вплив на вимірювання шумів і радіозавад тощо, все ще не визначений єдиний метод вимірювання. Тому у зв’язку з необхідністю встановлення єдиного узгодженого оцінювання значень ширини смуги частот радіовипромінювання РЕЗ, отриманих на різних станціях радіомоніторингу, та з метою забезпечення можливості порівнювання цих результатів у Рекомендації ITU-R SM.443 пропонується, „щоб до того часу, поки не будуть розроблені методи вимірювання смуги частот, які б повністю враховували конкретний характер діяльності станцій радіомоніторингу, на цих станціях тимчасово застосовували для оцінювання ширини смуги частот метод її вимірювання за критерієм Х дБ, який базується на вимірюванні ширини смуги на рівні мінус 26 дБ, і вживали поправочний коефіцієнт для відповідного класу радіовипромінювання”. У той же час за цією Рекомендацією „адміністрації та інші виконавці робіт МСЕ-Р повинні сприяти проведенню досліджень та випробувань стосовно поширення методу вимірювання за критерієм Х дБ”. У ній також для окремих класів радіовипромінювання наведені співвідношення між шириною смуги частот, виміряної на рівні мінус 26 дБ (В26), та шириною необхідної смуги частот Вн (див. табл. 4), а також рівні Х дБ, на яких виміряні значення ширини смуги частот Вх найбільше наближені до значень ширини займаної смуги частот (див. табл. 5).
|
Клас радіовипромінювання |
Співвідношення між В26 та Вн |
|
A1A, A1B, A2A, A2B |
В26 = 0,9 Вн |
|
F1B |
В26 = Вн |
|
F3C |
В26 = Вн |
|
F7BDX |
В26 = 0,9 Вн |
Таблиця 4 – Співвідношення між шириною необхідної смуги частот та
виміряної на рівні мінус 26 дБ
|
Клас радіовипромінювання |
Рівень, на якому ширина смуги частот найбільше наближена до значення ширини займаної смуги |
|
A1A, A1B |
мінус 30 |
|
А2А, А2В |
мінус 32 |
|
A3E |
мінус 35 |
|
F7B |
мінус 28 |
|
B8E, F3E, G3E, H2B, H3E, J2B, J3E, R3E |
мінус 26 |
|
F1B, F3C |
мінус 25 |
Таблиця 5 – Рівні, на яких виміряні значення ширини смуги частот
найбільше наближені до значень ширини займаної смуги
2. Вимірювання рівнів позасмугових випромінювань
Радіоконтроль параметрів позасмугових випромінювань необхідний для вирішення задач ЕМС та визначення відповідності параметрів засобу радіо-зв’язку, що випробовується, заявляється або розроблюється, вимогам норматив-но-технічної документації.
Визначення рівнів позасмугових випромінювань в основному грунтується на методі вимірювання ширини займаної смуги частот за критерієм Х дБ і проводиться шляхом вимірювання ширини смуги частот контрольованого сигналу на рівнях мінус 40, мінус 50 та мінус 60 дБ із наступним порівнянням отриманих значень з нормативними чи з обмежувальними кривими (масками) на позасмугові випромінювання, що наведені для певних класів радіовипромінювання в нормативних документах або в Рекомендаціях ITU-R
Сукупність нормативних значень ширини смуг частот на рівнях від мінус 30 дБ до мінус 60 дБ дає можливість побудувати графік нормативної обмежувальної обвідної спектра позасмугового випромінювання, на який наносяться дані, отримані за результатами вимірювань рівнів обвідної спектра контрольованого сигналу, при цьому обмежувальна лінія позасмугового випромінювання з другого краю графіка проходить симетрично першій по відношенню до середньої частоти спектра. Далі проводиться аналіз взаємного розміщення відповідних нормативних та виміряних значень.
Типовий приклад проведення радіоконтролю позасмугових випромінювань радіомовного передавача з класом радіовипромінювання А3EGN наведений у ГОСТ 30318. Для даного класу радіовипромінювання нормативні розрахункові значення ширини смуги частот складають:
В-30 = 1,2 Вн; В-40 = 1,35 Вн; В-45 = 1,4 Вн; В-50 = 1,9 Вн; В-60 = 3,3 Вн, де Вн – необхідна смуга частот, визначена за формулою Вн = 2М (М – максимальне значення модулюючої звукової частоти).
Перше значення ширини смуги частот відповідає ширині контрольної смуги, виміряної на рівні мінус 30 дБ відносно нульового рівня, інші наведені для рівнів мінус 40 дБ, мінус 45 дБ, мінус 50 дБ і мінус 60 дБ. Графік обмежувальної лінії, яка відповідає розрахованим нормативним даним, представлений на рис. 4.9. Результати вимірювань (у даному випадку – умовні) ширини смуг частот на рівнях мінус 30 дБ, мінус 40 дБ, мінус 45 дБ, мінус 50 дБ та мінус 60 дБ віднесені до ширини необхідної смуги частот і відмічені на рис. 4.9 точками.
За результатами порівняння виміряних значень (у даному випадку – умовних) із відповідними нормативними можна зробити висновок, що ширина контрольної смуги частот і спектри позасмугових радіовипро-мінювань даного передавача упритул до рівня мінус 45 дБ відповідають нормативним значенням, а на рівнях менших мінус 45 дБ не відповідають.
Рис. 9. Приклад контролю рівнів позасмугових радіовипромінювань.
Для таких вимірювань під час проведення моніторингу спектра й технічного радіоконтролю необхідно, щоб засоби вимірювальної техніки та обладнання, що при цьому застосовуються, забезпечували можливість побудови спектра контрольованого радіовипромінювання у відповідному динамічному діапазоні.
3. Контроль зайнятості спектра
Загальновідомо, що РЧС найефективніше використовується тоді, коли відомі рівні розподілу радіосигналів із часом і у просторі. Інформація стосовно зайнятості (використання) спектра вказує на те, як довго спостерігається який-небудь сигнал на певній частоті або в певній смузі частот. Окремі вимірювання, що проводяться на якійсь частоті, можуть бути об’єднані з тим, щоб показати, як змінюється використання цієї частоти чи певної смуги частот протягом доби (час максимального навантаження, тривалість пікового (максимального), середнього та мінімального використання частоти чи смуги частот). Дані щодо використання багатьох частот можуть об’єднуватися з тим, щоб мати уявлення про середній рівень використання всіх частот у певній смузі або для вибраної групи користувачів.
Інформація стосовно зайнятості радіочастотного каналу та перевантаження смуги частот досить цінна для виконання деяких функцій управління РЧР. Ця інформація може вживатися для визначення каналів, які не використовуються в певній смузі частот, або для заборони додаткових присвоєнь частот у каналах, які використовуються інтенсивно. Вона також може бути підставою для розслідування у випадках використання каналів, у яких згідно з даними реєстру присвоєнь смуг і номіналів радіочастот відсутні які-небудь присвоєння, або в разі відсутності роботи передавачів на присвоєних частотах. Зміни з часом у статистиці зайнятості для однієї смуги частоти в одній географічній зоні можуть свідчити про ті чи інші тенденції.
Нарешті, ця інформація може використовуватися з метою сприяння в прогнозуванні та плануванні під час розподілу додаткових смуг частот, коли діючі смуги стають занадто перевантаженими. Крім цього контроль використання (зайнятості) спектра може виконуватися з метою ліцензування РЕЗ, обслуговування користувачів, які використовують нову частоту, для визначення ефективності використання частотних каналів або смуг частот, у разі розгляду скарг користувачів щодо перевантаження їхніх частот, а також, щоб мати інформацію стосовно поточного використання РЧС.
Між інформацією, отриманою за результатами контролю, та даними в реєстрі присвоєнь смуг і номіналів радіочастот прямий зв’язок відсутній. Інформація стосовно зайнятості каналу вказує лише на те, що його частота використовується, але не вказує яким саме передавачем. Наявність присвоєння на певній частоті та наявність сигналу на цій частоті не обов’язково означають, що виміряний сигнал передавався РЕЗ, якому присвоєна ця частота. Для вирішення цієї невизначеності може знадобитися слуховий контроль за позивними передавача чи аналогічною інформацією з метою розпізнавання РЕЗ. Інформацію стосовно зайнятості частоти чи смуги частот для певного передавача можна отримати за допомогою визначення місцезнаходження джерела радіосигналу або, якщо відсутня така можливість, за допомогою визначення напрямку на нього. Крім цього відсутність сигналу на певній частоті чи в певній смузі частот не обов’язково вказує на відсутність їх присвоєння чи невикористання. Цілком можливо, що передавач, якому присвоєна ця частота, під час проведення контролю не працював.
Нині відсутні нормативні документи, які б регламентували вимоги й методи стосовно проведення контролю зайнятості РЧС. Єдиними документами, які носять рекомендаційний характер, є Рекомендації ITU-R
На практиці найчастіше вживають два способи спостережень:
1) суб’єктивний, за яким спостереження та вимірювання виконуються операторами вручну протягом певного інтервалу часу;
2) об’єктивний, за яким спостереження та вимірювання виконуються автоматично протягом певного інтервалу часу.
Як правило, перший спосіб застосовується, головним чином, для розпізнавання та проведення аналізу випромінювань, а об’єктивний (автоматичний) спосіб дозволяє, крім цього, провести записи певних параметрів радіовипромінювань: частоти, часу зайнятості, напруженості поля, ширини смуги частот і, за потреби, відношення сигнал/шум і сигнал/завада.
Автоматичний контроль зайнятості спектра проводять двома основними методами:
1) скануванням того чи іншого конкретного каналу від частоти fstart до
частоти fstop за допомогою смугових фільтрів;
2) вимірюваннями в низці попередньо заданих каналів.
Зазвичай за першим методом застосовують аналізатор спектра, який має можливість періодичної зміни („качання”) частоти. За цим методом, можна отримати дані щодо зайнятості визначеної смуги частот за певний період часу, як правило, за 24 год. При цьому установки аналізатора спектра залежать від значення ширини смуги сканування, час сканування – від обсягу необхідних даних, а вибраний пороговий рівень контролю повинен бути таким, щоб уникнути запису шумових сигналів (якщо є така можливість).
Вимірювання за другим методом виконують за допомогою вимірювального РПП, який автоматично сканує задані смуги частот. При цьому ширина смуги ПЧ фільтрів РПП повинна бути погодженою із шириною частотних каналів у контрольованих смугах.
Для багаторазового сканування смуг(и) частот і подальшого оператиного оброблення вимірів, отриманих за цими методами, у будь-якому випадку потрібна ПЕОМ зі спеціальним ПЗ.
Хоча автоматичні засоби моніторингу зайнятості спектра не можуть повністю замінити фізичні спостереження, Рекомендацією ITU-R пропонується їх активно впроваджувати, при цьому бажано, щоб характерристики та параметри обладнання автоматичних засобів радіомоніторингу були не гірші таких:
1) діапазон частот:
- мінімально необхідний – від 2 МГц до 2,7 ГГц;
- бажаний – від 9 кГц до 10 ГГц і більше;
2) максимальна швидкість сканування – змінювана в залежності від бажаної роздільної здатності за частотою для певного частотного діапазону та класу радіовипромінювання;
3) смуга сканування:
- для аналогового обладнання – змінювана від 20 кГц до 5 МГц;
- для цифрового обладнання – змінювана від 20 кГц до 100 МГц;
4) кількість сканувань за хвилину – змінювана від 6 до 6000 з ручною зупинкою на заданій частоті;
5) чутливість – 1 мкВ/м або менше (для мінімально необхідного діапазону частот);
6) смуга пропускання – змінювана від 10 Гц до 10 кГц (для мінімально необхідного діапазону частот);
7) контрольовані характеристики сигналів:
- несуча частота;
- ширина смуги частот;
- напруженість поля;
- тривалість сигналу;
8) вид реєстрації (запису) сигналу – комп’ютерний на магнітний носій у цифровому форматі.
Зазвичай для проведення аналізу зайнятості каналів необхідно мати комплект обладнання, до якого обов’язково входить вимірювальний РПП або аналізатор спектра з комп’ютерним керуванням. Найчастіше для автоматичного контролю зайнятості спектра застосовують вимірювальні РПП, які повинні відповідати таким вимогам [1]:
1) забезпечувати високу селективність за частотою;
2) мати досить вузькі фільтри ПЧ;
3) мати ступінчастий атенюатор;
4) мати можливість використання зовнішньої еталонної частоти;
5) мати можливість точного вимірювання напруженості електромагнітного поля;
6) мати можливість швидкого сканування вибраних каналів із смуги частот.
Для визначення зайнятості будь-якої певної смуги спектра настроювання РПП повинне змінюватися таким чином, щоб у відповідній смузі періодично приймалися всі частоти послідовно одна за одною. Тобто потрібно мати також пристрій автоматичного управління роботою РПП (пристрій “качання” частоти) та пристрій запису/відтворення вихідного сигналу РПП.
Приклад контролю зайнятості спектра для типового радіосигналу, рівень якого змінюється з часом, наведений на рис. 13. На рис. 13, а на спектрограмі сигналу вказаний вибраний пороговий рівень, стосовно якого проводиться контроль зайнятості. На рис. 13, б і 13, в показані вибірки разом з тими, які визначені, як “зайняті”. У цьому прикладі 21 із 44 періодів вибірки зайняті, тому реєструється 48 % зайнятості спектра. Ці дані за потреби можуть бути об’єднані в однохвилинні, п’ятихвилинні чи п’ятнадцятихвилинні інтервали.
Рис. 13. Принцип контролю зайнятості спектра
Цей метод контролю вважається традиційним. Він ґрунтується на контролі систематичних інтервалів із короткими проміжками часу між ними.
Вимірювання проводяться протягом рівновіддалених проміжків часу. За цим методом достовірно оцінюється зайнятість каналу, якщо взята достатня кількість вибірок. У табл. 6 наведені дані стосовно кількості залежних і незалежних вибірок, необхідних для досягнення ± 10 % відносної точності та 95 % рівня достовірності в разі змінної зайнятості.
За даними табл. 6 випливає, що якщо зайнятість каналу становить 100 %, то для отримання достовірного результату потрібна невелика кількість вибірок і небагато часу для проведення контролю. В разі низької зайнятості спектра для отримання такої ж точності та рівня достовірності потрібна значно більша кількість вибірок, хоча відповідно до Рекомендації ITU-R з точки зору управління РЧР точні вимірювання для низьких зайнятостей спектра не мають вирішального значення.
Таблиця 6 – Кількість вибірок, необхідних для отримання обґрунтованої
впевненості в результатах контролю
|
Зайнятість, % |
Кількість необхідних незалежних вибірок |
Кількість необхідних залежних вибірок |
Необхідний час (годин) залежної вибірки (для інтервалів 4 с) |
|
6,67 |
5850 |
18166 |
20,18 |
|
10 |
3600 |
12120 |
13,47 |
|
15 |
2600 |
8080 |
8,98 |
|
20 |
1950 |
6060 |
6,73 |
|
30 |
1300 |
4040 |
4,49 |
|
40 |
975 |
3030 |
3,37 |
|
50 |
780 |
2424 |
2,69 |
|
60 |
650 |
2020 |
2,24 |
|
70 |
557 |
1731 |
1,92 |
|
80 |
488 |
1515 |
1,68 |
|
90 |
433 |
1346 |
1,49 |
|
100 |
390 |
1212 |
1,35 |
Інші методи знаходяться на стадії розроблення.
Для різних типів користувачів РЧР властива різна тривалість передавання сигналів. Як правило, пакети даних коротші за тривалістю порівняно із сигналами мовлення. Тривалість передавання сигналів, а також статистика зайнятості визначаються відмінностями й у щільності користувачів у міських та сільських зонах.
Існує чіткий взаємозв’язок між тривалістю спостереження, кількістю каналів, середньою тривалістю передавання сигналу та тривалістю контролю. Час перегляду Т каналу безпосередньо пов’язаний з часом спостереження t і кількістю каналів k співвідношенням T = k∙t +tобр , де tобр – час оброблення інформації.
Для цих вимірювань час спостереження повинен бути набагато меншим середньої тривалості передавання сигналу, тому для збереження прийнятного короткого часу перегляду в разі використання обладнання з порівняно високою інерційністю потрібно скорочувати кількість контрольованих каналів.
Загальний час, необхідний системі контролю для вимірювання, залежить від комбінації часу перегляду каналу, типової тривалості передачі і бажаної точності.
Загальноприйнятими нині є вимірювання зайнятості спектра кожні 15 хвилин, що дозволяє отримати й записати для наступного аналізу 96 вимірів
за добу. У більшості випадків п’ятнадцятихвилинні зведені дані щодо зайнятості є компромісними між роздільною здатністю результатів вимірювань і обсягом пам’яті, необхідної для запису й оброблення отриманих вимірів.
Практикуються також п’ятихвилинні вимірювання зайнятості, що потребує значно більшого обсягу пам’яті. На практиці періодичність оцінювання наявності випромінювання задається оператором у залежності від конкретної ситуації. При цьому треба мати на увазі, що чим більше інформації повинно бути зібрано, тим більше часу потрібно затратити на проведення вимірювань.
Після того, як дані щодо зайнятості спектра будуть зібрані, їх необхідно проаналізувати і пред’явити результати аналізу в прийнятному форматі.
Звітна інформація може надаватися у виді таблиці, графіка, карти. При цьому
відповідно до Рекомендації ITU-R бажано, щоб у цих звітах обов’язково була представлена така інформація:
- назва й місцезнаходження РКП, на якому проводилися вимірювання;
- дата й період реєстрації сигналів;
- діапазон контрольованих частот або контрольована частота;
- ідентифікація зареєстрованого випромінювання (інформація стосовно користувача).
В разі можливості для кожного виміряного сигналу бажано вказати клас радіовипромінювання, пеленг і рівень шумів.
Приклад звіту у вигляді графіка представлений на рис. 14 .
Цей звіт складено за результатами одного неперервного вимірювання, проведеного протягом 14 днів за традиційним методом. Вибірки проводилися протягом кожних 15 хвилин і усереднювалися, в результаті чого за добу отримували 96 вибірок для одного каналу. Кожні окремі п’ятнадцятихвилинні вибірки, отримані протягом однієї години, усереднювалися ще раз, у результаті чого отримували поточну середню зайнятість. Зібрані дані були розділені на дві групи: отримані протягом робочих днів і отримані протягом вихідних днів. Усі значення були нанесені на графіки (вісь абсцис – час, вісь ординат – відсоток зайнятості), які відобразили максимальну й поточну середню зайнятість одного каналу відповідно в робочі та вихідні дні. Верхня лінія на графіках відображає максимальну зайнятість, нижня – поточну середню зайнятість. Час найбільшого завантаження, відмічений значком “*”, на рис. 14, а припадає на 15 год 15 хв, а на рис. 14, б – на 23 год 30 хв.
а) б)
Рис. 14. Звіт про зайнятість одного каналу:
а) з понеділка по п’ятницю; б) у суботу та неділю.
Іноді, замість звіту стосовно зайнятості певних каналів, доцільно мати інформацію про зайнятість спектра у визначеній смузі частот за певний інтервал часу, наприклад, протягом доби (рис. 15).
Рис. 15. Середня добова зайнятість каналу.
Для наочності відображення зайнятості певної смуги частот використовують також так звані „водоспадні” (або кольорові) діаграми зайнятості спектра, одна з яких зображена на рис. 16.
За потреби обміну даними стосовно зайнятості, наприклад, між зацікавленими адміністраціями, зокрема, в прикордонних зонах країн, або з метою надання допомоги у процесі проведення частотного присвоєння, необхідно вживати єдиний і однозначно визначений формат. При цьому рекомендується обмін даними стосовно зайнятості виконувати в електронному виді, використовуючи цифровий формат файлу ASCII (CSV), оскільки він читається загальними базами даних та програмами електронних таблиць і використовується в базах даних багатьох країн.