超短波通信电路余量计算结果

在初步确定系统各站点位置并拟定采用超短波通信方式后,需要对通信电路余量进行计算,以验证通信方式的合理性和组网的可行性。

超短波通信需要做出每条线路的地形剖面图,计算每条线路的路径损耗,然后初步推算每条通信电路的电路余量,对理论计算不满足要求的线路,需调整测站或中继站的位置。在设计中除应留有足够的衰落储备量和外部噪声恶化量之外,还必须有一定的电路余量。达到中继电路的电路余量应不小于10d B,测站电路余量应不小于5d B 的技术要求。具体理论计算有如下工作。

(一) 绘制通信线路地形剖面图

(1)在不小于1∶50000比例尺的地形图上精确标出中心站、中继站、遥测站的位置(经、纬度数精确到秒),按照地形条件和数据流向的要求,拟定组网方案,拟定每条线路的通信频率。

图1-5-1　地球断面凸起高度示意图

(2)作出每条线路从发射点到接收点的路径剖面图。为了考虑地球曲率对电波传播的影响,路径剖面图要绘制在按不同的等效地球半径系数K 值制定的专用坐标纸上。因为当发、收两点之间的距离在10km 以上时,地形剖面图必须考虑地球曲率引起的凸起和对流层折射的影响。地球断面凸起高度(见图1-5-1)的计算方法如下

式中 h——地球任意一点断面凸起高度,m,地球中点断面凸起高度用H 表示;

d1——发射点距第一个断面凸起点的距离,km;

d2——第一个断面凸起点至接收点的距离;

K——等效地球半径系数,按照SL199—97 《水文自动测报系统通信电路设计规定》中4.6.5规定,为了考虑大气折射对电波传播的影响,在进行路径损耗计算时,通常选用等效地球半径系数K=4/3的标准折射。

坐标纸的具体画法如下:

1)通常采用的比例是:横轴1cm 代表1km,纵轴1cm 代表10m,也可根据地形采用另外的比例关系。

2)关于K 值的采用,中纬度地区多采用4/3的标准折射,这样选定一定的距离d后,可计算各点的地球凸起高度。具体计算时,可先计算选定距离一半内各点的凸起高度值,因为曲线中间点左右是对称的,另一半可比照画出。

例如,选定距离为60km,按K=4/3 计算,取d1=1km、5km、10km、15km、20km、25km、30km 时计算的地球凸起高度h 分别为3.47m、16.19m、29.44m、39.74m、47.1m、51.52m、52.99m。画图时,在d1=0时,h=0是起始点;在横轴向右取d1=1km 找到对应的点h=3.47m,确定第一点;同理d1=5km,h=16.19m,又确定第二点;以此类推,一直做到d1=30km,h=52.99m,为整个曲线的最高点,右边可按对称原理照样画出。最后连接各点,就可得到K=4/3时的等效地球表面的曲线。然后,将此曲线向上平移1cm,得到第二条曲线;向上平移2cm,得到第三条曲线;以此类推,得到K=4/3时的坐标纸。

整个过程可使用计算机并绘制出所需坐标纸。

通信线路地形剖面图要画在坐标纸的中央。具体做法是:在地形图上将发、收两端连接得一直线,由此量出站距,如果站距是30km,则在坐标纸横轴中间点两边各15cm 处,作为发、收站站址,以等效地球表面的曲线为纵坐标的起点;由一端站 (接或收)开始,沿通信线路方向,将地形转折处标高画在坐标纸上,将这些标高用直尺连起来即得出路径的剖面图。

根据各条线路从发射点到接收点的路径剖面图,分析确定其电波传播机理(如视距传播、绕射、散射、反射等)。再依线路的传播机理,使用相应的路径损耗模式和计算公式,进行路径损耗计算。

(二) 路径损耗计算

超短波通信电路损耗的计算依据是SL199—97 《水文自动测报系统通信电路设计规定》中提供的方法。

路径损耗Lb(dB)由自由空间损耗Lbf(dB)和附加损耗A (dB)(由于各种不同传播方式引起的损耗)两部分组成,即

1.自由空间损耗

所谓自由空间是指相对介电常数和相对磁导率均恒为1的均匀介质所存在的空间,该空间具有各向同性、电导率为零等特点。自由空间传播与真空中传播一样,只有扩散损耗的直线传播,即在此空间没有反射、折射、绕射、散射等现象,电波传播速度等于真空中的光速C。

实际上,电波传播总是要受到实际介质或障碍物的影响。但在研究具体的无线电波传播时,如果实际介质与障碍物对电波传播的影响可以忽略,则在这种情况下电波传播可认为是自由空间传播。

自由空间损耗Lbf可按式(1-5-3)计算

式中 d——通信距离,km;

λ——工作波长,m;

f——工作频率,MHz。

例如,采用频率228.8MHz,收、发两站距离为19km 时,则

图1-5-2　刃形山峰地形剖面示意图

2.附加损耗

在以上讨论自由空间损耗时,假定没有任何障碍物影响。当在传播路径上出现山峰、林木或建筑物等障碍物影响时,则应考虑由此所引起的阻隔损耗,这部分损耗称之为附加损耗。

在处理山峰的绕射时,一般采用半无限大金属导体屏来代替刃形的山峰(见图1-5-2),计算的依据是惠更斯—菲涅耳原理。一个刃形山峰绕射的衰减因子,可用下列表达式得到。

(1)刃形单峰绕射。一个刃形单峰绕射的衰减因子可用式 (1-5-5)得到近似值。

式中 ν——绕射参量;

λ——工作波长,m;

f——频率,MHz;

C——在自由空间中电波的传播速度,接近于光速,C=3×108,m/s;

Hc——传播余隙,m;

d1、d2——路径障碍物到发射端和接收端的距离,m;

d——总路径长度,m;

F1——第一菲涅尔半径,m;

Hs——地形高度,m;

h1、h2——收发天线的海拔高度,m;

k——等效地球半径系数,根据所在纬度适当选取,一般取k=4/3;

a——地球半径,a=6400km。

在TR 视线被阻时,Hc为负;视线不受阻时,Hc为正。

例如,采用频率为230MHz,收发两端距离为20km,山峰至收端距离为12km,山峰至发信端距离为8km,发射端海拔高度450m,接收端海拔高度470m,山峰海拔高度为580m。其刃峰绕射损耗计算如下

(2)刃形多峰绕射。如果遇到两个或多个山峰,且山峰之间距离较远时,可分别研究每个障碍物的绕射,可以近似地认为衰减因子是多个障碍物引入的衰减因子之和,即

式中 n——障碍物个数;

Ai——第i个障碍物在没有其他障碍物时引入的衰减因子值,dB。

具体做法是:在算第一峰时,把第二峰看成接收点;在算第二峰时,又把第一峰当作发射点,对于每个山峰的阻挡损耗按刃形单峰来计算。以此类推,把计算的损耗相加即为总损耗,举例如下。

例:如图1-5-3所示,某收发站之间直线距离为30km,中间有两个山峰阻挡,发射站海拔高度为380m,接收站海拔高度为350m,山峰A 的海拔高度为450m,山峰B 的海拔高度为420m,发射站距第一个山峰的距离7km,山峰A 与山峰B 相距13km,山峰B 距接收站10km,采用频率为230MHz。

由已知条件可知:

h1=380m,h2=350m,Hs1=450m,Hs2=420m,d=30km,d1=7km,d′1=13km,d2=13km,d′2=10km,且有

图1-5-3　刃形双峰地形剖面示意图

首先计算山峰A 的绕射损耗,在计算时,将山峰B 作为接收站,则在计算Hc的公式中,h2=Hs2,则(www.xing528.com)

在计算山峰B 的绕射损耗时,将山峰A 作为发射站,则在计算Hc的公式中h1=Hs1,同理计算得

则总损耗为

在多峰绕射损耗计算中,需要注意的是:为节省工作量,如山峰低于收发站连线,且经计算,绕射系数ν＜-1时,则可不考虑该山峰的绕射损耗。

同理,可以计算出3个或更多的刃形山峰绕射损耗。

(3)球形障碍物绕射。球形绕射损耗按式(1-5-11)计算

式中 F0——最小菲涅尔半径;

μ——地形参数;

V0(μ)——Hc等于零时的衰减因子,dB。

r0、Hc、F0、d1、d2、d 和λ 用相同单位(m)表示。

r0的确定方法如图1-5-4所示,在障碍物顶点向下截取等于最小菲涅尔半径Δy=F0处作一条平行于发射站到接收站的连线TR 的T′R′,在障碍物上截取的NM 即为r0。

图1-5-4　求r0值示意图

V0(μ)值由图1-5-5中曲线求出。

例如,采用频率为230MHz,收发端距离d=20km,其中发端至障碍物顶点距离8km,收端至障碍物距离12km,传播余隙Hc=50m,障碍物损耗计算如下

取Δy=F0作平行干TR 的直线T′R′,在障碍物上截取γ0=MN=11.5km,则有

由μ0=1.1查图1-5-5曲线得:V0(μ)=-14d B,则

图1-5-5　衰减因子V0与地形参数μ的关系曲线

(三) 衰落余量和外界干扰保护

1.衰落余量

超短波在传输过程中常受天气、季节、地理等因素的影响,信号会产生快衰落和慢衰落。所谓快衰落,即多径衰落,是瞬时信号电平在短期中的起伏。多径衰落主要包括两种类型:第一种是直射波与地面反射波之间的干涉所引起的衰落;第二种是大气层中的多径传播而引起的衰落。所谓慢衰落,即绕射衰落,是短期信号中值电平在长期中的起伏。

为保证信号电平按要求时间的百分数大于或等于某个指定电平,应给出信号中值附加的电平值,即衰落余量值。这个要求的时间百分数就是线路的可靠性。

衰落的严重程度通常随路径长度的增加而增大。目前还无法对衰落进行精确的测试,通常根据经验和当地自然地理情况进行粗略选定。

衰落余量用ΔVp表示,在平原地区衰落因子为0.1d B/km,在阻隔为两峰以上的地区,衰落因子取0.3dB/km,即取值范围为0.1～0.3dB/km。

2.干扰保护

外部噪声的干扰电波与有用信号的电波一起由天线进入接收机是通信质量下降的重要因素之一。外部噪声包括大气噪声、工业干扰、无线电干扰等。外部噪声或干扰影响的存在,降低了接收机输出端的信噪比,即降低了接收机的实际灵敏度。不同环境外部噪声功率不同。为加强系统可靠性,引入一个干扰电平保护度 (I)。I 的取值应根据使用环境条件确定,表1-5-1提供的I值可作为设计参考值。

表1-5-1　环境条件与外部噪声恶化量参考值　单位:dB

(四) 电路余量计算

在超短波通信电路设计中,除应留出足够的衰落余量和干扰保护度 (外噪声恶化量)之外,还必须留有一定的电路余量,以保证电路的可靠性。

一般情况下,中继电路的电路余量取M≥10dB,测站电路的电路余量取M≥5dB。

电路余量计算如下

式中 M——电路余量,dB;

G——电路总增益,dB;

L——电路总损耗,dB。

1.总增益计算

式中 Pt——发射机输出功率电平,dBW;

Pt——发射机输出功率,目前超短波测报系统中,多数选用发射机输出功率5W、25W 的无线电台,如发射机功率为5W,则Pt=10×lg5=6.99(dBW);

Pr——接收天线馈线终端得到的接收信号功率电平,亦称接收机门限电平,dBW;

Gt、Gr——发射、接收天线增益,dB,其值与天线形式有关,全向天线5～8dB,五单元八木天线8～10dB。

Lt、Lr——发射、接收馈线损耗,d B,SYV—50—7—1型电缆衰耗为0.137dB/m。可根据接收机说明书标明的灵敏度计算Pr,即:

ν——接收机灵敏度,μV,用于水情测报系统的接收机灵敏度为0.3～0.5μV。

R——阻抗,Ω,一般为50Ω。

如:接收机灵敏度为0.4μV,则

2.总损耗计算

式中 Lbf——自由空间损耗,dB;

A——绕射损耗,d B;

ΔVp——衰落储备,dB;

I——干扰电平保护,dB。

在经过理论计算后,将各条线路的计算结果列表,表内包括线路名称(收发端站名)、线路间距离(d)、发射功率电平 (Pt)、收发天线增益 (Gr、Gt)、收发馈线损耗 (Lr、Lt)、路径损耗(L)、接收机门限电平(Pr)、信号衰落储备 (ΔVp),干扰电平保护 (I)以及电路余量等内容,举例[26]见表1-5-2。

表1-5-2　蒲石河抽水蓄能电站水文自动测报系统无线电路储备理论计算成果表

续表