УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Им. проф. М.А. БОНЧ- БРУЕВИЧА

 

ФАКУЛЬТЕТ ВЕЧЕРНЕГО И ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ

 

 

 

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ

 

 

САНКТ ПЕТЕРБУРГ

Жемчугов В. Н.. Электромагнитная совместимость. Методические указания к контрольным работам (спец. 210405), / СПбГУТ. СПб, 2006.

 

Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом университета

 

Содержат программу и варианты контрольных работ по основным темам дисциплины, рекомендуемую литературу, требования к оформлению и методические указания к выполнению.

 

 

	© В.Н. Жемчугов, 2005   © Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, 2006

 

Редактор Л. А. Медведева

 

Электромагнитная совместимость (ЭМС)- одна из специальных дисциплин учебного плана подготовки инженеров профиля 210405 "Радиосвязь, радиовещание и телевидение".

Изучение этой дисциплины позволяет понять технические особенности проектирования радиоэлектронных систем (РЭС) в условиях использования огромного количества технических средств различного назначения, связанных с генерированием, передачей, приемом и преобразованием электромагнитных колебаний. Функционирование устройств сопровождается созданием непреднамеренных электромагнитных помех (НЭМП). При этом возникает проблема обеспечения ЭМС РЭС без существенного ухудшения качества и скорости передачи сообщений.

Основной целью дисциплины является изучение сущности и особенности проблемы ЭМС, ознакомление с некоторыми математическими моделями характеристик ЭМС приемопередающей аппаратуры и среды распространения радиосигналов, способам защиты радиоприемников от НЭМП, принципам частотного планирования и повышения эффективности использования радиочастотного ресурса (РЧР). Курс читается на завершающем этапе. В нем используются сведения математического и радиотехнического характера, полученные студентами в предшествующих учебных дисциплинах

Дисциплина изучается студентом самостоятельно, но в помощь студенту университет проводит обзорные лекции по наиболее важным и сложным темам программы, групповые и индивидуальные консультации.

На лабораторных занятиях студенты практически изучают параметры и характеристики ЭМС современных приемников.

Изучение дисциплины сопровождается выполнением контрольной работы и завершается сдачей зачета по лабораторному практикуму и теории.

Программа ДИСЦИПЛИНЫ

Тема 1. Назначение и классификации проблемы ЭМС. Особенности проблемы обеспечения ЭМС. Иерархия задач обеспечения ЭМС радиоэлектронных систем (РЭС). Системный характер проблемы ЭМС РЭС. Содержание и направление развития ЭМС РЭС.

Тема 2. Организационных и правовые принципы использования радиочастотного ресурса (РЧР). Понятие РЧР. Организация использования РЧР. МСЭ и регламент радиосвязи. Правовые элементы планирования РЧР.

Тема 3. Непреднамеренные электромагнитные помехи (НЭМП) и их аппаратурное моделирование. Классификация НЭМП. Естественные помехи. Индустриальные радиопомехи. Контактные помехи. Станционные помехи. Аппаратурное моделирование НЭМП и радиоканалов.

Тема 4. Характеристики ЭМС РЭС, среды распространения и их модели. Характеристики и параметры ЭМС РЭС, радиопередатчиков, радиоприемников, антенных устройств.

Тема 5. Воздействие НЭМП на прием радиосигналов. Электромагнитная обстановка и ее особенности. Оценка помехоустойчивости приема сигналов при воздействии НЭМП через антенный вход радиоприемника. Особенности спектров ЧМ сигналов аналоговых РРЛ и спутниковых систем. Оценка действия станционных помех при приеме амплитудно-модулированных и частотно-модулированных сигналов. Спектр помех на выходе частотного детектора приемника РРЛ. Воздействие дискретных составляющих помех на многоканальные телефонные сигналы.

Тема 6.Технические мероприятия по обеспечению ЭМС РЭС. Технические мероприятия улучшения показателей ЭМС радиопередатчиков, радиоприемников, антенных устройств. Методы подавления несущих в аналоговых радиосигналах спутниковых систем связи. Подавление дискретных составляющих спектров в цифровых радиосигналах связи.

Тема 7. Частотно-территориальное планирование радио-служб. Управление использованием РЧР. Особенности проектирования радиорелейных линий с учетом ЭМС. Особенности частотно-территориального планирования сотовых систем. Особенности ЭМС спутниковых и радиорелейных систем. Методы снижения взаимных помех между ними. Мероприятия МСЭ по разработке взаимоувязанных проблем ЭМС спутниковых, радиорелейных и сотовых систем связи.

Изучение дисциплины завершается сдачей зачета по лабораторным работам и выполнением контрольной работы. К сдаче теоретического зачета допускаются студенты, получившие зачет по лаборатории, а также выполнившие контрольную работу и прошедшие собеседование по ней.

Изучая дисциплину, следует обязательно составлять конспект (рабочую тетрадь). Пассивное чтение даже большого количества литературы не приводит к усвоению материала. Записи в рабочей тетради должны быть чистыми и аккуратными. Выводы и конечные формулы следует выделять. Это облегчает их запоминание. Если у студента возникнут затруднения при изучении дисциплины и выполнении контрольных работ, следует обратиться за консультацией к преподавателю.

При изучении материала дисциплины нужно, прежде всего, обращать внимание на физическую сущность описываемых процессов и закономерностей. Только после того, как станет ясной физическая сторона дела, следует заняться математической трактовкой. Хорошее понимание физических процессов позволит уяснить прикладные темы дисциплины и понять принципы ЭМС для современных РЭС.

 

 

УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ

РАБОТЫ

 

Изучение дисциплины сопровождается выполнением контрольной работы. Номера вопросов и параметров вводимых данных в задачи определяются последними двумя цифрами номера зачетной книжки (Табл.4). Например, № 873162, согласно табл. 4 определяет вопросы № 12 и 37.

Ход решения задачи следует кратко обосновать. Необходимо делать ссылки на источники, откуда заимствованы расчетные формулы или числовые данные, указывая наименование и страницы. При расчетах нужно пользоваться правилами приближенных вычислений. Получаемые величины округляйте с учетом количества значащих цифр, содержащихся в исходных данных, и нужд практики. Ответы на основные вопросы задания следует выделить. В тексте, в таблицах и на графиках обязательно указывайте единицы измерения и размерности величин.

Пронумеруйте страницы работы и рисунки. Список литературы оформите аналогично списку литературы, имеющемуся в конце настоящего пособия.

Неаккуратное выполнение задания и нарушение правил оформления повлекут за собой возвращение работы для исправления.

Получив проверенную работу, студент обязан исправить ее в соответствии с замечаниями преподавателя. Проверенная и зачтённая работа сохраняется студентом до зачета, так как без предъявления контрольной работы студент к зачету не допускается. В ходе зачёта студент должен объяснить физические процессы, рассматриваемые в контрольной работе, и ход расчета. Разрешается сдача устного зачета по содержанию контрольной работы.

 

Задача 1. Расчет допустимых энергетических характеристик передатчиков радиорелейных систем (РРС) и спутниковых систем (СС)

Исходные данные Таблица 1.1

Последняя цифра зачетной книжки
fррс, ГГц	3,4	4,2	4,5	5,8	7,3	8,2	10,7	11,5	12,5
fзс, ГГц	2,7	5,7				8,4	10,7	11,5	12,5
A	1,1	1,5
fсс, ГГц	3,4	10,7	12,5	4,5		12,2	7,5	11,5	12,6

 

Исходные данные Таблица. 1.2

Предпоследняя цифра зачетной книжки
βо, град		0,3	0.7		1,5		2,5

 

с индексами обозначены взимные мешающие излучения передатчиков РРС и СС на приемники соответственно СС и РРС. Использование одинаковых частот приводит необходимости предусматривать ряд ограничений на допустимую мощность сигналов, используемых в передатчиках упомянутых систем, рассмотренных в [1].

Схема образования помех между радиорелейными системами (РРС) и спутниковыми (СС) приведена на рис. 1.1, где буквой П

 

Рис 1.1

1. Для РРС по рекомендациям международного союза электросвязи (МСЭ) таким ограничением является максимально допустимая мощность передатчика РРС:

 

≤ 13, f_ррс ≤ 10 ГГц

Р[дБВт] = (1.1)

≤ 10, f_ррс > 10 ГГц

Возьмем для РРС 6 ГГц. Тогда из (1.1) Р[дБВт] = 13 (20 Вт)

и величина эквивалентно изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ):

 

ЭИИМ = РG (1.2)

или

ЭИИМ[дБВт] = 10lg(Р[Вт]G), (1.3)

где G – коэффициент усиления передающей антенны.

Для передатчиков РРС должно выполняться условие:

 

ЭИИМ[дБВт] ≤ 55.

 

Задавшись максимально допустимой мощностью передатчика РРС согласно (1.1) и данными Табл. 1.1 найти максимально допустимую площадь раскрыва передающей антенны.

Для этого нужно рассчитать максимально допустимую величину коэффициента усиления передающей антенны:

 

G[дБ] = ЭИИМ[дБВт] – Р[дБВт] = 55 - 13 = 42 (1.4)

 

Далее выполнить расчет коэффициента усиления антенны

 

G = 10^0,1G[дБ] = 10^{0,1 42} = 10 ^4,2 = 15, 8 10³ (1.5)

 

Площадь раскрыва антенны передатчика РРС при использовании максимально допустимой мощности передатчика

Подставляем в м)

S = Gλ² / 4 π = 15,8 10³ (5 10^-2)²/ 4 3,14 (1.6)

где λ – длина волны для частоты РРС f_ррс (Табл 1.1).

2. Для земных передающих станций ограничение мощности определяется углом возвышения антенны β^о к горизонту. Согласно рекомендациям МСЭ предельно допустимая мощность передатчика. Для β^о = 3^о

Р_зс [дБВт] = (40 + 3 β^о), 0⁰ ≤ β^о ≤ 5⁰. (1.7)

Р_зс [дБВт] = (40 + 3 3) = 49

Рассчитать максимально допустимую мощность передатчика земной станции в кВт (табл. 1.2) для частоты f_зс (табл. 1.1).

Р_зс = 10^{0,1 49} = 7,9 10⁴ Вт = 79 кВт

3. Для бортовых передатчиков СС основным является предельно допустимая величина плотности мощности сигнала в полосе частот 4 кГц (в частности, мощность несущей), создающей существенные помехи для РРС. Требуется рассчитать предельно допустимую ЭИИМ передатчика спутника в зависимости от вышеупомянутого параметра для спутника, находящегося на геостационарной орбите на расстоянии r = 37000 км.

Мощность передатчика спутника

 

Р [Вт] = АР_дс, (1.8)

 

где Р_дс – мощность сигнала в полосе частот 4 кГц,

А≥ 1 – коэффициент, приведенный в табл 1.1 согласно варианту расчета. А=1, если модуляция сигнала отсутствует. Методы подавления несущих в СС рассмотрены в [4].

Максимально допустимая ЭИИМ передатчика спутника

 

PG = 4πr²p_допА, (1.9)

 

где p_доп - предельно допустимая величина плотности потока мощности сигнала на Земле, которая для углов β^о ≤ 5⁰ приведена в табл. 1.3

Таблица 1.3

рдоп, дВВт/ м2, для полос частот fсс, ГГц
3,4……7,55	10,7……11,7	12,5……12,75
–152	–150	–148

 

Величина ЭИИМ должна быть рассчитана в дБВт. Пусть А = 10. Из (1.9) получим

PG [дБВт] = 10 log (4 π 10) + 20 log (37 10³ 10³) – 152 = 20 (100Вт)

Задача 2. Расчет уровней излучений передатчиков на гармониках и субгармониках

Исходные данные Таблица 2.1

Последняя цифра номера зачетной книжки
№ гармоники и субгармоники n

 

Исходные данные Таблица 2.2

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
Частота основного излучения, МГц
Мощность основного излучения, дБмВт

 

Расчет выполняется по материалам [1, с. 68-70].

1. Частоты гармоники и субгармоники в соответствии с вариантом задания согласно табл. 2.1 и табл. 2.2.

2. Уровень средней мощности излучения на гармониках и субгармониках, пользуясь аппроксимирующей функцией:

 

Р_ги(f_n) = Р_ои(f_от) + V_ги lg n + A _ги, (2.3)

 

где Р_ги(f_n) – мощность излучения на частоте f_n = n f_от; Р_ои(f_от) – мощность основного излучения (табл. 2.2); V_ги – коэффициент, характеризующий скорость убывания спектра гармоник; A _ги – постоянный коэффициент (табл. 2.3). Возьмем № =4, Ризл = 70дБм, Полоса частот > 300 МГц

Р_ги(f_n) = 70 + -60 log4 – 40 = - 6 дБм

Уровень излучения должен быть пересчитан в мВт. 10^{0,1 Рги(fn) [дБм]} = 10^0,6 = 0,25 мВт

3. Пределы изменения уровней излучений гармоник и субгармоник, определяемые среднеквадратичной величиной отклонения σ (табл 2.3). Для нормального распределения это гарантирует пределы изменения в 84% случаев. Рассчитать пределы изменений уровней излучений гармоник в мВт относительно расчетного.

Таблица 2.3

Полоса частот, МГц	Коэффициенты и σ
ГИ (fn = nfот)	СИ (fn = fот /n)
Vги, дБ/дек	А, дБ	σ, дБ	Vги, дБ/дек	А, дБ	σ, дБ
<30	–70	–20			–80
30…..300	–80	–30			–80
>300	–60	–40			–80

Примечание. ГИ и СИ – излучения соответственно на гармониках и субгармониках

Пределы изменений уровней излучений гармоник в дБм относительно расчетного

Р_ги + σ и Р_ги - σ или Р_ги + 20 и Р_ги - 20 или -6 + 20 и -6 – 20 или 14 и -26.

В мВт получим

10^{0,1 14} и 10^{0,1 -26} или 25 мВт и 0,0025 мВт

Излучения на субгармониках – излучение на частотах f_n = f_от / n. Они характерны для передатчиков, излучение которых формируется из низкочастотных колебаний гетеродинов, например, передатчиков РРС КУРС. Расчет проводиться по формуле (2.3)

Р_ги(f_n) = 70 + -80 log4 – 80 = - 22 дБм В мВт Р_ги = 0,006 мВт

Пределы изменений уровней излучений гармоник в дБм относительно расчетного

Р_ги + σ и Р_ги - σ или Р_ги + 10 и Р_ги - 10 Аналогичный перерасчет дает пределы 0,06мВт и 0,0006мВт

Задача 3. Расчет восприимчивости побочных каналов приема (ПКП).

Исходные данные Таблица 3.1

Последняя цифра номера зачетной книжки
Частота настройки f, ГГц
Шумовая полоса Вш, МГц

 

Исходные данные Таблица 3.2

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
Преобразование сигнала	fпч =fc –fг	fпч =fг –fс
Промежуточная частота fпч, МГц

Расчет произвести в следующей последовательности Возмем частота настр fc =8ГГц, fпч = 1000Мгц, Вш =10Мгц

1. Рассчитать реальную чувствительность приемника (применительно к приемнику цифровой РРС):

 

Р_Ар =kT₀B_шN_шh²_c, (3.2)

 

где k = 1,38 10^–23 Вт/Гц град - постоянная Больцмана, Т₀ = 293 К, В_ш – шумовая полоса, значене которой приведено в табл. 3.1; N_ш – коэффициент шума приемника (для расчетов h²_c = 26 дБ, N_ш = 3).

Р_Ар = 1,23 10^-23 293 10⁷ 3 400 = 46 10^-12 Вт или 46 10^-9мВт

Пусть fпч = fc - fг

2. Используя материалы [1, с. 80-83 1] или иные по дисциплине радиоприемных устройств, рассчитать частоты ПКП для преобразования помехи:

 

qf_п + pf_г = f _пч ± В_ш /2, (3.3)

 

где q, p – любые целые числа положительные и отрицательные,

f_п, f_г – частоты помехи и гетеродина.

Для данной задачи:

 

q = –p = 1, –1, 2, –2, 3, –3, 4, –4. (3.4)

 

Из (3.1) при условии (3.2) получаем:

 

qf_п - qf_г = f _пч ± В_ш /2. (3.5)

 

Из (3.5) получим частоты ПКП:

 

f_п = f_г + (f _пч ± В_ш /2)/ q. (3.6)

Привести частоты и рисунок панорамы побочных каналов согласно данным задания в табл. 3.1 и 3.2.

f_пч = f_с – f_г Панорама побочных каналов

 

В_ш В_ш/2 В_ш/3 В_ш/4 В_ш/4 В_ш/3 В_ш/2 В_ш

 

 

f_г-f_пч f_г-1/2 f_пч f_г-1/4f_пч f_г f_г+1/4 f_пч f_г+1/2 f_пч f_г+f_пч

f_г-1/3 f_пч f_г+1/3 f_пч

f_з f_с (f_OR)

3. Рассчитать средние значения восприимчивости для значений частот ПКП, вычисленных в п. 2, при использовании аппроксимации:

 

W_в = Р₀ (f_OR) + V_в lg(f / f_OR) + A_o, (3.7)

 

Р₀ (f_OR) = Р_Ар – реальная чувствительность приемника на частоте f_OR,, дБмВт; коэффициент, характеризующий скорость убывания восприимчивости по мере удаления ПКП от частоты настройки f_OR, дБ/дек.

В расчетах А₀ = 80 дБ,

–20, f < f_OR ,

V_в[дБ/дек] =. (3.6)

20, f > f_OR.

 

 

(значение восприимчивости ПКП определяется видом нелинейности преобразователя частоты и типом преобразователя частоты, которые не учитываются в данной задаче.) Для зеркального канала А₀ = 6 дБ.

Из fпч = fc - fг получим fг = f с- fпч = 8-1 = 7 ГГц

Ро дБмВт = 10 log (46 10⁹) = - 73 Для частот f = fг + 0,5 fпч = 7 + 0,5 = 7,5 ГГц

и f = fг - 0,5 fпч = 7 - 0,5 = 6,5 ГГц

W_в = Р₀ (f_OR) + V_в lg(f / f_OR) + A_o = -73 – 20 log(6,5/8) = 5 дБм. Они мало меняются, т.к. учитывается только входная цепь и не учитываются нелинейности ПРЧ.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

(используются для самопроверки при подготовке к сдаче теоретического зачета)

Таблица.4 Варианты задания

Номера последних двух цифр зачетной книжки	Вопросы

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

(используются для самопроверки при подготовке к сдаче теоретического зачета)

 

1. Чем обусловлены особенности обеспечения ЭМС РЭС?

2. Какие уровни иерархии для обеспечения ЭМС РЭС?

3. В чем заключается системный характер обеспечения ЭМС РЭС?

4. Дайте определение РЧР.

5. Как организуется использование РЧР?

6. Структура Международного союза электросвязи и его взаимодействие с другими организациями.

7. Дайте характеристику Регламента радиосвязи.

8. Чем обусловлены правовые элементы планирования использования РЧР?

9. Классификация НЭМП.

10. Особенности естественных помех.

11. Особенности индустриальных помех.

12. Особенности контактных помех.

13. Особенности станционных помех.

14. Перечислите основные характеристики и параметры ЭМС РЭС.

15. Перечислите основные характеристики и параметры ЭМС передатчиков (ПД).

16. Характеристики основное излучение ПД

17. Характеристики внеполосного излучения ПД

18. Характеристики побочного излучения ПД

19. Характеристики шумового излучения ПД

20. Характеристики индустриальные помехи, создаваемые ПД.

21. Чем обусловлена восприимчивость ПД к помехам?

22. Перечислите основные Характеристики и параметры ЭМС приемников (ПР)

23. Дайте характеристики и параметры ЭМС при односигнальном воздействии на ПР

24. Дайте характеристики и параметры побочных каналов приема

25. Чем обусловлено блокирование сигналов в ПР?

26. Чем обусловлены перекрестные искажения в ПР?

27. Чем обусловлено интермодуляционные искажения сигналов в ПР?.

28. Чем определяется динамический диапазон ПР?

29. От чего зависит восприимчивость ПР к индустриальным помехам?

30. Характеристики и параметры ЭМС антенных устройств.

31. Особенности взаимодействие РЭС через антенны.

32. Особенности среды распространения радиоволн на характеристики и параметры ЭМС.

33. Что такое электромагнитная обстановка?

34. Какие меры принимаются для улучшения технических показателей ЭМС ПД?

35. Какие меры принимаются для улучшения технических показателей ЭМС антенных устройств?

36. Какие меры принимаются для улучшения технических показателей ЭМС ПР?

37. Для чего в ПР используется (широкополосный усилитель- ограничитель- узкополосный усилитель)ШОУ?

38. Как в ПР осуществляется защита от перегрузки помехами?

39. Какие порогопонижающие способы приема частотно-модулированных сигналов Вам известны?

40. Для каких РЭС применяются сигналы дисперсии?

41. Для каких целей применяется пространственно-разнесенный прием?

42. Перечислите конструкторско-технологические технологические мероприятия по обеспечению ЭМС РЭС

43. В чем особенности ЭМС соединений конструктивных элементов РЭС?

44. Для чего применяется заземление и металлизация элементов РЭС?

45. Какие меры принимаются для улучшения технических показателей ЭМС устройств вычислительной техники?

46. В чем заключаются особенности автоматизация управления использования РЧР?

47. В чем заключаются особенности совместного использования полос частот фиксированными наземными и спутниковыми радиослужбами?

48. В чем особенности проектирования частной РЭС с учетом ЭМС (например, систем радиорелейных, спутниковых или радиовещания).

49. Перечислите основные методы и алгоритмы частно-территориального планирования.

50. В чем заключаются особенности измерения и нормирования параметров НЭМП

Литература

Основная.

1. Буга Н.Н. и др. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств; Учеб. Пособие для вузов. М.: «Радио и связь», 1993. –240 с.

 

Дополнительная.

2. Виноградов Е.М. и др. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. Л.: Судостроение, 1986. –263 с.

3. Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств М.: Радио и связь, 1984. –336 с.

4. Калашников Н.И. и др. Системы радиосвязи. М.: Радио и связь, 1988. –325 с.