Радиосвязь в метровом (УКВ) диапазоне электромагнитных волн на железнодорожном транспорте имеет ряд особенностей, которые определяются спецификой их распространения в условиях электрифицированных дорог и высоким уровнем импульсных радиопомех. Последнее особенно касается локомотивных радиостанций, чьи антенны находятся обычно рядом с токосъемником – главным источником радиопомех, а металлический кузов локомотива еще и экранирует антенны, ухудшая условия радиосвязи.
С учетом этих особенностей и разработаны Методические указания по расчету системы станционной радиосвязи на УКВ диапазоне, которыми следует руководствоваться при расчете дальности станционной радиосвязи.
На практике обычно сначала определяют необходимую высоту установки антенны стационарной радиостанции, исходя из заданной дальности (максимального удаления подвижного абонента), качества и надежности радиосвязи. Канал радиосвязи рассчитывают по направлению от стационарной радиостанции РС к локомотивной - РВ. Поскольку уровни помех в антенне радиостанции РВ выше, чем в РС, то, следовательно, в обратном направлении радиосвязь будет обеспечена с большей надежностью.
В основу расчета канала станционной радиосвязи положены графические зависимости, представленные на рис. 1.1. Данные графики построены на основе статистической обработки данных, полученных в результате многочисленных измерений на различных участках неэлектрифицированных дорог, и отражают реальные условия распространения радиоволн метрового диапазона на станциях и в узлах. Семейство кривых показывает зависимость средних значений напряженности поля E2 от расстояния r при различных значениях произведения высот передающей h1 и приемной h2 антенн.
При построении кривых были использованы следующие исходные данные:
- излучаемая мощность передатчика УКВ радиостанции P = 8 Вт;
- коэффициенты усиления передающей G 1 и приемной антенн G 2 равны: G 1 = G 2 = 0 дБ;
- в антеннах применены идеальные передающий и приемный фидеры, коэффициенты затухания коаксиальных кабелей которых, соответственно, α1 и α2 при согласовании антенно-фидерного тракта с входным сопротивлением приемника 75 Ом равны 0 дБ/м.
Рис. 1.1. Графические зависимости.
Наряду с напряженностью поля Е2 (на рис.1.1 ордината слева) для удобства инженерного расчета на приведенном рисунке указаны также значения напряжения на входе приемника радиостанции U2 (на рис. 1.1 ордината справа), соответствующие напряженности поля в точке приема. Эти параметры приведены в децибелах по отношению соответственно к 1 мкВ/м (20lg Е2) и 1 мкВ (20lg U2) и являются медианными значениями с вероятностью p = 50% по месту и времени.
При реальных расчетах дальности радиосвязи необходимо задаваться надежностью канала радиосвязи с вероятностью не менее 95%. Это означает, что, по крайней мере, в 95% случаев из общего числа измерений, напряженность поля (напряжение на входе приемника) в точке приема будет не меньше требуемого значения даже при самых неблагоприятных условиях. Изменение сигнала относительно некоторого его среднего значения обусловлено попаданием приемной антенны в точки интерференционного минимума напряженности поля с уменьшением значения сигнала вплоть до потери связи.
Это явление учитывается с помощью функции распределения уровней, устанавливающей зависимость коэффициента В и, учитывающего интерференцию сигнала, от вероятности p превышения некоторого заданного уровня сигнала Е и показанную на рис. 1.2. По оси ординат отложен уровень сигнала Ки = Е/Еср (в безразмерных единицах) и В и = 20lg(E/E ср ) (в децибелах) относительно среднего значения Е ср.Коэффициент В и при p < 50% имеет положительные значения, а при p > 50% - отрицательные, что соответствует увеличению или уменьшению напряженности поля, определенному по графику на рис. 1.1. Линия 1 соответствует не электрифицированным железнодорожным участкам,станциям и узлам. Линия 2 характеризует распределение уровней сигнала на электрифицированных станциях.
Таким образом, по графикам (см. рис. 1.1 и рис. 1.2) можно определить, с какой вероятностью будет обеспечено то или иное значение напряжения U2 или дальность радиосвязи, задавшись высотой установки антенн, надежностью канала радиосвязи и реализуемой чувствительностью приемника.
Реализуемая чувствительность приемника – это наименьшее значение полезного сигнала на его входе U 2min, при котором обеспечивается заданная разборчивость речи при соотношении сигнал/помеха на выходе приемника, равном 12 дБ. При этом на участках, электрифицированных на переменном токе, напряжение U 2min на входе приемника должно быть не менее 14 дБ (5 мкВ), электрифицированных на постоянном токе – не менее 6 дБ (2 мкВ) и на не электрифицированных участках – не менее 4 дБ (1,5 мкВ).
Рис. 1.2- Графические зависимости.
В реальных условиях необходимо учитывать фактические параметры рассчитываемой системы: мощность передатчика, электрические характеристики используемых антенн, затухание приемного и передающего фидеров, ослабление электромагнитного поля вследствие влияния устройств контактной сети, корпуса и оборудования, расположенного на крыше локомотива. Перечисленные факторы учитываются соответствующими коэффициентами. В общем случае напряжение полезного сигнала на входе приемника
U вх = U 2 – α 1 l 1 + G 1 – α 2 l 2 + G 2 – B к – B л + B и + B м + B r,
где U 2 – напряжение на входе приемника, определенное по графику (рис. 1.1) для заданных значений h 1, h 2 и дальности связи, дБ;
α 1, α 2 – коэффициенты затухания коаксиальных кабелей, дБ/м;
α 1 l 1, α 2 l 2 – затухание соответственно передающего и приемного фидеров, дБ;
G 1, G 2 – коэффициенты усиления соответственно передающей и приемной антенн по отношению к полуволновому вибратору, дБ;
B к = 8 дБ – коэффициент, учитывающий дополнительное ослабление напряженности поля контактной сетью на электрифицированных участках при условии, что приемная или передающая антенны находятся под контактной сетью;
B л = 9 дБ – коэффициент ослабления поля из-за влияния кузова локомотива и его оборудования на крыше, учитывается при расчете дальности радиосвязи с локомотивной радиостанцией;
B и – поправочный коэффициент, учитывающий интерференционные замирания (флюктуации) сигналов в каналах станционной радиосвязи и зависящий от принятой надежности канала по полю, дБ;
B м = 10∙lg(P 1 / 8) – коэффициент, учитывающий отличие мощности передатчика Р 1 от 8 Вт, принятых при построении зависимостей на рис. 1.1, дБ;
B r = 10∙lg(R 2 / 75) – коэффициент, учитывающий отличие входного сопротивления приемника R 2 от 75 Ом, принятых на графиках при определении соотношения между E 2и U 2на рис. 1.1, дБ.
Если на границе зоны обслуживания (при максимальной дальности связи) напряжение полезного сигнала на входе приемника превысит или будет равно реализуемой чувствительности U вх ≥ U 2min, то заданное качество разборчивости речи обеспечивается.
Следовательно, при заданных высотах антенн, надежности канала радиосвязи и применительно к конкретным условиям, расчетное напряжение полезного сигнала на входе приемника U 2р на границе зоны обслуживания, приведенное к зависимостям на рис. 1.1 определяется формулой:
U 2р = U 2mi n + α 1 l 1 – G 1 + α 2 l 2 – G 2 + B к + B л – B и – B м – Br.
Вычислив значение U 2р для конкретных условий организации радиосвязи, по кривым на рис. 1.1 определяется высота установки антенн исходя из заданной дальности радиосвязи. Для этого на оси ординат откладывается расчетный уровень напряжения полезного сигнала U 2р и проводится горизонтальная линия, а по оси абсцисс – требуемая дальность связи r, км, и проводится вертикальная линия. По их точке пересечения определяется необходимое произведение высот установки антенн h 1∙ h 2 для обеспечения требуемой дальности связи. Аналогично решается обратная задача – определение дальности связи при заданных произведениях высот h 1∙ h 2.
При расчете дальности связи в канале с носимыми радиостанциями следует учитывать низкое расположение их антенн (1-1,5м) и, как следствие, значительное экранирующее влияние близкорасположенного подвижного состава (высотой около 5 м), а также влияние тела оператора на параметры излучения антенны носимой радиостанции. Эти и ряд других факторов учитываются путем введения в формулу для U 2р значения коэффициента усиления для антенны носимой радиостанции G рн = - 2 дБ и поправочных коэффициентов B рн (см. таблицу 1.4), учитывающего ухудшение условий передачи информации в каналах с носимыми радиостанциями, и B h, повышающего точность расчета вместо интерполяции положения семейства кривых на рис. 1.1 в случае малых высот установки антенн, когда их реальное произведение h 1∙ h 2оказывается меньше наименьшего значения 25 м2.
B h = 20 lg (25/ h 1∙ h 2), дБ.
Расчет дальности в этом случае производится по кривой h 1∙ h 2 = 25 м2 на рис. 1.1.