Уч пособие ЭМС_2. Е. М. Виноградов

• Название: Е. М. Виноградов
• Анкор: Уч пособие ЭМС_2.doc
• Дата: 03.02.2017
• Размер: 3.78 Mb.
• Имя файла: Уч пособие ЭМС_2.doc
• Тип: Анализ; #2074
• страница: 24 из 35

Оценка нелинейных явлений в задачах ЭМС РЭС

9.7.1. Оценка эффекта блокирования РПУ

Один из подходов к оценке эффекта блокирования радиоприемного устройства состоит в количественной оценке снижения отношения сигнал/шум на выходе приемника. Предполагается, что отношение сигнал/шум, (S/N), на выходе РПУ в отсутствие блокирующей помехи и отношение сигнал/шум, , при наличии блокирующей помехи связаны соотношением

= (S/N) – (S/N), (9.46)

где (S/N) – уменьшение отношения сигнал/шум под действием помехи.

Задача состоит в оценке значения (S/N). Значение (S/N)0 только в том случае, если помеха, находящаяся в одном из соседних каналов приема РПУ, имеет достаточно большой уровень. На рис. 9.22, где обозначены: S/N – отношение сигнал/шум на выходе РПУ при отсутствии блокирования, дБ; – отношение сигнал/шум на выходе РПУ при блокировании приемника помехой с уровнем I дБм, дБ, – представлено изменение отношения сигнал/шум на выходе приемника в зависимости от уровня мешающего сигнала на его входе. Из рисунка, в частности, видно, что при превышении помехой некоторого уровня P_н отношение сигнал/ шум на выходе приемника быстро падает. Уровень P_н, при котором отношение сигнал/ шум на выходе приемника снижается на определенную величину, называется мощностью насыщения приемника. Модель оценки (S/N), основанная на использовании кусочно-линейной аппроксимации графика, представленного на рис. 9.22, при
I  P_н имеет вид [16]

(S/N) = (I– P_н)/R , (9.47)

где I – уровень помехи на входе приемника, дБм; 1/R – параметр, характеризующий скорость снижения отношения сигнал/шум.

Мощность насыщения часто определяют уровнем помехи, который снижает отношение сигнал/шум на выходе приемника на 3 дБ. Мощность насыщения зависит от расстройки мешающего сигнала. При малых расстройках, когда помеха лежит в полосе пропускания преселектора приемника и избирательностью входных фильтров преселектора можно пренебречь, в качестве мощности насыщения можно принять точку компрессии 1 дБ по входу приемника, если она известна, или ее оценку, полученную из соотношений (9.38), (9.40), если известна точка пересечения
3-го порядка. В общем случае нужно иметь зависимость P_н от расстройки помехи.

Если информация о мощности насыщения отсутствует, можно использовать статистические данные, полученные для приемников, работающих в диапазонах частот вплоть до диапазона УВЧ включительно. В этом случае зависимость мощности насыщения P_н [дБм] от расстройки мешающего сигнала для приемников оценивается формулой [16]

P_н = P_b + 10 lg (|f |/f_0R), (9.48)

где P_b – начальная мощность насыщения, дБм; f_0R – частота, на которую настроен приемник; f  расстройка мешающего сигнала относительно частоты настройки приемника.

Обозначим X = S – P_R , дБ, – уровень полезного сигнала S [дБм] относительно чувствительности приемника P_R [дБм]. Используя кусочно-линейную аппроксимацию графиков P_b(X), представленных в [16], можно составить выражения для вычисления P_b, которые приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Представление функции P_b(X) при оценке эффекта блокирования

Диапазон частот	Pb, дБм
	X  20 дБ	X > 20 дБ
f  30 МГц	12 + 0.25X	7
30 МГц  f  300МГц	10 + 0.25X	5
f > 300МГц	5 + 0.3X	1

Следует, однако, заметить, что использование значений мощности насыщения, рассчитанных по (9.48) и формулам табл. 9.1, заменяет мощность насыщения реального приемника на среднестатистическую мощность насыщения приемников определенного диапазона частот, и полученный результат относится не к реальному приемнику, а к приемнику, который отличается от реального по этому параметру.

Скорость снижения отношения сигнал/шум на выходе приемника зависит от уровня полезного сигнала. Чем выше уровень полезного сигнала, тем меньше его подавление при постоянном уровне помехи. Параметр R, определяющий скорость снижения отношения сигнал/шум на выходе приемника, рассчитать нельзя, однако его можно измерить для конкретного приемника. Графическая зависимость R от уровня полезного сигнала относительно чувствительности приемника, полученная из статистических данных для типовых ОВЧ и УВЧ супергетеродинных приемников, приведена на рис. 9.23.

При оценке эффекта блокирования график рис. 9.23 может быть аппроксимирован удобной для вычислений функцией. В частности, для X  30 дБ зависимость R от уровня полезного сигнала X относительно чувствительности приемника может быть описана полиномом третьей или пятой степени [17] – [19]:

R = 0.09395 + 0.08995X – 0.00342X² + 0.462510^–4X³ (9.49а)

R= 0.04413 + 0.1215X– 0.937910^–2X² + 0.512010^–3X³ – 0.159710^–4X⁴ + + 0.198610^–6X⁵ (9.49б)

О
бычно достаточно полинома третьей степени. При X > 30дБ R  1.

Оценка эффекта блокирования с использованием выражений (9.47) и (9.49а) или (9.49б) может быть также успешно выполнена, когда известна структура преселектора, параметры его каскадов и характеристики частотной избирательности фильтров. В этом случае точка компрессии 1 дБ по входу каскада используется в качестве мощности насыщения каскада, а частотные характеристики фильтров, предшествующих каскаду, служат для оценки степени ослабления помехи, поступающей на вход анализируемого каскада.

Информация о параметрах каскадов и фильтров, предшествующих смесителю, позволяет оценить непосредственно мощность шумов, перенесенных в тракт ПЧ, используя выражение

N = I + L_N(f) + 10 lg B_пч ,

где N – мощность шума гетеродина, перенесенная в тракт ПЧ, дБм; I – мощность помехи, поступающей на смеситель, дБм; L_N(f) – односторонняя спектральная плотность фазового шума гетеродина, дБ/Гц; f – расстройка мешающего сигнала относительно частоты настройки преемника
(B_пч/2 < f < f_пч); B_пч – ширина полосы пропускания тракта ПЧ, Гц.

В случае если имеется n блокирующих сигналов, оценка результирующего эффекта может быть выполнена путем суммировании эффектов от каждого мешающего сигнала [18]

(9.50)

Здесь P_нk – мощность насыщения, соответствующая расстройке k-ой помехи.

Другой вариант оценки изменения отношения сигнал/шум при блокировании приемника одиночной помехой представляет выражение [20]

(S/N) = (I– P_н)^. (9.51)

Эта оценка является обобщением выражения (9.47) и переходит в него при  = 1 и  = 1/R. Мощность насыщения с учетом расстройки мешающего сигнала и уровня полезного сигнала на входе приемника определяется на основании уравнений:

– (9.52)

где f – расстройка между частотой полезного сигнала и помехи; P_н – поправка на мощность насыщения при превышении сигналом чувствительности приемника, дБ.

Параметры ₁ [дБм], ₁ [дБ/дек], и f_бл определяют из характеристики, описывающей зависимость мощности насыщения приемника от расстройки помехи при уровне сигнала на входе РПУ равном чувствительности приемника. Эта характеристика аналогична характеристике частотной избирательности РПУ по блокированию, только параметром характеристики служит не коэффициент блокирования, а заданное снижение отношения сигнал/шум на выходе приемника. При определенных обстоятельствах, а именно, если известно, что изменение отношения сигнал/шум на выходе РПУ происходит только за счет изменения амплитуды полезного сигнала (блокирование УВЧ), для определения перечисленных параметров можно использовать характеристику частотной избирательности по блокированию.

Зависимость мощности насыщения от расстройки мешающего сигнала снимают двухсигнальным методом. Для каждого выбранного значения расстройки f при неизменном уровне полезного сигнала равном чувствительности приемника определяют уровень помехи, который снижает отношение сигнал/шум на заданную величину. Этот уровень помехи является мощностью насыщения P_н. Предполагается, что снимаемая характеристика является симметричной относительно частоты настройки приемника. В этом случае можно ограничиться только половиной характеристики, снятой для f > 0. При больших расстройках восприимчивость приемника по блокированию изменяется незначительно, поэтому, используя логарифмическую шкалу для частотной расстройки, результаты измерений аппроксимируют двумя прямыми, как это показано на рис. 9.24. Параметры ₁ [дБ/дек], ₁ [дБм], можно вычислить по результатам измерений, используя метод наименьших квадратов:





где ; N – число измерений на интервале расстроек [f_min, f_бл]; f_бл – расстройка, соответствующая точке излома аппроксимированной характеристики для мощности насыщения; f_min – расстройка за пределами полосы пропускания приемника, с которой начинается измерение характеристики; P_нi – измеренное значение мощности насыщения при расстройке мешающего сигнала f_i; f_i – значения расстроек мешающего сигнала, при которых проводились измерения P_нi на интервале [f_min, f_бл], (i= 1,…, N).

Для участка, который аппроксимируется постоянной мощностью насыщения

,

где N – число измерений для f_i > f_бл; P_нi – измеренное значение мощности насыщения при расстройках f_i > f_бл (i= 1…N).

Поправку P_н определяют из характеристики, которая описывает изменение мощности насыщения от уровня полезного сигнала при фиксированной расстройке помехи, т. е. делается допущение, что изменение мощности насыщения при изменении уровня сигнала происходит одинаково при разных расстройках помехи (не зависит от расстройки). Эту характеристику также измеряют двухсигнальным методом, а результаты измерения аппроксимируют прямой, как показано на рис. 9.25, где обозначены: P_н – мощность насыщения; P_R – чувствительность приемника; S – уровень полезного сигнала. При измерении характеристики частоту мешающего сигнала устанавливают равной частоте первого или второго соседнего канала и, меняя с некоторым шагом уровень полезного сигнала S на входе приемника, начиная с сигнала равного чувствительности приемника, измеряют отношение сигнал/шум на выходе РПУ в отсутствие внешней помехи. Далее, подавая на вход приемника мешающий сигнал, определяют его уровень, при котором отношение сигнал/шум на выходе приемника снижается на заданную величину. Это значение мешающего сигнала, по определению, и есть мощность насыщения при установленном уровне полезного сигнала.

При линейной аппроксимации результатов измерений

tg A = d_бл = P_н/S;

P_н = d_бл S , (9.55)

где S – уровень полезного сигнала относительно чувствительности приемника, дБ.

Наконец, используя зависимость отношения сигнал/шум на выходе РПУ от уровня блокирующей помехи, при уровне полезного сигнала равном чувствительности приемника (рис. 9.26) подбирают коэффициенты  и  таким образом, чтобы выполнялось соотношение

(S/N)₀ – (S/N)_i = (P_н – I_i)^.

Последующие действия, связанные с оценкой эффекта блокирования, сводятся к получению отношения согласно (9.46) и сравнению полученного результата с пороговым отношением сигнал/шум, которое необходимо, чтобы обеспечить требуемое качество приема полезного сигнала.

Отношение сигнал/шум на выходе приемника является важным параметром, определяющим качество работы аналоговых систем связи. Этот параметр также имеет большое значение для цифровых систем связи. Однако, при рассмотрении цифровых систем качество их работы чаще связывают не с отношением сигнал/шум на выходе приемника, а с частотой (или вероятностью) ошибки при приеме бита информации, которая имеет специальное наименование BER (Bit Error Rate). Так, минимальный уровень сигнала, при котором в отсутствие внешних помех на выходе приемника обеспечивается заданное значение BER, определяет чувствительность приемника цифровых сигналов.

Стандарты современных радиотехнологий цифровых систем связи устанавливают предельно допустимые уровни помех по блокированию, ориентируясь на значение BER, определяющее чувствительность приемника. Обычно в качестве характеристики блокирования берется уровень синусоидального сигнала, частота которого не лежит в полосе основного или побочных каналов приема РПУ, при котором качество приема полезного сигнала (BER), превышающего чувствительность приемника на 3 дБ, будет таким же как и при приеме полезного сигнала с уровнем равным чувствительности приемника, но в отсутствие помехи. Иногда превышение чувствительности приемника полезным сигналом устанавливается равным 1 дБ. В качестве примера в табл. 9.2 представлены характеристики блокирования некоторых систем связи [21]. В таблице частота полезного сигнала обозначена f₀, а помехи f. Уровень полезного сигнала, для которого представлены характеристики блокирования, на 3 дБ выше чувствительности приемника. Значения характеристик блокирования относятся только к диапазону рабочих частот РЭС соответствующего стандарта.

В стандарте [21] можно найти аналогичные характеристики и для расстроек, лежащих за пределами рабочего диапазона частот систем, представленных в табл. 9.2.

Характеристики, представленные в табл. 9.2, позволяют упростить процедуру оценки эффекта блокирования. В этом случае достаточно сравнить уровень мешающего сигнала, поступающего на вход приемника, с предельно допустимыми значениями помехи, определенными в стандарте для соответствующей отстройки помехи. При превышении помехой допустимых значений можно рассчитать величину дополнительного подавления помехи, которую нужно обеспечить для устранения эффекта блокирования.

Таблица 9.2

Характеристики блокирования приемников некоторых цифровых систем связи

Отстройка по частоте	GSM 400, GSM 900		DCS 1800 & PCS 1900
	MC, дБм	БC, дБм	MC, дБм	БC, дБм
600 кГц  | f– f0 | < 800 кГц	–38	–26	–43	–35
800 кГц  | f– f0 | < 1.6 МГц	–33	–16	–43	–25
1.6 МГц  | f– f0 | < 3 МГц	–23	–16	–33	–25
3 МГц | f– f0 |	–23	–13	–26	–25

Примечание. МС – мобильная станция; БС – базовая станция.

Поскольку при таком подходе уровень полезного сигнала фиксирован и близок к чувствительности приемника, то ситуация, для которой производится оценка блокирования, в какой-то степени соответствует ситуации наихудшего случая. Отсутствие блокирования для указанного уровня сигнала гарантирует, что рассчитанный уровень помехи не вызовет блокирования РПУ при более высоких уровнях полезного сигнала, однако, превышение помехой указанных допустимых значений может не приводить к ухудшению рабочей характеристики приемника, если полезный сигнал значительно превосходит чувствительность приемника.

Отметим также, что в системах сухопутной подвижной связи стандартов TDMA/FDMA, где используется управление мощностью передатчиков по абсолютному уровню сигнала в приемнике, обычно предполагается работа приемника с уровнем сигнала на 3 дБ выше чувствительности приемника.