Замирания в системах связи и вещания. Замирания, вызываемые изменениями вертикального градиента диэлектрической проницаемости воздуха

4 часа

Лекция 9:  ЗаМИРАНИЯ В системах связи и

                вещания

План занятия:

1.  Физические причины замираний

В действующих системах связи и радиовещания под воздействием физических изменений погодных условий происходят замирания (временное снижение уровня сигнала).

Основными причинами всех этих замирания являются:

1.  Стохастические изменения градиента диэлектрической проницаемости среды распространения ().

2.  Отражения от слоистых неоднородностей тропосферы.

3.  Затухания в гидрометеорах.

Причиной замираний за счет изменений диэлектрической проницаемости является изменение рефракционных свойств среды, в результате которых изменяется величина просвета, и, соответственно разность хода прямого и отраженного лучей. Этим самым суммарный сигнал может быть ослаблен за счет попадания в интерференционный минимум либо, наоборот, усилится за счет попадания в интерференционный максимум. Такие замирания могут произойти, если градиент диэлектрической проницаемости (при ) уменьшается меньше значения  (соответствующего значению V=1). В случае, когда градиент диэлектрической проницаемости увеличивается выше , просвет уменьшается, т. е. произойдет субрефракция, что вызовет ослабление сигнала за счет закрытия трассы (при полном закрытии трассы в точку приема смогут попадать только волны отраженные от неоднородностей тропосферы). Следует заметить, что последний случай вызывает наиболее глубокие замирания.

Причиной замираний могут служить также отражения от резких перепадов диэлектрической проницаемости тропосферы. В данном случае, как и при отражении от земной поверхности, происходит интерференция прямой и отраженной от тропосферы волн, которые при определенных условиях могут вызвать ослабление суммарного сигнала при их фазовом сдвиге на пол длины волны.  В отличие от выше рассмотренных данные замирания имеют более кратковременный характер, так как физические условия, их вызывающие, проявляются гораздо реже (в течение нескольких секунд или минут).

Последний фактор замираний определяется затуханием сигнала на частотах выше 7 ГГц, в случае попадания радиотрассы в зону дождя. В данном случае глубина и частота замираний определяется интенсивностью и той же частотой выпадения осадков в указанном регионе. Все эти характеристики, в свою очередь, определяются климатическим районом. Следует отметить, что при расчетах берется сезон наиболее интенсивных дожей. Это, как правило, летние и осенние периоды времени.

Учитывая, что все эти три фактора для случая глубоких замираний (V<<1) слабо коррелированны, их количественную меру оценки можно выразить как сумму вероятностей превышения заданного множителя ослабления в масштабе времени (выражается, как правило, в процентах):

,                (9.1)

где  – составляющая замираний за счет изменений градиента диэлектрической проницаемости, вызывающей  субрефрацию [] и попадание в интерференционные зоны минимума [];

 – составляющая замираний за счет отражений от неоднородностей тропосферы;

 – составляющая  замираний  за  счет   ослабления   в   гидрометеорах.

2.  Замирания, вызываемые изменениями вертикального

        градиента диэлектрической проницаемости воздуха

Как рассматривалось выше, изменение градиента диэлектрической проницаемости вызывает соответствующее изменение кривизны траектории прямой и отраженной от поверхности земли волн.  Влияние  этих рефракционных изменений можно эквивалентно представить изменением величины просвета H(g) и радиуса кривизны препятствия.

Для определения численного значения вероятности T_g(V) воспользуемся зависимостью множителя ослабления от градиента диэлектрической проницаемости (рис. 1). Тут же ниже совмещен график  интегральной кривой вероятности того, что градиент диэлектрической проницаемости не превысит заданного на шкале абсцисс значения g.

Из верхнего графика видно, что при g>g₀ множитель ослабления монотонно убывает, что соответствует  закрытию трассы. В случае снижения g<g₀  множитель ослабления попадает в зону интерференционных экстремумов, что соответствует эквивалентному увеличению просвета трассы. Причем большему увеличению g соответствует большее число экстремумов. В указанной зоне при попадании в интерференционные минимумы множитель ослабления подвергается замиранию. В данном случае он может снизится ниже допустимого значения, что вызовет заметное ухудшение качества приема сигнала.

Пользуясь интегральной статистической кривой совместно с зависимостью V(g) можно определить величину T_g(V) (см. рис. 1):

,                       (9.1)

где  – процент времени, в течение которого величина множителя ослабления меньше V за счет нахождения точки приема при субрефракции в области больших значений g (g>g₀);  – проценты времени, в течение которых множитель ослабления меньше заданного значения V за счет нахождения точки приема вблизи  n-го интерференционного минимума при малых (в алгебраическом смысле [g<0]) значениях g.

Таким образом, задавшись значением V, определив по графику (см. рис. 1) значения   и , можно вычислить соответствующее значение .

Для большинства климатических районов статистическое распределениеg близко к нормальному закону, в связи с чем можно получить достаточно простые аналитические выражения для определения .

При нормальном распределении g величину  можно определить из выражения

,         (9.2)

где  и  – соответственно среднее значение и среднеквадратичное (стандартное) отклонение распределения величины g. определение величины g₀ связано с некоторыми трудностями: требуется построение зависимости V(g), значение которой будет различно для каждой трассы, а также будет определяться параметром  (определяемый длиной трассы и высотой подвеса антенн). Удобнее воспользоваться другой переменной , для перехода к которой в выражении (9.2) произведем подстановку

, в результате чего получим

,               (9.3)