Рабочие характеристики и оценка качества работы РЭС
Решение о совместимости радиоэлектронных средств, входящих в некоторую совокупность РЭС, принимают на основе анализа качества работы каждого РЭС совокупности в электромагнитной обстановке, формируемой излучениями исследуемых РЭС и источниками индустриальных и естественных помех. Рецепторами электромагнитных полей являются радиоприемные устройства, входящие в состав РЭС.
Качество работы оценивают качеством выполнения РЭС своего функционального назначения. Поскольку качество приема полезного сигнала и выполнения функционального назначения РЭС зависит от энергетических соотношений между полезным и мешающим сигналами, то в самом общем виде рабочую характеристику РЭС можно определить как зависимость качества работы РЭС от отношения сигнал/помеха. При этом под отношением сигнал/помеха (S/I) для систем радиосвязи обычно понимают отношение мощностей сигнала (S) и помехи (I). Это может быть также отношение энергий сигнала и помехи.
Обобщенную рабочую характеристику РЭС можно представить в виде, изображенном на рис. 12.1, где по оси ординат отложено качество работы РЭС (Q), а по оси абсцисс отношение сигнал/помеха (S/I). Качество работы монотонно растет с увеличением отношения S/I. Рабочая характеристика конкретного РЭС отличается от приведенной на рис. 12.1 тем, что по оси ординат откладывается значение не абстрактного понятия «качество работы», а конкретного параметра, определяющего это качество. Рабочие характеристики некоторых радиосредств будут рассмотрены ниже, а пока остановимся на характеристике, представленной на рис. 12.1.
Рабочая характеристика может быть использована для оценки влияния помех, поступающих по основному или побочным каналам приема. При оценке нелинейных эффектов в приемной аппаратуре используют ограничения на уровни помех, связанных с этими эффектами и установленные в стандартах на соответствующие радиотехнологии. Если данные, необходимые для оценки нелинейных эффектов в конкретной аппаратуре отсутствуют, то ориентируются на теоретические и эмпирические модели и параметры моделей, полученные эмпирическим путем.
Рабочая характеристика зависит от вида приемной системы и ее функционального назначения (аналоговая или цифровая система связи, радиолокационная или радионавигационная система и т. п.), от вида и параметров модуляции полезного и мешающего сигналов. На качество приема влияет разнос частот между полезным и мешающим сигналами. Чтобы правильно оценить качество работы РЭС, нужно иметь рабочие характеристики для каждой возможной комбинации полезного и мешающего сигналов, разных сочетаний их параметров модуляции и расстроек между ними. На практике это условие невыполнимо и приходится обходиться меньшим объемом информации. В частности, помеху, имеющую структуру идентичную структуре полезного сигнала, обычно рассматривают как наиболее опасную, и именно для нее определяют рабочую характеристику или пользуются этой характеристикой, если другой, необходимой характеристики нет. Также часто используют рабочую характеристику для помехи по совмещенному каналу, заменяя реальную помеху эквивалентной помехой на частоте настройки приемника. В некоторых случаях такая замена может быть некорректной, поскольку существуют ситуации, когда помеха, имеющая небольшую расстройку относительно частоты полезного сигнала, оказывает на него более пагубное влияние, чем помеха, частота которой точно совпадает с частотой полезного сигнала.
Поскольку при анализе ЭМС структура приемников и параметры их каскадов, необходимые для расчета уровней сигналов и помех на выходе приемника, не известны, анализ ЭМС выполняют на основе энергетических соотношений сигнала и помех на входе приемника преобразованных с учетом частотной избирательности приемника.
Отметим также, что рабочие характеристики приемников или РЭС в целом соответствуют ситуации, когда помеха не создает нелинейных эффектов в РПУ и попадает в основной или побочный канал приема.
Необходимыми (но не достаточными) условиями для ухудшения характеристик приема полезного сигнала являются:
– временные условия: полезный сигнал и помеха должны действовать одновременно;
– частотные условия: частота помехи должна находиться в полосе основного, побочного или ближайших соседних каналов приема.
Выполнение этих условий позволяет рассматривать помеху как потенциально опасную. Реальная опасность определяется уровнями полезного сигнала и помехи на входе приемника, восприимчивостью и избирательностью РПУ.
Для удобства расчетов рабочую характеристику часто заменяют специально подобранным порогом (или пороговым отношением (S/I)пор на рис. 12.1). Порог выбирают исходя из требуемого качества работы Qтрб.
В зависимости от исходных данных задачи рассчитывают или определяют, используя технические данные, представленные в спецификациях на систему, уровень полезного сигнала S или отношение сигнал/шум (S/N). Далее для каждой пары мешающий передатчик – анализируемый приемник вычисляют уровень помехи I или отношение помеха/шум (I/N).
Заметим, что отношение S/N определяет потенциально достижимое качество работы РЭС в условиях задачи, когда помеха отсутствует. При анализе ЭМС предполагают, что это отношение не хуже, чем требуется по условиям задачи. Если сигнал и помеха имеют одинаковые статистические характеристики, то отношение I/N показывает насколько нужно увеличить уровень полезного сигнала, чтобы при наличии помехи качество работы РЭС сохранялось таким же, как и в ее отсутствие. Отношение I/N может быть использовано и для непосредственной оценки ухудшения функционирования РЭС. Если при отсутствии помехи качество работы определяется отношением S/N, а при ее наличии отношением S/(I+N), то коэффициент R, определяющий степень ухудшения функционирования, может быть представлен как функция отношения I/N:
или, выражая R, S/(I+N), S/N в децибелах
R = [S/(I+N)] – (S/N).
Располагая значениями S или S/N и I или I/N, можно определить расчетное отношение сигнал/помеха (полагая, что каждое слагаемое представлено в децибелах относительно одного опорного уровня):
(S/I)рсч = S – I = (S/N) – (I/N)
и сравнить с пороговым отношением. Для тех пар, у которых
(S/I)рсч < (S/I)пор, качество работы РЭС нарушается полностью или частично. В этом случае требуемое подавление помехи D, дБ, составляет:
D = (S/I)пор – (S/I)рсч.
Учитывая наличие погрешностей вычисления отношения S/I и случайный характер уровней сигналов и помех, необходим некоторый запас d, дБ, к полученному значению подавления, так что окончательное значение требуемого подавления помехи D1, дБ, составит (см. рис.12.1)
D1 = D + d.
Оценив значение D1 и исходя из возможностей заинтересованной стороны, можно рассматривать мероприятия, с помощью которых может быть достигнуто требуемое подавление помехи. В число мероприятий могут входить:
– организационные мероприятия, включающие изменение рабочей частоты и/или местоположения РЭС (для стационарных РЭС), изменение поляризации излучений, управление мощностью передатчика, динамическое распределение частот и т. п.;
– технические мероприятия, включающие подавление помех разными способами, начиная от фильтрации помех и кончая использованием специальных схем или устройств подавления помех определенного вида;
– пересмотр условий использования РЭС, введение ограничений на условия использования;
– замена (или переработка) отдельных частей РЭС и др.
Рассмотренная однопороговая модель оценки ЭМС дает информацию в бинарном виде, а именно, имеет или не имеет место желаемое качество работы РЭС. Модель игнорирует тот факт, что существует переходная область, где радиоэлектронное средство работает удовлетворительно. Эта область имеет значительный размер для аналоговых систем (10…15 дБ) и достаточно резко выраженный пороговый характер для цифровых систем (в ряде случаев всего 3…4 дБ). Разработки методик оценки ЭМС на основе многопороговых моделей привели к тому, что в настоящее время МСЭ рекомендует использовать четыре порога, которые определяют пять градаций качества, как это представлено на рис. 12.2.
Градации следующим образом характеризуют качество приема аудио и видеосигналов:
5 – отличное качество: искажений сигнала или присутствия помехи не заметно;
4 – хорошее качество: присутствует небольшая, не вызывающая раздражения помеха или различимые, но не раздражающие искажения сигнала;
3 – удовлетворительное качество: имеет место помеха или искажения полезного сигнала, вызывающие легкое раздражение;
2 – плохое качество: помеха значительная, вызывает раздражение, работа РЭС неудовлетворительная;
1 – очень плохое качество: сильная помеха делает работу средства невозможной.
Аналогичные градации качества можно ввести для приема цифровой информации, где качество приема может быть охарактеризовано значением частоты (или вероятности) ошибок при приеме бита информации (BER).
С градациями качества связано понятие «защитное отношение».
Защитное отношение – определенная при указанных условиях минимальная величина отношения полезного сигнала к мешающему на входе приемника, обычно выраженная в децибелах, которая позволяет получить установленное качество приема полезного сигнала на выходе приемника [59].
Таким образом, отношения (S/I)i (i = 1…5), определяющие границы между градациями качества, являются защитными отношениями, поскольку представляют минимальное значение отношения сигнал/помеха, которое позволяет получить качество приема полезного сигнала, соответствующее i-ой градации качества. Если (S/I) > (S/I)i , то качество работы РЭС не хуже, чем качество, отвечающее i-ой градации. Если (S/I) < (S/I)i , то качество работы РЭС не лучше, чем качество, отвечающее (i - 1)-ой градации качества.