Увеличение дальности и надежности работы радиосистем ОПС

01 Январь 2009

Общие рекомендации по установке антенны

Обоснованный выбор типа антенны и способа ее установки позволяет добиться технической устойчивости конкретного объекта в процессе его эксплуатации и достижения максимальной дальности в системе. Для стабильной связи между объектом и центральным радиопультом необходимо получить определенный уровень полезного сигнала, как по радио, так и по цифровой составляющим информационного сигнала на входе приемника базовой станции.

Основные варианты устанавливаемых объектовых антенн:

Вариант 1. Штыревая антенна.

Штыревая антенна устанавливается непосредственно на объектовом блоке (рисунок 1), при этом антенна непосредственно подключена к передатчику; между корпусом передатчика и “землей” протекает примерно такой же по величине ток, что и в антенне. Достоинство такого подключения – простота монтажа, недостаток – дополнительные потери в радиоканале и большая вероятность возникновения помех другим электронным устройствам в широком интервале частот. В связи с этим необходимо обеспечить хорошее заземление корпуса объектового прибора, длина которого не должна превышать 0,1 λ , т.е. при частоте 167.500 кГц это составит около 18 см, в противном случае будет иметь место излучение через заземляющий провод, снижающее энергетику объекта. Далее, при расстоянии между антенной и стеной S равном 5-10 сантиметров, стена (ее материал) и находящиеся рядом металлические предметы, оказывают сильное влияние на нее. При этом увеличивается реактивное сопротивление антенны, в результате чего передатчик при излучении будет потреблять повышенный ток, что, в свою очередь, ведет к снижению его к.п.д. и перегреву выходного каскада.

Вариант 2. Выносная антенна.

Использование выносной антенны (рисунок 2) на объекте заметно улучшает его энергетику. При использовании кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом потери мощности будут минимальными. При монтаже антенну можно расположить в месте, наиболее благоприятном для ее эффективного излучения, желательно в сторону расположения радиопульта, возможно это позволит уменьшить мощность передатчика до 2-х ватт, что приведет к снижению помех другим электронным устройствам и повышению “живучести объекта” при работе на резервном питании.

Для увеличения дальности радиосвязи большое значение имеет высота установки выносной антенны. В любом случае она должна быть такой, чтобы обеспечить «прямую видимость» между антеннами, причем высота подъема над крышей должна быть не менее 1 м (кроме антенн типа «Шайба»).

Не следует устанавливать антенну ближе, чем в 2–3 м от других антенн или металлических объектов. Если при прокладке кабеля остались лишние метры, то его следует либо укоротить, либо, по крайней мере, выпрямить (например, пустить по периметру помещения), поскольку в скрученном кабеле затухание сигнала может быть несколько выше.

Антенны должны быть установлены с одинаковой поляризацией, причем обязательно вертикальной, в случае, если в радиосистеме используются коллинеарные антенны. Для установки антенны «волновой канал» с вертикальной поляризацией вибраторы (штыри на траверсе) должны располагаться вертикально. При установке зигзагообразной антенны два излучателя должны располагаться по горизонтали, т.е. антенна должна быть установлена широкой частью параллельно земле (рис. 14). Антенны типа «Шайба» имеют вертикальную поляризацию при установке плоской частью параллельно земле.

Рис. 14. Иллюстрация правильной установки антенн: и зигзагообразная антенна, и антенна «волновой канал» установлены с вертикальной поляризацией

Применение двунаправленных антенных усилителей

Помимо направленных антенн, для увеличения дальности радиосвязи могут использоваться двунаправленные усилители радиосигнала.

Двунаправленный усилитель имеет в своем составе два усилителя, подключенных навстречу друг другу, а также переключатели, управляемые детектором входного сигнала (рис. 15).

Рис. 15. Структурная схема двунаправленного усилителя радиосигнала

Общий алгоритм работы таких усилителей следующий. В случае, если на вход 1 усилителя сигнал не поступает, т.е. приемно-контрольное устройство работает на прием, усилитель также работает на прием, т.е. усиливает сигнал с антенны (на приемно-контрольное устройство идет усиленный сигнал со входа 2). Это приводит к улучшению чувствительности приемника и, соответственно, увеличению дальности радиосвязи.

В случае, если на вход 1 начинает поступать сигнал (есть некоторый пороговый уровень мощности), усилитель переходит в режим усиления передачи, на антенну идет усиленный сигнал со входа 1, т.е. от приемно-контрольного устройства.

В случае, если усилитель содержит систему автоматического регулирования уровня (АРУ), уровень выходной мощности практически не зависит от входной мощности(3). Устанавливать усилитель, оборудованный системой АРУ, следует как можно ближе к антенне, поскольку при этом будут максимально скомпенсированы потери в кабеле. Однако, при больших суммарных потерях в кабеле и/или сумматоре есть опасность, что уровень на входе усилителя мощности будет ниже порогового и усилитель не сможет переключиться в режим передачи. В этом случае усилитель следует устанавливать ближе к приемно-контрольному устройству.

Эффективность различных способов увеличения дальности радиосвязи

Для оценки эффективности различных способов увеличения рабочей дальности радиосвязи между устройствами радиосистемы охранно-пожарной сигнализации СТРЕЛЕЦ® специалистами компании “Аргус-Спектр” был проведен ряд экспериментов.

Эксперименты проводились в условиях открытой местности, антенны устанавливались на высоте около 5 м над уровнем земли. Использовались направленные антенны с усилением около 10 dBd, а также коллинеарные антенны с усилением 5,5 dBd. В ряде экспериментов был использован также усилитель «Модус-А». Результаты представлены в таблице 1.

По результатам эксперимента можно сделать вывод, что как использование внешних антенн, так и использование двунаправленных усилителей позволяет значительно увеличить рабочую дальность между приемно-контрольным устройством (РР – радиорасширителями). Следует заметить, что рабочая дальность радиосвязи между приемно-контрольным устройством и дочерним устройством в открытом пространстве будет примерно в полтора раза ниже, чем дальность радиосвязи с другим приемно-контрольным устройством со штатной антенной. К примеру, дальность радиосвязи между дочерним устройством и приемно-контрольным устройством (радиорасширителем), оборудованным направленной антенной и усилителем, составит порядка 2,5-3 км. В случае, если дочернее устройство находится в строении, рабочая дальность уменьшится.

Табл. 1. Экспериментально полученная рабочая дальность радиосвязи между устройствами радиосистемы охранно-пожарной сигнализации СТРЕЛЕЦ®

В таблице приведены данные для рабочей дальности радиосвязи, т. е. для дальности с оценкой качества радиосвязи не ниже «4». Максимальная дальность, при которой возможна радиосвязь, может быть заметно выше рабочей дальности (в 1,5–2 раза), однако устанавливать радиорасширители на расстоянии, близком к предельному, не рекомендуется. Следует также учитывать, что в таблице приведены ориентировочные данные. Реальная рабочая дальность может быть несколько ниже или выше в зависимости от рельефа местности, уровня внешних радиошумов и высоты установки антенны.

Таким образом, применение выносных антенн и усилителей радиосигнала позволяет значительно увеличить дальность действия радиосистем охранно-пожарной сигнализации. При использовании этого оборудования необходимо учитывать рельеф местности, высоту установки антенн и соблюдать общие рекомендации по установке.

Как настроить радиоканал в системах безопасности

Работа любого радиоканала проходит в условиях, когда на вход приёмного устройства кроме полезного сигнала всегда воздействуют и внешние помехи. Поэтому для обеспечения качественного функционирования радиоканала необходимо оценить уровень полезного сигнала и помех на входе приёмного устройства расчётным путём и проверить эти данные экспериментально.

Уровень полезного сигнала в точке расположения приёмной антенны аппаратуры ПЦО будет определяться следующим выражением:

Pвыхпр - Lфпрд + Gапрд – Lmp + Gапрм – Lфрпм ≥ Nчпрм + 20(дБ) (1)

где Pвыхпрд – выходная мощность (дБ),
Lфпрд – потери в фидере (дБ),
Gапрд – усиление антенны (дБ) соответственно ПРД ОК,
Lтр – потери сигнала на радиотрассе (дБ),
Gапрм – усиление антенны (дБ), – потери в фидере (дБ),
Nчпрм – чувствительность приёмника (дБ) соответственно ПРМ ПЦО, 20 – необходимый запас на затухание сигнала на радиотрассе (дБ).

В свою очередь, потери на трассе можно определить по следующей формуле [2]:

Lmp = 69,55 + 26,16lgfc - 13,82lghпрд – А(hпрм) + (44,9 - 6,55lghпрм)lgS (дБ) (2)

где fc – частота несущей в мегагерцах,
hпрд – высота антенны ПРД ОК (в метрах),
hпрм – высота антенны ПРМ ПЦО (в метрах),
S – расстояние между антеннами (в км),
А(hпрм) – поправочный коэффициент для антенны ПРМ ПЦО.

Для больших городов поправочный коэффициент определяется по формуле:

A(hпрм) = 8,29[ lg(1,54hпрм)]2 - 1,1 (дБ) для fc ≤ 300 МГц (3)

A(hпрм) = 3,2[ lg(11,75hпрм)]2 - 4,97 (дБ) для fc ≥ 300 МГц

Для небольших городов поправочный коэффициент определяется следующим образом:

A(hпрм) = (1,1lgfc-0,7)hпрм - (1,56lgfc - 0,8) дБ (4)

Для потерь на открытом пространстве Lmроmк можно воспользоваться следующей формулой:

Lmроmк = Lmp - 4,78lg(fc)2 - 18,733(lgfc) - 40,98 (дБ) (5)

Для определения качественного функционирования радиоканала необходимо вначале по формуле (2) или (5) определить потери сигнала на радиотрассе для заданного расстояния S между ОК и ПЦО. При этом поправочный коэффициент А(hпрм) считается по формулам (3) или (4) в зависимости от городской застройки для заданной частоты работы системы. После этого по формуле (1) необходимо проверить выполнение условия: если уровень сигнала на входе ПРМ ПЦО превышает значение Nчпрм на 20 дБ, то радиоканал обеспечивает требуемое качество функционирования.

Если данное условие не выполняется, необходимо предпринять меры к снижению потерь сигнала Lтр на радиотрассе: увеличить высоты подъёма антенн ОК и ПЦО, уменьшить потери сигнала в фидерных линиях, применить антенны с большим коэффициентом усиления или, наконец, уменьшить расстояние между объектами.

Выходная мощность передатчика оказывает небольшое влияние на дальность связи. К примеру, если удвоить мощность передатчика с 10 Вт до 20Вт, уровень сигнала в точке приёма увеличится на 3 дБ, а если увеличить мощность в 10 раз (с 10 Вт до 100 Вт), то на 10 дБ.

Радиоканал необходимо планировать таким образом, чтобы мощность передатчика радиостанции была как можно ниже, а увеличение уровня сигнала в точке приёма добиваться за счёт тех предложений, о которых говорилось выше.

Если же увеличения мощности передатчика не удаётся избежать, необходимо принять меры к тому, чтобы увеличение мощности не привело к блокированию рядом расположенных приёмных устройств объекта контроля (или ПЦО), а также увеличению уровня интермодуляционных помех.

Данный алгоритм справедлив и для определения качества функционирования радиоканала в направлении ПРД ПЦО ПРМ ОК.

Все радиотрассы подвержены постоянно изменяющимся внешним факторам. Внешние факторы мало влияют на функционирование радиотрассы, если никакие препятствия не попадают в зоны Френеля. Зоны Френеля – это индукционное поле, возбуждаемое вокруг распространяющегося радиосигнала. Если степень вторжения помех в индукционное поле радиосигнала меняется, изменяется и качество радиотрассы. Чтобы обеспечить надёжность радиотрассы, необходим запас на затухание сигнала. На практике запас на затухание обычно берут в 20 дБ.

После проведения расчётов необходимо экспериментально проверить полученные результаты и при необходимости внести коррективы в схему построения радиоканала системы безопасности.

Аттенюатор предназначен для экспериментальной проверки наличия необходимого запаса на затухание в 20 дБ на данной радиотрассе. Если при включённом аттенюаторе система продолжает работать надёжно, необходимый запас на затухание обеспечен. Если же в системе появляется шум или связь пропадает, необходимо ввести дополнительное усиление.

Алгоритм контроля радиоканала заключается в следующем. На вход ПРД ОК от ГНЧ подаётся сигнал с частотой 1 кГц и амплитудой, обеспечивающей получение номинальной девиации частоты. Как правило, в системах безопасности при организации радиоканала используется частотная модуляция. При использовании других видов модуляции функциональная схема и алгоритм контроля радиоканала остаются такими же.

Низкочастотным вольтметром определяется отношение полезного сигнала на выходе ПРМ ПЦО при номинальной девиации частоты несущей к напряжению помех при снятой модуляции (при подаче немодулированной несущей) по следующей формуле:

где Uc и Uп соответственно напряжения сигнала и помехи, В.

Для обеспечения качественной работы радиоканала в системе безопасности необходимо, чтобы на входе ПРМ ПЦО было значение входного сигнала, обеспечивающего значение Uc/Uп на выходе не менее 20дБ. При этом уровень входного сигнала измеряется высокочастотным вольтметром. Если уровень входного сигнала не обеспечивает необходимое значение Uc/Uп на выходе ПРМ ПЦО, необходимо принять меры к снижению потерь сигнала на радиотрассе, рассмотренные выше.

Предложенный алгоритм позволяет настроить радиоканал и обеспечить надёжную работу систем безопасности.

Электромагнитная совместимость радиоканальных средств охраны

Справка. Согласно ГОСТ Р 50397-93 «Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения», электромагнитная совместимость (ЭМС) определяется как «способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам».

Практически все радиоканальные системы охраны, поставляемые потребителям, имеют сертификаты соответствия стандартам. В том числе и ГОСТ Р 50009-2000 «Совместимость технических средств электромагнитная. Технические СРЕДСТВА ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ».

В перечне испытаний в рамках этого ГОСТа имеется ГОСТ Р 51317.4.3-99 (МЭК 61000-4-3-95) «Требование устойчивости к кондуктивным помехам, наведенным радиочастотными электромагнитными полями».

В этом документе установлены 4 степени жесткости испытаний.

Класс 1 – обстановка, характеризующаяся низким уровнем электромагнитных излучений. Соответствует случаю расположения маломощных радиовещательных и телевизионных передатчиков на расстоянии более 1 км от места эксплуатации технического средства (ТС).

Класс 2 – обстановка, характеризующаяся средним уровнем электромагнитных излучений. Соответствует случаю применения переносных радиостанций мощностью менее 1 Вт при ограничении их работы в непосредственной близости к техническому средству. Представляет собой типичную коммерческую обстановку.

Класс 3 – обстановка, характеризующаяся высоким уровнем электромагнитных излучений. Соответствует случаю применения переносных радиостанций мощностью более 1 Вт в непосредственной близости к ТС (но не менее 1 м), а также близкому расположению мощных радиовещательных и телевизионных передатчиков и промышленных, научных и медицинских высокочастотных установок. Представляет собой типичную промышленную обстановку.

Класс Х – особые условия электромагнитной обстановки при эксплуатации технического средства, применительно к которым степень жесткости испытаний устанавливают в стандарте на техническое средство конкретного вида или в технической документации на техническое средство.

Та же классификация применяется и для характеристики воздействий электромагнитных помех через пространство.

Степень жесткости испытаний выбирается в зависимости от предполагаемых условий применения конкретного изделия и заявляется производителем этого изделия.

В соответствии с европейской классификацией существует три класса пожарных и охранных проводных и радиоканальных систем, отличающихся между собой, прежде всего, по степени риска технически подготовленного взлома (ЕМ 50131-1):

класс А: низкая степень риска – объекты частного пользования (загородные дома, квартиры);
класс В: средняя степень риска – объекты общественного пользования (магазины, учебные заведения);
класс С: высокая степень риска – объекты государственной важности (музеи, исторические памятники).

Таким образом, наиболее надежные радиоканальные системы охраны должны соответствовать классам степени риска В, С и пройти испытания, как минимум, по 2-му, а лучше по 3-му классу степени жесткости. Возникает вопрос: как можно определить степень устойчивости охранной системы к помехам? Подходит ли выбранное устройство для установки на конкретном объекте?

В сертификатах на радиоканальные системы охраны бывает указан только ГОСТ Р 50009-2000 и нет данных о выборе степени жесткости проведенных испытаний на воздействие сторонних помех. Разумеется, что опосредованно эту информацию можно получить, изучая техническую документацию, где указаны сферы применения изделия. Но информация об испытаниях по степени жесткости воздействия является более важной в том случае, если уже известно, какие радиопередающие средства находятся рядом с объектом, где предполагается установка радиоканальной системы охраны. Так, например, если радиоканальная система охраны не прошла испытаний по 3-му классу жесткости, нет гарантий, что она будет стабильно работать вблизи мощных радиовещательных и телевизионных передатчиков, промышленных, научных и медицинских высокочастотных установок.

Современные радиоканальные системы с двусторонним протоколом обмена информацией между извещателями и приемно-контрольным прибором имеют наилучшую помехоустойчивость. Для улучшения помехоустойчивости в таких системах используются несколько каналов связи, автоматический выбор рабочей частоты при наличии помех, автоматическая регулировка мощности передатчика тревоги, индикация уровня помех. Однако все производители в руководствах по эксплуатации отражают тот факт, что при наличии сильных электромагнитных помех возможность надежного функционирования радиоканальной системы нужно проводить экспериментально.

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что во всех конкретных случаях обязательно требуется предварительное изучение электромагнитной обстановки на том объекте, где предполагается установка радиоканальной системы охраны.

К основному методу изучения электромагнитной совместимости на объекте относится измерение напряженности мешающего электромагнитного поля. Для этой цели используются измерительные приемники или селективные вольтметры.

Согласно таблице 1, приведенной в ГОСТ Р 51317.4.3-99 (МЭК 61000-4-3-95), 2 и 3 степеням жесткости воздействия помех соответствуют напряженности электромагнитного поля 130 и 140 дБ (относительно 1 мкВ/м). Эти цифры служат ориентиром для максимально допустимых уровней помех на объекте. Измерения на объекте проводятся преимущественно в местах предполагаемой установки радиоканальных приемно-контрольных приборов и ретрансляторов. При измерениях следует учитывать интерференционные эффекты, которые могут проявляться в помещениях, а также влияние объектов, расположенных рядом с антенной.

Часть информации о наличии близко расположенных радиостанций может быть получена визуально, по наружным антенным устройствам. Кроме этого, обязательно доскональное изучение границ применяемости конкретного изделия. При неоднозначных рекомендациях, приведенных в технической документации, следует запросить дополнительную информацию у производителя – протоколы испытаний по электромагнитной совместимости, отзывы клиентов, примеры использования на конкретных объектах и т.п.

И уж точно ничто не заменит «опытную эксплуатацию», которая позволяет убедиться в работоспособности выбранной системы охраны.

Источник: Daily (.sec ru)