ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8271| Title: | Дослідження поширення радіохвиль на заміських трасах |
| Authors: | Гавриш, Олександр Степанович Скробач, Віталій Леонідович |
| Keywords: | віртуальний стенд;середовище labview;променева модель;радіотракт;моделювання |
| Issue Date: | 2020 |
| Abstract: | В даній роботі досліджувались особливості розповсюдження земної радіохвилі на заміських трасах з використанням променевої моделі. В середовищі LabView модернізована віртуальна установка, яка дозволяє спостерігати розподіл амплітуди поля від дальності. Вхідними параметри установки є параметри передавача (ширина діаграми направленості антени, довжина хвилі, потужність передавача, вид поляризації хвилі), висоти передавальної та приймальної антен, параметри ґрунту (відносна діелектрична проникність, питома провідність). |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8271 |
| Appears in Collections: | 172 Електронні комунікації та радіотехніка (Телекомунікації) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Б_172_ТК_Скробач_Гавриш_2020.pdf Restricted Access | 2.38 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ І РОБОТОТЕХНІКИ
КАФЕДРА РАДІОТЕХНІКИ, ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ І
РОБОТОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ
До захисту допущено
завідувач кафедри РТРС
д.т.н., професор __________ В.В. Палагін
"_____" червня 2020 року
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеня «бакалавр»
на тему: «Дослідження поширення радіохвиль на заміських трасах»
Виконав студент 4 курсу, групи ТК-65
Спеціальність – 172 «Телекомунікації та радіотехніка»
Освітня програма – «Телекомунікації»
Скробач Віталій Леонідович
Керівник роботи Гавриш О.С.
Рецензент Лях І.М.
Черкаси 2020
Форма № Н-9.01
Черкаський державний технологічний університет
(назва вузу)
Факультет електронних технологій і робототехніки
Кафедра Радіотехніки, телекомунікаційних і робототехнічних систем
Освітній ступінь бакалавр
Спеціальність 172 - Телекомунікації та радіотехніка
Освітня програма Телекомунікації
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри РТРС
д.т.н., професор Палагін В.В.
« » 2020 р.
ЗАВДАННЯ
на дипломний проект (роботу) студенту
Скробачу Віталію Леонідовичу
(прізвище, ім'я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Дослідження поширення радіохвиль на заміських трасах
керівник проекту (роботи) Гавриш Олександр Степанович, к.ф.-м.н., доцент
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджена наказом по університету від « » р. №
2. Строк подання студентом проекту (роботи) 10 червня 2020 р.
3. Вихідні дані до проекту (роботи) ширина діаграми спрямованості – 0-180 град.;
довжина хвилі – 0,01-100 м; потужність передавача – 0-10 Вт; поляризація – лінійна
(вертикальна або горизонтальна); висоти передавальної та приймальної антен – 0-250 м;
Відносна діелектрична проникність - 1-100; питома провідність – 10-6-100.
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно розробити)______
Вступ. 1. Огляд засобів комп’ютерного моделювання поширення радіохвиль 2. Модель
поширення земної радіохвилі на заміських трасах та програмне середовище для її реалізації
3. Моделювання поширення земної радіохвилі на заміських трасах в середовищі LABVIEW
4. Охорона праці. Висновки. Список використаної літератури
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)
1. Мета і завдання роботи. 2. Променева модель поширення радіохвилі біля земної поверхні.
3. Віртуальний прилад для моделювання поширення земної радіохвилі. 4. Залежність відносної
амплітуди напруженості електричного поля від відстані 5. Плакат з охорони праці
6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються
Підпис, дата
Розділ Прізвище, ініціали та посада завдання завдання
консультанта видав прийняв
Охорона праці Кожем’якін О. С., ст. викладач
кафедри безпеки життєдіяльності
7. Дата видачі завдання 17 січня 2020 р.
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ Назва етапів дипломного С т р о к виконання етапів П р имітка
з/п проекту (роботи) проекту (роботи)
1. Аналіз технічного завдання та огляд літератури 17.01.2020
2. Розробка методики проведення дослідження 06.02.2020
3. Вибір та обґрунтування математичної моделі
поширення радіохвилі на заміських трасах та
ознайомлення з середовищем моделювання LabView 18.03.2020
4 Створення функціональних блоків віртуальної
установки для моделювання поширення радіохвиль
на заміських трасах 12.04.2020
5. Моделювання поширення радіохвиль на заміських
трасах за допомогою віртуальної установки 25.04.2020
6. Розробка розділу з охорони праці 07.05.2020
7. Оформлення пояснювальної записки 10.05.2020
8. Оформлення плакатів 01.06.2020
Студент Скробач В.Л.
(підпис) (прізвище та ініціали)
Керівник проекту (роботи) Гавриш О.С.
(підпис) (прізвище та ініціали)
ЗМІСТ
Стор.
Вступ 5
1. ОГЛЯД ЗАСОБІВ КОМП’ЮТЕРНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ 7
1.1 Програма для дослідження поширення радіохвиль Radio Mobile 8
1.2 Програма аналізу поширення радіохвиль Wireless InSite 13
1.3 Програма розрахунку умов поширення радіохвиль «Сигнал-РП» 17
2. МОДЕЛЬ ПОШИРЕННЯ ЗЕМНОЇ РАДІОХВИЛІ НА ЗАМІСЬКИХ
ТРАСАХ ТА ПРОГРАМНЕ СЕРЕДОВИЩЕ ДЛЯ ЇЇ РЕАЛІЗАЦІЇ 24
2.1 Електромагнітні властивості земної поверхні та її вплив на поширення
радіохвиль 24
2.2 Модель поширення радіохвилі біля земної поверхні 28
2.3 Програмне середовище LabView для моделювання фізичних явищ 33
3. МОДЕЛЮВАННЯ ПОШИРЕННЯ ЗЕМНОЇ РАДІОХВИЛІ НА
ЗАМІСЬКИХ ТРАСАХ В СЕРЕДОВИЩІ LABVIEW 38
3.1 Мета і структурна схема віртуального експерименту поширення
земної радіохвилі на заміських трасах 38
3.2 Створення функціональних блоків віртуальної установки для
моделювання поширення земних радіохвиль на заміських трасах 41
3.2.1 Коефіцієнт направленої дії антени 41
3.2.2 Діаграма направленості антени передавача у вертикальній площині 42
3.2.3 Визначення кута до горизонту, під яким поширюється пряма хвиля 43
3.2.4 Визначення кута до горизонту, під яким поширюється відбита хвиля 44
3.2.5 Визначення довжини шляху прямої хвилі 45
3.2.6 Визначення довжини шляху відбитої хвилі 46
3.2.7 Коефіцієнт відбиття при горизонтальній поляризації хвилі 47
3.2.8 Коефіцієнт відбиття при вертикальній поляризації хвилі 48
3.3 Віртуальний прилад для моделювання поширення земної радіохвилі на
заміських трасах 50
3.4 Моделювання поширення радіохвиль на заміських трасах за
допомогою віртуальної установки в середовищі LabView 56
4. ОХОРОНА ПРАЦІ 61
4.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на співробітника 61
проектної лабораторії
4.2 Модернізація системи загального штучного освітлення 68
Висновки 73
Список використаної літератури 75
Вступ
При розповсюдженні радіохвиль біля земної поверхні рівень сигналу в точці
прийому залежить від властивостей граничного середовища. В залежності від
умов розповсюдження (довжини хвилі, висот антен, відстаней між ними і т.і.)
існують різноманітні моделі, що адекватно описують розповсюдження
радіохвиль. Класичною моделлю розповсюдження радіохвилі є відбивна
трактовка або променева модель, згідно якої в точку прийому приходять дві
хвилі: пряма і відбита від земної поверхні. Математична модель, що отримала
назву формули Введенського [1-3], дозволяє визначати напруженість
електричного поля в точці прийому і залежить від багатьох параметрів. Для
визначення впливу цих параметрів доцільно створити комп’ютерну модель, що
дозволить всебічно досліджувати земну радіохвилю в рамках променевої моделі.
Ці явища є добре дослідженими, тому метою створення комп’ютерної
моделі є насамперед візуалізація експерименту для глибшого розуміння явищ, що
вивчаються. Для створення віртуального стенду доцільно використовувати
графічну мову програмування LabVIEW, за допомогою якої можливо
програмувати завдання з графічної блок-діаграми, яка компілює алгоритм в
машинний код.
Таким чином, комп’ютерне моделювання розповсюдження земної
радіохвилі на заміських трасах в середовищі Labview в рамках променевої моделі
є актуальною задачею.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами темами.
Тематика бакалаврської роботи зв’язана з напрямком наукових досліджень
по комп’ютерному моделюванню розповсюдження радіохвиль, що проводяться
студентами і викладачами кафедри радіотехніки, телекомунікаційних і
робототехнічних систем Черкаського державного технологічного університету.
Метою роботи є комп’ютерне моделювання розповсюдження земної
радіохвилі на заміських трасах, з використанням променевої моделі, в середовищі
Labview та дослідження впливу геометричних параметрів радіолінії та
електромагнітних характеристик земної поверхні на розподіл амплітуди
електричного поля.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:
• вибрати і обґрунтувати математичну модель, що описує розповсюдження
земної радіохвилі на заміських трасах, для комп’ютерної реалізації;
• провести огляд програмних засобів моделювання розповсюдження
радіохвиль і обґрунтувати доцільність використання середовища Labview
для побудови віртуальної установки;
• на базі вибраних математичних моделей, модернізувати віртуальний стенд,
що дозволить отримувати графічну залежність розподілу амплітуди поля
при різних параметрах передавача, ґрунту і висотах антен.
• використовуючи модернізовану віртуальну установку провести
моделювання розповсюдження земної радіохвилі на заміських трасах і
дослідити вплив різних вхідних параметрів на характер розподілу поля.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що
модернізована комп’ютерна віртуальна установка може бути використана в
учбовому процесі при проведенні практичних та лабораторних робіт з дисципліни
«Поширення радіохвиль і робота радіоліній» і дозволить підвищити наочність
експерименту.
1. ОГЛЯД ЗАСОБІВ КОМП’ЮТЕРНОГО
МОДЕЛЮВАННЯ ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ
У сучасних умовах врахувати і проаналізувати вплив безлічі чинників, що
впливають на поширення радіохвиль, неможливо без використання комп’ютерних
моделей. Якість радіозв’язку залежить від багатьох параметрів, таких як
коефіцієнт підсилення передавальної і приймальної антени, потужність
передавача, коефіцієнт шуму та чутливість приймача і ін. Всі ці параметри
знаходяться під контролем розробника мережі і можуть бути змінені, щоб
оптимізувати систему. Проте, є непідконтрольний параметр – втрати
розповсюдження або втрати на трасі, які приводять до ослаблення сигналу при
його проходженні від передавача до приймача.
Є досить велика кількість програм для моделювання розповсюдження
електромагнітних хвиль, серед яких виділяються своїми функціональними
можливостями Wireless InSite, Сигнал-РП, Radio Mobile, кожна з яких враховує
різні параметри середовища, втрати. Це може бути трьохвимірна модель міста або
окремого будинку з врахуванням всіх матеріалів, які впливають на
розповсюдження хвиль.
1.1 Програма для дослідження поширення радіохвиль Radio Mobile
Програма Radio Mobile призначена для дослідження поширення радіохвиль
в діапазоні частот від 20 МГц до 20 ГГц [4]. Програма створена на основі моделі
розповсюдження радіохвиль Лонглі-Райса. Вона надає можливість створювати
карти частотно-територіального планування конкретних районів, використовуючи
введені в пам’ять дані SRTM від служби радіолокаційного картографування
місцевості з подальшим додаванням рельєфу і доріг. SRTM — радарна
топографічна зйомка більшої частини території земної кулі, за винятком
найпівнічніших ( 60 ), найпівденніших широт ( 54 ), а також океанів,
проведена за 11 днів в лютому 2000 р. за допомогою спеціальної радарної
системи. Двома радіолокаційними сенсорами SIR-C і X-SAR, було зібрано більше
12 терабайт даних земного покриву. В підібраних місцях SRTM карти можна
встановити базові та мобільні станції. Всі радіоканали між станціями можна
проаналізувати з погляду профілю траси і параметрів сигналу. При необхідності
для кожної окремої станції можна визначити зону покриття. Програма Radio
Mobile також дозволяє здійснювати моделювання рослинного покриву, визначити
однополярну зону покриття, станцію з найбільшою зоною покриття, зону
покриття інтерференції та Френеля, зону впевненого покриття, маршрутну зону
покриття, знаходження найкращих місць в мережі, візуальну зону покриття,
змінювати діаграму направленості антени і ін.
Результатом моделювання є кольорові схеми зони радіо покриття однієї або
декількох базових станцій з показом передбачуваних рівнів сигналів, що
приймаються. Рівні сигналів відображаються з використанням наступних одиниць
вимірювання, які визначає користувач: S-Unit, dBm, мкВ, dBмкВ/m.
Контур зони радіо покриття може відображатись з використанням критеріїв
«пройшов/не пройшов» (вище/нижче рівня сигналу, визначеного користувачем).
Зона покриття може також відображатись з використанням багатоколірного
стилю оформлення з показом рівнів сигналів в різному кольорі (рис.1.1).
Рисунок 1.1 – Зона радіопокриття базової станції в середовищі Radio Mobile
Програма Radio Mobile дає можливість об’єднувати карту висот,
зображення зони радіо покриття з дорожньою або будь-якою іншою географічною
картою. Створена схема може використовуватися для швидкого визначення
можливості комунікацій з конкретного місцеположення.
У програму вводяться дані в метричних одиницях: висоти в метрах, відстані
в кілометрах. Всі параметри, що вводяться, мають значення, виражені в метричній
системі, і не можуть бути змінені, наприклад, для відображення британських
одиниць вимірювання. При необхідності використовувати фути і милі можна
скористатися розділом перетворення. У меню «Инструменты» є пункт під назвою
«Перевод в метрическою систему» де можна здійснити перетворення футів в
метри, миль в кілометри, дБ/фут в дБ/м і так далі.
SRTM карти містять дані висот і фізичні особливості місцевості. При
завантаженні з інтернету цієї карти отримуємо багатокольорове зображення.
Багатокольоровість визначає висоти по всій карті, також є можливість
відображати висоти в сірих тонах. У верхньому лівому кутку карти знаходиться
легенда, що показує висоти в метрах у відповідності з колірним виконанням. На
SRTM карті висот добре видимі річки, водні канали гори як вершини і схили. У
програмі міститься база даних міст всього світу тому є можливість швидко
вибрати місто як центр карти.
В даній програмі на SRTM карті є можливість швидко і зручно знаходити
максимальну та мінімальну висоту, вибирати відповідний варіант кліматичної
зони.
Програма Radio Mobile має два види топології: зіркову та кластерну.
Зіркоподібна топологія, при якій одна провідна (базова) станція підтримує
зв’язок з декількома віддаленими станціями. Віддалені станції лише відповідають
на запит про інформацію, вони не можуть ініціювати власні повідомлення.
Кластерна топологія (вузол/термінал) схожа на мережу Ethernet з
маршрутизаторами. Особливістю цієї топології є те, що будь-яка радіостанція
може встановлювати зв’язок з іншою радіостанцією. Вузол в системі може при
необхідності грати роль ретранслятора. Повідомлення адресуються і передаються
по мережі з використанням будь-яких доступних вузлів.
В меню «Система» можна задати робочі параметри радіостанції: вихідну
потужність передавача, чутливість приймача і рівень порогової чутливості, тип
антени, коефіцієнт підсилення антени, діаграму направленості антени, відносне
загасання у фідері і інші втрати.
Радіостанції можуть мати однакову вихідну потужність при різних висотах
підвісу антен, коефіцієнтах підсилення, втратах у фідері, антенних перемикачах і
фільтрах. Тому набір параметрів конкретної системи або декількох систем може
задаватися окремо для кожної станції.
Бібліотека програми містить декілька типів антен, також є можливість
створювати власні типи антен. Значення коефіцієнта підсилення антени береться
у виробника. У НВЧ системах коефіцієнт підсилення антени зазвичай указується в
dBd (коефіцієнт підсилення антени щодо дипольної антени). У мікрохвильових
системах і системах з широкосмуговими і псевдовипадковими сигналами
коефіцієнт підсилення антени зазвичай указується в дБі (коефіцієнт підсилення
антени щодо ізотропної антени).
Всі базові радіостанції, ретранслятори, мобільні і портативні радіостанції
указуються в програмі під назвою «Станція». За умовчанням станції позначаються
як «Станція 1», «Станція 2» і так далі. При призначенні станції для конкретного
використання її назву можна змінити.
Задати місцеположення для кожної станції можна двома способами:
- ввести широту і довготу безпосередньо, якщо вони відомі;
- коли карта завантажена з бази даних, помістити станцію в позицію курсора
тобто курсором можна клацнути і ідентифікувати позицію в будь-якому місці
карти, це зручно, коли мобільна станція уже знаходиться на карті.
Клацнувши правою кнопкою миші по панелі інструментів відкривається
вікно, де можна вибрати необхідні інструменти для моделювання
розповсюдження електромагнітних хвиль та роботи з програмою. Коротко
розглянемо основні функції.
Щоб визначити основні параметри радіоканалу необхідно клацнути по
піктограмі на панелі інструментів або вибрати «Інструменти/Радіо канал» з
головного меню, при цьому з’явиться вікно в якому буде зображено радіоканал
від передавальної станції до приймальної. Якщо в даному вікні натиснути
«Перестановка» то отримаємо параметри радіоканал в зворотньому напрямку.
Клацнувши по піктограмі або «Інструменти/Зона радіо охвата/В
полярних координатах» відкриється вікно в якому можна вибрати центральну
станцію і станцію, параметри якої будуть використовуватись в якості
приймальної, одиниці вимірювання рівня сигналу, та встановити межі або
використати «Авто установка» яка враховує порогове значення рівня чутливості
приймача. Після встановлення необхідних параметрів натиснувши на кнопку
«Малювати» отримуємо карту яка відображує рівні сигналу центральної станції в
полярних координатах.
Щоб отримати рівні сигналу в кожній точці карти необхідно клацнути по
піктограмі на панелі інструментів, або «Інструменти/Зона радіо охвата/В
декартових координатах» і виконати моделювання зони радіо покриття в
декартових координатах, встановивши необхідні параметри. Дана функція також
дає можливість отримати багатостанційну зону радіо покриття та визначити
станцію з найбільшою зоною радіо покриття.
Якщо виникає необхідність перевітири вплив одніє станції на іншу тобто
визначити електромагнітну сумісність необхідно клацнути по піктограмі на
панелі інструментів, або «Інструменти/Зона радіо охвата/Інтерференція»,
відкриється вікно у якому можна вибрати потрібну передавальну станцію,
джерело завад та приймальну станцію. Також в даному вікні можна встановити
межі відношення сигнал/шум.
Якщо клацнути по піктограмі на панелі інструментів, або
«Інструменти/Зона радіо охвата/Зона Френеля» отримаємо вікно, в якому можна
встановити бажані границі зон Френеля та вибрати колір яким буде відображено
дану зону на карті.
Функція «Маршрутна зона охвата» дає можливість нанести у вигляді точок
на карту необхідний маршрут і оцінити характеристики взаємодії передавача і
приймача за умови, що один із них переміщується по нанесеному маршруту.
В даній програмі існує два метода знаходження найкращих місць для
перевірки розміщення базових станцій: перший – в мережі, другий – з
використанням точок маршруту.
Для того щоб отримати карту візуального покриття необхідно клацнути по
піктограмі на панелі інструментів або «Інструменти/Візуальна зона охвата»,
при цьому відкриється вікно в якому потрібно задати станцію спостерігача та
висоту підвісу антени над рівнем Землі, а також колір яким буде відображено
зону радіо покриття візуальної видимості.
1.2 Програма аналізу поширення радіохвиль Wireless InSite
Компанія Remcon Inc. розробила програму Wireless Insite, яка аналізує
розповсюдження радіохвиль в умовах міського середовища і пересіченої гірської
місцевості [5]. В результаті можна знайти оптимальне розташування передавачів в
межах міста або гірської місцевості і розрахувати завмирання сигналу при русі
мобільного приймача, а також силу сигналу в будь-якій точці аналізованого
простору. Програма моделює фізичні характеристики грубого ландшафту і
міських структур, виконує розрахунки на електродинамічному рівні, а потім
виводить характеристики розповсюдження сигналу. На рисунку 1.2 зображено
трьохвимірну модель карти міста, яка буде використана для здійснення
моделювання розповсюдження електромагнітних хвиль.
Рисунок 1.2 – Трьохвимірна модель карти міста в програмі Wireless InSite
Wireless Insite - потужна програма, що використовує електродинамічні
методи розрахунку для моделювання і прогнозу впливу будов і місцевості на
розповсюдженні електромагнітних хвиль. Вона передбачає, зокрема, як
розміщення передавачів і приймачів в межах міської зони змінює потужність
сигналу в точці прийому. Wireless Insite моделює фізичні властивості пересіченої
місцевості і міських будов, виконує електромагнітні розрахунки і потім
розраховує характеристики розповсюдження сигналу.
Креслення будівель і земляної поверхні виконується, використовуючи
інструментальні засоби редагування Insite, або можуть бути імпортовані з файлів
типу DXF, DTED і USGS. План поверхні землі складається з окремих трикутних
майданчиків, координати вершин яких можна встановлювати роздільно. Можна
призначити матеріали, включаючи діелектричну проникність і втрати.
Координати передавача і приймача задаються, використовуючи
інструментальні засоби Insite, або із зовнішнього файлу даних. Можуть бути
задані великі області міських і гірських місцевостей. Окремі розрахунки можуть
бути виконані, використовуючи графічний редактор Study Areas.
Обчислення виконуються, досліджуючи і фіксуючи промені від
передавачів, і досліджуючи розповсюдження променів по накресленій моделі
міського або гірського середовища. Ці промені взаємодіють з елементами
навколишнього середовища і формують шляхи розповсюдження до приймачів.
Промінь, що розповсюджується, може зазнати віддзеркалення від землі або
лицьової поверхні будови, дифракція від краю будови, і просочування через його
стінку.
Wireless Insite використовує наближені електродинамічні методи
розрахунку (методи геометричної оптики) і забезпечує, як затверджує компанія
Remcon Inc., точні результати в діапазоні від 50 МГЦ до 40 Ггц.
Матеріали для кожної будівлі можна при необхідності задати різними.
Серед матеріалів є наступні: метал, бетон, цегла, дерево, скло і деякі типи ґрунту
(рис.1.3). Замість того щоб вибирати конкретний матеріал, користувач може
вказати, що розраховуються коефіцієнти відбиття і пропускання для
діелектричного простору, одношарової стіни заданої товщини або для двошарової
стіни, після чого задати матеріал і товщину кожного шару. Також можна задати
матеріали з постійними коефіцієнтами відбиття або передачі, вибрати колір і
параметри відображення на екрані для кожного окремого матеріалу.
Рисунок 1.3 – Позначення матеріалів будівель і ландшафту на карті
Програма враховує безліч важливих характеристик місцевості, і параметрів
тих, що враховують втрати в дорозі, відбиття, проходження через перешкоди і
дифракцію.
Результати дії кожного променя на приймач підсумовуються, щоб
визначити рівень остаточного сигналу. У кожній точці, де знаходиться приймач,
промені підсумовуються і розраховуються, щоб визначити сигнальні
характеристики типу втрат на трасі, затримки сигналу, напрям максимального
підсилення, і імпульсної характеристики. Користувач може задати когерентність
променів, і задати обчислення характеристики завмирання. Траєкторії променів
можуть бути відображені для кожної пари передавача/приймача.
Insite розраховує і показує шляхи розповсюдження променів, кількість яких
задається на початку розрахунку. Програма забезпечує відтворення на екрані
результатів розрахунку, типу зон дії передавача, потужності сигналів, втрати
розповсюдження, показуючи ці дані візуально в межах модельованого
середовища. На цих графіках є можливість порівняння з експериментальними
даними, або з попередніми обчисленнями Insite. Всі вихідні файли, розраховані
Insite, знаходяться в читаному форматі ASCII.
Послідовність аналізу розповсюдження радіохвиль складається з наступних
кроків:
• опис земної поверхні, а якщо це внутрішнє завдання – то і створення стін,
стелі і опис матеріалів. Поверхня може бути отримана з готового файлу,
використовуючи файл з розширенням .dxf;
• установка координат антен передавачів і приймачів;
• завдання параметрів антен, включаючи параметри тривимірної діаграми
спрямованості, підсилення, поляризації;
• установка частоти, ширини смуги робочого сигналу і потужності;
• установка параметрів розрахунку: кількість відбиттів, глибина дифракції.
В результаті розрахунку користувач отримує:
• кількість і напрями всіх променів розповсюдження
• втрати розповсюдження, а також потужності в точках приймача.
1.3 Програма розрахунку умов поширення радіохвиль «Сигнал-РП»
У зв’язку з високою варіаційністю умов радіоприйому в умовах жилих
територій великий інтерес представляє розвиток методів прогнозування умов
розповсюдження радіохвиль, заснованих на підходах геометричної оптики,
оскільки з одного боку, за наявними даними точність проведення розрахунків з їх
допомогою достатньо висока, а з іншого обчислювальна трудомісткість
прийнятна для вирішення завдань розрахунку умов розповсюдження радіохвиль в
мікрорайоні. При цьому необхідна детальна початкова інформація, може бути
забезпечена спеціально підготовленими цифровими моделями місцевості,
створеними на основі сучасних цифрових топографічних планів міської забудови,
зокрема уточнених по оперативних матеріалах дистанційного зондування Землі
високого і надвисокого дозволу.
Методи геометричної оптики ґрунтуються на вирішенні рівнянь Максвела у
високочастотному наближенні. При цьому передбачається, що енергія хвилі
розповсюджується уподовж «променевих трубок», а енергетичний обмін між
трубками відсутній. Наближення справедливе для середовищ з незначними
відносними варіаціями зміни електрофізичних характеристик на відстанях
порівняних з довжиною хвилі.
Сучасні уявлення про механізми розповсюдження радіохвиль реалізовані в
програмному забезпеченні (ПЗ) «Сигнал-РП» [6]. ПЗ «Сигнал-РП» призначено
для розрахунку рівня електромагнітного поля з використанням геоінформаційних
моделей місцевості і реалізує наступні методи розрахунків:
• розрахунок рівня електромагнітного поля, при розповсюдженні земних
радіохвиль на радіотрасах протяжністю від 1 до 20 км в діапазоні частот 100
МГц÷5 ГГц (розрахунок в «дальній зоні»);
• розрахунок рівня електромагнітного поля при розповсюдженні радіохвиль в
умовах міської забудови на відстанях від 30 м до 1 км в діапазоні частот 100
МГц÷5 ГГц (розрахунок в «ближній зоні»).
Розрахунок в «дальній зоні» здійснюється з використанням
геоінформаційних моделей середовища розповсюдження радіохвиль,
підготовлених засобами геоінформаційної системи. Розрахунок в «ближній зоні»
додатково вимагає використання радіотехнічних моделей, що створюються
засобами ПЗ «Сигнал-РП» на основі геоінформаційних моделей.
ПЗ «Сигнал-РП» призначено для експлуатації на ЕОМ, що працюють під
керуванням операційної системи MS Windows XP, на яких встановлена ГІС
ARCGIS Desktop версії не нижче 9.1, спільно з модулями Spatial Analyst і 3D
Analyst. До складу програмного забезпечення «Сигнал-РП» входить:
• програмний модуль, що реалізовує методи розрахунку рівня
електромагнітного поля;
• програмний модуль побудови радіотехнічних моделей міського середовища
розповсюдження радіохвиль.
ПЗ «Сигнал-РП» інтегровано в ГІС і являє собою динамічну бібліотеку.
Інтеграція ПЗ «Сигнал-РП» з ГІС дозволяє використовувати для підготовки
початкових даних, а також для відображення і аналізу результатів обчислень.
ПЗ «Сигнал-РП» забезпечує:
• введення початкових даних, необхідних для проведення розрахунків
(координати і умови розміщення приймальної антени і радіопередавачів, а
також їх параметри);
• запуск, реалізацію і контроль обчислювального процесу;
• нанесення результатів обчислень на геоінформаційну модель місцевості;
• конвертацію геоінформаційної моделі ближньої зони в текстовий файл,
який є основою для створення радіотехнічних моделей.
Власне ГІС забезпечує:
• підготовку початкової геоінформаційної моделі середовища
розповсюдження радіохвиль (цифрові проблемно-орієнтовані моделі
місцевості);
• автоматичне завантаження геоінформаційної моделі середовища
розповсюдження радіохвиль, необхідного для проведення розрахунків;
• відображення на геоінформаційній моделі місцевості результатів
розрахунків;
• аналіз і перетворення результатів розрахунків у форму зручну для
сприйняття оператором або необхідну для підготовки звіту;
• нанесення на геоінформаційну модель місцевості додаткової інформації,
відповідно до суті вирішуваного завдання.
Розрахунок характеристик електромагнітного поля в надзвичайно
неоднорідних середовищах розповсюдження радіохвиль, таких як місцевість
різного ступеня урбанізації або щільна міська забудова, є складним фізичним
завданням. Для її вирішення з використанням широко доступних обчислювальних
засобів, застосовуються фізично обґрунтовані наближені моделі розповсюдження
радіохвиль, що кардинально скорочують об’єми необхідних обчислень.
Методи розрахунку, реалізовані в ПЗ «Сигнал-РП» для «дальньої зони»,
ґрунтуються на припущенні про переважне розповсюдження радіохвиль уздовж
рельєфу місцевості і над міською забудовою (для відстаней понад 1 км).
Для «ближньої зони» використовується модель геометричної оптики, яка
припускає, що основна енергія радіохвилі розповсюджується по локалізованих в
просторі траєкторіях розповсюдження, утворених механізмами відбиття і
дифракції радіохвиль. Таким чином, для «ближньої зони» виявляється можливим
окрім рівня електромагнітного поля, оцінити напрями приходу основної енергії
радіохвилі, а також затримки розповсюдження уздовж вказаних напрямів.
Крім фізичних характеристик електромагнітного поля ПЗ «Сигнал-РП»
дозволяє оцінити такі радіотехнічні характеристики, як рівень сигналу на вході
приймального пристрою (за умови узгодження з приймальною антенно-фідерною
системою і з параметрами передавача), а також відношення сигнал/шум.
Для проведення розрахунків в «дальній зоні» ПЗ «Сигнал-РП» використовує
безпосередньо геоінформаційну модель середовища розповсюдження радіохвиль,
що створюється в прямокутних метричних координатах і задовольняє
спеціальним вимогам. У «дальній зоні» розрахунок здійснюється як по базовому
алгоритму, так і по прискореному алгоритму. Прискорений алгоритм розрахунку
дозволяє швидко проводити оцінні розрахунки з використанням мінімуму
початкової геопросторової інформації на великих площах можливого розміщення
передавальних пристроїв. Відмінності між алгоритмами полягають в швидкості
проведення обчислень, складі початкової геопросторової інформації, а також в
дискретності розрахунку. При використанні базового алгоритму передавач і
приймач розміщуються один від одного на 25 м, а при використанні прискореного
алгоритму на 50 м. Всі файли, що описують шари геоінформаційної моделі ГІС
повинні бути зведені в окремий спеціальний каталог, що містить і файл проекту.
Мінімальна геоінформаційна модель середовища розповсюдження
радіохвиль, необхідна для забезпечення роботи прискореного алгоритму
розрахунку повинна містити наступну інформацію:
• шар висот рельєфу місцевості (цифрову модель рельєфу в растровому
форматі ESRI GRID) – найменування relief;
• шар покриття поверхні землі, що містить інформацію про поверхню і
розташовані на ній об’єкти з використанням заданої користувачем
класифікації поверхонь (так само у форматі ESRI GRID) – найменування
cover;
• шар висот об’єктів, розташованих на поверхні землі (формат ESRI GRID) –
найменування height;
• всі шари даних повинні знаходитьсь в прямокутній системі координат.
Цифрова проблемно-орієнтована модель місцевості, що має вище описану
структуру даних про територію, може бути підготовлена за допомогою функцій
перетворення (конвертації, об’єднання) цифрових просторово-координованих
даних про місцевість геоінформаційної системи ARCGIS.
Для забезпечення роботи базового алгоритму геоінформаційна модель
додатково до вказаних шарів повинна містити модель забудови шуканої території
у форматі векторного полігонального шару (формат ESRI shape – shp) з
найменуванням houses, в описі якого відповідно до прийнятої системи кодування
повинна бути представлена інформація про висоти і матеріали будівель.
Для проведення розрахунків в «ближній зоні», крім вказаних вище шарів, в
каталог геоінформаційної моделі також повинні бути включені два файли
радіотехнічної моделі середовища розповсюдження радіохвиль mirrors.mdl і
corners.mdl. Файли містять детальний опис відбиваючих поверхонь і кутів, на
яких відбувається дифракція радіохвиль.
Розрахунки в «ближній зоні» базуються на моделі забудови, в якій елементи
будівель представлені полігонами-блоками, що мають обов’язкові атрибути:
• мінімальна висота над поверхнею (рельєфом);
• максимальна висота над поверхнею (рельєфом);
• вид матеріалу з якого створений блок.
Для автоматичної підготовки файлів радіотехнічної моделі, що складається
з файлів mirrors.mdl і corners.mdl, у складі геоінформаційної моделі необхідно
мати хоч би один полігональний shape-файл, що реалізовує модель забудови у
вигляді блоків-полігонів. Приклад зовнішнього вигляду тривимірної цифрової
проблемно-орієнтованої моделі місцевості, що забезпечує проведення розрахунків
як в «дальній», так і «ближній» зоні приведений на рис.1.4.
Рисунок 1.4 – Тривимірна цифрова проблемно-орієнтована
модель території в середовищі ГІС ARCGIS
Дискретність розміщення передавача при розрахунку в «ближній зоні»
складає 5 м. Після завершення розрахунку в проект ГІС додаються шари, що
містять результати розрахунку:
• шар, що містить координати передавачів і результати розрахунку рівня
електромагнітного поля (дБ/мкВ/м), рівня сигналу (дБм) і відношення
сигнал/шум (дБ) на вході;
• також містить дані про основні траєкторії розповсюдження радіохвиль при
розрахунку в ближній зоні.
Засоби ГІС дозволяють інтерполювати результати розрахунку в точках
розміщення передавачів і представити їх у вигляді поля значень (рис.1.5), або
нанести їх на тривимірну модель (рис.1.6).
У перспективі розвитку методів і алгоритмів, використовуваних в ПЗ
«Сигнал-РП» дозволить здійснювати прогнозування умов розповсюдження
радіохвиль усередині будівель за рахунок обліку їх внутрішньої структури при
розрахунках.
Рисунок 1.5 – Розрахунок рівня електромагнітного поля в дальній зоні
Рисунок 1.6 – Розрахунок основних траєкторій
розповсюдження радіохвиль в ближній зоні
Облік внутрішньої структури будівлі при моделюванні розповсюдження
радіохвиль здійснюється за рахунок використання алгоритмів розрахунку
відповідної необхідної інформації з метричного і семантичного опису
спеціалізованої цифрової високодеталізованої моделі будівлі і прилеглої
місцевості, що створюється в середовищі ГІС ARCGIS, в яку також можуть бути
інтегровані і результати телекомунікаційних розрахунків.
2. МОДЕЛЬ ПОШИРЕННЯ ЗЕМНОЇ РАДІОХВИЛІ НА ЗАМІСЬКИХ
ТРАСАХ ТА ПРОГРАМНЕ СЕРЕДОВИЩЕ ДЛЯ ЇЇ РЕАЛІЗАЦІЇ
2.1 Електромагнітні властивості земної поверхні та її вплив на
поширення радіохвиль
У більшості реальних радіоліній передавальна й приймальна антени
розташовані біля земної поверхні. При цьому її електромагнітні параметри,
форма, рельєф істотно впливають на рівень сигналу в точці прийому [1-3].
Електромагнітні властивості будь-якого середовища, у тому числі й
поверхні Землі, характеризуються трьома параметрами:
• відносною діелектричною проникністю ;
• відносною магнітною проникністю ;
• питомою провідністю .
За рідкісним винятком, всі види земної поверхні є немагнітними
матеріалами, для яких 1 . Експериментально встановлено, що електричні
параметри ґрунтів визначаються в основному їх вологонасиченістю. Вона
змінюється протягом року, а в зимовий період при негативних температурах вода
перетворюється в лід. В табл.2.1 наведені орієнтовні значення відносної
діелектричної проникності й питомої провідності для типових видів земної
поверхні. Ці параметри визначені при різних температурах і для різних частотних
діапазонів.
В залежності від відношення щільності струму зміщення jзм і струму
провідності j середовища розділяють на діелектрики й провідники. Це
відношення дорівнює:
jзм
= ,
j 60
8
де = c
f - довжина хвилі, f - частота, с = 3 10 м
с - швидкість світла.
Таблиця 2.1
Електричні параметри типових видів земної поверхні [1]
Відносна Питома
№ Вид земної поверхні Частота в МГц діелектрична провідність в
проникність См м
1 300 90 2.0 10−2
2 Прісна вода 3000 80 5.0
3 (t = 20C) 10000 40 20.0
4 100000 10 5.0
5 300 78 5.0
6 Морська вода 3000 70 5.0
7 (t = 20C) 10000 40 20.0
8 100000 10 5.0
9 300 15 - 30 10−2 −10−1
Вологий ґрунт
10 3000 15 - 30 10−1 −5 10−1
(t = 20C)
11 10000 10 - 15 1 - 3
12 300 3 - 6 10−4 − 2 10−3
Сухий ґрунт
13 3000 3 - 6 5 10 −3 − 7 10−2
(t = 20C)
14 10000 2 - 5 10−1 − 2 10−1
15 300 4 - 5 10−2 −10−1
16 Лід (t = −10C) 3000 3.5 10−4 −10−3
17 10000 3.2 10−4 −10−3
18 300 1.2 10−6
19 Сніг (t = −10C) 3000 1.2 10−5
20 10000 1.2 10−5
21 Мерзлий ґрунт 300 3 - 7 10−3 −10−2
(t = −35C)
22 30 1.004 10−6 −10−5
Ліс
23 60 - 3000 1.04 - 1.4 10−5 −10−3
j
Якщо відношення зм 3 , то вплив струму провідності малий й ґрунт є
j
jзм
діелектриком. При 0,3 ґрунт розглядається як провідник. Для частот
j
менших 1,5МГц поверхня Землі - скрізь провідник. У сантиметровому й
дециметровому діапазонах вона діелектрик.
Вплив земної поверхні проявляється в появі відбитої електромагнітної
хвилі. Напрямок руху падаючої хвилі вказує її вектор Пойнтинга Ппад . При її
падінні під кутом ковзання до земної поверхні утворюється відбита хвиля. Її
напрямок руху показує вектор Пойнтинга Пвідб (рис. 2.1).
Відношення комплексних амплітуд напруженості електричних полів
відбитої та падаючої хвиль називається коефіцієнтом відбиття.
E
R = від = R e jФ.
E
пад
Рисунок 2.1 – Відбиття хвилі від поверхні Землі
Коефіцієнт відбиття залежить від виду поляризації падаючої хвилі. Для
горизонтальної поляризації:
sin − ( − j60 ) − cos2
Rгор ( ) = .
2 (2.1)
sin + ( − j60 ) − cos
Для вертикальної поляризації:
( − j60 ) sin − ( − j60 ) − cos2
Rверт( ) = .
2 (2.2)
( − j60 ) sin + ( − j60 ) − cos
Аналіз показує [2, 3], що залежність модуля Rгор ( ) є монотонною, а
залежність Rверт ( ) - немонотонною. Вона має мінімум при деякому куті, що
називається кутом Брюстера.
2.2 Модель поширення радіохвилі біля земної поверхні
Розглянемо поширення радіохвилі біля земної поверхні. Нехай на висоті h1
у точці A розташована передавальна антена, що випромінює потужність P .
Передавальна антена має діаграму спрямованості F(,) , де - кут місця у
вертикальній площині, - азимутальний кут у горизонтальній площині. Ширина
діаграми спрямованості у вертикальній площині - 2 , у горизонтальній площині
- 2 . Якщо обидві ці величини виражені в градусах, то коефіцієнт спрямованої
дії антени D у напрямку максимуму діаграми спрямованості:
32000
D . (2.3)
22
Передавальну антену далі будемо вважати ненаправленою в горизонтальній
площині, що характерно для всіх радіомовних антен. Ширина діаграми
спрямованості в горизонтальній площині 2 = 360 . Діаграма спрямованості
передавальної антени у вертикальній площині F() .
При моделюванні направлених властивостей антени передавача
використовують діаграму спрямованості виду [1, с.291]
F() = cosn () (2.4)
де степінь n - визначає ширину діаграми спрямованості. Якщо ширина діаграми
спрямованості по рівню -3 дБ складає 2 радіан, то степінь
1
n = . (2.5)
2log2(cos())
Оскільки величина n може бути у вигляді дробу, то замість виразу (2.4)
краще використовувати еквівалентний вираз виду
F() = 10n lg(cos ) . (2.6)
На відстані r (відрізок CD на рис.2.2) на висоті h2 у точці B розташована
приймальна антена.
Із точки А в точку В радіохвиля може приходити двома шляхами: прямим і
відбитим. Напруженість електричного поля утвориться додаванням векторів
напруженості прямої та відбитої хвиль.
E = Епр + Евід . (2.7)
Пряма хвиля поширюється під кутом 1 до горизонту в напрямку AB = r1 (рис.2.2)
h1 − h
2
1 = arctg , (2.8)
r
r 2 2
1 = r + (h1 − h2 ) . (2.9)
Напруженість поля прямої хвилі в точці прийому визначається за формулою
60PD
Епр = F(1) exp[− j(2 /) r1]. (2.10)
r1
Відбита хвиля приходить із точки А у точку B в напрямку AOB = r2 . При
падінні на поверхню Землі під кутом ковзання 2 у точці O хвиля відбивається:
h + h
2 = arctg 1 2 , (2.11)
r
r = r2
2 + (h1 + h 2
2 ) . (2.12)
Рисунок 2.2 – Траєкторії прямої та відбитої хвиль у точку прийому
З рис.2.2 видно, що відбиту хвилю можна трактувати як хвилю, що
випромінюється із джерела, розташованого в точці А1.
jФ( )
Коефіцієнт відбиття від земної поверхні R (2 ) = R (2 ) e 2 в значній мірі
визначає напруженість поля відбитої хвилі в точці прийому B :
60PD
E
від = R(2 ) R(2 ) exp− j((2 /)r2 −Ф(2 )). (2.13)
r2
Передбачається, що радіозв’язок здійснюється на великій відстані ( r h1
та r h2 ). Тому як для горизонтальної, так і для вертикальної поляризації хвилі в
точці прийому вектори Eпр та Eвід можна вважати паралельними. Ця ж умова
дозволяє при обчисленні амплітуд вважати r1 = r2 = r . Тоді амплітуда
напруженості сумарного електричного поля в точці прийому:
60PD
E = F2 ( ) + F2 2
( ) R( ) + (2.14)
1 2 2
r
де
= 2F(1)F(2 ) R(2 ) cos((r2 − r1)2 +Ф(2 )) .
Другий радикал у формулі (2.14) описує відмінність поля при врахуванні
впливу Землі від поля у вільному просторі. Він називається множником
послаблення, або інтерференційним множником. При переміщенні вздовж траси,
коли змінюється r при збереженні висот h1 та h2 , змінюється різниця фаз прямої
і відбитої хвиль через фазовий набіг на r = r2 − r1 . Якісний характер залежності
множника послаблення від відстані немонотонний (рис. 2.3).
При підйомі приймальної антени вгору, коли змінюється h2 при збереженні
висоти h1 і відстані r , також змінюється різниця фаз прямої та відбитої хвиль
через фазовий набіг на r = r2 − r1 . Якісний вигляд залежності множника
послаблення від висоти немонотонний (рис. 2.4).
Рисунок 2.3 – Залежність множника послаблення від відстані
Рисунок 2.4 – Залежність множника послаблення від висоти
Аналіз множника послаблення звичайно проводять при умовах:
r2 (h 2
1 − h2 ) та 1 2 1 .
2h h
При цих умовах r = r − r 1 2
2 1 . Максимуми поля будуть при виконанні
r
умови:
2 4h
r +Ф() = 1h2 = 2m. (2.15)
r
де m =1,2,3... - номери пелюсток, починаючи з дальньої по відстані або нижньої
по висоті підйому приймальної антени (рис. 2.3 та 2.4).
Вираз (2.14) є більш загальним, тому моделювання поширення радіохвилі у
плоскої земної поверхні в віртуальній установці буде здійснюватися на його
основі.
2.3 Програмне середовище LabView для моделювання фізичних явищ
Оскільки для моделювання поширення радіохвиль біля поверхні землі
використовуються аналітичні математичні вирази, то цілком природно
скористатися якимось з математичних пакетів, наприклад MathCad, MatLab,
Mathematica, LabView і т.п. Найкращої візуалізації кінцевих результатів можна
досягти в середовищі LabView, тому в даному пункті розглянемо основні
функціональні можливості цього пакету [1].
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) –
середовище прикладного графічного програмування, яке використовується як
стандартний інструмент для проведення вимірювань, аналізу їх даних,
подальшого управління приладами і досліджуваними об'єктами. Сфера
застосування LabVIEW безперервно розширюється. Цей пакет знайшов масове
застосування в освіті, зокрема як платформа для лабораторних практикумів по
електро- та радіотехніці, механіці, фізиці і т.п. У інженерній практиці – об'єкти
промисловості, транспорту, зокрема повітряного, підводного і надводного флотів,
космічні апарати.
Програма, написана в середовищі LabVIEW, називається віртуальним
приладом (ВП). ВП симулюють реальні фізичні прилади, наприклад, осцилограф
або мультиметр. В тому числі моделювати можна різні фізичні явища для яких
відома математична модель. LabVIEW містить повний набір інструментів для
збору, аналізу, представлення і зберігання даних.
У LabVIEW інтерфейс користувача – лицьова панель створюється за
допомогою елементів управління (кнопки, перемикачі і ін.) і відображення
(графіки, світлодіоди і ін.). Після цього на блок-діаграмі ВП здійснюється
програмування з використанням графічних представлень функцій для управління
об'єктами на лицьовій панелі.
ВП складається з чотирьох основних компонентів – лицьової панелі, блок-
діаграми, ікони і комутаційної панелі.
Лицьова панель – це інтерфейс користувача ВП. Приклад лицьової панелі
представлений на рис.2.5.
Рисунок 2.5 Приклад лицьової панелі ВП
Лицьова панель створюється з використанням палітри Елементів (Controls)
(рис.2.6,а). Ці елементи можуть бути або засобами введення даних – елементи
Управління, або засобами відображення даних – елементи Відображення.
Елементи Управління – кнопки, перемикачі, повзунки і інші елементи вводу.
Елементи Відображення – графіки, цифрові табло, світлодіоди і т.д. Дані, що
вводяться на лицьовій панелі ВП, поступають на блок-діаграму, де ВП проводить
з ними необхідні операції. Результат обчислень передається на елементи
відображення інформації на лицьовій панелі ВП.
Після приміщення елементів Управління або Відображення даних на
Лицьову панель, вони одержують своє графічне відображення на блок-діаграмі.
Елемент, створений на лицьовій панелі, неможливо видалити на блок-діаграмі.
Об'єкти блок-діаграми включають графічне відображення елементів лицьової
панелі, операторів, функцій, підпрограм ВП, констант, структур і провідників
даних, по яких проводиться передача даних між об'єктами блок-діаграми.
Палітра Функцій (Functions) (рис.2.6,б) використовується для створення
блок-діаграми. Вона доступна тільки на блок-діаграмі. Щоб відобразити палітру
Функцій, слідує або вибрати в пункті головного меню Window»Show Functions
Palette, або клацнути правою кнопкою миші в робочому просторі блок-діаграми.
а) б)
Рисунок 2.6 Палітра Елементів (Controls) (а) і палітра Функцій (Functions) (б)
Кожній лицьовій панелі відповідає вікно блок-діаграми, приклад якої
наведено на рис.2.7.
Рисунок 2.7 Приклад блок-діаграми ВП
Для використання створеного віртуального приладу усередині іншого ВП як
підпрограми, після створення лицьової панелі і блок-діаграми, необхідно
оформити ікону і налаштувати комутаційну панель (область полів вводу/виводу
даних). Підпрограма ВП відповідає підпрограмі в текстових мовах
програмування. Кожен ВП має ікону у верхньому правому кутку лицьової панелі і
блок-діаграми. Ікона – графічне представлення ВП. Вона може містити текст і/або
рисунок. Якщо ВП використовується як підпрограма, ікона ідентифікує його на
блок-діаграмі іншого ВП.
Необхідно також налаштувати комутаційну панель (область полів
вводу/виводу даних), щоб використовувати ВП як підпрограми. Комутаційна
панель – це набір полів, відповідний елементам вводу/виводу даних цього ВП.
Поля вводу/виводу аналогічні списку параметрів функції, що викликається, в
текстових мовах програмування. Область полів вводу/виводу даних дозволяє
використовувати ВП як підпрограми. ВП одержує дані через поля вводу даних і
передає їх на блок-діаграму через елементи Управління лицьової панелі.
Перевага LabVIEW полягає в ієрархічній структурі ВП. Створений
віртуальний прилад можна використовувати як підпрограму на блок-діаграмі ВП
вищого рівня. Кількість рівнів в ієрархії не обмежена. Використання підпрограми
ВП допомагає швидко змінювати і відладжувати блок-діаграму.
При створенні ВП слід звернути увагу на те, що деякі операції багато разів
повторюються. Для виконання таких операцій необхідно використовувати
підпрограми ВП, які ще називають СубВІ, або цикли.
Головне меню у верхній частині вікна ВП містить пункти загальні з
іншими додатками, такі як Open, Save, Copy, Paste, а також специфічні пункти
меню LabVIEW. Деякі пункти головного меню містять відомості про «гарячі»
клавіші виклику цих пунктів. Меню з'являється у верхній частині екрану.
• Пункт меню File використовується для відкриття, закриття, збереження і
друку ВП.
• Пункт меню Edit використовується для пошуку і внесення змін в
компоненти ВП.
• Пункт меню Operate використовується для запуску, переривання виконання
і зміни інших опцій ВП.
• Пункт меню Tools використовується для зв'язку з приладами і DAQ
пристроями, порівняння ВП, формування додатків і конфігурації LabVIEW.
• Пункт меню Browse використовується для переміщення по ВП і його
ієрархіях.
• Пункт меню Window використовується для відображення вікон LabVIEW і
палітр.
• Пункт меню Help використовується для отримання інформації про палітри,
меню, інструменти, ВП і функції, для отримання покрокової інструкції
використання LabVIEW і інформації про комп'ютерну пам'ять.
Часто при створенні ВП використовується контекстне меню. Всі об'єкти
LabVIEW, вільний робочий простір лицьової панелі і блок-діаграми мають свої
контекстні меню. Контекстне меню використовується для зміни поведінки
об'єктів блок-діаграми і лицьової панелі. Контекстне меню викликається
клацанням правою кнопкою миші на об'єкті, лицьовій панелі або блок-діаграмі.
У середовищі LabVIEW використовується потокова модель обробки даних.
Вузли блок-діаграми виконують закладені в них функції, якщо дані поступили на
всі необхідні поля вводу/виводу. Після закінчення виконання операції одним
вузлом результати операції по провідниках даних передаються наступному вузлу і
т.д. Іншими словами, готовність вхідних даних визначає послідовність виконання
вузлів блок-діаграми.
3. МОДЕЛЮВАННЯ ПОШИРЕННЯ ЗЕМНОЇ РАДІОХВИЛІ
НА ЗАМІСЬКИХ ТРАСАХ В СЕРЕДОВИЩІ LABVIEW
3.1 Мета і структурна схема віртуального експерименту поширення
земної радіохвилі на заміських трасах
Метою модернізації віртуальної установки, запропонованої в роботі [1], є
отримання залежності розподілу амплітуди електричного поля від параметрів, що
входять до обраної моделі (2.14). Будемо вважати земну поверхню плоскою, що
допустимо в межах 20% зони прямої видимості, а в якості моделі
розповсюдження земної радіохвилі виберемо променеву модель, яка детально
описана в п.2.2. Будемо досліджувати вплив геометричних параметрів радіолінії й
електромагнітних характеристик земної поверхні за допомогою віртуальної
лабораторної установки.
В роботі синтезується віртуальна установка, яка з математичної точки зору
описується співвідношенням (2.14). Проаналізуємо, які з параметрів
виступатимуть як вхідні.
Вираз (2.14) на пряму залежить від
• дальності між передавачем і приймачем r ,
• потужності передавача P ,
• довжина хвилі сигналу, що випромінюється передавачем ,
а також від функцій:
• коефіцієнту направленої дії антени D , що описується виразом (2.3) і
залежить від ширини діаграми направленості в горизонтальній 2 та
вертикальній 2 площинах;
• діаграм направленості в вертикальній площини F(1) і F(2 ) , що
визначаються за виразом (2.6). При цьому степінь n обчислюється за
виразом (2.5) і залежить від ширини діаграми направленості 2 , а кути 1
і 2 обчислюються відповідно за формулами (2.8), (2.11) і залежать від
висот антен h1 , h2 і відстані між ними r ;
• коефіцієнта відбиття R(2 ) , який залежить від виду поляризації і
визначається за формулами (2.1) і (2.2) відповідно для горизонтальної та
вертикальної поляризації хвилі. Коефіцієнт відбиття залежить від довжини
хвилі та параметрів ґрунту: відносної діелектричної проникності та
питомої провідності . Кут падіння 2 як і в попередньому випадку може
бути знайдений за формулою (2.11) і залежать від висот антен h1 , h2 і
відстані між ними r ;
• відстані, що проходять пряма та відбита хвилі r1 та r2 , визначаються за
формулами (2.9) і (2.12) і як і кути залежать від висот антен h1 , h2 і відстані
між ними r .
Таким чином для визначення напруженості електричного поля в точці
прийому необхідно мати дані про:
• відстань між передавачем і приймачем r ;
• потужність передавача P ;
• довжину хвилі сигналу, що випромінюється передавачем ;
• висоти підйому передавальної й приймальної антен h1 , h2 ;
• ширину діаграм направленості в горизонтальній 2 та вертикальній 2
площинах;
• вид поляризації;
• параметри ґрунту: відносну діелектричну проникність та питому
провідність .
Для структурування програми підготуємо ряд допоміжних віртуальних
інструментів, представлених на рис.3.1. Для спрощення сприйняття структурної
схеми, на ній не вказані зворотні зв’язки і додаткові константи, які наявні в виразі
(2.14). Остаточна структура буде синтезована в середовищі LabView.
2 коефіцієнт направленої
2 дії антени D
Діаграма направленості
антени передавача F()
Р
r Кут до горизонту, під
h1 яким поширюється
h2 пряма хвиля 1
Кут до горизонту, під Сумарна напруженість
яким поширюється електричного поля
відбита хвиля 2 в точці прийому
Довжина шляху
прямої хвилі r1
Довжина шляху
відбитої хвилі r2
Вид поляризації:
горизонтальна
Коефіцієнт відбиття
при горизонтальній
поляризації хвилі R г (2 )
вертикальна
Коефіцієнт відбиття
при вертикальній
поляризації хвилі R в (2 )
Рисунок 3.1 – Структурна схема віртуальної установки для моделювання
поширення земних радіохвиль на основі променевої моделі
3.2 Створення функціональних блоків віртуальної установки для
моделювання поширення земних радіохвиль на заміських трасах
3.2.1 Коефіцієнт направленої дії антени
Цей блок повинен визначати значення коефіцієнта направленої дії в
напрямку максимуму діаграми направленості по її ширині у вертикальній і
горизонтальній площинах. математичною моделлю блоку служить вираз (2.3).
Для зручності будемо вважати, що ширина діаграми направленості
задається в градусах. Створимо в LabVIEW новий прилад, вибравши команди
меню File New VI.
Створюємо лицьову панель віртуального приладу (ВП). Для цього
помістимо на лицьову панель із палітри Controls Numeric два цифрових
регулятори й цифровий індикатор. Міточним інструментом привласнимо їм мітки:
«Ширина ДС верт в град», «Ширина ДС гориз в град», «КСД» (рис. 3.2,а).
а) б)
Рисунок 3.2 – Лицьова панель (а) і блок-діаграма (б)
ВП для визначення коефіцієнту направленої дії антени
Перейдемо у вікно структурної схеми. Помістимо у вікно з палітри
Functions Numeric оператор множення Multiply, оператор ділення Divide і
цифрову константу Numeric Constant, якій привласнимо значення 32000.
Монтажним інструментом з'єднаємо термінали на структурній схемі (рис.3.2,б).
Відкоригуємо іконку ВП, напис в іконці «КСД» відповідає обчислюваній
величині. У вікні лицьової панелі перейдемо від іконки до з’єднувача (Shov
Connector). Монтажним інструментом зіставимо контакти з’єднувача з
регуляторами й індикатором на лицьовій панелі. Збережемо ВП, давши йому ім’я
«КСД».
3.2.2 Діаграма направленості антени передавача у вертикальній
площині
Цей ВП повинен визначати значення діаграми направленості передавальної
антени в заданому кутом напрямку при відомій ширині діаграми у вертикальній
площині згідно з виразом (2.5). Будемо вважати, що кутові величини задаються в
градусах. Створимо в LabVIEW новий прилад, вибравши команди меню
File New VI. Створюємо лицьову панель ВП. для цього помістимо на лицьову
панель із палітри Controls Numeric два цифрових регулятори й цифровий
індикатор. Міточним інструментом привласнимо їм мітки: «Ширина ДС в град.»,
«Кут, град.», «ДС» (рис.3.3,а).
а) б)
Рисунок 3.3 – Лицьова панель (а) і блок-діаграма (б)
ВП для визначення діаграми направленості антени передавача
Перейдемо у вікно структурної схеми (рис.3.3,б). Оскільки значення кута і
ширини ДС вводяться в градусах, їх необхідно перевести в радіани. Для цього
необхідно величину в градусах розділити на 180 і помножити на .
Використовуючи оператор cosine з палітри Functions Numeric Trigonometric і
Logarithm Base 2 обчислюється степінь n , що визначає ширину діаграму
направленості, згідно з виразом (2.5). Використовуючи повторно оператор cosine,
а також Logarithm Base 10 і Power of 10 можна реалізувати вираз (2.6) для
обчислення діаграми направленості антени передавача.
Відкоригуємо іконку ВП, напис в іконці «ДС» відповідає обчислюваній
процедурі. Збережемо ВП, давши йому ім’я «Вертикальна ДС».
3.2.3 Визначення кута до горизонту, під яким поширюється пряма
хвиля
Цей ВП повинен визначати значення кута 1 до горизонту, під яким
поширюється пряма хвиля із точки передачі в точку прийому. Він повинен
реалізовувати вираз (2.8). Вихідними величинами є: відстань між антенами r у
кілометрах, висота h1 передавальної антени в метрах, висота h2 приймальної
антени в метрах.
Створимо в LabVIEW новий прилад, вибравши команди меню File New
VI. Створюємо лицьову панель ВП. Помістимо на лицьову панель із палітри
Controls Numeric три цифрових регулятори й цифровий індикатор. Міточним
інструментом привласнимо їм назви: «Висота передавальної антени h1 в м»,
«Висота приймальної антени h2 в м», «Відстань r в км», «Кут поширення прямої
хвилі» (рис. 3.4,а).
Перейдемо у вікно структурної схеми. Помістимо у вікно з палітри
Functions Numeric оператор множення Multiply, оператор ділення Divide,
оператор віднімання Subtract і цифрову константу Numeric Constant. Привласнимо
константі значення 1000 для перерахунку відстані з метрів в кілометри. З палітри
Functions Trigonometric помістимо у вікно структурної схеми оператор
арктангенса Inverse Tangent. Монтажним інструментом з’єднаємо термінали на
структурній схемі (рис.3.4,б). Отриманий результат має розмірність радіан, тому
його доцільно перерахувати в градуси. Для цього результат в радіанах множимо
на 180 і ділимо на .
а) б)
Рисунок 3.4 – Лицьова панель (а) і блок-діаграма (б)
ВП для визначення кута до горизонту, під яким поширюється пряма хвиля
Відкоригуємо іконку СубВІ, напис в іконці «Кут прямої хвилі» відповідає
обчислюваній величині. Збережемо ВП, давши йому ім’я «Кут прямої хвилі».
3.2.4 Визначення кута до горизонту, під яким поширюється відбита
хвиля
Цей ВП повинен визначати значення кута 2 до горизонту, під яким
поширюється відбита хвиля із точки передачі в точку відбиття. Він повинен
реалізовувати вираз (2.11).
Вихідними величинами є: відстань між передавачем і приймачем r у
кілометрах, висота h1 передавальної антени в метрах, висота h2 приймальної
антени в метрах. Вираз (2.8), реалізований у ВП «Кут прямої хвилі», відрізняється
від виразу (2.11) лише заміною суми висот антен на їхню різницю. Створення ВП
«Кут відбитої хвилі» відрізняється використанням оператора додавання Add
замість оператора віднімання. Лицьова панель і структурна схема ВП наведена на
рис.3.5. Зберігаємо ВП під ім’ям «Кут відбитої хвилі».
а) б)
Рисунок 3.5 – Лицьова панель (а) і блок-діаграма (б)
ВП для визначення кута до горизонту, під яким поширюється відбита хвиля
3.2.5 Визначення довжини шляху прямої хвилі
Цей ВП визначає довжину шляху прямої хвилі AB = r1 (рис.2.2). Він
повинен реалізовувати вираз (2.9). Вихідними величинами є: відстань r в
кілометрах, висота h1 передавальної антени в метрах, висота h2 приймальної
антени в метрах.
Створимо в LabVIEW новий прилад, вибравши команди меню File New
VI. Створюємо лицьову панель ВП. Помістимо на лицьову панель із палітри
Controls Numeric три цифрових регулятори й цифровий індикатор. Міточним
інструментом привласнимо їм назви: «Висота передавальної антени h1 в м»,
«Висота приймальної антени h2 в м», «Відстань r в км», «Шлях прямої хвилі»
(рис.3.6,а).
Перейдемо у вікно структурної схеми. Помістимо у вікно з палітри
Functions Numeric три оператори множення Multiply, оператор додавання Add,
оператор віднімання Subtract й оператор добування квадратного кореня Square
Root. У тій же палітрі беремо й переносимо в структурну схему цифрову
константу Numeric Constant. Привласнимо константі значення 1000 для
перерахунку відстані з метрів в кілометри. Монтажним інструментом з’єднаємо
термінали на структурній схемі (рис.3.6,б).
а) б)
Рисунок 3.6 – Лицьова панель (а) і блок-діаграма (б)
ВП для визначення довжини шляху прямої хвилі
Відкоригуємо іконку ВП, напис в іконці «Шлях прямої хвилі» відповідає
обчислюваній величині. Збережемо ВП, давши йому ім’я «Шлях прямої хвилі».
3.2.6 Визначення довжини шляху відбитої хвилі
Цей ВП повинен визначати довжину шляху AOB = r2 (рис.2.2), що
проходить відбита хвиля приходить із точки А у точку В. Він повинен
реалізовувати вираз (2.12). Вихідними величинами є: відстань r у кілометрах,
висота h1 передавальної антени в метрах, висота h2 приймальної антени в метрах.
Вираз (2.9), реалізований у ВП «Шлях прямої хвилі», відрізняється від виразу
(2.12) лише заміною суми висот антен на їх різницю. Створення ВП «Шлях
відбитої хвилі» відрізняється використанням оператора додавання Add замість
оператора віднімання. Структурна і блок-схеми ВП представлені на рис.3.7.
Збережемо ВП під ім’ям «Шлях відбитої хвилі».
а) б)
Рисунок 3.7 – Лицьова панель (а) і блок-діаграма (б)
ВП для визначення довжини шляху відбитої хвилі
3.2.7 Коефіцієнт відбиття при горизонтальній поляризації хвилі
Цей ВП повинен визначати значення модуля й фази коефіцієнта відбиття від
земної поверхні для хвилі з горизонтальною поляризацією поля, реалізуючи вираз
(2.1). Вихідними величинами є: відносна діелектрична проникність, питома
провідність ґрунту в См м , довжина хвилі в метрах, кут ковзання в градусах.
Створимо в LabVIEW новий прилад, вибравши команди меню File New
VI. Створюємо лицьову панель ВП.
Помістимо на лицьову панель із палітри Controls Numeric чотири
цифрових регулятори й два цифрових індикатори. Міточним інструментом
привласнимо їм відповідні назви (рис.3.8,а).
Перейдемо у вікно структурної схеми. Переводимо градуси в радіани.
Помістимо у вікно з палітри Functions Numeric три оператори множення
Multiply, оператор ділення Divide, два оператори віднімання Subtract, оператор
додавання Add й оператор добування квадратного кореня Square Root. Помістимо
у вікно з палітри Functions Numeric цифрову константу Numeric Constant і
привласнимо константі значення -60. З палітри Functions Numeric
Trigonometric помістимо у вікно структурної схеми оператор Sine&Cosine, що
видає відразу синус і косинус вхідного аргументу. З палітри
Functions Numeric Complex помістимо у вікно структурної схеми оператор
формування комплексного числа з його реальної й уявної частин Re/Im To
Complex й оператор одержання з комплексного числа його модуля й фази
Complex To Polar. Монтажним інструментом з’єднаємо термінали на структурній
схемі (рис.3.8,б).
а) б)
Рисунок 3.8 – Лицьова панель (а) і блок-діаграма (б) ВП для визначення
коефіцієнту відбиття при горизонтальній поляризації хвилі
Оператори додавання, віднімання, множення, ділення, добування кореня
роблять операції як над дійсними, так і над комплексними операндами,
самостійно визначаючи тип вхідних і вихідних величин. Використання цієї
властивості приводить до істотного спрощення структурної схеми.
Відкоригуємо іконку ВП, напис в іконці «Коеф. відбиття гориз.» відповідає
обчислюваній величині. Збережемо ВП, давши йому ім’я «Коефіцієнт відбиття
(горизонтальна)».
3.2.8 Коефіцієнт відбиття при вертикальній поляризації хвилі
Цей ВП повинен визначати значення модуля й фази коефіцієнта відбиття від
земної поверхні для хвилі з вертикальною поляризацією поля, реалізуючи вираз
(2.2). Вихідними величинами є: відносна діелектрична проникність, питома
провідність ґрунту в См м , довжина хвилі в метрах, кут ковзання в градусах.
Процес створення ВП «Коефіцієнт відбиття (вертикальна)» багато в чому
повторює створення ВП «Коефіцієнт відбиття (горизонтальна)». Лицьові панелі
цих ВП з регуляторами й індикаторами ідентичні. Всі елементи структурних схем:
СубВІ, оператори, константа - однакові. Відрізняється лише схема їх з’єднання.
Термінали елементів з'єднуємо у відповідності зі структурною схемою (рис.3.9,б).
а) б)
Рисунок 3.9 – Лицьова панель (а) і блок-діаграма (б) ВП для визначення
коефіцієнту відбиття при вертикальній поляризації хвилі
Відкоригуємо іконку ВП. Збережемо ВП, давши йому ім’я «Коефіцієнт
відбиття (вертикальна)».
Таким чином, в даному пункті були запропоновані віртуальні прилади, що
імітують знаходження всіх складових, які входять до складу математичної моделі
виду (2.14)
3.3 Віртуальний прилад для моделювання поширення земної радіохвилі
на заміських трасах
Цей віртуальний прилад повинен мати широкі можливості по моделюванню
поширення радіохвилі над плоскою поверхнею Землі. Він буде містити в собі всі
раніше підготовлені ВП. Створимо в LabVIEW віртуальний прилад, вибравши
команди меню File New VI.
Створюємо лицьову панель ВП. Вище всіх регуляторів у декоративному
елементі Horizontal Button Box, взятому в палітрі Decorations, помістимо міточним
інструментом заголовок «Поширення земних радіохвиль». Праворуч, взявши з
палітри Boolean, помістимо кнопку зупинки Stop Button (рис.3.10). В п.2.1
наведено перелік об’єктів, які необхідно розмістити на лицьовій панелі. Для
зручності роботи з віртуальною установкою розділимо вхідні параметри на 3
групи: «Параметри передавача», «Висоти антен» і «Параметри ґрунту» і за
допомогою міточного інструменту зробимо відповідні написи. Вихідна
інформація відображається на графічному індикаторі. Під першою міткою
розміщуємо регулятор Dial, два регулятори Horizontal Pointer Slide з палітри
Numeric. Зробимо видимими їхні цифрові дисплеї й дамо їм мітки: «Ширина
діаграми направленості в град», «Довжина хвилі», «Потужність передавача, Вт».
Для кожного регулятора встановимо його межі й крок регулювання. Для
цього клацнемо по регуляторі правою кнопкою миші й виберемо в контекстному
меню пункт Data Entry. У вікні, що відкрилося, Knob Properties на сторінці Data
Entry вводимо мінімальне (Minimum), максимальне (Maximum) значення й крок
зміни (Increment) регульованого параметра (рис. 3.11). Для регулятора, що змінює
ширину діаграми направленості привласнимо граничні значення 0 і 180, а крок
становить 1 градус. Потужність буде змінюватися від 0 до 10 Вт з кроком 0,1 Вт.
Максимальна довжина хвилі відповідає верхній границі КХ діапазону – 100
метрів, а нижня становить 0,1 м.
Рисунок 3.10 – Лицьова панель ВП «Поширення земної радіохвилі»
Рисунок 3.11 – Вікно Knob Properties для регулятора
«Ширина діаграми направленості в град»
З палітри Boolean беремо й розміщуємо перемикач Horizontal Toggle Switch.
Після клацання правою кнопкою миші на перемикачі вибираємо в контекстному
меню Visible Items Label і Visible Items Caption. У рамки, що з’явилися,
вводимо міточним інструментом назви положень перемикача: «Горизонтальна» й
«Вертикальна». Між ними створюємо міточним інструментом назву перемикача
«Поляризація».
Під міткою «Висоти антен» поміщаємо два регулятори Horizontal Pointer
Slide з палітри Numeric, що задають відповідно висоту передавальної « h1 в м» і
приймальної « h2 в м» антен.
Під міткою третьої групи «Параметри ґрунту» поміщаємо два регулятори
Horizontal Pointer Slide з палітри Numeric, що задають параметри ґрунту. У мітки
регуляторів внесемо їх найменування: «Діелектрична проникність», «Питома
провідність, См/м». Для зручності, після клацання правою кнопкою миші на
кожному регуляторі вибираємо в контекстному меню Visible Items Digital
Display, чим зробимо видимими цифрові дисплеї регуляторів.
Встановимо для цих регуляторів межі й крок регулювання. З таблиці 2.1
видно, що питома провідність змінюється в дуже широких межах від 10-6 до 20,
тому для зручності роботи з регулятором «Питома провідність» перетворимо його
лінійну шкалу в логарифмічну. Для цього у вікні Slide Properties на сторінці Scale
відзначаємо галочкою пункт Logarithmic. Те ж саме можна зробити інакше.
Відкриваємо для регулятора «Питома провідність» контекстне меню, в якому
вибираємо Scale Mapping Logarithmic.
Візьмемо з палітри Controls Graph XY Graph графічний індикатор і
помістимо його на праворуч відносно вхідних величин (рис.3.10). Після клацання
правою кнопкою миші на індикаторі вибираємо в контекстному меню Visible
Items X Scale Visible Scale Label. Вводимо найменування шкали «Відстань в
км». Повторюємо операцію для другої осі Visible Items Y Scale Visible Scale
Label. Вводимо найменування шкали «Амплітуда напруженості електричного
поля, мВ/м». Зробимо видимою панель курсору й відключимо автомаштабування
по обох вісях.
Для зручності проведення досліджень необхідно забезпечити можливість
корегування відстані між антенами. Помістимо нижче графічного індикатора з
палітри Controls Numeric два регулятори Horizontal Pointer Slide і привласнимо
їм мітки «Довжина лінії в км» й «Мінімальну відстань у км». Ці регулятори будуть
управляти горизонтальною шкалою графічного індикатора. Якщо при
регулюванні встановити довжину лінії менше мінімальної відстані, то на
індикаторі нічого не буде відображатися.
На цьому створення лицьової панелі закінчується. Для поліпшення її
зовнішнього вигляду вирівнюємо елементи, коригуємо їх розміри, обираємо
зручне кольорне рішення.
Перейдемо у вікно структурної схеми Block Diagram (рис.3.12). Нагадаємо,
що структурна схема ВП реалізує вираз (2.14). Перемістимо термінали
регуляторів, що задають параметри ґрунту, довжину хвилі й вид поляризації, до
лівого краю вікна структурної схеми.
Рисунок 3.12 – Блок-діаграма ВП «Поширення земної радіохвилі»
З палітри Functions Structures вибираємо оператор циклу For Loop.
Помістивши його у вікно структурної схеми, розтягуємо рамку й міточним
інструментом задаємо число його виконань, рівне 1000.
Термінали вхідних регуляторів «Ширина діаграми направленості в град»,
«Потужність передавача, Вт», « h1 в м », « h2 в м » розміщуємо всередині рамки
циклу (рис.3.12).
З палітри Functions вибираємо Select a VI. З вікна, що відкрилося,
поміщаємо в рамку циклу попередньо створені ВП: «КСД», «Кут прямої хвилі»,
«Кут відбитої хвилі», «Шлях прямої хвилі», «Шлях відбитої хвилі», «Коефіцієнт
відбиття (вертикальна)», «Коефіцієнт відбиття (горизонтальна)» і двічі
«Вертикальна ДС».
Помістимо всередину рамки оператора циклу з палітри Functions Numeric
два оператори ділення Divide, дванадцять операторів множення Multiply, чотири
оператори додавання Add, оператор віднімання Subtract. Там же візьмемо цифрові
константи Numeric Constant зі значеннями 2 та 360. З палітри
Functions Numeric Additional Numeric Constants помістимо у вікно
структурної схеми константу 2 .
З палітри Functions Numeric Trigonometric візьмемо оператор косинуса
Cosine. Для розрахунків при двох видах поляризації з палітри Comparison
поміщаємо в рамку циклу два оператори Select. Їх логічні входи з’єднуємо
монтажним інструментом з перемикачем «Поляризація».
Розмістимо зручніше всі ці елементи в рамці оператора й монтажним
інструментом з’єднаємо термінали (рис.3.12). Зовнішні для оператора циклу For
Loop вхідні величини й керуючі сигнали проходять всередину циклу через тунелі,
що автоматично утворюються при проході через границю оператора монтажного
інструмента.
З палітри Functions Cluster вибираємо оператор Bundle і переносимо його
у вікно структурної схеми до вихідних тунелів на нижній стороні рамки оператора
циклу. Монтажним інструментом з’єднуємо термінал оператора Bundle з
вихідними тунелями циклу й графічним індикатором.
З палітри Functions Application Control вибираємо оператор зупинки Stop і
з’єднуємо його з терміналом однойменної кнопки лицьової панелі.
Помістимо під оператором циклу оператори ділення Divide і віднімання
Subtract. З’єднаємо їх з терміналами регуляторів «Довжина лінії в км» та
«Мінімальної відстань в км» у відповідності зі схемою (рис.3.12).
Для керування шкалою відстані на графічному індикаторі будемо
використовувати регулятори «Довжина лінії в км» й «Мінімальну відстань в км».
Клацнемо правою кнопкою миші на терміналі індикатора XY Graph «Амплітуда
напруженості електричного поля в мВ м ». У контекстних меню, що
відкриваються, вибираємо послідовно Create Property Node. На структурній
схемі з’являється елемент вузла атрибутів. Тепер клацаємо на ньому правою
кнопкою миші й у контекстному меню вибираємо Properties X
Scale Range Maximum. Ще раз клацнемо правою кнопкою миші на терміналі
індикатора XY Graph. У контекстних меню, що відкриваються, вибираємо
послідовно Create Property Node. На структурній схемі з’являється елемент
вузла атрибутів. Тепер клацаємо на ньому правою кнопкою миші й у
контекстному меню вибираємо Properties X Scale Range Minimum.
Створено атрибути керування початковим і кінцевим значеннями горизонтальної
шкали індикатора XY Graph. Атрибут XScale.Minimum з’єднуємо з регулятором
«Мінімальна відстань в км». Атрибут XScale.Maximum з’єднуємо з регулятором
«Довжина лінії в км».
Для отримання нормованих значень амплітуди напруженості електричного
поля плине значення ділиться на максимальне. Це реалізується за допомогою
оператора знаходження максимального значення масиву Array Max & Min і
оператора ділення Divide.
На цьому робота зі створення віртуального приладу завершена. Збережемо її
результати як ВП з ім’ям «Поширення земної радіохвилі».
3.4 Моделювання поширення радіохвиль на заміських трасах за
допомогою віртуальної установки в середовищі LabView
Модернізована віртуальна установка дозволяє варіювати як геометричні, так
й електричні параметри радіолінії й земної поверхні. Розглянемо план досліджень,
у тому числі для конкретних значень вихідних параметрів.
1. Запустити лабораторну установку, ознайомитися з органами керування.
2. Виконаємо дослідження для вихідних параметрів, наведених в табл. 3.1.
Таблиця 3.1
Вихідні параметри для дослідження поширення радіохвиль над поверхнею Землі
Параметри Значення
Питома провідність (См / м) 0,01
Відносна діелектрична проникність 25
Довжина хвилі (м) 20
Висота передаючої антени h1(м) 100
Висота приймальної антени h2 (м) 30
Ширина діаграми направленості 2(град) 90
Потужність передавача, Вт 1
Довжина лінії r(км) 1
3. Досліджувати розподіл амплітуди напруженості електричного поля від
відстані:
3.1 встановити довжину хвилі , питому провідність й відносну
діелектричну проникність відповідно до даних табл.3.1;
3.2 встановити висоту передавальної антени h1 , висоту приймальної антени
h2 , ширину діаграми направленості 2 відповідно до даних табл.3.1;
3.3 встановити горизонтальну поляризацію поля;
3.4 за допомогою регуляторів «Довжина лінії в км» й «Мінімальну відстань
в км» домогтися найбільш інформативного графіка амплітуди поля від відстані на
індикаторі;
3.5 за допомогою курсору зробити по точках вимірювання кривої на
індикаторі установки. Дані занести в таблицю. При необхідності окремі ділянки
графіка можна розтягти на індикаторі за допомогою регуляторів «Довжина лінії в
км» й «Мінімальну відстань в км»;
Результати дослідження розподілу амплітуди напруженості електричного
поля від відстані для горизонтальної поляризації хвилі наведені на рис.3.13,а.
3.6 встановити вертикальну поляризацію поля;
3.7 за допомогою курсору зробити по точках вимірювання кривої на
індикаторі установки. Дані занести в таблицю. При необхідності окремі ділянки
графіка можна розтягти на індикаторі за допомогою регуляторів «Довжина лінії в
км» й «Мінімальну відстань у км»;
Графік залежності розподілу амплітуди напруженості електричного поля від
відстані для вертикальної поляризації хвилі наведено на рис.3.13,б.
З графіків, наведених на рис.3.13 видно, що розподіл поля принципово
змінюється в залежності від виду поляризації. Так при вертикальній поляризації
напруженість поля E 0,1Emax на відстанях r >1,34 км, а для горизонтальної
поляризації аналогічний рівень сигналу можливий лише до відстані r =1 км.
а) б)
Рисунок 3.13 – Залежність відносної амплітуди напруженості електричного
поля від відстані при горизонтальній (а) та вертикальній (б) поляризації хвилі
4. Досліджувати розподіл поля від ширини діаграми направленості антени:
4.1 не змінюючи довжину хвилі , питому провідність й відносну
діелектричну проникність , висоту передавальної антени h1 , висоту приймальної
антени h2 , для фіксованої відстані r знайти амплітуду напруженості
електричного поля при різних значеннях ширини діаграми направленості 2 .
4.2 Зробити по точках вимірювання для горизонтальної і вертикальної
поляризації. Дані занести в таблицю.
Результати цього експерименту не можна безпосередньо спостерігати у
вигляді залежності на екрані графічного індикатору, тому складемо табл.3.2
експериментальних значень. По результатам вимірювань будуємо графіки
(рис.3.14).
Таблиця 3.2
Залежність відносної амплітуди напруженості електричного поля
від ширини діаграми направленості для фіксованої відстані r =1 км
2 , град 10 30 60 90 120 150 180
Горизонтальна поляризація
Eгор 0,94 0,35 0,14 0,1 0,09 0,08 0,07
Вертикальна поляризація
Eверт 0,87 0,46 0,2 0,17 0,16 0,14 0,13
1
0,8
0,6 Егор
0,4 Еверт
0,2
0
0 30 60 90 120 150 180
ширина ДС
Рисунок 3.14 – Залежність відносної амплітуди напруженості вектора Е
від ширини діаграми направленості
5. Досліджувати розподіл поля по висоті:
5.1 не змінюючи положення регуляторів, встановити курсор на екрані в
положення довжини лінії r =1 км;
5.2 змінюючи висоту прийомної антени h2 за допомогою курсору, зробити
по точках вимір залежності амплітуди поля від висоти на фіксованій відстані.
Дані занести в таблицю;
5.3 перемінити поляризацію поля на горизонтальну;
5.4 змінюючи висоту приймальної антени h2 за допомогою курсору, зробити
по точках вимірювання залежності амплітуди поля від висоти на фіксованій
відстані. Дані занести в таблицю;
5.5 побудувати графіки отриманих залежностей. Визначити положення
перших максимумів на графіках.
Як і в попередньому експерименті результати не можна безпосередньо
спостерігати на екрані графічного індикатору, тому занесемо дані в табл.3.3. За
результатам вимірювань будуємо графічні залежності (рис.3.15). Перші
максимуми поля відповідають висотам приймальної антени 25 м і 40 м відповідно
для горизонтальної та вертикальної поляризації хвилі.
Таблиця 3.3
Залежність відносної амплітуди поля від висоти підйому
прийомної антени для фіксованої відстані r =1 км
h2 , м 10 40 80 120 160 200 240
Eгор 0,12 0,12 0,07 0,09 0,07 0,15 0,13
Eверт 0,06 0,16 0,11 0,09 0,19 0,04 0,22
Також можна досліджувати вплив решти параметрів на розподіл амплітуди
поля. Зокрема зі збільшенням питомої провідності й відносної діелектричної
проникності напруженість поля незначно зменшується.
Приклад складного розподілу амплітуди поля наведено на рис.3.16.
0,25
0,2
0,15 Егор
0,1 Еверт
0,05
0
0 30 60 90 120 150 180
висота приймальноъ антени h2
Рисунок 3.15 – Залежність відносної амплітуди поля від висоти антени
Рисунок 3.16 – Залежність відносної амплітуди поля
від параметрів радіоканалу та ґрунту
4. ОХОРОНА ПРАЦІ
4.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на співробітника
проектної лабораторії
В процесі моделювання розповсюдження електромагнітних хвиль на
співробітника проектної лабораторії впливають різноманітні параметри
робочої обстановки, до яких відносяться, зокрема, температура, вологість і
швидкість руху повітря, шум, вібрація, шкідливі речовини, різноманітні
випромінювання тощо. Все це в сукупності характеризує певні умови, в яких
протікає праця людини. Як відомо, від умов праці в значному ступені
залежать здоров'я і працездатність людини, її відношення до праці і
результати її діяльності. При поганих умовах різко знижується
продуктивність праці і створюються передумови для виникнення травм і
професійних захворювань. Проаналізуємо фактори, що впливають на здоров'я
і працездатність співробітника, який працює у проектній лабораторії.
Робоче місце співробітника являє собою простору аудиторію, яка
мебльована столами та шафами, укомплектована ПК та периферійним
обладнанням. Монітори ПК розташовані таким чином, що відстань від екрану
монітору до користувача складає не менше 70 cм, при цьому кут зору становить
о
близько 30 .
Щодо розташування предметів на робочому місці, то всі вони
знаходяться в робочій зоні в межах прямої видимості та розміщені на відстані
не більше 80 см від працівника. Розміри столу становлять: довжина – 1,2 м,
ширина – 0,9 м, висота – 0,745 м. Висота стільця становить 0,45 м. З
врахуванням середнього росту людини, який складає 160–180 см, можна
сказати, що положення, яке співробітник лабораторії займає при роботі
відповідає нормативним інструкціям і рекомендаціям ДСТУ 8604:2015
«Дизайн і ергономіка. Робоче місце для виконання робіт у положенні сидячи.
Загальні ергономічні вимоги». При цьому потрібно відмітити, що положення
моніторів вибрано найкращим чином, так як світло, що потрапляє через вікно,
падає з лівого чи правого боку від працюючого в залежності від розташування
робочого місця і, таким чином, не засліплює йому очі. Задля кращого
уникнення негативного ефекту, пов’язаного з надмірною освітленістю
приміщення, вікна обладнані жалюзі.
Розміри лабораторії становлять: довжина – 8 м, ширина – 4,5 м, висота –
3 м. Відповідно її площа дорівнює 36 м2. Найбільша кількість одночасно
працюючих становить 4 особи. Звідси площа, що припадає на одного
робітника, дорівнює 9 м2, що відповідає ДБН В.2.2.28-2010. Об’єм
приміщення складає 108 м3. Звідси визначаємо, що об'єм який припадає на
одну людину дорівнює 27 м3. Нормативне значення складає 15 м3. З
наведених даних можна зробити висновок, що дане приміщення задовольняє
вимогам ДБН В.2.2.28-2010 з розрахунку на одну людину.
В лабораторії рівень шуму, який в основному зумовлений одночасною роботою
системних блоків комп’ютерів не перевищує 45 дБА. Інколи, при роботі принтера це значення
досягає 55 дБА. Але, відповідно ДСН 3.3.6.037-99, нормативне значення допустимого рівню
звукового тиску, рівню звуку та еквівалентного рівню звуку на робочому місці в лабораторії
становить 60 дБА. Таким чином, фактичні рівні шуму в приміщенні лабораторії не
перевищують нормативні значенні цього параметру.
В приміщенні лабораторії вплив електромагнітного випромінювання на
людину відбувається на частоті системної шини персонального комп’ютера та від
мережі змінного струму частотою 50 Гц. Відповідно ДСН 3.3.6.096-2002
знаходимо, що гранично допустимий рівень напруженості електромагнітного
поля (ЕМП) по електричній складовій (В/м) на робочих місцях персоналу
протягом робочого дня у діапазоні частот від 50 до 300 МГц не повинен
перевищувати встановленої межі у 5 В/м. У нашому випадку напруженість ЕМП
становить 0,12-0,15 В/м. Таким чином, фактичне значення параметру не
перевищує нормативне. Можна зробити висновок, що клас умов праці за даним
параметром відноситься до допустимих.
Освітлення в лабораторії здійснюється через віконні отвори (природне
однобічне освітлення), за допомогою світильників на стелі (штучне верхнє
освітлення) або одночасно - світильники і вікна (сполучене освітлення). В
приміщенні вздовж однієї зі стін розташовано 2 вікна, розміри кожного з яких
становлять 2 м на 1,3 м.
Величина необхідного освітлення на робочому місці приміщення
нормується з ДБН В.2.5-28-2018. При штучному освітленні нормується величина
освітленості в люксах (Лк), яка вибирається в залежності від характеристики
зорової праці з урахуванням найменшого розміру об'єкта розрізнення, фона,
контраста об'єкта розрізнення з фоном.
За найменший об’єкт розрізнення приймемо крапку в тексті книги чи на
екрані монітору, розмір якого визначимо на рівні 0,15–0,3 мм. Користуючись ДБН
В.2.5-28-2018, визначаємо, що за розміром обраного нами найменшого об’єкта
розрізнення, ступінь точності зорової праці відноситься до високого і становить ІІ
розряд. Нормативне значення КПО для визначеного розряду зорової роботи
відповідає – ен = 1,8%. Фактичне значення КПО становить 32-34%. Отже, рівень
природного освітлення в даному приміщенні знаходиться в нормі.
Нормативне значення штучного загального освітлення становить
400 лк. Фактичне значення згаданого параметра відповідає 150-180 лк, що в два
рази нижче зазначеної норми, відповідно ДБН В.2.5-28-2018.
В якості джерел світла при штучному освітленні використовуються
люмінесцентні лампи, в світильниках типу ЛСП 02В - 1×40, загальна кількість
яких становить 4. Таким чином в даному приміщенні рекомендується
модернізувати систему штучного освітлення.
Згідно ДСН 3.3.6.042-99 окремо для двох періодів року, визначаємо оптимальні і
допустимі значення температури, відносної вологості та швидкості руху повітря.
Враховуючи характеристику трудової діяльності людини, яка визначає
ступінь залучення до роботи м'язів і відображає фізіологічні витрати внаслідок
фізичного навантаження, потрібно відмітити, що дана робота є сидячою і при
цьому не спостерігається фізична напруга працівника. Людина на такій посаді
працює з витратами до 120 ккал/год, а отже дана робота відноситься до легкої
фізичної (категорія Iа). Оскільки на даному робочому місці робітник безперервно
знаходиться більшу частину свого робочого часу, при цьому не змінюючи
оточення, то дане робоче місце можна віднести до постійного.
Нормовані величини температури, відносної вологості і швидкості руху
повітря в робочій зоні виробничого приміщення в холодний період року:
- Оптимальне значення температури 22-24°С;
- Допустиме значення температури 21-25°С;
- Оптимальне значення відносної вологості 40-60%;
- Оптимальне значення швидкості руху повітря 0,1м/с;
- Допустиме значення швидкості руху повітря ≤0,1 м/с.
Нормовані величини температури, відносної вологості і швидкості руху
повітря в робочій зоні виробничого приміщення в теплий період року:
- Оптимальне значення температури 23-25°С;
- Допустиме значення температури 22-28°С;
- Оптимальне значення відносної вологості 40-60%;
- Оптимальне значення швидкості руху повітря 0,1 м/с;
- Допустиме значення швидкості руху повітря 0,1-0,2 м/с.
В лабораторії фактичне значення температури в холодний період року
становить 20°С, що нижче від відповідної нижньої межі допустимого значення.
Таким чином дані умови праці відносяться до першого ступеня шкідливості. Це в
свою чергу може призвести до легких форм застуди. Рекомендується в даному
приміщенні в холодний період року користуватися автономним обігрівачем
невеликої потужності.
Що стосується теплого періоду року, то фактичне значення температури
відповідає 26°С, що в свою чергу перевищує оптимальне значення, але
знаходиться в допустимих межах. Проте, як відомо, висока температура
негативно впливає на самопочуття робітника і, як наслідок, веде за собою
зниження працездатності. В такому випадку рекомендується в даному приміщенні
встановити додатковий кондиціонер, що сприятиме більш комфортній роботі.
Також, завдяки використанню даного технічного засобу, в холодну пору року
відпаде необхідність в використанні автономного обігрівача, так як цю функцію
можна покласти на кондиціонер.
Що ж до швидкості руху повітря, то фактичне значення цієї величини, яке в
свою чергу становить 0,2 м/с, перевищує максимально допустиме значення лише
в холодну пору року. Це може негативно вплинути на здоров’я робітника, так як з
протягом пов’язані такі хвороби, як запалення м’язів, гострі респіраторні
захворювання і ін. Виходом з даної ситуації може бути реконструкція вікон,
пов’язана з заміною їх на більш сучасні – пластикові. Також, необхідно
слідкувати за тим, щоб не створювався протяг в результаті того, що відчинені
двері.
Фактичне значення відносної вологості повітря в приміщенні становить 63-
68%. Це відповідає першому ступеню шкідливості умов праці. Перевищення
вологості в теплий період року призводить до збільшення температури тіла.
Особливо дане явище має місце при відхиленні температури від оптимальних меж
в сторону збільшення. При пониженні температури підвищена вологість може
призвести до переохолодження тіла. Як підвищення, так і зниження температури
тіла може призвести до застуди.
Електропроводка мережі змінного струму лабораторії прихованого типу. Приміщення
відноситься до 3 типу: приміщення без підвищеної небезпеки ураження працівників
електричним струмом (ПУЕ-2014). Обладнання, встановлене в ньому живиться напругою 220 В
і споживає потужність менше ніж 4000 Вт. Деяке обладнання, зокрема ПК, має металевий
корпус, тому згідно ДСТУ Б В.2.5-82:2016 в аудиторії передбачена магістраль захисного
заземлення.
Під час роботи з обладнанням необхідно:
1. При раптовому припиненні подачі електроструму потрібно негайно
вимкнути електрообладнання.
2. Категорично забороняється ремонтувати електрообладнання, вмикати та
вимикати його, якщо це не передбачено в ході роботи.
3. Категорично забороняється проводити будь-які перемикання на
головному розподільному щиті.
4. Не знімати запобіжні кожухи.
5. У випадку виявлення неполагодженого електрообладнання,
вимірювальних приладів і дротів, терміново вимкнути напругу і звернутись до
керівника лабораторії.
6. У випадку ураження електричним струмом слід терміново звільнити
потерпілого від дії струму і прийняти міри по наданню першої допомоги, при
необхідності викликати лікаря.
Лабораторія відноситься до приміщень з категорією пожежовибухо- небезпеки типу В
(ДСТУ Б В.1.1-36:2016), оскільки в лабораторії в наявності деревяні меблі, плакати, підлога,
які є твердими важкогорючими матеріалами. Для попередження пожеж в лабораторії
використовується електрична пожежна сигналізація променевого типу та теплові датчики типу
(ИП-105-2) у кількості 6 шт, відповідно ДБН В.2.5.56-2014. Також дана лабораторія обладнана
двома ручними вуглекислотними вогнегасниками типу ВВК-3,5 (Правила експлуатації та
типові норми належності вогнегасників).
При виникненні пожежі в приміщенні лабораторії працівники зобов'язані:
1. Сповістити про пожежу за телефоном 101. Назвати своє прізвище та прізвище
керівника установи;
2. Повідомити про пожежу керівника установи;
3. Негайно організувати евакуацію людей, використовуючи наявні засоби;
4. Відключити електроенергію, вентиляцію та провести інші заходи, що запобігають
поширенню пожежі та задимленості у приміщенні;
5. Приступити до гасіння пожежі наявними засобами пожежогасіння, а при
неможливості виконання даних дій вийти з приміщення, зачинивши за собою двері, та
діяти згідно з розпорядженнями свого керівника або команди, яка організовує гасіння пожежі;
6. Одночасно з гасінням пожежі організувати евакуацію та захист майна, матеріальних
цінностей;
7. Забезпечити дотримання техніки безпеки працівниками, які беруть участь у гасінні
пожежі;
8. Після прибуття на пожежу пожежних підрозділів забезпечити їм вільний доступ
на території об'єкта.
На основі вищенаведених даних можна сказати, що технічний рівень
робочого місця не відповідає нормативним вимогам. Це проявляється внаслідок
недостатньої кількості джерел світла. Потрібно відмітити, що раціонально
виконане освітлення виробничих приміщень надає позитивного
психофізіологічного впливу на працюючих, сприяє підвищенню продуктивності
праці, забезпеченню її безпеки, знижує втому і травматизм на виробництві,
зберігає високу працездатність в процесі праці. Таким чином в даному
приміщенні рекомендується модернізувати систему загального штучного
освітлення.
4.2 Модернізація системи загального штучного освітлення
До освітлення ставляться певні гігієнічні вимоги. Освітлення повинно бути
рівномірним і достатнім для швидкого й легкого розрізнення об’єктів,
забезпечувати деяку контрастність між об’єктом і фоном. Джерело світла не
повинно засліплювати людину і створювати бліків на об’єкті, що розглядається.
Раціональне освітлення робочих місць і приміщень створює у працівників
певний психологічний тонус, попереджує зорову і загальну втому, сприяє
високопродуктивній праці. Недостатня освітленість робочих місць може бути
непрямою причиною нещасних випадків на виробництві.
Згідно європейських стандартів EN12464-1 вимоги до систем офісного
освітлення виглядають наступним чином:
Рівень освітлення Кольоропередача
Тип приміщення або вид діяльності на робочій (мінімальні
поверхні, лк значення), Ra
Автоматизовані робочі місця 500 80
Конференц-зал 500 80
Приймальні 300 80
Архіви 200 80
Діловодство, копіювальні роботи 300 80
Письмо, читання, обробка даних 600 80
Креслення 750 80
Розрахунок штучного освітлення виконується методом коефіцієнту
використання світлового потоку. Основною задачею розрахунку штучного
освітлення є визначення необхідної кількості світильників для забезпечення
нормативного рівня штучного освітлення за формулою:
Eн S z Кз
N = (4.1)
n Fл
де: Ен – нормоване освітлення, лк (ДБН В.2.5-28-2018);
Кз – коефіцієнт запасу, який враховує зниження освітлення в процесі
експлуатації (для заданого приміщення Кз = 1,4);
S = А·В – площа приміщення, (А – довжина приміщення, В – ширина
приміщення);
z – коефіцієнт мінімального освітлення;
n – кількість ламп (світлодіодів) у світильнику;
Fл – світловий потік лампи (світлодіоду);
– коефіцієнт використання, відн. од.
Для визначення нормованого освітлення – Ен, визначаємо:
- Перелік основних предметів, які повинна розглядати людина у процесі роботи на
заданому робочому місці: надписи на екрані монітору, шрифт у книзі.
- Самі дрібні деталі зображення (найменші об’єкти розрізнення), які містяться на
перелічених предметах: розділові знаки в книжках. Орієнтовно оцінюємо їх розмір у 0,15...0,3
мм.
- Характеристику фона – поверхні, на якій розглядається найменший об’єкт
розрізнення, в залежності від коефіцієнта відбиття поверхні ρ. Фон є світлим (ρ > 0,4), оскільки
в основному маємо справу з написами на білому фоні, як в книзі так і на екрані монітору. Для
вказаного фону коефіцієнт відбиття поверхні ρ = 0,9.
- Контраст об’єкта розрізнення з фоном, тобто наскільки чітко сприймається
найменший об’єкт розрізнення на вищерозглянутому фоні. Контраст є великим (між білим і
чорним).
Користуючись ДБН В.2.5-28-2018 визначаємо, що розмір обраного найменшого об’єкта
розрізнення відноситься до діапазону розмірів в межах 0,15-0,3мм, що відповідає IІг розряду
зорової праці.
Нормативне значення штучного загального освітлення Ен з врахуванням характеристики
фону та контрасту складає Ен = 400 лк.
Відповідно типу приміщення приймаємо тип світильника в залежності від
умов середовища і типу приміщення. Обираємо світлодіодний світильник марки
L-office 25.
Область використання світильника це: офісні приміщення, зони відпочинку,
громадські будівлі, лікарні, школи, оптові магазини, супермаркети, невеликі
магазини продуктових та промислових товарів, виробничі приміщення з
нормальними умовами середовища.
Рисунок 4.1 – Світлодіодний світильник марки L-office 25
Світлодіоди серії OSLON, виконані з використанням нових технологій
виробництва і корпусування кристалів, є одними з самих мініатюрних, серед
призначених для загального освітлення 1-3 Вт світлодіодів. Їх можна
використовувати в освітлювальних приладах практично для будь-яких додатків -
від невеликих локальних світильників до потужних систем підсвічування
архітектурних споруд.
Лінза світлодіода має кут розкриву 80 градусів. Ці світлодіоди оптимізовані
для роботи з вторинної оптикою, що дозволяє отримати необхідну діаграму
кутового розподілу сили світла, а також ідеальні для виробництва спрямованих
джерел.
Всі світлодіоди OSLON мають керамічну підкладку. Низький тепловий опір
(всього 7 K/Вт) істотно полегшує завдання по відведенню тепла. Відмітні
особливості світлодіодів цього сімейства - світлова ефективність понад 100 лм/Вт
(нейтральний і холодний білий), можливість роботи на великих струмах (до 1 А
для холодного білого) при малих розмірах світлодіода. Враховуючи чудовий
тепловідвід, можна вважати світлодіод OSLON найбільш підходящим вибором
при розробці тонких, компактних, простих і складних конструкцій для освітлення.
Крім того, світловий потік цих світлодіодів при підвищеній температурі
практично не змінюється.
Таблиця 4.1
Технічні характеристики світильника L-office 25
Напруга живлення, В від 140 до 265
Частота, Гц 50 ± 10%
Робочий струм світлодіодів, мА 350
Споживана потужність, Вт 32
Марка світлодіода OSRAM OSLON
Світловіддача одного світлодіода, люмен 121
Кількість світлодіодів, шт. 25
Крива розподілення світла Д
Загальний світловий потік, люмен 3025
Кольорова температура, К 4000-6000
Габаритні розміри, мм: ВхДхШ 45×591×591
Маса, кг 4,0
Температура експлуатації від 0 до + 50 °С
Вид кліматичного виконання УХЛ 4
Клас захисту від ураження електричним струмом 1
Ступінь захисту світлодіодного модуля IP40
Лінійка білих світлодіодів серії OSLON перекриває весь ряд колірної
температури по білому кольору світіння: 2700-6500 К з діапазоном індексів
кольору (CRI) 70-95.
За формулою (4.1) розраховуємо кількість світильників N:
Eн S z Кз 400 36 0,9 1,5
N = = = 8,03 9
n Fл 25 1210,8
Таким чином кількість світильників приймаємо N=9.
Необхідно розташувати 9 світильників рівномірно на усій площі стелі
заданого приміщення з врахуванням габаритних розмірів приміщення та
світильників.
Рисунок 4.2 – Світлодіод Osram Oslon black SFH 4716S
Рисунок 4.3 – Стандартні типи кривих сили світла світильників
Таблиця 4.2
Основні характеристики світлодіоду Osram Oslon black SFH 4716S
Розміри 3,85 x 3,85 x 1,51 мм
Довжина хвилі 850 нм
Оптичний вихід 1030 мВт при струму 1 А
Інтенсивність випромінення 225 мВт/ср при струму 1 А
Кут проміню 150°
Висновки
Поява систем електродинамічного моделювання і проектування істотно
змінила вимоги до рівня підготовки користувача САПР. З одного боку, здається,
що ці вимоги знизилися, оскільки тепер проектувальник не зобов'язаний знати
деталі розв’язку електродинамічної задачі. З іншого боку, сучасні САПР НВЧ є
складними системами, функціонування яких істотним чином залежить від безлічі
налаштувань і параметрів, що встановлюються користувачем. При цьому ці
налаштування залежать від стратегії рішення задачі і від вимог до якості рішення,
які також визначає користувач.
З цієї причини користувач, звичайно, не повинен знати усі ці питання в
деталях, але, що можливо не менш складно, він повинен мати якісне уявлення про
дуже широкий круг проблем прикладної електродинаміки. При цьому можна
абсолютно обґрунтовано стверджувати, що відсутність знань такого характеру
майже гарантовано приведе до невірного або у кращому разі неоптимального
рішення.
Для учбових цілей як демонстраційні стенди широке поширення набули так
звані віртуальні прилади. Використовуючи математичну модель будь-якого явища
користувач має змогу організувати комп’ютерний експеримент і всебічно
дослідити явище з необхідною деталізацією. Компанією National Instruments
розроблено середовище LabVIEW, яке допомагає вирішувати завдання різного
типу, витрачаючи значно менше часу і зусиль порівняно з традиційним
написанням програмного коду.
Останніми десятиліттями спостерігається активний розвиток мережі теле- і
радіомовлення. Слід зазначити особливу важливість інформації про поширення
земних радіохвиль, яку можна в тому числі отримувати при моделюванні цих
явищ. При рішенні завдань, пов'язаних з поширенням радіосигналу над земною
поверхнею, неможливо не враховувати велике число чинників, що впливають на
цей процес.
В даній роботі досліджувались особливості розповсюдження земної
радіохвилі на заміських трасах з використанням променевої моделі. В середовищі
LabView модернізована віртуальна установка, яка дозволяє спостерігати розподіл
амплітуди поля від дальності. Вхідними параметри установки є параметри
передавача (ширина діаграми направленості антени, довжина хвилі, потужність
передавача, вид поляризації хвилі), висоти передавальної та приймальної антен,
параметри ґрунту (відносна діелектрична проникність, питома провідність).
Використовуючи модернізовану віртуальну установку проведене
моделювання впливу параметрів радіолінії та електродинамічних характеристик
земної поверхні на розподіл амплітуди напруженості електричного поля.
Побудовано залежності амплітуди електричного поля від відстані при різних
видах поляризації хвилі, від ширини діаграми направленості та від висот антен.
В розділі охорони праці проведено аналіз небезпек та шкідливостей, що
впливають на співробітника проектної лабораторії, а також модернізовано
систему загального штучного освітлення.
Список використаної літератури
1. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. LabVIEW для радиоинженера:
от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для
работы в программной среде LabVIEW. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 400 с.
2. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение
радиоволн. М.: Наука, 1989. – 544 с.
3. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Высш.
школа, 1992. – 416 c.
4. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт із дисципліни
«Поширення радіохвиль і робота радіоліній» для студентів напряму підготовки
6.050903 «Телекомунікації» / Укл.: О.С. Гавриш. – Черкаси: ЧДТУ, 2015. – 38 с.
5. Wireless InSite 3D Wireless Prediction Software – Режим доступу:
https://www.remcom.com/wireless-insite-em-propagation-software
6. Турчанинов А.В., Королев А.Ф., Захаров П.Н. Потапов А.А. Программное
обеспечение для расчета условий распространения радиоволн в городской и
сельской местности "Сигнал-РП" // Материалы IV Всероссийской конференция
«Радиолокация и радиосвязь» ИРЭ РАН, 2010. - С.749-758.
7. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт із дисципліни
«Поширення радіохвиль і робота радіоліній» для студентів напряму підготовки
6.050903 «Телекомунікації» / Укл.: О.С. Гавриш. – Черкаси: ЧДТУ, 2015. – 38 с.
8. Методичні рекомендації до виконання кваліфікаційної роботи бакалавра для
здобувачів освітнього рівня «бакалавр» освітньої програми «Радіотехніка»
спеціальності 172 «Телекомунікації та радіотехніка» усіх форм навчання
[Електронний ресурс] / Упоряд.: А.В. Гончаров, А.В. Чепинога; М-во освіти і
науки України, Черкас. держ. технол. ун-т. – Черкаси: ЧДТУ, 2018. – 61 с. –
Назва з титульного екрана.