Общие принципы построения спутниковых и РРЛ систем передачи

Радиосвязь - вид электросвязи, осуществляемый с помощью ра­диоволн. Под радиоволнами принято понимать электромагнитные волны, частота которых выше 30 кГц и ниже 3000 ГГц, распро­страняющиеся в среде без искусственных направляющих сред. Скорость распространения электромагнитных волн в какой-либо среде равна:

, (1)

где с - скорость распространения света в вакууме; - диэлектриче­ская, μ - магнитная проницаемость среды. Для воздуха , а скорость распространения электромагнитных волн близка к скоро­сти света в вакууме, т.е. 3·10⁸ м/с.

Электромагнитные волны создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом T. Если в некоторый момент элек­тромагнитное поле (ЭМП) имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т. За это время ЭМП переместится на расстояние

(2)

Минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в котором имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Длина волны зависит от скорости ее распространения и периода Т ЭДС, передающей это поле. Так как частота тока равна то длина волны определяется как:

(3)

Атмосферу Земли нельзя считать однородной средой. Давление, плотность, влажность, диэлектрическая проницаемость и другие параметры в разных объемах воздушного слоя имеют различные значения. По этим причинам скорости распространения в различ­ных объемах неодинаковы и зависят от длины волны. Траектория радиоволн в атмосфере искривляется. Явление искривления или преломления радиоволн при распространении их в неоднородной среде получило название рефракции.

Радиоволны, распространяющиеся на большой высоте в атмо­сфере и возвращающиеся на Землю вследствие искривления тра­ектории, рассеяния или отражения от атмосферных неоднородностей, называются пространственными, или ионосферными. В точку приема могут приходить как пространственная, так и земная волны от одного и того же источника. Если фазы колебаний этих волн совпадают, то амплитуда суммарного поля возрастает, и, наоборот - при сдвиге фазы волн на 180° суммарное поле ослаб­ляется и может стать равным нулю. Указанное явление называется интерференцией.

В соответствии с Регламентом радиосвязи весь радиочастотный спектр разделен на 12 диапазонов, которые определены как облас­ти радиочастот, равные (0,3...3)·10^N Гц, где N - номер диапазона. Для целей радиосвязи используется девять диапазонов и, следова­тельно, N =4...12.

Диапазон радиоволн - определенный непрерывный участок длин радиоволн, которому присвоено условное метрическое наименова­ние. Каждому диапазону радиоволн соответствует определенный диапазон радиочастот. Такая классификация в первую очередь связана с осо­бенностями распространения радиоволн и их использования.

Рассмот­рим обобщенную структурную схему радиосистемы передачи (РСП). Под радиосистемой передачи понимается совокупность технических средств, обеспечивающих образование типовых кана­лов и трактов, а также линейных трактов, по которым сигналы элек­тросвязи передаются посредством радиоволн в открытом простран­стве. Поскольку подавляющее большинство РСП являются много­канальными, то приведем обобщенную структурную схему многоканальной РСП (рисунок 1), где приняты следующие обозначения:

КГО - каналообразующее и групповое оборудование, обеспечи­вающее формирование сигналов типовых каналов и трактов из множества подлежащих передаче первичных сигналов электросвязи на передающем конце и обратное преобразование сигналов типовых каналов и трактов в множество первичных сигналов на приемном конце.

СЛ - проводные соединительные линии, обеспечивающие под­ключение каналообразующего и группового оборудования к РСП в случае их территориальной удаленности.

Рисунок 1. Обобщенная структурная схема многоканальной радиосистемы связи

Для формирования радиосигнала и передачи его на расстояния посредством радиоволн используются различные радиосистемы связи. Радиосистема связи представляет собой комплекс радиотех­нического оборудования и других технических средств, предназначен­ных для организации радиосвязи в заданном диапазоне частот с использованием определенного механизма распространения радио­волн. Вместе со средой (трактом) распространения радиоволн радио­система связи образует линейный тракт или ствол, состоящий из оконечного оборудования ствола (ООС) и радиоствола.

ООСпер - оконечное оборудование ствола передающего конца, где формируется линейный сигнал, состоящий из информационного группового сигнала и вспомогательных сигналов (сигналов служеб­ной связи, сигналов контроля работоспособности оборудования РСП), которыми модулируются высокочастотные колебания.

Радиоствол, назначением, которого является передача мо­дулированных радиосигналов на расстояния с помощью радиоволн. Радиоствол является простым, если в его состав входят лишь две оконечные станции и один тракт распространения радиоволн, и составным, если помимо двух оконечных радиостанций он содержит одну или несколько ретрансляционных станций, обеспечивающих прием, преобразование, усиление или регенерацию и повторную передачу радиосигналов. Необходимость использования составных радиостволов обусловлена рядом факторов, основными из которых являются протяженность радиолинии, ее пропускная способность и механизм распространения радиоволн.

ООСпр - оконечное оборудование ствола приемного конца, где проводятся обратные преобразования: демодуляция высокочастот­ного радиосигнала, выделение группового (многоканального) сигна­ла и вспомогательных служебных сигналов.

Совокупность технических средств и среды распространения ра­диоволн, обеспечивающих передачу сигналов от источника к при­емнику информации, называется радиоканалом. Радиоканал, обеспечивающий радиосвязь в одном азимуталь­ном направлении, называется радиолинией. Упрощенная структурная схема одноканальной радиолинии при­ведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема радиолинии

Функционирование радиолинии осуществляется следующим об­разом. Передаваемое сообщение поступает в преобразователь (микрофон, телевизионная передающая камера, телеграфный или факсимильный аппарат), который преобразует его в первич­ный электрический сигнал. Первич­ный электрический сигнал поступает на радиопере­дающее устройство радиостанции, которое состоит из модулятора (М), синтезатора несущих частот (СЧ) и усилителя модулированных колебаний (УМК). С помощью модулятора один из параметров несущей частоты изменяется по закону первичного сигнала. С помощью антенны (А) энергия радио­частот передатчика излучается в тракт распространения радиоволн.

На приемном конце радиоволны наводят ЭДС в приемной антен­не (А). Радиоприемное устройство радиостанции с помощью селек­тивных (избирательных) цепей (СЦ) отфильтровывает сигналы от помех и других радиостанций. В детекторе (Д) происходит процесс, обратный модуляции, выделение из модулированных колебаний исходного электрического сигнала. Далее в преобразователе этот сигнал преобразуется в сообщение, которое и поступает к абоненту.

На радиосетях большой протяженности для увеличения дальности связи включаются ретрансляционные станции (ретрансляторы). Обобщенная структурная схема ретранслятора приведена на рисунке 3. К уже известным обозначениям и понятиям здесь добавляется новое - фидерный тракт, представляющий совокупность устройств передачи электромагнитной энергии от антенны к приемнику (Пр) и от передатчика (Пер) к антенне, содер­жащая фидер и ряд вспомогательных элементов.

Ретранслятор

Рисунок 3. Обобщенная структурная схема ретранслятора

К фидерному тракту предъявляются следующие требования: пе­редача энергии должна осуществляться с малыми потерями; пере­дающий фидер не должен излучать, а приемный - принимать по­сторонние электромагнитные колебания; отражения в трактах, создающие попутные потоки, должны быть минимальными; не должны распространяться волны других (высших) типов. В современных радиосистемах передачи разница уровней излу­чаемых и принимаемых антеннами радиосигналов составляет 150дБ и более.

Для исключения возможности возникновения паразитных связей между передающими и приемными трактами ретранслятора необ­ходимо использовать две несущие частоты для каждого направле­ния передачи. При этом для передачи радиосигналов в противоположных направлениях может быть использована либо одна и та же пара частот (f₁, f₂), либо две разные пары (f₁, f₂ и f₃, f₄). В зависимо­сти от этого различают два способа распределения частот приема и передачи в дуплексном режиме: двухчастотный (f₁, f₂) и четырехчастотный (f₁,f₂ и f₃, f₄). Двухчастотный способ эконо­мичнее с точки зрения использования занимаемой полосы частот, однако, требует специальных мер для защиты от сигналов противо­положного направления. Четырехчастотный способ не требует ука­занных мер защиты, однако он неэкономичен с точки зрения исполь­зования полосы частот. Число радиоканалов, которое может быть организовано в выделенном диапазоне частот, при четырехчастотном плане вдвое меньше, чем при двухчастотном.

Существует множество различных классификаций радиосистем передачи (РСП) в зависимости от признаков, положенных в их основу. Приведем классификацию РСП по наиболее важным при­знакам:

- по принадлежности к различным службам в соответствии с Рег­ламентом радиосвязи различают РСП фиксированной службы (радиосвязь между фиксированными пунктами), радиовещательной службы (передача сигналов для непосредственного приема населе­нием), РСП подвижной службы (радиосвязь между движущимися друг относительно друга объектами);

- по назначению различают международные, магистральные, внутризоновые, местные РСП, военные РСП, технологические РСП, космические РСП, спутниковые между земными станциями через спутники;

-по диапазону используемых радиочастот;

-по виду передаваемых сигналов различают РСП аналоговых сигналов (телефонных, радиовещательных» факсимильных, телеви­зионных, сигналов телеметрии), РСП цифровых сигналов и комбинированные РСП;

-по способу разделения каналов (канальных сигналов) различают многоканальные РСП с частотным разделением, временным, фазовым и комбинированным разделением каналов; существуют также специальные РСП с разделением канальных сигналов по форме (например, асинхронно-адресные системы с кодово-адресным разделением сигналов);

-по виду линейного сигнала различают аналоговые, цифровые и смешанные (гибридные) РСП. В аналоговых РСП на вход радиока­нала поступает аналоговый сигнал, соответственно анало­говым является и радиосигнал; к аналоговым РСП относятся и импульсные РСП, т.е. системы с импульсной модуляцией (и вре­менным разделением каналов); в цифровых РСП на вход радио­ствола и тракт распространения (см. рисунок 1) поступает цифровой сигнал; в смешанных РСП линейный сигнал состоит из аналогового линейного сигнала и поднесущей, модулированной цифровым сигналом;

- по виду модуляции несущей аналоговые РСП подразделяются на системы с частотной, однополосной и амплитудной модуляциями, а цифровые РСП - на системы с амплитудной, частотной, фазо­вой и амплитудно-фазовой манипуляциями;

- по пропускной способности различают РСП с малой, средней и высокой пропускной способностью наиболее часто употребляе­мые границы пропускной способности различных аналоговых и цифровых РСП приведены в таблице 1.

По характеру используемого физического процесса в тракте распространения радиоволн различают: системы радиосвязи и радиовещания на длинных, средних и коротких радиоволнах без ретрансляторов; радиорелейные системы передачи прямой видимо­сти (РРСП), где происходит распространение радиоволн в пределах прямой видимости; тропосферные радиорелейные системы пере­дачи (ТРСП), где используется дальнее тропосферное распростране­ние радиоволн за счет их рассеяния и отражения в нижней области тропосферы при взаимном расположении радиорелейных станций за пределами прямой видимости; спутниковые системы передачи (ССП), использующие прямолинейное распространение радиоволн с ретрансляцией их бортовым ретранслятором искусственного спут­ника Земли (ИСЗ), находящимся в пределах радиовидимости земных станций, между которыми осуществляется радиосвязь; ионосферные РСП на декаметровых волнах (дальнее распространение декаметровых волн за счет отражения от слоев ионосферы); космические РСП (прямолинейное распространение радиоволн в космическом пространстве и атмосфере Земли); ионосферные РСП на метровых волнах (дальнее распространение метровых волн благодаря рассея­нию их на неоднородностях ионосферы).

Для построения многоканальных телекоммуникационных систем самое широкое распространение получили радиорелейные и спут­никовые системы передачи, использующие дециметровый, санти­метровый и миллиметровый диапазоны радиоволн.

В этом же диапазоне строятся и современные системы подвижной (мобиль­ной) радиосвязи самого различного назначения. Более ранние системы подвижной радиосвязи использовали отдельные участки метровых волн.

Таблица 1. Границы пропускной способности аналоговых и цифровых РСП

2. Механизмы распространения радиоволн

В общем виде одну из основных задач распространения радио­волн можно сформулировать следующим образом. На некоторой вы­соте над Землей находится источник электромагнитной волны (антен­на). Требуется определить напряженность поля в любой другой точке. Такая задача решается исходя из уравнений Макс­велла и системы граничных условий. Однако в реальных условиях Зем­ля является неоднородной поглощающей средой. Поверхность Земли неровная. Вокруг Земли находится атмосфера, параметры которой ме­няются по широте, долготе, высоте, зависят от времени, частоты вол­ны. С учетом перечисленных факторов нахождение поля источ­ника чрезвычайно усложняется, и данная задача не имеет решения до настоящего времени. Поэтому общую задачу о распространении ра­диоволн в реальной среде разделяют на не­сколько отдельных задач. Каждая задача исследует механизм распрос­транения, обусловленный некоторым частным свойством тракта рас­пространения.

К первому регулярному механизму относится распространение радиоволн вдоль границы раздела воздух - земная поверхность. Вол­на, распространяющаяся по этому пути, называется земной или повер­хностной (рисунок 4, а).

Электрическая неоднородность верхних ионизированных слоев атмосферы является причиной второго механизма распро­странения радиоволн путем последователь­ного многократного отражения от ионизированных слоев атмосферы и поверхности Земли (рисунок 4, б). Волна, распространяющаяся по этому пути, называется пространственной (ионосферной). За счет слабых электрических неоднородностей локального ха­рактера в атмосфере происходит рассеяние радиоволн (рисунок 4, в).

Рисунок 4. Механизмы распространения радиоволн

Связь между земным пунктом и космической станцией может осуществляться только за счет так называемой прямой волны, которая распространяется через всю толщу атмосферы и космическое простран­ство (рисунок 4, г).

Разделение единого процесса распространения радиоволн на отдельные механизмы носит несколько условный характер. Тем не менее, изучение частных механизмов позволяет выявлять оптималь­ные траектории, оценивать потери и возможные искажения сигналов. На наземных линиях в точке приема обычно доминирует одна состав­ляющая поля. Это или земная, или рассеянная, или пространственная компонента в зависимости от рабочей частоты и протяженности ли­нии. Рассмотрим, например, интервал радиорелейной линии, когда меж­ду пунктами связи есть прямая видимость (рисунок 5). На этих линиях используются ультракороткие волны, т.е. частоты выше 40 МГц, по­этому пространственная волна не отражается от ионосферы и не при­ходит в точку приема. Рассеянная волна имеет гораздо меньшую ин­тенсивность, чем земная. В данном случае оптимальным механизмом распростране­ния является земная волна и диаграммы на­правленности антенн ориентируют так, чтобы обеспечить максимальное излучение и прием именно этой волны.

Рисунок 5. Интервал радиорелейной линии, когда меж­ду пунктами связи есть прямая видимость

Изучение частных механизмов по­зволяет при проектировании линий выбирать основные параметры системы с учетом свойств тракта, характерных для одного оптимального механизма в заданных условиях. Устойчивая работа радиолинии обеспечивается со­гласованием основных технических характеристик с условиями рас­пространения. К таким характеристикам относятся: вид передаваемой информации, мощность передатчика, чувствительность приемника, ко­эффициенты усиления и ориентировка ДН антенн на передаче и приеме, система приема.

Условия распространения учитывают также в процессе эксплуа­тации радиолиний. Если условия распространения значительно меня­ются во времени, например, в течение суток, по сезонам или циклу солнечной активности, то для создания оптимальных условий пере­страивается режим работы линии.

Контрольные вопросы:

1. Общие принципы организации радиосвязи.

2. Классификация радиосистем передачи.

3. Обобщенная структурная схема многоканальной радиосистемы связи и назначение ее элементов.

4. Структурная схема радиолинии.

5. Обобщенная структурная схема ретранслятора.

6. Что называют механизмом распространения?

7. Назовите примеры радиолиний, использующих различные типы волн.