Информационных систем»
Раздел 1. Принципы построения систем передачи информации
(дополнительные лекции)
В лекциях по 1-му разделу рассматриваются:
1.Общие принципы построения систем передачи информации (на примере систем радиосвязи).
2.Характеристика основных элементов обобщенной структурной схемы системы радиосвязи.
3.Подробно рассматриваются особенности различных линий радиосвязи. Приведена классификация систем радиосвязи.
4.Рассмотрены основные требования, которые предъявляются к системам радиосвязи.
5.Даны характеристика и классификация помех, действующих в каналах радиосвязи.
6.Рассмотрены основные характеристики каналов радиосвязи.
Лекция 1 (дополнительная)
Тема ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ РАДИОСВЯЗИ. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ.
Система радиосвязи предназначена для передачи информации на расстояние с помощью радиосигналов. Информация, выраженная в определенной форме, представляет собой сообщение, которое подлежит передаче на расстояние.
Для представления информации используется какой-либо язык, который характеризуется знаками и правилами их применения. Под термином "знак" понимается совокупность признаков или примет, по которым узнается, распознается что-нибудь. Совокупность знаков, содержащих некоторую информацию, является формой представления информации – сообщением.
Сообщение может быть непрерывным или дискретным. Так при передаче телеграмм сообщением является текст, состоящий из отдельных символов, букв, цифр, а при передаче речевой информации сообщением является непрерывное изменение во времени звукового давления.
Распространенными формами представления информации также является музыка, телевизионное изображение, фототелеграммы, цифровые данные на выходе вычислительной машины и т.д.
Для передачи информации по системе радиосвязи необходимо сообщение преобразовать в первичный электрический сигнал. Например, звуковое давление при передаче речевых сообщений преобразуется микрофоном в электрическое напряжение, при передаче телеграмм каждый символ преобразуется телеграфным аппаратом в определенную последовательность электрических импульсов, при передаче телевизионного изображения с помощью телевизионной трубки элементы изображения преобразуются в электрический ток и т.д. Преобразование дискретных сообщений в комбинации элементарных сигналов называют кодированием.
В зависимости от характера сообщения первичные сигналы могут быть непрерывными и дискретными.
Непрерывные сигналы принимают любые значения на некотором интервале. Такие сигналы описываются непрерывными функциями времени и их часто называют аналоговыми. Типичным примером непрерывного сигнала является речевой сигнал.
Дискретные сигналы принимают конечное число вполне определенных значений и их часто называют цифровыми. Такие сигналы описываются дискретными функциями времени. Наиболее общим примером дискретных сигналов могут служить телеграфные сигналы, отображающие текст сообщения.
Следует отметить, что любой непрерывный сигнал в соответствии с теоремой З.А. Котельникова можно дискретизировать по времени и осуществлять передачу с определенной точностью в дискретной форме.
Первичный электрический сигнал, как правило, является низкочастотным и его невозможно эффективно излучать в среду распространения радиоволн. Поэтому для передачи по системе радиосвязи первичный сигнал должен быть преобразован в высокочастотный сигнал, называемый радиосигналом. По отношению к радиосигналу первичный электрический сигнал часто называют сообщением. Преобразование первичного электрического сигнала в радиосигнал осуществляется путем изменения одного или нескольких параметров несущей. Процесс изменения одного или нескольких параметров несущей в соответствии с изменениями параметров передаваемого первичного электрического сигнала (сообщения) называется модуляцией. Если модуляция осуществляется дискретными сигналами, то ее обычно называют манипуляцией.
Таким образом, при передаче сообщений на передающей стороне осуществляется совокупность операций: первичное преобразование, кодирование, модуляция, усиление и излучение.
На приемной стороне осуществляются обратное операции: прием радиоволн, усиление и фильтрация высокочастотных колебаний, демодуляция, декодирование и преобразование сигнала в сообщение.
Источник и получатель сообщений, технические устройства, обеспечивающие передачу сообщений (сигналов), а также среда, в которой распространяются радиоволны, составляют систему радиосвязи (рис. 1.1).
Среда распространения радиоволн между передавшей и приемной антеннами называется линией радиосвязи.
Линия радиосвязи и совокупность части технических устройств, обеспечивающие передачу сигналов от источника сообщений к получателю, называется каналом радиосвязи. Какая именно часть технических устройств входит в понятие канала, не определяется. Чаще всего считают, что канал начинается с элемента, на вход которого подается первичный электрический сигнал, а заканчивается элементом, с выхода которого снимается принятый первичный электрический сигнал. Однако, в интересах детализации изучения системы радиосвязи границы канала могут изменяться.
Рис. 1.
В линии радиосвязи сигнал искажается помехами. Поэтому принятое сообщение не будет полностью соответствовать переданному сообщению. Степень соответствия принятого сообщения переданном определяется способностью системы противостоять вредному действию помех, то есть помехоустойчивостью. Если в состав системы связи входит несколько каналов источников и получателей сообщений, а также устройства уплотнения, которые обеспечивают независимую передачу сообщений от нескольких источников по одной общей линии связи, то такие системы связи называются много канальными.
Системы радиосвязи могут быть разомкнутыми и замкнутыми (с обратными связями). Обобщенная структурная схема разомкнутой системы радиосвязи представлена на рис. 1.1.
Рассмотрим характеристику основных функциональных элементов системы радиосвязи.
Источники сообщений
Источником и потребителем информации могут быть человек, различного рода автоматические и измерительные устройства, вычислительные машины.
Как уже отмечалось, источник сообщения для формирования сообщения использует язык, который характеризуется знаками различного ранга и правилами их построения. Низшим рангом являются символы (элементы).
Дискретный ниточник сообщения использует ограниченную счетную совокупность символов, которая называется алфавитом. Примерами символов счетных совокупностей являются: буквы русского алфавита, цифры заданной системы счисления и т.д.
Непрерывный источник сообщения использует несчетное бесконечное множество элементов (непрерывное выборочное пространство) при формировании непрерывных сообщений»
Знаки следующего ранга строятся в виде комбинаций знаков предшествующего ранга. Так дискретный источник из символов алфавита на заданном интервале Т строит слова из слов фразы и т,д. которые состоят из конечного числа знаков предшествующего ранга.
Процесс комбинирования символов алфавита дискретным источником для построения знаков с различным содержанием я различного ранга называется кодированием. По одному из определений, кодирование есть описание (идентификация) смыслового с держания информации комбинациями символов используемого алфавита выполняемая по определенным правилам. Обратная операция - выявление информационного содержания в совокупности символов - называется декодированием. Таким образом дискретный источник характеризуется алфавитом и правилами кодирования, т.е. правилами построения знаков. Непрерывный источник на интервале времени Т создает реализацию случайного процесса, используя несчетное бесконечное число элементов, определенных в общем случае на несчетном множестве значений параметра,
Знаками высшего ранга в данном случае является реализации случайного процесса.
Сообщения источников одного класса представляются одинаковыми математическими знаками. Сообщения источников различных классов, например, дискретные источники и непрерывные источники, представляется разными математическими знаками, т.е. имеют различные виды представления. Однако для передачи сообщений в системе связи и возможны их преобразования, которые приводят к изменение вида представления сообщения, например, дискретизация реализаций случайного процесса, квантование по уровне и т.д.
Первичный преобразовательсообщений
Целью первичного преобразования сообщения является согласование источника сообщения с каналами.
Первичный преобразователь сообщения выполняет следующие функции; преобразует знаки источника сообщений в электрические сигналы; при необходимости изменяет вид представления сообщений; сжимает объем сообщений.
В первичном преобразователе дискретных сообщений на первой этапе устанавливается система соответствий между символами (знаками) дискретных сообщений и математическими цифровыми знаками (кодовыми комбинациями), т.е. осуществляется кодирование.
Отличие данного процесса кодирования от кодирования в источнике сообщений, заключается в том, что при кодировании в источнике сообщений осуществляется идентификация смыслового содержания информации комбинациями символов алфавита источника, а при кодировании (представления) сообщения в первичном преобразователе осуществляется описание символов сообщения комбинациями математических знаков.
Система соответствий между знаками дискретных сообщений я кодовыми комбинациями, с помощью которых они могут быть представлены, называется кодом. Наибольшее распространение в технике связи получили двоичные коды, т.е. коды, которых основание (число различных символов) равно двум. Коды, используемые в первичном преобразователе дискретных сообщений, часто называет первичными кодами. Примерами первичных кодов являются: код Морзе, пятизначный международный телеграфный код № 2 (МТК-2) и другие.
На втором этапе первичного преобразования дискретных сообщений производится представление цифровых символов фиксированными значениями параметра электрического сигнала. Например, единица представляется токовой посылкой, нуль - бестоковой посылкой.
Таким образом, в первичном преобразователе дискретных сообщений осуществляются два вида преобразований: кодирование и формирование первичного сигнала.
Следует отметить, что первичный преобразователь дискретных сообщений называют еще кодером для источника.
В первичном преобразователе непрерывных сообщений часто ограничиваются линейными преобразованиями, в процессе которых осуществляется перевод неэлектрических величин передаваемого сообщения в первичный электрический сигнал. Однако в ряде случаев непрерывные сообщения обладает значительной избыточностью, поэтому возникает необходимость сжатия объема сообщений для более эффективного использования канала связи.
Сжатие (компрессия) непрерывных сообщений осуществляется ограничением ширины спектра или ограничением динамического диапазона. При передаче речевых сообщений возможны более сложные функциональные преобразования, осуществляемые вокодером.
Во многих практических случаях возникает необходимость преобразования вида представления непрерывного сообщения, а именно, производится переход от аналоговых представлений к аналого-дискретному виду или цифровому. Необходимость таких преобразований возникает при передаче по одной линии связи нескольких сообщений путем временного уплотнения или при введении аналоговых сообщений в ЭВМ.
Передача различных сообщений в цифровом виде обеспечивает:
- использование одних и тех же каналов связи для передачи различного вида сообщений;
- регенерации дискретных последовательностей, существенно искаженных различными помехами при передаче по линии связи;
- существенное уменьшение влияния аппаратурных погрешностей;
- возможность повышения помехоустойчивости связи путем применения избыточных кодов;
- возможность автоматизации процессов коммутации передаваемых сообщений на узлах связи;
- возможность объединения отдельных систем в более крупные системы, и комплексы благодаря универсальному виду представления сообщений.
Основными преобразованиями вида представления сообщений является: дискретизация сообщений по времени и квантование сообщений по уровню. Изменение вида представления сообщений связано с внесением погрешностей квантования и дискретизации. Однако они могут быть сделаны меньше заданной допустимой величины.
Кодирующее устройство
В кодирующем устройстве первичный дискретный сигнал подвергается дальнейшему преобразованию с цель повышения помехоустойчивости представления сообщений. Повышение помехоустойчивости обычно достигается введением в сообщение избыточности.
Кодовые комбинаций из k символов на входе кодера преобразуются в кодовые последовательности из n символов на выходе кодера, причем n > k.
Разность n – k называется абсолютной избыточностью. Отношение
называется относительной избыточностью.
Введение избыточных символов позволяет обнаружить ошибки в принятых сообщениях или обнаруживать и исправлять их. В соответствии с этим различают коды с обнаружением и исправлением ошибок.
В настоящее время в технике связи наибольшее распространение подучали следующие типы двоичных избыточных кодов с обнаружением ошибок: коды с проверкой на четность, коды с постоянным весом и циклические коды.
Следует отметить, что рассматриваемое устройство называют еще кодером для канала.
Модулятор
Энергия первичных сигналов сосредоточена в основном в низкочастотной области. Эффективное излучение таких сигналов затруднительно. Поэтому в системах радиосвязи спектры первичных сигналов переносятся в область высоких частот путем модуляции в передатчике несущего высокочастотного колебания первичным сигналом.
Модуляция в данном случае заключается в изменении одного параметра или совокупности параметров высокочастотного переносчика по закону, определяемому первичным сигналом.
Изменяемые при модуляции параметры переносчика называют информативными параметрами. Информативный параметр переносчика определяет название вида модуляции. Число возможных видов модуляции при заданном виде переносчика определяется числом его параметров.
В качестве переносчика частот используются: синусоидальные колебания высокой частоты, периодическая последовательность импульсов, сложные составные последовательности и т.д.
Если переносчиком является синусоидальные колебания, то различают такие виды модуляции: амплитудная, частотная, фазовая.
При использовании в качестве переносчика периодической последовательности импульсов выделяют четыре основных вида модуляции: амплитудно-импульсную, широтно-импульсную, фазо-импульсную и частотно-импульсную. При импульсной модуляции передающих устройствах систем радиосвязи необходима вторая ступень модуляции, в которой осуществляется модуляция высокочастотного синусоидального колебания последовательностью импульсов. Соответственно получается целый ряд двухступенчатых видов модуляции: амплитудно-импульсная-амплитудная, фазо-импульсная-амплитудная модуляция к т.д.
В процессе модуляции спектр первичного сигнала перемещается в частотной области, что позволяет упорядоченным образом разместить спектры сигналов различных систем радиосвязи.
Степень искажения сообщений помехами в системе радиосвязи в значительной степени зависит от используемого вида модуляции. Выбирая малочувствительные виды модуляции к помехам заданного типа, можно повысить помехоустойчивость связи. Потенциальные способности различных видов модуляции противостоять вредному действию помех исследованы основоположником теории потенциальной помехоустойчивости, советским ученым В. А. Котельниковым.
Если непрерывные сообщения представлены в аналоговом виде, то они непосредственно подаются на модулятор, минуя кодирующее устройство.
При цифровом виде представления непрерывных сообщений операции кодирования и модуляции аналогичны таким же операциям при передаче дискретных сообщений.
Сформированный в модуляторе радиосигнал поступает в усилитель мощности, где усиливается до требуемой мощности, а затем с помощью антенно-фидерного устройства излучается в среду распространения радиоволн.
В линии радиосвязи, как правило, действуют помехи, которые приводят к искажениям сигналов в точке приема.
Особенности различных линий радиосвязи, источника помех и их классификация будут рассмотрены в отдельных параграфах.
Фильтрация, демодуляция идекодирование
В приемной части системы радиосвязи принятая смесь сигнала и помех должна быть преобразована в сообщение соответствующее переданному. Это преобразование состоит из следующих операций, обратных операциям, выполняемым в передающей части системы связи: фильтрации и усиления; демодуляции и декодирования.
В процессе фильтрации производится выделение полезного сигнала из смеси сигналов и помех, действующих в линиях радиосвязи.
В системах передачи непрерывных сообщений в результате демодуляции выделяется в общем случае искаженный первичный сигнал, отображающий переданное сообщение. В последующем он преобразуется в сообщение, которое называется оценкой переданного сообщения, и передается получателю.
При передаче дискретных сообщений сигнал с выхода демодулятора подается на декодер, в котором производится обнаружение или исправление ошибок и преобразование в безизбыточную последовательность – в оценку первичного дискретного сигнала. Оценка первичного дискретного сигнала, в дальнейшем преобразуется в оценку переданного сообщения и передается получателю. Операции демодуляции и декодирования при приеме дискретных сообщений могут объединятся в одном устройстве, которое приходящую последовательность элементов радиосигнала преобразовывает сразу в последовательность оценки первичного дискретного сигнала или же в оценку переданного сообщения. Такой метод приема называется "приемом в целом”, в отличие от распространенного метода "поэлементного приема". При приеме в целом анализируется целый отрезок сигнала, соответствующий кодовой комбинации, и на основании заданного правила решения принимается оценка передаваемого сообщения. При поэлементном приеме анализируется отдельные элементы сигнала, соответствующие кодовым сигналам, и строится последовательно оценка кодовой комбинации, а затем она декодируется в оценку переданного сообщения.
Именно при поэлементном приеме операции демодуляции и декодирования четко разграничены.
Степень соответствия принятого сообщения переданному зависят от выбранных способов передачи и приема, от уровня сигнала и помех и т.д., и характеризуется показателем верности. Показатель верности характеризует отличие оценок сообщений от неискаженных сообщений.
Лекция 2
Тема: Характеристика линий связи
Линия связи или канал связи в узком смысле представляет собой тракт, по которому распространяется сигнал между пространственно разнесенными передающим и приемным устройствами системы связи.
Линии связи, в которых используются сигналы, представляющие собой электромагнитные колебания, а тракт распространения сигналов представляет собой физическую среду, разделяющую передатчик и приемник, называются радиолиниями.
Радиолинии могут классифицироваться по различным признакам: по диапазону частот используемых радиосигналов, по протяженности, по используемому механизму распространения радиоволн. В соответствии с классификацией электромагнитных колебаний радиочастоты занимают участок от 3 Гц до 3000 Гц.
Спектр радиочастот разбит на 12 диапазонов. Наиболее применимые из них даны в таблице 1.
По протяженности радиолинии делят на линии глобальной, дальней, средней и ближней связи. Линии глобальной связи позволяют установить связь со сколько угодно удаленными объектами в пределах Земного шара. Линиями дальней связи называют линии протяженностью от 3000 до 10000 км, линиями средней дальности связи - линии протяженностью от 400 до 3000 км, линиями ближней связи - линии протяженностью до 400…500 км.
По используемому механизму распространения волн радиолинии можно разделить на радиолинии, использующие:
огибание поверхности Земли радиоволнами,
распространение волн в пределах прямой видимости,
отражение:
-от ионосферы,
-тропосферное рассеяние,
-ионосферное рассеяние, отражение от метеорных следов, отражение или ретрансляцию искусственных спутников Земли (ИСЗ), отражение от искусственно создаваемых образований газовой плазмы или от искусственно созданных проводящих поверхностей, объектов,
Глобальные линии связи создаются на сверхдлинных волнах, огибающих поверхность Земли, на коротких волнах или при помощи ИСЗ. Линии дальней связи можно осуществить на коротких волнах, отражающихся неоднократно от ионосферы или при помощи ИСЗ или на УКВ путем многократных ретрансляций. Линии средней протяженности можно создать на коротких волнах за счет их отражения от ионосферы или на УКВ, используя различные механизмы их рассеяния, или за счет ретрансляций. Линии ближней связи можно осуществить во всех диапазонах волн, исследуя тот или иной механизм распространения.
В коротковолновых, средневолновых и длинноволновых радиолиниях широко используются так называемые поверхностные (земные) и пространственные волны.
Таблица 1.
№ диапазона волн | Наименование диапазона | Границы диапазона | Способ распространения | ||||
Радиоволн | Радио частот | Радио волн | Радио частот | На близкие расстояния | На большие расстояния | ||
днем | ночью | ||||||
Сверхдлинные (СДВ) | Очень низкие (ОНЧ) | 100-10 км | 3-30 КГц | Земные и ионо-сферные | Ионо- сферные волны | Ионо-сферные волны | |
Километровые длинные (ДВ) | Низкие (НЧ) | 10-1 км | 30-300 КГц | То же | То же | То же | |
Гектометровые средние (СВ) | Средние (СЧ) | 1000-100 м | 0,3-3 МГц | Земные волны | Земные волны | - | |
Декаметровые короткие (КВ) | Высокие (ВЧ) | 100-10 м | 3-30 МГц | То же | Ионосферные волны | - | |
Метровые (МВ) | Очень высокие (ОВЧ) | 10-1 м | 30-300 МГц | - | Тропосферные и ионосферные волны | Тропосферные и ионосферные волны | |
Дециметровые (ДЦВ) | Ультра высокие (УВЧ) | 100-10 см | 300-3000 МГц | - | Прямые и тропосферные волны | Прямые и тропосферные волны | |
Сантиметровые (СМВ) | Сверх высокие (СВЧ) | 10-1 см | 3-30 ГГц | - | То же | То же | |
Милли метровые (ММВ) | Крайне высокие | 10-1 мм | 30-300 ГГц | Прямые волны | Прямые волны | - | |
Дециметровые (ДЦММВ) | Гипервысокие (ГВЧ) | 1-0,1 мм | 300-3000 ГГц | То же | То же | - |
Поверхностные волны распространяются параллельно земной поверхности, постепенно затухая. Величина затухания определяется частотой волны и мала на длинных и сверхдлинных волнах.
Пространственные волны - это волны, падающие на ионосферу и отражающиеся от нее. Пространственные волны наблюдается на коротких волнах и ночью на средних волнах.
Рассмотрим особенности основных радиолиний, используемых в системах авиационной радиосвязи.
Линии коротковолновой (декаметровой) радиосвязи
На коротких волнах наблюдаются два механизма распространения - поверхностные (земные) и пространственные ионосферные волны. Поскольку поверхностная волна быстро затухает, то для связи на расстояния в несколько сот километров наиболее представляют интерес пространственные волны.
Для обеспечения связи с использованием пространственной волны, передающая антенна должна излучать под некоторым углом к горизонту, чтобы излученные ее радиоволны, попав в ионосферу, отразились от нее и возвратились на Землю. Далее они могут отразиться от поверхности Земли, снова попасть в ионосферу, вновь преломиться в ней и возвратиться на Землю и т.д.
В зависимости от числа отражений от ионосферы различает односкачковые, двухскачковые и трехскачковые радиолинии.
Так как при каждом скачке имеются потери в ионосфере и рассеяние на поверхности Земли, то используются в основном одно-, двух - и трехскачковые линии. Наибольшая длина одного скачка составляет 2,5…3,5 тысяч км, так что трехскачкавая линия позволяет осуществить линию связи порядка 10 тыс. км.
Известно, что ионосфера, от которой происходит отражение пространственной волны, имеет слоистую структуру. В ней различают несколько ионизированных слоев, имеющих большую концентрацию электронов и ионов. Электронная концентрация слоев ионосферы сильно зависит от количества падающих на нее солнечных лучей и поэтому изменяется в течение суток.
Обычно считают, что в ионосфере имеется четыре ионизированных слоя: слой D, E, , и . Летом в дневное время существуют все четыре слоя, а ночью слой D исчезает, а слои , и сливаются в один слой F. Зимой в течение суток существует один слой F.
Слой D является наиболее низкой ионизированной областью атмосферы и расположен на высотах от 60 до 90 км.
Слой E расположен на высотах от 90 до 120 км, его толщина составляет 30…40 км. Слой , расположен на высотах от 180 до 240 км. Слои D, E и обладают постоянством, т.е. суточный ход изменения их электронной концентрации и высота расположения максимумов ионизации повторяются ежедневно.
Электронная концентрация, высота расположения я толщина слоя существенно зависят от солнечной активности, географических координат, времени года, времени суток. В ночные часы действующая высота нижней границы слоя находится в интервале от 180 до 300 км. В зимние дни эта высота составляет 220…250 км, в летние дни 300…400 км.
Каждый слой ионосферы характеризуется своей критической частотой, зависящей от электронной концентрации. Критической частотой называет частоту, выше которой волна, вертикально падая на слой, не отражается от него, а проходит через слой. При всех частотах меньше критической, волна отражается от слоя с коэффициентом отражения, равным единице.
Основным отражающим слоем является слой . Критические частоты слоя летом находятся в пределах от 6 До 9 МГц; максимальное значение критической частоты в дневное время зимних месяцев не превышает 13 МГц, а ночью падает до 5 МГц,
При падении наклонно направленной волны на слой ионосферы происходит преломление и отражение волны (рис. 1.2)
Рис. 1.2 Механизм преломления (отражения) волн в ионосферном слое.
Частота f падающего наклонного луча и высота связаны между собой соотношением
, (1.1)
где – концентрация электронов,
– угол возвышения наклонного луча над поверхностью Земли.
Из выражения следует, что при фиксированном угле возвышения наклонного луча при повышении частоты высота, на которой происходит отражение, увеличивается. Одновременно растет радиус кривизны луча в точке поворота, равный
(1.2)
Таким образом, с повышением частоты луч, падающий на ионизированный слой, возвращается на Землю все дальше и дальше от излучателя. При некотором значении частоты луч попадает в область ионосферы, где градиент концентрации электронов
становится отрицательным. При этом радиус кривизны меняет свой знак и, попадая на ионосферный слой, волна проходит через него и не возвращается на Землю (см. рис. 1.2).
Наибольшая частота, при которой наклонный луч, падающий на ионосферу, еще возвращается на Землю, называется максимальной частотой. Между критической и максимальной частотами существует зависимость
,
где – высота, при которой концентрация электронов максимальна,
– радиус земли,
– критическая частота.
Если зафиксировать частоту f и изменять угол возвышения луча, то происходит следующее. При увеличении угла будет увеличиваться высота, на которой происходит отражение, и одновременно увеличивается радиус кривизны в точке отражения. Поэтому, с одной стороны, уменьшается расстояние от излучателя до точки, в которой луч возвращается на Землю, и, с другой стороны, возрастание кривизны луча приводит к тому, что он перестает возвращаться на Земли и начинает проходить через ионосферу (см. рис. 1.2).
Наименьшее расстояние от излучателя, отсчитанное по поверхности Земли, на котором отраженный луч при частоте еще возвращается на Землю, называется радиусом метровой зоны (зоны молчания). Частота, соответствующая данному радиусу зоны молчания, называется максимально применимой частотой (МПЧ). МПЧ определяют и по-другому - максимально применимой частотой называется наибольшая частота, которая в результате отражения от ионосферы может быть принята в заданной точке.
Максимально применимая частота, может быть определена экспериментально и расчетным путем. Существует несколько методов ее расчета. Лаборатория долгосрочных радиопрогнозов ИЗМИРАН публикует данные для расчета МПЧ, позволяющие определить часовые значения МПЧ и медианные за месяц для линии любой протяженности, проходящей в любых географических широтах.
Волны, распространяясь в ионосфере, частично в ней поглощаются. Величина потерь в ионосфере зависит от частоты и с повышением частоты падает. Поэтому при заданном расстоянии между корреспондентом за рабочую частоту, на которой будет осуществляться связь, выгодно выбрать МПЧ. Однако параметры ионосферы подвержены случайным флуктуациям к в качестве рабочей частоты выбирается частота меньшая чем МПЧ, так называемая оптимальная частота (ОРЧ).
Оптимальной рабочей частотой называется частота, обеспечивающая связь по условиям отражения в течение 90% времени за месяц. Она берется в качестве наивностей частоты диапазона рабочих частот.
На основании экспериментальных данных считают, что ОРЧ должна быть равна 0,85 МПЧ. Для полярных широт ОРЧ может отличаться от МПЧ на 40%.
С понижением частоты растут потери в ионосфере и, кроме того, возрастает уровень атмосферных помех на коротких волнах. Поэтому с понижением частоты при заданной мощности передатчика становится все труднее обеспечить требуемое отношение сигнал/шум в точке приема. Наименьшая частота, при которой надежность работы радиолинии соответствует минимально допустимой, называется наименьшей применимой частотой (НПЧ). Значение НПЧ зависит от величины поглощения, уровня помех, мощности передатчика и т.п.
Значения ОРЧ и НПЧ для данной радиолинии определяют диапазон ее рабочих частот.
В течение суток при изменении освещенности ионосферы изменяются МПЧ и поглощение в ионосфере, поэтому рабочие частоты нужно менять. Международные правила предусматривают наличие для каждой линии нескольких рабочих частот: от 2...3 до 4...5 для протяженных линий.
Для каждой коротковолновой линии связи составляется расписание, указывающее, какие частоты нужно использовав в течение суток. Это расписание называется волновым расписанием. Волновое расписание можно составить, зная, как изменяется СРЧ и НПЧ в течение суток, так как используемые в течение нескольких часов рабочие частоты должны быть не выше ОРЧ и НПЧ и не ниже НПЧ. Примерная зависимость суточного хода ОРЧ и НПЧ по московскому времени приведена на рис. 1.3, где также показаны выбранные рабочие частоты.
Рис. 1.3. Зависимость суточного хода ОРЧ и НПЧ
По графикам на рис. 1.3 можно составить волновое расписание.
Остановимся на таком характерном для линий КВ радиосвязи явлении как многолучевость.
Антенны передающих станций обладают сравнительно широкими диаграммами направленности, вследствие чего на ионосферные слои падает не один луч, а несколько. Приход в точку приема нескольких лучей называется многолучевостью (рис. 1.4). Число лучей, приходящих в точку приема, может быть небольшим - в этом случае говорят о дискретной многолучевости, но может быть и бесконечно большим - в этом случае говорят о диффузионной многолучевости.
Рис. 1.4. Механизм явления многолучевости
Многолучевость может наблюдаться в разных диапазонах волн, но при этом она может иметь различную природу. На коротких волнах при ионосферном распространении причиной многолучевости является то, что различные лучи прошли разный путь в ионосфера (отразились от разных высот). При этом луч может запаздывать относительно другого луча. Расчеты показывают, что время задержки между лучами может колебаться от 0 до 2 мс (на расстоянии ≤ 8000 км).
На коротких волнах на частотах, близких к ОРЧ, наиболее часто в точке приема днем наблюдаются два луча (на расстоянии ≤ 2000 км).
При работе на частотах значительно меньше ОРЧ число лучей увеличивается до четырех-пяти и более. Возрастание числа лучей характерно для трасс длиннее 2000 км.
Многолучевость вызывает уменьшение полосы пропускания линии связи.
Действительно, между длительностью импульса и полосой, которая требуется для его воспроизведения, существует обратно пропорциональная зависимость.
В П - лучевом канале с дискретной многолучевостью при излучении достаточно короткого импульса в точке приема будет зафиксировано n импульсов. При диффузионной многолучевости будет зафиксирован один импульс, длительность которого определяется временем запаздывания Δ между крайними лучами. Это эквивалентно тому, что линия имеет полосу пропускания
Δ .
Если время задержки составляет 1 мс, то это означает, что минимальная полоса линии связи имеет значение
Δ
Многолучевость вызывает, кроме того, такие вредные явления, как замирания сигналов. Замирания, как правило, обусловлены интерференцией в точке приема различных лучей, между которыми существует и случайным образом меняется разность хода. Более детально замирания рассмотрены в параграфе 2.1, посвященном общей характеристике помех, действующих в каналах радиосвязи.
Несмотря на ограничения по пропускной способности, обусловленные многолучевостью, КВ линии получили большое распространение в системах радиосвязи различного назначения.
КБ линия широко используется в авиации в целях обеспечения дальней радиосвязи, как между пунктами управления, так и между пунктами управления и самолетами в воздухе.
УКВ линии прямой видимости
Если на пути распространения ультракоротких волн нет препятствий, размеры которых соизмеримы с длиной волны, то они распространяется по законам, геометрической оптики, т.е. по прямой.
Связь ка УКВ между двумя корреспондентами будет осуществляться тогда, когда между их антеннами будет прямая видимость.
Расстоянием прямой видимости называется такое расстояние между точками передачи и приема, когда линия АВ, их соединяющая, касается земной поверхности (рис. 1.5).
Рис. 1.5.
Дальность связи с учетом высот антенн определяется соотношением
км
Где и - высота передающей и приемной антенн в метрах.
С учетом нормальной рефракции в атмосфере дальность связи на УКВ увеличивается до величины
км
При высоте антенн 10...15 м дальность связи составляет 25…35 км.
Если радиостанции располагаются на господствующих высотах, дальность связи может достигать 60 км и более.
Если одна из радиостанций находится на самолете, то высота ее антенны увеличивается. В этом случае дальность связи будет зависеть от высоты полета самолета и может достигать 400…500 км.
УКВ линии прямой видимости нашли широкое применение в авиационных системах воздушной радиосвязи. При этом используются диапазоны 100...150 МГц и 220...400МГц.
Радиорелейные линии
Для получения связи на расстояния, превышающие пределы прямой видимости, еще в 30-е годы были предложены радиорелейные линии (PPЛ). Радиорелейная линия представляет собой цепочку приемо-передающих станций, антенны которых стоят друг от друга на расстоянии прямой видимости. Для передачи сигналов на значительные расстояния используется принцип ретрансляции.
Рис. 1.6.
Для передачи сигналов от одной радиорелейной станции (РРС) к другой применяются остронаправленные антенны с коэффициентом усиления 30…40 дБ и более. Большие коэффициенты усиления антенны позволяют применять на РРЛ передатчики сравнительно небольшой мощности (не более 10…20 Вт).
Для работы РРЛ выделяются полосы частот, расположенные в области 0,4; 2; 4; 6; 8 и 11 ГГц идет освоение более высокочастотного диапазона до 15 ГГц н выше. Выбор указанных диапазонов обусловлен необходимостью обеспечения высокой пропускной способности, помехоустойчивости и надежности связи.
РРЛ находят широкое применение в авиационных системах связи между наземными пунктами управления.
Тропосферные радиорелейные линии
Тропосферными радиорелейными линиями (TPJI) называются линии, на которых используется рассеяние и отражение радиоволн, от неоднородности тропосферы. Тропосферой называется нижний слой атмосферы, простирающийся над умеренными широтами до высот 10-12 км. Тропосфера содержит много паров воды и поэтому диэлектрическая проницаемость ее Ԑ зависит от количества этих паров, температуры и давления воздуха. Турбулентное движение воздушных потоков приводит к локальным изменениям влажности, температуры, давления, вследствие чего в тропосфере появляется местные неоднородности диэлектрической проницаемости.
По структуре различают объемные н слоистые неоднородности. Объемные и слоистые неоднородности тропосферы создают рассеяние и отражение электромагнитной энергии в направлениях отличных от направления распространения волн. Рассеяние радиоволн происходит в основном на объемных (турбулентных) неоднородностях.
Слоистые неоднородности создают отражения, величины которых зависят oт скачка диэлектрической проницаемости.
При тропосферном распространении отражение и рассеяние радиоволн происходит в некотором объеме, лежащем вышe пересечения касательных к поверхности земли, проведенных из точек расположения станций, и называемом объемом переизлучения. При использовании остронаправленных антенн объемом переизлучения является объем, образованный пересечением основных лепестков диаграмм направленностей передающей и приемной антенн (рис. 1.7).
При тропосферной рассеянии в точку приема приходят лучи от различных элементов объема рассеяния, и поэтому в данном случае наблюдается диффузионная многолучевость.
Разность хода лучей, а следовательно, и времени прихода Δt приводит к появлению фазовых сдвигов. На несущей частоте сдвиг фаз
.
При модуляции сигналом с частотой F образуются нижняя и верхняя боковые частоты и . Для этих частот фазовые сдвиги соответственно равны:
;
.
Чем больше время запаздывания, тем значительнее отличаются фазы колебаний у верхней и нижней боковых составляющих. Для того, чтобы в пределах передаваемого спектра отличия были меньше, необходимо выполнить условия:
;
.
Из приведенных выражений следует, что эти условия выполнимы, если
.
Отсюда, максимальное значение модулирующей частоты
,
где - максимальное время запаздывания сигнала при многолучевом распространении.
Таким образом, вследствие многолучевости величина , а следовательно, и "полоса пропускания" тракта распространения уменьшаются. На тропосферных линиях время запаздывания изменяется по случайному закону. Поэтому и полоса пропускания оказывается непостоянной. Она может быть определена только статистически.
Рис. 1.7
Спектральные компоненты складываемых сигналов при многолучевом распространении имеют случайные фазы и наряду с изменением амплитудно-частотной характеристики тракта происходит также непрерывное изменение его фазовой характеристики (группового времени запаздывания).
Для получения более равномерной амплитудно-частотной характеристики и более линейной фазовой характеристики тракта распространения прибегают к сужению ширины диаграмм направленности антенн. Благодаря этому разность хода между самым длинным и самым коротким путями уменьшается и становится возможной более широкополосная передача.
Кроме ограничения пропускной способности обусловленной запаздыванием сигналов, многолучевость при тропосферном распространении радиоволн приводит к появлению быстрых замираний. Возникают они за счет интерференции радиоволн, переизлученных разными неоднородностями тропосферы. Быстрые замирания имеют "период" от десятых долей секунды до десятков секунд. Статистическое распределение глубины быстрых замираний определяется обычно относительно медианного значения уровня сигнала за период времени 1…10 минут.
Распределение глубины быстрых замираний подчиняется в первом приближении обобщенному закону Релея.
Кроме быстрых замираний при тропосферном распространении наблюдаются медленные замирания сигнала. Эти замирания представляют собой изменения во времени медианных значений множителя ослабления, рассчитанные за интервалы времени в 5...10 минут. Вызываются они изменениями переизлучавщих объемов тропосферы, которые происходят, например, при прохождении через трассу холодных и теплых воздушных течений. Медленные изменения множителя подчиняются в первом приближении логарифмически нормальному закону.
Принципы построения ТРЛ аналогичны принципам построения РРЛ пряной видимости, за исключением того, что на TPЛ промежуточные станции располагаются на расстояниях 200...400 км и прямая видимость между ними отсутствует. Существующие TPЛ связи используют диапазон частот от 300 до 8000 МГц. Из-за значительного ослабления сигнала на участке распространения и наличия глубоких замираний требуется более высокий энергетический потенциал линии. Достигается это применением передатчиков мощностью от нескольких сотен ватт до 50 кВт, высоконаправленных антенн с коэффициентом усиления до 50...55 дБ и высокочувствительных приемников с малошумящими усилителями радиочастоты. Кроме того, для борьбы с замираниями сигнала используется сдвоенный и счетверенный прием с частотным, пространственным и частотно-пространственным разнесением.
Тропосферные радиорелейные линии находят все более широкое применение в авиационных системах связи между наземными пунктами управления.
Спутниковые линии связи
В спутниковых линиях связи роль ретрансляционных станций выполняют искусственные спутники Земли (ИСЗ). Различают методы активной и пассивной ретрансляции.
В системе с активной ретрансляцией на борту ИСЗ устанавливается приемо-передающая аппаратура.
В системе с пассивной ретрансляцией бортовое оборудование (приемо-передающее) отсутствует и используется рассеивающее действие поверхности ИСЗ.
Активная ретрансляция в свою очередь подразделяется на мгновенную ретрансляцию и задержанную.
При мгновенной ретрансляции ИСЗ работает как обычный ретранслятор, т.е. передает информацию на Земли непосредственно после приема, без задержки во времени (рис. 1.8).
Рис. 1.8
Достоинством мгновенной ретрансляции является большая пропускная способность и возможность использования относительно простого оборудования на земных станциях и на борту. ИСЗ могут находиться на высоких орбитах, что позволяет охватывать радиосвязью значительные территории.
Задержания ретрансляция предполагает наличие на борту устройства памяти, в котором должна храниться информация, полученная от передающей станции. При пролете станции над земным приемным пунктом накопленная информация передается на Землю (рис. 1.9).
Рис. 1.9
Очевидно, что системы связи с задержанной ретрансляцией в силу ограниченности объема памяти обладают малой пропускной способностью и, кроме того, они не позволяют организовать телефонную связь с немедленным ответом. Однако она характеризуется рядом достоинств. Например, спутники в подобных системах могут использовать низкие орбиты, что удешевляет запуск космического аппарата, позволяет снизить мощность бортового передатчика и осуществлять селективную связь в определенных географических зонах. Системы с задержанной ретрансляцией находят ограниченное применение.
Вследствие высокой стоимости аппаратура ретрансляции, устанавливаемой на ИСЗ, экономически целесообразно системы с активной ретрансляцией использовать для организации многоканальной телефонной, телеграфной связи к трансляции телевидения, Кроме того, спутниковые системы связи строят так, чтобы один спутник-ретранслятор обслуживал возможно большее количество земных станций, т.е. обеспечивался многостанционный доступ (рис. 1.10).
Рис. 1.10
Для обеспечения многостанционного доступа используется различные методы разделения каналов: временное разделение, частотное разделение, разделение по форме.
Лучше всего многостанционный доступ реализуется при создании асинхронно-адресной системы связи. Сигналы каждой станции в этом случае представляют собой последовательности импульсов в виде частотно-временного кода, формируемые с использованием частотно-временной матрицы. При этом разделение каналов осуществляется по форме сигналов.
Пассивная ретрансляция не нашла широкого применения, поскольку для получения требуемого уровня сигнала на входе приемной станции требуется большая мощность передатчика наземной станции (10…15 кВт) и большая отражающая поверхность ИСЗ.
В спутниковых системах связи могут использоваться ИСЗ, движущиеся по орбитам, которые отличается следующими параметрами: формой (круговая или эллиптическая); высотой над поверхностью Земли H, наклонением, т.е. углом ɣ между экваториальной плоскостью и плоскостью орбиты. В зависимости от угла ɣ орбиты подразделяются на экваториальные (ɣ= ), полярные (ɣ= ), и наклонные
( ɣ 9 ).
Рис. 1.11
Особый интерес представляет круговая, экваториальная орбита (ɣ= ), удаленная от поверхности земли на расстояние около 36000 км. Период обращения спутника на такой орбите составляет 24 часа. В том случае, когда направление движения спутника совпадает с направлением вращения Земли, спутник будет неподвижным относительно наземного наблюдателя.
Эта особенность, а также то, что ИСЗ находится от Земля на большом удалении, приводит к следующим важный преимуществам связи через геостационарный спутник; во-первых, становятся возможным передача и прием сигналов с помощью неподвижных антенных систем (более простых и дешевых, чем подвижные); во-вторых, не сказывается эффект Доплера; в-третьих, возможно осуществление круглосуточной непрерывной связи на территории, равной примерно трети земной поверхности; в-четвертых, три геостационарных спутника обеспечивают создание глобальной системы связи. Однако через геостационарный ИСЗ затруднительно осуществлять связь с приполярными районами, расположениями на широтах выше 75°...80°, так как при этом существенно возрастают шумы на входе земных приемников. Поэтому для приполярных районов СССР лучше наклонная, эллиптическая орбита, например, орбита ИСЗ "Молния" с апогеем в северном полушарии.
Следует подчеркнуть, что оптимальная орбита спутника выбирается отдельно для каждой конкретной системы связи.
При выборе диапазона рабочих частот для спутниковых систем связи необходимо учитывать зависимость от частоты, уровня космических и атмосферных шумов, поглощения радиоволн, уровня внутренних шумов приемника, габаритов, а также стоимости антенн.
Суммарная мощность шумов, отнесенная ко входу приемника равна
,
где - мощность внутренних шумов приемника;
- мощность внешних шумов.
Внешние шумы определяются как
, (1.4)
где – шумы атмосферы и Земли;
– шумы, создаваемые радиоизлучениями Солнца и других планет (космические шумы).
Мощность шумов связана с эквивалентной шумовой температурной зависимостью
(1.5)
где k – постоянная Больцмана;
- полоса пропускания приемника.
Выражение (1,3) с учетом (1,4) и (1,5) можно записать в виде
.
Для уменьшения эквивалентной шумовой температуры на входе приемника используются малошумящие усилители, например, квантовые или параметрические.
На рис. 1.12 показаны кривые, которые определяют зависимость эквивалентной температуры атмосферы, приведенной к антенне от частоты f и угла возвышения диаграммы направленности антенны . На этом же графике показаны примерные пределы изменения эквивалентной температуры космических шумов.
Рассмотрение кривых (рис. 1.12) показывает, что при уменьшении величина растет настолько быстро, что использование величины нецелесообразно.
Из графика видно, что суммарная шумовая температура внешних источников (космических, атмосферных и земных) минимальна в диапазоне 1…10 ГГц. Поэтому в этом диапазоне частот работает наибольшее число спутниковых систем связи.
Передающие устройства наземных станций аналогичны передающим устройствам тропосферных линия связи. Обычно на выходе передающего устройства устанавливается пролетный клистрон или лампа бегущей волны мощностью 3…10 кВт.
Рис. 1.12
В качестве антенных устройств наземных станций чаще всего используется однозеркальные и двухзеркальные параболические антенны с коэффициентом усиления 50...60 дБ.
Бортовое приемо-передающее оборудование отличается высокой надежностью, малыми габаритами, малой потребляемой мощность, высокой стойкостью к воздействию радиации и перепадов температуры. Как правило, мощность бортового передатчика составляет 30...40 Вт.
Спутниковая связь является перспективным видом связи.
1.2.6. Метеорные линии связи
В метеорных линиях связи используется отражение ультракоротких (метровых) волн от метеорных следов-столбов ионизированного вещества, которые образуются при попадании метеорных тел в атмосферу.
Образование столба ионизированного вещества может быть объяснено следующим образом. Метеорная частица вторгается в земную атмосферу со скоростью 12...75 км/с. При этом она сталкивается с молекулами разряженного воздуха и от этого нагревается, плавится и испаряется. Вылетающие из метеорного тела при его нагревании атомы сталкиваются с молекулами и атомами окружающего воздуха и ионизируются. В результате такого процесса в атмосфере на высоте 30...120 км образуется ионизированный след метеорита - узкий цилиндрический столб ионизированного газа. Протяженность следа зависит от массы и зенитного угла метеора. Наиболее вероятная протяженность следа 15 км.
При создании метеорной линии связи антенны передающего и приемного устройства устанавливаются так, что их диаграммы направленности пересекаются в некоторой области пространства, находящейся на высоте между 120 и 80 км. При вторжении в эту область метеорита возникает ионизированный след, ведущий себя как отражатель, и между передатчиком и приемником может осуществляться связь. Отражение электромагнитных волн от ионизированных следов носит зеркальный характер, вследствие чего уровень сигнала в точке приема значительно выше, чем в случае ионосферного рассеяния радиоволн.
Длительность существования большинства следов, пригодных для связи, составляет 0,1…1,5 с.
В среднем можно считать, что за одну минуту регистрируется 2...3 отраженных сигнала длительностью около 1 с. Значит, связь за счет отражения от ионизированных следов метеоров, может быть только прерывистой, причем длительность сеансов составляет 3...5% от общего времени работы аппаратуры метеорных станций. Вместе с тем, благодаря зеркальному отражению волн и прерывистому характеру связи, метеорная связь обладает высокой скрытностью.
Возникновение благоприятного для связи метеорного следа и деятельность его существования есть процессы случайные. Поэтому в системах метеорной связи широко применяется принцип управляемой прерывистой передачи информации, заключающийся в том, что информация передается с высокой скоростью частями лишь в течение времени существования пригодных для связи метеорных следов. В интервале между этими кратковременными сеансами связи разводится непрерывное зондирование ионосферы с целью обнаружения пригодных следов.
Неотъемлемой частью систем метеорной радиосвязи являются накопительные устройства. Их применение диктуется необходимостью сочетания быстродействующей прерывистой передачи по радиоканалу с равномерным вводом и выводом информации на передающей и приемной стороне.
Метеорные системы связи позволяют на частотах 30...50 МГц при коэффициенте усиления передающей и приемной антенн 15…20 дБ (сравнительно просто реализуемых) и мощности передатчика порядка 1…2 кВт осуществлять связь на расстояние до 2500 км. Энергетически они более экономичны чем ионосферные.
Эффективная полоса пропускания метеорной линии связи 10…20 раз выше ионосферной и составляет 100…200 кГц. Следовательно, пропускная способность метеорных систем радиосвязи более чем в 10 раз выше пропускной способности ионосферных систем при одинаковых мощностях передатчиков.
Метеорные линии связи весьма перспективны. Особенно они незаменимы в труднодоступных районах в полярных широтах.
1.2.7. Линии радиосвязи, использующиеионосферное рассеяние метровыхволн
Экспериментальные исследования показали, что в области ионосферного слоя D на высоте 75…90 км происходит рассеяние метровых электромагнитных волн. Причиной рассеяния метровых электромагнитных волн слоем D является рассеяние на локальных неоднородностях диэлектрической проницаемости ионосферы.
Рассеяний ионосферой сигнал обладает очень малой интенсивностью, поэтому в линиях связи ионосферного рассеяния (ИР) используются мощные передатчики (более 10 кВт) и антенны с большим коэффициентом усиления (20...30 дБ). Дальность связи в линиях ионосферного рассеяния составляет 1000...2200 км.
Потери в ионосфере резко убывает с увеличением частоты, поэтому линии ИР используются на частотах не выше 60 МГц. С другой стороны, частоты ниже 25...30 МГц использовать невыгодно из-за интерференции рассеянного и нормально отраженного полей. Таким образом, в линиях ИР используется длинноволновый участок метрового диапазона.
В линиях ИР, так же как и при дальнем тропосферном распространении, наблюдаются явления многолучевости и связанные с ним замирания сигналов.
Линии ИР находят ограниченное применение авиационных системах связи.
Лекция 3
Тема «Классификация систем радиосвязи.