Радиовещание

Принципиальное отличие радиовещания от радиосвязи состоит в том, что в радиовещании информация передается в виде вещательной программы и только в одном направлении – от передающей вещательной радиостанции к приемным устройствам радиослушателей или зрителей.

Первая вещательная радиостанция начала работать в Москве в 1922 году и имела мощность 12 кВт, но в это время это была самая мощная радиостанция в мире.

Пробное телевизионное вещание было в Москве в 1931 году, а регулярное черно-белое телевизионное вещание с 1939 года. С 1948 года ведется телевизионное вещание в стандарте 625 строк.

2. Классификация и общая характеристика радиолиний.

Радиоканал – это совокупность технических средств и среды распространения радиоволн, обеспечивающих преобразование сообщения в электрические сигналы, передачу их в виде электромагнитных колебаний и прием с обратным преобразованием.

Один или несколько радиоканалов образуют соответственно одно- или многоканальную радиолинию.

Радиолинии классифицируются по большому числу признаков:

1. По назначению:

- международные

- внутригосударственные

2. По потокам сообщений:

- магистральные

- зоновые

- местные

3. По роду работы:

- телефонные

- телеграфные

- телевизионные, и так далее по виду передаваемой информации

4. По направлению обмена:

- односторонняя

- двухсторонняя (передача и прием)

5. По характеру связи:

- симплексная

- дуплексная.

При двухсторонней связи, если передача и прием осуществляются поочередно, то такая радиосвязь называется симплексной (рисунок 1).

Рис.1. Симплексная связь.

Положительные моменты симплексной связи: передатчик и приемник могут размещаться в одном месте, и используется одна частота. Отрицательный – низкий КПД (коэффициент полезного действия) – 50%.

Симплексная связь используется, как правило, при наличии небольших информационных потоков.

Для объектов с большой нагрузкой характерна дуплексная связь – это двухсторонняя радиосвязь, при которой связь между радиостанциями осуществляется одновременно (рисунок 2).

Рис.2. Дуплексная связь.

При дуплексной связи передатчик и приемник могут располагаться в непосредственной близости друг от друга, если мощность передатчика не более 5 кВт.

В других случаях они располагаются на большом расстоянии. Для координации их работы организуется радиобюро, к которому по соединительным линиям подключаются абоненты (рисунок 3). Оператор радиобюро коммутирует определенных абонентов с определенными передающими и приемными радиосредствами.

Рис.3. Использование радио бюро.

6.По используемому диапазону частот.

Сейчас используются 9 диапазонов частот (длин волн). Обозначение этих диапазонов приводится в таблице1.

Таблица 1. Используемые диапазоны.

Номер диапазона (полосы частотного спектра)	Обозначение диапазона (полосы)	Диапазон частот	Диапазон длин волн	Метрическое наименование диапазона волн
	ОНЧ (очень низкие частоты)	3…30 кГц	10…100 км	Мириаметровые
	НЧ	30…300 кГц	1…10 км	Километровые
	СЧ (средние частоты)	300…3000 кГц	10км…100м	Гектометровые
	ВЧ	3…30 МГц	10…100 м	Декаметровые
	ОВЧ (очень ВЧ)	30…300МГц	1…10 м	Метровые
	УВЧ (ультра ВЧ)	300…3000 МГц	10…100 см	Дециметровые
	СВЧ (сверх ВЧ)	3…30 ГГц	1…10 см	Сантиметровые
	КВЧ (крайне ВЧ)	30…300 ГГц	1…10 мм	Миллиметровые
	ГВЧ (гипер ВЧ)	300…3000 ГГц	0,1…1 мм	Децимилли-метровые

7. По характеру распространения радиоволн различных диапазонов

Длинные волны (ДВ) (с длиной волны 3000 м и выше) – это волны части километрового и мириаметрового диапазонов. Отличительная особенность этих волн – способность поверхностной волны огибать землю. Поэтому напряженность поля значительна на больших расстояниях (1500…2000 км).

“-” Но требуются передатчики большой мощности, так как пространственные волны вследствие небольшой частоты отражаются от ионосферы и сильно поглощаются землей. Также недостатком является необходимость строить высокие антенны (несколько сотен метров) и невозможно разместить в этих диапазонах большое число каналов.

“+” Но можно организовать надежную связь. Поэтому в этих диапазонах работают мощные радиостанции для всемирной радиосвязи, имеющие стратегическое значение. Они могут обеспечивать бесперебойную радиосвязь с объектами на любом удалении (в том числе с подводными лодками в погружении). В этом диапазоне созданы службы передачи точных частот, службы времени и используются для других научно-исследовательских целей.

Средние волны (СВ) (3000 м – 100 м) – часть километрового и гектометровый диапазон. (Распространение волн в этом диапазоне может осуществляться поверхностным и пространственным лучом.) В дневные часы пространственные волны практически отсутствуют, так как сильно поглощаются атмосферой с большой степенью ионизации. Поэтому связь на этих волнах днем осуществляется только поверхностной волной и имеет небольшую дальность распространения (1000…1500 км). Дальность может увеличиться вечером и ночью, так как поглощение ионосферой уменьшается, пространственная волна отражается и в точке приема накладывается на поверхностную. Если фазы этих волн оказываются противоположными, амплитуда волны гасится. Если же при наложении волн фазы совпадают, амплитуда резко возрастает. Такое явление называется замиранием и чаще наблюдается на коротких волнах этого диапазона. Для борьбы с этим явлением используют разнесенный прием (на несколько антенн, расположенных друг от друга на расстоянии кратном длине используемой волны) и автоматическую регулировку усиления.

Другой недостаток – большой уровень атмосферных и промышленных помех. Но диапазон очень широко используется во многих странах для организации радиовещания (синхронное радиовещание).

Короткие волны (КВ) (100 – 10 м) декаметровый диапазон. Поверхностная волна сильно поглощается землей, дальность распространения не превышает 100 км. Для связи используется пространственная волна. Принципы распространения этих волн будут рассмотрены позднее.

Связь на КВ остается пока основным видом межконтинентальной связи, для радиовещания в труднодоступные районы страны и для всех других стран.

Ультра короткие волны (УКВ) (длина волны короче 10 м). К этому диапазону относятся волны метрового, дециметрового, сантиметрового, миллиметрового, децимиллиметрового диапазонов.

Основное достоинство данного диапазона – возможность передачи широкополосного сигнала.

В течение многих лет использование УКВ ограничивалось прямой видимостью между антеннами передатчика и приемника, так как эти волны не могут огибать выпуклости земной поверхности. Степень же ионизации атмосферы недостаточна для отражения этих волн. (Они могут отражаться только в период высокой солнечной активности и то лишь для нижней частоты метрового диапазона 7…10 м). Поэтому для осуществления дальней связи в этом диапазоне необходимо устанавливать промежуточные ретрансляторы или поднимать антенны на большие высоты. Первый принцип используется в радиорелейных системах передачи, по которым можно организовать большое количество каналов связи.

Широкополосность этого диапазона дает возможность передать телевизионное изображение, но для увеличения зоны обслуживания ТВ вещания необходимо использовать антенны на высоких башнях. Останкинская телебашня – 533 м.

8. По виду модуляции:

Может использоваться:

АМ – амплитудная модуляция,

ЧМ – частотная модуляция,

ФМ – фазовая модуляция,

ИМ – импульсная модуляция,

Частный случай – частотная и фазовая манипуляция.

9. По количеству каналов:

Малоканальные радиолинии – СВ, ДВ, КВ диапазонов, простейшие радиолинии.

Многоканальные радиолинии – УКВ диапазона, радиорелейные линии и радиолинии с использованием ИСЗ.

10. По времени действия:

- радиолинии, обеспечивающие круглосуточную радиосвязь;

- радиолинии с ограниченным временем работы по расписанию.

11. По способу ретрансляции:

- прямые;

- ретрансляционные радиолинии.

3. Организация радиолиний декаметрового диапазона волн.

3.1. Особенности организации радиолиний в декаметровом диапазоне.

Декаметровый диапазон волн – это волны с длиной – 100…10 м, иначе называется «Короткие волны», по значению частот – это высокие частоты: 3…30 МГц.

Особенности распространения коротких волн:

1. Энергия поверхностной волны сильно поглощается земной поверхностью, дальность распространения не превышает 100 км и практически не используется.

2. Пространственная волна обладает способностью отражения от верхних слоев атмосферы и поэтому подвержена влиянию изменения ее состояния, что существенно сказывается на особенностях распространения этих волн.

Рассмотрим строение газообразной оболочки земли, которая называется атмосферой. Она подразделяется на 3 основных слоя(рисунок 1).

Рис.1. Строение атмосферы.

Ионосфера – это ионизированный слой малой плотности. Под воздействием ультрафиолетового излучения солнца нейтральные молекулы расщепляются на ионы и электроны, концентрация которых на различных высотах различна, что и влияет на отражение коротких волн.

Степень ионизации существенно зависит от активности солнца, которая изменяется со средним периодом 11,3 года (по данным, начиная с 1750 года). Изменение солнечной активности представлено на рисунке 2.

Ионосфера неоднородна и представляет совокупность ионизированных слоев или областей, возникших под влиянием солнечной радиации и плавно переходящих одна в другую, представленных на рисунке 3.

Слой “F” имеет максимальную электронную концентрацию и является основной отражающей областью. Днем это область как бы расщепляется на 2 слоя “F” и “F”, из которых “F” обладает лучшей отражающей способностью. Ночью ионизация в области “F” ослабевает, но частично сохраняется. Выше области “F” электронная концентрация быстро убывает.

В области “E” ионизация происходит, в основном, от мягкого рентгеновского излучения Солнца.

Высокая ионизация слоя “E” наблюдается в экваториальных областях, и в этих областях слой “E” обладает отражающей способностью. В средних и высоких широтах данный слой обладает в основном поглощающей способностью, кроме “E- образований” – облаков с повышенной ионизацией.

Рисунок 2 – Изменение солнечной активности

Рисунок 3 – Строение ионосферы

Ионизация области “D” в основном обусловлена рентгеновским излучением Солнца. Ионизация максимальна в полдень и быстро падает, когда Солнце скрывается за горизонтом. Этот слой обладает в основном отражающей способностью, но во время солнечных вспышек резко возрастает ионизация слоя. Это приводит к внезапным ионосферным возмущениям, следствием которых является полное нарушение коротковолновой связи на освещенной половине земного шара на срок от нескольких минут до нескольких десятков минут.

Таким образом, разные слои ионосферы в разное время суток обладают разной отражающей способностью в разных географических территориях. Поэтому состояние ионосферы нужно постоянно исследовать. Самым распространенным способом исследования является вертикальное зондирование передатчиком, посылающим частотные импульсы вертикально вверх.

За сеанс зондирования снимается полная высотно-частотная характеристика, важнейшими параметрами которой являются критические частоты и высоты слоев.

Высота слоя, от которого произошло отражение, определяется по времени возврата отраженного импульса.

Критическая частота – это наиболее высокая частота, отраженная от данного слоя. Обозначение: например, fE – критическая частота слоя “E”. Все частоты, меньшие по значению критической частоты данного слоя, отражаются от этого слоя, а все частоты, большие уходят к следующему слою и, если они по значению меньше критической частоты следующего слоя, отражаются от данного слоя и возвращаются на землю. Частоты, большие по значению критической частоты слоя “F”, не отражаясь, уходят в космическое пространство. Изложенный принцип отражения частот представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Вертикальное зондирование

Критические частоты, определенные при вертикальном зондировании, использовать практически невозможно, поэтому на базе критических частот определяются максимально применимые частоты (МПЧ) – это максимальная частота, которая отражается от слоя при определенном наклоне луча по отношению к горизонту. То есть, когда сообщение передается на определенное расстояние (рисунок 5).

Рисунок 5

Расстоянием скачка называется то расстояние, на котором сигнал может быть принят при однократном отражении от слоя.

При отражении от слоя “F” максимальное расстояние скачка – 3000 – 4000 км.

Например, при отражении от слоя Fи длине скачка 3000 км, значение максимально-применимой частоты определяется по следующей зависимости:

МПЧ (3000 F) = 3,5 fF

Значение МПЧ зависит от времени суток, сезона года, географической широты точки отражения и солнечной активности. (Обычно значение МПЧ выше в летние месяцы, чем в зимние.) На рисунке 6 изображено суточное изменение значения МПЧ.

Волны с длиной – 10-25 м – получили название дневных, 35-100 м – ночные волны, а волны с длиной 25-35 м – лучше распространяются в часы полуосвещенности.

На практике используется не максимально применимые частоты, а оптимальные рабочие частоты (ОРЧ), которые на 15% ниже МПЧ.

ОРЧ = 0,85 МПЧ.

То есть, на практике уменьшается значение применимой частоты, так как состояние ионосферы постоянно изменяется и для организации связи или вещания необходим запас для возможности отражения волны.

Рисунок 6 – Изменение МПЧ за сутки

На многих станциях мира ведется вертикальное зондирование, что дает возможность строить прогнозные карты глобального распределения критических частот на несколько месяцев вперед, которые используются для расчета МПЧ и ОРЧ.

Классическим видом ионосферного распространения коротких волн является односкачковый вариант, когда волна, отразившись от слоя, возвращается к Земле.

Но распространение может быть и двух скачковым (рисунок 7). Волна после первого скачка отражается от Земли и приходит в точку “B” после повторного отражения от слоя “F”. Теоретически отражение может быть много скачковым вплоть до полного огибания Земли.

Рисунок 7 – Двух скачковый вариант распространения коротких волн

Ограничена не только максимальная длина одного скачка, но и минимальная, поскольку преломление радиоволны может наблюдаться лишь при углах больших некоторого критического (b). Этим объясняется существование “зоны молчания” (ЗМ) (рисунок 8).

Рисунок 8

Существование “зоны молчания” можно пояснить на графике изменения напряженности поля сигнала для поверхностной и пространственной волны, представленного на рисунке 9.

ЗНП – зона неуверенного приема

ЗУП – зона уверенного приема

Рисунок 9 – График изменения напряженности поля сигнала

В декаметровом диапазоне может наблюдаться явление замирания, так как волна распространяется расширяющимся лучом в пределах угла (a). Разные участки одной и той же волны отражаются при различной глубине проникновения и поэтому достигают поверхность земли в разных точках (рисунок 10).

Рисунок 10

В точке приема “B” появляются лучи, которые распространяются путем однократных или многократных отражений. На приемную антенну воздействует несколько колебаний с разными амплитудами и фазами, что приводит к замираниям (резкое возрастание или падение амплитуды). Для борьбы с этим явлением используется разнесенный радиоприем на несколько антенн, расположенных на расстоянии, кратном длине используемой волны.

Этот диапазон широко используется для:

- магистральной (резервные каналы) и зоновой связи;

- подвижной ведомственной связи;

- звукового радиовещания для удаленных районов.

3.2. Уравнение устойчивой связи

При использовании декаметрового диапазона параметры тракта обладают непостоянством из-за постоянно изменяющегося состояния ионосферы. Но для устойчивости связи изменение параметров на приемном конце должно быть компенсировано изменением параметров передающего устройства.