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
4	Сверхдлинные (СДВ)	Очень низкие (ОНЧ)	100-10 км	3-30 КГц	Земные и ионо-сферные	Ионо- сферные волны	Ионо-сферные волны
5	Километровые длинные (ДВ)	Низкие (НЧ)	10-1 км	30-300 КГц	То же	То же	То же
6	Гектометровые средние (СВ)	Средние (СЧ)	1000-100 м	0,3-3 МГц	Земные волны	Земные волны	-
7	Декаметровые короткие (КВ)	Высокие (ВЧ)	100-10 м	3-30 МГц	То же	Ионосферные волны	-
8	Метровые (МВ)	Очень высокие (ОВЧ)	10-1 м	30-300 МГц	-	Тропосферные и ионосферные волны	Тропосферные и ионосферные волны
9	Дециметровые (ДЦВ)	Ультра высокие (УВЧ)	100-10 см	300-3000 МГц	-	Прямые и тропосферные волны	Прямые и тропосферные волны
10	Сантиметровые (СМВ)	Сверх высокие (СВЧ)	10-1 см	3-30 ГГц	-	То же	То же
11	Милли метровые (ММВ)	Крайне высокие	10-1 мм	30-300 ГГц	Прямые волны	Прямые волны	-
12	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, использующие ионосферное рассеяние метровых волн

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.