ЛЕКЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС

по дисциплине Исследование технологий оказания спутниковых и радиорелейных услуг в радиоэлектронике

Лекция 1.   Классификация систем радиосвязи 

Цель лекции: рассмотреть системы радиосвязи и признаки их классификации.

Системы радиосвязи могут быть классифицированы по различным признакам: по типу передаваемых сообщений; по занимаемому спектру радиочастот; по характеру передаваемых сигналов; по виду математического описания, отражающего искажения передаваемых сигналов, в тракте распространения; по пропускной способности и т. д.

По типу передаваемых сообщений системы радиосвязи могут быть разделены так, как это показано в таблице 1.1.

Т а б л и ц а  1.1

Передача сообще-ний между ЭВМ	Передача оптических сообщений в виде неподвижных изображений			Передача оптических сообщений в виде подвижных изображений			Передача звуковых сообщений
Передача документальных сообщений					Передача сообщений массового назначения
Пере- дача данных	Теле- граф- ная связь	Факси- мильная связь	Переда- ча газет		Видео- теле-фония	ТВ веща-ние		Теле- фонная связь	Звуко- вое ве-щание
Передача сообщений индивидуального назначения

Классификация условна, поскольку все виды радиосвязи объединяются в единую интегральную систему на основе цифровых методов передачи и коммутации для передачи всех видов сообщений.

 Международные  соглашения в области распределения радиочастот.

Деление радиоволн на диапазоны установлено Международным регламентом радиосвязи МСЭ-Р – смотри таблицу 1.2. [Телекоммуникационный сектор стандартизации Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) (Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union - ITU-T) – специализированный орган ООН, с 1993 года преемник Международного Консультативного Комитета по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) (Comite Consultatif International Telegraphique et Telephonique - CCITT) - международная организация, разрабатывающая стандарты в области связи. Кроме МСЭ-Т в состав МСЭ входят Сектор радиосвязи МСЭ-Р (Radiocommunication Sector - ITU-R) и Сектор развития электросвязи (Telecommunication Development Sector - ITU-D). Стандарты ITU-T охватывают практически всю область телекоммуникаций.

 

Т а б л и ц а  1.2

Вид радиоволн	Тип радиоволн	Диапазон     радиоволн (длина волны)	Номер диапа- зона	Диапазон частот	Вид радиочас- тот
Мириаметро- вые	Сверхдлин-ные	10..100 км	4	3..30 кГц	Очень низкие (ОНЧ)
Километровые	Длинные	1..10 км	5	30..300 кГц	Низкие (НЧ)
Гектометровые	Средние	100..1000 м	6	300..3000 кГц	Средние (СЧ)
Декаметровые	Короткие	10..100 м	7	3..30 МГц	Высокие (ВЧ)
Метровые		1..10 м	8	30..300 МГц	Очень высо- кие (ОВЧ)
Дециметровые	Ультрако- роткие	10..100 см	9	300.3000 МГц	Ультравысо- Кие (УВЧ)
Сантиметровые		1..10 см	10	3..30 ГГц	Сверхвысо-кие (СВЧ)
Миллиметро-вые		1..10 мм	11	30..300 ГГц	Крайневысо- кие (КВЧ)
Децимилли- метровые		0.1..1 мм	12	300..3000 ГГц или 3 ТГц	Гипервысо- кие (ГВЧ)

В радиолиниях связи средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. На рисунке 1.1 приведено упрощенное строение атмосферы Земли, а в таблице 1.3 приведены основные способы распространения радиоволн.

           Рисунок 1.1 –  Строение атмосферы Земли

  

Т а б л и ц а  1.3

Вид радиоволн	Основные способы распространения радиоволн	Дальность связи
Мириаметровые и километровые (сверхдлинные и длинные)	Дифракция Отражение от Земли и ионосферы	До тысячи км Тысячи км
Гектометровые (средние)	Дифракция Преломление в ионосфере	Сотни км Тысячи км
Декаметровые (короткие)	Преломление в ионосфере и отражение от Земли	Тысячи км
Метровые и более короткие	Свободное распространение и отражение от Земли Рассеяние в тропосфере	Десятки км   Сотни км

 Первичные электрические сигналы и их характеристики

По характеру передаваемых сигналов различают системы передачи непрерывных (аналоговых)  и дискретных (по времени и ансамблю) сигналов. Аналоговые сигналы характеризуются полосой пропускания и динамическим диапазоном и пр., дискретные (цифровые) – скоростью передачи (биты в секунду).

 Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный, звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных.

Телефонный (речевой) сигнал.

Частота импульсов основного тона f₀ лежит в пределах от 50..250 Гц. При разговоре f₀ меняется значительно.

Среднюю мощность телефонного сигнала (с учетом коэффициента активности и наличия управляющих сигналов) принимают равной 32 мкВт, т.е. средний уровень телефонного сигнала составляет p_СР = 10 lg (32 мкВт/1мВт) = - 15 дБм0.

Коэффициент активности, определяемый как отношение времени, в течение которого по каналу передается сообщение, к общему времени работы канала в системе,  составляет 0,25..0,35.

Динамический диапазон определяется выраженным в децибелах отношением максимальной и минимальной мощностей сигнала =35...40 дБ.

Пик-фактор сигнала =14 дБ.

Энергетический спектр речевого сигнала (рисунок 1.2 ) – область частот, в которой сосредоточена основная энергия сигнала, где  – спектральная

плотность среднего квадрата звукового давления;  – порог слышимости (минимальное звуковое давление, которое начинает ощущаться человеком с нормальным слухом на частотах 600..800 Гц); f = 1 Гц. Из рисунка 2 видно, что речь – широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50..100 Гц до 8000..10000 Гц.

МСЭ-Т в качестве границ эффективного спектра речи приняты частоты 300..3400 Гц. При указанной полосе частот слоговая разборчивость составляет около 90%, разборчивость фраз – более 99% и сохраняется удовлетворительная натуральность звучания.

Рисунок 1.2 – Энергетический спектр речевого сигнала

 

Телевизионный сигнал формируется методом построчной развертки. Анализ показывает, что энергетический спектр телевизионного сигнала сосредоточен в полосе частот 0..6 МГц. Динамический диапазон D_С  40 дБ, пик-фактор 4,8 дБ.

По аналогии определяются параметры остальных сигналов.

Аналогичные параметры определяются и для каналов связи. Параметры каналов связи должны быть не меньше соответствующих параметров сигналов.

Свести параметры аналоговых сигналов к единому параметру (скорости передачи) позволяет преобразование этих сигналов в цифровые.

 

Лекция 2. Каналы для передачи первичных сигналов

Цель лекции: ознакомиться с видами каналов и методами оценки их качества.

Система электросвязи – совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сообщений.

Канал связи – совокупность технических устройств (преобразователей) и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов на расстояние.

Для исследования влияния распространения радиоволн на передаваемые сигналы каналы связи (рассматриваются как линейные четырехполюсники) классифицируются следующим образом.

Однолучевые каналы с постоянным коэффициентом передачи К. В отдельные короткие моменты времени участок РРЛ прямой видимости и канал спутниковой связи с линейным ретранслятором на стационарной орбите может быть принят однолучевым с постоянным .

 Сигнал на выходе канала 

                                                    (2.1)

где x(t) – сигнал на входе;

n(t) – помеха в виде аддитивного шума;

τ – постоянная задержка.

Однолучевые каналы со случайным неселективным поглощением. имеет некоторый закон распределения вероятностей. 

Сигнал на выходе канала 

.                                             (2.2)

Изменяющаяся во времени τ(t) характерна для передатчика и приемника, находящихся в относительном движении. (В частотной области это вызывает эффект Доплера – физическое явление, заключающееся в изменении частоты принятых колебаний при взаимном перемещении передатчика и приемника этих колебаний.) Таким каналом является канал связи через движущийся ИСЗ, при работе в линейном режиме.

Двухлучевой канал с переменным поглощением в каждом луче (или в одном из них). Это высокочастотный (ВЧ) канал или участок радиорелейной линии (РРЛ) прямой видимости в те моменты времени, когда кроме прямого луча имеется луч, отраженный от Земли.

Сигнал на выходе канала 

.              (2.3)

Многолучевые каналы – наиболее общая модель любого канала.

Сигнал на выходе канала 

                                        (2.4)

где m – число лучей.

Многолучевыми являются каналы тропосферных РРЛ и ионосферных систем. Возникающие флуктуации сигналов подразделяют на три типа: быстрые флуктуации мгновенных значений сигнала, вызванные интерференцией двух или большего числа сигналов. Интервал стационарности быстрых флуктуаций исчисляется минутами, а наивысший период изменения – десятыми долями секунды. Мера борьбы с быстрыми флуктуациями – разнесенный прием.

Медленные флуктуации с интервалом стационарности часы или сутки. Эти замирания определяются изменениями физического состояния среды на участке распространения радиоволн. Эффективных методов борьбы не существует – система должна быть спроектирована с учетом максимально возможного замирания. Еще более медленные – сезонные флуктуации, вызванные изменением общих условий в тракте распространения  радиоволн.

Методы оценки качества каналов

Допустимое качество связи на аналоговой  РРЛ определяется минимально допустимым отношением мощностей сигнала  и шума на выходе канала (P_с/P_ш)<(P_с/P_ш)_min или (U_рс/U_ш)²<(U_рс/U_ш)²_min (для ТФ ствола 10lg(Р_с/Р_ш)_min=44 дБ, для ТВ ствола 10lg(U_рс/U_ш)²_min=49 дБ) , а также допустимым процентом времени, в течение которого выполняются эти неравенства (99,9% времени любого месяца для эталонной РРЛ длиной 2500 км).

Качество цифровых каналов оценивают в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т. Нормы, по рекомендации МСЭ-Т G. 821, состоят из двух основных компонент: показатели неготовности и показатели качества по ошибкам.

Неготовность аппаратуры – такое состояние участка цифровой радиорелейной линии (ЦРРЛ), при котором в течение десяти секундных интервалов, следующих подряд, имеет место хотя бы одно из событий:  пропадание      сигнала      (потеря    синхронизации);     вероятность     ошибок

BER = N_ош / N > 10^-3, где N – число переданных символов, N_ош - число ошибочно принятых символов.

Показатели качества по ошибкам системы связи  относятся к тем промежуткам времени, в течение которых система находится в состоянии готовности. Различаются следующие параметры и вероятности ошибок BER:       сильно пораженные секунды (SES) – BER = 10^-3 за 1 секунду;   деградирующие минуты (DM) – BER= 10^-6  за 1 минуту; секунды с ошибками (ES) –  BER= 10^-6  за 1 секунду; остаточная вероятность ошибок (RBER).

Система считается неготовой, если BER превышает величину 10^-3 за 10 последовательных секунд и более.

Построение радио каналов телефонного, звуко­вого и  телевизионного  вещания.

В настоящее время применяют принципы построения сетей, изображенных на рисунках 2.1 – 2.3. 

Рисунок 2.1 –  Принципы построения сетей: а) топология сети "каждый с каждым". Сеть надежна, отличается оперативностью и высоким качеством передачи сообщений. На практике применяется при небольшом числе абонентов;

б) радиальный ("звезда"), используется при ограниченном числе абонентских пунктов, расположенных на небольшой территории

 

Рисунок 2.2 –  Радиально-узловая топология сети

Такую структуру имеют городские телефонные сети, если емкость сети не превышает 80...90 тысяч абонентов.

Рисунок 2.3  –  Топология радиально-узловой сети с узловыми районами

Такая топология используется  при построении телефонных сетей крупных городов.                                                                                                                         

Важнейшими сетями передачи массовых сообщений являются сети вещания. Вещание – процесс одновременной передачи различных сообщений общего назначения широкому кругу абонентов с помощью технических средств связи.

Вещательная программа – последовательность передачи во времени различных сообщений. Организация вещания включает в себя две задачи: подготовка вещательных программ и доведение программ до абонентов.

Основными требованиями к сетям вещания являются: охват вещанием всего населения страны, высокое качество передаваемых программ, надежность и экономичность.

Сеть звукового вещания. Распределение программ производится по каналам связи, разветвление – на специальных узлах. Сеть каналов звукового вещания строится по радиально-узловому принципу.

По способу доведения различают радиовещание и проводное вещание (по специальным проводным линиям или линиям телефонной связи).

Сеть телевизионного вещания. Распределение программ производится по каналам связи, разветвление – на специальных узлах. Сеть ТВ вещания строится по радиально-узловому принципу.

Используется два способа доведения ТВ программ: радиовещание с помощью радиотелевизионных передающих станций (РТПС, эфирное ТВ) и проводное вещание (кабельное ТВ). Современной разновидностью эфирного ТВ является спутниковое телевизионное вещание с непосредственным приемом на установки, расположенные у абонентов.