8. Радиорэлейная связь

Радиорелейная связь (от радио и французского relais - промежуточная станция), радиосвязь, осуществляемая при помощи цепочки приемопередающих радиостанций, как правило, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости их антенн. Таким образом, радиорелейная связь - это особый вид радиосвязи на ультракоротких волнах с многократной ретрансляцией сигнала.

Радиорелейная связь первоначально применялась для организации многоканальных линий телефонной и телевизионной связи, в которых сообщения передавались с помощью аналогового электрического сигнала. Одна из первых таких линий протяженностью 200 км с 5 телефонными каналами появилась в США в 1935 году. Она соединяла Нью-Йорк и Филадельфию.

В 1932-1934 гг. в СССР была разработана приёмопередающая аппаратура, работающая на метровых волнах, и созданы опытные линии связи Москва- Кашира и Москва-Ногинск. Первое отечественное оборудование «Краб», используемое на линии радиорелейной связи через Каспийское море, между Красноводском и Баку (1953-1954 гг.), работало в метровом диапазоне.

В те годы для радиорелейных линий считалось наиболее целесообразным применение импульсной модуляции, техника которой была хорошо освоена в радиолокации, одновременно с временным уплотнением. Казалось, что при тогдашнем уровне развития технологий это сулит большие преимущества. Но цикл теоретических исследований и экспериментальных проработок, проведенных в Научно-исследовательском институте радио, подтвердил складывающееся в то время у специалистов в области радиорелейной связи мнение, что сочетание частотной модуляции с частотным уплотнением позволит создать линии, не уступающие даже наиболее совершенным коаксиальным кабельным системам. Надо подчеркнуть, что сказанное относится к концу 1940-х - началу 1950-х годов. А поскольку, как известно, развитие общества и науки идет по спирали, то сегодня современные новейшие технологии позволили вернуться к цифровым методам передачи на более высоком уровне - передача данных, цифровая телефония и телевидение.

В середине 50-х годов прошлого века в России было разработано семейство радиорелейной аппаратуры «Стрела», работавшей в диапазоне 1600-2000 МГц: «Стрела П» - для пригородных линий, обеспечивающих передачу 12 телефонных каналов; «Стрела Т» - для передачи одной телевизионной программы на расстояние 300-400 км и «Стрела М» - для магистральных линий емкостью 24 канала и протяжённостью до 2500 км. На аппаратуре «Стрела» был построен ряд первых отечественных радиорелейных линий (РРЛ). Вот некоторые из них: Москва - Рязань, Москва - Ярославль - Нерехта - Кострома - Иваново, Фрунзе - Джалал Абад, Москва - Воронеж, Москва - Калуга, Москва - Тула.

Следующая разработка для РРЛ - аппаратура Р-60/120. Она позволяла создавать 3-6-ствольные магистральные линии длиной до 2500 км для передачи 60-120 телефонных каналов и на дальности до 1000 км для передачи телевизионных программ с выполнением рекомендаций МККТ и МККР по качественным показателям. Радиорелейные линии на базе аппаратуры Р—60/120 были построены в различных районах СССР. Одной из первых и, пожалуй, самой протяженной была линия Москва - Ростов-на-Дону. Оборудование типа Р-60/120, работавшее в диапазоне 2 ГГц, было предназначено для внутризоновых РРЛ.

Принципиальные решения отдельных узлов и общее построение оборудования во многом напоминало «Стрелу», но при разработке учитывались все рекомендации Международного консультативного комитета по радиовещанию (МККР). В соответствии с ними промежуточные частоты передатчика и приемника были одинаковы и равны 70 МГц. Большое внимание уделялось вопросам внутрисистемной электромагнитной совместимости (ЭМС), учитывались все возможные паразитные продукты преобразования частот в смесителе передатчика и каналы помех в смесителе приемника. Аппаратура работала в диапазоне 1600-2000 МГц. Мощность передатчика была доведена до 3 Вт. Была предусмотрена система телеобслуживания промежуточных станций, совершенно изменена конструкция стоек. Чтобы передавать телевизионные сигналы на большие расстояния, а также сигналы телефонных каналов, нужно было создать радиорелейное оборудование магистральных РРЛ.

Магистральным РРЛ были выделены соответствующие полосы частот в диапазонах 4 и 6 ГГц. В таких диапазонах, при одинаковых габаритных размерах антенн и прочих равных условиях, излучаемая в эфир мощность увеличивается в 2,5-3 раза за счёт большого коэффициента усиления антенны. Это было весьма существенно для достижения необходимых качественных показателей передаваемых сигналов телевидения и многоканальной телефонии. Первой отечественной радиорелейной системой магистральной радиорелейной связи была система Р-600, работающая в диапазоне 4 ГГц. Первая магистральная радиорелейная линия Ленинград-Таллин, оборудованная аппаратурой Р-600, была построена в 1958 г., после этого началось их серийное производство.

Система и аппаратура Р-600 послужили основой дальнейшего совершенствования радиорелейного оборудования для магистральных РРЛ.

В период 1960—1970 г.г. были разработаны, произведены и внедрены в эксплуатацию новые виды оборудования семейства Р-600: Р-600М, Р-6002М, Р-600-2МВ и «Рассвет», также работающие в диапазоне 4 ГГц. В телевизионном стволе обеспечивалась передача видеосигнала и сигнала звукового сопровождения. Основные технические показатели этих систем приведены в табл. 8.1.

Важнейшей разработкой, проводившейся в СССР в середине 60-х годов, было создание магистральной радиорелейной системы большой ёмкости «Восход». Она предназначалась, в первую очередь, для РРЛ Москва - Дальний Восток. Разработка системы связи, радиоаппаратуры, источников гарантированного электропитания, системы резервирования и методов контроля качества работы аппаратуры проводилась с учётом обеспечения высокой надёжности линии. Расчётный коэффициент исправного действия линии протяжённостью 12 500 км составлял 0,995, а потеря достоверности при передаче бинарной информации без кодовой защиты - не более 5 х 10~5.

Сверхвысокочастотная (СВЧ) приёмопередающая аппаратура «Восход» работала в полосе частот 3400—3900 МГц. Все активные элементы аппаратуры «Восход» были выполнены на полупроводниковых приборах, исключение составляли СВЧ выходные ступени передатчиков и гетеродинных трактов, где использовались лампы бегущей волны (ЛБВ).

Таблица 8.1

Параметр	Р-600	Р- 600 м	Р-600 2М	«Рассвет»
Диапазон частот, ГГц	3.4-3,9	3.4-3,9	3.4-3,9	3.4-3,9
Поучастковая система резервирования	2+1	2+1	2+1	2+1
Мощность передатчика, Вт	2	2	5	5
Коэффициент шума приёмника, дБ	14	14	14	12
Емкость ТФ ствола, каналов ТЧ	240	360	600	600

Для обеспечения высокой надежности в системе «Восход» было предусмотрено применение разнесенного по высоте приёма с быстродействующей системой автоматического выбора и параллельная работа передатчиков. Система разнесенного приёма, весьма эффективно решая задачу борьбы с замиранием сигналов на интервалах РРЛ, одновременно позволяла автоматически резервировать приёмники станции. Параллельная работа передатчиков обеспечивала их автоматическое резервирование и удвоение выходной мощности передатчиков, которая в аппаратуре «Восход» составляла 10 Вт. Вся система автоматического резервирования приёмопередающего оборудования замыкалась в пределах каждой станции, поэтому в «Восходе» не было необходимости передавать по служебным каналам какие-либо сигналы для управления работой системы резервирования (как это имеет место в радиорелейных системах с поучастковой системой резервирования стволов). Таким образом, особенностью системы «Восход» являлось отсутствие специального резервного ствола, что позволяло сделать все радиостволы рабочими и, следовательно, лучше использовать отведенную для системы полосу радиочастот.

В системе «Восход» было предусмотрено 8 широкополосных рабочих стволов, из которых 4 предназначались для работы на основном магистральном_ направлении и 4 - на ответвлениях или пересекающих магистралях. Все стволы универсальны, одинаково пригодны как для передачи сигналов многоканальной телефонии, так и для передачи сигналов телевизионных программ.

Телефонный ствол системы обеспечивал передачу сигналов 1920 каналов ТЧ в случае, когда аппаратура промежуточных станций размещалась в кабинах наверху башни (т. е. при коротких волноводах), а аппаратура узловых и оконечных станций - в наземных помещениях. Пропускная способность телефонного ствола при размещении аппаратуры в наземных помещениях на всех станциях составляла 1020 каналов ТЧ. В нижней части группового спектра телефонного ствола обеспечивалась передача сигналов служебной связи и дистанционного обслуживания (телеобслуживания). Система телеобслуживания позволяла иметь до 16 автоматизированных промежуточных станций между соседними узловыми станциями.

Телевизионный ствол системы давал возможность передавать видеосигнал и четыре канала тональных (звуковых) частот, организованных на поднесущих частотах и расположенных выше спектра видеосигнала. Эти тональные звуковые каналы использовались как для передач сигналов звукового сопровождения телевидения, так и радиовещания.

Следующим важным этапом в развитии техники радиорелейной связи стала разработка в 1970 году комплекса унифицированных радиорелейных систем связи «КУРС». Комплекс охватывал четыре системы связи, работающие в диапазонах 2, 4, 6 и 8 ГГц. Аппаратура в диапазонах 4 и 6 ГГц предназначалась для магистральных радиорелейных линий (РРЛ), а в диапазонах 2 и 8 ГГц - для зоновых РРЛ.

В приёмопередающей аппаратуре различных диапазонов частот широко использовались унифицированные узлы и блоки (УПЧ, умножители частоты и т. п.). Все они были выполнены на наиболее совершенных для того времени полупроводниковых приборах и других комплектующих изделиях отечественного производства.

Аппаратура КУРС-4 и КУРС-6 отличалась от предыдущих разработок и своей компактностью. Например, в системе КУРС-4 в одной стойке шириной 600 мм размещалось 4 приёмника или 4 передатчика. В табл. 6.2 приведены основные технические характеристики магистральных систем КУРС-4 и КУРС-6.

К середине 70-х годов в стране была построена уникальная радиорелейная линия, протяженность которой составляла около 10 тыс. км, емкостью каждого ствола, равной 14 400 каналов тональной частоты. В эти годы суммарная протяженность радиорелейных линий в СССР превысила 100 тыс. км.

Последней разработкой в СССР для магистральной радиорелейной связи было создание нового поколения оборудования «Радуга». В его состав вошли: приёмопередающее оборудование, работающее в диапазоне 4 ГГц - «Радуга- 4»; приёмопередающее оборудование, работающее в диапазоне 6 ГГц - «Радуга- 6»; оборудование резервирования «Радуга».

Для «Радуги» было разработано новое поколение унифицированного оборудования «Рапира-М», включающего: оконечную аппаратуру телефонных и телевизионных стволов; ЧМ-модемы; аппаратуру служебной связи и телеобслуживания.

Магистральная радиорелейная система «Радуга-Рапира-М» позволяла создавать магистральные РРЛ в двух диапазонах частот: 4 ГГц (в полосе частот 3400-3900 МГц) и 6 ГГц (в полосе частот 5670-6170 МГц). В каждом диапазоне возможна организация до семи рабочих стволов и одного резервного ствола. По каждому из рабочих стволов обеспечивалась:

• в режиме передачи многоканальной (аналоговой) телефонии - передача сигналов 1920 каналов ТЧ и при необходимости дополнительно - 48 каналов ТЧ в спектре 60-252 кГц, а также передача в одном из телефонных стволов сигналов служебной связи в спектре 0,3-52 кГц, которые необходимы для нормальной работы РРЛ;

• в режиме передачи телевидения - передача видеосигнала и сигналов 4 каналов звукового сопровождения и вещания. Технические параметры оборудования системы «Радуга-Рапира-М» обеспечивали высокие качественные показатели и надежность работы каналов и трактов РРЛ, оснащенных этим оборудованием.

Таким образом, в России со времен СССР существует широко развитая сеть аналоговых магистральных и внутризоновых радиорелейных линий, что делает экономически целесообразным использование существующих радиорелейных станций для организации цифровых трактов. В настоящее время процесс модернизации аналоговых радиорелейных линий в цифровые называют цифровизацией.

К числу радиорелейных станций (РРС) цифровизация которых возможна, относятся: «Восход-М», «Курс-4», «Курс-6», «Курс-4М», «ГТТ-70/4000», «ГТТ-70/8000», «Ракита-8», «Радуга-4», «Радуга-6», «Радуга-АЦ», «Комплекс» и др. При цифровизации указанных РРС используется оборудование, обычно подключаемое по промежуточной частоте 70 МГц. Кроме того, возможен вариант дополнительной передачи цифрового сигнала Е1 (2048 кбит/с) без нарушения работы аналоговой РРЛ.

В конце прошлого века были разработаны различные варианты цифровых модемов на скорости от 2 до 34 Мбит/с. В результате, было создано семейство цифровых модемов для аналоговых РРЛ на скоростях: 2,048 Мбит/с, 8,448 Мбит/с, 17 Мбит/с и 34,368 Мбит/с.

Для организации передачи различной цифровой информации со скоростями 8,448 Мбит/с, 17 Мбит/с или 34,368 Мбит/с использовались свободные от аналоговой информации стволы. Модемы на эти скорости могут комплектоваться мультиплексной аппаратурой и, таким образом, обеспечивать передачу соответственно 4, 8 или 16 цифровых потоков по 2,048 Мбит/с, что хорошо согласуется с принципами построения синхронной цифровой иерархии (SDH).

Во всех типах цифровых модемов обеспечивался контроль входного и выходного сигналов, обнаружение и генерация сигналов индикации аварийного состояния (СИАС) и контроль коэффициента ошибок без перерыва и с перерывом связи. Было организовано производство всех названных цифровых модемов, и они нашли свое применение на действующей сети РРЛ [5].

Радиорелейная связь - это вид дуплексной радиосвязи на ультракоротких волнах с многократным переприемом сигналов. Термин «relay» означает восстановление (смену бегунов в эстафете, смену лошадей и т.д.). Применительно к радиорелейной связи этот термин означает восстановление сигналов на каждой промежуточной станции, замену слабого сигнала сильным.

Радиорелейные станции делятся на два типа - радиорелейные станции прямой видимости и радиорелейные станции тропосферного рассеяния.

В первом случае трасса выбирается так, чтобы между антеннами соседних станций имелась прямая видимость, и связь осуществляется за счет радиоволн, распространяющихся вдоль поверхности земли.

Во втором случае радиоволны достигают точки приема за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы.

Радиорелейная связь - род связи, сочетающий в себе ряд положительных качеств многоканальной проводной электросвязи и радиосвязи на ультракоротких волнах (УКВ).

Радиорелейная связь обеспечивает:

- многоканальность, высокую пропускную способность;

- большую дальность связи;

- дуплексность каналов и трактов;

-строгую нормированность качественных показателей и электрических характеристик каналов и трактов, низкий уровень в них шумов и помех.

Характерными особенностями радиорелейной связи является:

- применение метода радиосвязи на УКВ земной волной, дальность которой резко ограничена;

- использование принципа ретрансляции сигналов для обеспечения требуемой дальности связи;

- применение, как правило, остронаправленных антенн.

Радиорелейные средства связи применяются для развертывания (cтроительства) полевых и стационарных многоканальных линий между узлами связи. Они используются, как правило, самостоятельно для строительства радиорелейных линий, а также для наращивания линий радио- и проводной связи, для дистанционного управления радиостанциями средней и большой мощности.

Радиорелейные средства позволяют осуществлять дуплексную, многоканальную телефонную, телеграфную, факсимильную и видеотелефонную связи при высоком их качестве и малой зависимости от времени года и суток, от атмосферных и местных электрических помех.

Каналы связи, образованные радиорелейными средствами связи используются, как правило, в комплексе с аппаратурой автоматического засекречивания.

Связь между двумя удаленными пунктами образуется путем использования ряда приемо-передающих радиорелейных станций, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой геометрической видимости между их антеннами.

Для улучшения условий прохождения УКВ на интервалах и увеличения их длины РРС, как правило, развертывают на вершинах и скатах высот местности так, чтобы на интервалах между антеннами обеспечивалась «прямая видимость», а точнее «радиовидимость», под которой понимается отсутствие экранирования рельефом местности или массивами местных предметов (лес, строения) траекторий радиоволн, распространяющихся между антеннами РРС данного интервала в условиях нормальной рефракции радиоволн.

Для увеличения протяженности интервалов на равнинной и малопересеченной местности, а также для обеспечения возможности организации радиорелейной связи в условиях лесистой местности применяют сравнительно высокие (до 20-30 м) антенные опоры (мачты). В условиях равнинной местности предельная дальность прямой видимости определяется приближенной формулой

R_km=3.57(Цh1_(m)+Цh2_(m)); (8.1)

где h1 и h2 - высоты антенных опор.

Нормальная рефракция радиоволн искривляет их траекторию в сторону поверхности земли (выпуклостью вверх), благодаря чему радиовидимость возрастает. Предельная дальность радиовидимость при нормальной рефракции радиоволн определяется выражением

R_km=4,12(Цh1_(m)+Цh2_(m)). (8.2)

При высоте антенных опор до 20-30 м дальность связи составляет 35-40 км.

Необходимость применения для радиорелейной связи УКВ обусловлена рядом причин и прежде всего широкополостностью радиосигналов РРС. Эта причина, а также дуплексность связи, удваивающая требуемый расход полосы частот, приводят к необходимости использовать диапазоны частот, обладающие большой частотной емкостью, к каковым относится диапазон УКВ.

Широкополосность радиосигналов РРС в свою очередь обусловленна двумя причинами: применяемыми методами модуляции и требованием многоканальности, т.е. большой пропускной способностью РРС. Дело в том, что для радиорелейной связи пригодны не всякие методы модуляции, а только частотная модуляция (ЧМ) и импульсные методы модуляции (ИМ), из которых наиболее часто используется фазоимпульсная модуляция (ФИМ), реже кодо-импульсная модуляция (КИМ) и дельта-модуляция.

Пригодность ЧМ и ИМ для радиорелейной связи объясняется тем, что при этих видах модуляции уровень полезного сигнала на выходе радиоприемных устройств, а следовательно, и в каналах, не зависит от уровня радиосигнала на входе соответствующего радиоприемного устройства. Благодаря этому в условиях замирания радиосигналов на интервалах РРЛ остаточное затухание каналов и трактов РРЛ сохраняется постоянным, т.е. выполняется важное требование, предъявляемое к любым каналам дальней связи и, в частности, к каналам РРЛ. При таких видах модуляции, как, например, амплитудная (АМ) и однополосная (ОПМ), эти требования выполняться не будут, причем вследствие значительной глубины и «быстроты» замираний радиосигналов на интервале РРЛ необходимую стабильность ос-таточного затухания обеспечивать оказывается затруднительным, даже при использовании сложных систем АРУ в радиоприемных устройствах.

Однако, как известно ЧМ и ИМ характеризуются большой широкополостностью радиосигналов, требующей соответственно большего расхода полосы частот.

Фактор многоканальности (высокой пропускной способности) РРЛ в свою очередь так же требует соответствующего увеличения расхода полосы частот, занимаемой радиосигналами РРС при ЧМ и ИМ. Взятые в совокупности эти две причины приводит к тому, что радиосигналы РРС нередко охватывают полосы частот в сотни и тысячи килогерц, а иногда и в единицы и десятки мегагерц.

Второй важной причиной наряду с широкополосностью сигналов обуславливающей необходимость применения для радиорелейной связи УКВ, является почти полное отсутствие в этих диапазонах атмосферных и промышленных помех от источников радиоизлучения, находящихся за горизонтом. Низкий уровень внешних помех наряду с высокой помехоустойчивостью ЧМ и ИМ позволяет получить требуемый нижний уровень шумов в каналах и трактах РРЛ, т.е. обеспечить их высокую шумовую защищенность.

В настоящее время системы радиорелейной и тропосферной связи продолжают совершенствоваться в различных направлениях, увеличиваются пропускная способность и помехоустойчивость, разрабатываются новые системы связи, радиорелейные линии в миллиметровом диапазоне волн и волноводные линии связи, обладающей огромной пропускной способностью. Наряду с этим происходит переход аналоговой формы сообщений к передаче сообщений в дискретной (цифровой) форме, что дает возможность не только увеличить помехоустойчивость систем связи, но и удешевить производство и эксплуатацию аппаратуры. Последнее объясняется тем, что дискретные элементы радиоэлектроники, используемые в многоканальных дискретных системах связи, могут изготовляться с применением методов автоматизации, позволяющих стандартизировать все конструктивные элементы аппаратуры. Именно в этом направлении сконцентрированы усилия ученных нашей страны.

Радиорелейная связи сочетает в себе достоинства как радиосвязи, так и проводной многоканальной связи и занимает промежуточное положение: многоканальные сигналы передаются и принимаются средствами радиосвязи, но формируются, особенно при частотном уплотнении,средствами проводной связи. При этом радиорелейные линии обеспечивают такое же качество связи и достоверность передачи информации, как и линии проводной дальней связи.

Радиорелейная связь получила широкое распространение во всех областях народного хозяйства, а также в вооруженных силах для управления войсками.

Радиорелейные линии широко используются для комерческой связи и для обмена программ вещания и телевидения между различными странами всех континентов.

Достоинство радиорелейной связи:

- возможность организации многоканальной связи и передачи любых сигналов, как узкополосных, так и широкополосных;

- возможность обеспечения двухсторонней связи (дуплексной) связи между потребителями каналов (абонентами);

- возможность создания 2-х проводных и 4-х проводных выходов каналов связи;

- практическое отсутствие атмосферных и промышленных помех;

- узконаправленность излучения антенных устройств;

- сокращение времени организации связи в сравнении с проводной связью.

Недостатки радиорелейной связи:

-необходимость обеспечения прямой геометрической видимости между антеннами соседних станций;

- необходимость использования высокоподнятых антенн;

- использование промежуточных станций для организации связи на большие расстояния, что является причиной снижения надежности и качества связи;

- громозкость аппаратуры;

- сложность в строительстве радиорелейных линий в труднодоступной местности.

Для радиорелейной связи используется диапазон УКВ, указанный в таблице: Разделение радиоволн на диапазоны в первую очередь диктуется особенностями их распространения.

Специально для радиолюбителей связи и экспериментов радиолюбителя отведены следующие участки УКВ:

144-146 МГц; 430-440 МГц; 1215-1300 МГц; 5650-5670 МГц; 10-10,5 ГГц; 21-22 ГГц.

В настоящее время наиболее широко для радиорелейной связи принимаются диапазоны дециметровых и сантиметровых волн. Диапазоны метровых волн (короче 5м) используются только для малоканальной радиорелейной связи.

Диапазоны миллиметровых волн и сантиметровые волны короче 3-х см считаются перспективными для некоторых видов РРЛ, но применение этих волн в настоящее время ограничено недостаточной их освоенностью и проблемами, связанными сильным поглощением этих волн гидрометеорами (дождь, снег, туман и т.д.). На практике для радиорелейной связи в указанных диапазонах т.е. УВЧ; ОВЧ; СВЧ; КВЧ выделяются лишь отдельные участки, так как в этих диапазонах функционируют и другие радиоэлектронные средства.

Свойства УКВ диапазона

- большая частотная емкость;

- практическое отсутствие атмосферных и промышленных помех;

- малая дифракционная (огибающая) способность;

- возможность создания антенных устройств узконаправленного излучения и приема электромагнитных колебаний.

Первая способность УКВ диапазона - большая частотная емкость.

Для радиорелейной связи могут быть использованы любые частоты УКВ диапазона. В этом диапазоне для передач сообщений можно задействовать широкие полосы частот (до нескольких МГц) и обеспечивать многоканальную связь (поскольку для передачи информации от наиболее распространеных источников требуется полоса в несколько КГц) или передавать широкополосные сигналы. Большая частотная емкость позволяет для связи на каждом интервале радиорелейной линии выделить две частоты одну для передачи, другую для приема сигналов и организовать благодаря этому дуплексная связь.

Вместе с тем большая частотная емкость дает возможность для передачи информации использовать разнообразные методы модуляции, и в частности такие, которые обеспечивают как высокую помехоустойчивость, так и постоянство остаточного затухания (а_r) каналов связи. Последнее означает, что разность уровней сигналов на входе и выходе каналов оконечных станций-величина постоянная, независящая от условий связи

Pc _вх - Рс _вых = а_r =const. (8.3)

Уровнем принято называть значение величины сигналов, выраженное в относительных (безразмерных) единицах - децибелах

Р = 10 lg(R₁ /P_o) = 20 lg(U₁ /U_o); (8.4)

где Р₁ и U₁ - мощность и напряжение на выходе канала связи;

Р_о и U_o - мощность и напряжение на входе канала связи.

Необходимость обеспечения постоянства остаточного затухания каналов диктуется рядом факторов. Во-первых, при этом может быть улучшено качество связи, поскольку в канале связи случайными величинами являются величина шума и передаваемых сигналов, а параметры каналов остаются неизменными. Во-вторых, появляется возможность включения на выходе каналов дифференциальных систем, что обеспечивает двухпроводные выходы каналов связи. В этом случае сопряжение каналов радиорелейных линий с каналами линий дальней связи осуществляется не только при четырехпроводных, но и при двухпроводных выходах. В-третьих, некоторые виды оконечной аппаратуры работают эффективно при неизменном коэффициенте передачи сигналов.

Постоянство остаточного затухания каналов радиорелейных линий достигается при использовании таких методов модуляции, при которых уровень полезного сигнала на выходе приемника станции не зависит от величины высокочастотного сигнала на его входе, если последний больше определенной пороговой, для данного приемника величины. Это обеспечивается при передачи информации с помощью частотной и различных методов импульсной модуляции (кроме амплитудно-импульсной), которые требуют, как правило, широкой полосы частот тракта связи.

Характерным свойством таких методов модуляции является возможность улучшения качества связи не только за счет увеличения энергии принимаемых сигналов, но и за счет увеличения спектра частот, которые занимают эти сигналы, таким образом, используя для радиорелейной связи широкую полосу частот, можно обеспечить передачу большого количества информации и добиться существенного улучшения качества связи.

Второе свойство УКВ диапазона - практическое отсутствие внешних атмосферных и промышленных помех - выдвигает на первое место внутренние флуктуационные шумы приемных устройств. Уровень внутренних шумов легко учитывается при проектировании станции и расчете количества связи и при необходимости может быть уменьшено применение специальных малошумящих усилителей. Это также способствует существенному повышению качества связи на радиорелейной линии.

Третье свойство УКВ диапазона - малая дифракционная способность, которая тем меньше, чем короче используемая для связи длина волны. Это явилось основной причиной применения промежуточных станций для организации связи на большие расстояния. Протяженность интервалов между соседними станциями должна быть такой, чтобы обеспечивалась прямая геометрическая видимость между их антенными системами. Уверенная связь на каждом интервале обеспечивается передатчиками сравнительно малой мощности (ед.,десятки ватт).

Препятствия, закрывающие линию прямой видимости, вызывают очень большое ослабление радиосигналов, компенсация которого требует резкого увеличения мощностей передатчиков. Это явление особенно характерно для линии, работающих диапазонах дециметровых и сантиметровых волн. В диапазоне метровых волн допускается частичное закрытие препятствиями линий прямой видимости на интервалах связи, но и в этом случае существенно понижается уровень полезного сигнала в месте приема и ухудшается качество связи.

При гладкой сферической поверхности земли дальность прямой видимости определяется выражением

R_km=3.57(Цh1_(m)+Цh2_(m)). (8.5)

Как правило при гладкой сферической земной поверхности протяженность интервалов выбирается меньше Rпр., т.к. для получения устойчивой связи необходимо обеспечить определенный просвет между линией, соединяющей антенны и поверхностью земли. Однако, на пересеченной местности, если станции расположены на господствующих высотах, протяженность интервалов может достигать 60км. и более.

Все это показывает, что использование радиоволн УКВ диапазона является главной, определяющей особенностью радиорелейной связи. Особенности распространения УКВ.

Характер распространения радиоволн зависит от длины волны, кривизны земли, почвы, состава атмосферы, времени суток и года, состояния ионосферы, магнитного поля Земли, метеорологических условии в зависимости от времени суток и года изменяются содержание влаги и плотность воздуха.

Воздух, окружающий земную поверхность образует атмосферу, высота которой, составляет 1000-2000км. состав земной атмосферы неоднороден.

Слои атмосферы высотой примерно до 100-130км. по своему составу однородны. В этих слоях имеется воздух, содержащий (по объему 78% азота и 21% кислорода.) Нижний слой атмосферы толщиной 10-15 км. называется тропосферой. В этом слое имеются водянные пары, содержание которых резко колеблется с изменением метеорологических условий.

Тропосфера постепенно переходит в стратосферу, границей которой считается высота, на которой прекращается падение температуры.

Радиоволны, излучаемые антенной, распространяются вдоль земной поверхности и под углом к горизонту. Первые волны - поверхностные, вторые - пространственные.

Поверхностная волна электромагнитных колебаний распространяется вдоль Земли. Характер распространения этой волны определяется электрическими свойствами почвы и воды, а также частотой излучаемых колебаний.

На сравнительно коротких расстояниях радиосвязь осуществляется главным образом поверхностными радиоволнами.

Пространственная волна распространяется от антенны в атмосферу Земли.

Волны отраженные или рассеянные неоднородными слоями или «зернами» тропосферы- тропосферные волны.

Поверхностная волна основанием своего фронта касается Земли. Поверхность Земли поглощает часть энергии распространяющихся вдоль нее поверхностных волн, поскольку земля имеет активное сопротивление. Чем короче волна, т.е. чем больше частота, тем больше ток индуктируется в земле и тем больше потери.

Для частот выше 1МГц поверхностная волна фактически сильно затухает из-за поглощения землей и поэтому не используется.

Связь на большие расстояния осуществляется главным образом пространственными волнами.

При наличии прямой видимости пространственная волна обычно состоит из двух составляющих: прямого луча и луча, отраженного от земли. Луч, отраженный от земли, слабее от потерь, происходящих во время отражения от земли.

В приемной антенне общий сигнал равен векторной сумме этих двух составляющих. Отраженный луч имеет сдвиг по фазе на 180°. Если два луча прошли одно и тоже расстояние, то векторная сумма их равна нулю, в результате в приемной антенне сигнала не будет.

В действительности отраженный луч проходит несколько большее расстояние. Разность фаз определяется разностью пути в отношениях длины волны. Общий принимаемый сигнал зависит главным образом от используемой частоты.

При низких частотах использование пространственных волн не представляет интереса для связи. Только на высоких частотах, где разность пути является соизмеримой с используемой длиной волны, пространственная волна широко используется.

Преломление УКВ в нижних слоях атмосферы.

Прилегающие к земле слои атмосферы неоднородны по своим электрическим свойствам. Показатель преломления n различных слоев атмосферы изменяется, убывая с высотой (на уровне моря n=1.003). Величина n определяется по формуле

n=ЦE = 1+78,5/Т(Р+4800а/Т)10^-6 , (8.6)

где Т - абсолютная температура воздуха;

Р - атмосферное давление в миллибарах;

а - давление водяных паров, содержащихся в воздухе в миллибарах;

Е - относительная электрическая проницаемость воздуха.

Траектория распространения УКВ с учетом рефракции при различных n.

Уменьшение величины n приводит к тому, что радиоволны будут при переходе из слоя в слой преломляться в направлении земной поверхности. Траектория луча оказывается искривленной, вследствие чего становится возможной радиосвязь на расстоянии несколько превышающем дальность оптического горизонта. Указанное явление - атмосферная рефракция.

При «стандартных» условиях, когда температура воздуха над уровнем моря =+15°С и падает на 0.65°С через каждые 100м. высоты, давление убывает по барометрической формуле, а относительная влажность не зависит от высоты, говорят, что имеет место «нормальная атмосферная рефракция радиоволн». Дальность радиосвязи с учетом нормальной атмосферной рефракции определяется формулой

D_рефр.=4.12(Цh,м + Цh2,м) км. (8.7)

В случае, когда радиус кривизны траекторий радиолуча становится равным радиусу Земли, радиоволны распространяются параллельно земной поверхности. Такой случаю называется «критической рефракцией».

При больших значениях показателя преломления n траектории радиоволн излученных под небольшим углом к горизонту искривляются настолько, что они снова падают на землю, отражается от нее и опять движутся по криволинейной траектории с последующим возвращением на земную поверхность и т.д.

Такое распространение радиоволн называют «сверхрефракцией», а область пространства, в которой радиоволны распространяются подобным образом, называют волноводным каналом.

В этом случае дальность радиосвязи может в десятки раз превышать дальность прямой видимости.

Волноводные каналы образуются в атмосфере только в тех случаях, когда преувеличение высоты температура воздуха вместо обычного убывания возрастает (инверсия температуры), а влажность воздуха быстро падает. (рисунок 2.5). Распространение радиоволн по атмосферному волновому каналу.

Отражение УКВ от слоистых неоднородностей тропосферы.

Инверсные слои воздуха иногда образуются на некоторой высоте земной поверхности. Они называются слоистыми неоднородностями тропосферы.

Лучшей способностью к отражению обладают метровые волны. С укорочением волны эффективность отражения падает.

Отражение от слоистых неоднородностей может сильно увеличить дальность радиосвязи. Волноводные каналы и слоистые неоднородности образуются сравнительно редко.

Дальнее тропосферное рассеивание УКВ.

В тропосфере воздух никогда не находится в спокойном состоянии. Имеются восходящие и нисходящие потоки воздуха, обусловленные различным нагреванием отдельных участков земной поверхности. В результате этих процессов тропосферы представляет собой электрически неоднородную среду, каждая точка которой характеризуется своими значениями температуры, давления, влажности и следовательно электрической проницаемости. Направленный исток энергии УКВ, посылаемый передающей антенной станции А, так называемая падающая волна, пронизывает толщину тропосферы и в виде проходящей волны, уходит в открытое пространство. Неоднородности воздушных масс, являющиеся одновременно неоднородностями диэлектрической проницаемости среды, рассеивают под небольшими углами и направлению падающей волны некоторую весьма небольшую часть энергии волн.

Часть рассеянной энергии при условии, что она оказывается направленной в сторону приемной антенны станции Б, используется для обеспечения связи между станциями А и Б.

Дальность радиосвязи с учетом нормальной тропосферной рефракции может быть вычислено формуле

D_расс.» 4.12(Цh_1(м)+2Цh_2(м)+Цh_3(м)) км (8.8)

D_расс.max»1000 km.

Предельная дальность при тропосферной радиосвязи достигается при больших экономических затратах и только на уникальных стационарных линиях, где применяются особо мощные передатчики (мощностью в десятки кВТ.), высоконаправленные дорогостоящие антенны с весьма большими коэффициентами усиления и, соответственно, размерами, сверхчувствительные радиоприемные устройства и т.д.Обычно ограничиваются дальностью связи на интервалах не более 500км., в основном 200-300км.. На подвижных военных ТРЛ интервалы, как правило не превышают 120-200км.

Влияние ионосферы на распространение УКВ.

Известны случаи распространения метровых волн на расстояние в несколько тысяч километров. Причиной дальнего распространения УКВ метрового диапазона является рассеивание на неоднородностях ионосферы, обусловленных метеорной ионизацией «ионосферными ветрами» и другими явлениями. Сущность самого явления рассеивания электромагнитных волн от ионосферных неоднородностей такова же, как и при рассеянии от вихревых неоднородностей в тропосфере.

Такие ионизированные участки существуют лишь несколько секунд, а затем практически исчезают. Однако так как в атмосферу ежеминутно попадает большое число метеоритов, то можно осуществить достаточно эффективную (прерывистую) во времени связь, за появлением следов метеоритов наблюдает специальная радиосистема с небольшой излучаемой мощностью. Как только подходящий след обнаружен, включается мощный передатчик и сообщение «выстреливаются» с применением аппаратуры БД и СБД.

Классификация и структура военных радиорелейных линий.

а) Все радиорелейные линии в зависимости от области использования делятся на два класса:

- стационарные

- мобильные или передвижные (полевые).

К стационарным относятся радиорелейные линии, которые строятся на время многолетней эксплуатации. Станции расположены в специально оборудованных помещениях, приспособленных для рационального монтажа аппаратуры, удобства ее эксплуатации и профилактического обслуживания.

Стационарные радиорелейные линии являются, как правило, многоканальными (несколько десятков или сотен каналов ТЧ) и многоствольными, приспособленными для передачи любой информации.

Параметры этих линий и их построение должны строго соответствовать рекомендациям МККР и МККТ. Для интервалов линий выбираются оптимальные трассы и высоты поднятия антенных систем.

Стационарные радиорелейные линии делятся на линии большой емкости (600-2700 каналов ТЧ), средней емкости (60-600 каналов ТЧ) и малой емкости (до 60 каналов ТЧ).

В отличие от стационарных мобильные линии строятся на ограниченное время связи между заданными пунктами. Аппаратура станции монтируется в кузовах, которые перевозятся на шасси автомашин. Мобильные станции должны допускать быстрое развертывание и вхождение в связь. Однако при их строительстве, как правило, не удается обеспечить выбор оптимальных трасс и высот поднятия антенн, эксплуатируется аппаратура этих станций обычно в тяжелых климатических условиях. Поэтому такие линии связи являются в основном малоканальными.

б) По используемым средствам радиорелейные линии делятся на:

- радиорелейные линии прямой видимости;

- тропосферные радиорелейные линии.

В первом случае трасса выбирается так, что между антеннами соседних станций имеется прямая видимость и связь осуществляется за счет радиоволн, распространяющихся вдоль поверхности земли.

Во втором случае радиоволны достигают точки приема за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы.

в) По предназначению радиорелейные линии делятся на:

- осевые радиорелейные линии;

- рокадные радиорелейные линии;

- радиорелейные линии привязки;

- радиорелейные линии прямой связи;

- радиорелейные линии дистанционного управления.

г) По способу уплотнения каналов и типу модуляции ВЧ колебаний передатчиков радиорелейные линии делятся на:

- радиорелейные линии с частотным уплотнением и частотной модуляцией ВЧ колебаний передатчиков;

- радиорелейные линии с временным уплотнением и передачей сообщений в аналоговой форме;

- радиорелейные линии, предназначенные для передачи сообщений в цифровой форме.

д) По диапазону используемых частот радиорелейные линии делятся на:

- радиорелейные линии метрового диапазона;

- радиорелейные линии дециметрового диапазона;

- радиорелейные линии сантиметрового диапазона;

- радиорелейные линии миллиметрового диапазона;

е) Структура военных радиорелейных линий.

Структура военных радиорелейных линий характеризуется следующими параметрами:

- протяженностью линии L;

- числом интервалов линии M;

- числом радиорелейных станций, образующих линию m;

- протяженностями интервалов линий Ri;

- средней протяженностью интервалов Rо.

Перечисленные параметры связаны соотношениями

L=SR_I; R₀=L/M; (8.9)

где m=M+1.

Эти параметры будут использованы в дальнейшем при практическом расчете радиорелейных линий

Для лучшего усвоения информации подведем итоги:

Военные радиорелейные средства связи классифицируются по ряду признаков. Различают:

- подвижные;

- стационарные;

- малоканальные;

- многоканальные.

К подвижным радиорелейным средствам связи относят военные РРС, оборудование которых размещается в унифицированных кузовах, смонтированных на шасси автомобилей или автоприцепов.

К стационарным радиорелейным средствам связи относят военные РРС, оборудование которых установленно на соответсвующем стационарном узле связи для постоянной работы.

К малоканальным радиорелейным средствам связи относят военные РРС, обеспечивающие развертывание линий связи с числом каналов ТЧ не более 12.

К многоканальным радиорелейным средствам связи относят военные РРС, обеспечивающие развертывание линий связи с числом каналов ТЧ более 12, но не более 60.

Структурная схема РРС и режим работы.

Подвижные военные РРС в своем составе содержат, как правило , два комплекта (полукомплекта) оборудования, что позволяет использовать РРС как в качестве оконечных, так и в качестве промежуточных станций РРЛ.

Структура и состав оконечной станции линии.

Они определяются по существу структурой и составом оборудования одного полукомплекта, который включает в себя (рисунок 2.1):

- оборудование высокочастотного(ВЧ) ствола (радиотракта);

- групповое оборудование;

- аппаратуру уплотнения (разделения) каналов, причем каждый из этих видов оборудования функционально подразделяется на тракты передачи (Пер) и приема (Пр). рис. 2.1. Структура оконечной РРС.

Оборудование ВЧ ствола содержит усилители радиосигналов (УсРС) радиопередающего (РПУ) и радиоприемного (РПрУ) устройств и элементы антенно-фидерного тракта, включающие дуплексирующее устройство (ДУ), фидер и антенну. Дуплексирующее устройство, называемое иногда блоком частотной развязки (БЧР), обеспечивает ведение передачи и приема одновременно по одному и тому же фидеру, через один и тот же облучатель антенны при различных частотах передачи и приема, но при одинаковой поляризации их волн. При работе без использования дуплексирующего устройства (если такой режим предусмотрен) передача и прием осуществляется по отдельным фидерам (штриховая линия на рисунок 2.1.) с различной поляризацией волн передачи и приема.

Групповое оборудование в тракте передачи содержит групповой усилитель (ГУ) и модулятор (М), обычно входящие в состав РПУ, а в тракте приема - демодулятор (Д) и групповой усилитель также, как правило, являющиеся составными элементами РПрУ.

В тракте передачи оконечной станции линии сигналы преобразуются в следующем порядке. На первом этапе модуляции в АУ из Nk сигналов ТЧ формируется групповой сигнал. На втором этапе модуляции в модуляторе колебания ВЧ (ПЧ) модулируется групповым сигналом, т.е. формируется многоканальный (МК) радиосигнал. Далее в усилителе радиосигнала РПерУ этот радиосигнал приводится к требуемому значению несущей частоты, усиливается до необходимой (заданной) мощности и поступает в антенно-фидерный тракт.

В тракте преобразование принятого многоканального радиосигнала происходит в обратном порядке, причем на первом этапе демодуляции в демодуляторе из многоканального радиосигнала выделяется групповой сигнал, а на втором этапе демодуляции в АУ тракта приема групповой сигнал разделяется на сигналов ТЧ.

На оконечных РРС линии второй полукомплект оборудования либо не используется (выключен), либо может использоваться совеpшенно независимо от дpугого, в качестве оконечной станции дpугой PPЛ, оканчивающейся на данном узле связи.

Структура и состав промежуточной станции линии.

Здесь функциониpуют оба полукомплекта аппаpатуpы, обеспечивая двустоpоннюю связь в два напpавления.

В том случае, когда на пpомежуточной станции не пpоизводится выделение (ответвление) каналов, т.е. станция является чисто pетpансляционной, в пpинципе на ней может быть использован (включен) любой из пpедусмотpенных в аппаpатуpе pежимов pетpансляции:

1-по pадиотpакту (обычно ПЧ) - тpанзит pадиотpакта;

2-по гpупповому тpакту - тpанзит гpуппового тpакта;

3-по шиpокополосным каналам - тpанзит ШК;

4-по каналам тональной частоты - тpанзит ТЧ, пеpепpием по ТЧ.

Пути пpохождения сигналов между полукомплектами в каждом из указанных pежимов pетpансляции показаны на pис. 2.2. штpиховыми линиями, отмеченными соответствующими цифpами.

Не все из названных pежимов pетpансляции пpедусмат- pиваются в той или иной конкpетной аппаpатуpе, но из числа пpедусмотpенных меньше искажений вызывает pежим с минимальным числом пpеобpазований сигналов.

В этом смысле пpедпочтительность pежимов pетpанс-ляции соответствует поpядку, в котоpом они пеpечислены.

На большинстве подвижных военных PPЛ чаще всего используется pежим pетpансляции по групповому тpакту 2, а на некотоpых многоканальных PPЛ пpименяется также pежим pетpансляции по pадиотpакту пpомежуточной частоты 1. Если пpомежуточная станция линии является узловой, т.е. на ней производится выделение (ответвление) части каналов, то эти каналы должны быть выделены из многоканального сигнала, т.е. демодулиpованы до сигналов ТЧ или ШК. В этом случае pежим pетpансляции по pадиотpакту 1 в принципе не пpименим. В системах с ВPК возможны все остальные pежимы pетpансляции, а в системах ЧPК только pежимы 3 и 4. Pежим pетpансляции (тpанзита) по ТЧ 4 наиболее унивеpсален и всегда в пpинципе возможен, но он, как пpавило, наименее желателен, т.к. каждый новый тpанзит по ТЧ ухудшает сквозные хаpактеpистики ТЧ.

Качественные показатели каналов и трактов военных РРЛ.

Показатели качества и характеристики каналов и трактов РРЛ.

Основным видом каналов современных подвижных военных РРЛ являются стандартные каналы ТЧ с полосой эффективно передаваемых частот 0,3-3,4 кгц., удовлетворяющие действующим нормам и требованиям. предъявляемым к каналам полевых военных средств связи. Качество таких каналов применительно к подвижным РРЛ определяется следующими основными показателями и характеристиками:

- шумовой защищенностью каналов дБ;

- надежностью линии по замираниям Н, %;

- достоверностью передачи дискретных сигналов ;

- характеристиками канала ТЧ: остаточным затуханием, ампли-

тудной, амплитудно-частотной, фазо-частотной;

- стабильностью остаточного затухания a_Т .

Для каждого конкретного типа подвижных военных РРЛ нормы на эти показатели и характеристики указываются в тактико-технических данных соответствующих конкретных типов РРС. При этом подразумевается, что линия имеет максимальную (Полную) протяженность при номинальном числе интервалов М и максимально допустимом числе транзитов (переприемов) по ТЧ (обычно не более 2-3).

Шумовая защищенность канала (ШЗК) - Выраженное в логарифмических единицах (децибелах, неперах) отношение мощности измеренного синусоидального сигнала частоты 800 гц на выходе к суммарной мощности шумов в той же точке:

а_Ш[дБ]=10lg

а_Ш[нп]=0.5lg

В зависимости от метода измерения различают шумы (и соответственно шумовую защищенность) интегральные и псофометрические. 

Псофометрическая мощность шума меньше интегральной и связана с ней псофометрическим коэффициентом

R²_ПС=(0,75)²=0,56. Соответственно псофометрическая шумовая защищенность больше интегральной на 2,6 дб. (0,3 нп).

При таких значениях шумовой защищенности каналы ТЧ обеспечивают многоцелевое предназначение. Они пригодны для передачи телефонных сигналов, сигналов аппаратуры тонального телеграфирования (аппаратуры вторичного уплотнения), фототелеграфа, аппаратуры передачи бинарной информации. Передача телефонных сообщений по каналам с хорошим качеством обеспечивается смысловой разборчивостью 97-98%, по удовлетворительным каналам - с разборчивостью 95-97% при затухании проводных линий, соединяющих РРС с узлами связи, до 10 дб.

Надежность по замираниям - надежность, с которой на РРЛ полной протяженности обеспечивается номинальная шумовая защищенность каналов а при условии полной исправности и абсолютной надежности аппаратуры всех РРС линий

Н%=100-Т%; (8.10)

где Т%= 100%.

Величина Т% является потерей надежности линии по замираниям, равной выраженному в процентах отношению суммы отрезков времени t в течение которых а_ШРа*_Ш, ко времени наблюдения t_Н.

Для подвижных военных РРЛ временем наблюдения являются сутки.

В соответствии с нормами требуется, чтобы для так называемых наихудших суток года, когда замирания радиоволн наиболее интенсивны, на РРЛ полной протяженности обеспечивалась надежность по замираниям Н%=95-97%.

Потеря надежности замирания Т% обусловлена главным образом медленными замираниями рефракционного происхождения. При норме Т*%=5% (т.е.Н%=95%) ухудшение качества связи до значений допускается в течение не более, чем 72 мин. наихудших суток года. Показатели качества каналов а_Ш и Н% непосредственно зависят от качества планирования РРЛ и правильности выбора мест развертывания РРС, чем достигаются требуемые величины запасов уровней ВЧ радиосигналов на интервалах РРЛ. Именно этим и обеспечивается выполнение условия надёжности по замираниям: Н% іН*% при а_Шіа*_Ш .

Достоверность передачи дискретных сигналов по каналам ТЧ Q определяется отношением числа правильно принятых символов (как правило, элементарных посылок) к общему числу символов переданных за определенный (обычно нормируемый) промежуток времени (сеанс связи).

Потери достоверности p_ОШ=1-Q при передаче бинарной информации по каналам ТЧ с установленной скоростью (например, 1200 Бод) не должны превышать нормированное значение (например,10^-4) в течение H*% (например, 95%) сеансов передачи. В таком случае обеспечивается передача дискретной информации с достоверностью Q с надежностью по замираниям H*%.

Показатель качества каналов Q (или р_ОШ) существенно зависит

не только от шумовой защищенности а_Ш, но и от электрических характеристик канала: остаточного затухания, амплитудной, частотной и особенно фазочастотной характеристик.

Остаточное затухание канала на практике определяют как разность уровней синусоидального сигнала определенной частоты на входе и выходе канала ( для канала ТЧ - сигнала частоты 800Гц).

а_R=Р_ВХ-Р_{ВЫХ, (8.11)}

где Р_ВХ[дБ]=10lg;

Р_ВЫХ[дБ]=10lg

Амплитудная характеристика канала ТЧ(АХ) определяет динамический диапазон амплитуд, уровней, при котором линейность зависимости величины выходного сигнала от входного сохраняются в пределах требуемых норм. Обычно используется амплитудная характеристика в виде зависимости остаточного затухания канала от уровня входного сигнала, в качестве которого используется синусоидальный сигнал частоты 800 Гц.

Амплитудная характеристика (АХ) (рис. 4.1.) записывается в виде

Dа_R(F)=L_R(F)-a_R(800Гц) при Р_ВХ=Р*_ВХ=const. (8.12)

Для каналов подвижных РРЛ амплитудная характеристика должна быть линейна и с точностью до Dа_RЈ1Нп при превышении номинального входного уровня на величину + DР_ВХЈ0,4 Нп (хороший канал),+ DР_ВХЈ0,3 Нп (удовл.канал).

Амплитудно-частотная характеристика канала ТЧ (АХЧ) (рисунок 4.2). обычно используется в виде зависимости величины отклонения остаточного затухания канала на данной частоте относительно остаточного затухания на частоте 800 Гц. Нормы на допустимые отклонения задаются для всех частот в пределах полосы эффективно передаваемых частот от 0,3 до 3,4 кГц. АЧХ записывается в виде

Dа_R(F)=L_R(F)-a_R(800Гц) при Р_ВХ=Р*_ВХ=const. (8.13)

При максимально допустимом числе транзитов по тональной частоте М_ТЧ АЧХ должна удовлетворять нормам.

Фазочастотная характеристика канала ТЧ (ФЧХ) представляет собой зависимость от частоты величины сдвига между фазами синусоидального колебания на входе и выходе канала при постоянном уровне входного сигнала (рис. 4.3)

Ф(F)=j_ВЫХ-j_ВХ при Р_ВХ=Р*_ВХ=const. (8.14)

Стабильность остаточного затухания канала ТЧ - постоянстве во времени величины остаточного затухания канала на частоте 800 Гц, характеризуемое допустимыми значениями отклонений остаточного затухания от номинала.

Нормы на эти характеристики задаются для РРЛ полной протяженности L при максимально допустимом числе транзитов (переприемов) по ТЧ.

При соответствии характеристик нормам величины искажений сигналов, передаваемых по каналам ТЧ, не превышают допустимых. Так, например, несоответствие нормам ФЧХ приводит к снижению достоверности передачи информации по каналу ТЧ с установленными скоростями, несоответствие нормам стабильности остаточного затухания канала может привести к нарушению нормальной работы аппаратуры тонального телеграфирования и аппаратуры фототелеграфа, в каналах, включенных в режимы с двухпроводным выходом, может возникнуть самовозбуждение.

Широкополосные каналы и групповые тракты РРЛ характеризуются аналогичными и некоторыми специфическими показателями качества.

Эксплуатационные показатели качества каналов ТЧ РРЛ.

В нормально функционирующих каналах РРЛ величина а_Ш, определяемая выражением (4.1) или (4.2), как отмечалось, может быть допущена хуже значения а_Ш только в малом проценте времени Т%=3-5%, т.е. не более 72 мин, в сутки. При этом, поскольку в каналах обеспечивается требуемая стабильность остаточного затухания и величина мощности измерительного сигнала Р₈₀₀ во времени практически постоянна, изменения величины а_Ш обусловлены соответствующими изменениями величины мощности шумов на выходе канала Р_Ш , которая в течение Т% времени может превышать допустимую величину Р_Ш . Следовательно, величина Р_Ш в каналах РРЛ не постоянна во времени и изменяется, возрастая практически пропорционально глубине замирании радиосигналов на интервалах.

Значения средней мощности шумов соответственно меньше допустимой величины Р_Ш (соответствующей а*_Ш) т.е. Р_Ш<Р*_Ш.

В связи с этим по измеренным значениям Р_Ш (или соответствующим уровню р_Ш, или эффективному напряжению шумов U_Ш) можно судить о шумовой защищенности (т.е. о качестве канала) лишь приближенно, причем более точно можно судить лишь по серии измерений величины Р_Ш(или р_Ш или U_Ш). Обычно для каждого типа РРЛ в технических характеристиках указывают нормируемые значения величины р_Ш или U_Ш в зависимости от числа интервалов линии.

Существенное отличие значений средней мощности в каналах ТЧ от пиковой мощности Р_Ш (соответствующее вероятности Т*% и нормируемой шумовой защищенности а_Ш) является характерной особенностью каналов РРЛ, отличающей их от каналов проводной многоканальной электросвязи, где значение Р_Ш мало отличается от Р*_Ш и шумовая защищенность может достаточно оцениваться по измерениям мощности шумов в каналах с помощью псофометров.

Следует также заметить, что чем больше интервалов на РРЛ, тем ближе величина Р_Ш приближается к пиковой величине Р*_Ш, так как пик-фактор при этом снижается.

Величина а*_Ш не зависит от числа интервалов, а лишь выполняется на линии полной протяженности с заданной надежностью Н%, а на каждом отдельном интервале с большей надежностью.

Влияние среды распространения радиосигналов на качество связи и построение РРЛ.

Распределение уровня радиосигнала на интервале РРЛ.

Рассмотрим распределение уровня мощности радиосигнала на интервале РРЛ между выходом радиопередающего устройства одной РРС и входом радиоприёмного устройства другой РРС данного интервала РРЛ.

На рисунок 4.4 схематично изображен интервал N-канальной радиорелейной линии (при связи в одну сторону). Мощность радиопередающего устройства равна Р_ПЕР, КПД передающего фидера -h_ФПЕР, коэффициент усиления передающей антенны G_{А ПЕР}. На приемной стороне мощность радиосигнала на входе радиоприёмного устройства составляет величину Р_ПР , коэффициент усиления приемной антенны и КПД приемного фидера равны соответственно G_{А ПР} и h_ФПР . Связь осуществляется на частоте f, длина l, протяженность интервала R. На выходе К канала линии при отрегулированном остаточном затухании a_R=Р_{К ВХ}-Р_{К ВЫХ} мощность шумов составляет величину Р_ШК. Величина a_R стабильна благодаря применению частотной или импульсной модуляции.

Затухание радиосигнала на интервале, определяемое как затухание между входом и выходом передающей и выходом приемной антенн при условии, что G_{А пер} = G_{А пр} =1, состоит из трех слагаемых

где W_СВ- так называемое затухание радиосигнала в свободном пространстве;

W_Р- дополнительное (к условиям свободного пространства) затухание, вызываемое влиянием рельефа местности при нормальной рефракции волн;

DW_З(T%)- приращение затухания W относительно медианного значения W_50%, возникающее вследствие замираний напряженности электромагнитного поля при изменении условий распространения радиоволн. Индекс Т₁% указывает, что глубина замираний DW_З соответствует определенной вероятности Т₁% (определенному проценту времени так называемых наихудших суток года, в течение которых наблюдаются наиболее интенсивные замирания).

причем затухание в свободном пространстве представляет собой затухание радиосигнала между входом передающей и выходом приемной антенн при условии, что G_{А ПЕР}=G_{А ПР}=1 и связь проходит в условиях свободного пространства. Зависимостьвеличины W_СВ от длины волны l, объясняется тем, что от l² в прямой пропорции зависит эффективная площадь приемной антенны.

Если мощности Р_ПЕР и Р_ПР выражены в децибелах относительно одного ватта, а остальные (безразмерные) величины - в децибелах, то зависимость между Р_ПЕР и Р_ПР выражается следующим уравнением передачи радиосигнала :

Эта зависимость с учетом выражения (1.13) графически отображается диаграммой распределения уровня радиосигнала на интервале, представленной на рисунке 2.1. Сплошной линией показана диаграмма для случая, когда замирания отсутствуют:

Штриховой линией изображена диаграмма для некоторого момента времени, которому соответствует замирание глубиной DW_З(T%). Глубина замираний в малом проценте времени ТЈ1% (с малой вероятностью), как показывает статистика, может достигать 20-30 дБ и более.

Из диаграммы видно, что уровень радиосигнала на интервале с увеличением расстояния быстро снижается главным образом за счет возрастания величины затухания в свободном пространстве W_СВ, соответствующего для интервалов протяженностью 30-40 км. в диапазонах волн 7-20 см. величинам порядка 125-135 дБ. К этому добавляется затухание W_Р, величина которого на правильно выбранных интервалах не превышает 6-10 дБ, и затухание в фидерах, в сумме составляющее величины, как правило, также не более 6-10дБ. Столь существенные потери в фидерах объясняются достаточно большой их длиной: при мачтах высотой 20 и 30 м. типовые фидеры имеют длину соответственно 40 и 50 м.

Хотя антенны и являются пассивными элементами, они эквивалентны весьма эффективным усилителям, повышающим в сотни и тысячи раз мощность сигнала, так как резко концентрируют поток энергии радиоволн в направлении своего максимального излучения. ориентированного на корреспондента. Например, одна антенна с коэфициентом усиления G_A=24 дБ эквивалентна уси-лителю, повышающему мощность передатчика в 250 раз. Так как антенн на интервале две, то усиление составит 48 дБ,т.е. 62500 раз!

Применяя направленные антенны, можно существенно снизить мощность радиопередающего устройства, необходимую для надежной работы РРЛ в условиях замираний радиосигналов при использовании сравнительно простых. достаточно экономичных радиоприемных устройств, имеющих коэффициент шума порядка К_Ш=8-12 дБ.

Влияние среды распространения радиосигналов на построение РРЛ.

Из рассмотренного уравнения передачи (4.3), а также из выражения (4.10) видно, что среда распространения радиосигнала на интервале РРЛ влияет на величину затухания W двояким образом. Во-первых, от рельефа местности зависит дополнительное затухание W_P. На распространяющиеся вдоль поверхности земли радиоволны неровности рельефа местности массивы леса и строений оказывают экранирующее действие, ослабляющее напряженность электромагнитного поля. На интервалах, где антенны расположены на достаточно больших высотах, возникают отраженные от поверхности земли волны, которые в случае сложения их в противофазе с прямой волной могут существенно ослаблять уровень радиосигнала у приемной антенны.

Фактор влияния рельефа местности (поверхности земли) оказывает влияние на построение РРЛ следующим образом.

На этапе проектирования нового средства радиорелейной связи учитывают, что при эксплуатации полевых средств невозможно оптимально выбрать все интервалы РРЛ, сводя значения W_P к нулю. По этому при расчёте и выборе энергетических параметров РРС (Р_ПЕР; G_АПЕР; G_АПР; h_ФПЕР; U_Ш) на основе уравнения (4.13) задаются некоторым значением, исходя из опыта полевой эксплуатации радиорелейных средств связи. Обычно вводится энергетический запас на рельеф, как указывалось, порядка 6-10 дБ. Чем больше такой запас введен: на этапе проектирования средства радиорелейной связи, тем легче будет эксплуатировать это средство в полевых условиях, что, однако, удорожает РРС.

На этапе эксплуатации средства радиорелейной связи рассматриваемый фактор требует тщательного планирования трасс РРЛ, выбора по топографическим картам точек развертывания РРС с учетом рельефа местности. При неудачном выборе мест развертывания РРС величина W_P на данном интервале может оказаться значительно больше допустимой величины, обусловленной энергетическим запасом на рельеф, и связь на данном интервале, а следовательно, и на всей линии может оказаться по качеству неудовлетворительной. Необходимость тщательного планирования РРЛ и их расчета с помощью топографических карт и специальной методики до развертывания - важнейшая особенность, вытекающая из влияния среды распространения радиосигналов на интервалах РРЛ на качество связи.

Во-вторых, так как распространение радиоволн на интервалах

РРЛ происходит в приземных слоях тропосферы, примыкающих к поверхности земли, то имеет место фактор, вызывающий непостоянство во времени величины W. Физических причин, приводящих к случайному изменению величины W имеется две. Первая причина - рефракция волн, т.е. искривление их траекторий в воздушной среде, имеющей высотный градиент диэлектрической проницаемости. Поскольку величина градиента медленно изменяется случайным образом при изменении температуры, давления и влажности воздуха, соответственно изменяется и степень рефракции. Это приводит к медленному изменению кривизны траектории волн и к непостоянству степени экранирования местностью потока энергии радиоволн. Кроме того, изменяются значения фаз отраженных от поверхности земли волн относительно фазы прямой волны. Уровень сигнала на интервале медленно изменяется с квазипериодом, составляющим минуты, десятки минут и даже часы.

Вторая причина - отражения волн диэлектрическими неодноредностями тропосферы, например низко расположенными (на высотах до 100-200 м.) инверсионными слоями воздуха, в которых наблюдается положительный высотный температурный градиент вместо нормального отрицательного. Отражений может возникать несколько, от ряда слоев. Интерференция отраженных волн у приемной антенны приводит к быстрым замираниям напряженности поля с квазипериодом порядка единиц секунд - десятков секунд .

Суммарная картина замираний весьма сложна. Замирания характеризуются полученными статистическими методами на основе длительных экспериментальных исследований графиками распределения вероятности глубины замираний, т.е. кривыми зависимости DW_З=f(T%). Оказалось, что такие кривые при малых значениях Т% различны для различных диапазонов частот.

Вследствие замираний величина Р_ПР на входе приемного устройства (см.рисунок 4.3) непостоянна. На выходе приемника благодаря применению ЧМ или ИМ величина a_R=const, следовательно, уровень полезного сигнала не изменяется. В то же время мощность шумов Р_ШК на выходе каналов, как показывает анализ, приблизительно обратно пропорциональна величине Р_ПР:

где А - постоянная величина, имеющий размерность мощности, определяемая видом и параметрами модуляции, а также параметрами радиоприемного устройства.

С учетом выражения (1.6) для а_Ш можно записать:

Это уравнение иногда называют вторым уравнением передачи. Оно связывает шумовую защищенность каналов линии (по тепловым шумам) с уровнем радиосигнала на входе радиоприемного устройства данной РРС. Уравнение справедливо для так называемой над пороговой области, т.е. при условии, что Р_ПР і Р_{ПР ПОР} где Р_{ПР ПОР} - пороговая мощность приемного устройства - минимальная мощность радиосигнала, при которой приемное устройство еще принимает сигнал.

Зависимость, соответствующая уравнению (4.15), представлена на верхней части рисунка 4.5. Из рисунка видно, что при медианном уровне радиосигнала Р_ПР50% на входе приемника шумовая защищенность каналов велика и составляет значение а_Ш50%. При снижении величины Р_ПР до порогового значения Р_{ПР ПОР} при глубоких замираниях g=DW_З(T₁%) шумовая защищенность снижается до значения а_{Ш ПОР}.При этом она может оказаться ниже номинального значения а*_Ш Процесс замирания происходит непрерывно случайным образом, как это примерно показано в нижней части рисунка 4.5. В течение суток сигнал может неоднократно снижаться до порогового значения (и ниже) на случайные по длительности отрезки времени, Dt₁ Dt₂ ј. В течение этих отрезков времени на данном интервале, а значит, и на всей линии а_ШЈа_{Ш ПОР}<а*_Ш; т.е. качество связи в течение этих отрезков времени хуже требуемого (или даже связь нарушается). Эти отрезки времени в сумме определяют потерю надежности связи Т₁%.

Для одного интервала, где Т равно суткам, причем имеются в виду наихудшие сутки года, когда замирания наиболее интенсивны.

Глубокие замирания даже на соседних интервалах практически некоррелированы, и можно полагать, что с большой вероятностью они происходят в несовпадающие отрезки времени. Экспериментально доказанно, что, на одном из интервалов линии имеет место глубокое замирания, на остальных интервалах уровень сигнала с большой вероятностью близок медианному. Поэтому для линии из М интервалов потеря надежности по замираниям составит величину

Для значений ТЈS% это практически справедливо всегда. Следовательно, задана надежность по замираниям линии Н=95%, т.е. Т=50%, а линия имеет М интервалов, то на каждом интервале потеря надежности по замираниям не должна превышать значение

Зная эту величину, из графиков распределения глубины замираний может быть найдено требуемое значение запаса уровня ВЧ сигнала на замирания (запаса ВЧ уровня) q₁*= DW_З(T₁*%).

Если на каждом интервале обеспечивается запас уровня q₁іq₁*, на линии из М интервалов будет обеспечена требуемая надежность по замираниям Н*%.

Необходимость обеспечения определенного запаса ВЧ уровня на замирания влияет на построение РРЛ следующим образом.

На этапе проектирования нового средства радиорелейной связи на основе выражения (4.18) определяют требуемый запас ВЧ уровня на интервалах q₁* и энергетические показатели аппаратуры выбирают таким образом, чтобы разница между значениями Р_пр50% и Р_{пр пор} (рисунок 4.4) была равна значению q₁*.

На этапе эксплуатации средств связи при планировании трассы РРЛ с помощью топографических карт выбирают местность интервалов таким образом, чтобы реальные запасы уровня на интервалах q_i были не меньше требуемого значения q₁*. При этом напомним, что значения будут зависеть от значений Р_прi т.е. от величины W_свi и W_pi.

Из сказанного выше видно, что среда распространения радиосигналов на интервалах РРЛ оказывает весьма существенное влияние на построение РРЛ. Энергетические параметры аппаратуры определяются с учётом поправок на влияние среды в период проектирования аппаратуры при энергетических расчетах РРЛ. Выбор интервалов и определение их пригодности с учетом влияния среды распространения радиосигналов при эксплуатации средств радиорелейной связи осуществляется путем расчёта РРЛ при планировании их развертывания [10].