2570
.pdfустройства формирования однополосного сигнала. Приемник должен иметь устройство восстановления несущей частоты с высокой точностью.
Однополосная модуляция с двумя независимыми боковыми полосами и частично подавленной несущей (А3А). В этом случае вокруг остатка несущего колебания передаются две независимые боковые полосы: нижняя (НБП) и верхняя (ВБП). Остаток несущей (пилотсигнал) является опорным, для обоих каналов. По сравнению с амплитудной модуляцией однополосная модуляция с двумя независимыми боковыми полосами занимает полосу для каждого канала в два раза уже, что позволяет получить энергетический выигрыш по мощности примерно 9 дБ. Кроме того, при этом виде работы селективные замирания сказываются меньше. Для приема таких сигналов требуется устройство выделения пилот-сигнала, который в дальнейшем используется либо как восстановленная несущая, либо в качестве опорного колебания для автоматической подстройки частоты гетеродина и автоматической регулировки усиления приемника.
Однополосная модуляция с двумя независимыми боковыми полосами и полностью подавленной несущей (А3В). Этот вид работы требует автономного восстановления несущей на приемной стороне с точностью от 3 до 100 Гц, в зависимости от конкретных требований. При использовании возбудителей (гетеродинов) с диапазоннокварцевой стабилизацией частоты требования поддержания такой стабильности выполнимы, что позволяет обойтись без системы автоподстройки. Борьба с замираниями может осуществляться автоматической регулировкой усиления канала связи. Однополосная модуляция с полным подавлением несущей используется для передачи обычных телефонных разговоров или для передачи данных с постоянной скоростью.
31
3.СИСТЕМЫ УЛЬТРАКОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОСВЯЗИ
3.1.Общие сведения
Бурное развитие теории и техники сверхвысоких и ряда других наук позволило создать принципиально новые системы дальней радиосвязи, обеспечивающие многоканальную связь с труднодоступными районами и с подвижными объектами. Для работы этих систем используется диапазон УКВ (30МГц 30ГГц), где относительно легко реализуется высокая помехоустойчивость и большая пропускная способность канала связи. Однако прямолинейный характер распространения ультракоротких волн требует применения промежуточных ретрансляционных или так называемых релейных станций, позволяющих наращивать необходимую длину линии радиосвязи. Поэтому практически все современные системы УКВ радиосвязи относятся к классу радиорелейных. Исключением служат лишь некоторые маломощные радиостанции УКВ диапазона, обеспечивающие оперативную (низовую) связь.
Системы УКВ радиосвязи разделяются на два вида:
-системы, использующие для связи прямую волну;
-системы, использующие для связи волны, рассеянные от неоднородностей тропосферы или ионосферы, а также волны отраженные от каких-либо предметов.
Системы первого вида требуют наличия прямой (квазиоптической) видимости между антеннами двух станций или ретрансляторов. В этих системах используются активные ретрансляторы на Земле и в Космосе (на искусственных спутниках Земли, космических кораблях и т.п.).
В системах второго вида используются волны, рассеяные неоднородностями тропосферы и ионосферы, от следов сгоревших метеоритов, от металлизированной поверхности спутников Земли и др.
В соответствии с изложенным выше все средства УКВ радиосвязи можно подразделить на радиостанции прямой видимости, радиорелейные линии связи прямой видимости, тропосферные линии связи, ионосферные линии связи и спутниковые линии связи.
32
На интервалах радиостанций прямой видимости и радиорелейных линий связи (рис. 3.1) должна соблюдаться квазиоптическая видимость антенн соседних станций. Для увеличения интервала антенны могут устанавливаться на специальные опоры или на возвышенных местах. Протяженность интервала в этом случае обычно не превышает нескольких десятков километров.
В тропосферных линиях связи (рис. 3.2) в качестве рассеивающих участков радиоволн используются слои тропосферы, расположенные от нескольких сотен метров до десятков километров над Землей и «видимые» одновременно из точек расположения двух соседних станций. Протяженность интервала между станциями при этом составляет несколько сотен километров.
Рис. 3.1
В ионосферных линиях связи используются слои рассеивания радиоволн на высотах порядка 70—100 км, поэтому интервал между соседними станциями здесь возрастает до полутора-двух тысяч километров.
Рис. 3.2
Спутниковые линии связи (рис. 3.3) в зависимости от высоты полета спутника могут обеспечить дальность связи, измеряемую многими тысячами километров.
33
Рис. 3.3
Системы УКВ радиосвязи обладают рядом характерных достоинств. К ним относятся: высокое качество связи, относительная дешевизна каналокилометра связи по сравнению с проводными системами связи, возможность связи в труднодоступных районах и т. п. Но не следует думать, что системы дальней УКВ радиосвязи будут вытеснять кабельные линии связи. Напротив, они будут дополнять последние, образуя с ними гибкий комплекс разветвленной сети связи внутри нашей страны и с зарубежными странами.
Однако для сопряжения систем дальней УКВ радиосвязи с системами дальней проводной связи необходимо решить ряд проблем.
Основной проблемой техники дальней связи является обеспечение необходимого числа каналов на заданную дальность при требуемом качестве связи, оцениваемом отношением сигнал/помеха на выходе телефонного канала.
Эта проблема выдвигает перед системами дальней связи следующие требования:
-основным каналом должен быть дуплексный канал ТЧ с полосой 0,3—3,4 кГц;
-требуемое число каналов связи должна обеспечивать типовая каналообразующая аппаратура путем наращивания каналов ТЧ;
-электрические характеристики каналообразующей аппаратуры должны быть унифицированы, что позволит решить вопрос
34
сопряжения любых каналов связи, а следовательно, строить линии связи большой протяженности;
-величина остаточного затухания должна быть стабильной, что необходимо для осуществления вторичного уплотнения и исключения самовозбуждения канала ТЧ связи;
-надежность системы связи должна быть высокой.
В настоящее время эти требования учитываются при создании систем связи различного назначения.
3.2. Системы тропосферной связи
Построению систем тропосферной связи уделяется большое внимание в России и за рубежом. Общая протяженность тропосферных линий связи в настоящее время составляет сотни тысяч километров.
Первая система тропосферной связи для передачи телевизионных программ из Ленинграда в Петрозаводск на расстояние 300 км была построена в 1963 году под руководством М. П. Долуханова, Г. А. Зейтленка, А. М. Захарова и др.
В системах тропосферной связи используется явление дальнего распространения ультракоротких волн, суть которого состоит в следующем.
Известно, что причиной преломления (рефракции) УКВ является неоднородность молекулярной структуры тропосферы, простирающейся до высот 12—15 км от поверхности Земли. Показатель преломления воздуха зависит от давления, температуры и влажности, которые на разных высотах имеют различное значение.
Нормальному (среднему) состоянию тропосферы свойственно уменьшение показателя преломления с высотой. В этих условиях траектория распространения радиоволн теряет свою прямолинейность, приобретает выпуклость, обращенную вверх, т. е. огибает земную поверхность. Эта нормальная рефракция эквивалентна некоторому уменьшению выпуклости земного шара, благодаря чему становится возможным прием УКВ за линией горизонта. Однако дальность связи за счет нормальной рефракции по сравнению с дальностью прямой видимости возрастает незначительно. Вследствие
35
сезонных и суточных изменений метеоусловий в тропосфере возможно такое распределение влажности, температуры и давления, при котором показатель преломления с высотой увеличивается, и лучи УКВ приобретают выпуклость, обращенную вниз. Такое преломление радиоволн, называемое отрицательной рефракцией, влечет за собой уменьшение интенсивности и замирание сигнала даже в зоне прямой видимости.
Если же показатель преломления воздуха уменьшается с высотой быстрее, чем при нормальном состоянии тропосферы, возможен прием УКВ на расстоянии, значительно превышающем прямую видимость. Этот случай, называемый сверхрефракцией, особенно часто наблюдается над водной поверхностью в результате резкого изменения влажности воздуха с высотой.
Особо благоприятные условия распространения УКВ за горизонт создаются при наличии в тропосфере слоистых неоднородностей, т. е. резко выраженной границы слоев с различными коэффициентами преломления, возникающих, например, при прохождении фронта холодного воздуха. На границе разнородных слоев радиоволны претерпевают практически зеркальное отражение, причем условия отражения почти одинаковы в широкой полосе частот.
Однако тропосферная рефракция и отражение от слоистых неоднородностей не обеспечивают устойчивую связь на УКВ за линией горизонта, так как эти явления возникают нерегулярно. Поэтому считалось, что устойчивая УКВ связь возможна только в пределах прямой видимости.
С 1956 года начали появляться публикации по материалам экспериментальных исследований устойчивой УКВ радиосвязи на расстояниях, существенно превышающих прямую видимость. Интенсивность поля на этих расстояниях превосходила значения, предсказываемые дифракционной теорией (рис. 5.11, пунктир). Распространение УКВ далеко за пределы прямой видимости объясняется рассеянием энергии волны так называемыми глобулами - турбулентными неоднородностями тропосферы, процесс возникновения которых состоит в следующем. Поступательное
36
движение воздушных масс в вертикальном и горизонтальном направлениях, обусловленное неравномерностью нагревания земной поверхности, при определенной скорости теряет свою устойчивость и переходит в турбулентное движение, носящее вихревой характер. Важнейшей особенностью турбулентного движения в тропосфере является постепенное и последовательное деление крупных вихрей на более мелкие до тех нор, пока энергия вращательного движения самых малых вихрей не переходит за счет преодоление сил вязкости в тепловую. Вихри порождают множество локальных неоднородностей в распределений давления, температуры и влажности, естественно приводящих к локальным неоднородностям индекса преломления. Глобулы и представляют собой сферические или эллиптические неоднородности, в пределах которых индекс преломления отличается от его значений в окружающей среде.
Под действием высокочастотной энергии, излучаемой передающей антенной, каждая глобула возбуждается и превращается во вторичный излучатель. Объем тропосферы, в котором пересекаются диаграммы направленности антенн корреспондирующих станций (рис. 3.4), является объемом рассеяния энергии, часть которой достигает приемной антенны.
Рис. 3.4
Нетрудно показать, что максимальную дальность связи можно определить по формуле
D 
8hR ,
37
где h - высота расположения объема рассеяния, км; R - радиус Земли, км.
При h=10—15 км дальность тропосферного распространения УКВ может достигать около 900 км.
Интенсивность поля тропосферного рассеяния УКВ принято характеризовать средним множителем ослабления ср по отношению к свободному пространству:
ср 20lg E1 ,
E2
где E1— средняя напряженность поля в точке приема при тропосферном рассеянии;
Е2 — напряженность поля в той же точке, рассчитанная для условий распространения радиоволн в свободном пространстве.
Принципы построения систем дальней тропосферной радиосвязи определяются особенностями тропосферного распространения радиоволн.
Исследования дальнего тропосферного распространения (ДТР) УКВ показывают принципиальную возможность построения систем тропосферной связи в диапазоне частот 100—8000 МГц.
Рис. 3.5 |
Рис. 3.6 |
Согласно экспериментальным |
данным интенсивность поля |
тропосферного рассеяния с увеличением частоты уменьшается сравнительно слабо и для частот 100-4000 МГц разница в уровне сигнала составляет около 20 дБ (рис. 3.5). Зависимость множителя ослабления ср от расстояния D при различных частотах
практически |
линейная, а сигнал в точке приема при ДТР значительно |
слабее, чем |
в случае распространения радиоволн в свободном |
|
38 |
пространстве (рис. 3.6, сплошная линия). Общее затухание сигнала на участке распространения достигает сотни децибел. Значит, в системах тропосферной связи необходимо использовать достаточно мощные передатчики, высокочувствительные приемники и направленные антенны. С учетом этих соображений в системах тропосферной связи целесообразно использовать диапазон частот от нескольких сотен до нескольких тысяч мегагерц.
Экспериментально установлено, что резкие изменения погоды на трассе, связанные с прохождением теплого и холодного фронтов воздуха, в большинстве случаев снижают уровень сигнала. Это объясняется интенсивным перемешиванием воздушных масс тропосферы, приводящим к увеличению ее однородности. При прохождении резко выраженного фронта уровень сигнала иногда значительно возрастает за счет отражения от слоистых неоднородностей тропосферы.
3.3. Радиорелейная линия связи
По мере того, как увеличивалась потребность в расширении количества линий междугородней связи, разрабатывались системы, способные удовлетворить такие потребности. Одной из таких систем были радиорелейные линии, в которых в качестве носителя сигнала использовался не кабель, а радиоканал. Работая на сверхвысоких частотах (диапазон СВЧ) одна радиорелейная линия способна поддерживать работу тысяч телефонных каналов и нескольких телевизионных каналов одновременно. Использование данного диапазона частот приводит к необходимости размещать ретрансляторы на небольшом расстоянии друг от друга (до 30 километров) в пределах прямой видимости (сверхвысокочастотный сигнал не может завернуть за угол или перепрыгнуть даже через небольшую горку). Необходимость строить через определенное расстояние ретрансляционные вышки с антеннами делает данную технологию достаточно дорогой при организации связи на большое расстояние, но данная технология может найти свое применение, например, для организации фиксированного радиодоступа - высокоскоростной передачи данных между двумя зданиями (со
39
скоростью от 2 Мбит/с и выше). Во многих случаях такое решение будет иметь меньшую стоимость по сравнению с прокладыванием между зданиями оптико-волоконного кабеля (например, в городах, где проложить кабель не всегда просто, или в том случае, когда эти здания разделяет река) .
В условиях недостатка частотного ресурса были созданы, успешно применяются и развиваются беспроводные системы фиксированного доступа, работающие в инфракрасной области (на основе ИК светодиодов и полупроводниковых лазеров). Они обеспечивают рабочую дальность от 300 м до 1-3 км при скорости передачи до 155 Мбит/с. Все основные недостатки этих систем (сравнительно высокая стоимость и некоторая зависимость от погодных условий и загрязнения оптики) с лихвой окупаются отсутствием необходимости получения разрешения на использование радиочастоты, а также быстротой и простотой монтажа. На следующим этапом развития систем фиксированного радиодоступа явилось создание таких протоколов обмена информацией между приемо-передатчиками, которые позволили организовать подключение многих объектов к одному (соединение "точкамноготочка"), что наиболее соответствует задачам организации доступа в Интернет (рис. 3.7). Кроме того, были созданы различные механизмы (например, пакетная передача, работа на изменяющейся частоте), которые позволили увеличить пропускную способность, скорость передачи и эффективность использования частотного ресурса.
40