flesh / Книга / 11_g

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

каналов (например – спутниковым) позволяет обеспечить надежную связь. Хотя скорость передачи информации и небольшая, она соответствует задаче передачи важной, но краткой информации о факте произошедшей или надвигающейся чрезвычайной ситуации. Создание такой сети не нуждается в больших капитальных вложениях. В заключение отметим, что связь в ВЧ-диапазоне является необходимым сегментом интегрированной глобальной сети связи.

11.2.4. Радиорелейная связь

Для современного состояния общества характерна непрерывно увеличивающаяся потребность в использовании систем передачи информации. Несмотря на огромный прогресс в сфере телекоммуникаций – как по развитию новых технологий в области связи, так и по объему связных систем, возросли и объективные препятствия для дальнейшего развития. Теснота как в частных диапазонах, так и в пространстве привела к росту взаимных помех между функционирующими радиосистемами. Для решенияпроблемыэлектромагнитной совместимости осуществляется международное и внутригосударственное регулирование радиосвязи. Решение идет, в том числе, по пути сужения диаграмм направленности антенных систем, ограничения излучаемой мощности. Это позволяет осуществить пространственное разнесение радиосистем, ограничить их использование локальными территориями. Однако этот ресурс не беспределен.

Регламентациявременныхрежимовработырадиосистемпозволяет использовать их на ограниченной территории в одном частотном промежутке. Нопри этом накладывается ограничениена информационные возможности радиосистем.

При ростечисла пользователей растет необходимая полоса частот, которая достигает десятка мегагерц. Даже в ВЧ-диапазоне его общаяполоса составляет27МГц. Наличиезвуковоговещания вэтих диапазонах делает нереальным развитие радиосвязи с использованием этих частот. Использование этих диапазонов для обмена телевизионными программами, каждой из которых требуется полоса

31

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

в 6,5 МГц (и это без учета защитного интервала), также нереально. Следовательно,переходвУВЧ-,СВЧ-иКВЧ-диапазонывызванобъек- тивными потребностями в обмене информацией.

Однако, какотмечалосьвподразд. 11.2.1, электромагнитныеколебания этих частот распространяются только по прямой и, следовательно, приемная и передающие антенны должны находиться в пределах геометрической видимости, без учета дифракции, увеличивающей радиогоризонт по сравнению с видимым на 14%. Естественно решениеувеличиватьдальностьпередачиинформациипоследовательной ретрансляцией передаваемых сигналов – этот способ связи носит название «радиорелейная связь» (рис. 11.12).

Рис. 11.12. Радиорелейная линия

Оконечные(ОС)и промежуточные(ПС)радиостанции находятся в пределах прямой видимости. В линии осуществляется, как правило, дуплексная (двухсторонняя) радиосвязь. Видно, что ограничениедальности распространениярадиоволн, начиная с УВЧ-диапазо- на и выше, прямой видимостью, с одной стороны, недостаток – необходимоиспользовать дополнительную ретрансляционную аппаратуру, а, с другой стороны, достоинство – с учетом направленного излучения можно на ограниченной территории использовать одинаковые частоты.

Радиорелейныелинии используются там, гдеэтоэкономически оправдано, например, для организации связи на ограниченноевремя или в сложных условиях – рельеф, болотистая местность и т.п.

Упрощеннаяфункциональнаясхема радиорелейной линиипредставлена на рис. 11.13.

32

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

Рис. 11.13. Упрощенная функциональная схема радиорелейной линии

Оконечныерадиостанции включают в себя передающуюи приемную части. Источники информации (ИИ) объединены схемой уплотнения информации (СУИ), формирующей групповой сигнал, поступающий на вход передатчика (ПД). Промежуточные радиостанции принимаюти передаютдалеерадиосигнал, который подвергается восстановлению с целью сохранения необходимого качества связи. Таких промежуточных радиостанций может быть несколько, в зависимости от рельефа местности и протяженности радиорелейной линии. На промежуточной станции может быть предусмотрен отбор

идобавление информации, тем самым линия преобразуется в сеть

иместо расположения промежуточной станции привязывается к источникам и получателям информации. На оконечной радиостанции, кромеприема, осуществляется разделениегрупповогосигнала на составляющие схемой разделения информации (СРИ) и передача соответствующим получателям информации (ПИ).

Абсолютноаналогичновыглядит и обратный канал. Упомянутоездесьформированиегрупповогосигнала и егопоследующееразделение далее будет рассмотрено в отдельном разделе. Этот метод общий и применяется с целью более рационального использования передающих, приемных и антенных устройств, а также конструкций – вышек, зданий, входящих в систему.

33

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Отдельностоитвопроссниженияуровнявнутрисистемныхпомех. Длярешенияэтой проблемыи принимаетсярядмер(рис.11.14).

Рис. 11.14. Защита радиорелейных линий от внутрисистемных помех

Работа на прием и передачуведется на разных частотах и поляризациях. Это позволяет исключить в пределах ОС и ПС попадание излучаемого сигнала на вход приемника. Кроме того, осуществляется смена несущих частот по линии. Дополнительно предусмотрено, чтобыстанции нерасполагалисьпопрямой сцельюпредотвращения попаданиясигналапередатчика,расположенногочерезоднустанцию, на вход приемника одновременно с сигналом соседней станции. Информационные потоки группируются в радиочастотные каналы и образуют стволы радиорелейной линии (РРЛ) и их может быть несколько, поэтому изображенные на рис. 11.13 и 11.14 схемы являютсяупрощенными, поясняющими толькопринцип построенияРРЛ.

Расстояниемеждустанциями определяетсяпрямойвидимостью. Будем для простоты считать рельеф местности ровным, без возвышенностей и впадин.

Нарис. 11.15обозначено:R3 –радиус Земли(R3 =6370км);h1иh2 – высота подъема антенн A1 и A2 над Землей. Линия прямой видимости, равнаяd1 +d2, почти касаетсяповерхности Земли. Учтеммалостьh1иh2 посравнению с R3 и определим расстояние междуантеннами D, равное d1 + d2:

D 2R h1 h2 .

34

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

Рис. 11.15. К расчету расстояния прямой видимости

Так как 2R 3500 м, примем с учетом некоторого огибания поверхности Земли радиоволнами:

D 4 h1 h2

(Dизмеряетсявкилометрах,h1и h2 –вметрах). Еслисчитатьh1 h2 25, то D = 40 км. Как правило, величину подъема антенн с целью уменьшения стоимости мачт не делают более 40 м и D 40 – 60 км. При проектировании учитывают рельеф и по возможности антенные мачты устанавливают на возвышениях.

В РРЛ используют частоты в области 4 и 6 ГГц. Это позволяет получить достаточноширокую полосучастот и, следовательно, обеспечить высокую пропускную способность. В то же время влияние осадков на трассе несущественно воздействует на поглощение электромагнитных волн в атмосфере.

Напрактикевдиапазоне6ГГцвыделяютполосучастотв500МГц, в которой формируют 16 каналов – по 8 в каждом направлении, т.е. 8стволов. Использованиевертикальнойи горизонтальнойполяризаций позволяет одной антенной осуществлятьприем и передачурадиосигналов. Но это возможнопри небольшом числе стволов.

11.2.5. Спутниковая связь

Запуск искусственных спутников Земли (ИСЗ) вызвал революцию в системах связи. Появилась возможность разместить на них аппаратуру ретрансляторов и создать систему спутниковой связи

35

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

(ССС). При высотах орбит в 36 000 км и расположении их в области экватора можно получить три спутника – ретранслятора, синхронно вращающихся с Землей и, следовательно, находящихся неподвижно относительно приемных станций на Земле, которые могут обеспечить связью почти всю земную поверхность. Однако этопредельный случай и на практике используются разные варианты размещения спутников.

Началоспутниковой связи принятосчитатьсмомента запуска в 60-х годах советского связного спутника «Молния» и американского «Телестар».

Рассмотрим возможные орбиты ИСЗ. Орбита – это траектория движения ИСЗ. На спутник, послевыключения двигателей носителя, действуют силы гравитации, и, в соответствии с законами Кеплера, орбита принимает форму эллипса, в одном из фокусов которого располагается Земля. Плоскость орбиты проходит через центр Земли и постоянна во времени. Минимальное расстояние орбиты от центра Земли называется перигеем, а максимальное – апогеем. При круговой орбите фокусы эллипса сливаются с центром Земли. По углу между плоскостью экватора Земли и плоскостью наклонения различают экваториальные (угол равен нулю), полярные (угол равен 90°) и наклонные (угол от нуля до 90°) орбиты. Важным параметром является период обращения Т – время прохождения спутника одной и той же точки орбиты. В случае, если Т кратно времени оборота Земли вокруг своей оси

где N – число оборотов ИСЗ вокруг Земли за сутки N. На синхронной орбите ИСЗ появляется над одними и теми же районами Земли в одно и то же время. Это, безусловно, облегчает планирование связи. Например, у ИСЗ «Молния» (эллиптическая орбита с углом наклонения 65° и большим значением высоты в апогее, расположенным над северным полушарием) время видимости над терри-

36

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

торией России – 8 часов. Тогда три спутника могут обеспечить круглосуточную связь. Потребуется только перемещениедиаграмм направленности антенн при переходе с одного ИСЗ на следующий. Низкие (менее 1500 км) и средние (в пределах до 10 000 км) орбиты позволяют повысить уровень сигнала и использовать подвижные персональные терминалы. Низкие и средние орбиты используются только как круговые и полярные (могут быть близкими к полярным). На эти орбиты выводится спутниковая группировка, обеспечивающая непрерывную связь, так как спутники сменяют друг друга, причем плоскости полярных орбит в спутниковой группировке смещены.

Основные достоинства использования геостационарных орбит заключаются в следующем:

–непрерывность спутниковой связи;

–антенны без системы слежения за ИСЗ;

–постоянство ослабления сигнала на трассе Земля – ИСЗ;

–отсутствие частотного доплеровского сдвига;

–наличие большой зоны видимости ИСЗ;

–достаточность трех ИСЗ для глобальной системы связи. Однако при приближении к полярным широтам растут шумы

на трассе, затемнение предметами, расположенными на земле. Геостационарнаяорбитаперенасыщенаспутникамииобъектив-

но имеющаяся нестабильность параметров орбиты требует проведения коррекции. Отклонение от норм не должно превышать по долго-

те ± 0,1 %.

Классификациясистемспутниковойсвязидостаточноразносто-

ронняя, так как проводится поразличным принципам:

• по назначению систем и типа наземных станций:

–фиксированная спутниковая служба (ФСС) (связь между конкретными наземными пунктами);

–подвижная спутниковая служба (ПСС) (связь между фиксированными земными станциями (ЗС) и подвижными, находящимися на поверхности земли – сухопутными, морскими, воздушными);

37

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

–радиовещательнаяспутниковаяслужба (РСС)(сигналысИСЗ принимаются населением путем индивидуального или коллективного приема);

• по виду передаваемой информации ССС подразделяются на:

–универсальные многофункциональные;

–специализированные;

•поохватутерритории, размещениюи принадлежности ЗСразличаются:

–глобальные;

–региональные;

–зоновые;

–ведомственные.

Системы спутниковой связи имеют общую структуру

(рис. 11.16).

СпутниковаялинияимеетдвелиниидуплекснойсвязимеждуЗСи космической станцией (КС). ЗС всвоюочередьсвязаныспользователями услугами связи. КС – эторетранслятор (приемопередающее устройство),размещенныйнаИСЗ,оснащенныйсистемамидляприемаипередачирадиосигналов, имеющийвсвоемсоставеисточникиэлектроэнергии,системуориентацииантеннисолнечныхбатарей,системукоррекции орбиты, систему обеспечения живучести оборудования и т.д.

ЗС осуществляют прием и передачу информации на КС. Кроме того, с помощью ЗС осуществляется контроль и управление ИСЗ. Имеется специализированный центр управления системой связи (ЦУС). Наземные станции объединяются в сети, имеющие каналы служебной связи.

38

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

Земные станции характеризуются следующими показателями:

–диапазонами частот, используемыми для приема и передачи информации;

–добротностью земной станции на прием G/T (это отношение усилениясистемыстанции вдецибелахкшумовой температурестанции в градусах Кельвина. Меняется от 42 до 20 дБ/К в зависимости от класса систем);

–эффективнаяизотропноизлучаемаямощность(ЭИИМ)(определяется перемножением мощности передатчика на коэффициент усиления антенны в режиме передачи; меняетсяв пределах (50 – 95)ВтдБ);

–диаметрантенны(существенновлияетна приведенныепоказатели и лежитв пределах (1,5 –32) м– дуплекснаясвязьи (0,45–4) м– только прием).

Космическиестанцииимеютпоказатели,схожиесземнымистанциями поструктуре, ноотличающиесявеличинами.Эти отличиясвязаны с техническими возможностями их реализации в условиях космоса.

Однако имеются и специфические для космических станций характеристики. Это, в первую очередь, число стволов.

Стволом спутниковой связи называют приемопередающий тракт,

вкоторомрадиосигналыпроходят черезобщиеустройства (передатчик, приемник) в выделенной полосе частот. В системах спутниковой связи используются стандартныеполосы частот (27…120 МГц), обслуживаемые отдельным стволом. Однако и стволы могут использовать общие устройства (антенно-волноводную систему, входной усилитель и т.д.). На ИСЗ размещают несколькостволов (6 – 48), разделенных частотами и поляризацией. Важнейший показатель КС определяется как числом стволов,ихполосами,такиЭИИМивобщемвидехарактеризуетсячислом двоичных единиц в секундуретранслируемых КС.

Космическая станция характеризуется зоной покрытия, которая, в свою очередь, определяется шириной диаграммы направленности ее антенных систем. С учетом имеющихся на практикенестабильностей КС на орбите пользуются понятием «гарантийная зона обслуживания».

39

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Срок службы КС составляет 10 – 12 лет. Для его обеспечения принимаются меры по поддержанию надежности элементов КС, как и системы в целом путем резервирования.

Системы спутниковой связи имеют свои показатели. Это зона обслуживания системы – очевидно, что она определяется объединением зон обслуживания, входящих в систему ИСЗ. Аналогично определяется и пропускная способность системы.

Система спутниковой связи характеризуется (а ее показатели определяются архитектурой) числом и местом положения ЗС, числом и типом орбит ИСЗ. Кроме того, как любая информационная система, она характеризуется информационными возможностями, определяемыми, в том числе, количеством стволов на ИСЗ, полосами пропускания и частотами стволов в спутниковых линиях.

С точки зрения организации связи важной системной характеристикой является метод многостанционного доступа (МСД), определяющий, каким образом осуществляется совмещение радиосигналов, приходящих сразличных, входящихв систему, земных станций, при их прохождении через общий для них ствол ретранслятора космической станции. Возможно разделение сигналов по частоте, времени и форме. Упрощенно структурная схемя земной и космической станций представлена на рис. 11.17.

Приведенныесхемы отображают ЗС и КС, работающие в дуплексном режиме и имеющие несколько стволов. Приведены толькоте части станции, которыепредназначены для образования спутниковых линий, т.е. даже одна ЗС может формировать несколько зон обслуживания. Антенны оснащены системами слежения, так как использование узких диаграмм направленности антенн КС позволяет существенно снизить взаимные помехи и повысить эффективность использования орбит. Техническая реализация КС, выполняющей функции ретранслятора, может быть различной – начиная от простого переотражения сигналов от поверхности КС, выполненной в виде металлического шара, до сложной обработки, преобразования и регенерации сигналов, содержащих информацию.

40