SiRLS

Рис. 1.6. Дифракция радиоволн на краю экрана: а - открытая трасса; б - закрытая трасса; в - зависимость величины напряженности поля от

нормированной высоты просвета

Из приведенных примеров ясно, что при наличии неоднородностей, препятствий трактовка с использованием понятия луча не может дать правильного объяснения происходящих явлений.

48. Тропосферные линии связи.

Принципы построения тропосферных радиорелейных линий (ТРЛ) характеризуются рядом особенностей, связанных со спецификой передачи радиосигналов [10]. Создание ТРЛ стало возможным после того, как было открыто явление дальнего тропосферного распространения (ДТР) УКВ.

ДТР происходит за счет отражения и рассеяния радиоволн турбулентными и слоистыми неоднородностями тропосферы. При этом поле в точке приема создается в результате переизлучения только тех неоднородностей, которые находятся в пределах объема Q, образованного пересечением диаграмм направленности передающей и приемной антенн (рисунок 8.1). Если использовать антенны с высокой направленностью (большим коэффициентом усиления), то объем переизлучения будет уменьшаться.

Рисунок 8.1. Модель распространения УКВ на пролете ТРЛ В результате этого рост уровня сигнала на выходе приемной антенны

А2 может отставать от роста усиления антенны. Данное явление принято называть потерей усиления антенн. Переизлучающий объем Q тропосферы играет роль пассивного ретранслятора. Q характеризуется значительной пространственной и временной неоднородностью. Рассеяние радиосигнала в объеме Q происходит во все стороны и лишь незначительная часть его поступает в точку приема. Чем больше угол рассеяния Q (рисунок 8.1), тем меньше угол принимаемого сигнала.

Все это в целом приводит к следующим особенностям в передаче сигналов по ТРЛ:

1.Поскольку для переизлучения можно использовать даже верхние слои тропосферы (в умеренных широтах высота тропосферы составляет 10-12 км), протяженность пролетов R на ТРЛ может превышать 1000 км (при этом антенны можно располагать непосредственно на Земле). Однако, с учетом других особенностей расстояние между станциями выбирают чаще в пределах

200…400 км.

2.В следствии значительного ослабления сигналов на пролетах приходится существенно увеличивать энергетический потенциал системы. На ТРЛ применяют передатчики мощностью до 10 кВт, антенны размерами до 30×30 м2 и соответственно коэффициентом усиления до 50…55 дБ, малошумящие приемники [8].

3.Из-за пространственно-временной неоднородности переизлучающих объемов тропосферы принимаемые сигналы на ТРЛ подвержены как быстрым, так и медленным замираниям. Первые обусловлены интерференцией множества радиоволн, переизлученных разными участками рассеяния в объеме Q. Длительность быстрых замираний изменяется от сотых долей секунды до нескольких секунд. В течении 5…10 мин случайный процесс изменения уровня принимаемого сигнала приближенно можно считать стационарным. Для этого интервала времени на основе статистических

данных можно определить медианное значение множителя ослабления Vм, то есть такое значение V, которое превышается (или не превышается) в течении 50% указанного времени наблюдения. Распределение мгновенных значений множителя ослабления V при быстрых замираниях удовлетворительно

аппроксимируется законом Релея. При этом выраженная в процентах времени интегральная функция распределения

. (8.1)

Медленные замирания связанны с изменением метеорологических условий на трассе. С учетом медленных замираний процесс изменения уровня сигнала в целом является нестационарным. Математической моделью медленных замираний принято считать распределение случайных величин Vм относительно медианного значения, определенного за длительный срок, например за месяц или год. Чаще используется медианное значение (Vм.м), которое рассчитывается на основе статистических данных об изменении Vм в течении одного месяца наблюдения. Колебания Vм.м в течении года связывают с сезонными замираниями (месячная медиана уровня сигнала в летние месяцы примерно на 10 дБ больше, чем зимой). Для борьбы с медленными и сезонными замираниями эффективны адаптивные системы с каналом обратной связи [27], по которому можно управлять мощностью и (или) частотой передатчика.

Для быстрых замираний на ТРЛ изменение сигналов в любой момент времени неоднородны в различных областях пространства и частот, поэтому для борьбы с быстрыми замираниями организовывают параллельные каналы передачи, отличающиеся несущими частотами (разнесение по частоте) и (или) траекториями распространения волн (разнесение в пространстве за счет использования различных областей переизлучения и (или) нескольких взаимно удаленных приемных антенн). При относительном частотном разносе Δf/f0 = 2·10-3…5·103 или разносе антенн в перпендикулярном трассе направлении на 70…100 длин волн замирания сигналов в отдельных каналах становятся некоррелированными. В этом случае, например, для системы m- кратного разнесенного приема с автовыбором большего из сигналов (сигнала большей мощности в точке приема), распределение результирующей величины множителя ослабления

, (8.2)

что указывает на повышение устойчивости связи по сравнению с одинарным приемом, Т(V) определяется (8.1).

4. Селективные замирания по частоте препятствуют передаче по ТРЛ широкополосных сигналов (как аналоговых, так и цифровых), так как при широком спектре передаваемых сигналов селективные замирания вызывают изменения фазовых и амплитудных соотношений спектральных компонентов, то есть искажается спектр, а, следовательно и форма сигналов. В групповом телефонном сигнале возникают переходные помехи как при использовании метода ЧРК-ЧМ, так и при импульсной (цифровой) модуляции. Селективные замирания являются следствием многолучевого распространения радиоволн. Если относительное запаздывание лучей Δt превосходит длительность одного цифрового сигнала τ, то возникает явление эхо, искажается форма сигналов.

Связанное с селективными замираниями ограничение полосы частот при передаче аналоговых и цифровых сигналов указывает на недостаточную

пропускную способность ТРЛ. Действительно, число ТФ каналов в одном стволе ТРЛ пока не велико (120 ТФК). Для передачи телевидения применяют специальное оборудование, используют частоты в диапазоне 4…6 ГГц, антенны с шириной диаграммы направленности не более 0.3º.

Для борьбы с быстрыми замираниями наибольшее распространение получили различные варианты разнесенного приема и применение широкополосных составных сигналов. Так как замирания на ТРЛ весьма интенсивны, на этих линиях часто прибегают к комбинированным видам разнесения сигналов.

На рисунке 8.2 представлена упрощенная структурная схема АФТ и приемопередающей аппаратуры ОРС для одного дуплексного ствола ТРЛ, на которой предусмотрен счетверенный прием с разнесением сигналов по частоте и пространству (на ПРС и УРС объем оборудования соответственно увеличивается). В состав схемы входят антенны (А), поляризационные селекторы (ПС), разделительные фильтры (РФ), приемники (Пр), передатчики (П), устройства комбинирования сигналов (УК), частотные детекторы (ЧД), аппаратура разделения и объединения каналов (АР) и (АО), частотный модулятор (ЧМ) и разветвитель (Р). Соседняя станция линии передает одинаковые сообщения на разных несущих частотах f1 и f2. Эти сигналы принимаются разнесенными в пространстве антеннами А1 и А2, и через ПС и РФ поступают в приемники. В УК1 и УК2 комбинируются сигналы промежуточной частоты fпр с выходов приемников, настроенных на одинаковые несущие частоты, но соединенных с разными антеннами. Таким образом, УК1 и УК2 реализуют эффект пространственного разнесения. В УК3 осуществляется последетекторное комбинирование сигналов, разнесенных по частоте. В обратном направлении связи одинаковые сообщения, также передаются на разных частотах f3 и f4.

Рисунок 8.2. Упрощенная структурная схема ОРС при счетверенном приеме

Используемые на ТРЛ антенны параболического типа не обеспечивают достаточную величину коэффициента защитного действия. При значительных мощностях передатчиков и высокой чувствительности приемников это создает реальную опасность помех, вызванных приемом сигналов с противоположного направления связи [9]. Поэтому на ТРЛ, как правило, применяют четырехчастотный план. Таким образом, с учетом разнесения по частоте для одного дуплексного ствола требуется восемь рабочих частот. Причем разность частот передачи и приема в одной антенне (с целью упрощения развязывающих фильтров) устанавливается довольно большой: для систем, работающих на частотах ниже 1000 МГц, эта разность равна примерно 40 МГц, а для систем работающих на частотах выше 1000 МГц, около 80 МГц.

В общем случае комбинирование сигналов в УК1, УК2 и УК3 может производиться по принципу линейного оптимального сложения или путем автовыбора. Любой из этих вариантов может быть реализован в УК3, когда комбинируются сигналы после ЧД. Условием нормального линейного или оптимального сложения в УК1 и УК2 является синфазность сигналов на частоте fпр.

возникающие при одновременном прохождении сигналов через нелинейные устройства. Так что не вся полоса частот ретранслятора занята передаваемыми сигналами. Введение ЗЧИ уменьшает пропускную способность ретранслятора, т. е. снижает эффективность использования его полосы.

Модулированные сигналы большого числа несущих, объединяемые в ретрансляторе, образуют суммарный случайный сигнал, подобно тому, как отдельные ТФ сигналы образуют МТС. Для этого суммарного сигнала, так же как и для МТС, можно определить пик-фактор и пиковую мощность. Режим УМ на КС приходится выбирать так, чтобы точка, соответствующая пиковой мощности входного сигнала при МДЧР, лежала на линейном участке АХ. Такой режим позволяет получить малые нелинейные искажения, но снижает эффективность использования мощности ретранслятора. Последняя используется полностью только при передаче пиковых уровней, т. е. в течение около 1% времени работы. Кроме того, часть выходной мощности ретранслятора затрачивается на передачу продуктов нелинейных преобразований, возникающих при АФК.

Снижение эффективности использования полосы и мощности ретранслятора КС -существенный недостаток систем с МДЧР. Еще один недостаток этих систем - необходимость поддержания одинаковых уровней мощности всех принимаемых сигналов на КС с точностью не хуже 0,5 дБ. Дело в том, что когда сигналы с разными уровнями одновременно проходят через нелинейные устройства ретранслятора, то происходит подавление слабого сигнала сильным. Сигналы разных ЗС приходят по разным путям. Условия распространения для них изменяются независимо. Поэтому на каждой ЗС приходится устанавливать устройство, измеряющее ослабление сигнала на участке Земля — спутник и автоматически регулирующее выходную мощность передатчика ЗС.

Ко времени появления первых ССС диапазон частот 1 ... 10 ГГц был хорошо освоен применительно к АРРС. Поэтому в ССС использованы многие технические решения, принятые в АРРС. В связи с чем получили широкое распространение ЧМ и МДЧР. В первых ССС применяли способ ЧРК-ЧМ- МДЧР. При таком способе на каждую ЗС поступает МТС от системы передачи с ЧРК, он модулирует несущую данной ЗС, модулированные сигналы объединяют в ретрансляторе по принципу МДЧР. В других системах МД из нескольких ТФ сигналов формируют ЦГС, который используется для манипуляции несущей, например ОФМ. Другими словами, в них реализуют способ ИКМ-ОФМ-МДЧР. Например, отечественная аппаратура многостанционного доступа “Группа” позволяет организовать 24 несущих с разносом между ними 1,35 МГц. На каждой несущей можно передать стандартную 12-ка-нальную группу методом ЧРК-ЧМ либо восемь ТФ каналов (512 кбит/с) методом ИКМ-ОФМ.

С ростом числа несущих передача МТС на каждой из них становится нецелесообразной, так как при этом резко падает пропускная способность ретранслятора. В стволе с полосой 36 МГц на одной несущей можно передать 900 ТФ каналов. Однако, когда этот же ретранслятор работает по способу

ЧРК-ЧМ-МДЧР, то с учетом необходимых ЗЧИ на каждой из четырех несущих можно передать по 114 каналов, т. е. пропускная способность его уменьшилась вдвое. При числе несущих более 50 пропускная способность ретранслятора уменьшается в 10 раз. В таком случае выгоднее каждому телефонному каналу предоставить свою несущую. Такой принцип передачи получил название ОКН

— один канал на несущую. Для повышения пропускной способности в системах с ОКН уменьшают загрузку ретранслятора подавлением излучения несущей в передатчике ЗС во время молчания абонента, пауз между словами, предложениями и т. п. Поскольку ТФ канал активен не более 30% времени, то средняя загрузка ствола падает примерно на 5 дБ. Следовательно, уменьшается и мощность переходных помех между соседними каналами. Это в свою очередь позволяет уменьшить ЗЧИ и увеличить емкость ствола. Модуляция в системах ОКН может быть цифровая, например ИКМ-ОФМ, либо аналоговая ЧМ. Получила широкое признание система СПЕЙД, в которой реализован метод передачи ОКН-ИКМ-4ОФМ-МДЧР. Скорость передачи сигнала одного ТФ канала составляет 64 кбит/с. За счет применения четырехуровневой ОФМ полоса, необходимая для передачи ТФ канала, снижена вдвое, так что вместе с ЗЧИ она составляет 45 кГц. Таким образом, пропускная способность ствола с полосой 36 МГц составляет 800 ТФ каналов.

Вотечественной аппаратуре “Градиент-Н” реализован принцип ОКН-ЧМ- МДЧР. В каждом стволе такая аппаратура позволяет передавать 200 несущих с частотным разносом между ними — 160 кГц.

Всистемах с МДВР применяют цифровые методы модуляции. При МДВР период одного цикла передачи ТЦ распределяется между всеми (рис 10.4,б) ЗС.

Вначале цикла выделяют время t 0 для передачи сигналов общесистемной синхронизации, так называемого синхропакета С. Интервалы времени t , обозначенные цифрами 1—6 отведены для передачи сигналов с соответствующих ЗС. Их называют информационными пакетами станций. Пакеты отделены друг от друга защитными временными интервалами t 3. Последние необходимы, чтобы не допустить перекрытия пакетов при неидеальной системе синхронизации. Период цикла передачи выбирают в соответствии с теоремой Котельникова, при передаче ТФ сигнала Тц=125 икс. Синхропакет генерирует одна из ЗС (ведущая) и через КС передает на все остальные (ведомые) ЗС. Последняя, получив синхропакет, должна определить время вступления в связь, так чтобы передаваемые ею сигналы поступали на ретранслятор КС точно в отведенное для этой ЗС время т. При этом с высокой точностью должно быть учтено время, затрачиваемое на прохождение синхропакета от КС, и время распространения информационного пакета до КС. Значения этих составляющих времени непрерывно изменяются, поскольку любой реальный ИСЗ перемещается на орбите. Последнее обстоятельство и диктует необходимую точность системы синхронизации. Сейчас она составляет десятки пикосекунд.

Винформационном пакете ЗС (рис. 10.4,г)—вводная часть В и информационные символы, адресованные разным ЗС, С2—Сб. Вводная часть включает сигнал опознавания передающей ЗС, сигналы служебной связи

между ЗС, сигналы восстановления несущей на приеме и тактовой (внутрицикловой) синхронизации и др. С ростом числа ЗС время, отводимое для работы с каждой из них, сокращается, а требования к точности общесистемной синхронизации возрастают. Сложность системы синхронизации — основной недостаток ССС с МДВР. В то же время они не требуют регулировки мощности передатчика ЗС в отличие от ССС МДЧР. При МДВР сигналы ЗС проходят через ретранслятор поочередно. Поэтому УМ на КС может работать в нелинейном режиме, что позволяет эффективно использовать выходную мощность. По мере развития цифровой техники системы МДВР получают все более широкое распространение. Среди них наиболее перспективными считают системы МДВР с коммутацией на борту (МДВР-КБ).

Представим себе, что на КС установлены две шестилучевые антенны — передающая и приемная и высокоскоростной бортовой коммутатор, с помощью которого происходит автоматический выбор рабочих лучей антенн, например по заданной программе. Можно представить, что коммутатор как бы соединяет лучи приемной и передающей антенн. Для простоты будем считать, что в нем же происходит вся необходимая обработка сигнала: усиление, сдвиг по "частоте и т. п. Каждая ЗС связана с антеннами КС отдельным лучом. Положим, что номера лучей МЛА совпадают с номерами ЗС на рис. 12.8,а. Во время передачи информационного пакета от ЗС1 бортовой коммутатор соединяет луч 1 приемной антенны поочередно с лучами 2—6 передающей антенны в соответствии с построением информационного пакета ЗС. 1. На каждую из ЗС приходят только адресованные ей информационные сигналы. Затем коммутатор переключается на прием сигнала от ЗС2 и т. д. Система МДВР-КБ объединяет достоинства МДВР и МЛА

50. Многостанционный доступ в ССС с ВРК

При МДВР в стволе ретранслятора организуется ретрансляция сигналов ЗС по очереди. За земной станцией закрепляется на все время работы или на некоторый сеанс связи временное окно в некотором общем кадре. Это временное окно повторяется в каждом кадре.

В своем временном окне земная станция передает пакет двоичных символов, состоящий из преамбулы и пакета данных. Преамбула содержит биты синхронизации приемника по несущей частоте (отрезок несущей частоты), по тактовой частоте символов (меандр), адресную информацию и символы сигнализации (рис. 1.8). Одна из станций сети связи является ведущей и излучает кадровый сигнал синхронизации, который принимается всеми станциями сети и служит для синхронизации всех земных станций.

Рис.1.8. Передача сигналов при МДВР.

Достоинством метода МДВР по отношению к МДЧР является отсутствие перекрестных помех в ретрансляторе, поскольку в любой момент времени усилитель мощности ретранслятора КА усиливает сигнал только одной станции и вследствие этого усилитель мощности может работать все время в режиме, близком крежиму насыщения. Вся полоса ствола КА отводится одной станции, т.е. возможна большая скорость передачи данных (см. соотношение Шеннона)

Энергетические возможности системы с МДВР могут быть многократно увеличены, если перейти от широкого луча антенны ретранслятора, покрывающего всю зону обслуживания КА, кпрыгающему узкому или даже сверхузкому приемопередающему лучу ретранслятора КА. Луч антенны направляется на земную станцию в момент прихода пакета информации на ретранслятор от земной станции и переключается на другую земную станцию после окончания пакета. Концепция построения такой системы с МДВР иллюстрируется рис. 1.9. Энергетический выигрыш в радиолиниях в дБ будет равен разнице в коэффициентах усиления антенны ретранслятора с узким лучом и антенны с лучом, покрывающим всю зону обслуживания. Этот выигрыш в энергетике радиолиний может быть достаточно большим и может использоваться для уменьшения излучаемой ретранслятором мощности сигналов, уменьшения диаметров антенн ЗС, уменьшения мощностей излучения ЗС и др.