SiRLS

случайные амплитуды и следующих друг за другом через случайные интервалы времени, причем вызванные ими переходные процессы не перекрываются во времени. Причины появления этих помех: коммутационные шумы, наводки с высоковольтных линий, грозовые разряды и т. п. Нормирование импульсных помех в канале ТЧ производится путем ограничения времени превышения ими заданных порогов анализа.

Флуктуационная (случайная) помеха характеризуется широким спектром и максимальной энтропией, и поэтому с ней труднее всего бороться. Однако в проводных каналах связи уровень флуктуационных помех достаточно мал и они при малой удельной скорости передачи информации практически не влияют на коэффициент ошибок.

Мультипликативные (умножения на сигнал) помехи обусловлены случайными изменениями параметров канала связи. В частности, эти помехи проявляются в изменении уровня сигнала на выходе демодулятора. Различают плавные и скачкообразные изменения уровня. Плавные изменения происходят за время, которое намного больше, чем 0 – длительность единичного элемента; скачкообразные — за время, меньшее 0 . Причиной плавных изменений уровня могут быть колебания затухания линии связи, вызванные, например, изменением состояния погоды, а в радиоканалах — замирания. Причиной скачкообразных изменений уровня могут быть плохие контакты в аппаратуре, несовершенство эксплуатации аппаратуры связи, технологии измерений и др.

Снижение уровня более, чем 17,4 дБ ниже номинального, называется перерывом. При перерыве уровень падает ниже порога чувствительности приемника и прием сигналов фактически прекращается. Перерывы длительностью меньше 300 мс принято называть кратковременными, больше 300 мс — длительными.

Импульсные помехи и перерывы являются основной причиной появления ошибок при передаче дискретных сообщений по проводным каналам связи.

К искажениям формы сигнала на выходе непрерывного канала приводят также сдвиг его спектральных составляющих по частоте, фазовые скачки и фазовое дрожание несущего колебания. В результате частотного сдвига, фазовых скачков и фазового дрожания и появляется паразитная угловая модуляция сигнала.

Аддитивные помехи содержат три составляющие: сосредоточенную по частоте (гармоническую), сосредоточенную во времени (импульсную) и флуктуационную. Помеха, сосредоточенная по частоте, имеет спектр значительно уже полосы пропускания канала. Импульсная помеха представляет собой последовательность кратковременных импульсов, разделенных интервалами, превышающими время переходных процессов в канале. Флуктуационную помеху можно представить как последовательность непрерывно следующих один за другим импульсов, имеющую широкий спектр, выходящий за пределы полосы пропускания канала. Импульсную помеху можно рассматривать как крайний случай флуктуационной, когда её энергия сосредоточена в отдельных точках временной оси, а гармоническую

помеху — как другой крайний случай, когда вся энергия сосредоточена в отдельных точках частотной оси.

Характеристиками аддитивных помех в каналах ТЧ являются псофометрическая мощность шума и уровень не взвешенного шума. Первая величина измеряется прибором с квадратичным детектором и специальным контуром, учитывающим чувствительность человеческого уха, микрофона и телефона к напряжениям различных частот. Средняя величина псофометрической мощности составляет 2*10-15 Вт/м. Не взвешенный шум измеряют прибором с квадратичным детектором, имеющим время интегрирования 200 мс. Эта величина в точке с относительным нулевым уровнем не должна превышать —49 дБ на одном участке переприёма. Указанные характеристики не охватывают импульсные шумы, которые измеряют отдельно и специальными приборами. Мультипликативные помехи в каналах связи выражаются в основном в изменении остаточного затухания, приводящего к изменениям уровня сигнала. Изменения уровня сигнала в реальных каналах связи весьма разнообразны по своему характеру. Так, например, различают плавные и скачкообразные изменения уровня сигнала (иногда их называют изменениями остаточного затухания), кратковременные занижения уровня, кратковременные и длительные перерывы.

Плавными изменениями уровня называют такие, при которых отклонение уровня от своего номинального значения до максимального (минимального) происходит за время, несоизмеримо большее длительности единичных элементов передаваемого сигнала т0. К скачкообразным изменениям уровня относятся те, при которых изменение уровня от значения рН0М до рМАКС происходит за время, соизмеримое с временем единичного интервала 0.

Исследования показали, что за длительный промежуток времени отклонения уровня от номинального значения происходят как в сторону повышения, так и в сторону понижения, при этом оба направления изменения имеют примерно равную вероятность. Изменения такого рода могут быть отнесены к числу медленных изменений остаточного затухания. Наряду с ними имеют место быстрые, сравнительно кратковременные изменения остаточного затухания, в основном приводящие к уменьшению уровня приема. Значительные занижения уровня сигнала приводят к искажениям принимаемых сигналов и, как следствие, к ошибкам. Занижения уровня сигнала уменьшают его помехозащищенность, что также вызывает рост числа ошибок. И, наконец, в синхронных системах снижение уровня сигнала приводит к нарушению работы синхронизации и затрате определенного времени на вхождение, в режим синхронизации при восстановлении нормального уровня. Поэтому в современных системах ПДИ имеются специальные устройства, которые блокируют приемник и его систему синхронизации при уменьшении уровня сигнала ниже заданного значения - П. По этой причине занижение уровня на величину, большую или равную П, получило название перерыва. При передаче данных согласно

рекомендациям ЕАСС перерывом считают П= 17,4 дБ. Перерывы делят на кратковременные и длительные

Для коммутируемых каналов ТЧ существует следующая норма: t КР.ПЕР ЗОО мс. Это время выбрано из принятых в аппаратуре телефонной коммутации схемных решений, которые в случае перерыва длительностью более 300 мс обеспечивают разъединение ранее установленного соединения, т. е. приводят к отказу связи. Указанная величина рекомендуется МСЭ в качестве критерия отказа для передачи по коммутируемым каналам ТЧ. Рекомендуемая доля кратковременных перерывов на одном переприемном участке не должна превышать 1,5*10-5 за 90% часовых отрезков времени.

Плавные изменения уровня до некоторой степени характеризуются величиной стабильности остаточного затухания. Согласно рекомендациям МСЭ остаточное затухание для двухпроводного канала ТЧ должно составлять 7,0, для четырёхпроводного — 17,4 дБ, а его нестабильность во времени на одном участке переприёма — не превышать 1,75 дБ.

В каналах связи возникают также своеобразные мультипликативные помехи, связанные с нестабильностью генераторов поднесущих частот аппаратуры передачи. В результате затрудняется выделение на приёме когерентного колебания при ФМ или возникают искажения сигнала ЧМ. По существующим нормам расхождение поднесущих частот на участке переприёма ограничивается величиной 1 Гц. Кроме того, наряду со скачкообразными изменениями уровня сигнала в каналах связи имеют место скачки фазы, однако последние пока не нормированы.

13. Основные виды и характеристики антенн широкополосных линий связи.

Для построения многих современных систем радиосвязи, радиолокации и радиомониторинга ОВЧ—СВЧ диапазонов необходимы антенны, обладающие широкой полосой рабочих частот с коэффициентом перекрытия до 5—10 и более. Типичными представителями класса широкополосных антенн являются вибраторные логопериодические антенны (ЛПА), спиральные антенны, ТЕМ-рупоры, полосковые антенны Вивальди [2—5, 10].

10.1. Логопериодические вибраторные антенны Логопериодические антенны относятся к классу сверхширокополосных

антенн, обладающих практически постоянными формой ДН и входным сопротивлением при изменении частоты. Принцип действия ЛПА основан на принципе электродинамического подобия, согласно которому при изменении длины волны и размеров антенны в определенное одинаковое число раз характеристики антенны остаются неизменными. Существует множество модификаций ЛПА. Рассмотрим вариант вибраторной ЛПА, приведенной на рис. 10.1 [10].

Рис. 10.1. Вибраторная ЛПА Антенна выполняется в виде решетки из симметричных электрических

вибраторов, подключенных к двухпроводной линии передачи. Возбуждение осуществляется без симметрирующего устройства с помощью коаксиальной линии, проложенной внутри одного из цилиндрических проводников двухпроводной линии. Длины вибраторов независимо от номера n (n=1; 2; ...) удовлетворяют соотношению

ln /ln+1 =τ, (10.1)

где τ — пространственный период структуры. Линии, соединяющие концы вибраторов, образуют угол α.

По принципу действия подобная ЛПА напоминает директорную антенну. На частоте f0 резонирует, т.е. возбуждается наиболее интенсивно вибратор, длина плеча которого близка к λ0/4, поскольку входное сопротивление этого вибратора можно считать активным. Другие вибраторы возбуждаются менее интенсивно, так как входное сопротивление их велико из-за большой реактивной компоненты. Активная область антенны, формирующая ЭМП излучения, включает обычно 3—5 вибраторов, в том числе резонирующий и соседние слева и справа. Фазовые соотношения токов в вибраторах активной области определяются длиной вибраторов, взаимным влиянием и переменнофазным (поочередным) подключением их к разным проводникам питающей линии. При этом оказывается, что токи в более коротких вибраторах отстают, а в более длинных — опережают по фазе ток в резонансном вибраторе. Поэтому более короткие вибраторы работают как директоры, а более длинные

— как рефлекторы. Максимальное излучение направлено в сторону вершины антенны (от самого длинного до самого короткого вибратора).

Если частота входных колебаний уменьшится и станет равной τf0, то начнет резонировать следующий, более длинный вибратор; при этом активная область переместится в сторону более длинных вибраторов. Напротив, при

увеличении частоты активная область сместится к вершине антенны. На всех частотах

fn =τn−1f1, (10.2)

где n — номер вибратора; fn — резонансная частота n-го вибратора, свойства антенны остаются неизменными. В интервалах между резонансными частотами свойства антенны меняются, но незначительно. Логарифмирование (10.2) приводит к выражению lnfn=(n−1)lnτ+lnf1. В логарифмическом масштабе резонансные частоты повторяются через интервалы, равные lnτ, что и определило название антенны.

Таким образом, ширина рабочей полосы частот ЛПА снизу ограничивается допустимыми размерами самых длинных вибраторов (λmах≈4lmах), а сверху — возможной точностью выполнения вибраторов вблизи точек питания (λmin≈4lmin). ЛПА может сохранять практически неизменную форму ДН в почти десятикратном диапазоне частот (fmax/fmin≤10); при этом КСВ в питающей линии передачи находится в пределах 1,4 — 1,8. Заметим, что вследствие перемещения активной области по длине антенны с изменением частоты меняется также положение фазового центра антенны. Это несущественно, например, при приеме телевизионных сигналов, но принципиально при использовании ЛПА в качестве облучателя зеркальных антенн, а также в системах с широкополосными сигналами.

В связи с тем что активная (интенсивно излучающая) область образуется малым числом вибраторов, ДН ЛПА оказывается довольно широкой, причем в Е-плоскости, в которой расположены вибраторы, ширина ДН меньше, чем в Н-плоскости. Увеличение τ при неизменном α сужает ДН, так как увеличивается число вибраторов, входящих в активную область. Уменьшение угла α при неизменном τ также сужает ДН, поскольку при этом увеличивается расстояние между соседними вибраторами, т.е. активная область расширяется. Сказанное справедливо только до некоторых критических значений τmах≈0,95 и αmin≈10°. Типичные значения КНД (КУ) ЛПА составляют 6—7 дБ.

На практике применяются различные варианты ЛПА, как в плане конструкции, так и технологии изготовления [2, 3, 5, 10].

10.2. Спиральные антенны Спиральные антенны выполняются в виде электрического проводника,

свернутого в спираль и образующего направляющую структуру бегущей волны [2—5, 10].

Рассмотрим сначала цилиндрическую спиральную антенну, изображенную на рис. 10.2 [10]. Антенна состоит из спирального проводника, соединенного с внутренним проводником возбуждающего коаксиального кабеля (волновода). Экранирующая оплетка кабеля присоединяется к металлическому диску (экрану), который препятствует протеканию тока по внешней поверхности коаксиального кабеля и одновременно играет роль рефлектора, уменьшая излучение антенны в заднее полупространство. Основные геометрические параметры антенны: длина спирали l, длина витка L, диаметр витка d, шаг намотки S, угол намотки α, число витков n. В

зависимости от соотношения размеров антенна может работать в различных режимах с разными ДН и поляризациями.

При диаметре спирали d<λ0/6 (рис. 10.2) антенна работает как совокупность элементарных рамок и элементарных электрических вибраторов, расположенных вдоль оси спирали. Такая антенна имеет малое сопротивление излучения и низкий КПД и по этой причине практически не используется. Характерная форма ДН показана на рис. 10.3, а.

При диаметре спирали d>0,45λ0 ДН антенны расщепляется относительно оси спирали. ДН имеет форму конической воронки (рис.10.3, в) [10].

Рис. 10.2. Цилиндрическая спиральная антенна Наибольший практический интерес представляют собой антенны с

диаметром спирали d≈(0,25—0,45)λ0, создающие максимальное излучение вдоль оси по направлению движения волны тока (рис.10.3, б). В антенне с длиной витка L≈λ0 и при числе витков больше трех устанавливается режим бегущей волны.

Рис. 10.3. ДН спиральной антенны Теоретические исследования показывают, что в бесконечной спирали при

длине витка L≈λсп устанавливается режим бегущей волны тока с фазовой скоростью v≈0,8с (с/v ≈1,25), где с — скорость света, и длиной волны λсп≈λ0v/с, где λ0 — длина волны в свободном пространстве. При уменьшении длины волны, фазовая скорость повышается, приближаясь к скорости света; при увеличении длины волны — уменьшается. В спирали конечной длины имеет место отражение от конца, но оно обычно невелико (модуль коэффициента отражения напряжения не превышает 0,2). Кроме того, в начале и в конце антенны возникают высшие типы волн. Обычно в первом приближении отражением и высшими типами волн пренебрегают и считают, что амплитуда тока постоянна по длине антенны.

Направленные свойства антенны практически сохраняются в сравнительно широком интервале длин волн, от (0,7—0,8)λ0 до 1,2λ0. При этом обеспечивается почти чистая круговая поляризация излучения, направление вращения плоскости поляризации совпадает с направлением намотки спирали.

Ширина главного лепестка ДН по половинной мощности рассчитывается по формуле [10]:

(10.3)

КНД антенны

D =15(L/λ)2 n·S/λ. (10.4)

Входное сопротивление антенны получается чисто активным:

Rвх≈140L/λ. (10.5)

Для достижения максимальной широкополосности антенны угол намотки α выбирается равным (12—15)°, S=(0,15—0,3)λ0. Радиус экрана (сплошного или решетчатого) обычно выбирается в пределах (0,5—0,8)l, где l — длина спирали.

Ширина ДН цилиндрической спиральной антенны по половинной мощности обычно не меньше (20—25)°. Реальное число витков 4—11, поскольку при большем числе витков последние практически не возбуждаются и в излучении не участвуют. Для улучшения направленных свойств спиральные антенны объединяются в антенные решетки поперечного излучения.

Конические спиральные антенны обладают лучшими диапазонными свойствами, чем цилиндрические спиральные антенны. Осевое излучение таких антенн формируется не всей антенной, а лишь активной областью, т.е. витками, длина которых близка к рабочей длине волны. Минимальную длину витка выбирают равной 0,75λmin, максимальную — 1,3λmах. С изменением частоты активная область перемещается вдоль оси антенны.

Широкое применение находят плоские (печатные или полосковые) спиральные антенны, в том числе антенны в виде архимедовой спирали (рис.

10.4) [2, 10, 11].

Рис. 10.4. Плоская спиральная антенна Двухзаходная спиральная антенна может выполняться печатным

способом и возбуждается либо двухпроводной линией, либо коаксиальным кабелем. Антенна формирует поле излучения с круговой поляризацией в направлении оси антенны, которая сохраняется в широкой полосе частот. Нижняя частота определяется внешним диаметром спирали, а верхняя — точностью выполнения антенны вблизи точек питания.

Диаграмма направленности состоит из двух широких лепестков, ориентированных нормально к плоскости спирали. Можно также получить одностороннее излучение спирали, если позади нее поместить экран (обычно на расстоянии λ0/4, где λ0 — длина волны на средней частоте диапазона), однако наличие экрана сужает рабочую полосу частот.

Описанные типы спиральных антенн кроме самостоятельного применения используются, как уже отмечалось, в качестве облучателей зеркальных антенн, элементов различных антенных решеток, в том числе фазированных антенных решеток.

14. Приемо-передающая аппаратура РРЛ. Схемы промежуточных станций.

Аппаратуру любой современной радиорелейной системы для магистральной РРЛ подразделяют на следующие группы: 1) антенна и АФТ, 2) приемопередающая СВЧ аппаратура, 3) модемы, 4) вспомогательное оборудование.

Приемопередающую СВЧ аппаратуру часто выполняют конструктивно в виде отдельных СВЧ стоек: стойки приемников и стойки передатчиков. В каждой стойке размещают несколько таких устройств для организации многоствольной РРЛ. Существуют и другие конструктивные решения, например, объединение СВЧ приемника и СВЧ передатчика в одной стойке или установка их на вертикальных стативах.

В состав стойки модема входит несколько модуляторов и демодуляторов, устройства их резервирования, оконечные устройства ТФ и ТВ стволов.

Вспомогательное оборудование в свою очередь содержит аппаратуру резервирования, служебной связи, телеобслуживания, гарантированного электропитания, осушки АФТ.

Важно отметить, что в таких радиорелейных системах модулятор конструктивно отделен от СВЧ передатчика (демодулятор - от СВЧ приемника), а между собой они соединены по ПЧ. Соединение между приемником СВЧ и передатчиком СВЧ на ПРС также выполнено по ПЧ. Такое конструктивное решение позволяет комплектовать все станции одной магистральной РРЛ типовыми СВЧ стойками.

Принятое подразделение аппаратуры РРЛ на группы оказалось также удобным при создании комплекса унифицированных радиорелейных систем. Такой комплекс, как правило, содержит набор аппаратуры, позволяющий построить ряд РРЛ, работающих в нескольких диапазонах частот, причем для всех систем одинакова так называемая унифицированная аппаратура: модемы и вспомогательное оборудование. Для каждого рабочего диапазона разработана своя приемопередающая СВЧ аппаратура, а антенны и АФТ имеют свои особенности. Примером является отечественный комплекс унифицированных радиорелейных систем (КУРС), позволяющий организовать РРЛ в диапазонах 2, 4, 6, 8 ГГц. Переход от разработки и эксплуатации отдельных радиорелейных систем к комплексу

унифицированных радиорелейных систем имеет ряд существенных достоинств. К ним относятся снижение издержек производства и стоимости хранения аппаратуры за счет унификации узлов, улучшение обслуживания и др.

Состав оборудования АРРС, предназначенных для работы в зоновой сети, может быть таким же, как и для магистральных РРЛ. Так, например, скомплектованы системы КУРС-2 и КУРС-8.

В связи с ростом темпов телефонизации в стране уделяется все больше внимания созданию специальных АРРС и ЦРРС для внутризоновых и местных телефонных РРЛ. На таких РРЛ, в отличие от магистральных, организуют сравнительно небольшое число каналов. Однако здесь должно быть предусмотрено выделение и введение ТФ каналов на каждой РРС. Кроме того, очень важно, чтобы аппаратура имела малую потребляемую мощность, была дешевой и простой в обслуживании. Поэтому в таких системах обычно приемник и демодулятор, а также передатчик СВЧ и модулятор не разделяют конструктивно, и часто эти устройства объединяют в одном корпусе. Обычно такие РРЛ бывают одно- и двухствольными, без резервных стволов. На зоновых сетях кроме АРРС с ЧМ широко используют ЦРРС. Аппаратура ЦРРС имеет малые габариты, и часто приемопередающее оборудование вместе с модулятором и демодулятором размещают в корпусе, который крепят к антенной опоре рядом с антенной.

Промежуточные РРС аналоговых РРЛ

В соответствии со схемой преобразования сигнала различают следующие схемы ПРС: гетеродинного типа, с однократным преобразованием частоты, с демодуляцией сигнала.

На магистральных РРЛ с ЧМ, как правило, применяют схемы гетеродинного типа, поскольку они обладают эксплуатационной гибкостью, что позволяет комплектовать ПРС, ОРС и УРС типовыми приемниками СВЧ и передатчиками СВЧ и организовывать универсальные ВЧ стволы. Как правило, на таких РРЛ применяют ЧМ. Две другие схемы ПРС нашли применение на внутризоновых и местных РРЛ. Промежуточные РРС гетеродинного типа выполняют по схемам с отдельными гетеродинными трактами (ГТ) или с общим ГТ.

Структурная схема ПРС гетеродинного типа с отдельными гетеродинными трактами. Рассмотрим по рис. 3.1 прохождение сигнала одного ствола со средней частотой f1. Этот сигнал выделяют РФ Z1 и ПФ Z2. С выхода ПФ сигнал поступает на смеситель приемника UZ1, в котором частота f1 понижается до промежуточной fПР. Затем модулированные колебания ПЧ усиливаются в УПЧ А1 и поступают на выход Пр в т. а. Между СВЧ приемником и СВЧ передатчиком устанавливают перемычку ab. Сигнал, поступающий на вход П в т. b, усиливается в МУПЧ - мощном УПЧ А2 до уровня, необходимого для нормальной работы смесителя передатчика UZ2. В UZ2 колебания ПЧ преобразуются в колебания СВЧ, среди которых есть и колебания со средней частотой f2. На вторые входы смесителей поступают немодулированные СВЧ колебания от независимых гетеродинных трактов