Учебно-методическое пособие по дисциплине Сети и системы радиосвязи

11

6. Поясните последовательность преобразования непрерывного сигнала в ИКМ-сигнал.

7. Нарисуйте упрощенную структурную схему системы передачи с времен-

ным разделением каналов. Поясните назначение отдельных ее элементов.

Тема 3. Принципы построения систем и сетей радиосвязи

[1, с. 474-496; 2, с. 257-264]

Изучение темы следует начать с уяснения понятий: радиоканал, си-

стема радиосвязи (СРС), радиоствол, линейный сигнал. Рассмотреть класси-

фикацию систем радиосвязи. Радиорелейные и спутниковые линии связи яв-

ляются одним из основных видов линий передачи первичной сети ВСС РФ.

Передача сигналов по ним осуществляется в диапазонах дециметровых, сан-

тиметровых и миллиметровых волн, в которых можно разместить рабочие частоты большого числа станций, работающих с широкой полосой частот.

Устойчивая связь с нужным качеством в этих диапазонах возможна только в пределах прямой видимости, вследствие чего для увеличения дальности свя-

зи используют ретрансляцию сигналов с помощью цепочки приемопереда-

ющих станций (в радиорелейных линиях связи) или же размещают ретранс-

лятор, на ИСЗ (в спутниковых линиях связи). С целью увеличения пропуск-

ной способности и эффективности СРС делают многоствольными (до не-

скольких десятков стволов в бортовом ретрансляторе ИСЗ). Для минимиза-

ции взаимных помех распределение частот приема и передачи между ство-

лами производят в соответствии с частотным планом. При двухчастотном плане для каждого дуплексного ствола выделяется своя пара рабочих частот,

одна их которых используется для приема, а другая – для передачи. При че-

тырехчастотном плане для обратного ствола выбирают рабочие частоты, от-

личные от рабочих частот прямого ствола. В многоканальных СРС имеются две ступени модуляции. Первая модуляция производится в каналообразую-

щем и групповом оборудовании на сетевых станциях и узлах коммутации

(однополосная АМ в аппаратуре ЧРК; ИКМ в аппаратуре ВРК). Вторая мо-

12

дуляция осуществляется в оконечном оборудовании ствола, где ВЧ сигнал промежуточной частоты модулируется (или манипулируется) групповым сигналом. В цифровых РРЛ и ССС наибольшее применение находит фазовая манипуляция (ФМ), которая обеспечивает большую помехозащищенность по сравнению с АМ и ЧМ.

В системах радиосвязи передатчик, включающий модулятор, преобра-

зователь частоты, усилитель мощности (УСВЧ), фидер и передающую антен-

ну предназначен для формирования ВЧ колебаний заданной мощности и но-

минальной частоты. В модуляторе осуществляется модуляция (манипуляция)

ВЧ колебаний информационными (групповыми) сигналами, сформирован-

ными в оконечном оборудовании ВЧ ствола. С помощью передающей антен-

ны энергия выходных ВЧ колебаний передатчика преобразуется в энергию электромагнитных волн, далее распространяющихся в свободном простран-

стве. Приемная антенна обеспечивает преобразование энергии приходящих электромагнитных волн в энергию ВЧ электрических колебаний, которые по фидеру поступают на вход приемника, в котором осуществляется оптималь-

ная обработка полезного сигнала (его выделение из множества других,

ослабление мешающего действия помех, усиление) и демодуляция.

Основными типами антенн в диапазонах дециметровых, сантиметро-

вых и миллиметровых волн являются антенны типа «волновой канал» и

апертурные антенны (рупорные, зеркальные, параболические). При изучении приемопередающего оборудования следует обратить внимание на ясное по-

нимание назначения каждого из элементов структурных схем приемников и передатчиков (антенн, устройств совмещения, смесителей - преобразователей частоты, гетеродинов, полосовых фильтров, УПЧ, УСВЧ и др.), а также их основных параметров, характеризующих качество работы (стабильность ча-

стоты, диаграмма направленности и коэффициент усиления антенн, чувстви-

тельность приемника и его коэффициент шума, избирательность и др.).

Ослабление сигнала на его пути от антенны передатчика до антенны приемника обусловлено сферическим расхождением фронта волны по мере

13

его удаления от источника и в свободном пространстве (в космосе) прямо пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником.

В реальной действительности условия распространения радиоволн суще-

ственно отличаются от условий их распространения в свободном простран-

стве из-за влияния атмосферы Земли и земной поверхности. Для учета этого влияния вводится понятие множителя ослабления поля свободного простран-

ства, который зависит от многих факторов (от рельефа и электрических па-

раметров земной поверхности, от высоты антенн, метеорологических усло-

вий и др.). Случайные изменения множителя ослабления приводят к замира-

ниям сигнала на входе приемника и к ухудшению качества связи. Основной причиной быстрых замираний является интерференция прямой и отраженных от земной поверхности или неоднородностей тропосферы волн. Для борьбы с замираниями широко применяется метод разнесенного приема (по простран-

ству, по частоте или их комбинации). Величина пространственного разноса антенн приемников или сдвиг частот двух передатчиков определяется усло-

вием статистической независимости (некоррелированности) замираний сиг-

нала на входе этих антенн или на этих частотах приема.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение радиосвязи. Нарисуйте структурную схему системы радиосвязи.

2.Чем отличается радиолиния от радиосети?

3.Поясните смысл симплексной и дуплексной радиосвязи.

4. Поясните механизм возникновения интерференционных замира-

ний радиосигнала в месте приема.

5. Назовите основные модуляции и манипуляции несущей радиопередатчи-

ка, укажите их достоинства и недостатки.

6. Перечислите основные функциональные элементы радиопередатчика и радиоприемника.

14

7. Изобразите диаграмму уровней сигнала на пролете от выхода передатчика до входа приемника.

Тема 4. Радиорелейные линии связи

[1, с. 349-405; 4, с. 177-209]

Радиорелейные линии прямой видимости наряду с кабельными

(ВОЛС) и спутниковыми являются основным видом линий передачи первич-

ной сети ВСС РФ. На их основе организуются магистральные, внутри-

зоновые и местные сети связи, формируются практически все виды каналов передачи и создаются соответствующие вторичные сети связи. Для работы магистральных РРЛ выделены полосы частот в диапазоне СВЧ-2,4,6,11,13..40 ГГц. Различаются три основных типа станций РРЛ: окон-

ченные (ОРС), промежуточные (ПРС) и узловые (УРС). ОРС предназначены для ввода и выделения сигналов. На ПРС происходит прием сигналов преды-

дущей станции на усиление и передача в направлении следующей станции.

УРС – это промежуточные станции, на которых передаваемые сигналы разветвляются в различных направлениях, а также осуществляется выделе-

ние части передаваемой информации (например, программы телевидения или части ТЛФ каналов) и введение новых сигналов. Расстояние между соседни-

ми станциями (длина пролета) в магистральных РРЛ составляет от 40 до 60

км при высоте подвеса антенн над уровнем земли 80…100 м. Используются остронаправленные приемопередающие антенны с шириной ДН 1…2 град и коэффициентом усиления 30…45 дБ, что позволяет обходиться небольшими мощностями передатчиков. В зависимости от вида передаваемых по ВЦ стволу сигналов и соответствующей оконченной аппаратуры различают те-

лефонные, телевизионные и цифровые стволы. Для обеспечения высокой надежности обычно используется поучастковое резервирование, при кото-

ром один или несколько находящихся в горячем резерве ВЧ стволов автома-

тически включаются в работу взамен любого из рабочих стволов, вышедших

15

из строя. Модуляция обычно осуществляется в модемах на стандартной про-

межуточной частоте 70 МГц в пределах полосы пропускания ВЧ ствола, рав-

ной 30…40 МГц. Передача цифровых сигналов по стволам аналоговых РРЛ осуществляется с помощью оконченного цифрового оборудования типа ОЦФ

– 2У, ОЦФ – 8 и др. При этом возможна организация как аналого–цифровых стволов (ОЦФ – 2У), так и чисто цифровых (ОЦФ – 8, ОЦФ – 17, ОЦФ – 34)

со скоростями 2, 8, 17, 34 Мбит/сек.

Основными преимуществами цифровых радиорелейных линий

(ЦРРЛ) по сравнению с аналоговыми РРЛ являются: возможность регенера-

ции (восстановления) формы исходного цифрового сигнала на каждой стан-

ции и отсутствие по этой причине эффекта накопления шумов и искажений по мере увеличения протяженности линии связи; возможность достижения более высокой помехоустойчивости и качества связи; существенно большая эксплуатационная надежность. К недостаткам ЦРРЛ относятся: усложнение аппаратуры и расширение требуемой полосы пропускания в случае исполь-

зования простых методов манипуляции (2ФМ). Применение многоуровневых методов манипуляции увеличивает спектральную эффективность использо-

вания полосы частот и пропускную способность цифрового ствола. При ма-

нипуляции типа 64 КАМ в стволе с полосой пропускания 27 МГц возможна передача цифрового потока со скоростью 140 Мбит/с и емкостью 1920 ОЦК.

Контрольные вопросы

1.Нарисуйте структурную схему РРЛ, поясните назначение ОРС, УРС,

ПРС.

2.Почему для работы РРЛ используется диапазон СВЧ?

3.Для передачи каких сообщений предназначены РРЛ? Какова ширина спектров этих сообщений?

4.Какие виды модуляции ВЧ колебания используются на РРЛ?

5.Нарисуйте спектр группового сигнала ТФ ствола, ТВ ствола.

16

6.Нарисуйте структурную схему ПРС с усилением по ПЧ (с двойным преобразованием частоты).

7.Нарисуйте структурную схему ОРС ЦРРЛ.

8.Проведите сравнительный анализ АМ, ЧМ, ФМ, ОФМ, применяе-

мых в ЦРРЛ.

9.Поясните, в чем отличие узловых и оконченных станций от проме-

жуточных.

Тема 5. Спутниковые системы связи и вещания

[1, с. 232-273; 4, с. 7-35]

Система спутниковой связи (ССС) включает космическую станцию

– ретранслятор радиосигналов, размещенный на ИСЗ, и совокупность земных станций (ЗС), расположенных на земной поверхности в зоне обслуживания бортовой антенны ретранслятора.

ЗС соединяются с узлами коммутации сети связи (например, с

АМТС), с источниками и потребителями программ ТВ и ЗВ и другой переда-

ваемой информации с помощью наземных соединительных линий. Земные станции подразделяются на: приемопередающие, работающие в сети дуп-

лексной связи, и сети обмена ТВ, ЗВ программами; приемные, осуществля-

ющие прием ТВ, ЗВ программ или других циркулярных сообщений; переда-

ющие, осуществляющие на участке Земля – ИСЗ передачу циркулярных про-

грамм ( ТВ, ЗВ и др.), подлежащих распределению по сети приемных ЗС.

ССС используются для организации магистральных ТВ каналов, а также ка-

налов подачи и распределения ТВ программ в региональные и местные ТВ сети.

Большинство ЗС работает в диапазоне 4 или 11 ГГц на прием и 6 или

14 ГГц на передачу. В системе НТВ используется диапазон 18 ГГц на пере-

дачу и 12 ГГц на прием. При изучении принципов построения ССС необхо-

димо уяснить типы орбит ИСЗ, их основные параметры и представлять влия-

17

ние параметров орбит на основные энергетические характеристики спутни-

ковых систем. Особое внимание следует обратить на геостационарную орби-

ту (ГО), ее достоинства и недостатки.

ССС обладает рядом специфических особенностей, связанных в основ-

ном с большой удаленностью ретранслятора от земных станций и перемеще-

ние ретранслятора в пространстве. К ним относятся: сравнительно низкий энергетический потенциал радиолиний (особенно линии ИСЗ – Земля), что объясняется большим затуханием радиоволн (примерно 200 дБ для ГО) и

ограниченным энергетическим потенциалом передатчика ретранслятора;

необходимость изменения ориентации антенн при перемещении спутника;

наличии эхо – сигналов со значительной величиной задержки в каналах (до

500 млс); наличие эффекта Доплера (за исключением геостационарных спут-

ников).

В отличие от РРЛ, на трассах ССС практически отсутствует замирание сигнала, а основная доля шумов на выходе канала определяется тепловыми шумами (до 70 %). Во входных каскадах приемников 3С обязательно исполь-

зуются малошумящие усилители (МШУ) с эффективной шумовой темпера-

турой 40…80 К. Для оценки энергетического потенциала передатчика 3С

используется понятие эквивалентной изотропно – излучаемой мощности

(ЭИИМ), определяемое как произведение мощности передатчика на коэффи-

циент усилия антенны (обычно, 50…90 дБВт). Энергетический потенциал приемной установки ЗС оценивается её добротностью, определяемой как от-

ношение усиления приемной антенны к суммарной шумовой температуре станции. Добротность и ЭИИМ являются наиболее общими энергетическим параметрами ССС. Величина отношения сигнал – шум на входе приемной установки ЗС возрастает прямо пропорционально увеличению любого из этих параметров.

При изучении аппаратуры ССС большое внимание нужно уделить особенностям построения структурных схем приемника ЗС и бортового ре-

18

транслятора, чтобы ясно представлять назначение каждого из элементов этих устройств.

При организации спутниковых сетей связи ВЧ ствол бортового ре-

транслятора работает в режиме многостанционного (множественного) досту-

па (МД), при котором все ЗС, находящиеся в зоне обслуживания, могут од-

новременно или поочередно передавать через этот ствол свои сигналы. Раз-

личают два основных метода МД: многостанционный доступ с частотным разделением (МДЧР) и многостанционный доступ с временным разделением

(МДВР). Необходимо уяснить основные принципы и особенности работы в режимах МДЧР и МДВР.

В настоящее время в ССС используются цифровые методы передачи и обработки сигналов. Кроме основного цифрового канала (ОЦК) со скоростью передачи 64 кбит/сек, в ССС могут быть организованы цифровые тракты со скоростями 2, 8, 34, 140 и более Мбит/сек. Современные методы сжатия ТВ сигнала позволяют организовать его передачу с вещательным качеством в цифровом потоке со скоростью 2-3 Мбит/сек. При такой скорости в спутни-

ковом канале с шириной полосы пропускания 36 МГц возможна передача

10-15 ТВ программ.

Контрольные вопросы

1.Назовите виды орбит ИСЗ и их основные параметры. В чем состоит пре-

имущество геостационарной орбиты перед эллиптической?

2.Как проявляется эффект Доплера в ССС?

3.Поясните принцип организации связи в системах с МДЧР и МДВР.

4.Нарисуйте структурные схемы приемной установки ЗС и бортового ре-

транслятора, поясните назначение элементов схемы.

5.Чем отличаются зоны видимости, покрытия и обслуживания?

6.Как работает спутниковая система НТВ?

19

Тематика лабораторно-практических заданий

1.Изучение аппаратуры цифровой PPJI и исследование ее характеристик.

2.Изучение модема аналоговой РРЛ и исследование его характеристик.

3.Изучение аппаратуры земной станции спутниковой системы ТВ вещания и исследования ее характеристик.

7. КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

Контрольное задание содержит четыре задачи, каждая из которых со-

ставлена в десяти вариантах. Номер варианта определяется последней циф-

рой номера студенческого билета. Перед выполнением каждой задачи необ-

ходимо ознакомиться с относящимися к ней методическими указаниями.

Задача 1

1.Нарисуйте структурную схему аппаратуры формирования много-

канальной системы передачи с частотным разделением каналов на переда-

ющем и приемном концах линии связи.

2. Изобразите спектры на входе и выходе системы передачи с частот-

ным разделением каналов.

Задача 2

1. Выберите частоту дискретизации fд первичного сигнала, спектр ко-

торого ограничен частотами FH И FB. ДЛЯ выбранной частоты дискретизации рас-

считайте и постройте спектр сигнала на выходе дискретизатора.

2. Выполните операции равномерного квантования с шагом Шкв и коди-

рования в восьмиразрядном симметричном двоичном коде двух отсчетов аналого-

вого сигнала с амплитудами U1 и U2. Определите величины ошибок квантования.

Изобразите полученные в результате кодирования кодовые слова в виде последова-