Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Спутниковые и наземные системы радиосвязи. Учебно-методическое пособие
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра систем и сетей радиосвязи и телерадиовещания
Учебно-методическое пособие
по дисциплине
Спутниковые и наземные системы радиосвязи
для студентов-заочников 4 курса
(направление - 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии
и системы связи
Профиль подготовки Многоканальные телекоммуникационные системы
Квалификация (степень) выпускника бакалавр)
Москва 2018
УДК 621.396.94
Скородумов А.И., Сухорукова И.Ю. Спутниковые и наземные системы
радиосвязи: Учебно-методическое пособие. / МТУСИ.- М., 2018.- 39 с.
Издание утверждено на заседании кафедры. Протокол №7 от 16.03.2018
Рецензент: Р.И.Колотушкин
© Московский технический университет
связи и информатики, 2018
1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ
СЛ
Канало
Канало
-
1.1. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СРС
Под системой радиосвязи (СРС) понимают совокупность
технических средств, обеспечивающих образование типовых каналов
передачи и групповых трактов, а также линейного тракта, по которому
сигналы электросвязи передаются посредством радиоволн в открытом
пространстве. Существует огромное разнообразие СРС, но основные
принципы их построения являются общими. На рис. 1.1 приведена
обобщенная структурная схема СРС.
С и с т е м а п е р е д а ч и
СЛ
образующее
и групповое
оборудование
Получатель
сообщений
Источник
сообщений
образующее
и групповое
оборудование
Оконечное
оборудование ствола
Оконечное
оборудование ствола
Ствол (линейный тракт)
Канал передачи
Рисунок 1.1 - Обобщенная структурная схема СРС
К источникам сообщений относятся сообщения, поступившие от
телефонного аппарата, факса, мобильного абонента, телеграфного аппарата,
устройства передачи данных (ЭВМ), передатчика вещательной аппаратной,
передатчика аппаратной ТВ и др.
Каналообразующее и групповое оборудование обеспечивает
формирование группового сигнала (на передающем конце) из множества
подлежащих передаче первичных сигналов электросвязи и обратное
преобразование группового сигнала (на приемном конце) в множество
первичных сигналов. Это оборудование обычно размещается на сетевых
станциях и узлах коммутации взаимоувязанной сети связи (ВСС).
Станции СРС, на которых может производиться выделение, введение и
транзит передаваемых сигналов, как правило, территориально удалены от
сетевых станций и узлов коммутации, поэтому в состав большинства СРС
входят соединительные линии (СЛ).
Для формирования радиосигнала и передачи его на расстояние
посредством радиоволн используются различные радиосистемы связи,
которые представляют собой комплекс радиотехнического оборудования и
других технических средств, предназначенных для организации радиосвязи в
заданном диапазоне частот с использованием определенного механизма
3
распространения радиоволн. Вместе со средой (трактом) распространения
радиоволн радиосистема связи образует линейный тракт или ствол.
Оборудование ствола располагается на оконечных и ретрансляционных
станциях. В проводной системе передачи средой распространения может
быть: провод, кабель, световод и др., в СРС – эфир.
В оконечном оборудовании ствола на передающем конце формируется
линейный сигнал, состоящий из группового и вспомогательных служебных
сигналов (сигналы служебной связи, пилот-сигналов и др.). Этот линейный
сигнал модулирует высокочастотную несущую. На приемном конце
осуществляются обратные преобразования. Назначением радиоствола
является передача модулированных радиосигналов на расстояние с помощью
радиоволн.
Как и проводные системы передачи, подавляющее большинство СРС
являются многоканальными. Обычно используют частотное, временное или
кодовое разделение сигналов в сочетании с цифровыми методами обработки
сигналов.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ
Существует множество различных классификаций СРС в зависимости от
признаков, положенных в их основу. Рассмотрим классификацию по
наиболее важным признакам.
1. По назначению различают международные, магистральные,
внутризоновые, местные, военные, технологические или ведомственные
(для обслуживания железнодорожных линий, ЛЭП, нефте- и
газопроводов и др.), космические (радиосвязь между КА или между ЗС и
КС).
2. По виду передаваемых сигналов различают аналоговые, цифровые и
комбинированные.
3. По способу разделения каналов различают СРС с частотным, временным,
фазовым, комбинированным и кодовым разделением.
4. По пропускной способности различают СРС с малой (менее 24
аналоговых каналов ТЧ или со скоростью менее 10 Мбит/с цифровых),
средней (60…300 аналоговых каналов ТЧ или 10…100 Мбит/с –
цифровых) и высокой пропускной способностью (аналоговые - более 300
каналов ТЧ или сигнал изображения с одним или несколькими каналами
ЗвС или цифровые - со скоростью передачи более 100 Мбит/с).
5. По диапазону используемых радиочастот или радиоволн.
Согласно Регламенту радиосвязи диапазон частот от 3 кГц до 3000 ГГц
разбивается на девять диапазонов, каждый из которых занимает полосу от
0,310N до 310N Гц, где N - номер диапазона (N = 4 … 12). Для ОВЧ N= 8, для
УВЧ N = 9 и для СВЧ N = 10. В нашей стране распределением частот
занимается Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ России).
4
6. По характеру используемого физического процесса в тракте
ПРС
УРС
ПРС
распространения радиоволн различают:
- РРС прямой видимости (распространение радиоволн в тропосфере в
пределах прямой видимости) рис. 1.2.
ОРС
ПРС
пролет
участок
ОРС
Рисунок 1.2 - Цепочка РРЛ
РРЛ прямой видимости обычно образуются цепочкой ретрансляторов,
антенны которых находятся в пределах прямой видимости (обычно на
расстояниях, не превышающих 50 … 70 км, а вся РРЛ может состоять из
100 и более ретрансляторов.
Для внутризоновых РРЛ возможна радиальная конфигурация типа
«звезда»;
- ТРРЛ (дальнее тропосферное распространение радиоволн за счет их
рассеяния и отражения в нижней области тропосферы при взаимном
расположении станций за пределами прямой видимости) рис. 1.3;
150 …. 700 км
Рисунок 1.3 - ТРРЛ
- ССП (прямое линейное распространение радиоволн с ретрансляцией
их бортовым ретранслятором ИСЗ, находящимся в пределах радиовидимости
ЗС, между которыми осуществляется радиосвязь). Спутниковая линия связи
(СЛС), состоящая из двух участков, приведена на рис. 1.4.
5
ИСЗ
ЗС1
до 15000 км
ЗС2
Рисунок 1.4 - СЛС
Особенности использования диапазонов УВЧ и СВЧ
Дециметровый и сантиметровый диапазоны широко используются для
работы радиорелейных линий (РРЛ), спутниковых систем передачи (ССП) и
систем подвижной радиосвязи (СПР). В настоящее время во всем мире
работает огромное количество радиосредств, число которых с каждым годом
увеличивается. Это привело к тому, что в различных диапазонах многие
службы радиосвязи в настоящее время вынуждены работать в одной и той же
полосе частот. В связи с этим возникла серьезная и сложная проблема
электромагнитной совместимости.
Использование диапазонов УВЧ и СВЧ обусловлено возможностью
передачи широкополосных сигналов. Протяженность дециметрового и
сантиметрового диапазонов по частоте примерно в 100 раз превышает
протяженность всех более длинноволновых диапазонов вместе взятых. Это
позволяет организовать совместную работу большого числа
широкополосных СРС, передавать любые виды сообщений, а также строить
многоканальные системы с высокой пропускной способностью (до
нескольких тысяч ТФ каналов или нескольких сотен Мбит/сек).
Широкополосность систем позволяет применять эффективные
помехоустойчивые методы передачи сигналов, требующие широкой полосы
частот.
Кроме того, в диапазонах УВЧ и СВЧ весьма просто создать антенны с
узконаправленным излучением радиоволн. Применение таких антенн,
имеющих относительно небольшие габариты, позволяет получить
энергетический выигрыш по сравнению с ненаправленными антеннами
примерно 30 … 50 дБ, недостижимый для антенн более длинноволновых
диапазонов. Это дает возможность упростить приемопередающую
6
аппаратуру, уменьшить мощности передатчиков и чувствительность
приемников, а также облегчает электромагнитную совместимость различных
СРС. В диапазонах УВЧ и СВЧ весьма мало влияние промышленных и
атмосферных помех.
2. ПОЯСНЕНИЯ К КОНТРОЛЬНОМУ ЗАДАНИЮ № 1
Среди круговых орбит в настоящее время наиболее широко
используют геостационарную орбиту (ГСО), которой называют круговую
синхронную орбиту, расположенную в плоскости экватора. При этом
спутник вращается вокруг центра Земли с угловой скоростью, равной по
величине и направлению скорости вращения Земли вокруг своей оси, для
чего высоту орбиты выбирают равной 35875 км. Период обращения такого
спутника, называемого геостационарным, примерно 24 часа. Спутник
кажется неподвижным для наблюдателя с Земли. Такой спутник позволяет
обеспечить круглосуточную связь при постоянной ориентации антенн.
Большая высота ГСО позволяет обслуживать большую территорию, равную
примерно 1/3 поверхности Земли (рис. 2.1), но из-за расположения спутника
в плоскости экватора в северных широтах он виден лишь под малыми углами
места. При малых углах места требуется повышенный энергетический
потенциал линии связи, т.к. при этом, во-первых, увеличивается длина пути
сигнала, проходимого радиоволнами через толщу атмосферы, что
увеличивает затухание; во-вторых, происходит увеличение шумовой
температуры приемной установки ЗС за счет теплового излучения Земли,
принимаемого боковыми лепестками диаграммы направленности антенны
(ДНА); в-третьих, при малых углах места необходимо считаться с
экранирующим действием рельефа местности, высотой строений и деревьев.
Такое положение делает затруднительным использование геостационарного
спутника для территорий, расположенных за пределами 75о Северной или
Южной широты.
42164 км N
81осш
17,3о
81ою
S
Рисунок 2.1 - Зона видимости геостационарного ИСЗ
Диаметр антенны da оказывает решающее влияние на размеры,
коэффициент усиления и стоимость ЗС. В отличие от антенн космических
7
станций (КС), ДНА которых должна быть "согласована" с обслуживаемой
территорией, антенны ЗС не имеют таких ограничений. Чем больше размер
антенны ЗС, тем в большей степени она может "преодолеть" ослабление
сигналов на трассе и обеспечить большую пропускную способность системы
в целом. Для антенн КС коэффициент усиления определяется шириной
главного лепестка ДНА в двух взаимно перпендикулярных плоскостях θа и
θв. КС может иметь несколько антенн, работающих на прием и передачу, а
также может использовать одну приемопередающую антенну. Для расчетов в
задании выбран вариант с использованием одной приемопередающей
антенны. При определении бюджета радиолинии (в данном случае бюджета
СЛС) важно знать уровень мощности на входе приемника. Его определяют
по формуле (П1.1) и (П1.10) в зависимости от участка СЛС.
Протяженность (наклонная дальность) линии связи определяется по
формулам (П1.4) и (П1.13) с учетом координат ЗС на поверхности Земли и
положения КС на ГСО (подспутниковой точки).
На СЛС возникают суммарные потери а
основные а
, зависящие от диапазона частот и наклонной дальности, а
осн
также дополнительные а
доп
.
, которые разделяют на
сум
а
сум
= а
осн
+ а
, дБ, (2.1)
доп
где основные потери рассчитывают по формуле для расчета потерь в
свободном пространстве (П1.3) и (П1.12). В контрольном задании при
расчётах учитываются только основные потери.
В диапазонах частот, выделенных для спутниковых систем связи
(ССС), дополнительные потери обусловлены влиянием атмосферы, которое
проявляется в виде ослабления (поглощения) радиоволн в тропосфере и
ионосфере, искривления траектории радиолуча из-за рефракции, изменения
формы и вращения плоскости поляризации радиоволн, появления фазовой
дисперсии сигналов, и появлением потерь из-за неточности наведения антенн
ЗС на ИСЗ. Таким образом, а
складываются из:
доп
а
доп
= а
() + ад(,t) + ап + ан + ар + аф , дБ, (2.2)
атм
где а
() - потери из-за поглощения волн в спокойной атмосфере;
атм
ад(,t) - потери из-за поглощения сигнала в осадках;
ап - потери из-за несогласованности поляризаций антенн;
ан - потери из-за неточности наведения антенн;
ар - потери из-за рефракции;
аф - потери из-за эффекта Фарадея.
Наиболее существенны потери из-за поглощения сигнала в осадках. В
зависимости от диапазона частот и процента времени наблюдения эти потери
могут достигать значения десятков децибел.
8
Контрольное задание № 1 приведено в Приложении А. Исходные
Мд
Дм Мд
ПРС
данные к этому заданию приведены в Приложении Б.
3. ПОЯСНЕНИЯ К КОНТРОЛЬНОМУ ЗАДАНИЮ № 2
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РРЛ
В зависимости от первичной сети взаимоувязанной сети связи (ВСС), к
которой они принадлежат, различают магистральные, внутризоновые и
местные РРЛ.
Как правило, РРЛ может содержать все три типа станций: оконечные
(ОРС), промежуточные (ПРС) и узловые (УРС). Эти станции различаются
назначением и структурой (рис. 3.1).
… …
ОРС
П
Пр
передатчик
П П
Приемо-
УРС
Пр
транзит
Модем
Выделение
Ввод
Рисунок 3.1 - Упрощенная структурная схема РРЛ
На ОРС, располагаемых на концах РРЛ, происходит ввод и выделение
передаваемых сигналов. Оконечные станции устанавливаются в крайних
пунктах линии связи и содержат модуляторы и передатчики в направлении
передачи сигналов и приемники с демодуляторами в направлении приема.
Для приема и передачи применяется одна антенна, соединенная с трактами
приема и передачи при помощи антенного частотного разветвителя
(дуплексера) или поляризационного селектора.
Модуляция и демодуляция сигналов проводится на одной из
стандартных промежуточных частот (70 … 1000 МГц, обычно 70 или 140
МГц). При этом модемы могут работать с приемопередатчиками,
использующими различные частотные диапазоны.
Передатчики предназначены для преобразования сигналов
промежуточной частоты в рабочий диапазон СВЧ, а приемники - для
обратного преобразования и усиления сигналов промежуточной частоты.
Существуют системы РРЛ с непосредственной модуляцией сигналов СВЧ, но
они имеют ограниченное распространение.
Для повышения экономической эффективности и пропускной
способности радиорелейные системы часто делают многоствольными, в
которых на каждой станции работают с различными частотами несколько
9
приемопередатчиков через общие антенно-фидерные устройства. На рис. 3.2
показана упрощенная структурная схема многоствольной ОРС. Схема
содержит: передатчики (Пд); приемники (Пр); оконечные устройства (ОУ),
включающие модемы, усилители и другие элементы, осуществляющие
преобразование цифровых сигналов; аппаратуру ввода вывода цифровых
потоков (АВВ), включающую в себя мультиплексоры и демультиплексоры;
системы полосовых фильтров объединения стволов (ФОС) на передачу и
фильтры разделения стволов (ФРС) на приём. Устройства разделения (УР)
обеспечивает разделение волн приёма и передачи.
ввод
вывод
ОУ
АВВ
ОУ
Пр
Пр
Пр
Пд
Пд
Пд
Ф
Р
С
Ф
О
С
Рисунок 3.2 - Упрощенная структурная схема многоствольной ОРС
ДВУХЧАСТОТНЫЕ И ЧЕТЫРЕХЧАСТОТНЫЕ ПЛАНЫ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА РРЛ
Рекомендациями Международного Союза Электросвязи (МСЭ),
документами Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ России) и
Государственными стандартами определены полосы радиочастот, в которых
могут работать РРЛ. Эти полосы расположены в диапазонах частот 2, 4, 6, 8,
11, 13, 15, 18, 23, 28, 36 и до 50 ГГц. В области некоторых из указанных
диапазонов определено несколько полос частот. Обычно магистральные РРЛ
работают в диапазонах 4 и 6 ГГц; внутризоновые и местные – в 2, 8,
11,13 ГГц, а более высокие диапазоны частот в последнее время
используются для работы цифровых соединительных РРЛ сети подвижной
радиосвязи. В каждом диапазоне рекомендациями МСЭ-Р регламентирован
план частот, т.е. конкретные частоты, на которых могут работать
передающие и приемные устройства РРС.
Для работы РРЛ выделены полосы частот:
- в диапазоне 2 ГГц (1,7 …2,1 ГГц) шириной 400 МГц (6 стволов или
12 радиоканалов);
- в диапазоне 4 ГГц (3,4 … 3,9 ГГц) с fo = 3,6536 ГГц, шириной
500 МГц (8 стволов или 16 радиоканалов);
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]