Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы и сети передачи информации. Учебное пособие.pdf
(
)
12,4 hhD +=
. (1.5)
21
Здесь дальность связи D измеряется в километрах, а высота подъёма
передающей и приемной антенн h1 и h2 − в метрах.
По формуле (1.5) легко рассчитать, что дальность наземной радиосвязи с помощью переносных радиостанций при высоте антенн 1,5…2 м
составляет около 10 км, причем на такую связь сильно влияют наземные
препятствия.
Дальность связи с помощью подвижных или стационарных радиостанций при высоте антенн около 15 м составляет примерно 30 км. Дальность связи с самолетами зависит от высоты полета. Если используется
наземная радиостанция с высотой антенны 15 м, то дальность связи при
высоте полета 100 м составит около 60 км, при высоте полета 1 – 150 км, а
при высоте полета 10 – 430 км. Для увеличения дальности связи полезно
антенны наземных радиостанций устанавливать на возвышенностях.
Основным недостатком систем радиосвязи прямой видимости является ограниченная дальность действия. Поэтому на линиях большой протяженности возникает необходимость производить ретрансляцию сигналов. Классическим примером системы связи с ретрансляцией является
система радиорелейной связи.
Радиорелейные системы связи. Принцип радиорелейной связи заключается в последовательной передаче информации от одной оконечной
станции к другой через ряд промежуточных станций.
Упрощенная структурная схема радиорелейной линии связи (РРЛ)
показана на рис. 1.1. Оконечные радиорелейные станции располагаются
на концах РРЛ и обеспечивают одновременную передачу и прием сигналов. Передача и прием производятся на различных частотах. Промежуточные радиорелейные станции предназначены для ретрансляции радиосигналов. На каждой промежуточной станции имеются, по крайней мере, два
комплекта приемопередающей аппаратуры для разных рабочих частот.
f
1
f
3
ПРД
ПРМ
Оконечная
станция
Рис. 1.1. Упрощенная структурная схема радиорелейной линии связи
f
ПРМ
2
ПРД
Промежуточная
станция
ПРД
f
ПРМ
4
ПРМ
ПРД
Оконечная
станция
11
Радиорелейные станции обеспечивают дуплексную радиосвязь, являются многоканальными и работают, как правило, на остронаправленные
антенны. В радиорелейных системах обычно используют сигналы дециметрового и сантиметрового диапазонов волн, которые распространяются
прямолинейно. Поэтому радиорелейные станции располагаются друг от
друга в пределах прямой видимости. На равнинной местности, с учетом
кривизны Земли и высот антенн порядка 15 м, длина интервала получается порядка 40 км. Если удается разместить радиорелейные станции на высотах, то длина интервала может быть больше.
Малый интервал между радиорелейными станциями в линии связи
является главным недостатком обычной радиорелейной связи. Значительно увеличить интервал между радиорелейными станциями можно, например, используя тропосферное распространение радиоволн.
Тропосферные системы радиосвязи. Тропосферная радиосвязь ос-
нована на использовании явления рассеяния радиоволн неоднородностями
тропосферы.
Тропосфера – это нижний слой атмосферы1. Максимальная высота
области рассеяния в тропосфере не превышает 10...12 км. В тропосфере
сосредоточены более 80% всей массы атмосферного воздуха и основная
часть водяного пара, сильно развиты турбулентность (бурное неупорядоченное движение частиц) и конвекция (перемещение теплоты и массы
воздуха). Тропосферу можно представить в виде среды, в которой непрерывно перемещаются электрически неоднородные тела различных размеров, которые вызывают рассеяние и отражение радиоволн.
Принцип тропосферной связи поясняется на рис. 1.2. На нем изображены две радиорелейные станции, установленные на расстоянии, превышающем дальность прямой видимости, диаграммы направленности которых пересекаются в тропосфере. В объеме, образованном пересечением
диаграмм направленности антенн, имеются электрические неоднородности, которые отражают и рассеивают электромагнитные волны. Часть
электромагнитной энергии попадает в приемную антенну. За счет этой
энергии и осуществляется тропосферная связь.
Значительное ослабление энергии сигналов на интервале распространения приводит к необходимости использования передатчиков большой мощности (до нескольких киловатт), малошумящих приемников с
высокой чувствительностью и остронаправленных антенн. Дальность связи между двумя тропосферными станциями может составлять от 150 до
600 км. Обычно тропосферные системы работают на частотах 300 МГц ...
6 ГГц.
1
Атмосфера – это газовая (воздушная) среда вокруг Земли, вращающаяся
вместе с ней. Слоями атмосферы являются тропосфера, стратосфера, мезосфера,
термосфера.
12
Рис. 1.2. Принцип тропосферной связи
Ионосферные системы радиосвязи. Принцип работы этих систем
основан на использовании явления рассеяния радиоволн неоднородностями ионосферы.
Ионосфера − это ионизированная область атмосферы на высотах
60…1200 км. Основными источниками ионизации являются Cолнце, космические лучи, космическая пыль. Иногда проявляются нерегулярные
источники ионизации – рои метеоров, солнечные вспышки и др.
Ионосферные системы используют в качестве пассивного ретранслятора неоднородности, которые находятся на высоте 75...95 км. Это позволяет обеспечить максимальную дальность связи от 900 до 2000 км. Наиболее часто применяемые частоты лежат в диапазоне 30...60 МГц. Использование более высоких частот приводит к резкому уменьшению интенсивности рассеяния сигналов, а более низких частот – к появлению глубоких
замираний и усилению эффекта многолучевого распространения. Механизм распространения радиоволн и принцип построения этих систем аналогичен системам с тропосферным распространением.
Метеорные системы радиосвязи. Метеорная радиосвязь основана
на использовании эффекта отражения метровых радиоволн от ионизированных следов метеоров.
Ионизированные следы образуются в интервале высот 80...120 км в
результате сгорания там огромного количества микрометеоров. Установлено, что в земную атмосферу непрерывно вторгается большое количество метеоров. В течение суток в атмосферу входит в среднем 10
10
частиц
суммарной массой около тонны. Метеорные тела движутся в атмосфере с
огромной скоростью (10...75 км/с) и имеют массу от долей миллиграмма
до нескольких килограммов. Достигая плотных слоев атмосферы, твердые
13
частицы раскаляются и сгорают. Происходит ионизация воздуха и образуется ионизированный след. Концентрация ионизированных следов имеет
случайный характер и резко возрастает в некоторый момент времени. Это
приводит к резкому увеличению уровня сигналов, отраженных от следов.
Особенностью метеорных систем связи является прерывистый режим
их работы, информация передается только во время появления интенсивных метеорных следов. Наличие интенсивных следов устанавливается
специальными устройствами, которые входят в состав системы. Метеорные системы связи работают в метровом диапазоне волн (30...50 МГц) и
могут обеспечить передачу сигналов на расстояние до 2000 км. Такие системы используются для организации связи в труднодоступных местах.
Спутниковые системы связи. Принцип спутниковых систем связи
заключается в передаче информации от одной станции к другой через искусственный спутник Земли (ИСЗ). Сигналы с земной передающей станции излучаются в направлении ИСЗ, где принимаются, усиливаются и
вновь передаются с помощью радиопередатчика в направлении земной
станции приема.
Для организации связи через ИСЗ используют два вида орбиты: эллиптическую и круговую (рис. 1.3). Параметры эллиптической орбиты
(апогей, перигей, наклон) выбирают так, чтобы при периоде обращения,
равном 12 часам, ИСЗ в течение 10 часов находился в зоне радиовидимости с территории нашей страны. Три спутника на такой орбите обеспечивают для нашей страны круглосуточную связь.
Апогей
Эллиптическая орбита
Круговая орбита
Перигей
Рис. 1.3. Орбиты искусственных спутников Земли
14
При движении спутника по круговой орбите с высотой около 36 000 км
и лежащей в экваториальной плоскости, Земля и ИСЗ будут вращаться
синхронно. Такой спутник занимает относительно Земли постоянное положение и будет казаться неподвижным для наблюдателя на земной поверхности. Такая орбита называется геостационарной. Три геостационарных спутника в состоянии обеспечить связью подавляющую часть территории земного шара.
Характерной особенностью спутниковых систем связи является
принцип многостанционного доступа, суть которого состоит в том, что
ретранслятор спутника может использоваться одновременно несколькими
наземными станциями. В настоящее время наиболее распространены методы многостанционного доступа, основанные на частотном, временном и
кодовом уплотнении линий связи. Большинство современных спутниковых систем связи работают в диапазонах 4 или 11 ГГц на прием и 6 или
14 ГГц на передачу.
Декаметровые системы связи. В этих системах связи используется
декаметровый (ДКМ) диапазон волн (частоты 3…30 МГц). Особенностью
волн этого диапазона является их распространение на значительное расстояние за счет многократного отражения от ионосферных слоев и поверхности Земли. Благодаря этому обеспечивается связь практически на
любые земные расстояния. Однако свойства ионосферы таковы, что связь
в ДКМ-диапазоне неустойчива. Особенностью распространения ДКМволн является прежде всего то, что интенсивность отражения и поглощения в ионосфере существенно зависит от времени суток и года, а также от
рабочей частоты и протяженности трассы.
Структура отражающих ионизированных слоев характеризуется наличием движущихся неоднородностей с повышенной ионизацией, которые хаотично возникают, движутся и рассасываются. Луч, отраженный от
ионизированного слоя, представляет собой группу лучей, отраженных от
разных неоднородностей. Сигналы от этих лучей, складываясь в противофазе, образуют общий слабый сигнал, уровень которого к тому же все
время меняется; в результате возникают замирания сигнала.
Другим видом искажений сигналов в ДКМ-диапазоне волн являются
наложения сигналов, вызванные многолучевым распространением радиоволн. В некоторых случаях, как это показано на рис. 1.4, в точку приема
могут прийти лучи с одним, двумя, тремя и так далее отражениями от ионосферы. При этом предыдущие сигналы накладываются на последующие
и в результате этого возникают сильные искажения. Для декаметровой
радиосвязи характерно наличие зоны молчания – некоторой кольцевой
области вокруг работающего передатчика, в которой отсутствует прием
сигналов (рис. 1.5).
15
А B
Рис. 1.4. Многолучевое распространение ДКМ-радиоволн
Зона
молчания
Рис. 1.5. К пояснению зоны молчания
Существование зоны молчания объясняется тем, что, с одной стороны,
поверхностные (земные) волны сильно поглощаются почвой; с другой стороны, пространственные лучи отражаются от ионосферы только в том случае, если они попадают на нее под углами, превышающими некоторый критический угол. Несмотря на указанные недостатки, вопрос об отказе от использования ДКМ-систем радиосвязи не возникает ни в одной стране мира.
Основной причиной неугасающего интереса к декаметровой радиосвязи
является выделение ей важного места резервного средства связи, делающего ее в определенных ситуациях незаменимой. Кроме того, создание и эксплуатация ДКМ-систем связи оказываются значительно экономичнее других систем дальней связи (радиорелейных, тропосферных и т.п.).
16
2. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
2.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
В ходе разработки современных военных систем связи (СС) особенно актуальной является проблема обеспечения надежной связи в условиях
воздействия организованных и непреднамеренных помех, многолучевого
распространения радиоволн, а также осуществления многостанционного
доступа при работе в пакетных сетях радиосвязи. При этом наилучшие
результаты могут быть получены, если в СС использовать перспективные
сигналы, к которым относятся сигналы с расширенным спектром или ши-
рокополосные сигналы (ШПС) [1, 22 – 24].
Основные принципы известных в настоящее время методов передачи
информации при помощи ШПС могут быть сформулированы следующим
образом [1, 22, 23]:
1. Расширение спектра сигнала − это способ передачи, при котором
сигнал занимает полосу частот более широкую по сравнению с полосой,
минимально необходимой для передачи информации.
2. Расширение полосы частот, занимаемой спектром сигнала, осу-
ществляется независимо от передаваемого сообщения с помощью того
или иного метода модуляции (манипуляции) или кодирования.
3. Для последующего сжатия спектра сигнала по полосе частот и
восстановления переданного сообщения при приеме используется тот же
метод модуляции (манипуляции) или кодирования, что и при передаче.
4. Восстановление при приеме переданного сообщения невозможно
без синхронизации модулирующих и демодулирующих функций или кодирующих и декодирующих последовательностей.
Перечисленные принципы справедливы как при передаче аналоговых, так и при передаче дискретных сообщений. Следует также отметить,
что частотная избыточность не всегда является признаком ШПС. Например, системы связи с частотной модуляцией не относятся к широкополос-
ным системам связи (ШПСС), так как в них расширение спектра сигнала
связано непосредственно с передаваемым сообщением (не соответствует
второму принципу формирования ШПС).
Таким образом, способ передачи информации в ШПСС заключается
в следующем: на передающей стороне − в одновременной и независимой
модуляции (кодировании) параметров сигнала передаваемым сообщением
и функцией (кодом), которая обеспечивает расширение спектра сигнала;
на приемной стороне − в синхронной демодуляции (декодировании) сиг-
17
нала в соответствии с расширяющей спектр функцией (кодом) и восстановлении переданного сообщения.
Несмотря на то, что принципы расширения спектра сигналов были
известны уже в 20−30-х гг. XX в., теоретической базой для разработки
ШПСС стала фундаментальная формула К.Е. Шеннона, которая определяет предельную пропускную способность C (бит/с) канала связи при воздействии на передаваемый сигнал помехи типа ограниченного по полосе
приема аддитивного белого гауссовского шума (БГШ)
P
S
+∆=
1log
, (2.1)
P
П
где
fC
2
S
f∆
− ширина полосы частот занимаемой сигналом или полоса про-
S
пускания канала связи, PS и PП − средние мощности сигнала и помехи в
канале, соответственно.
Из (2.1) следует, что пропускная способность C канала радиосвязи,
после того как она задана, в условиях действия аддитивной гауссовской
помехи (шума) с ограниченной средней мощностью PП (Вт) может быть
обеспечена либо использованием широкой полосы частот
лым отношением сигнал−помеха, либо узкой полосы частот
высоким отношением сигнал−помеха
PP
. Следовательно, между поло-
П
S
сой пропускания канала (шириной спектра передаваемого сигнала)
f∆
(Гц) с ма-
S
f∆
с более
S
f∆
и
S
отношением сигнал−помеха в этом канале возможен взаимообмен. При
этом в соответствии с зависимостью (2.1) наиболее целесообразным является обмен мощности сигнала на полосу пропускания канала. При большем
отношении сигнал−помеха, например 10
=PP
S
, та же пропускная спо-
П
собность канала радиосвязи может быть достигнута уже при достаточно
узкой полосе частот
1
=∆Sf кГц. Формула (2.1) указывает на то, что при
заданном отношении сигнал−помеха в канале радиосвязи с аддитивным
БГШ пропускная способность может быть увеличена соответствующим
расширением спектра сигнала.
Если пропускная способность C равна требуемой скорости передачи
информации R, то из (2.1) видно, что при
жет работать при значительном превышении мощности помехи
мощностью сигнала
P
. Поэтому методы расширения спектра сигналов
S
RfS>∆
канал радиосвязи мо-
P над
П
находят широкое применение в специальных СС, которые должны обеспечить надежную связь, в том числе и в условиях радиоэлектронного подавления [23].
18
2.2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ
=
τ
ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
Вводимая в сигнал частотная избыточность характеризуется базой
сигнала
∆
f
S
=
B
. (2.2)
∆
F
λ
Для качественного представления о том, каким образом построены
подобного рода СС, можно рассмотреть, например, цифровую систему
связи, использующую сигнал с внутриимпульсной фазовой манипуляцией
(ФМн). В этой системе связи посылка некоторой информационной последовательности
тельностью
)(tΘ
длительности Т разбивается на L элементов с дли-
LT /
Э
, расширяющей последовательности p(t), которые
отличаются начальными фазами, сменяющимися по определенному закону. На рисунке 2.1 а и б представлены соответственно обобщенные структурные схемы передатчика и приемника такой ШПСС.
В передатчике (рис. 2.1, а) от источника информации (ИИ) последовательность
)(tΘ
двоичных символов 1 и 0 со скоростью
TR /1=
(рис. 2.2, а) поступает на вход фазового модулятора (ФМ). На второй вход
ФМ поступает p(t) от генератора расширяющей последовательности
(ГРП) (рис. 2.2, б). Работой ГРП управляет синхронизатор (С), который
формирует необходимые сигналы управления. Последовательность ШПС
)()( tptΘ
в виде ФМн-сигнала, переносящая информационные символы
ИИ
( )
tθ
ФМ
( ) ( )
tptθ
БМ
УМ
( )
tp
ГРП
С
ГНЧ
а)
СМ
УПЧ
СФ
РУ
С Г
ПИ
б)
Рис. 2.1. Структурные схемы передатчика и приемника цифровой ШПСС
с внутриимпульсной фазовой манипуляцией
19
(
)
Т
0
0
0
1
t
4T
3
T 2T
0
t
0
∆
fs
1/T
-2/T
2/T
б)
в)
а)
( ) ( )
tθ
( )
tptθ
tp
t
Рис. 2.2. Внутриимпульсная фазовая манипуляция
(рис. 2.2, в), поступает в балансный модулятор (БМ), на второй вход которого подается высокочастотное колебание с генератора несущей частоты
(ГНЧ). После модуляции с БМ окончательно сформированный ШПС подается на усилитель мощности (УМ) и затем в антенну.
В приемнике (рис. 2.1, б) сигнал с антенны проходит через смеситель
(СМ), в котором с помощью гетеродина (Г) принятый сигнал переносится
на промежуточную частоту. После усиления в усилителе промежуточной
частоты (УПЧ) ШПС обрабатывается согласованным фильтром (СФ), характеристики которого соответствуют параметрам принимаемого ШПС.
С выхода СФ сигнал поступает на синхронизатор (С) и решающее устройство (РУ). Осуществляя поиск ФМн сигнала по частоте и по времени, С
управляет режимом работы РУ и синхронизирует Г. После окончания поиска и вхождения в синхронизм на выходе РУ появляется информационная последовательность в виде двоичных символов (рис. 2.2, а), которая
передается получателю информации (ПИ).
Приведенный на рисунке 2.1 б приемник является наиболее простым.
Вместе с тем необходимо отметить, что СФ и С являются сложными устройствами, поскольку они содержат блоки поиска и синхронизации.
Расширяющая последовательность p(t) состоит из элементов длительности
чем у исходного информационного сигнала
LT /э=τ
. Поэтому ее спектральная плотность в L раз шире,
)(tΘ
(рис. 2.3).
S( f )
( )
fS
θ
( )
fS
p
-1/τ
э
-1/T
∆F
1/τ
э
f
Рис. 2.3. Спектральная плотность мощности информационного сигнала
и расширяющей последовательности
20