Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Эволюция технологий электросвязи. Учебное пособие практикум
.pdf
Имеет место три вида радиосвязи:
- симплексная связь. Способ связи, при котором передача возможна попеременно в
каждом из двух направлений канала электросвязи, например, в ручном режиме;
- дуплексная связь. Способ связи, при котором передача возможна одновременно в
обоих направлениях канала электросвязи;
- полудуплексная связь. Способ симплексной связи на одном конце линии и
дуплексной связи на другом.
2 Особенности распространения радиоволн.
Радиоволны с длиной волны более 1 километра имеют отличительную особенность
способность хорошо огибать Землю при своем распространении. Поэтому волны этой
части диапазона способны распространяться далеко за пределами прямой видимости. В
этом диапазоне частот может быть обеспечена достаточно уверенная связь на расстояниях
в сотни и тысячи километров. Радиоволны, которые распространяются вдоль поверхности
Земли, называют земными или поверхностными волнами.
В этом диапазоне частот, кроме поверхностных волн, для связи используют и
пространственные волны. Пространственными (ионосферными, небесными) называют
такие волны, которые, будучи излученными от поверхности Земли, отразятся от
ионосферы и вновь вернутся на Землю. Траектория распространения пространственной
волны, вернувшейся на Землю после отражения от ионосферы, называется скачком.
Электромагнитные волны нижней части радиодиапазона также хорошо отражаются от
поверхности Земли (то есть с малыми потерями). Отраженные от Земли радиоволны при
достижении ионосферы повторно отражаются от ее нижних слоев, образуя следующий
скачок.
Упрощенную модель среды распространения длинных и сверхдлинных радиоволн
можно представить в виде двух электропроводящих сфер с совмещенными центрами.
Радиоволны распространяются в промежутке между этими сферами, попеременно
отражаясь то от внешней, то от внутренней сферы. Земля вместе с нижней границей
ионосферы образуют для этого диапазона своеобразный сферический волновод. В этом
волноводе формируется траектория многоскачкового распространения радиоволн
(рисунок 38).
71
Рисунок 38 - Распространение длинных радиоволн пространственными лучами
Радиоволны с длиной волны от 10 до 100 метров распространяются также в виде
пространственной и поверхностной волн, но с ростом частоты еще более возрастает
поглощение Землей энергии поверхностных волн, и они ослабевают быстрее. Поэтому в
коротковолновом радиодиапазоне распространение поверхностных волн ограничивается
практически пределами прямой видимости. Далее простирается зона молчания, где
невозможен уверенный прием сигналов.
В диапазоне декаметровых волн также возможен эффект замирания. Причиной его
также является интерференция, но уже двух или более пространственных лучей,
приходящих в точку приема разными путями.
На рисунке 39 показан ход лучей декаметровых волн, излученных из точки А.
Волны этого диапазона еще глубже проникают в ионосферу. Граница распространения
земных волн обозначена точкой В. В точку С поступают пространственные волны после
первого отражения от ионосферы. Пояс земной поверхности между точками В и С
образует зону молчания. В этой зоне поверхностные волны уже настолько ослаблены, что
не могут быть использованы для связи, а отраженные от ионосферы волны достигают
поверхности Земли на гораздо большем удалении от передатчика. На еще большем
удалении от точки излучения А возможен приход волны после двукратного отражения от
ионосферы. Если в этот же пункт приема приходит другая пространственная волна,
например, после однократного отражения от ионосферы, то в точке приема D
наблюдается интерференция сигналов и, как следствие ее, - замирание во время приема.
72
Рисунок 39 - Распространение декаметровых радиоволн
Радиоволны, длина которых менее 10 метров, практически не обладают
дифракцией, то есть не могут огибать препятствия на пути распространения.
Концентрация заряженных частиц в ионосфере недостаточна для значительного влияния
на траекторию распространения радиоволн этого диапазона, поэтому радиоволны
практически не отражаются от ионосферы. С одной стороны, это делает невозможной
дальнюю связь на поверхности Земли за пределами прямой видимости, с другой стороны,
позволяет использовать радиоволны этого диапазона для спутниковой связи.
Основные характеристики распространения электромагнитных колебаний
ультракоротковолнового (УКВ) диапазона определяют возможной связь в этом диапазоне
в пределах прямой видимости между передающей и приемной антеннами. Для увеличения
дальности связи антенны устанавливают на высокие опоры (рисунок 40).
Рисунок 40 - Максимальная дальность связи на ультракоротких волнах
При достаточно большой мощности передатчика связь за горизонтом возможна и в
этом диапазоне волн. Дальняя связь за пределами прямой видимости оказывается
73
возможной благодаря тому, что в атмосфере Земли по ряду причин могут возникать
локальные неоднородности. Эти неоднородности и вызывают рассеяние радиоволн, в том
числе и в направлении пункта приема. При достаточной чувствительности приемного
устройства может быть организована радиосвязь в труднодоступных районах на
расстоянии нескольких сотен километров.
На рисунке 41 представлена схема возможной связи с использованием
рассеяния радиоволн на неоднородностях атмосферы.
Рисунок 41 - Рассеяние радиоволн от неоднородностей атмосферы
3 Основные характеристики радиолинии
К основным характеристикам линий связи относятся:
- амплитудно-частотная характеристика;
- полоса пропускания;
- затухание;
- помехоустойчивость;
- перекрестные наводки на ближнем конце линии;
- пропускная способность;
- достоверность передачи данных;
- удельная стоимость.
Амплитудно-частотная характеристика (рисунок 42) показывает, как затухает
амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для
всех возможных частот передаваемого сигнала. Вместо амплитуды в этой характеристике
часто используют также такой параметр сигнала, как его мощность.
74
Рисунок 42 - Амплитудно-частотная характеристика
Знание амплитудно-частотной характеристики реальной линии позволяет
определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала. Для
этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуду
составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой, а
затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники.
Полоса пропускания это непрерывный диапазон частот, для которого отношение
амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный
предел, обычно 0,5. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот
синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без
значительных искажений. Знание полосы пропускания позволяет получить с некоторой
степенью приближения тот же результат, что и знание амплитудно-частотной
характеристики. Как мы увидим ниже, ширина полосы пропускания в наибольшей
степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии
связи. Именно этот факт нашел отражение в английском эквиваленте рассматриваемого
термина (width — ширина).
Затухание (attenuation) определяется как относительное уменьшение амплитуды
или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты
Затухание А измеряется в децибелах (дБ, decibel — dB) и вычисляется
последующей формуле:
А=10lgP
где Р
Р
вх
— мощность сигнала на выходе линии;
вых
— мощность сигнала на входе линии.
вых/Pвх
75
Пропускная способность (throughput) линии характеризует максимально
возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность
измеряется в битах в секунду — бит/с, а также в производных единицах, таких как
килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д.
4 Расчет протяженности радиолинии
Наиболее массовым радиооборудованием является оборудование беспроводных
сетей, которое работает в диапазонах УВЧ (300-3000 МГц) и СВЧ (3-30 Ггц). Радиоволны
этих диапазонов распространяются вдоль прямой линии, соединяющей антенны и
называемой линией визирования. Однако основная доля энергии волны сосредоточена не
на линии визирования, а в некоторой области пространства, именуемой эллипсоидом
Френеля, с радиусом, определяемым по формуле
где, А и В – расстояние от точки на трассе до антенн, км;
F – частота несущей, ГГц.
Так, при расстоянии между антеннами 24 км радиус просвета в средней точке
(А=В=12км) должен быть не менее 7 метров. При несоблюдении просвета на дальних
расстояниях возможны нарушения связи при сильных дожде, снегопаде или тумане.
Из этого следует, что препятствия не должны закрывать не только линию
визирования, но и эллипсоид Френеля. На практике допускается небольшое, в пределах
20%, перекрытие препятствиями поперечного сечения эллипсоида.
Максимальная дальность связи D
(с учетом только шарообразной формы Земли,
B
без уточнения рельефа местности) определяется высотами поднятия передающей и
приемной антенн, соответственно h1 и h2, и радиусом Земли R
:
З
При использовании этой эмпирической формулы максимальное расстояние прямой
видимости D
и радиус Земли RЗ следует выражать в километрах, а высоты поднятия
B
антенн h1 и h2 - в метрах.
Не следует забывать, что Земля круглая. Поэтому даже в степи, при абсолютно
ровной поверхности, чтобы обеспечить прямую видимость, антенны требуется поднимать
выше.
76
Отчет по работе:
- тема, цель занятия;
- краткие теоретические сведения;
- рассчитать протяженность радиорелейной линии связи и определить энергетику
радиолинии используя калькулятор энергетического бюджета (http://bwa.lgp.kz/). Данный
калькулятор позволяет вычислить энергетический бюджет беспроводной трассы и
получить ответы на следующие вопросы: возможна ли связь на заданном расстоянии, и
какие антенны для этого потребуются.
В качестве исходных данных взять мачтовые антенны с высотой 30 метров и
оборудование МИК-РЛ11.
Список рекомендованной литературы
1. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3томах. Том 2 Радиосвязь, радиовещание, телевидение / Катунин Г.П., Мамчев В.П., Попантонопуло
В.Н., Шувалов В.П.; под ред. профессора В.П. Шувалова. - Изд. 2-е, М.: Горячая линия Телеком, 2004. - 672 с: ил.
2. Справочник по радиорелейной связи. Под ред. С.В. Бородича. 3-е изд., перераб. и
доп. – М.: Радио и связь, 1994.
Контрольные вопросы:
1. Характеристики радиолинии.
2. Виды радиолиний и области применения.
3. Основные параметры, влияющие на протяженность радиолинии.
4. Классификация радиоволн.
5. Виды информации, передаваемые по радиолиниям.
6. Помехи на радиолиниях.
77
Практическое занятие 9
Тема: Расчет полосы пропускания радио тракта
Цель: Определить полосы пропускания радио тракта при различных видах
модуляции.
Вопросы:
1. Системы радиосвязи
2. Полосы пропускания радиолинии при цифровых сигналах
1 Системы радиосвязи
Системы радиосвязи это системы передачи сообщений посредством радиоволн.
Радиоволны или волны Герца представляют собой электромагнитные волны, частоты
которых произвольно ограничены величинами ниже 3000 ГГц, распространяющиеся в
пространстве без искусственного волновода.
Обобщенная структура радиосвязи представлена на рисунке 43.
Рисунок 43 - Обобщенная структура радиосвязи
Радиосвязь можно классифицировать по различным признакам: по частотному
диапазону (таблица 7); по виду сигнала (аналоговая или цифровая), по способу
организации связи (симплексная, дуплексная, полудуплексная), по используемой
радиолинии и т.д.
78
Таблица 7 – Частотные диапазоны
Условное
обозначение
Наименование диапазона
Диапазон частот
ОНЧ (VLF)
HЧ(LF )
СЧ (MF)
ВЧ (HF)
ОВЧ (VHF)
УВЧ (UHF)
СВЧ (SHF)
КВЧ (EHF)
ГВЧ
Очень низкочастотный
Низкочастотный
Среднечастотный
Высокочастотный
Очень высокочастотный
Сверх высокочастотный
Супер высокочастотный
Крайне высокочастотный
Гипер высокочастотный
3 - 30 кГц
30 - 300 кГц
300 - 3 000 кГц
3 - 30 МГц
30 - 300 МГц
300 - 3 000 МГц
3 - 30 ГГц
30 - 300 ГГц
300 - 3 000 ГГц
2 Полосы пропускания радиолинии при цифровых сигналах
Полоса пропускания — это непрерывный диапазон частот, для которого отношение
амплитуды выходного сигнала к входному сигналу превышает некоторый заранее
заданный предел, обычно 0,5. Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет
на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи.
Связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной
способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования,
установил Клод Шеннон. Формула Шеннона имеет вид:
С = ΔF Iog2 (1 + Рс/Р
),
ш
где С — максимальная пропускная способность линии в битах в секунду,
ΔF — ширина полосы пропускания линии в герцах,
Р
— мощность сигнала,
с
Р
— мощность шума.
ш
Близким, по сути, к формуле Шеннона является другое соотношение, полученное
Найквистом, которое также определяет максимально возможную пропускную
способность линии связи, но без учета шума в линии:
где М — количество различимых состояний информационного параметра.
Если сигнал имеет два различимых состояния, то пропускная способность равна
удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи. Если же в передатчике
используется более двух устойчивых состояний сигнала для кодирования данных, то
С = 2F∙log2 М.
79
пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик
передает несколько битов исходных данных, например 2 бита при наличии четырех
различимых состояний сигнала.
При амплитудной манипуляции (АМ) представляющим (модулируемым)
параметром радиосигнала является его амплитуда. В настоящее время применяется лишь
двоичная AM. Радиосигнал с AM
где U0 - амплитуда немодулированного синусоидального колебания;
uk = 0; 1, — элемент исходного двоичного (модулирующего) сигнала;
Т — длительность элемента исходного двоичного цифрового сигнала;
k = 0, 1, 2, 3, ...; φ
Минимальная полоса частот П
— случайная начальная фаза k-го радиоимпульса.
k
, необходимая для передачи AM радиосигнала,
АМ
численно равна скорости передачи цифровой информации В (частоте следования
передаваемых элементов ис-ходного двоичного сигнала):
П
= В = 1/Т.
АМ
Эффективность использования полосы частот характеризуется максимальной
удельной скоростью передачи при двоичной AM, бит/с/Гц, SАМ=B/ П
АМ
=1.
При фазовой манипуляции (ФМ) представляющим параметром радиоимпульсов
является фаза высокочастотного заполнения. В современных радиосистемах передачи
применяются двоичная, 4-уровневая и M-уровневая ФМ. При демодуляции фаза ФМ
радиосигнала сравнивается с фазой восстановленного на приемном конце опорного
колебания (несущей). Из-за случайных искажений радиосигнала имеет место
неопределенность фазы восстановленной несущей, что является причиной, так
называемой обратной работы, при которой двоичные посылки принимаются «>в
негативе». Для устранения влияния неопределенности фазы применяется разностное
кодирование фазы передаваемых радиоимпульсов. Фазовую манипуляцию с разностным
кодированием фазы называют фазоразностной или относительной фазовой
манипуляцией ОФМ. В РСП с ОФМ при передаче информации кодируется не сама фаза
радиосигнала, а разность фаз (фазовый сдвиг) двух соседних радиоимпульсов.
В общем случае радиосигнал с М-уровневой ОФМ
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]