Аверянов Современная информатика 2011
.pdfДля двухстороннего обмена сигналами нужно иметь два комплекта оборудования. Двухсторонняя связь может быть симплексной и дуплексной. При симплексной связи прием и передача ведутся поочередно и оба передатчика работают на одной частоте. При дуплексной радиосвязи передача и прием осуществляются одновременно на разных частотах.
В качестве функциональных узлов в состав радиопередатчика входят генератор несущей частоты и модулятор, а также много другого оборудования: источники питания, средства охлаждения, автоматического и дистанционного управления, сигнализации, защиты, блокировки и т.п. По назначению радиопередающие устрой-
ства делятся на маломощные (до 100 Вт), средней мощности (от
100 до 10000 Вт), мощные (от 10 до 500 кВт) и сверхмощные (свы-
ше 500 кВт).
Задачи радиоприемного устройства сводятся к выделению полезного радиосигнала (очень малой мощности) из множества других сигналов и возможных помех, а также воспроизведению (восстановлению) передаваемого сообщения. Основными показателями радиоприемных устройств являются: диапазон рабочих частот, в пределах которых устройство может работать; чувствительность (мера способности обеспечивать прием слабых сигналов); избирательность (способность устройства отличить полезный сигнал от радиопомехи); помехоустойчивость (противодействие мешающему действию помех) и т.п. По назначению радиоприемные устройства подразделяются на радиовещательные (обычно называются радио-
приемниками), телевизионные, профессиональные (магистральные радиоприемные устройства), специальные (радиолокационные, навигационные, самолетные) и т.д.
Особую роль в радиосвязи занимают антенно-фидерные устройства. Антенна представляет собой элемент сопряжения между передающим или приемным оборудованием и средой распространения радиоволн. Имеется несколько разновидностей антенн, применяемых в различных диапазонах длин волн. Тип антенны также зависит от направления применения приемопередающих устройств. Антенны, состоящие из проводов небольшого поперечного сечения по сравнению с длиной и продольными размерами (кратными длине волны), называются проволочными и используются для длинноволновой части электромагнитного излучения. Антенны, имеющие вид
401
поверхностей и излучающие через свой раскрыв – апертуру, называются апертурными. Иногда их называют дифракционными, рефлекторными, зеркальными. Электрические токи таких антенн протекают по проводящим поверхностям, имеющим размеры, соизмеримые с длиной волны или много большие ее. Такие антенны применяются для коротковолновой части электромагнитного излучения.
Среди наиболее важных характеристик антенны следует отметить: входное сопротивление, определяемое, как отношение напряжения высокой частоты на ее зажимах к току питания; коэффициент полезного действия – отношение мощности, излучаемой антенной, к мощности, подводимой к ней. Не вся мощность, подводимая к антенне, излучается в окружающее пространство, часть ее расходуется как на нагревание самой антенны, так и на находящиеся вблизи предметы. Электромагнитные волны излучаются антенной в различных направлениях неравномерно. Создание антенн, излучающих электромагнитные волны равномерно во всех направлениях, крайне сложно и практически недостижимо. Распределение в пространстве напряженности электромагнитного поля, создаваемого антенной, определяется очень важным фактором – амплитудной характеристикой направленности. Различные применения антенн предполагают прямо противоположные требования к диаграммам направленности. Так, для организации сети звукового вещания используются кило- и гектометровые радиоволны, которые распространяются с помощью антенн, устанавливаемых в центре зоны обслуживания, и поэтому должны создавать ненаправленное излучение вдоль поверхности Земли, т.е. иметь диаграмму направленности в горизонтальной плоскости в виде окружности. Таким условиям отвечают антенны-мачты, антенны-башни. Их высота обычно 150 – 250 м, а в некоторых случаях достигают 350 – 500 м, что значительно увеличивает зону обслуживания.
Для радиосвязи и радиовещания на значительные расстояния (тысячи километров) используются дециметровые волны. Особенность их распространения такова, что антенны должны сформировать направленное излучение с максимумом излучения под некоторым углом к поверхности Земли. Самыми распространенными типами передающих антенн, отвечающих этим требованиям, являются проволочные антенны: вибраторные, ромбические, синфазные в виде решетки из вибраторов, возбужденных определенным образом.
402
Диапазон метровых радиоволн используется главным образом для организации телевизионного и звукового вещания, а также для связи с подвижными объектами в пределах определенной зоны обслуживания. Передающие антенны, как правило, должны создавать ненаправленное излучение в горизонтальной плоскости. С другой стороны, в диапазоне деци-, сантиметровых и более коротких волн, применяемых для организации так называемой радиорелейной связи, антенны, устанавливаемые на линиях, должны обладать высокой направленностью, их диаграммы направленности должны иметь «игольчатую форму». Наиболее распространены в этом диапазоне апертурные (зеркальные) антенны.
Антенна – устройство обратимое. Если антенна хорошо излучает радиоволны, то она хорошо их и принимает. В связи с этим приемные антенны аналогичны передающим для соответствующих диапазонов длин волн.
Электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику, называются фидером. Передающие антенны длинноволнового диапазона радиоволн соединяются с радиопередатчиком с помощью многопроводных коаксиальных фидеров, в диапазоне метровых волн используется коаксиальный кабель. На более коротких волнах фидер выполняется в виде полой металлической трубы-волновода прямоугольного, эллиптического или круглого сечения.
Рассмотрим теперь основные типы каналов, осуществляющих связь на большие расстояния и располагающихся в земной атмосфере (спутниковая связь будет рассмотрена отдельно).
Основным видом передачи в этом случае является так называе-
мая радиорелейная система передачи, в которой сигнал электро-
связи передается с помощью наземных ретрансляционных станций. На частотах ОВЧ- и СВЧ-диапазонов надежная радиорелейная связь с низким уровнем помех может быть получена только в условиях прямой видимости между антеннами, излучающими радиоволны. Типичные расстояния составляют 40 – 50 км при высотах башен и мачт, на которых устанавливаются антенны, около 100 м. При этом для волн указанного диапазона частот верхние слои атмосферы прозрачны и не могут использоваться для передачи. Невозможность свободного распространения радиоволн на большие
403
расстояния позволяет избежать взаимных помех между радиорелейными системами внутри одной страны и разных стран. Кроме того, в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Антенны могут работать в режиме передачи и приема, причем для одновременной передачи в противоположных направлениях с использованием двух частот. Аналоговые радиорелейные системы этих диапазонов частот предназначены, в основном, для передачи многоканальных телефонных сигналов в аналоговой форме и данных с низкой и средней скоростями, а также сигналов телевидения. Цифровые радиорелейные системы используются для организации цифровых трактов передачи сигналов со скоростями от 2 до 155 Мбит/с. Большинство станций радиорелейных систем являются промежуточными радиостанциями, играющими роль активных ретрансляторов.
Существует довольно большое количество отечественных как аналоговых, так и цифровых радиорелейных систем передачи, использующих различные частоты указанного диапазона. Число каналов в различных типах систем лежит в диапазоне 300 – 1920 для аналоговых систем и от 15 – 240 для цифровых.
Тропосферные радиорелейные системы передачи связаны с вол-
нами диапазона 0,3 – 5 ГГц, которые способны рассеиваться на локальных неоднородностях, вызванных различными физическими процессами, происходящими в этой нижней части атмосферы
(рис. 12.1).
Рис. 12.1. Иллюстрация тропосферной радиосвязи
404
Рассеянные волны могут быть приняты направленной приемной антенной на значительном удалении от передающей, учитывая, что неоднородности находятся на значительной высоте. Это дает возможность разнести станции на расстояния 200 – 400 км друг от друга, что значительно больше расстояния прямой видимости. Как отмечалось раньше, для линий выше рассмотренного диапазона частот (прямой видимости) тропосфера прозрачна.
Линии на основе радиорелейных систем передачи строятся, как правило, в трудно доступных и удаленных районах.
Значительное расстояние между станциями, безусловно, выгодно при организации протяженных линий, поскольку требуется меньшее число станций. Однако за счет глубоких замираний из-за неустойчивости пространственно-временной структуры тропосферы и крайне малой мощности радиосигнала в точке приема организация хорошего качества каналов затруднительна. Количество одновременно работающих каналов для сравнительно малого ассортимента аппаратуры, обеспечивающих этот вид передачи, невелико (от 12 до 120).
Существуют еще две системы передачи, обеспечивающие еще большую протяженность от приемника до передатчика, так как в качестве среды передачи они используют ионосферу – самую удаленную часть атмосферы.
Так, для декаметровой волны (3 – 30 МГц) происходит поворот ее траектории из-за неоднородностей диэлектрических свойств профиля ионосферы (в отличие от рассеяния волн в тропосфере на частотах 3 – 5 ГГц). Траектория распространения радиоволн от одной точки поверхности Земли к другой с одним отражением от ионосферы называется ионосферным скачком. Расстояние между пунктами приема и передачи, измеренное вдоль поверхности Земли, составляет около 2000 км. Траектория распространения радиоволн может быть образована несколькими ионосферными скачками. Условия распространения радиоволн, а следовательно, и качество радиосвязи зависят от состояния ионосферы, определяемого временем года, суток и циклом солнечной активности, что не позволяет организовать больше одного-двух телефонных или нескольких телеграфных каналов.
Метровые волны (40 – 70 МГц) могут также использовать ионосферу в качестве среды передачи, правда, в отличие от предыдуще-
405
го случая метровые волны используют рассеяние на неоднородностях ионосферы. Это аналогично тропосферной радиорелейной передаче, но на гораздо большей высоте. Придельная дальность связи в этом случае составляет 2000 – 3000 км. При ионосферном рассеивании в пункт приема приходит ничтожная часть излучаемой энергии, что вынуждает использовать мощные радиопередатчики и большие по размеру антенны. Рассеяние волн происходит на ионизированных следах, сгораемых в ионосфере мелких космических частиц – метеоров, непрерывно проникающих в атмосферу Земли. Время прохождения радиосигналов при метеорной связи составляет только 2 – 4 ч в сутки. Такие системы позволяют организовать с удовлетворительным качеством не более трех телефонных каналов. Обычно с помощью таких радиосистем организуется передача телеграфных сигналов, причем таких, для которых задержка не играет существенной роли. Они используются для дублирования ионосферных систем на декаметровых волнах в полярных широтах.
12.3. Спутниковая система связи
23 апреля 1965 г. был запущен на высокую эллиптическую орбиту спутник связи «Молния 1», который ознаменовал становление в нашей стране спутниковой радиосвязи. Почти одновременно в США был запущен на геостационарную орбиту первый спутник коммерческой связи Intelsat-1. Таким образом, была реализована заманчивая идея резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора высоко над поверхностью Земли, что позволило обеспечить одновременную радиовидимость (по аналогии с прямой радиовидимостью наземных радиорелейных ретрансляторов, обеспечивающих связь всего на 50 км) радиостанций, расположенных в разных точках обширной территории.
Спутник связи представляет по существу микроволновую ретрансляционную станцию. Он используется для связи двух или более наземных передатчиков-приемников, называемых земными, или наземными, станциями. Спутник получает сигнал в одной полосе частоты (восходящая линия), усиливает или повторяет сигнал и передает его на другой частоте (нисходящая линия). Одна орбитальная станция может работать с рядом частотных диапазонов,
406
называемых каналами транспондера или просто транспондерами. На рис. 12.2 изображены две спутниковые системы связи.
Рис. 12.2. Системы спутниковой связи: а – двухточечный спутниковый канал связи; б – широковещательная рассылка через спутник
В первой из них спутник применяется для двухточечной связи между наземными станциями, во второй спутник используется для передачи от наземной антенны к нескольким наземным приемникам (так называемая широковещательная рассылка).
407
Оптимальный диапазон спутниковой передачи составляет от 1 до 10 ГГц. На частоте ниже 1 ГГц существенное влияние оказывает шум от естественных источников (галактико-солнечный, земной, атмосферный шумы), а также искусственные помехи от различных электронных устройств. При частотах свыше 10 ГГц сигнал значительно затухает из-за атмосферного поглощения и осадков.
Спутник связи – революционная технология, сравнимая по важности с оптическим волокном. Среди наиболее важных применений спутниковой связи можно указать: передачу телевизионных сигналов, междугороднюю-международную связь, частные коммерческие сети.
Конфигурация систем спутниковой связи зависит от типа искусственного спутника Земли, вида связи и параметров земных станций.
Основной характеристикой спутника является орбита, на которой он находится. По степени удаленности от Земли они различаются на геостационарные – 35838 км, низкие околоземные орбиты – от 320 до 1100 км и средние околоземные – 8000 – 1200 км
(рис. 12.3).
Рис. 12.3. Орбиты спутников (не в масштабе)
Еще одной разновидностью орбит, используемых спутниками связи «Молния», в определенной степени оптимальных в обеспечении надежной коммуникации в России, является высокая эллиптическая орбита с периодом обращения 12 ч, наклонением 63°, высотой апогея в северном полушарии в 40000 км.
408
Движение спутника в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6 – 8 ч. Преимуществом данного типа орбит является большой размер зоны обслуживания при охвате большей части северного полушария. К недостаткам можно отнести необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентированию с заходящего спутника на восходящий.
Уникальной является геостационарная орбита – круговая орбита, расположенная в плоскости экватора с периодом обращения 24 ч. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Безусловным достоинством геостационарных спутников является большая зона обслуживания, составляющая около трети земной поверхности. Трех спутников достаточно для обеспечения почти глобальной связи, антенны на земных станциях не требуют системы слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малым углом к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях. К тому же в виду большой удаленности спутника сигнал сильно ослабевает и имеет вполне ощутимую, даже при телефонных разговорах, задержку (до 0,5 с) при прохождении в оба конца.
Большую популярность приобрели спутники, использующие низковысотные круговые орбиты, плоскости которых наклонены (под разными углами) к плоскости экватора и имеющие ряд важных достоинств. Запуск таких спутников осуществляется с недорогих пусковых установок, нет проблем с ослаблением сигнала (что важно для мобильных и персональных терминалов) и его задержкой. Однако скорость вращения спутника относительно поверхности Земли достаточно велика: в результате длительность сеанса от восхода спутника до его захода не превышает нескольких десятков минут, поэтому требуется много спутников для глобальной связи. Так, компанией Motorolla была предложена в 1987 г. система Iridium, которая была введена в строй в 1988 г. и состояла из 66 спутников (системой Iridium владеет международной консорциум Iridium Inc). Правда, малая зона обслуживания одним спутником имеет и положительную сторону, поскольку позволяет экономить частотный диапазон (зона связи отдельных спутников находится на значительном удалении, что позволяет повторно использовать одни и те же частоты для различных абонентов, а это значительно по-
409
вышает эффективность использования каналов связи). К числу недостатков низкоорбитальных спутников следует отнести влияние эффекта Доплера – изменение частоты принимаемого сигнала от скорости движущегося объекта.
Взависимости от назначения системы спутниковой связи и типа наземных станций регламентом Международного союза электросвязи различаются следующие службы:
фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также распределение телевизионных программ;
подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещенными на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и т.д.);
радиовещательная спутниковая служба для непосредственной передачи радио- и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у абонентов.
На начальном этапе фиксированная спутниковая служба развивалась в направлении создании систем магистральной связи с применением крупных наземных станций с диаметром зеркала антенн порядка 12 – 30 м. В настоящее время функционирует более 50 таких систем. Это отечественные системы «Молния 3», «Радуга», «Горизонт». Международные системы: Intelsat и Eutelsat. Развитие таких систем идет в направлении увеличения срока службы искусственных спутников, повышения точности их удержания на орбите, разработки и совершенствования многолучевых антенн, а также возможности работы на антенны земных станций малого диаметра
(1,2 – 2,4 м) – система VSAT.
Всилу международного характера работы транспорта для его управления создаются международные системы глобальной спутниковой связи, например система морской спутниковой связи Inmarsat, которая введена в действие с 1982 г. Она содержит геостационарные спутники, расположенные над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами; береговые станции, установленные на различных континентах; разветвленную сеть судовых станций различных стандартов. В настоящее время системой Inmarsat пользуются более 15 тыс. судов. В рамках организации Inmarsat решаются проблемы создания системы авиационной спутниковой связи.
410