Контрольные вопросы

1. Поясните, почему на практике часто в качестве модулирующего сигнала выбирают контрольный сигнал.

2. Что такое «амплитудная модуляция»?

3. Назовите основные преимущества ОМ-сигнала по сравнению с АМ-сигналом.

4. Что такое «частотная модуляция»?

1.10. Среда распространения сигнала

Для систем авиационной электросвязи средами распространения сигнала являются искусственные среды (провод, кабель, волновод, оптоволокно) и среды распространения радиоволн (РРВ): атмосфера и космическое пространство. Классификация диапазонов радиоволн и радиочастот приведена в Таблице 1.

Длина радиоволны λ и частота f связаны соотношением λf= 3×10⁸ м/с.

Или: λ_[м]= 300/ f_[МГц].

Таблица 1

Классификация РЭС ГА по диапазонам используемых частот (волн)

Наименование диапазона частот (волн)	Диапазон частот (волн)	РЭС ГА, работающие в данном диапазоне частот (волн)
Очень низкие частоты (ОНЧ) (мириаметровые волны)	3…30 кГц (100…10 км)	РЭС навигации (Международная РЭС дальней навигации «Омега»). РЭС авиационной электросвязи (радиосвязь на трансполярных и кроссполярных воздушных линиях (перспектива)).
Низкие частоты (НЧ) (километровые волны)	30…300 кГц (10…1 км)	РЭС авиационной воздушной и наземной электросвязи (радиосвязь в высоких широтах). РЭС навигации (радиокомпасы).
Средние частоты (СЧ) (гектометровые волны)	0,3…3 МГц (1…0,1 км)	РЭС авиационной воздушной и наземной электросвязи (радиосвязь в высоких широтах). РЭС навигации (радиокомпасы).
Высокие частоты (ВЧ) (декаметровые волны)	3…30 МГц (100…10 м)	РЭС авиационной электросвязи (дальняя радиосвязь).
Очень высокие частоты (ОВЧ) (метровые волны)	30…300 МГц (10…1 м)	РЭС авиационной электросвязи (радиосвязь на дальность прямой видимости). РЭС посадки (наземные радиопеленгаторы). РЭС навигации (всенаправленные радиомаяки, радиокомпасы). Международная система поиска и спасения «КОСПАР – САРСАТ».
Ультравысокие частоты (УВЧ) (дециметровые волны)	0,3…3 ГГц (10…1 дм)	РЭС авиационной электросвязи (радиосвязь на дальность прямой видимости, радиорелейная связь, спутниковая связь). РЭС навигации (РТС ближней навигации, радиовысотомеры). РЭС наблюдения (обзорные и диспетчерские РЛС УВД, вторичные РЛС УВД, системы предотвращения столкновений). РЭС посадки (спутниковые системы посадки). Международная система поиска и спасения «КОСПАР – САРСАТ».
Сверхвысокие частоты (СВЧ) (сантиметровые волны)	3…30 ГГц (10…1 см)	РЭС авиационной электросвязи (радиорелейная связь, спутниковая связь.. РЭС наблюдения (бортовые метеорадиолокаторы, обзорные РЛС, посадочные РЛС РЭС навигации (доплеровские измерители скорости и угла сноса). РЭС посадки (системы посадки сантиметрового диапазона, спутниковые системы посадки).
Крайне высокие частоты (КВЧ) (миллиметровые волны)	30…300 ГГц (10…1 мм)	РЭС авиационной электросвязи (радиорелейная связь, спутниковая связь.. РЭС наблюдения (РЛС обзора летного поля).

Условно принято считать, что космическое пространство начинается за пределами двух-трех земных радиусов R_з= 6370 км, где плотность электронов составляет 2…20 эл/см³, а ниже располагается атмосфера.

Атмосфера подразделяется на три основные области: тропосфера, стратосфера и ионосфера.

Тропосфера (нижняя атмосфера) располагается от поверхности Земли и до высот 15…18 км и характеризуется наличием тропосферных неоднородностей: паров воды, облаков. С высотой температура и давление воздуха, а также содержа­ние водяных паров в тропосфере изменяются, но газовый состав ее практически постоянен: азот и кислород.

Тропосферные неоднородности способны отражать падающие на них радиоволны.

Стратосфера простирается примерно до 60…80 км. Признаком перехода тропосферы в стратосферу является прекращение понижения темпе­ратуры, которая в верхней части тропосферы падает до -(50... 60)°С. В стратосфере температура до высоты около 40 км. изменяется мало, а затем примерно до высоты 60 км растет до +80°, далее же опять падает. Повышение температуры объясняет­ся поглощением энергии ультрафиолетового излучения Солнца содержащимся в воздухе озоном.

Ионосфера начинается с высот 60…80 км и простирается до высоты 1500 км и имеет слоистый характер неоднородностей, определяемый размещением газов в атмосфере: в нижней части ионосферы располагаются тяжелые газы, а выше – более легкие газы.

Падающее на ионосферу излучение Солнца вызывает ионизацию газа, т. е. отрыв электронов от атомов. Поскольку плот­ность газа на больших высотах мала, то вероятность рекомбинации невелика. По этой причине значи­тельная часть газа остается ионизированной, т. е. представляет собой плазму. Ионизированный газ обладает электропроводно­стью. Концентрация свободных электронов определяется интен­сивностью ионизирующего излучения Солнца и зависит от высоты, времени суток и сезона года. На очень больших высотах плотность газа мала, соответственно уменьшается и количество ионов, а в итоге и их влияние на прохождение радиоволн. По этой причине существенное влияние на распространение радиоволн оказы­вает только часть ионосферы до высот около 500 км. Плотность свободных электронов в ионосфере составляет 10³…10⁶ эл/см³.

Полная картина физических процессов при прохождении волн через ионосферу очень сложна. Одна из главных причин этой сложности состоит в том, что фактически ионосфера не представ­ляет собой один слой, а состоит из ряда слоев, обладающих не­одинаковыми свойствами (рис. 11).

На относительно небольших высотах 60...80 км располага­ется слой, обозначаемый D, в котором концентрация свободных электронов невелика. Выше на высотах 100…130 км располагается слой Е, далее на высотах 200…230 км располагается слойF1 и на высо­тах 250…500 км – слойF2, для которого характерна наибольшая концентрация электронов. Состояние этих слоев сильно зависят от времени года и суток, а также от текущего состояния солнечной активности, которая изменяется с периодом 11 лет. Например, слоиDиF1 существуют только в дневное время, а электронная концентрация слоев Е иF2 в ночное время уменьшается.

250-500 км F2

200-230 км F1

100-130 км E

60-80 км D

Зона

молчания

Земля

Рис. 11. Структура ионосферы

Волны разной длины могут отражаться в разных слоях, либо вовсе не отражаться. Отсутствие отражений наблюдается при из­лучении волн под большим углом по отношению к поверхности Земли и при относительно высоких частотах. В этом случае радиоволны «пронзают» ионосферу и уходят в мировое пространство.

Несмотря на изменчивость свойств ионосферы, относительная регулярность этих изме­нений делает возможным использовать ее на постоянно действующих радиолиниях.

В атмосфере наблюдаются и иные менее регулярные неоднородности (например, следы метеоров, искусственные неоднородности), которые также учи­тываются в построении ряда радиолиний.

На основе проведенного анализа свойств сред РРВ можно сделать вывод, что радиоволны могут распространяться:

- вдоль земной поверхности (земные или поверхностные волны);

- с отражением от неоднородностей, находящихся в среде РРВ (пространственные волны);

- в свободном пространстве (когда электрические параметры Земли не влияют на свойства РРВ).

Для некоторых радиолиний можно определить радиоволны, которые, кроме того, могут распространяться в каких-либо геологических слоях Земли и в воде.

Особенности РРВ в средах зависят от частоты радиоволны:

- с ростом частоты (с уменьшением длины волны) поглощение энергии радиоволны в земле возрастает, а в ионосфере – уменьшается;

- с уменьшением частоты (с увеличением длины волны) возрастает дифракционная способность распространения радиоволн, т.е. способность огибать земную поверхность;

- с уменьшением частоты радиоволны и с увеличением угла падения волны на ионосферу возрастает отражающая способность ионосферных слоев.

Особенности распространения радиоволн ВЧ диапазона

Поверхностные волны ВЧ диапазона сильно ослабляются из-за значительных потерь энергии радиоволн в почве, поэтому с их помощью дальность передачи информации невелика (не более 100 км).

Пространственное распространение радиоволн ВЧ диапазона с по­вышением частоты улучшается благодаря уменьшению потерь в ионосфере из-за высокой концентрации свободных элек­тронов в ионизированном разреженном газе на больших высотах, что приводит к относительно высокой электропроводности слоя атмосферы и создает способность хорошо отражать к Земле па­дающие на него волны. Воздействуя на свободные электроны, падающая волна вызывает их колебания, т. е. переменные токи. Излучение волн переменными токами в ионосфере и образует отраженную волну.

Колебания электронов в ионизированном слое приво­дят к их столкновениям с молекулами газа. При столкновениях часть энергии, полученной электронами от радиовол­ны, превращается в тепло, т.е. происходит поглощение энергии радиоволны в ионосфере. При повышении частоты, т. е. при сокращении периода ко­лебаний, расстояние свободного пробега электрона за период со­ответственно уменьшается. В результате этого уменьшается вероят­ность столкновениям с молекулами газа, и, следовательно, уменьшается потеря энер­гии отраженной радиоволны.

Радиоволны разной длины могут отражаться от разных слоев, либо вовсе не отражаться. Для количественной оценки этого явления введено понятие критической частоты f_кррадиосигнала, как максимальной частоты радиосигнала, который при вертикальном излучении (α = 90°) отражается от ионосферы и возвращается на Землю (рис. 12). Для каждого ионосферного слоя существует своя критическая частота, зависящая от степени ионизации ионосферы: в зависимости от года цикла солнечной активностиf_крсоставляет 7…13 МГц в дневное время и 3…6 МГц – в ночное время. Радиоволны с частотамиf > f_крпронзают ионосферу и уходят в космическое пространство.

При уменьшении угла излучения α возрастает максимальная частота f_максотраженного радиосигнала, называемая максимальной применимой частотой (МПЧ) (рис. 12).

При уменьшении частоты радиосигнала возрастает поглощение энергии радиоволны и, соответственно, уменьшается энергия отраженной радиоволны. Минимальная частота радиосигнала f_мин, которая не полностью поглощается в ионосфере, называется наименьшей применимой частотой (НПЧ). Таким образом, радиоволны с частотамиf_мин ≤f ≤ f_максотражаются от ионосферы.

Для каждой радиолинии определяются свои значения МПЧ и НПЧ, которые изменяются в зависимости от времени суток, сезона и года цикла солнечной активности.

Ио­носферные слои представляют собой не зеркальные, а шероховатые (неоднородные и неровные) поверхности, поэтому

f >f_кр

f > f_МПЧ

f ≤ f_МПЧ

250-500 км f ≤f_кр F2

200-230 км F1

100-130 км E

60-80 км α = 90° D

α < 90°

Земля

Рис. 12. Отражающая способность ионосферы

радиоволны отражаются от них в разных направлениях, т. е. имеет ме­сто рассеянное (диффузное) отражение (рис. 13), приводящее к рассеянию энергии радиоволны, падающей на ионосферу, и тем самым уменьшающее энергию отраженной радиоволны.

Из анализа особенностей распространения поверхностных и пространственных радиоволн ВЧ диапазона следует, что между сравнительно небольшой зоной распространения по­верхностной волны и территорией, на которую приходят простран­ственные волны, образуется "зона молчания" (рис. 11), т.е. зона, до которой не доходят поверхностные волны и которую «перескакивают» пространственные волны.

Распространение радиоволн ВЧ диапазона характеризуется многолучевостью распространения, определяемой рядом факторов:

- наличие поверхностной и пространственной волн;

- диффузность отражения радиоволны от ионосферы;

- магнитоионное расщепление отраженной радиоволны на обыкновенную и необыкновенную волны;

- многомодовость распространения, т.е. распространения с разным числом отражений от Земли, с отражением от разных ионосферных слоев, с неоднократным отражением от Земли и разных ионосферных слоев (рис. 13).

250-500 км F2

200-230 км F1

100-130 км E

60-80 км D

Земля

Рис. 13. Многомодовость и диффузность

распространения радиоволн

Многолучевость распространения радиоволн ВЧ диапазона приводит к возникновению интерференционных замираний радиосигнала в месте приема.

Существенное влияние на условия РРВ ВЧ диапазона оказывают ионосферные возмущения, вызванные процессами на Солнце. Они приводят к резкому повышению степени ионизации как отдельных ионосферных слоев (авроральные возмущения), так и ионосферы в целом (возмущения типа «Полярная шапка») на широтах выше 60° сгш, экранируя верхние слои ионосферы и поглощая и рассеивая энергию радиоволн ВЧ диапазона.

Особенности распространения радиоволн ОВЧ и более высокочастотных диапазонов

Общим для радиоволн ОВЧ и более высокочастотных диапазонов является сильное поглощение поверхностных волн в земле, слабая дифракция и отсутствие регулярных отражений радиоволн от ионосферы и тропосферных неоднородностей.

Радиоволны ОВЧ и более высокочастотных диапазонов распространяются по­добно свету прямолинейно и требуют обеспечения геометрической видимости между пунктами передачи информации. Дальность прямой видимости rопределяется по формуле

(3)

где h₁иh₂– высоты поднятия антенн (объектов) системы передачи (извлечения) информации.

В нижней части ОВЧ диапазона за счет явлений рефракции и дифракции возможна передача информации поверхностной волной за пределы прямой видимости. Тогда (3) преобразуется к виду

(4)

Пространственные волны ОВЧ и более высокочастотных диапазонов, т.е. радиоволны, излученные под углом к земной поверхности, уходят в заатмосферное (космическое) пространство практически без изменения траектории. Однако радиоволны этих диапазонов могут рассеиваться тропосферными неоднородностями. В этом случае дальность передачи информации может достигать нескольких сотен километров и более.

Неоднородности существуют и на больших высотах, в ионо­сфере, где они проявляются в неравномерности концентрации свободных электронов и в них тоже происходит рассеяние радиоволн. В этом случае ионосферное рассеяние позволяет обеспечить передачу информации на расстояниях 1...2 тыс. км.

Поверхностные волны ОВЧ и более высокочастотных диапазонов могут отражаться от земной поверхности и местных предметов, что приводит к многолучевости и, как следствие – к интерференционным замираниям радиосигнала.

Таким образом, радиоволны всех диапазонов при распространении в среде РРВ в большей или меньшей степени испытывают поглощение, рассеяние и имеют многолучевой характер распространения.

Контрольные вопросы

1. Назовите причины многолучевости распространения радиоволн ВЧ диапазона?

2. Чем отличаются причины возникновения мертвой зоны и зоны молчания при распространения радиоволн НЧ и ВЧ диапазонов соответственно?

3. От чего зависит МПЧ?

4. От чего зависит НПЧ?

5. Почему процессы на Солнце влияют на условия РРВ ВЧ диапазона?