5.4. Системы тропосферной связи.

Построению систем тропосферной связи уделяется большое внимание в России и за рубежом. Общая протяженность тропосферных линий связи в настоящее время составляет сотни тысяч километров [9].

Первая система тропосферной связи для передачи телевизи­онных программ из Ленинграда в Петрозаводск на расстояние 300 км была построена в 1963 году под руководством М. П. Долуханова, Г. А. Зейтленка, А. М. Захарова и др.

В системах тропосферной связи используется явление дальне­го распространения ультракоротких волн, суть которого состоит в следующем.

Известно, что причиной преломления (рефракции) УКВ явля­ется неоднородность молекулярной структуры тропосферы, прос­тирающейся до высот 12—15 км от поверхности Земли. Показа­тель преломления воздуха зависит от давления, температуры и влажности, которые на разных высотах имеют различное зна­чение.

Нормальному (среднему) состоянию тропосферы свойственно уменьшение показателя преломления с высотой. В этих услови­ях траектория распространения радиоволн теряет свою прямоли­нейность, приобретает выпуклость, обращенную вверх, т. е. оги­бает земную поверхность. Эта нормальная рефракция эквивалентна некоторому уменьшению выпуклости земного шара, благодари чему становится возможным прием УКВ за линией горизонта. Однако дальность связи за счет нормальной рефракции по сравнению с дальностью прямой видимости возрастает незначи­тельно. Вследствие сезонных и суточных изменений метеоусловий в тропосфере возможно такое распределение влажности, тем­пературы и давления, при котором показатель преломления с вы­сотой увеличивается, и лучи УКВ приобретают выпуклость, обра­щенную вниз. Такое преломление радиоволн, называемое отрица­тельной рефракцией, влечет за собой уменьшение интенсивности и замирание сигнала даже в зоне прямой видимости.

Если же показатель преломления воздуха уменьшается с вы­сотой быстрее, чем при нормальном состоянии тропосферы, воз­можен прием УКВ на расстоянии, значительно превышающем прямую видимость. Этот случай, называемый сверхрефракцией, особенно часто наблюдается над водной поверхностью в резуль­тате резкого изменения влажности воздуха с высотой.

Особо благоприятные условия распространения УКВ за гори­зонт создаются при наличии в тропосфере слоистых неоднородностей, т. е. резко выраженной границы слоев с различными ко­эффициентами преломления, возникающих, например, при про­хождении фронта холодного воздуха. На границе разнородных слоев радиоволны претерпевают практически зеркальное отраже­ние, причем условия отражения почти одинаковы в широкой по­лосе частот.

Однако тропосферная рефракция и отражение от слоистых неоднородностей не обеспечивают устойчивую связь на УКВ за ли­нией горизонта, так как эти явления возникают нерегулярно. По­этому считалось, что устойчивая УКВ связь возможна только в пределах прямой видимости.

С 1956 года начали появляться публикации по материалам экспериментальных исследований устойчивой УКВ радиосвязи на расстояниях, существенно превышающих прямую видимость. Интенсивность поля на этих расстояниях превосходила значения, предсказываемые дифракционной теорией (рис. 5.11, пунктир). Распространение УКВ далеко за пределы прямой видимости объ­ясняется рассеянием энергии волны так называемыми глобулами - турбулентными неоднородностями тропосферы, процесс воз­никновения которых состоит в следующем [9]. Поступательное движение воздушных масс в вертикальном и горизонтальном на­правлениях, обусловленное неравномерностью нагревания зем­ной поверхности, при определенной скорости теряет свою устой­чивость и переходит в турбулентное движение, носящее вихревой характер. Важнейшей особенностью турбулентного движения в тропосфере является постепенное и последовательное деление крупных вихрей на более мелкие до тех нор, пока энергия вра­щательного движения самых малых вихрей не переходит за счет преодоление сил вязкости в тепловую. Вихри порождают множество локальных неоднородностей в распределений давления, температуры и влажности, естественно приводящих к локаль­ным неоднородностям индекса преломления. Глобулы и представляют собой сферические или эллиптические неоднородности, в пределах которых индекс преломления отличается от его значений в окружающей среде.

Под действием высокочастотной энергии, излучаемой передающей антенной, каждая глобула возбуждается и превращается во вторичный излучатель. Объем тропосферы, в котором пересе­каются диаграммы направленности антенн корреспондирующих станций (рис. 5.9), является объемом рассеяния энергии, часть которой достигает приемной антенны.

рис.5.9

Нетрудно показать, что максимальную дальность связи можно определить по формуле

, (5.2)

где h - высота расположения объема рассеяния, км;

R - радиус Земли, км.

При h=10—15 км дальность тропосферного распространения УКВ может достигать около 900 км.

Интенсивность поля тропосферного рассеяния УКВ принято характеризовать средним множителем ослабления по отношению к свободному пространству:

(5.3)

где E₁ — средняя напряженность поля в точке приема при тро­посферном рассеянии;

Е₂ — напряженность поля в той же точке, рассчитанная для условий распространения радиоволн в свободном пространстве.

Принципы построения систем дальней тропосферной радио­связи определяются особенностями тропосферного распростране­ния радиоволн.

Исследования дальнего тропосферного распространения (ДТР) УКВ показывают принципиальную возможность построения сис­тем тропосферной связи в диапазоне частот 100—8000 МГц.

рис.5.10 рис.5.11

Согласно экспериментальным данным интенсивность поля тропосферного рассеяния с увеличением частоты уменьшается сравнительно слабо и для частот 100-4000 МГц разница в уров­не сигнала составляет около 20 дБ (рис. 5.10). Зависимость множителя ослабления ср от расстояния D при различных час­тотах практически линейная, а сигнал в точке приема при ДТР значительно слабее, чем в случае распространения радиоволн в свободном пространстве (рис. 5.11, сплошная линия). Общее затухание сигнала на участке распространения достигает сотни децибел. Значит, в системах тропосферной связи необходимо ис­пользовать достаточно мощные передатчики, высокочувствитель­ные приемники и направленные антенны. С учетом этих сообра­жений в системах тропосферной связи целесообразно использо­вать диапазон частот от нескольких сотен до нескольких тысяч мегагерц.

Экспериментально установлено, что резкие изменения погоды на трассе, связанные с прохождением теплого и холодного фронтов воздуха, в большинстве случаев снижают уровень сиг­нала. Это объясняется интенсивным перемешиванием воздушных масс тропосферы, приводящим к увеличению ее однородности. При прохождении резко выраженного фронта уровень сигнала иногда значительно возрастает за счет отражения от слоистых неоднородностей тропосферы.

Принимаемые при ДТР УКВ сигналы подвержены медленным и быстрым замираниям, причем первые подчиняются логарифми­ческому нормальному закону распределения вероятностей, а вто­рые – закону Релея. Медленные замирания вызываются измене­ниями метеорологических условий в пределах объема рассеяния и наблюдаются при длительности сеансов связи от пяти минут до одного часа. На эти медленные колебания накладываются быст­рые флуктуации, обусловленные случайными кратковременными (доли секунды – минуты) изменениями электрических свойств передающей среды – появлением и исчезновением глобул в объ­еме рассеяния, интерференции множества лучей в точке приема и др. Быстрые замирания обладают свойствами пространственной и частотной избирательности, которые широко используются при реализации систем тропосферной связи с разнесенным приемом.

Из-за многолучевого характера ДТР УКВ первоначальные амплитудные и фазовые соотношения различных частотных сос­тавляющих переданного сигнала изменяются, что ведет к иска­жению формы принимаемого сигнала. Значит, тропосферную ли­нию связи можно рассматривать как некоторый линейный четы­рехполюсник с неравномерной амплитудно-частотной и нелиней­ной фазо-частотной характеристиками, т. е. с ограниченной поло­сой пропускания. Другими словами, тропосферный канал связи имеет ограниченную полосу пропускания, непрерывно и случай­но изменяющуюся во времени в соответствии с изменением ус­ловий распространения радиоволн. Эффективная полоса пропускания тропосферной линии связи расширяется при сокращении ее протяженности и увеличении направленности антенн, а также при использовании разнесенного приема, так как при этом многолучевой характер сигнала оказы­вается менее выраженным. В [9] приведены соотношения и гра­фики, позволяющие определить полосу пропускания тропосфер­ной линии связи при заданной вероятности неравномерности ам­плитудно-частотной характеристики. Теоретические и экспери­ментальные исследования, а также практика строительства сис­тем тропосферной связи показывают возможности их использова­ния для передачи больших потоков информации, включая телеви­зионные программы.

Кроме замираний принимаемого сигнала и ограничения эф­фективной полосы пропускания тропосферных линий связи мно­голучевой характер ДТР вызывает потери усиления антенн. Дей­ствительно, в результате интерференции в точке приема мно­жества некогерентных лучей и изменения углов их прихода син­фазное и равномерное распределение поля в раскрыве приемной антенны нарушается и фронт волны будет отличаться от плос­кого. А это приводит к уменьшению коэффициента усиления ан­тенны и расширению ее диаграммы направленности.

С ростом направленности антенн и протяженности трассы ве­личина потерь их усиления возрастает. Это объясняется тем, что на протяженных трассах многолучевой характер ДТР УКВ про­является сильней, а фронт волны в раскрыве антенны по мере увеличения ее направленности должен приблизиться к идеально плоскому. Величина потерь усиления антенны оценивается выражением

, (5.4)

где - ширина диаграммы направленности антенны, рад;

R — эффективный радиус Земли, км;

D — дальность связи, км.

Уровень сигнала в точке приема практически не зависит от высоты h поднятия антенн над земной поверхностью при =7-14, где  - длина рабочей волны. Однако площадки для размещения антенн следует выбирать в местах, господствующих над окружающей местностью.

Вихревые неоднородности более интенсивно выражены в ниж­них слоях атмосферы, что обусловлено характером их происхождения. Для того, чтобы использовать данное обстоятельство, ди­аграммы направленности антенн необходимо ориентировать 'почти касательно к Земле. При этих условиях объем рассеяния над земной поверхностью оказывается на высоте 3—6 км, а предель­ная дальность прямой радиосвязи (без использования ретрансля­ции) согласно (5.2) составляет 600 км.

При ДТР происходит заметная деполяризация радиоволн. Ес­ли поляризация излучаемых радиоволн, например, вертикальная, то уровень сигнала, принимаемого антенной с горизонтальной по­ляризацией, на протяженных трассах всего на 15—20 дБ ниже уровня сигнала, принимаемого идентичной антенной с вертикаль­ной поляризацией. С сокращением трассы эта разница возраста­ет до 30 дБ. Одной из причин деполяризации радиоволн являет­ся появление в тропосфере наклонных отражающих слоев.

Инженерные методы расчета тропосферных линий связи при­ведены в [9].

В существующих радиолиниях тропосферной связи использует­ся диапазон частот от 300 до 8000 МГц. Эти радиолинии условно разделяются на две группы: радиолинии прямой связи и радио­релейные линии. Предельная дальность прямой связи составляет 900 км. Радиорелейные линии обеспечивают связь на расстояния 2-3 тыс. км. Если трасса линии простирается над теплыми мо­рями, ее протяженность может достигать 10—12 тыс. км. Пре­дельная протяженность трассы во всех названных случаях опре­деляется отношением сигнал/шум на выходе телефонного канала, при котором обеспечивается хорошее качество связи. Это отноше­ние должно составлять около 40 дБ.

На радиолиниях прямой связи обычно используются подвиж­ные, максимально облегченные малоканальные станции, облада­ющие повышен-ной маневренностью.

Радиорелейные линии тропосферной связи могут быть как под­вижными, так и стационарными. Подвижные радиорелейные ли­нии имеют от 6 до 24 телефонных каналов. Стационарные радио­релейные линии рассчитываются на десятки и сотни телефонных каналов и могут обеспечивать передачу телевизионной програм­мы. Принципы построения радиорелейных линий, в которых ис­пользуется тропосферное рассеяние радиоволн и распространение радиоволн в пределах прямой видимости, в целом одинаковы. Однако аппаратура радиолиний тропосферной связи имеет ряд особенностей, обусловленных спецификой ДТР УКВ.

Уже отмечалось, что общее затухание сигнала при тропосфер­ном рассеянии радиоволн достигает сотни децибел. Поэтому для получения на входе приемника достаточного уровня сигнала не­обходимо использовать передатчики большой мощности - от единиц до десятков киловатт. Биологическая опасность излучения таких передатчиков исключается принятием специальных мер защиты обслуживающего персонала и соответствующим выбором трассы связи.

Выходные каскады передатчиков выполняются на магнетро­нах, усилительных клистронах и лампах бегущей волны. Коэффи­циент полезного действия мощных каскадов составляет около 30%, значит, при излучаемой мощности 10 кВт мощность рассея­ния на электронных приборах составляет несколько десятков ки­ловатт, что влечет за собой применение системы принудительного охлаждения выходных блоков передатчика.

Высокая чувствительность приемников тропосферных станций обеспечивается применением малошумящих усилителей СВЧ (па­раметрических или на туннельных диодах), в том числе охлаж­даемых сжиженным газом, а также увеличением коэффициента по­лезного действия антенно-фидерной системы. Увеличение указан­ного КПД достигается совмещенной конструкцией антенны и уси­лителя СВЧ при максимально сокращенной длине фидера.

Для увеличения уровня сигнала используются антенны с большим раскрывом. Отражатели стационарных антенн пред­ставляют собой сегмент параболоида размером от 20х20 м² до 4040 м² и более. Коэффициент усиления таких антенн состав­ляет 40-45 дБ. В подвижных радиостанциях применяются пара­болические антенны диаметром 5-10 м с коэффициентом уси­ления около 30 дБ. Они могут быть цельнометаллическими или надувными с использованием специальной металлизированной пленки. При расчете трассы тропосферной связи учитываются упоминавшиеся выше потери усиления антенн. Влияние земной поверхности на диаграмму направленности исключается подъемом антенны на высоту h == (7-14) [9].

Ввиду большой стоимости и громоздкости одна и та же антен­на часто используется как приемо-передающая, причем для пе­редачи и приема сигналов применяются облучатели с различной поляризацией. Исключить перегрузку приемника сигналом пере­датчика только этой мерой не удается. Необходимая развязка трактов передачи и приема достигается разделительными фильтрами.

Наиболее широко в станциях дальней тропосферной связи ис­пользуются частотно-модулированные (ЧМ) сигналы и однополос­ные сигналы (ОМ), позволяющие получить при всех прочих равных условиях наибольшее отношение сигнал/шум на выходе телефонного канала (по сравнению с другими видами сигналов), т. е. наибольшую эффективность связи. Расчеты показывают, что при небольших индексах частотной модуляции (около 1) отношение сигнал/шум на выходе телефонного канала станций с частотной и однополосной модуляцией одинаково. Если же ин­декс частотной модуляции равен десяти, что легко осуществимо в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн, то отношение сигнал/шум на выходе телефонного канала станций с ЧМ при­мерно на 22 дБ выше, чем в станциях с ОМ [9]. Однако рост индекса модуляции сопровождается расширением спектра сигна­ла и требуемой полосы пропускания приемника, т. е. ведет к увеличению мощности шума на входе приемника и ухудшению его пороговых свойств. Для обеспечения заданного отношения сиг­нал/шум на выходе приемника необходимо увеличивать превы­шение полезного сигнала над шумом на его входе. Таким обра­зом, при одинаковом отношении сигнал/шум на выходе приемника ЧМ сигналов с большим индексом модуляции и приемника ОМ уровень сигнала на входе ЧМ приемника должен быть значитель­но выше.

Одним из эффективных способов уменьшения порога ЧМ при­емника является обратная связь по частоте. Сущность способа состоит в сужении полосы пропускания приемника применением следящей настройки. С этой целью сигнал с выхода частотного детектора ЧД приемника через фильтр Ф подается на реактив­ный элемент РЭ, управляющий частотой гетеродина Г (рис. 5.12). При этом закон изменения частоты гетеродина оказывает­ся близким к характеру изменения частоты принимаемого сигна­ла. Вследствие этого уменьшается полоса спектра ЧМ сигнала по промежуточной частоте, что позволяет уменьшить пороговое зна­чение входного сигнала на 10-12 дБ.

рис.5.12

Очевидно, что суммарный уход частоты ЧМ передатчика и ге­теродина ЧМ приемника должен быть значительно меньше шири­ны спектра сигнала с учетом обратной связи по частоте.

При передаче однополосного телефонного сигнала без пилот-сигнала суммарный уход частоты передатчика и гетеродина не должен превышать 50 Гц, так как в противном случае снижается разборчивость речи. Если предусматривается вторичное уплотне­ние телефонных каналов, то условия допустимых преобладаний ограничивают суммарный уход частоты значениями 2—5 Гц. В случае восстановления несущей частоты по пилот-сигналу сум­марный уход частоты ограничивается полосой пропускания фильт­ра пилот-сигнала, составляющей 100—200 Гц.

Изменение амплитуды в условиях замираний вызывает иска­жения однополосного сигнала и почти не сказывается на частот­но-модулированном сигнале, если амплитуда не падает ниже по­рогового значения. Однако многолучевой характер ДТР вызыва­ет специфичные переходные искажения ЧМ сигналов, так как в точке приема несущая частота воспроизводится с фазовым запаз­дыванием, а модулирующие частоты - с групповым.

При передаче дискретной информации по тропосферным кана­лам связи используется импульсно-фазовая и импульсно-кодовая модуляция. Расчеты и полученный в последние годы опыт пока­зывают перспективность применения широкополосных шумоподобных сигналов, особенно в мобильных радиостанциях.

Для повышения надежности тропосферной связи наиболее широко используется сдвоенный и счетверенный прием с час­тотным, пространственным и частотно-пространственным разне­сением. При некоторых видах модуляции возможен многократный прием с разнесением сигналов во времени. Все большее приме­нение находит многократный прием с угловым разнесением. Весь­ма перспективны способы повышения надежности связи, осно­ванные на использовании шумоподобных сигналов.

При сдвоенном приеме с пространственным разнесением на каждой станции предусматриваются два комплекта антенно-фидерных устройств и двухканальное приемное устройство. В слу­чае сдвоенного приема с частотным разнесением второй комп­лект антенно-фидерного устройства не нужен, но появляется необходимость иметь двойной комплект приемо-передающей аппа­ратуры, а также специальные разделительные фильтры, обеспечи­вающие одновременную работу на одну антенну двух передат­чиков и двух приемников, настроенных на различные частоты. При этом для передачи и приема используются облучатели с раз­личной поляризацией.

При счетверенном приеме с частотно-пространственным раз­несением на каждой станции помимо двух антенн необходимо иметь двойной комплект передающей аппаратуры и двойной комп­лект приемных устройств сдвоенного приема.

В случае углового разнесения в раскрыве антенны помеща­ется несколько облучателей, взаимно сдвинутых относительно ее фокуса, благодаря чему формируется несколько узких лучей ди­аграммы направленности, нацеленных на объем переизлучения тропосферы под разными углами. Каждый из облучателей пере­дающей антенны питается отдельным передатчиком, а облуча­тели приемной антенны подключаются к отдельным приемникам. Замирания принимаемых сигналов оказываются практически не­коррелированными, если угловое разнесение лучей диаграммы направленности составляет десятые доли градуса и более.

К недостаткам систем углового разнесения относятся труднос­ти установки нескольких облучателей в одном зеркале антенны, обеспечивающих формирование заданной диаграммы направлен­ности, и необходимость применения нескольких комплектов приемо-передающей аппаратуры. Расчеты показывают, что угловое разнесение целесообразно на стационарных радиолиниях [9].

Применение способов повышения надежности связи, основан­ных на использовании широкополосных сигналов, позволяет об­ходиться одним передатчиком и одним антенно-фидерным уст­ройством. Несмотря на то, что приемное устройство в этом случае оказывается достаточно сложным, станция в целом имеет прием­лемые габаритно-весовые характеристики и тем самым сущест­венно повышается ее мобильность. При этом сокращается время развертывания станции.

Несомненно, что каждая станция тропосферной связи пред­ставляет собой более сложное и дорогостоящее сооружение, чем обычные УКВ радиостанции, обеспечивающие связь в преде­лах прямой видимости. Значительно большее потребление энергии электропитания, более мощные электронные приборы передатчи­ков, более чувствительные приемники, большие размеры антенных устройств, необходимость борьбы с замираниями — все это ха­рактеризует отличие тропосферных станций от обычных. Но воз­можность иметь интервалы ретрансляций, которые увеличены в 5—10 раз (например, устанавливать на тысячекилометровой трас­се только 2—4 станции вместо 20—25), дает тропосферной связи ряд исключительных преимуществ (ведение связи с малонаселен­ными и малодоступными районами, осуществление связи через водные пространства и т. д.).

Опыт строительства и эксплуатации систем радиорелейной связи показывает, что стоимость канало-километра системы тро­посферной связи на 10—15% ниже стоимости канало-километра системы связи, в которой используется распространение УКВ в пределах прямой видимости [9].

рис.5.13

На рис. 5.13 показана наиболее типичная структурная схема одноинтервальной тропосферной системы связи с частотно-про­странственным разнесением и счетверенным приемом. Каналообразующая аппаратура в комплект станций не входит и террито­риально может находиться в стороне от них.

Для передачи информации из пункта А в пункт Б применя­ется вертикально-поляризованное излучение сигналов на частотах f₁ и f₂, а для передачи в обратном направлении - горизонтально поляризованное излучение сигналов на частотах f₃ и f₄ .Каждый из передатчиков работает на свою антенну.

В пункте Б сигнал частоты f₁ принимается на обе антенны и через разделительные фильтры Ф1 подводится к приемному уст­ройству сдвоенного приема ПРМ1. Сигнал частоты f₂ принимается на эти же антенны и через разделительные фильтры Ф2 подается на приемное устройство сдвоенного приема ПРМ2. Достаточная декорреляция замираний достигается при f₁ –f₂ =2-4 МГц.

В результате суммирования выходных напряжений ПРМ1 и ПРМ2 образуется результирующий сигнал, поступающий на каналообразующую аппаратуру. Таким образом, прием ведется, по существу, четырьмя отдельными приемниками, выходные напря­жения которых надлежащим образом складываются на промежу­точной или низкой частоте.

Аналогично осуществляется прием сигналов частот f₃ и f₄ пункте А. При благоприятных условиях ДТР УКВ, когда необхо­димая надежность связи обеспечивается сдвоенным приемом, вто­рой комплект приемо-передающей аппаратуры в пунктах А и Б используется для 100-процентного резервирования.