10 Основы построения телекоммуникационных систем и систем

Лекция 1: Назначение наземных и космических

Систем радиосвязи

План занятия:

Время	№п/п	Содержание раскрываемого вопроса:
30 мин.	1.	Основные рода связи используемые для радиосвязи и телевещания. Эволюция их развития
10 мин.	2.	Линии радиосвязи и радиовещания
30 мин.	3.	Радиорелейные линии: назначение и их разновидности
20 мин.	4.	Спутниковые системы связи их назначение и разновидности

1. Основные рода и виды связи используемые для телерадиовещания. Эволюция их развития

Рассматриваемый курс посвящен изучению структуры и особенностей построения и проектирования наземных и космических систем радио- и телевизионного вещания.

Под радиовещанием понимается односторонняя циркулярная передача информационно – развлекательных программ в виде звукового сигнала, спектр которого достигает 10 кГц.

Под телевизионным вещанием понимается также циркулярная передача информационно – развлекательных программ в виде подвижных изображений со звуковым сопровождением. Спектр сигнала широкополосен, и достигает в зависимости от используемого стандарта системы для одного канала до 6,5 – 8 мГц.

Кроме того, в рассматриваемых радиоканалах предусмотрена возможность передачи группы дуплексных телефонных и телеграфных каналов для обеспечения абонентской междугородней либо локальной телефонной, телеграфной и факсимильной связи с труднодоступными с точки зрения рельефа местности регионами, и с других соображений целесообразности – с малонаселенными регионами.

В данном курсе рассматриваются системы, использующие УКВ диапазон: метровые, дециметровые и сантиметровые радиоволны. Этот диапазон радиоволн получил наибольшее применение в гражданских сетях вещания по РРЛ и ССС в нашей стране и за рубежом.

Системы радиосвязи и телевизионного вещания имеют достаточно давнюю историю. Известно, что гениальное открытие А.С. Попова оказало огромное влияние на всю историю создания радиосвязи, которая в силу ряда обстоятельств впервые внедрялась в Русский Флот. Флот крайне нуждался в надежной связи между кораблями независимо от времени суток и условий видимости на расстояниях десятков и сотен миль, в то время как имевшиеся на кораблях различные средства сигнализации обеспечивали связь только в пределах их взаимной видимости. А. С. Попов блестяще решил эту задачу, поставив на службу флота электромагнитные колебания. Используя работы Максвела и Герца, А. С. Попов 7 мая 1895 года впервые реализовал идею создания беспроволочного телеграфа, чем открыл новую эру в организации связи на кораблях русского флота. Менее чем через год 24 марта 1896 года на заседании физико-химического общества А. С. Попов произвел передачу первой в мире радиограммы на расстоянии 250 метров без провода. Им были переданы слова «ГЕНРИХ ГЕРЦ». В 1899 г. А. С. Попов совместно со своим помощником П.Н. Рыбкиным усовершенствовал свой приемник для приема телеграфных сигналов на слух при помощи телефона. Замена телеграфного аппарата телефоном значительно увеличила чувствительность радиоприемника к слабым сигналам и увеличила дальность действия радиосвязи. В этом же году была организована первая в мире радиолиния связи о. Гогланд – Кутсало для практического применения в целях проведения спасательной операции на Балтийском флоте, организаторами этой радиолинии были А.С. Попов и его помощник – офицер флота А. А. Реммерт. К концу 1901 г. детекторные приемники использовались для связи уже на многих военных кораблях. Знаменательность открытия радио состояла в том, что это новое средство связи впервые было применено в Русском Флоте.

Подлинное развитие отечественной радиопромышленности началось только после ВОСР. По инициативе В. И. Ленина в 1918 г. была создана Нижегородская лаборатория, руководимая М. А. Бонч-Бруевичем, которая сыграла выдающуюся роль в развитии отечественной радиотехники.

В 1906 г. американским инженером Де-Форестом была изобретена лампа – триод. На их основе были созданы приемники прямого усиления. Начиная с 1918 года стали широко внедрятся супергетеродинные приемники, предложенные американцем Армстронгом.

В 1907 г. преподаватель Петербургского технологического института Б. Г. Розинг разработал систему «катодной телескопии» с использованием электроннолучевой трубки для воспроизведения изображений и осуществил в 1911 году первую телевизионную передачу. Это славное наследие русских ученых было углублено и расширено советскими учеными и доведено до стадии промышленного выпуска телевизионной аппаратуры и практического использования телевидения, реализованную в сети телевизионного вещания с 1 октября 1931 г. через московские широковещательные радиостанции, использующие опто-механическую систему с разложением изображения на 30 строк и передачей 12,5 кадров в секунду.

Первые разработки представляли простейший вариант, состоящий из передающей станции, недалеко от которой размещались сами радио- и телестудии, где формировались программы передач. Станция обеспечивала радио- и телевизионное вещание в пределах прямой видимости в определенном локальном районе (населенном пункте). В данном случае (при использовании УКВ). Такие системы радиовещания при определенной модернизации широко используются и в настоящее время. Однако в силу ограниченной дальности распространения используемых радиоволн такая система не позволяет обеспечивать вещание для всего населения страны либо той или иной административно-территориальной единицы (автономной республики, области, края).

Для расширения зоны обслуживания возникла необходимость ретрансляции радио- и телевизионной информации. Достаточно высокая цена кабельных коммуникационных систем и относительно низкая пропускная способность делает их использование малоэффективным для ретрансляции большого числа радио- и телевизионных программ на большие расстояния. Радиовещательные и телевизионные сигналы занимают достаточно широкий спектр, до 8 мГц.

Решению проблемы ретрансляции широкополосных сигналов РВ и ТВ послужили радиорелейные линии связи (РРЛ), позволяющих с наименьшими затратами энергетических и материальных ресурсов обеспечивать ретрансляцию программ телевизионного и радиовещания к локальным радиостанциям. Система вещания строилась, как правило, по принципу от вышестоящих к нижестоящим административным центрам.

Для повышения экономической эффективности РРЛ используются, кроме как для ретрансляции вещательной информации, для достаточно большого числа телефонных и телеграфных (цифровых) дуплексных каналов связи. Эти каналы используются для межрегиональной телефонной связи, телеграфного обмена, факсимильной связи (где передаются печатные издания).

Первые системы РРЛ использовали аналоговые виды модуляции, которые уступают по помехоустойчивости дискретным видам модуляции. Крупным технологическим скачком, в последующем, послужило создание РРЛ, основанных на дискретных способах модуляции, по которым передается информация только в цифровом виде. Такие каналы универсальны по своему применению: по ним возможна передача информации теле- и радиовещания и, соответственно, телефонная, телеграфная и факсимильная связь, а также обмен данными.

Территориальные масштабы нашего государства способствовали созданию принципиально нового способа ретрансляции через искусственные спутники земли (ИСЗ). Первые вещательные спутники были запущены в 1965 году под кодовым названием «Молния– 1» на эллиптическую орбиту. В этом же году была проведена первая телевизионная передача Москва – Владивосток. Сегодня в России используется целая сеть ССС: «Молния», «Горизонт», «Экспресс» и многие другие.

Применение спутникового варианта ретрансляции позволяет осуществлять глобальное вещание практически на территории всего земного шара. Такой способ ретрансляции, несмотря на высокую цену на запуск и управление ИСЗ за счет глобальности и очень высокой пропускной способности стал приоритетным. В нашем государстве в силу политических особенностей прошлых лет развитие ССС шло в основном для обеспечения радио- и телевещания только на территориях нашей страны и дружественных стран социалистической ориентации. Более глобальный охват использовался в основном для военной сферы, особенно в ВМФ, а также для обеспечения связью исследовательских групп в труднодоступных удаленных районах (Антарктида, Северный полюс и другие акватории Мирового океана).

Благодаря своим возможностям спутниковые системы связи стали самым выгодным космическим бизнесом. Приоритет коммерческого использования космоса прочно удерживает США. Их спутники связи широко арендуются многими государствами планеты. К ним относятся известные системы: Intelsat, Imarsat, LMSS (Land Mobile Systems Satallite), ASTRA. В последнее время внедряется, в том числе и в нашем государстве, новейшая международная система глобальной сотовой спутниковой связи «Iridium», «Gold star» и др.

В общем случае для обеспечения и телерадиовещания используются три основных рода связи (за исключением волоконно-оптической связи):

- по радиоканалам;

- по радиорелейным линиям;

- через искусственные спутники Земли.

Представленная дисциплина посвящена изучению особенностей построения вышеперечисленных систем связи на различных трассах, структуры станций каждой системы и способам их проектирования.

2. Радиовещательные линии (лини радиосвязи)

   Радиовещательные линии широко используются для вещания информационно-развлекательных программ. В силу достаточно узкого спектра таких сигналов и технологических особенностей аппаратуры для радиовещания исторически используются диапазоны ДВ и СВ. Передача осуществлялась в одноканальном режиме. Позднее с развитием технологий были освоены КВ и УКВ диапазоны. Коротковолновый диапазон используется в основном для профессиональной связи: в ВМФ, для связи с судами и дальними экспедициями, что связано с дальностью распространения этих радиоволн. Однако в силу относительно низкого номинала частот этот диапазон непригоден для передачи широкополосных сигналов, того же одноканального радиовещания с требуемым качеством, передачи стереовещательных программ, телевидения и других новых видов сообщений.

Освоения УКВ диапазона позволило значительно расширить возможности вещания, однако он обладает недостатком – малой дальности связи (в пределах прямой видимости), что в масштабах нашего государства имеет ряд ограничений. Для решения этой проблемы были разработаны системы ретрансляции с использованием УКВ диапазона (радиорелейные линии связи), которые практически сохраняя все достоинства этого диапазона позволили обеспечить вещание для более дальних расстояний.

2. Радиорелейные линии: назначение и их разновидности

   Радиорелейные линии связи (РРЛ) предназначены для ретрансляции достаточно большого объема информации: многоканальной телефонии, радио- и телевизионного вещания, и других видов связи.

РРЛ по особенностям радиотрасс подразделяются линии прямой видимости и тропосферные.

Радиорелейная линия прямой видимости состоит из последовательности приемопередающих станций, работающих в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн расположенных на расстоянии 20-80 км друг от друга (рис. 1.1). Длина РРЛ может достигать нескольких тысяч километров. На каждой промежуточной станции устанавливает приемно-передающее оборудование необходимое для компенсации потерь уровня сигнала при распространении радиоволн. Принимаемый сигнал усиливается в РПДУ промежуточной станции и передается на другую станцию. Высоты антенн выбираются из условий радиовидимости двух соседних РРЛ станций.

Рис. 1. Радиорелейная линия прямой видимости

Выбор диапазонов дециметровых и сантиметровых волн для РРЛ обусловлен, главным образом, тем, что в этих диапазонах возможна передача большого числа широкополосных сигналов, несущих очень большой объем информации. В этом случае спектр каждого из сигналов составляет очень малую часть всего широкого диапазона частот.

В силу определенных особенностей вышеперечисленные диапазоны характеризуются наибольшей помехоустойчивостью, возможностью конструктивного использования АФУ с высокими направленными свойствами при достаточно малых массогабаритных характеристиках (особо актуально для КА). Использование высоконаправленных антенн позволяет применять на РРЛ станциях передатчики небольшой мощности (не более 10 – 20 Вт). Малая ширина диаграммы направленности антенн дает возможность избежать взаимных помех между РРЛ, работающими на одинаковых частотах, даже при сравнительно близком расположении (порядка 100 км).

Верхняя граница диапазона частот для РРЛ лимитируется ослаблением напряженности поля в газах и гидрометеорах. При современных технологиях аппаратуры обеспечение технико-экономических показателей РРЛ возможно на частотах до 40 гГц. Нижняя граница частот составляет порядка (200 – 300) мГц. Она определяется возможностью передачи широкополосных сообщений (f_нес >> f_сигн).

В существующих РРЛ станциях информация может передаваться в аналоговой и цифровой форме. В первом случае широко применяется частотная модуляция с многоканальным частотным уплотнением. При цифровых формах, появляются определенные преимущества: повышается помехоустойчивость линии, возможно применение как традиционных, так и новых видов уплотнения (частотных, временных и кодовых, а также комбинационных). С переходом на цифровые формы сигнала возникает возможность применения универсальных каналов, из которых легко составить канал с любой скоростью передачи (с соответствующим спектром) для телеграфных, факсимильных и телефонных сигналов, а также для передачи информации станций звукового и телевизионного вещания.

В РРЛ принято использовать понятие высокочастотный ствол, который представляет собой групповой канал передачи и приема однотипных каналов или станций (в некоторых случаях может быть только один канал для циркулярных передач вещательной и факсимильной информации). Таких стволов может быть несколько, причем при использовании общей антенны, что расширяет пропускную способность РРЛ. Емкость ствола может быть от 12 до 2700 телефонных каналов (или соответствующих цифровых каналов).

Р абота тропосферных РРЛ основана на использовании явления дальнего тропосферного распространения ультракоротких волн (УКВ). Использование этого явления позволяет разнести РРЛ станции на расстоянии 200 – 1000 км друг от друга. Такие РРЛ используются в труднодоступных местах, где применение обычных РРЛ экономически менее целесообразно (рис. 2).

Тропосферные РРЛ используются в диапазоне частот 0,4 – 5 гГц. Сильно выраженная многолучевость сигнала в этих РРЛ ограничивает спектр сигнала и снижает ее емкость. Емкость одного высокочастотного ствола может достигать до 120-240 телефонных каналов. По этой же причине передача телевизионных программ оказывается возможной на более ограниченном расстоянии до 150 – 200 км. Следует отметить, что качество тропосферной передачи телевизионных сигналов уступает показателям обычных РРЛ.

Тропосферные РРЛ строятся аналогично обычным РРЛ. Основное отличие заключается в том, что уровень принимаемого сигнала очень низок по сравнению с сигналом РРЛ прямой видимости, кроме того, наличие глубоких замираний требуют высоких энергетических показателей аппаратуры и АФУ, применения специальных мер, повышающих устойчивость сигнала при замираниях. На современных тропосферных РРЛ применяются передатчики от нескольких сотен ватт до 50 кВт, антенны с размерами апертуры до 40 м², с коэффициентом усиления до 50-55 дБ.