Что называется потерями передачи применительно к радиолиниям связи

Раздел 1. Распространение радиоволн на спутниковых и радиорелейных линиях связи. Антенно-фидерные устройства спутниковых и радиорелейных систем передачи данных

Лекция 2. Распространение радиоволн в свободном пространстве

1. Энергетические соотношения в условиях свободного пространства.

2. Область пространства, существенно участвующая в формировании поля на заданной линии радиосвязи.

3. Распространение земной волны.

4. Ослабление радиоволн в атмосфере. Помехи радиоприему.

1. Энергетические соотношения в условиях свободного пространства

В свободном пространстве, амплитуда напряженности электрического поля в точке наблюде­ния (точке приема) определяется

, (1)

Произведение = называют эквивалентной мощнос­тью излучения, которую надо подвести к ненаправленной антенне, что­бы получить в точке приема такую же напряженность поля, как от на­правленной антенны с коэффициентом усиления G₁ к которой подве­дена мощность .

Из выражения 1 следует, что даже в свободном пространстве, среде без потерь, напряженность поля в точке приема убывает обратно пропор­ционально расстояния, что обусловлено уменьшением плотности мощности (среднего за период колебаний значения вектора Пойнтинга) при удалении от источника.

При расчете и проектировании радиолиний, особенно в диапа­зонах сантиметровых и дециметровых волн, необходимо знать мощ­ность сигнала на входе приемника. Эта мощность определяется различно для радиолиний двух типов. На радиолинии I типа передача информации ведется непосредственно из пункта передачи в пункт при­ема (рисунок 1). На радиолиниях II типа принимаются сигналы, испы­тавшие пассивную ретрансляцию на пути от передатчика к приемнику (рисунок 2). На этих линиях непосредственная передача энергии волны от источника до точки приема по каким-либо причинам невозможна (например, этот путь перекрыт препятствием).

Рисунок 1. Радиолиния I типа

На наземных радиоли­ниях с пассивной ретрансляцией на пути распространения имеется специальное антенное устройство, которое облучается первичным по­лем и переизлучает его в виде вторичного поля, предназначенного для приема.

Рисунок 2. Радиолиния II типа

На любой радиолинии мощность на входе приемника Р₂связана с плотностью потока мощности в месте приема П₂ соотношением

где — КПД фидера приемной антенны; — действующая площадь приемной антенны. На радиолинии I типа в условиях свободного пространства плот­ность потока мощности в месте приема определяется

где Р₁, η₁, G₁, r указаны на рисунке 1.

Подставляя (4) в (3), получаем для радиолинии I типа мощ­ность на входе приемника в условиях свободного пространства:

На радиолинии II типа значение П₀₂ зависит от тех же парамет­ров, что и на линии I типа, и, кроме того, от переизлучающих свойств ретранслятора. Если какое-либо тело облучается полем, то его способ­ность переизлучать это поле оценивается эффективной площадью рас­сеяния σ_эф (ЭПР). Величина ЭПР зависит от формы, размеров, элект­рических свойств материала, из которого выполнен переизлучатель, а также от его ориентации относительно направления распространения первичного поля и направления на прием.

Если около переизлучающего тела плотность потока мощности первичного поля то переизлучающаяся мощность определяется

а плотность потока мощности вторичного поля вблизи приемной ан­тенны в условиях свободного пространства

Согласно выражениям (3, 5, 6) мощность на входе приемника для радиолинии 2 типа составляет

В тех случаях, когда =

При проектировании систем удобно иметь сведения о потерях при передаче электромагнитной энергии. Потерями передачи L назы­вают отношение мощности, подводимой к передающей антенне, к мощности на входе приемной антенны:

Для радиолинии I типа в условиях свободного пространства со­гласно (9)

Расчеты упрощаются, если в выражении (10) выделить составляющую L₀, которая характеризует потери, обусловленные расходимостью вол­ны при . Составляющая L₀называется основными потеря­ми передачи в условиях свободного пространства:

Полные потери передачи обычно выражают через L₀. Так, вмес­то (10) можно записать

Для радиолинии II типа в условиях свободного пространства при

согласно (8) и (9) потери передачи

В случае реальных сред, отличных по своим свойствам от сво­бодного пространства, вводят так называемый множитель ослабления:

= / ₀ =Vexp(-iφ_v),

Потери передачи на радиолиниях I типа потери определяются

а на радиолиниях II типа (при )

Источник

Тема ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ

Информационных систем»

Раздел 1. Принципы построения систем передачи информации

(дополнительные лекции)

В лекциях по 1-му разделу рассматриваются:

1.Общие принципы построения систем передачи информации (на примере систем радио­связи).

2.Характеристика основных элементов обобщенной структурной схемы системы радиосвязи.

3.Подробно рассматриваются особенности различных линий радиосвязи. Приведена класси­фикация систем радиосвязи.

4.Рассмотрены основные требования, которые предъявляются к системам радиосвязи.

5.Даны характеристика и классификация помех, действующих в каналах радиосвязи.

6.Рассмотрены основные характеристики каналов радиосвязи.

Лекция 1 (дополнительная)

Тема ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМЕ РАДИОСВЯЗИ. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ.

Система радиосвязи предназначена для передачи информа­ции на расстояние с помощью радиосигналов. Информация, выра­женная в определенной форме, представляет собой сообщение, которое подлежит передаче на расстояние.

Для представления информации используется какой-либо язык, который характеризуется знаками и правилами их примене­ния. Под термином «знак» понимается совокупность признаков или примет, по которым узнается, распознается что-нибудь. Совокупность знаков, содержащих некоторую информацию, является формой представления информации – сообщением.

Сообщение может быть непрерывным или дискретным. Так при передаче телеграмм сообщением является текст, состоящий из отдельных символов, букв, цифр, а при передаче речевой информации сообщением является непрерывное изменение во време­ни звукового давления.

Распространенными формами представления информации также является музыка, телевизионное изображение, фототелеграммы, цифровые данные на выходе вычислительной машины и т.д.

Для передачи информации по системе радиосвязи необходи­мо сообщение преобразовать в первичный электрический сигнал. Например, звуковое давление при передаче речевых сообщений преобразуется микрофоном в электрическое напряжение, при пе­редаче телеграмм каждый символ преобразуется телеграфным аппаратом в определенную последовательность электрических импульсов, при передаче телевизионного изображения с помощью телевизионной трубки элементы изображения преобразуются в электрический ток и т.д. Преобразование дискретных сообщений в комбинации элементарных сигналов называют кодированием.

В зависимости от характера сообщения первичные сигналы могут быть непрерывными и дискретными.

Непрерывные сигналы принимают любые значения на некото­ром интервале. Такие сигналы описываются непрерывными функциями времени и их часто называют аналоговыми. Типичным при­мером непрерывного сигнала является речевой сигнал.

Дискретные сигналы принимают конечное число вполне опре­деленных значений и их часто называют цифровыми. Такие сиг­налы описываются дискретными функциями времени. Наиболее общим примером дискретных сигналов могут служить телеграф­ные сигналы, отображающие текст сообщения.

Следует отметить, что любой непрерывный сигнал в соот­ветствии с теоремой З.А. Котельникова можно дискретизировать по времени и осуществлять передачу с определенной точностью в дискретной форме.

Первичный электрический сигнал, как правило, является низкочастотным и его невозможно эффективно излучать в среду распространения радиоволн. Поэтому для передачи по системе радиосвязи первичный сигнал должен быть преобразован в высо­кочастотный сигнал, называемый радиосигналом. По отношению к радиосигналу первичный электрический сигнал часто называют сообщением. Преобразование первичного электрического сигнала в радиосигнал осуществляется путем изменения одного или нескольких параметров несущей. Процесс изменения одного или нескольких параметров несущей в соответствии с изменениями параметров передаваемого первичного электрического сигнала (сообщения) называется модуляцией. Если модуляция осущест­вляется дискретными сигналами, то ее обычно называют мани­пуляцией.

Таким образом, при передаче сообщений на передающей стороне осуществляется совокупность операций: первичное преобразование, кодирование, модуляция, усиление и излучение.

На приемной стороне осуществляются обратное операции: прием радиоволн, усиление и фильтрация высокочастотных коле­баний, демодуляция, декодирование и преобразование сигнала в сообщение.

Источник и получатель сообщений, технические устройст­ва, обеспечивающие передачу сообщений (сигналов), а также среда, в которой распространяются радиоволны, составляют систему радиосвязи (рис. 1.1).

Среда распространения радиоволн между передавшей и приемной антеннами называется линией радиосвязи.

Линия радиосвязи и совокупность части технических уст­ройств, обеспечивающие передачу сигналов от источника сооб­щений к получателю, называется каналом радиосвязи. Какая именно часть технических устройств входит в понятие канала, не определяется. Чаще всего считают, что канал начинается с элемента, на вход которого подается первичный электрический сигнал, а заканчивается элементом, с выхода которого снима­ется принятый первичный электрический сигнал. Однако, в инте­ресах детализации изучения системы радиосвязи границы канала могут изменяться.

В линии радиосвязи сигнал искажается помехами. Поэтому принятое сообщение не будет полностью соответствовать пе­реданному сообщению. Степень соответствия принятого сообщения переданном определяется способностью системы противо­стоять вредному действию помех, то есть помехоустойчивостью. Если в состав системы связи входит несколько каналов источников и получателей сообщений, а также устройства уп­лотнения, которые обеспечивают независимую передачу сообще­ний от нескольких источников по одной общей линии связи, то такие системы связи называются много канальными.

Системы радиосвязи могут быть разомкнутыми и замкнуты­ми (с обратными связями). Обобщенная структурная схема ра­зомкнутой системы радиосвязи представлена на рис. 1.1.

Рассмотрим характеристику основных функциональных элементов системы радиосвязи.

Источником и потребителем информации могут быть человек, различного рода автоматические и измерительные устройства, вычислительные машины.

Как уже отмечалось, источник сообщения для формирования сообщения использует язык, который характеризуется знаками различного ранга и правилами их построения. Низшим рангом являются символы (элементы).

Дискретный ниточник сообщения использует ограниченную счетную совокупность символов, которая называется алфавитом. Примерами символов счетных совокупностей являются: буквы русского алфавита, цифры заданной системы счисления и т.д.

Непрерывный источник сообщения использует несчетное бесконечное множество элементов (непрерывное выборочное про­странство) при формировании непрерывных сообщений»

Знаки следующего ранга строятся в виде комбинаций знаков предшествующего ранга. Так дискретный источник из символов алфавита на заданном интервале Т строит слова из слов фразы и т,д. которые состоят из конечного числа знаков предшествующего ранга.

Знаками высшего ранга в данном случае является реали­зации случайного процесса.

Сообщения источников одного класса представляются одинаковыми математическими знаками. Сообщения источников различных классов, например, дискретные источники и непре­рывные источники, представляется разными математическими знаками, т.е. имеют различные виды представления. Однако для передачи сообщений в системе связи и возможны их преоб­разования, которые приводят к изменение вида представления сообщения, например, дискретизация реализаций случайного процесса, квантование по уровне и т.д.

Целью первичного преобразования сообщения является согласование источника сообщения с каналами.

Первичный преобразователь сообщения выполняет следующие функции; преобразует знаки источника сообщений в электрические сигналы; при необходимости изменяет вид пред­ставления сообщений; сжимает объем сообщений.

В первичном преобразователе дискретных сообщений на первой этапе устанавливается система соответствий между сим­волами (знаками) дискретных сообщений и математическими циф­ровыми знаками (кодовыми комбинациями), т.е. осуществляется кодирование.

Отличие данного процесса кодирования от кодирования в источнике сообщений, заключается в том, что при кодировании в источнике сообщений осуществляется идентификация смыслового содержания информации комбинациями символов алфавита источ­ника, а при кодировании (представления) сообщения в первич­ном преобразователе осуществляется описание символов сооб­щения комбинациями математических знаков.

Система соответствий между знаками дискретных сообщений я кодовыми комбинациями, с помощью которых они могут быть представлены, называется кодом. Наибольшее распространение в технике связи получили двоичные коды, т.е. коды, которых основание (число различных символов) равно двум. Коды, ис­пользуемые в первичном преобразователе дискретных сообщений, часто называет первичными кодами. Примерами первичных кодов являются: код Морзе, пятизначный международный телеграфный код № 2 (МТК-2) и другие.

Таким образом, в первичном преобразователе дискретных сообщений осуществляются два вида преобразований: кодирование и формирование первичного сигнала.

Следует отметить, что первичный преобразователь диск­ретных сообщений называют еще кодером для источника.

В первичном преобразователе непрерывных сообщений часто ограничиваются линейными преобразованиями, в процессе которых осуществляется перевод неэлектрических величин пе­редаваемого сообщения в первичный электрический сигнал. Однако в ряде случаев непрерывные сообщения обладает зна­чительной избыточностью, поэтому возникает необходимость сжатия объема сообщений для более эффективного использования канала связи.

Сжатие (компрессия) непрерывных сообщений осуществляет­ся ограничением ширины спектра или ограничением динамического диапазона. При передаче речевых сообщений возможны более сложные функциональные преобразования, осуществляемые вокодером.

Во многих практических случаях возникает необходимость преобразования вида представления непрерывного сообщения, а именно, производится переход от аналоговых представлений к аналого-дискретному виду или цифровому. Необходимость таких преобразований возникает при передаче по одной линии связи нескольких сообщений путем временного уплотнения или при вве­дении аналоговых сообщений в ЭВМ.

Передача различных сообщений в цифровом виде обеспечивает:

— использование одних и тех же каналов связи для переда­чи различного вида сообщений;

— регенерации дискретных последовательностей, существенно искаженных различными помехами при передаче по линии связи;

— существенное уменьшение влияния аппаратурных погрешно­стей;

— возможность повышения помехоустойчивости связи путем применения избыточных кодов;

— возможность автоматизации процессов коммутации переда­ваемых сообщений на узлах связи;

— возможность объединения отдельных систем в более круп­ные системы, и комплексы благодаря универсальному виду пред­ставления сообщений.

Основными преобразованиями вида представления сообщений является: дискретизация сообщений по времени и квантование сообщений по уровню. Изменение вида представления сообщений связано с внесением погрешностей квантования и дискретиза­ции. Однако они могут быть сделаны меньше заданной допусти­мой величины.

В кодирующем устройстве первичный дискретный сигнал подвергается дальнейшему преобразованию с цель повышения помехоустойчивости представления сообщений. Повышение помехоустойчивости обычно достигается введением в сообщение избы­точности.

Разность n – k называется абсолютной избыточностью. Отношение

называется относительной избыточностью.

Введение избыточных символов позволяет обнаружить ошибки в принятых сообщениях или обнаруживать и исправлять их. В соответствии с этим различают коды с обнаружением и исправлением ошибок.

В настоящее время в технике связи наибольшее распростра­нение подучали следующие типы двоичных избыточных кодов с обнаружением ошибок: коды с проверкой на четность, коды с постоянным весом и циклические коды.

Следует отметить, что рассматриваемое устройство назы­вают еще кодером для канала.

Энергия первичных сигналов сосредоточена в основном в низкочастотной области. Эффективное излучение таких сигналов затруднительно. Поэтому в системах радиосвязи спектры пер­вичных сигналов переносятся в область высоких частот путем модуляции в передатчике несущего высокочастотного колебания первичным сигналом.

Модуляция в данном случае заключается в изменении одного параметра или совокупности параметров высокочастотного пере­носчика по закону, определяемому первичным сигналом.

Изменяемые при модуляции параметры переносчика назы­вают информативными параметрами. Информативный параметр пере­носчика определяет название вида модуляции. Число возможных видов модуляции при заданном виде переносчика определяется числом его параметров.

В качестве переносчика частот используются: синусоидаль­ные колебания высокой частоты, периодическая последователь­ность импульсов, сложные составные последовательности и т.д.

Если переносчиком является синусоидальные колебания, то различают такие виды модуляции: амплитудная, частотная, фа­зовая.

При использовании в качестве переносчика периодической последовательности импульсов выделяют четыре основных вида модуляции: амплитудно-импульсную, широтно-импульсную, фазо-импульсную и частотно-импульсную. При импульсной модуляции передающих устройствах систем радиосвязи необходима вторая ступень модуляции, в которой осуществляется модуляция высо­кочастотного синусоидального колебания последовательностью импульсов. Соответственно получается целый ряд двухступен­чатых видов модуляции: амплитудно-импульсная-амплитудная, фазо-импульсная-амплитудная модуляция к т.д.

В процессе модуляции спектр первичного сигнала переме­щается в частотной области, что позволяет упорядоченным об­разом разместить спектры сигналов различных систем радиосвя­зи.

Степень искажения сообщений помехами в системе радио­связи в значительной степени зависит от используемого вида модуляции. Выбирая малочувствительные виды модуляции к поме­хам заданного типа, можно повысить помехоустойчивость связи. Потенциальные способности различных видов модуляции противо­стоять вредному действию помех исследованы основоположником теории потенциальной помехоустойчивости, советским ученым В. А. Котельниковым.

Если непрерывные сообщения представлены в аналоговом ви­де, то они непосредственно подаются на модулятор, минуя коди­рующее устройство.

При цифровом виде представления непрерывных сообщений операции кодирования и модуляции аналогичны таким же опера­циям при передаче дискретных сообщений.

Сформированный в модуляторе радиосигнал поступает в усилитель мощности, где усиливается до требуемой мощности, а затем с помощью антенно-фидерного устройства излучается в среду распространения радиоволн.

В линии радиосвязи, как правило, действуют помехи, которые приводят к искажениям сигналов в точке приема.

Особенности различных линий радиосвязи, источника помех и их классификация будут рассмотрены в отдельных параграфах.

Фильтрация, демодуляция идекодирование

В приемной части системы радиосвязи принятая смесь сиг­нала и помех должна быть преобразована в сообщение соответ­ствующее переданному. Это преобразование состоит из следующих операций, обратных операциям, выполняемым в передающей части системы связи: фильтрации и усиления; демодуляции и декодирования.

В процессе фильтрации производится выделение полезного сигнала из смеси сигналов и помех, действующих в линиях радио­связи.

В системах передачи непрерывных сообщений в результате демодуляции выделяется в общем случае искаженный первичный сигнал, отображающий переданное сообщение. В последующем он преобразуется в сообщение, которое называется оценкой переданного сообщения, и передается получателю.

При передаче дискретных сообщений сигнал с выхода демо­дулятора подается на декодер, в котором производится обнаруже­ние или исправление ошибок и преобразование в безизбыточную последовательность – в оценку первичного дискретного сигнала. Оценка первичного дискретного сигнала, в дальнейшем преобразу­ется в оценку переданного сообщения и передается получателю. Операции демодуляции и декодирования при приеме дискрет­ных сообщений могут объединятся в одном устройстве, которое приходящую последовательность элементов радиосигнала преобра­зовывает сразу в последовательность оценки первичного дискретного сигнала или же в оценку переданного сообщения. Такой метод приема называется «приемом в целом”, в отличие от рас­пространенного метода «поэлементного приема». При приеме в целом анализируется целый отрезок сигнала, соответствующий кодовой комбинации, и на основании заданного правила решения принимается оценка передаваемого сообщения. При поэлементном приеме анализируется отдельные элементы сигнала, соответствую­щие кодовым сигналам, и строится последовательно оценка кодо­вой комбинации, а затем она декодируется в оценку переданного сообщения.

Именно при поэлементном приеме операции демодуляции и декодирования четко разграничены.

Степень соответствия принятого сообщения переданному за­висят от выбранных способов передачи и приема, от уровня сиг­нала и помех и т.д., и характеризуется показателем верности. Показатель верности характеризует отличие оценок сообщений от неискаженных сообщений.

Лекция 2

Тема: Характеристика линий связи

Линия связи или канал связи в узком смысле представляет собой тракт, по которому распространяется сигнал между прост­ранственно разнесенными передающим и приемным устройствами системы связи.

Линии связи, в которых используются сигналы, представ­ляющие собой электромагнитные колебания, а тракт распростра­нения сигналов представляет собой физическую среду, разде­ляющую передатчик и приемник, называются радиолиниями.

Радиолинии могут классифицироваться по различным призна­кам: по диапазону частот используемых радиосигналов, по протя­женности, по используемому механизму распространения радиоволн. В соответствии с классификацией электромагнитных колеба­ний радиочастоты занимают участок от 3 Гц до 3000 Гц.

Спектр радиочастот разбит на 12 диапазонов. Наиболее применимые из них даны в таблице 1.

По используемому механизму распространения волн радиоли­нии можно разделить на радиолинии, использующие:

огибание по­верхности Земли радиоволнами,

распространение волн в пределах прямой видимости,

-ионосферное рассеяние, отражение от метеорных следов, отражение или ретрансляцию искусственных спутников Земли (ИСЗ), отражение от искусственно создаваемых образований газовой плазмы или от искусственно созданных проводящих поверхностей, объектов,

Глобальные линии связи создаются на сверхдлинных волнах, огибающих поверхность Земли, на коротких волнах или при помо­щи ИСЗ. Линии дальней связи можно осуществить на коротких вол­нах, отражающихся неоднократно от ионосферы или при помощи ИСЗ или на УКВ путем многократных ретрансляций. Линии средней протяженности можно создать на коротких волнах за счет их от­ражения от ионосферы или на УКВ, используя различные механиз­мы их рассеяния, или за счет ретрансляций. Линии ближней свя­зи можно осуществить во всех диапазонах волн, исследуя тот или иной механизм распространения.

В коротковолновых, средневолновых и длинноволновых ра­диолиниях широко используются так называемые поверхностные (земные) и пространственные волны.

Таблица 1.

Поверхностные волны распространяются параллельно земной поверхности, постепенно затухая. Величина затухания опреде­ляется частотой волны и мала на длинных и сверхдлинных вол­нах.

Рассмотрим особенности основных радиолиний, используемых в системах авиационной радиосвязи.

Линии коротковолновой (декаметровой) радиосвязи

Для обеспечения связи с использованием пространственной волны, передающая антенна должна излучать под некоторым углом к горизонту, чтобы излученные ее радиоволны_, попав в ионосфе­ру, отразились от нее и возвратились на Землю. Далее они мо­гут отразиться от поверхности Земли, снова попасть в ионосфе­ру, вновь преломиться в ней и возвратиться на Землю и т.д_.

В зависимости от числа отражений от ионосферы различа­ет односкачковые_, двухскачковые и трехскачковые радиолинии.

Известно, что ионосфера, от которой происходит отражение пространственной волны, имеет слоистую структуру. В ней раз­личают несколько ионизированных слоев, имеющих большую кон­центрацию электронов и ионов. Электронная концентрация слоев ионосферы сильно зависит от количества падающих на нее сол­нечных лучей и поэтому изменяется в течение суток.

Обычно считают, что в ионосфере имеется четыре иони­зированных слоя: слой D, E, , и . Летом в дневное время существуют все четыре слоя, а ночью слой D исчезает, а слои , и сливаются в один слой F. Зимой в течение суток существует один слой F.

Слой D является наиболее низкой ионизированной областью атмосферы и расположен на высотах от 60 до 90 км.

Слой E расположен на высотах от 90 до 120 км, его толщина составляет 30…40 км. Слой , расположен на высотах от 180 до 240 км. Слои D, E и обладают постоянством, т.е. суточный ход изменения их электронной концентрации и высота расположения максимумов ионизации повторяются ежедневно.

Электронная концентрация, высота расположения я толщина слоя существенно зависят от солнечной активности, географических координат, времени года, времени суток. В ночные часы действующая высота нижней границы слоя на­ходится в интервале от 180 до 300 км. В зимние дни эта вы­сота составляет 220…250 км, в летние дни 300…400 км.

Каждый слой ионосферы характеризуется своей критической частотой, зависящей от электронной концентрации. Критической частотой называет частоту, выше которой волна, вертикально падая на слой, не отражается от него, а проходит через слой. При всех частотах меньше критической, волна отражается от слоя с коэффициентом отражения, равным единице.

Основным отражающим слоем является слой . Крити­ческие частоты слоя летом находятся в пределах от 6 До 9 МГц; максимальное значение критической частоты в днев­ное время зимних месяцев не превышает 13 МГц, а ночью падает до 5 МГц,

При падении наклонно направленной волны на слой ионосферы происходит преломление и отражение волны (рис. 1.2)

Рис. 1.2 Механизм преломления (отражения) волн в ионосферном слое.

Частота f падающего наклонного луча и высота связаны между собой соотношением

, (1.1)

где – концентрация электронов,

– угол возвышения наклонного луча над поверхностью Земли.

Из выражения следует, что при фиксированном угле возвышения наклонного луча при повышении частоты высота, на которой происходит отражение, увеличивается. Одновременно растет радиус кривизны луча в точке поворота, равный

(1.2)

Таким образом, с повышением частоты луч, падающий на ионизированный слой, возвращается на Землю все дальше и даль­ше от излучателя. При некотором значении частоты луч попадает в область ионосферы, где градиент концентрации электронов

становится отрицательным. При этом радиус кривизны меняет свой знак и, попадая на ионосферный слой, волна проходит через него и не возвращается на Землю (см. рис. 1.2).

Наибольшая частота, при которой наклонный луч, падающий на ионосферу, еще возвращается на Землю, называется максимальной частотой. Между критической и максимальной частотами су­ществует зависимость

,

где – высота, при которой концентрация электронов максимальна,

– радиус земли,

– критическая частота.

Если зафиксировать частоту f и изменять угол возвышения луча, то происходит следующее. При увеличении угла будет увеличиваться высота, на которой происходит отражение, и одновременно увеличивается радиус кривизны в точке отражения. Поэтому, с одной стороны, уменьшается расстояние от излучате­ля до точки, в которой луч возвращается на Землю, и, с дру­гой стороны, возрастание кривизны луча приводит к тому, что он перестает возвращаться на Земли и начинает проходить че­рез ионосферу (см. рис. 1.2).

Максимально применимая частота, может быть определена экспериментально и расчетным путем. Существует несколько методов ее расчета. Лаборатория долгосрочных радиопрогнозов ИЗМИРАН публикует данные для расчета МПЧ, позволяющие опреде­лить часовые значения МПЧ и медианные за месяц для линии любой протяженности, проходящей в любых географических широтах.

Волны, распространяясь в ионосфере, частично в ней пог­лощаются. Величина потерь в ионосфере зависит от частоты и с повышением частоты падает. Поэтому при заданном расстоянии между корреспондентом за рабочую частоту, на которой будет осуществляться связь, выгодно выбрать МПЧ. Однако параметры ионосферы подвержены случайным флуктуациям к в качестве ра­бочей частоты выбирается частота меньшая чем МПЧ, так называе­мая оптимальная частота (ОРЧ).

Оптимальной рабочей частотой называется частота, обес­печивающая связь по условиям отражения в течение 90% времени за месяц. Она берется в качестве наивностей частоты диапазона рабочих частот.

На основании экспериментальных данных считают, что ОРЧ должна быть равна 0,85 МПЧ. Для полярных широт ОРЧ может отличаться от МПЧ на 40%.

С понижением частоты растут потери в ионосфере и, кроме того, возрастает уровень атмосферных помех на коротких волнах. Поэтому с понижением частоты при заданной мощности передатчи­ка становится все труднее обеспечить требуемое отношение сиг­нал/шум в точке приема. Наименьшая частота, при которой надеж­ность работы радиолинии соответствует минимально допустимой, называется наименьшей применимой частотой (НПЧ). Значение НПЧ зависит от величины поглощения, уровня помех, мощности передатчика и т.п.

Значения ОРЧ и НПЧ для данной радиолинии определяют диапазон ее рабочих частот.

В течение суток при изменении освещенности ионосферы изменяются МПЧ и поглощение в ионосфере, поэтому рабочие ча­стоты нужно менять. Международные правила предусматривают наличие для каждой линии нескольких рабочих частот: от 2. 3 до 4. 5 для протяженных линий.

Для каждой коротковолновой линии связи составляется расписание, указывающее, какие частоты нужно использовав в течение суток. Это расписание называется волновым расписанием. Волновое расписание можно составить, зная, как изменяется СРЧ и НПЧ в течение суток, так как используемые в течение нескольких часов рабочие частоты должны быть не выше ОРЧ и НПЧ и не ниже НПЧ. Примерная зависимость суточного хода ОРЧ и НПЧ по московскому времени приведена на рис. 1.3, где также показаны выбранные рабочие частоты.

Рис. 1.3. Зависимость суточного хода ОРЧ и НПЧ

По графикам на рис. 1.3 можно составить волновое расписание.

Остановимся на таком характерном для линий КВ радиосвязи явлении как многолучевость.

Рис. 1.4. Механизм явления многолучевости

Многолучевость может наблюдаться в разных диапазонах волн, но при этом она может иметь различную природу. На коротких волнах при ионосферном распространении причиной многолуче­вости является то, что различные лучи прошли разный путь в ионосфера (отразились от разных высот). При этом луч может запаздывать относительно другого луча. Расчеты показывают, что время задержки между лучами может колебаться от 0 до 2 мс (на расстоянии ≤ 8000 км).

На коротких волнах на частотах, близких к ОРЧ, наиболее часто в точке приема днем наблюдаются два луча (на расстоянии ≤ 2000 км).

При работе на частотах значительно меньше ОРЧ число лу­чей увеличивается до четырех-пяти и более. Возрастание числа лучей характерно для трасс длиннее 2000 км.

Многолучевость вызывает уменьшение полосы пропускания линии связи.

Действительно, между длительностью импульса и полосой, которая требуется для его воспроизведения, существует обратно пропорциональная зависимость.

Δ .

Если время задержки составляет 1 мс, то это означает, что минимальная полоса линии связи имеет значение

Δ

Многолучевость вызывает, кроме того, такие вредные яв­ления, как замирания сигналов. Замирания, как правило, обус­ловлены интерференцией в точке приема различных лучей, между которыми существует и случайным образом меняется разность хода. Более детально замирания рассмотрены в параграфе 2.1, посвященном общей характеристике помех, действующих в кана­лах радиосвязи.

Несмотря на ограничения по пропускной способности, обусловленные многолучевостью, КВ линии получили большое распространение в системах радиосвязи различного назначения.

КБ линия широко используется в авиации в целях обеспече­ния дальней радиосвязи, как между пунктами управления, так и между пунктами управления и самолетами в воздухе.

УКВ линии прямой видимости

Если на пути распространения ультракоротких волн нет пре­пятствий, размеры которых соизмеримы с длиной волны, то они распространяется по законам, геометрической оптики, т.е. по прямой.

Связь ка УКВ между двумя корреспондентами будет осущест­вляться тогда, когда между их антеннами будет прямая види­мость.

Расстоянием прямой видимости называется такое расстоя­ние между точками передачи и приема, когда линия АВ, их соединяющая, касается земной поверхности (рис. 1.5).

Дальность связи с учетом высот антенн определяется соот­ношением

км

Где и — высота передающей и приемной антенн в метрах.

С учетом нормальной рефракции в атмосфере дальность связи на УКВ увеличивается до величины

км

При высоте антенн 10. 15 м дальность связи составляет 25…35 км.

Если радиостанции располагаются на господствующих высо­тах, дальность связи может достигать 60 км и более.

Если одна из радиостанций находится на самолете, то вы­сота ее антенны увеличивается. В этом случае дальность связи будет зависеть от высоты полета самолета и может достигать 400…500 км.

УКВ линии прямой видимости нашли широкое применение в авиационных системах воздушной радиосвязи. При этом исполь­зуются диапазоны 100. 150 МГц и 220. 400МГц.

Для получения связи на расстояния, превышающие пределы прямой видимости, еще в 30-е годы были предложены радиорелейные линии (PPЛ)_. Радиорелейная линия представляет собой це­почку приемо-передающих станций, антенны которых стоят друг от друга на расстоянии прямой видимости. Для передачи сигналов на значительные расстояния используется принцип ретрансляции.

Рис. 1.6.

Для передачи сигналов от одной радиорелейной станции (РРС) к другой применяются остронаправленные антенны с коэф­фициентом усиления 30…40 дБ и более. Большие коэффициенты усиления антенны позволяют применять на РРЛ передатчики сравнительно небольшой мощности (не более 10…20 Вт).

Для работы РРЛ выделяются полосы частот, расположенные в области 0,4; 2; 4; 6; 8 и 11 ГГц идет освоение более вы­сокочастотного диапазона до 15 ГГц н выше. Выбор указанных диапазонов обусловлен необходимостью обеспечения высокой пропускной способности, помехоустойчивости и надежности связи.

РРЛ находят широкое применение в авиационных системах связи между наземными пунктами управления.

Тропосферные радиорелейные линии

Тропосферными радиорелейными линиями (TPJI) называются линии, на которых используется рассеяние и отражение радиоволн, от неоднородности тропосферы. Тропосферой называется нижний слой атмосферы, простирающийся над умеренными широта­ми до высот 10-12 км. Тропосфера содержит много паров воды и поэтому диэлектрическая проницаемость ее Ԑ зависит от количества этих паров, температуры и давления воздуха. Тур­булентное движение воздушных потоков приводит к локальным изменениям влажности, температуры, давления, вследствие чего в тропосфере появляется местные неоднородности диэлектричес­кой проницаемости.

По структуре различают объемные н слоистые неоднородности. Объемные и слоистые неоднородности тропосферы создают рассеяние и отражение электромагнитной энергии в направлениях отличных от направления распространения волн. Рассеяние радиоволн происходит в основном на объемных (турбулентных) неоднородностях.

Слоистые неоднородности создают отражения, величины которых зависят oт скачка диэлектрической проницаемости.

При тропосферном распространении отражение и рассеяние радиоволн происходит в некотором объеме, лежащем вышe пере­сечения касательных к поверхности земли, проведенных из точек расположения станций, и называемом объемом переизлучения. При использовании остронаправленных антенн объемом пере­излучения является объем, образованный пересечением основных лепестков диаграмм направленностей передающей и приемной антенн (рис. 1.7).

При тропосферной рассеянии в точку приема приходят лу­чи от различных элементов объема рассеяния, и поэтому в дан­ном случае наблюдается диффузионная многолучевость.

Разность хода лучей, а следовательно, и времени прихода Δt приводит к появлению фазовых сдвигов. На несущей частоте сдвиг фаз

.

При модуляции сигналом с частотой F образуются нижняя и верхняя боковые частоты и . Для этих частот фазовые сдвиги соответственно равны:

;

.

Чем больше время запаздывания, тем значительнее отлича­ются фазы колебаний у верхней и нижней боковых составляющих. Для того, чтобы в пределах передаваемого спектра отличия были меньше, необходимо выполнить условия:

;

.

Из приведенных выражений следует, что эти условия выполнимы, если

.

Отсюда, максимальное значение модулирующей частоты

,

где — максимальное время запаздывания сигнала при многолучевом распро­странении.

Таким образом, вследствие многолучевости величина , а следовательно, и «полоса пропускания» тракта распростране­ния уменьшаются. На тропосферных линиях время запаздывания изменяется по случайному закону. Поэтому и полоса пропуска­ния оказывается непостоянной. Она может быть определена только статистически.

Спектральные компоненты складываемых сигналов при много­лучевом распространении имеют случайные фазы и наряду с изме­нением амплитудно-частотной характеристики тракта происходит также непрерывное изменение его фазовой характеристики (груп­пового времени запаздывания).

Для получения более равномерной амплитудно-частотной ха­рактеристики и более линейной фазовой характеристики тракта распространения прибегают к сужению ширины диаграмм направ­ленности антенн. Благодаря этому разность хода между самым длинным и самым коротким путями уменьшается и становится воз­можной более широкополосная передача.

Кроме ограничения пропускной способности обусловленной запаздыванием сигналов, многолучевость при тропосферном рас­пространении радиоволн приводит к появлению быстрых замираний. Возникают они за счет интерференции радиоволн, переизлученных разными неоднородностями тропосферы. Быстрые замирания имеют «период» от десятых долей секунды до десятков секунд. Стати­стическое распределение глубины быстрых замираний определяет­ся обычно относительно медианного значения уровня сигнала за период времени 1…10 минут.

Распределение глубины быстрых замираний подчиняется в первом приближении обобщенному закону Релея.

Кроме быстрых замираний при тропосферном распространении наблюдаются медленные замирания сигнала. Эти замирания пред­ставляют собой изменения во времени медианных значений множи­теля ослабления, рассчитанные за интервалы времени в 5. 10 минут. Вызываются они изменениями переизлучавщих объемов тро­посферы, которые происходят, например, при прохождении через трассу холодных и теплых воздушных течений. Медленные измене­ния множителя подчиняются в первом приближении логарифмически нормальному закону.

Принципы построения ТРЛ аналогичны принципам построения РРЛ пряной видимости, за исключением того, что на TPЛ проме­жуточные станции располагаются на расстояниях 200. 400 км и прямая видимость между ними отсутствует. Существующие TPЛ свя­зи используют диапазон частот от 300 до 8000 МГц. Из-за зна­чительного ослабления сигнала на участке распространения и на­личия глубоких замираний требуется более высокий энергетичес­кий потенциал линии. Достигается это применением передатчи­ков мощностью от нескольких сотен ватт до 50 кВт, высоконаправленных антенн с коэффициентом усиления до 50. 55 дБ и вы­сокочувствительных приемников с малошумящими усилителями радио­частоты. Кроме того, для борьбы с замираниями сигнала исполь­зуется сдвоенный и счетверенный прием с частотным, простран­ственным и частотно-пространственным разнесением.

Тропосферные радиорелейные линии находят все более широкое применение в авиационных системах связи между наземными пунктами управления.

Спутниковые линии связи

В спутниковых линиях связи роль ретрансляционных станций выполняют искусственные спутники Земли (ИСЗ). Различают мето­ды активной и пассивной ретрансляции.

В системе с активной ретрансляцией на борту ИСЗ устанав­ливается приемо-передающая аппаратура.

В системе с пассивной ретрансляцией бортовое оборудование (приемо-передающее) отсутствует и используется рассеивающее действие поверхности ИСЗ.

Активная ретрансляция в свою очередь подразделяется на мгновенную ретрансляцию и задержанную.

При мгновенной ретрансляции ИСЗ работает как обычный ретранслятор, т.е. передает информацию на Земли непосредст­венно после приема, без задержки во времени (рис. 1.8).

Достоинством мгновенной ретрансляции является большая пропускная способность и возможность использования относитель­но простого оборудования на земных станциях и на борту. ИСЗ могут находиться на высоких орбитах, что позволяет охватывать радиосвязью значительные территории.

Задержания ретрансляция предполагает наличие на борту устройства памяти, в котором должна храниться информация, по­лученная от передающей станции. При пролете станции над зем­ным приемным пунктом накопленная информация передается на Землю (рис. 1.9).

Очевидно, что системы связи с задержанной ретрансляцией в силу ограниченности объема памяти обладают малой пропускной способностью и, кроме того, они не позволяют организовать телефонную связь с немедленным ответом. Однако она характери­зуется рядом достоинств. Например, спутники в подобных си­стемах могут использовать низкие орбиты, что удешевляет запуск космического аппарата, позволяет снизить мощность борто­вого передатчика и осуществлять селективную связь в опреде­ленных географических зонах. Системы с задержанной ретрансля­цией находят ограниченное применение.

Вследствие высокой стоимости аппаратура ретрансляции, устанавливаемой на ИСЗ, экономически целесообразно системы с активной ретрансляцией использовать для организации многока­нальной телефонной, телеграфной связи к трансляции телевиде­ния, Кроме того, спутниковые системы связи строят так, чтобы один спутник-ретранслятор обслуживал возможно большее ко­личество земных станций, т.е. обеспечивался многостанционный доступ (рис. 1.10).

Для обеспечения многостанционного доступа используется различные методы разделения каналов: временное разделение, частотное разделение, разделение по форме.

Лучше всего многостанционный доступ реализуется при соз­дании асинхронно-адресной системы связи. Сигналы каждой стан­ции в этом случае представляют собой последовательности им­пульсов в виде частотно-временного кода, формируемые с ис­пользованием частотно-временной матрицы. При этом разделение каналов осуществляется по форме сигналов.

Пассивная ретрансляция не нашла широкого применения, поскольку для получения требуемого уровня сигнала на входе приемной станции требуется большая мощность передатчика на­земной станции (10…15 кВт) и большая отражающая поверх­ность ИСЗ.

В спутниковых системах связи могут использоваться ИСЗ, движущиеся по орбитам, которые отличается следующими пара­метрами: формой (круговая или эллиптическая); высотой над поверхностью Земли H, наклонением, т.е. углом ɣ между эк­ваториальной плоскостью и плоскостью орбиты. В зависимости от угла ɣ орбиты подразделяются на экваториальные (ɣ= ), полярные (ɣ= ), и наклонные

( ɣ 9 ).

Особый интерес представляет круговая, экваториальная орбита (ɣ= ), удаленная от поверхности земли на рас­стояние около 36000 км. Период обращения спутника на такой орбите составляет 24 часа. В том случае, когда направление движения спутника совпадает с направлением вращения Земли, спутник будет неподвижным относительно наземного наблюдателя.

Эта особенность, а также то, что ИСЗ находится от Земля на большом удалении, приводит к следующим важный преимущест­вам связи через геостационарный спутник; во-первых, становят­ся возможным передача и прием сигналов с помощью неподвижных антенных систем (более простых и дешевых, чем подвижные); во-вторых, не сказывается эффект Доплера; в-третьих, возможно осуществление круглосуточной непрерывной связи на территории, равной примерно трети земной поверхности; в-четвертых, три геостационарных спутника обеспечивают создание глобальной системы связи. Однако через геостационарный ИСЗ затруднитель­но осуществлять связь с приполярными районами, расположения­ми на широтах выше 75°. 80°, так как при этом существенно возрастают шумы на входе земных приемников. Поэтому для приполярных районов СССР лучше наклонная, эллиптическая орби­та, например, орбита ИСЗ «Молния» с апогеем в северном полушарии.

Следует подчеркнуть, что оптимальная орбита спутника вы­бирается отдельно для каждой конкретной системы связи.

При выборе диапазона рабочих частот для спутниковых си­стем связи необходимо учитывать зависимость от частоты, уров­ня космических и атмосферных шумов, поглощения радиоволн, уровня внутренних шумов приемника, габаритов, а также стои­мости антенн.

Суммарная мощность шумов, отнесенная ко входу приемника равна

,

где — мощность внутренних шумов приемника;

— мощность внешних шумов.

Внешние шумы определяются как

, (1.4)

где – шумы атмосферы и Земли;

– шумы, создаваемые радиоизлучениями Солнца и других планет (космические шумы).

Мощность шумов связана с эквивалентной шумовой температурной зависимостью

(1.5)

где k – постоянная Больцмана;

— полоса пропускания приемника.

Выражение (1,3) с учетом (1,4) и (1,5) можно записать в виде

.

Для уменьшения эквивалентной шумовой температуры на входе приемника используются малошумящие усилители, например, квантовые или параметрические.

На рис. 1.12 показаны кривые, которые определяют зави­симость эквивалентной температуры атмосферы, приведенной к антенне от частоты f и угла возвышения диа­граммы направленности антенны . На этом же графике пока­заны примерные пределы изменения эквивалентной температуры космических шумов.

Рассмотрение кривых (рис. 1.12) показывает, что при уменьшении величина растет настолько быстро, что использование величины нецелесообразно.

Из графика видно, что суммарная шумовая температура внешних источников (космических, атмосферных и земных) мини­мальна в диапазоне 1…10 ГГц. Поэтому в этом диапазоне час­тот работает наибольшее число спутниковых систем связи.

Передающие устройства наземных станций аналогичны пере­дающим устройствам тропосферных линия связи. Обычно на выхо­де передающего устройства устанавливается пролетный клистрон или лампа бегущей волны мощностью 3…10 кВт.

В качестве антенных устройств наземных станций чаще всего используется однозеркальные и двухзеркальные парабо­лические антенны с коэффициентом усиления 50. 60 дБ.

Бортовое приемо-передающее оборудование отличается вы­сокой надежностью, малыми габаритами, малой потребляемой мощность, высокой стойкостью к воздействию радиации и пере­падов температуры. Как правило, мощность бортового передат­чика составляет 30. 40 Вт.

Спутниковая связь является перспективным видом связи.

1.2.6. Метеорные линии связи

В метеорных линиях связи используется отражение ультра­коротких (метровых) волн от метеорных следов-столбов ионизи­рованного вещества, которые образуются при попадании метеор­ных тел в атмосферу.

При создании метеорной линии связи антенны передающего и приемного устройства устанавливаются так, что их диаграммы направленности пересекаются в некоторой области пространства, находящейся на высоте между 120 и 80 км. При вторжении в эту область метеорита возникает ионизированный след, ведущий себя как отражатель, и между передатчиком и приемником может осуществляться связь. Отражение электромагнитных волн от ионизированных следов носит зеркальный характер, вследст­вие чего уровень сигнала в точке приема значительно выше, чем в случае ионосферного рассеяния радиоволн.

Длительность существования большинства следов, пригод­ных для связи, составляет 0,1…1,5 с.

В среднем можно считать, что за одну минуту регистри­руется 2. 3 отраженных сигнала длительностью около 1 с. Значит, связь за счет отражения от ионизированных следов ме­теоров, может быть только прерывистой, причем длительность сеансов составляет 3. 5% от общего времени работы аппарату­ры метеорных станций. Вместе с тем, благодаря зеркальному отражению волн и прерывистому характеру связи, метеорная связь обладает высокой скрытностью.

Возникновение благоприятного для связи метеорного следа и деятельность его существования есть процессы случайные. Поэтому в системах метеорной связи широко применяется прин­цип управляемой прерывистой передачи информации, заключаю­щийся в том, что информация передается с высокой скоростью частями лишь в течение времени существования пригодных для связи метеорных следов. В интервале между этими кратковре­менными сеансами связи разводится непрерывное зондирование ионосферы с целью обнаружения пригодных следов_.

Неотъемлемой частью систем метеорной радиосвязи являют­ся накопительные устройства. Их применение диктуется необхо­димостью сочетания быстродействующей прерывистой передачи по радиоканалу с равномерным вводом и выводом информации на пе­редающей и приемной стороне.

Метеорные системы связи позволяют на частотах 30. 50 МГц при коэффициенте усиления передающей и приемной антенн 15…20 дБ (сравнительно просто реализуемых) и мощности пере­датчика порядка 1…2 кВт осуществлять связь на расстояние до 2500 км. Энергетически они более экономичны чем ионосфер­ные.

Эффективная полоса пропускания метеорной линии связи 10…20 раз выше ионосферной и составляет 100…200 кГц. Сле­довательно, пропускная способность метеорных систем радио­связи более чем в 10 раз выше пропускной способности ионос­ферных систем при одинаковых мощностях передатчиков.

Метеорные линии связи весьма перспективны. Особенно они незаменимы в труднодоступных районах в полярных широтах.

1.2.7. Линии радиосвязи, использующиеионосферное рассеяние метровыхволн

Экспериментальные исследования показали, что в области ионосферного слоя D на высоте 75…90 км происходит рассея­ние метровых электромагнитных волн. Причиной рассеяния метро­вых электромагнитных волн слоем D является рассеяние на локальных неоднородностях диэлектрической проницаемости ионо­сферы.

Рассеяний ионосферой сигнал обладает очень малой интен­сивностью, поэтому в линиях связи ионосферного рассеяния (ИР) используются мощные передатчики (более 10 кВт) и антенны с большим коэффициентом усиления (20. 30 дБ). Дальность связи в линиях ионосферного рассеяния составляет 1000. 2200 км.

Потери в ионосфере резко убывает с увеличением частоты, поэтому линии ИР используются на частотах не выше 60 МГц. С другой стороны, частоты ниже 25. 30 МГц использовать невыгод­но из-за интерференции рассеянного и нормально отраженного полей. Таким образом, в линиях ИР используется длинноволно­вый участок метрового диапазона.

В линиях ИР, так же как и при дальнем тропосферном рас­пространении, наблюдаются явления многолучевости и связанные с ним замирания сигналов.

Линии ИР находят ограниченное применение авиационных системах связи.

Лекция 3

Тема«Классификация систем радиосвязи.

Источник