Станции тропосферной связи. Тропосферная радиосвязь

Аппаратура радиорелейных линий прямой видимости, т. е. 40 км при отсутствии ретрансляторов, не могла обеспечить связью ни Крайний Север, ни удаленные районы Сибири. Ретрансляционные станции требовали создания инфраструктуры, необходимой для обеспечения жизнедеятельности обслуживающего персонала. Экономические затраты на инфраструктуру зачастую оказывались не соизмеримыми с потребностями в области связи. Это явилось основанием для исследования новых принципов распространения радиоволн, обеспечивающих передачу больших объемов информации на значительные расстояния.

В СССР исследования тропосферного распространения радиоволн с целью создания аппаратуры связи начались в середине 1950-х годов.

Идея создания линий тропосферной связи с расстояниями между пунктами в сотни километров принадлежала советскому ученому В. А. Смирнову . Особенность этих линий заключается в использовании эффекта рассеяния радиоволн на неоднородностях (спорадических слоях) атмосферы. Для дальней тропосферной связи требовались мощные передающие устройства, антенны с большим усилением, высокочувствительные приемники многократного приема с порогопонижающими системами.

Наиболее подходящим для тропосферных систем с расстояниями между пунктами 200–300 км являлся диапазон 700–1000 МГц. На основании теоретических исследований, анализа отечественной и зарубежной литературы, сравнения различных систем многократного приема была выработана структура построения, как отдельных станций, так и всей линии дальней тропосферной связи. Первая отечественная тропосферная станция ТР-60/120 была построена в 60-х годах прошлого века.

На аппаратуре ТР-60/120 в 60-70-х годах была построена сеть тропосферных линий протяженностью более 15 000 км, содержащая 55 промежуточных станций. Была построена линия тропосферной связи между СССР и Индией длиной 700 км (между городами Душанбе и Сринагар), которая в 1981 г. связала две крупнейшие столицы мира – Москву и Дели.
Попытка осуществить передачу черно-белого телевидения в диапазоне 700–1000 МГц успеха не имела, а вот в диапазоне 5000 МГц это стало возможным.

Появление в конце 1960-х – начале 70-х средств спутниковой связи и широкое их применение начиная с 1980-х годов значительно сократили область использования ТРРС .

Несмотря на широкое (и все более растущее) применение спутниковых средств в сетях и системах связи и развитие проводных сетей, можно полагать, что средства тропосферной загоризонтной связи перспективны для использования как в сетях специального, так и коммерческого назначения особенно в трудно доступной местности.

В сетях специального назначения преимуществом тропосферных средств перед спутниковыми, является более высокая живучесть в условиях вооруженных конфликтов и/или антитеррористических мероприятий.
В коммерческих сетях применение тропосферных средств в некоторых случаях может быть экономически целесообразнее, чем применение спутниковых. Использование тропосферных станций возможно также при развертывании линий связи в высоких северных широтах, где применение спутниковой связи через геостационарные спутники принципиально невозможно.
За счет большей протяженности интервалов линии загоризонтной связи имеют преимущество перед линиями прямой видимости при организации связи в труднодоступных, горных и малонаселенных районах.

8. Тропосферные радиорелейные линии связи. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

8. Тропосферные радиорелейные линии связи

Принципы построения тропосферных радиорелейных линий (ТРЛ) характеризуются рядом особенностей, связанных со спецификой передачи радиосигналов . Создание ТРЛ стало возможным после того, как было открыто явление дальнего тропосферного распространения (ДТР) УКВ. ДТР происходит за счет отражения и рассеяния радиоволн турбулентными и слоистыми неоднородностями тропосферы. При этом поле в точке приема создается в результате переизлучения только тех неоднородностей, которые находятся в пределах объема Q, образованного пересечением диаграмм направленности передающей и приемной антенн (рисунок 8.1). Если использовать антенны с высокой направленностью (большим коэффициентом усиления), то объем переизлучения будет уменьшаться.

В результате этого рост уровня сигнала на выходе приемной антенны А 2 может отставать от роста усиления антенны. Данное явление принято называть потерей усиления антенн. Переизлучающий объем Q тропосферы играет роль пассивного ретранслятора. Q характеризуется значительной пространственной и временной неоднородностью. Рассеяние радиосигнала в объеме Q происходит во все стороны и лишь незначительная часть его поступает в точку приема. Чем больше угол рассеяния Q (рисунок 8.1), тем меньше угол принимаемого сигнала.

Все это в целом приводит к следующим особенностям в передаче сигналов по ТРЛ :

1. Поскольку для переизлучения можно использовать даже верхние слои тропосферы (в умеренных широтах высота тропосферы составляет 10-12 км), протяженность пролетов R на ТРЛ может превышать 1000 км (при этом антенны можно располагать непосредственно на Земле). Однако, с учетом других особенностей расстояние между станциями выбирают чаще в пределах 200…400 км.

2. В следствии значительного ослабления сигналов на пролетах приходится существенно увеличивать энергетический потенциал системы. На ТРЛ применяют передатчики мощностью до 10 кВт, антенны размерами до 30×30 м 2 и соответственно коэффициентом усиления до 50…55 дБ, малошумящие приемники .

3. Из-за пространственно-временной неоднородности переизлучающих объемов тропосферы принимаемые сигналы на ТРЛ подвержены как быстрым, так и медленным замираниям. Первые обусловлены интерференцией множества радиоволн, переизлученных разными участками рассеяния в объеме Q. Длительность быстрых замираний изменяется от сотых долей секунды до нескольких секунд. В течении 5…10 мин случайный процесс изменения уровня принимаемого сигнала приближенно можно считать стационарным. Для этого интервала времени на основе статистических данных можно определить медианное значение множителя ослабления V м, то есть такое значение V, которое превышается (или не превышается) в течении 50% указанного времени наблюдения. Распределение мгновенных значений множителя ослабления V при быстрых замираниях удовлетворительно аппроксимируется законом Релея. При этом выраженная в процентах времени интегральная функция распределения

Медленные замирания связанны с изменением метеорологических условий на трассе. С учетом медленных замираний процесс изменения уровня сигнала в целом является нестационарным. Математической моделью медленных замираний принято считать распределение случайных величин V м относительно медианного значения, определенного за длительный срок, например за месяц или год. Чаще используется медианное значение (V м.м), которое рассчитывается на основе статистических данных об изменении V м в течении одного месяца наблюдения. Колебания V м.м в течении года связывают с сезонными замираниями (месячная медиана уровня сигнала в летние месяцы примерно на 10 дБ больше, чем зимой). Для борьбы с медленными и сезонными замираниями эффективны адаптивные системы с каналом обратной связи , по которому можно управлять мощностью и (или) частотой передатчика.

Для быстрых замираний на ТРЛ изменение сигналов в любой момент времени неоднородны в различных областях пространства и частот, поэтому для борьбы с быстрыми замираниями организовывают параллельные каналы передачи, отличающиеся несущими частотами (разнесение по частоте) и (или) траекториями распространения волн (разнесение в пространстве за счет использования различных областей переизлучения и (или) нескольких взаимно удаленных приемных антенн). При относительном частотном разносе Δf/f 0 = 2·10 -3 …5·10 3 или разносе антенн в перпендикулярном трассе направлении на 70…100 длин волн замирания сигналов в отдельных каналах становятся некоррелированными. В этом случае, например, для системы m-кратного разнесенного приема с автовыбором большего из сигналов (сигнала большей мощности в точке приема), распределение результирующей величины множителя ослабления

что указывает на повышение устойчивости связи по сравнению с одинарным приемом, Т(V) определяется (8.1).

4. Селективные замирания по частоте препятствуют передаче по ТРЛ широкополосных сигналов (как аналоговых, так и цифровых), так как при широком спектре передаваемых сигналов селективные замирания вызывают изменения фазовых и амплитудных соотношений спектральных компонентов, то есть искажается спектр, а, следовательно и форма сигналов. В групповом телефонном сигнале возникают переходные помехи как при использовании метода ЧРК-ЧМ, так и при импульсной (цифровой) модуляции. Селективные замирания являются следствием многолучевого распространения радиоволн. Если относительное запаздывание лучей Δt превосходит длительность одного цифрового сигнала τ, то возникает явление эхо, искажается форма сигналов.

Связанное с селективными замираниями ограничение полосы частот при передаче аналоговых и цифровых сигналов указывает на недостаточную пропускную способность ТРЛ. Действительно, число ТФ каналов в одном стволе ТРЛ пока не велико (120 ТФК). Для передачи телевидения применяют специальное оборудование, используют частоты в диапазоне 4…6 ГГц, антенны с шириной диаграммы направленности не более 0.3º.

Для борьбы с быстрыми замираниями наибольшее распространение получили различные варианты разнесенного приема и применение широкополосных составных сигналов. Так как замирания на ТРЛ весьма интенсивны, на этих линиях часто прибегают к комбинированным видам разнесения сигналов.

На рисунке 8.2 представлена упрощенная структурная схема АФТ и приемопередающей аппаратуры ОРС для одного дуплексного ствола ТРЛ, на которой предусмотрен счетверенный прием с разнесением сигналов по частоте и пространству (на ПРС и УРС объем оборудования соответственно увеличивается). В состав схемы входят антенны (А), поляризационные селекторы (ПС), разделительные фильтры (РФ), приемники (Пр), передатчики (П), устройства комбинирования сигналов (УК), частотные детекторы (ЧД), аппаратура разделения и объединения каналов (АР) и (АО), частотный модулятор (ЧМ) и разветвитель (Р). Соседняя станция линии передает одинаковые сообщения на разных несущих частотах f 1 и f 2 . Эти сигналы принимаются разнесенными в пространстве антеннами А 1 и А 2 , и через ПС и РФ поступают в приемники. В УК 1 и УК 2 комбинируются сигналы промежуточной частоты f пр с выходов приемников, настроенных на одинаковые несущие частоты, но соединенных с разными антеннами. Таким образом, УК 1 и УК 2 реализуют эффект пространственного разнесения. В УК 3 осуществляется последетекторное комбинирование сигналов, разнесенных по частоте. В обратном направлении связи одинаковые сообщения, также передаются на разных частотах f 3 и f 4 .

Рисунок 8.2. Упрощенная структурная схема ОРС при счетверенном приеме

Используемые на ТРЛ антенны параболического типа не обеспечивают достаточную величину коэффициента защитного действия. При значительных мощностях передатчиков и высокой чувствительности приемников это создает реальную опасность помех, вызванных приемом сигналов с противоположного направления связи . Поэтому на ТРЛ, как правило, применяют четырехчастотный план. Таким образом, с учетом разнесения по частоте для одного дуплексного ствола требуется восемь рабочих частот. Причем разность частот передачи и приема в одной антенне (с целью упрощения развязывающих фильтров) устанавливается довольно большой: для систем, работающих на частотах ниже 1000 МГц, эта разность равна примерно 40 МГц, а для систем работающих на частотах выше 1000 МГц, около 80 МГц.

В общем случае комбинирование сигналов в УК 1 , УК 2 и УК 3 может производиться по принципу линейного оптимального сложения или путем автовыбора. Любой из этих вариантов может быть реализован в УК 3 , когда комбинируются сигналы после ЧД. Условием нормального линейного или оптимального сложения в УК 1 и УК 2 является синфазность сигналов на частоте f пр.

ТРЛ находит весьма ограниченное применение и с развитием связи с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ) их значимость существенно снизилась.

В таблице 8.1 приведены параметры отечественных тропосферных радиорелейных систем передачи.

Таблица 8.1 – Параметры отечественных ТРЛ

Тип аппаратуры	Диапазон частот, ГГЦ	Среднее расстояние между станциями, км	Число каналов ТЧ, шт.
"Горизонт М"

Контрольные вопросы :

1. Перечислите особенности передачи сигналов по ТРЛ.
2. Как борются с быстрыми замираниями на ТРЛ?
3. Что такое селективные замирания?
4. Какой план частот применяется на ТРЛ? Почему?
5. Назовите некоторые тропосферные радиорелейные системы передачи.

Успешное развитие радиосвязи сопровождается увеличением скоростей и объемов передаваемой информации. Для передачи возрастающих потоков информации с малыми потерями используют сигналы с более широкой полосой (шириной спектра), что требует расширения диапазона частот , занимаемого системой связи. В свою очередь, передача сигналов с более широкой полосой требует перехода на более высокие несущие частоты (более короткие волны) . Тем более что расширять полосу рабочих частот систем связи в уже освоенных диапазонах волн становится невозможным из-за тесноты в эфире. Исторически сложилось так, что в первую очередь были освоены длинноволновые участки радиодиапазона, а для перспективных радиотехнических систем, как международными соглашениями, так и национальными стандартами, резервировались области более высокочастотных сигналов.

В результате, современные системы связи осваивают диапазоны все более коротких волн (все более высокой частоты). К достоинствам диапазонов ультракоротких волн относится также несущественный уровень атмосферных и индустриальных помех. Кроме того, широкополосные сигналы позволяют использовать прогрессивные виды модуляции и методы обработки сигналов, обеспечивающие лучшие характеристики помехоустойчивости приема .

В то же время нужно помнить, что радиоволны с длиной волны короче 10 метров можно эффективно использовать лишь в пределах границ прямой видимости.

Компромиссным решением при построении широкополосных систем связи, предназначенных для работы на больших дальностях, является применение радиорелейных линий связи (РРЛ).

Радиорелейные линии представляют собой цепочку ретрансляторов, обеспечивающих поочередную передачу радиосигналов между оконечными станциями. Различают два вида радиорелейных систем передачи (РРСП) - РРСП прямой видимости , станции которых размещаются на расстоянии прямой видимости, и тропосферные РРСП , использующие рассеяние и отражение радиоволн в нижних областях атмосферы при взаимном расположении станций далеко за пределами прямой видимости .

Так например на частотах ОВЧ- и СВЧ-диапазона надежная связь с низким уровнем помех может быть получена только в условиях прямой видимости между антеннами, излучающими радиоволны. Расстояние между антеннами радиорелейных систем зависит от структуры земной поверхности и высоты антенн над ней.

Типичные расстояния составляют 40 - 50 км при высотах башен и мачт, на которых устанавливаются антенны, около 100 м. Ограниченность расстояния прямой видимости не следует рассматривать как недостаток. Именно за счет невозможности свободного распространения радиоволн на большие расстояния устраняются взаимные помехи между радиорелейными системами передачи внутри одной страны и разных стран. Кроме того, в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи.

Рисунок 2.9 - Принцип радиорелейной связи прямой видимости

Радиорелейная линия передачи, в которой используется рассеяние и отражение радиоволн в нижней области тропосферы при взаимном расположении соседних станций, называется тропосферной радиорелейной линией передачи. Радиолиния передачи, в которой используются космические станции, пассивные спутники или иные космические объекты, называется космической линией передачи .

Рисунок 2. 10 - Схема тропосферной радиосвязи: 1 - передатчик; 2 - луч передатчика; 3 – слои атмосферы, рассеивающие радиоволны; 4 - луч приёмника; 5 – приёмник

Рисунок 2.11 - Схема радиорелейной линии тропосферной связи: О и П - оконечная и промежуточная приёмо-передающие радиостанции; R - расстояние между станциями (по дуге земной поверхности); 1, 3 - радиопередатчики и радиоприемники оконечных и промежуточных станций; 2, 4 - приемо-передающие антенны оконечных и промежуточных станций; 5 - переизлучающие области тропосферы.

Рисунок 2. 12 - Схема радиорелейной линии связи с искусственным спутником Земли (ИСЗ):

1 – оконечные пункты линии; 2 – промежуточный пункт; 3 – земная станция радиосвязи с ИСЗ; 4 – ИСЗ с активным ретранслятором

Радиорелейные линии заняли прочное место в сети связи России. Они широко используются для передачи сигналов многоканальной телефонии, телевидения, звукового вещания, телеграфа, фототелеграфа, изображений газетных полос и т. и. Они также широко используются для технологических нужд при обслуживании газо- и нефтепроводов, на железнодорожном транспорте и т. д.

Наземные радиорелейные линии связи строят с пролётами между ретрансляторами 30–50 км, возможно увеличение этого расстояния до 100–120 км за счёт увеличения высоты подвеса антенн и усложнения оборудования.

Рисунок 2.13 - Башня радиорелейной связи

В городах расстояние между станциями значительно меньше – 4–7 км. Межстанционные пролёты тропосферных линий связи (использующих эффект отражения от тропосферных неоднородностей) могут превышать 400 км. Такие линии связи использовались в основном в приполярных областях до появления систем спутниковой связи, которые также являются одним из видов радиорелейных линий. В городах при ремонте кабельных линий связи, при обходе каких-либо препятствий или водных преград часто применяют однопролётные радиорелейные вставки.

Наземные радиорелейные линии устанавливают так, чтобы излучение антенн каждого пункта не могли принимать остальные пункты связи , кроме ближайших, для которых оно предназначено. Работа промежуточных пунктов радиорелейных линий связи управляется и контролируется дистанционно, без присутствия эксплуатационного персонала; особенно сложно обеспечить непрерывное энергоснабжение (при перерывах в подаче электроэнергии автоматически включаются внутренние источники: аккумуляторы, электрогенераторы с дизельными или бензиновыми двигателями, атомные батареи). По возможности места промежуточных пунктов выбирают с хорошими подъездами для удобства проведения ремонтных и профилактических работ. Как уже говорилось, антенны радиорелейных станций устанавливают на крышах высоких домов в городах, а на открытых местностях – на специально построенных мачтах высотой 40-100 м.

В СССР исследования тропосферного распространения радиоволн с целью создания аппаратуры связи начались в середине 1950-х годов.

Идея создания линий тропосферной связи с расстояниями между пунктами в сотни километров принадлежала советскому ученому В. А. Смирнову. Как уже сказано, особенность этих линий заключается в использовании эффекта рассеяния радиоволн на неоднородностях (спорадических слоях) атмосферы. Для дальней тропосферной связи требовались мощные передающие устройства, антенны с большим усилением, высокочувствительные приемники многократного приема с порогопонижающими системами (системами, обеспечивающими хороший прием сигналов при уменьшении отношении сигнал/шум).

Наиболее подходящим для тропосферных систем с расстояниями между пунктами 200–300 км являлся диапазон 700–1000 МГц. На основании теоретических исследований, анализа отечественной и зарубежной литературы, сравнения различных систем многократного приема была выработана структура построения, как отдельных станций, так и всей линии

дальней тропосферной связи. Первая отечественная тропосферная станция ТР-60/120 была построена в 60-х годах прошлого века.

На аппаратуре ТР-60/120 в 60-70-х годах была построена сеть тропосферных линий протяженностью более 15 000 км, содержащая 55 промежуточных станций. Была построена линия тропосферной связи между СССР и Индией длиной 700 км (между городами Душанбе и Сринагар), которая в 1981 г. связала две крупнейшие столицы мира – Москву и Дели.

Попытка осуществить передачу черно-белого телевидения в диапазоне 700–1000 МГц успеха не имела, а вот в диапазоне 5000 МГц это стало возможным. Появление в конце 1960-х – начале 70-х средств спутниковой связи и широкое их применение начиная с 1980-х годов значительно сократили область использования ТРРС.

Тем не менее, несмотря на широкое (и все более растущее) применение спутниковых средств в сетях и системах связи и развитие проводных сетей, можно полагать, что средства тропосферной загоризонтной связи перспективны для использования как в сетях специального, так и коммерческого назначения особенно в трудно доступной местности, горных и малонаселенных районах.

В сетях специального назначения преимуществом тропосферных средств перед спутниковыми, является более высокая живучесть в условиях вооруженных конфликтов и/или антитеррористических мероприятий.

В коммерческих сетях применение тропосферных средств в некоторых случаях может быть экономически целесообразнее, чем применение спутниковых. Использование тропосферных станций возможно также при развертывании линий связи в высоких северных широтах, где применение спутниковой связи через геостационарные спутники принципиально невозможно. Об этом мы будем говорить на следующей лекции.

В табл. 2.3 приведены параметры отечественных тропосферных радиорелейных систем передачи.

Таблица 2.3 – Тропосферные системы передачи

Классификация . По назначению радиорелейные системы связи делятся на три категории , каждой из которых на территории России выделены свои диапазоны частот:

Местные линии связи от 0,39 ГГц до 40,5 ГГц

Внутризоновые линии от 1,85 ГГц до 15,35 ГГц

Магистральные линии от 3,4 ГГц до 11,7 ГГц

Данное деление связано с влиянием среды распространения на обеспечение надёжности радиорелейной связи. До частоты 12ГГц

атмосферные явления оказывают слабое влияние на качество радиосвязи, на частотах выше 15ГГц это влияние становится заметным, а выше 40ГГц определяющим, кроме того, на частотах выше 40ГГц значительное влияние на качество связи оказывает затухание в атмосфере Земли.

Кроме того по назначению различают международные, военные, технологические РСП (для обслуживания объектов железнодорожного транспорта, линий электропередачи, нефте - и газопроводов и т.д.), космические РСП (обеспечивающие связь между космическими аппаратами или между космическими аппаратами и земными пунктами наблюдения и управления).

Еще важные признаки классификации: принадлежность к различным службам в соответствии с Регламентом радиосвязи (фиксированной службы, радиовещательной службы, подвижной службы); диапазон используемых радиочастот ; способ разделения каналов .

В зависимости от способа , принятого для формирования сигнала , различают еще аналоговые и цифровые РРЛ (или ТРЛ).

В свою очередь аналоговые радиорелейные линии связи классифицируют в зависимости от способа , принятого для объединения (разделения) первичных электрических сигналов и метода модуляции несущей : РРЛ (или ТРЛ) с ЧРК и ЧМ и РРЛ с ФИМ-АМ; в зависимости от числа N организуемых каналов : малоканальные - N 24; со средней пропускной способностью - N=60...300; с большой пропускной способностью - N=600...1920.

Цифровые РРЛ классифицируют в зависимости от способа модуляции несущей : ИКМ-ЧМ, ИКМ-ФМ и другие; в зависимости от скорости передачи двоичных символов В: с малой - В <10 Мбит/с, средней - 5=10…100 Мбит/с и высокой - В>100 Мбит/с пропускной способностью.

Аналоговые РРС предназначены в основном для передачи многоканальных телефонных сигналов в аналоговой форме и сигналов данных с низкой и средней скоростью по каналам ТЧ, а также сигналов телевидения. Цифровые РРС используются для организации цифровых трактов со скоростями от 2 до 140 Мбит/с.

Как уже сказано, радиорелейные линии (РРЛ) занимают диапазоны ОВЧ и СВЧ, причем граница между аналоговыми и цифровыми радиорелейными системами (РРС) лежит вблизи частоты 11 ГГц.

Принцип действия. Принципиальным отличием радиорелейной станции от иных радиостанций является преимущественно дуплексный режим работы, то есть приём и передача происходят одновременно (на разных несущих частотах).

Антенны РРЛ могут работать в режиме передачи и приема для одновременной передачи в противоположных направлениях с использованием двух частот: f 1 и f 2 . При этом если станция передает сигнал на частоте f 1 и принимает на частоте f 2 , то соседние с ней станции передают на частоте f 2 , а принимают на частоте f 1 . Эта пара частот, соответствующая двухчастотному плану частот МСЭ-Р, образует радиочастотный ствол .

При этом одна цепочка приемопередатчиков РРЛ образует СВЧ симплексный (т.е. предназначенный для передачи сигналов в одном направлении) ствол. Структура симплексного ствола с учетом плана распределения частот приведена на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 - Распределение частот в символьном стволе

радиорелейной линии

Два симплексных ствола, работающие во встречных направлениях, образуют дуплексный СВЧ ствол . Для передачи сигналов в обратном направлении может быть использована та же пара частот, что и в прямом направлении (двухчастотная система), либо другая пара частот (четырехчастотная система). Структурная схема одноствольной дуплексной промежуточной радиорелейной станции (ПРС) приведена на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15 - Структурная схема дуплексной ПРС

Для увеличения пропускной способности радиорелейной линии на каждой радиорелейной станции устанавливают несколько комплектов приемопередающей аппаратуры, подключенных к общей антенне. Магистральные радиорелейные линии связи могут иметь до восьми дуплексных СВЧ стволов (из них 6…7 рабочих и 1…2 резервных).

Кроме оконечных радиостанций (ОРС) и промежуточных (ПРС) для ввода в радиорелейную линию дополнительных потоков информации и вывода из РРЛ части передаваемой информации используют узловые радиорелейные станции. В узловых радиорелейных станциях, как и в ОРС, имеется аппаратура преобразования телефонных, радио и телевизионных сигналов в сигналы, передаваемые по РРЛ, и аппаратура обратного преобразования. Кроме того, от узловых радиорелейных станций могут начинаться новые радиорелейные линии (ответвления), как это показано на рис. 2.9.

Рисунок 2.16 - Схема расположения ретрансляторов на трассе радиорелейной линии связи

Для устранения подобных явлений ретрансляторы радиорелейной линии связи располагают не по прямой линии, а зигзагом , так, чтобы не совпадали главные направления соседних участков трассы, использующих одинаковые частоты. При этом используют направленные свойства антенн. Радиорелейные станции разносят от генерального направления радиорелейной линии связи таким образом, чтобы направлению на станцию, отстоящую через три пролета, соответствовали минимальные уровни диаграммы направленности антенны. На рисунке 2.16 показаны три пролета участка трассы РРЛ. На крайних пролетах используются одинаковые частоты. На такой трассе даже при сильной рефракции радиоволн сигналы от станций с номерами ПРСi и ПРСi+2 практически не влияют друг на друга. На рисунке заметно, что антенны практически не воспринимают радиоволны, приходящие с направления, лежащего на прямой, связывающей эти станции.

В силу нерегулярной структуры неоднородностей тропосферы сигналы тропосферных линий подвержены глубоким замираниям. Это затрудняет передачу больших объемов информации с хорошим качеством. С учетом изложенных обстоятельств, тропосферные радиорелейные линии связи оказывается выгодным строить в труднодоступных и удаленных районах при не слишком больших объемах передаваемой информации. При этом расстояния между станциями можно выбирать до нескольких сотен километров, а емкость систем связи может составлять десятки телефонных каналов.

Обязательными компонентами любой системы связи независимо от вида передаваемых сообщений являются передающее устройство, линия связи и приемное устройство. Сообщение a(t) от источника ИС сообщений поступает на передающее устройство, состоящее из первичного преобразователя ПСС1 сообщения в первичный электрический сигнал b(t) , и модулятора МД, обеспечивающего вторичное преобразование этого сигнала в сигнал s(t) для наилучшей его передачи по линии связи.

Рисунок 2.17 - Обобщенная структурная схема системы связи

Приемное устройство производит обратное преобразование принятого сигнала в сообщение и состоит из демодулятора ДМ и преобразователя ПСС сигнала в сообщение. Отличия параметров системы связи от желаемых характеристик приводят к искажениям передаваемого сигнала. Кроме того, в любом узле системы передачи, но главным образом на линии связи, присутствуют помехи, поэтому сигнал на входе приемника s 1 (t) отличается от переданного сигнала на выходе передатчика. Приемное устройство обрабатывает принятое колебание и восстанавливает по нему электрический сигнал b 1 (t) , а следовательно, и сообщение а 1 (t) , которое реставрируется с некоторой погрешностью.

Как вы уже знаете, система связи называется многоканальной, если она обеспечивает передачу нескольких сообщений по одной общей линии связи (рисунок 2.18). Каждое из передаваемых сообщений с помощью преобразователей ПСС преобразуется в отдельные электрические сигналы, которые затем смешиваются в аппаратуре уплотнения (АУ). Сформированный таким путем групповой сигнал и обработанный дополнительно в передающем устройстве МД передается по линии связи. Приемник осуществляет обратное преобразование принятого колебания в исходный групповой сигнал, из которого затем с помощью устройства разделения (УР) выделяются индивидуальные сигналы (преобразуемые в соответствующие сообщения в преобразователях ПСС).

Рисунок 2.18 - Структурная схема многоканальной системы связи

Для того чтобы разделить передаваемые сигналы на приемном конце, необходимо, чтобы они различались между собой по некоторому признаку. В практике многоканальной связи преимущественно применяют частотный и временной способы разделения сигналов. При частотном разделении каналов каждому из индивидуальных сигналов выделяется отдельный диапазон частот в общей полосе частот. При временном разделении каналов каждому из каналов связи выделяется определенный интервал времени в каждом цикле передачи коллективного сигнала. В последнее время все более широкое распространение получает способ кодового разделения каналов. При таком разделении каналов все каналы могут занимать одновременно общие и частотный и временной ресурс системы связи. Для разделения каналов в этом случае используется разделение каналов по форме сигналов (в цифровых системах связи - по коду сигналов).

Большинство станций РРЛ составляют промежуточные радиостанции (ПРС), играющие роль активных ретрансляторов. На всех станциях РРЛ целесообразно иметь однотипную, унифицированную приемопередающую аппаратуру (ППА), удовлетворяющую требованиям заданного частотного плана. Перспективным вариантом построения приемо-передающей аппаратуры (ППА) является вариант с усилением на СВЧ и преобразованием частоты (рис.2.19). Недостатком подобной схемы является необходимость обработки сигнала на СВЧ.

Рисунок 2.19 - Приемопередающая аппаратура с усилением на СВЧ и преобразованием частоты

Наиболее часто используются ППА, в которой обработка сигналов производится на промежуточной частоте f ПЧ (рис. 2.20). Номинальное значение f ПЧ выбирается в соответствии с рекомендациями МСЭ-Р и обычно составляет 70 МГц.

Применение промежуточной частоты для обработки сигнала позволяет унифицировать аппаратуру усиления сигнала, а также ввода и вывода информационных сигналов на промежуточных, узловых и оконечных станциях.

Рисунок 2.20 - Приемопередающая аппаратура с обработкой на промежуточной частоте

ЛИТЕРАТУРА

1. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и перспективы. Под редакцией Дмитриева С. А., Слепова Н. Н. - М.: ООО "Волоконно-оптическая техника", 2005.- 576 с.

2. Системы мобильной связи: Учебное пособие для вузов/В. П. Ипатов, В. И. Орлов, И. М. Самойлов, В. Н. Смирнов; под. ред. В. П. Ипатова. - М.: Горячая линия – Телеком, 2003, -272с.

3. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: Учебник для вузов/ В.В. Крухмалев, В.Н.Гордиенко, А.Д. Моченов и др.; Под ред. В.Н. Гордиенко и В.В. Крухмалева. - М.: Горячая линия – Телеком, 2004

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Приведите классификацию радиочастот. Дальность обеспечиваемой радиосвязи

2. Требования к линиям связи

3. Пояснить условия распространения радиоволн (рис.2.2 – 2.6)

4. В чем отличие радиорелейной и тропосферной системы радиосвязи. В чем их связь

5. Принцип радиорелейной связи. Особенности расположения ретрансляторов на трассе связи

6. Классификация радиорелейных систем

7. Принцип действия радиорелейной системы связи

8. Пояснить рис.2.19, 2.20

ПРИЛОЖЕНИЕ (только для ознакомления)

ТРРЛ «Север» - бывшая советская система линий связи, созданная для обеспечения связью отдалённых регионов страны. Линия имела протяжённость 13 200 километров и состояла из 46 тропосферных радиорелейных станций (ТРРС), расположенных большей частью вдоль побережья Северного Ледовитого и Тихого океанов и крупнейших сибирских рек: Обь, Енисей и Лена. Линия связи была развернута в конце 60-х годов и обеспечивала связью воинские части, администрацию и население Крайнего Севера и Дальнего Востока на территории, составляющей 60% площади России. Система состояла из 7 линий и имела 2 узла, в подчинении у которых находились остальные центры и станции. Это была сеть радиорелейных станций, расположенных друг от друга на расстоянии 120-450 км и представляющих собой автономные военные городки, которые самостоятельно решали вопросы обеспечения электроэнергией и теплом, эксплуатации техники, жизнеобеспечения и доставки необходимых грузов.

В процессе экспедиции «Город на полярном круге» , мы побывали на узловой станции «Чайка», которая обслуживала две линии: ТРРЛ-60 «Серов - Воркута» и ТРРЛ-103 «Воркута - Анадырь». Узловая станция «Чайка» работала на три направления: на юге - «Сокол» (пос. Березово) - 305 км, на востоке - «Кама» (мыс Каменный) - 351 км, на севере - «Патриот» (пос. Мульда) - 172 км. Отсюда же начиналась 103-я линия, которая заканчивалась на Чукотке в Анадыре.

В середине прошлого века был открыт новый механизм распространения дециметровых волн на дальние расстояния - тропосферное рассеивание. Исследования, проведенные в США, Англии и СССР, показали возможность создания многоканальных тропосферных РРЛ (ТРРЛ), в которых, в отличие от РРЛ прямой видимости, длина пролета между соседними станциями может доходить до 400-800 километров. Для экономически и стратегически важных районов Сибири и Дальнего Севера с весьма низкой плотностью населения и слабым развитием всех видов связи строительство ТРРЛ в середине 50-х годов было чрезвычайно важным и перспективным.

В конце 50-х годов была разработана 60-канальная аппаратура ТРРЛ первого поколения «Горизонт-M», где сигналы многоканальной телефонии передавались с использованием частотной модуляции и применялся четырехкратный разнесенный прием (двукратный по частоте и двукратный по пространству). Радиорелейная линия работала в диапазоне частот 2 ГГц. На этом оборудовании была построена линия связи «Север», обеспечивающая надежной телефонной связью населенные пункты СССР, расположенные за Полярным кругом, в районах Камчатки и Дальнего Востока.

До того времени весьма ненадежная связь поддерживалась с ними с помощью двух- и четырехканальных KB линий связи или, в некоторых случаях, с помощью линий связи ионосферного и метеорного рассеяния.

2. Большие расстояния, вечная мерзлота и суровый климат не позволяли проложить кабельную линию связи.

3. Обычная связь УКВ диапазона была не способна покрыть большие расстояния. А спутниковая связь в то время еще только зарождалась.

4. Станция была оборудована дизель-генераторными установками и функционировала автономно.

5. Размеры зеркала антенны 30х30 метров. На каждое направление установлено 2 антенны.

6. С развитием систем спутниковой связи ТРРЛ стала существенно уступать им.

7. У тропосферной линии связи было множество недостатков. Во-первых это очень существенное ослабление сигнала в несколько сотен раз, а во-вторых существовала проблема позиционирования приёмных антенн - в зависимости от состояния тропосферы передаваемый сигнал мог существенно смещаться.

8. Дальность тропосферной загоризонтной линии связи «Горизонт» составляет 250-500 километров. Принципом функционирования этой системы является свойство отражения радиоволн от верхних слоев атмосферы (на высоте 10-12 километров).

9. Станция расположена в 12 километрах от Салехарда на Восток.

10. «Чайка» была расформирована в декабре 2000 года.

Эксплуатация всей системы ТРРЛ «Север» была прекращена в 2003 году. Теперь связь с отдаленными регионами обеспечивается с помощью спутниковой связи. А антенны продолжают стоять, вывезти их на металлолом банально дорого и нецелесообразно, ведь до ближайшего сталеплавильного завода нужно проехать несколько сотен километров по зимникам.

ЗАНЯТИЕ № 6: «ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРОПОСФЕРНОЙ СВЯЗИ»

1. Учебные и воспитательные цели:

Изучить основы тропосферной связи;

Дать понятие о методах разнесенного приема (передачи) сигналов.

2. Вид занятия и метод проведения: лекция.

3. Место проведения занятия : класс ВТП.

4. План занятия и расчет времени:

I. Вводная часть - 15 мин.

II. Основная часть - 70 мин.

Введение - 5 мин.

Общая характеристика тропосферной связи - 20 мин.

Механизм и особенности дальнего тропосферного рассеяния УКВ - 20 мин.

Методы разнесенного приема (передачи) сигналов - 25 мин.

III. Заключительная часть - 5 мин.

5. Литература:

Военные системы радиорелейной и тропосферной связи, Е.А.Волков,

В. Е. Куликов и др., ВАС, 1982 г., стр. 195-224.

6. Технические средства обучения:

Схемы, плакаты, слайды;

Компьютер, видеопроектор.

Введение. - 5мин.

Тропосферная связь основана на использовании физического явления дальнего тропосферного распространения ультракоротких волн (ДТР УКВ), открытого в конце 40-х годов. Экспериментально было обнаружено, что УКВ рассеиваются и отражаются диэлектри­ческими неоднородностями воздушных масс тропосферы, распрос­траняясь далеко за пределы радиовидимости, определяемой форму­лой:

R КМ ≈ 4,12 (√h 1 [ M ] + √ h 2 [ M ])

Несмотря на то, что уровень электрического поля, возникающего вследствие ДТР УКВ на расстояниях более 90-100 км, значительно ниже (на 65-85 дб) уровня поля при наличии прямой видимости, он, тем не менее, немного выше уровня поля, обусловленного дифракцией волн, и как оказалось, достаточен для обеспечения прямой радио-связи с использованием УКВ на расстоянии сотен километров. Однако при этом оказывается необходимым увеличи­вать мощность радиопередающих устройств и улучшать энергети­ческие параметры аппаратуры по сравнению с аппаратурой, ис­пользуемой для обычной радиорелейной связи.

1. Общая характеристика тропосферной связи . - 20 мин.

Принцип тропосферной связи

Принцип тропосферной связи сходен с принципом радиорелей­ной связи (рис. 5.1) и во многом характеризуется теми же особен­ностями.

рис.6.1 Принцип тропосферной связи.

Но в то же время рассматриваемый принцип отличается присущим только ему важным признаком, заключающимся в применении на интервалах тропосферных линий (TPЛ) метода тропосферной радиосвязи, при котором используется явление ДТР УКВ, благодаря чему увеличиваются протяженности интервалов ТРЛ в 4-6 раз по сравнению с интервалами РРЛ прямой видимости.

Вследствие сходства с радиорелейной связью тропосферную связь часто называют тропосферной радиорелейной связью. Метод тропосферной радиосвязи своеобразен в том смысле, что являясь способом радиосвязи, он реализуется только вприсутствии воздушной среды, неоднородной по своим диэлектрическим свойствам. Этому условию удовлетворяет тропосфера земли, высоту слоя которой над уровнем моря, принято ограничивать значением h Т . Суть тропосферной радиосвязи видна из рис. 6.2.:

Падающая

Рассеяная волна

рис.6.2. Принцип дальнего тропосферного распространения УКВ, лежащий в основе тропосферной радиосвязи.

Направленный поток энергии УКВ, посылаемый передающей антенной станции А, так называемая падающая волна, пронизывает толщу тропосферы и в виде проходящей волны уходит в открытое пространство. Неоднородности воздушных масс, являющиеся одновременно неоднородностями диэлектрической проницаемости среда, рассеивают под небольшими углами к направлению падающей волны некоторую весьма небольшую часть энергии волн. Часть рассеянной энергии при условии, что она оказывается направленной в сторону приемной антенны станции Б, используется для обеспечения связи между станциями А и Б.

Благодаря большой протяженности интервалов тропосферные линии могут развертываться в труднодоступной местности со слабо развитой сетью коммуникаций, с обширными водными преградами, лесными и горными массивами и т. п. Широкое рас­пространение получили одноинтервальные TPЛ, обеспечивающие прямые связи на расстояния сотен километров.

Возможность организации прямых связей без «мертвых» зон в пределах от единиц до сотен километров с помощью подвижных тропосферных станций (ТРС), а также относительно быстрое развертывание с помощью этих станций тропосферных линий, состоящих из ряда интервалов явились причиной быстрого разви­тия военных подвижных тропосферных средств связи.

В настоящее время с помощью ТРС осуществляется надежное управление до КП дивизий включительно.

1.2. Предельная дальность тропосферной связи.

Предельная дальность тропосферной связи определяется

рис.6.3. Пояснение предельной дальности тропосферной радиосвязи на одном интервале.

На рисунке поверхность земли предполагается гладкой, и из электрических центров антенн станций А и Б к ее поверхности проведены касательные, лежащее в общей вертикальной плоскости. Точка пересечения касательных, находящаяся на высоте h Q , определяет нижнею границу слоя тропосферы, «видимого» одновременно из точек электрических центров антенн обеих станций. Верхняя граница слоя определяется верхней границей всей толщи тропосферы h . Таким образом, в принципе тропосферная радиосвязь возможна, пока существует объем рассеяния тропосферы, отмеченный на рис. 6.3 заштрихованной фигурой, т.е. когда h 0 .

Из рисунка видно, что протяженность интервала R, где расстояние R 2 =R-R 1 . Величины R 1 и R 2 могут быть получены на основании соотношений, приведенных в приложении 1. Легко показать, что:

R 1 ≈√2а Э 2√h 0 (6.1)

R 1 ≈ 4.12-2√h 0 [m] (6.2)

R 2 ≈ 4.12(√h А1 +√h А2)[m] (6.3)

R ≈ 4.12 (2√h 0 [m]+√h А1 [m]+√h А2 ) (6.4)

h 0 ≈ R 1 /8a э (6.5)

где а э - эквивалентный радиус Земли, а э = 8500 км .

При низко расположенных антеннах R≈ R 1 , в этом случае теоретический предел дальности связи определяется формулой (6.2) путем подстановки в нее значения h 0 = h Т что дает величину R ПРЕД ≈1000км . На практике связь при h 0 = h Т реализовать затруднительно, поскольку объем рассеяния фактически уменьшается до нуля (для принятого значения h Т ,). Поэтому дальности порядка 1000 км. (действительно близкие к предельным) на практике достигаются при значениях h 0 и условии, что высоты антенн h А1 и h А2 равны сотням метров (размещение станций на больших высотах, в горах). Указанная дальность связи (см. формулу 6.4) получается в предположении, что h 0 не превышает 10 км.

Отметим, что предельная дальность при тропосферной прямой радиосвязи достигается при больших экономических затратах и только на уникальных стационарных линиях, где применяются особо мощные передатчики (мощностью в десятки киловатт), высоконаправленные дорогостоящие антенны с весьма большими коэффициентами усиления и, соответственно, размерами, сверхчувствительные радиоприёмные устройства и т. д. Обычно ограничиваются дальностями на интервалах не более 500км в основном 200-300 км. На подвижных военных ТРЛ интервалы, как правило, не превышают 120-200 км., иногда по соображениям организации связи применяются и более короткие интервалы.

Ж) Замирание сигнала.

Замираниями называются непрерывные колебания уровня принимаемого сигнала. Глубина замирания определяется отклонением мгновенных значений уровня сигнала от среднего уровня. Оно может достигать 20 дБ, а иногда и 30 дБ. Различают быстрые замирания с периодам от долей секунд до нескольких минут и медленные замирания с периодом больше нескольких минут. Под медленными замираниями подразумевают, креме того, флуктуации средних за 5 или 10 минут, а также средне­часовых значений сигнала. Опыты показали, что частота замираний изменяется, примерно обратно пропорционально длине волн. Частота замираний имеет суточную закономерность: днем, в часы полудня, она наибольшая. Предполагают, что это связано с дневным метеорологическим циклом. Частота замираний зависит не только от величины рабочей волны и времени суток, но и от длины трассы. На длинных трассах частота замираний больше, чем на более коротких. Быстрые замирания появляются в результате сложения в точке приёма многих компонентов поля, приходящих от различных неоднородностей с разными амплитудами и фазами. Медленные замирания возникают в основном за счет изменения числа интенсивности переизлучаюших неоднородностей и за счет изменения средних условий рефракции (искривление траектории) радиоволн. Наличие быстрых и глубоких замираний приводит к необходи­мости принятия специальных мер по повышению устойчивости связи на тропосферных радиорелейных линиях. Для борьбы с быстрыми замираниями применяют различные способы разнесённого приёма (главным образом, разнесение антенн в пространстве и разнесение несущих частот с последующим сложением сигналов по низкой частоте). В частности, используют счетверенный прием, в котором прием ведется на две антенны на одной частоте. При этом каждая антенна принимает два сигнала взаимоперпендикулярной поляри­зации. Взаимная развязка двух сигналов обеспечиваемая за счет использования сигналов горизонтальной и вертикальной поляри­зации, а также разнесение антенн в пространстве обеспечивает прием четырёх некоррелированных (статистически независимых) сигналов. В тропосферных радиорелейных линиях связи применя­ют, главным образом, разнесение антенн в направлении, перпен­дикулярном направлению трассы. Для статистической независимости сигналов разнесения антенн должно выбираться не менее (70-100) А.

ТЕМА № 1: «ОСНОВЫ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ И ТРОПОСФЕРНОЙ СВЯЗИ»