Таблица параметров аналоговой аппаратуры
Линейные спектры многоканального аналогового оборудования
Погонные потери в газах атмосферы
Параметры антенн
 
 

    Перед рассмотрением этого вопроса нужно вспомнить основные особенности микроволнового оборудования разных поколений. Аппаратура микроволновой связи первого поколения, к которой в основном относятся радиорелейные системы связи, ведущие свою историю с 40-50-х годов 20 века, была весьма громоздкой и тяжелой. Обычно она состояла из специализированных стоек, высотой порядка 2 м и весом несколько сотен килограмм, отдельно содержащих приемопередатчики, модемы, системы управления резервом, системы служебной связи, телеуправления, телесигнализации и пр. Аппаратура потребляла довольно большую мощность и питалась от трехфазной сети переменного тока и резервных дизельных электростанций. Для круглосуточного обслуживания оборудования требовался довольно большой штат специалистов.

   Перечисленные особенности определяют типовую компоновку станции связи (рис. 1). Основное оборудование располагается в здании аппаратной, около которой устанавливается антенная опора. Антенная опора выполняется в виде мачты (металлической фермы) или железобетонной башни высотой несколько десятков метров для обеспечения прямой видимости со следующей станцией системы связи. На антенной опоре устанавливаются антенны, с помощью которых передаются и принимаются радиосигналы для связи с ближайшими станциями, расположенными на расстояниях прямой видимости (30 - 60 км). Так как в аппаратуре первого поколения использовались диапазоны частот 2, 4, 6 и 8 ГГц, то при требуемом коэффициенте усиления антенн порядка 40 дБ, габариты антенн исчисляются несколькими метрами и, соответственно, имеют массу сотни килограмм. Очевидно, что антенная опора, удерживающая этот вес, противостоящая ветровым нагрузкам и сохраняющая неизменное положение при смене сезонов, температуры и прочих факторов является весьма сложным и дорогостоящим инженерным сооружением.

Радиочастотные сигналы в направлениях приема и передачи подаются при помощи волноводных фидерных линий, которые связывают приемопередатчики и антенны. Длина фидерных линий примерно соответствует высоте антенной опоры плюс длины горизонтальных участков, которые складываются из участков волноводов между антенной опорой и зданием аппаратной и участков, располагающихся внутри помещений здания. При этом величина потерь сигнала в фидерных волноводах составляет несколько децибел, а в отдельных случаях превышает 10 дБ, что существенно ухудшает энергетический баланс системы связи.

   Основная задача систем микроволновой связи первого поколения – передача аналоговой информации на расстояния в сотни и тысячи километров (т.е. система компоновалась как линия связи, содержащая большое число ретрансляторов). При естественном стремлении уменьшить число переприемов (ретрансляций) на линии связи приходилось увеличивать высоты антенных опор, что дополнительно увеличивало их стоимость.

   Все вышеперечисленное приводило к тому, что прежнее радиорелейное оборудование представляло собой весьма дорогую, сложную и громоздкую систему, с трудом конкурирующую с кабельными, волоконно-оптическими и спутниковыми структурами связи. Характерные представители отечественного оборудования первого поколения - системы Р - 60/120 и Р-600 с несколькими модификациями.

   Микроволновое оборудование второго поколения отличается построением ряда узлов на транзисторах, микросборках и микросхемах, что несколько снизило энергопотребление и увеличило надежность систем связи. Основными представителями оборудования второго поколения является отечественная и зарубежная аппаратура Восход, Курс, Дружба, ГТТ и пр.

   В конце 80-х годов 20 века появляется оборудование микроволновой связи третьего поколения, которое характеризуется переходом к передаче цифровых сигналов и новой элементной базой (микросхемы, микропроцессоры, активные полупроводниковые элементы СВЧ). Данная аппаратура применяется для замены оборудования первого и второго поколения и создания новых структур связи. Компоновка оборудования осталась прежней (рис. 1).

   Настоящая революция в компоновках оборудования, схемотехнике и структурах систем связи началась в 90-х годах 20 века в результате повсеместного перехода к цифровым методам работы и достижениям электронных технологий. При этом значительно уменьшились габариты и энергопотребление элементов при существенном увеличении быстродействия. Появились новые элементы СВЧ техники (высокостабильные транзисторные генераторы, малошумящие усилители СВЧ для приемников, линейные малогабаритные усилители мощности СВЧ для передатчиков и пр.), что обеспечило появление аппаратуры микроволновой связи четвертого поколения и освоение диапазонов частот радиосигналов выше 10 ГГц. Резкое уменьшение габаритов приемопередатчиков изменило как конфигурацию структур беспроводной связи, так и компоновку оборудования (рис. 2). Приемопередатчики устанавливаются на антенной опоре в непосредственной близости от антенн или прямо пристыковываются к ним, что минимизирует длины фидерных линий и, соответственно, потери СВЧ сигналов. Модемное и мультиплексорное оборудование, устройства управления и контроля, источники питания и пр. устанавливаются во внутреннем блоке, располагающемся в помещении. Связь между наружными и внутренними устройствами осуществляется при помощи одного или нескольких кабелей длиной 100 - 400 м. Общая масса оборудования такой компоновки исчисляется единицами или десятками килограмм при энергопотреблении в десятки или сотни ватт. Как правило, подобная аппаратура снабжается совершенной системой автоматизированного управления и контроля, часто с помощью компьютеров, что позволяет резко сократить штаты специалистов по обслуживанию системы связи и увеличить экономическую эффективность и конкурентоспособность микроволновых структур.

   Увеличение быстродействия элементной базы позволило разработать эффективные способы сжатия цифровых сигналов, новые методы модуляции, кодирования и обработки информации. При этом произошло существенное повышение пропускной способности систем связи и резкое увеличение спектральной эффективности. К примеру, существуют микроволновые системы, позволяющие передать цифровые потоки со скоростью 155.52 Мб/с (STM-1) в полосе частот 20 - 30 МГц.

   До недавнего времени оборудование четвертого поколения работало на малых скоростях цифровых потоков (до 34 Мб/с). Это очень широкий ряд отечественной (Радан, Радиус, Радиан, Бист и пр.) и импортной (MINI-LINK, Pasolink, DMR, MRC) аппаратуры. Однако появляется все больше систем компактной конструкции на большие скорости работы. К характерным представителям таких устройств можно отнести оборудование CityLink фирмы Nera, Pasolink Plus фирмы NEC, SRA 1 – Siemens (Italtel) и пр.

   В последние несколько лет начинает появляться оборудование микроволновой связи, которое можно отнести к начальным разработкам аппаратуры пятого поколения (MINI-LINK E Micro, Pasolink Plus, FlexiHopper, Galaxy). Характерная особенность такой аппаратуры – дальнейшее уменьшение габаритов и энергопотребления и совершенствование систем управления. При необходимости такое оборудование может быть выполнено в виде компоновки, показанной на рис. 3. Здесь практически все оборудование находится в одном наружном блоке. В помещении могут находится только интерфейсы цифровых потоков,  источник питания и, при необходимости, управляющий компьютер.

   В результате появления новой элементной базы СВЧ – монолитных микроволновых интегральных схем (MMIC), приемопередающее оборудование может занимать объем в несколько десятков кубических сантиметров или выполняться в виде планарной конструкции, площадью несколько квадратных дециметров. В перспективе, возможно, появится микроволновое оборудование, выполненное в виде плоской конструкции толщиной в несколько сантиметров. Такое устройство может содержать все электронные компоненты и планарную антенну с фазированной управляемой решеткой.

   Обобщенная структурная схема возможного варианта построения современной аппаратуры микроволновой связи приведена на рис. 4. В данном примере оборудование состоит из внутреннего модуля, внешнего модуля и антенны. Внутренний модуль (часто называемый модулем доступа) располагается в помещении и соединяется с внешним модулем одним или несколькими кабелями, длиной до 300-400 м. Внешний модуль устанавливается на антенной опоре и состыковывается с антенной непосредственно или при помощи короткого гибкого волновода. Обработка цифровых потоков производится в трактах основной полосы (ТОП), модуляция и демодуляция сигналов проводится в модемном оборудовании, а передатчики и приемники осуществляют операции преобразования частоты и усиления сигналов.

   Более подробная структура оборудования, содержащая важнейшие элементы цифровой микроволновой аппаратуры малой, средней и большой емкости, показана на рис. 5. Внутренний модуль, устанавливаемый в помещении (узел доступа), содержит входные и выходные интерфейсы для исходных цифровых потоков, модемы и устройства контроля и управления. Входные и выходные интерфейсы могут быть электрическими (ЭИ) или оптическими (ОИ), причем некоторые типы аппаратуры содержат оба интерфейса или они устанавливаются по заказу. Возможно применение беспроводных соединительных линий в виде микроволновой системы или атмосферной оптической линии связи.

   В интерфейсах проводится согласование сигналов, поступающих по соединительным линиям от аппаратуры мультиплексирования цифровых потоков, преобразование кодов (квазитроичный в NRZ и обратно) и выделение тактовой частоты (во входных устройствах).

   Основная обработка сигналов перед модуляцией и после демодуляции осуществляется в соответствующих цифровых процессорах.

   В передающей части внутреннего модуля цифровой процессор выполняет следующие операции:

• перемежение кодовых последовательностей (для защиты от длительных пакетных ошибок и нарушений в системах синхронизации);
• предкоррекция ошибок (FEC) с использованием сверточных или блоковых корректирующих кодов;
• скремблирование (для улучшения статистических свойств цифровых сигналов);
• формирование сигналов кадровой (цикловой) синхронизации;
• ввод сигналов служебной связи (СС);
• формирование цифровых потоков синфазных (I) и квадратурных (Q) каналов для последующей многоуровневой модуляции,
• цифро-аналоговое преобразование (ЦАП), где происходит формирование многоуровневых сигналов из цифровых потоков I и Q каналов в соответствии с применяемым видом модуляции. К примеру, при модуляции 4ФМ используются 2-уровневые сигналы, а при 16КАМ - четырехуровневые.

   Модулированный сигнал промежуточной частоты проходит по коаксиальному кабелю на внешний блок через устройство фильтрации (УФ). Предварительно сигнал промежуточной частоты дополнительно модулируется различной служебной информацией и цифровыми данными управления системой.

   В приемной части внутреннего модуля проводятся операции, обратные произведенным операциям в передающей части. На вход приемной части поступает сигнал промежуточной частоты от внешнего блока по коаксиальному кабелю. Для устранения взаимных влияний в кабеле сигналы промежуточной частоты передачи и приема выбираются различными (на передачу - 300 - 800 МГц, на прием, чаще всего, 70 - 140 МГц).

   По центральной жиле и оплетке того же кабеля подается питание (20 - 80 В постоянного тока) на внешний модуль оборудования.

   Внешний модуль содержит передатчик и приемник и устанавливается на антенной опоре в непосредственной близости от антенны или пристыковывается к ней.

   Передатчик преобразует сигнал промежуточной частоты в рабочий диапазон частот и обеспечивает необходимую мощность выходного излучения.. Основной сигнал промежуточной частоты поступает через мощный усилитель ПЧ (МУПЧ) на вход преобразователя частоты, состоящего из смесителя (СМ) и задающего генератора. Колебания задающего генератора образуются в блоке гетеродинных частот (синтезаторе частоты).

   Полученный в процессе преобразования сигнал, состоящий из несущей частоты задающего генератора и двух боковых полос, поступает через полосовой фильтр (ПФ) на блок усиления СВЧ (УСВЧ). Полосовой фильтр выделяет из преобразованного сигнала одну их боковых полос.

   Обычно в современной аппаратуре перед УСВЧ устанавливается управляемый аттенюатор, предназначенный для регулирования излучаемой мощности передатчика. Часто этот аттенюатор обеспечивает работу системы адаптивной регулировки мощности передатчика (АРМП) в зависимости от условий распространения сигнала на трассе.

   Для улучшения линейности амплитудной характеристики передатчика применяются компенсаторы искажений по третьей гармонике, которые могут устанавливаться в тракте ПЧ (ПсК) или в тракте СВЧ (LNZ).

   Сигнал с выхода передатчика проходит к антенне через блоки разделительных фильтров (РФ) или дуплексеры (Д), выполняющих следующие функции:

• разделение сигналов различных радиочастот при многоствольной работе;
• обеспечение работы приемников и передатчиков через одну антенну;
• разделение сигналов различных поляризаций при со-канальных частотных планах;
• обеспечение согласования приемников, передатчиков и антенн.

   Контроль за работой приемного оборудования и прохождением электромагнитных волн по интервалам системы связи осуществляется в процессоре ПЧ приемника. Здесь применяются высокоточные анализаторы уровней сигналов, и вырабатывается информация для функционирования системы АРМП.

   Обработанный в приемнике сигнал промежуточной частоты проходит по соединительному кабелю в приемную часть внутреннего модуля где осуществляется его демодуляция (Дм). Полученные в результате демодуляции цифровые сигналы могут быть подвергнуты коррекции в адаптивных эквалайзерах (АЭ). Адаптивные корректоры позволяют бороться с межсимвольными искажениями в цифровых потоках, возникающих из-за частотно-селективных замираний на трассах системы связи и некоторых других факторов.

   После коррекции осуществляется выделение кадровых (цикловых) импульсов синхронизации для работы синхрогенератора и последующих узлов.

   В цифровом процессоре (ЦП) приемной части внутреннего модуля проводятся операции, обратные аналогичным действиям в цифровом процессоре передающей части. После цифрового процессора сигналы поступают в выходной интерфейс и, дальше, по соединительной линии в демультиплексорное оборудование цифровой системы связи.
Вверх

   Структурная схема аппаратуры Pasolink (рис.6) состоит из модуля доступа (блок indoor), предназначенного для  модуляции и демодуляции цифровых сигналов и наружного блока приемопередатчиков (outdoor).
     Модуль доступа содержит передающую и приемную части.

Передающая часть модуля доступа
   В передающей части, поступающий цифровой поток преобразуется из линейного квазитроичного кода HDB-3  в код NRZ, который необходим для работы модулятора.
   Обработка цифрового потока проводится в процессоре сигнала, где выделяется синхросигнал, добавляются потоки сигналов служебной связи (СС) и формируется сигнал кадровой (цикловой) синхронизации. Кроме того здесь проводится операция скремблирования (добавка псевдослучайного потока), которая улучшает статистические свойства цифрового сигнала.
   После процессора поток поступает в модулятор. В данном случае показан модулятор типа 4ФМНФ (четырехпозиционный фазовый модулятор с непрерывной фазой). Здесь сигнал разделяется на два потока (с вдвое меньшей скоростью) и фильтруется цифровым методом. После фильтрации форма символов приближается к колоколообразной и, поэтому, при дальнейшем процессе фазовой модуляции при переходах от 0 к 1 и обратно  будет происходить плавное изменение фазы несущей без скачков. Это существенно повышает эффективность использования частотного спектра выходного сигнала. Для фазовых модуляторов применяются несущие (частотой 850 МГц) сдвинутые по фазе на 90 градусов. Сигналы с фазовых модуляторов суммируются и образуют общий сигнал промежуточной частоты, представляющий собой  квадратурную фазовую решетку, повернутую относительно исходных несущих на 45 градусов.
   Этот сигнал поступает по коаксиальному кабелю (длиной до 300-400 м) в передатчик радиочастоты аппаратуры связи.

Приемная часть модуля доступа
    В приемную часть модуля доступа поступает сигнал промежуточной частоты 70 МГц с приемника внешнего блока. Этот сигнал усиливается блоками УПЧ, фильтруется и проходит в демодулятор, где выделяется переданный цифровой поток.
   После демодуляции производится отделение сигналов кадровой синхронизации, которые управляют работой приемного процессора. В процессоре происходит дескремблирование сигнала, селекция служебной информации и коррекция. Затем цифровой поток кодируется по закону кода HDB-3 и проходит на выход в соединительную линию.

Блок приемопередатчика
   Блок располагается на антенной опоре и может быть непосредственно пристыкован к антенне.
Передатчик блока предназначен для преобразования сигнала промежуточной частоты в рабочий диапазон частот. Поэтому, он состоит из преобразователя частоты (смеситель (СМ) и задающий генератор) и блока усиления СВЧ сигнала. Усилитель СВЧ выполняется на полевых арсенид-галлиевых транзисторах и содержит управляемый аттенюатор. Назначение управляемого аттенюатора - работа в системе автоматической регулировки мощности передатчика и, главное, - в системе адаптивной регулировки мощности. Эта система поддерживает небольшую мощность передатчика при нормальном распространении сигнала на трассе линии связи, что повышает устойчивость линии к взаимным помехам и уменьшает энергопотребление. В случае замираний мощность передатчика увеличивается до номинальной, обеспечивая надежную работу на интервале РРЛ. Управление системой адаптивной регулировки мощности передатчика производится по обратному каналу линии свя-зи в зависимости от уровня сигнала, принимаемого приемником дальнего конца.
   Приемник модуля выполняется по супергетеродинной схеме с малошумящим усилителем СВЧ сигнала на входе. Сигнал радиочастоты поступает в приемник от антенны через дуплексер, который позволяет работать приемнику и передатчику через одну антенну.
   Усилитель СВЧ выполняется на малошумящих полевых арсенид-галлиевых транзисторах и охватывается системой АРУ.
   Преобразователь частоты приемника состоит из балансного смесителя и гетеродина. Гетеродин стабилизируется при помощи диэлектрического резонатора и охватывается системой ФАПЧ, представляя собой вариант синтезатора частоты. Перестройка частоты на разные рабочие каналы осуществляется при помощи переключателей, расположенных на специальной панели блока приемопередатчика или программно, при помощи станционного компьютера.
   Многокаскадный УПЧ с АРУ обеспечивает основное усиление сигнала в приемнике. Сигнал АРУ применяется, помимо регулировки усиления, и для работы системы контроля и адаптивной регулировки мощности передатчика дальнего конца интервала.