На начальную страницу
СПУТНИКОВЫЕ И РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
Методические указания по дисциплине  (спец. 201000)
Лобач Вячеслав Станиславович

СОДЕРЖАНИЕ

    Общие пояснения
    Введение
    Первичные сигналы связи  и принципы построения каналов
    Сигналы групповых и линейных трактов многоканальных систем радиосвязи     Принципы получения цифровых сигналов, методы сжатия информации, организация цифровых потоков
    Сквозные характеристики аналоговых и цифровых линии связи  и общие принципы построения          беспроводных телекоммуникационных систем
    Распространение радиоволн СВЧ диапазона. Антенны СВЧ. Распространение оптических волн

Основные методы модуляции в системах радиосвязи

    Приемопередающие устройства микроволновой и оптической аппаратуры связи
    Общие принципы построения спутниковых систем связи
    Общие принципы построения  радиорелейных систем связи     Тропосферные системы связи
    Основы проектирования радиорелейных и спутниковых систем связи
    Основы электромагнитной совместимости средств связи
        Контрольные вопросы
           Контрольная работа 1
           Контрольная работа 2
           Контрольная работа 3
        Курсовое проектирование
Литература
 

ОБЩИЕ ПОЯСНЕНИЯ

    Приступая к изучению дисциплины, студенты должны знать:     Изучение дисциплины начинается с основных характери-стик первичных сигналов, определяющих функционирование систем связи и методов обработки сигналов, в том числе: уплотнения, сжатия и кодирования информации.
    Особое внимание уделяется принципам построения различных систем связи, предназначенных для передачи больших объемов информации с высокими качественными и эксплуатационными показателями. Сюда относятся аналоговые и цифровые структуры связи, как беспроводные (наземные и космические), так и волоконно-оптические.
    Наряду с этим в дисциплине рассматриваются вопросы проектирования и расчета систем спутниковой и радиорелейной связи, принципы построения сетей телерадиовещания, включая варианты внедрения цифровых технологий.
    В процессе изучения дисциплины необходимо проработать материал, изложенный в программе, выполнить лабораторный практикум и сдать по нему зачет, выполнить курсовой проект и две контрольные работы. Для подтверждения степени изучения материала необходимо сдать экзамен.
    По ряду вопросов, связанных с современным состоянием средств связи, литература разрозненна, отсутствует или труднодоступна. Поэтому эти сведения излагаются в лекционных материалах.
 

 ВВЕДЕНИЕ

    Современные системы передачи информации используют множество различных технологий, количество которых стремительно увеличивается. Однако наибольшее развитие получили:
    · системы связи по электрическим кабелям (КСС);
    · волоконно-оптические системы связи (ВОЛС);
    · системы связи с искусственными спутниками Земли (ИСЗ);
    · узкополосные и широкополосные наземные системы радио-связи;
    · оптические системы связи открытого распространения.
    В этом перечне системы связи разделяются на  группы кабельных (ВОЛС и КСС) и беспроводных систем.
Системы связи по электрическим кабелям получили наибольшее распространение в распределительных сетях (например в системах кабельного телевидения) и системах дальней связи, однако высокая стоимость исходных материалов (цветных и драгоценных металлов), наряду с относительно небольшой полосой пропускания, делают проблематичным кон-курентоспособность подобных устройств в будущем. Общими недостатками кабельных структур являются: большое время строительства, связанное с земляными или подводными работами, подверженность воздействию природных катаклизмов, актов вандализма и терроризма и все возрастающая стоимость прокладочных работ. Работы по развертыванию проводных систем трудоемки, а в некоторых местах, особенно исторической части городов, в охраняемых районах или при сложном рельефе, практически неосуществимы. А связанные с ними неудобства для жителей, нарушения работы транспорта, поврежденные дороги и прочие сопутствующие проблемы, усложняют и без того непростые процедуры согласования с различными инстанциями и уменьшают экономические выгоды.
    Важным же достоинством беспроводных систем является малое время развертывания. Это, в частности, связано с тем, что отпадает необходимость в рытье траншей, укладывании кабеля, а также внутренней разводке кабелей и проводов в зданиях. Инвестиции требуются для создания любой системы, другое дело, как они распределены во времени и как быстро можно ожидать получения доходов от эксплуатации. Беспроводные системы могут вводиться в эксплуатацию поэтапно. Проводная же система требует создания всей инфраструктуры единовременно. Начало получения доходов в беспроводных системах совпадает с запуском первого фрагмента, и дальнейшее развитие системы фактически финансируется самими пользователями.             Кроме того, положительный пример в виде работающей структуры, позволяет, в обмен на будущие льготы, привлечь и средства потенциальных абонентов. Это резко снижает финансовые риски инвесторов и позволяет более уверенно смотреть в будущее. При одновременном начале работ, полной окупаемости беспроводной телекоммуникационной системы можно достичь раньше, чем будет запущена проводная.
    На рис.1 показана условная диаграмма областей применения различных телекоммуникационных систем, относящихся к  цифровым технологиям. Две большие основные области применения: систем связи с искусственными спутниками Земли (ИСЗ) и волоконно-оптических систем связи (ВОЛС).
    К характерным особенностям систем связи с ИСЗ относятся возможности передачи относительно небольших объемов информации (со скоростью до 10 - 60 Мбит/c) на очень большие дальности, перекрывая значительные площади земной поверхности (вплоть до построения глобальных систем). Ограничение передаваемых объемов информации определяется лимитированием мощностей излучаемых сигналов в целях обеспечения приемлемой электромагнитной обстановки на Земле.
    Волоконно-оптические системы связи (ВОЛС) позволяют надежно передавать наибольшие объемы информации (скорость передачи цифровых потоков превысила 1 Тбит/с) на расстояния до нескольких тысяч километров. С уменьшением расстояний экономический эффект от внедрения ВОЛС может уменьшаться и требуется проводить тщательный анализ в каждом конкретном случае.
    Наземные беспроводные системы среди современных методов передачи информации играют весьма значительную роль, успешно конкурируя с волоконно-оптическими и спутниковыми структурами, особенно для связи на небольшие расстояния. Произошли революционные перемены в технологических решениях в области наземных радиосредств. Связь на расстояния до нескольких тысяч километров обеспечивают микроволновые радиорелейные системы связи, скорость работы которых превышает сотни мегабит в секунду.
    Появились цифровые радиорелейные структуры, позволяющие организовывать передачу цифровых потоков STM-4 (622 Мбит/с) в полосе частот 40 МГц.


Рис.1

    Для связи на небольшие расстояния (до нескольких десятков километров) в массовом масштабе преимущественное развитие получают системы доступа и распределения информации. К таким системам относятся узкополосные и широкополосные системы радиосвязи, а также оптические телекоммуникацион-ные системы открытого распространения.
    Радиосистемы подразделяются по современной терминологии на узкополосные и широкополосные. Различие заключается, прежде всего, в структуре применяемых несущих колебаний. Традиционные радиосредства, которые и относятся к группе узкополосных, используют в качестве несущего сигнала одночастотные гармонические колебания. Для обеспечения возможности работы многих пользователей в выделенных диапазонах частот в таких системах стремятся сделать полосу частот передаваемых сигналов как можно меньше. В широкополосных системах связи в качестве несущих колебаний применяются широкополосные псевдослучайные сигналы. При этом сигнал каждого пользователя занимает весь выделенный участок диапазона частот, а отделение отдельных сигналов проводится кодовыми методами.
    К характерной особенности современных радиосредств мож-но отнести переход на все более высокочастотные участки радиодиапазона от 2 до 100 ГГц. При этом обеспечивается передача достаточно больших объемов информации на расстоянии прямой видимости. При этом частоты нижних участков диапа-зона проходят через атмосферу лучше и, к примеру, в диапазоне 2 ГГц могут перекрыть расстояние вплоть до 90 км, а радиосистема с той же мощностью передатчика в диапазоне 38 ГГц обеспечит протяженность не более чем 5-7 км.
    Одно из названий наземных систем работающих в диапазонах 2-100 ГГц - микроволновая связь. К ним относятся радиорелейные линии и сети связи прямой видимости, системы распределения информации, радиомосты и некоторые сотовые структуры.
    Современная аппаратура для радиорелейных линий и сетей связи прямой видимости выпускается на диапазоны частот 2, 4, 6, 8, 11, 13, 15, 17, 23, 27, 38 ГГц и выше. Несколько десятков фирм в мире, таких как Ericsson, Siemens, Nokia, Nera, Harris, MRC, Alcatel и др. производят сотни вариантов оборудования для микроволновой связи. В последние годы, в России, так же развернуто производство цифровых радиорелейных систем связи  малой и средней емкости: Радан, Радиан, Радиус, Эриком, «Бист», Sandra, Просвет, Перевал - вот малая часть названий оборудования отечественного производства (www.vestnik-sviazy.ru/archive).
    Оптические системы связи открытого распространения, разработанные в последние годы, подразделяются на инфракрасные и лазерные. Эти системы позволяют передавать значительные объемы информации на малые расстояния  (сотни и тысячи метров). Небольшая дальность объясняется влиянием тумана, дождя, снега, смога, града и различных естественных и искусственных препятствий. Лучшие системы позволяют передавать цифровые потоки со скоростью 155 Мбит/с на расстояние до 4-5 км при любых погодных условиях (например, систе-мы Canobeam, Lightpoint), концентрируя сигнал в чрезвычайно плотный луч и применяя автоматический поиск и юстировку системы, которая удерживает луч света в апертуре антенны (www.canon.com, www.lightpointcom.com). К важнейшему преимуществу инфракрасного и лазерного оборудования можно отнести то, что оно применимо везде, без всяких лицензий или разрешений в отличие от других систем.
    Классификация систем связи по диапазонам частот, по назначению и принципам организации приведена в [1, разд. 1.2; 2, с. 6-9; 3, разд. 1.3].

1. ПЕРВИЧНЫЕ СИГНАЛЫ СВЯЗИ
И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КАНАЛОВ

    В этом разделе необходимо изучить те характеристики и особенности первичных сигналов (телефонных, телевизионных и пр.), которые определяют специфические требования к линиям связи:
  ·  уровни передачи,
  ·  полосы частот,
  ·  статистические характеристики.
    Изучить особенности организации каналов, обратив внима-ние на функционирование дуплексных линий связи.
    Основные сведения о характеристиках первичных сигналов и каналов можно получить в [2, гл.1, 3, разд. 2.1-2.4].

2. СИГНАЛЫ ГРУППОВЫХ И ЛИНЕЙНЫХ ТРАКТОВ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СРС

    Современные системы связи, как правило, являются многоканальными, т.е. позволяют передавать по одной линии множество сообщений от независимых источников. Существует несколько принципов, позволяющих организовывать такую работу - частотное разделение каналов (частотное уплотнение), временное разделение каналов (временное уплотнение), кодовое разделение каналов (кодовое уплотнение).                    Необходимо знать, что в многоканальных системах связи применяется две ступени модуляции первичная ступень модуляции при получении многоканальных сигналов и вторичная ступень - для модуляции несущей частоты системы связи.

2.1. ЧАСТОТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ

    Система частотного разделения каналов (ЧРК) позволяет объединять тысячи отдельных ТЛФ каналов в общий групповой сигнал, передаваемый по линии связи.
    При изучении данного вопроса нужно обратить внимание на общий принцип частотного разделения и принципы многократного и группового преобразования сигналов [2, разд. 2.2, 3, разд. 2.5].
    Важнейшее значение для выбора принципов организации построения линий связи, для выработки требований к их параметрам и пр. имеют знания о характеристиках многоканальных групповых сигналов.     Необходимо изучить их статистические свойства, спектральные характеристики, уровни мощности [1, разд. 1.4; 2, с. 34-36; 3, с. 47-48; 8, разд. 3.1]. Обратите внимание на шумоподобный характер группового сигнала, величину пик-фактора, квазипиковые значения.

2.2. ВРЕМЕННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ

    Временное разделение каналов (ВРК) заключается в том, что сигналы разных сообщений передаются поочередно. Для этого аналоговые сигналы представляются отдельными дискретными значениями, которые определяются по теореме отсчетов (теореме Котельникова).
    Необходимо хорошо изучить требования, предъявляемые этой теоремой, параметры канальных импульсов, методы их модуляции (АИМ, ШИМ, ФИМ), структурные схемы оборудования и функционирования отдельных узлов аппаратуры [2, разд. 2.3; 3, разд. 2.6].
    Временное разделение каналов, имевшее достаточно широкое распространение для аналоговых систем связи во второй половине ХХ века, постепенно теряло свои позиции в последние годы, возродившись, однако, в цифровых системах связи. Эти вопросы рассматриваются подробно в следующем разделе.

3. ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ, МЕТОДЫ СЖАТИЯ ИНФОРМАЦИИ, 
ОРГАНИЗАЦИЯ ЦИФРОВЫХ ПОТОКОВ

    Значение ВРК для цифровых технологий является опреде-ляющим, позволившим получать цифровые потоки со скоростями до десятков гигабит (Гбит), объединяющие многих и многих пользователей.
    Вопросы организации цифровых потоков находятся в динамичном развитии, поэтому, с основными положениями необходимо познакомиться в доступной литературе [2, разд. 2.4; 1, с. 122 - 123; 3, разд. 2.7], а с последними достижениями и рекомендациями - на предэкзаменационных лекциях.
    Особое внимание нужно обратить на изучение принципов получения цифровых сигналов и объединения их в транспортные потоки [2, с.51-52]. Нужно познакомиться с основными особенностями плезиохронной (PDH) и синхронной (SDH) цифровых иерархий, с особенностями их взаимодействия, достоинствами и недостатками.
    Бурное развитие цифровых технологий в последние годы, главным образом, определяется возможностями современных высокоскоростных методов обработки сигналов, в частности, технологиями сжатия сигналов. С основными методами сжатия видеоинформации типа MPEG можно познакомиться в [11, с. 56-74].

4. СКВОЗНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ ЛИНИИ СВЯЗИ
И ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ 
БЕСПРОВОДНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

    Рассмотрение этого вопроса нужно начинать с определения требований на сквозные характеристики систем связи в рамках структуры, показанной на рис. 2.

Рис. 2

    Определите основные требования к следующим сквозным зависимостям:
    ·  амплитудной характеристике (АХ),
    ·  амплитудно-частотной характеристике (АЧХ),
    ·  фазо-частотной характеристике (ФЧХ).
    Обратите внимание, что в системах с ЧРК, основная причина возникновения взаимных влияний между разными сообщениями - нелинейность сквозной амплитудной характеристики линии связи, а в системах с ВРК и в цифровых линиях- несовершенство АЧХ и ФЧХ ([1, с. 22-23; 2, с. 53 - 54]).

Рис. 3

    В самом простом виде структурная схема беспроводной телекоммуникационной линии состоит из модулятора (вторичная ступень), передатчика с антенной, тракта распространения электромагнитной энергии, приемника с антенной и демодулятора (рис. 3).
    Модуляция в микроволновых системах, чаще всего, осуществляется не на рабочей частоте линии связи, а на промежуточной частоте. При этом проще получить высокие качественные параметры модулированных сигналов, а модемное оборудование становится стандартным, не зависящим от диапазона частот линии связи.
   Последнее обстоятельство позволяет производителям аппаратуры выпускать наборы унифицированного оборудования, отличающегося только рабочей несущей частотой. Величина промежуточной частоты (в последние годы) выбирается в диапазоне от 70 до 2000 МГц.
    Передатчик выполняет функцию преобразования модулированного сигнала в рабочую несущую частоту, а также, обеспечивает необходимый уровень мощности выходного сигнала.
    Очевидно, что приемник выполняет обратное преобразование несущего сигнала в промежуточную частоту и усиление сигнала этой частоты.
    Обобщенный вариант выполнения структурной схемы современной цифровой микроволновой аппаратуры можно найти здесь.
    В последнее время, наряду с традиционными системами беспроводной связи на одной несущей частоте, все большее развитие получают цифровые технологии с использованием шумоподобных широкополосных несущих. Соответственно с этим признаком, различаются узкополосные и широкополосные линии связи.     Обобщенные принципы работы широкополосных систем связи на примере технологии CDMA (кодовое распределение каналов) описаны в [12, с. 140-156].

5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН СВЧ ДИАПАЗОНА. АНТЕННЫ СВЧ. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН

    При освоении материалов данного раздела необходимо дополнить свои знания в области основных закономерностях распространения электромагнитной энергии в свободном пространстве, а также, с учетом отражения сигналов от поверхности Земли и влияния тропосферы [1, гл. 2; 4, разд. 9.3; 6, разд. 4.3]. Особое внимание нужно обратить на распространение сигналов СВЧ, поглощение радиоволн в  гидрометеорах и газах атмосферы и на причины изменения  множителя ослабления на трассах линий связи .
    Изучите краткие рекомендации по выбору рабочих частот в микроволновых радиосистемах [5, разд. 3]. В дополнение к этим материалам необходимо отметить, что существует ряд диапазонов радиочастот (например 60 ГГц), работа в которых не требует специальных разрешений и лицензирования. Выпускается аппаратура на нелицензионные диапазоны частот для организации короткопролетных линии и сетей связи как за рубежом, так и в России (к примеру, аппаратура типа Sandra-3).
    Помимо радиоволн в беспроводной связи используются оптические волны. В мире разработано большое количество телекоммуникационных систем оптической инфракрасной и лазерной связи открытого распространения. Вопросы распространения света в различных средах описаны в [2, разд. 8.2].
    Важнейшим элементом систем беспроводной связи являются антенно-фидерные устройства. Вначале необходимо изучить требования к основным параметрам антенн и фидеров СВЧ, затем - их виды, особенности работы и эксплуатации. Обратите внимание на габариты, конструктивные особенности и устойчивость к ветровым нагрузкам антенн различных типов [1, гл. 3; 3, гл. 5; 4, гл. 2].
    Во многих видах современной аппаратуры связи антенна и приемопередатчик объединяются в общий внешний блок, который и устанавливается на антенной опоре. При этом фидерная линия практически отсутствует, что существенно уменьшает потери и искажения сигналов.
    Получают распространения планарные антенны СВЧ, представляющие собой фазированные антенные решетки [11, стр 117-137] и антенны с многолепестковыми диаграммами направленности со сферическими отражателями.

6. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ 
СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ

6.1. МОДУЛЯЦИЯ  В АНАЛОГОВЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ

    В этом разделе речь идет о системах вторичной модуляции. Практически всегда в аналоговых системах связи с ЧРК применяется или частотная (в большинстве случаев), или фазовая модуляция. Важнейшими преимуществами таких видов модуляции является отсутствие взаимного влияния (переходных шумов) между разными сообщениями из-за нелинейности АХ радиотракта и постоянство уровня полезной информации в изменяющихся условиях распространения несущих колебаний.
    Подробные сведения о принципах частотной модуляции, структурных схемах модуляторов и демодуляторов, а также, основных характеристиках модулированных сигналов приведены в [1, разд.1.4;. 2, разд.4.2; 3, разд.3.3].
    В аналоговых системах связи с ВРК для вторичной модуляции применяются амплитудная, частотная или фазовая манипуляции [3, разд. 4.1, 4.2].

6.2. МОДУЛЯЦИЯ  В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ

    В современных цифровых системах связи для вторичной модуляции применяются частотная или фазовая модуляции (манипуляции). Однако для повышения спектральной эффективности систем связи (т.е. с целью уменьшения полосы частот, излучаемой аппаратурой), в настоящее время повсеместно применяются многоуровневые методы модуляции, такие как 4ЧМ, 4ФМ, 16КАМ, 64КАМ и пр. [1, с. 27-38; 2, разд. 4.4; 3, разд. 4.4].
    С увеличением числа уровней модуляции полоса частот, занимаемая сигналом, уменьшается, но уменьшается и помехоустойчивость системы. Поэтому все большее распространение получают различные формы кодированной многоуровневой модуляции. При этом каждый уровень кодируется каким-либо помехоустойчивым кодом. В зависимости от применяемых кодов различают кодированные модуляции: решетчатую (ТСМ - trellis coded modulation), блоковую (BCM - block coded modulation), многоуровневую (MLCM - multilevels coded modulation).
    В современных цифровых системах применяют сложные, микропроцессорные демодуляторы. Эти демодуляторы работают по специальным алгоритмам (алгоритмам Витерби) и позволяют существенно повысить достоверность принимаемой информации (http://www.alantro.com/html/viterbi.html). Подробно эти материалы рассматриваются в лекционных материалах.

7. ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
МИКРОВОЛНОВОЙ И ОПТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ СВЯЗИ

    Приступая к изучению этого раздела, необходимо познакомиться с принципами построения структурных схем аппаратуры, предназначенной для наземной микроволновой связи [1, разд. 4.1, 4.2; 2, с. 86-90, 153-158; 3, разд. 3.2, 3.3] и для спутниковой связи [1, разд. 9.5, 9.6; 2, разд. 6.1; 3, 10.4, 10.5].
    Далее изучите схемотехнические решения,  применяемые при построении СВЧ аппаратуры и модемов [1, разд. 4.4-4.7; 3, с. 100-161]. Познакомьтесь с примером реализации оборудова-ния РРЛ [3, разд. 7.2].
Схемотехнические решения и элементная база современной аппаратуры связи стремительно развиваются. Широко применяется микросхемотехника СВЧ на основе транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), микрополосковой технологии и арсенид-галлиевых структур. Габариты элементов СВЧ уменьшились в сотни и тысячи раз (к примеру, в отечественной радиорелейной аппаратуре БИСТ (http:\\bist.ru), использованы усилители мощности СВЧ фирмы Hewlett Packard с размерами 0.7х1.7 мм).
    Основные принципы построения приемопередающего оборудования для оптических систем связи описаны в [2, разд. 8.3-8.5].

8. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ 
ПОСТРОЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

    Космические системы связи позволяют организовывать передачу разнообразной информации на расстояния во многие тысячи километров. Изучая этот раздел программы, надо обратить внимание на общие принципы построения систем связи с ИСЗ, виды орбит, организацию сеансов связи и многостанционный доступ.     Необходимо изучить методы организации систем непосредственного телерадиовещания и индивидуальных средств связи. Уделите внимание особенностям космических систем (запаздывание сигнала, эффект Доплера, нестабильность юстировки антенн, ограничение объемов передаваемой информации и пр.), а также, способам снижения вредных воздействий этих факторов [1, гл. 9; 2, гл. 6; 3, гл. 10; 11, гл. 1, 2].

9. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ 
ПОСТРОЕНИЯ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

    Наземные микроволновые телекоммуникации получают все большее развитие, успешно конкурируя с кабельными и волоконно-оптическими системами связи. Непрерывное совершенствование электронных компонентов СВЧ, появление новых принципов и технологий привело к созданию новых поколений устройств для беспроводной связи, отличающихся высочайшей надежностью, очень малыми габаритами, низким потреблением энергии и низкой стоимостью. Во многих регионах мира внедрение беспроводных технологий идет опережающими темпами.
    Для передачи больших объемов информации на расстояния в тысячи километров широкое распространение получили радиорелейные линии связи прямой видимости (РРЛ).
    Принцип радиорелейной связи заключается в создании системы ретрансляционных станций, расположенных на расстоянии, обеспечивающем устойчивую работу. Простейшая топология радиорелейной линии связи представляет собой цепочку ретрансляторов, передающих информацию между двумя пунктами. В более сложных случаях строятся ответвления от основной линии или создаются сети распределения информации между регионами, населенными пунктами или непосредственно между потребителями.
    Важной особенностью радиорелейных линий связи, является применение остронаправленных антенн (с коэффициентами усиления порядка 40 дБ), что позволяет работать на очень малых уровнях мощностей передающих устройств. Как правило, современные передатчики РРЛ имеют выходную мощность а пределах от нескольких милливатт до единиц ватт.
    Международными рекомендациями (МСЭ-Р) выделено несколько диапазонов частот СВЧ, в каждом из которых определены частотные планы для работы РРЛ. При этом полоса частот радиоканала не превышает 40 МГц. Для повышения пропускной способности РРЛ, часто применяется многоствольная работа, заключающаяся в том, что организуется несколько параллельных радиоканалов, использующих общую антенную опору и антенны.
    В структуре радиорелейной связи различают оконечные (ОС), узловые (УС) и промежуточные станции (ПС). Узловые и промежуточные станции выполняют функции ретрансляторов, но на узловых станциях можно выделить и ввести информацию, а также, ответвить сигнал на другие направления.
    По характеру линейного сигнала радиорелейные линии связи разделяются на аналоговые и цифровые. Существует некоторое количество смешанных систем, которые работают с теми и другими сигналами.

АНАЛОГОВЫЕ РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

    История многоканальных аналоговых РРЛ в России насчитывает более 40 лет, начавшись с аппаратуры первого поколения Р-60/120  и Р-600. Общая протяженность аналоговых РРЛ в России составляет многие десятки тысяч километров.
    Материалы для изучения принципов организации РРЛ и особенностей аналоговых РРЛ приведены в [1, гл. 7; 2, гл.. 4; 3, разд. 1.2, разд. 3.1; 4, гл. 1].
    Обратите внимание на способы построения антенно-фидерных трактов и разделительных фильтров РРЛ [1, гл. 3; 2, с. 76-80; 4, гл. 3 и 4].
    Основным требованием к телекоммуникационному каналу является передача сигналов с минимальными допустимыми искажениями, не превышающими установленных норм. Необходимо уделить особое внимание изучению причин возникновения различных шумов и искажений и способам их уменьшения [1, гл. 5; 2, разд. 4.2; 3, гл. 7; 4, гл. 8].
    Функционирование наземных микроволновых систем связи зависит в очень сильной степени от геоклиматических параметров - характера и рельефа местности и климатических условий. Физические процессы, проходящие на интервале РРЛ достаточно сложны и неоднозначны. Поэтому надо очень серьезно подойти к изучению этого раздела, обратившись к [1, разд. 2.2, 2.3; 2, с. 115-132; 3, разд. 8.1-8.3].

ЦИФРОВЫЕ РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ ЛИНИИ

    В настоящее время происходит замена аналоговых радиорелейных линий цифровыми. В 1993 г. введена в строй магистральная ЦРРЛ Санкт-Петербург - Москва, а в 1997 г. - Москва - Хабаровск. Запланировано строительство еще нескольких магистральных систем и множества зоновых и местных линий и сетей связи.
    Внедрение цифровых технологий требует применения новой элементной базы, методов проектирования и организации систем.
Скорость работы современных цифровых РРЛ, функционирующих в рамках существующих частотных планов, достигла 622 Мбит/c. При этом используются:
·  многоуровневая кодированная модуляция,
·  сложные системы обработки и коррекции сигналов,
·  поляризационные развязки,
·  адаптивные методы работы.
    Общие вопросы построения, организации и расчета ЦРРЛ можно изучить в [1, с. 27-38, разд. 5.11, 6.4, 7.3; 2, разд. 4.4; 3, разд.4.4].
    Обобщенный вариант выполнения структурной схемы современной цифровой микроволновой аппаратуры можно найти здесь.
    Современные технологии, развитие микроэлектроники СВЧ, компьютерная обработка сигналов, освоение диапазонов рабочих частот выше 10 ГГц, коренным образом меняют конструктивное исполнение оборудования, методы управления и эксплуатации, надежность и стоимость систем. Стремительно уменьшаются масс-габаритные характеристики аппаратуры, что приводит с существенному удешевлению и упрощению антенных опор.

 БЕСПРОВОДНЫЕ СИСТЕМЫ ДОСТУПА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

    Принято считать, что к системам доступа (или к системам связи «последней мили») относятся линии связи с протяженностью до 90 км. Различаются системы доступа с передачей ин-формации от одного пункта к другому (системы «пункт-пункт») и от одного пункта ко многим потребителям (системы «пункт-много пунктов»). По принципам организации и оборудованию, системы «пункт-пункт» весьма сходны с короткопролетными радиорелейными системами связи.
    К группе телекоммуникаций по признаку «пункт-много пунктов» условно можно отнести системы: телерадиовещания, фиксированной и подвижной радиосвязи, микроволновые структуры распределения информации.
    Известно, что в ближайшем будущем, массовым сигналом, передаваемым по радиорелейным линиям связи, станут сигналы цифрового телевидения, так как намечается глобальный переход к таким системам.     Разработаны унифицированные стандарты на наземное, спутниковое и кабельное цифровое телевидение.
Во многих регионах мира (в том числе - в России) принят стандарт COFDM (когерентная ортогональная модуляция с частотным разделением), которая позволяет осуществлять передачу сигналов цифрового телевидения в сложных условиях, в том числе, при наличии интерференционных помех.
    Основные принципы COFDM будут даны в лекционных материалах.
    Быстрыми темпами развиваются сотовые системы связи. Вопросы организации, построения, расчета и эксплуатации со-товых систем связи весьма обширны и излагаются в специальных курсах, а с основными концепциями мобильной связи можно познакомиться в [12]. Обратите внимание на появление систем сотовой связи третьего поколения (3G).
    Микроволновые системы распределения информации пред-назначены для односторонней или двухсторонней связи между базовой станцией и потребителями на расстоянии прямой видимости. В этих системах могут передаваться скоростные цифровые потоки информации для целей телерадиовещания, связи и для работы в Интернете. В мире выпускается достаточно большое количество оборудования для многоканальных микроволновых систем распределения информации MMDS, работающих в диапазоне частот 2-3 ГГц, локальных систем распределения информации LMDS (диапазон 27-28 ГГц) и систем распределения видеоинформации MVDS (диапазон 40-40.5 ГГц).

10. ТРОПОСФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

    В труднодоступных районах и для специальных целей применяются системы связи с протяженностью пролета 200-500 км, функционирующие с использованием тропосферного рассеяния волн. Нужно изучить механизмы тропосферного рассеяния, виды замираний, основные параметры ТРС, методы повышения надежности и принципы построения приемопередающей аппаратуры. Познакомьтесь с особенностями проектирования ТРС. Материалы этого раздела изложены в [2, гл. 5; 1, гл. 8; 3, гл. 9].

11. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
РАДИОРЕЛЕЙНЫХ И СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

    Проектирование и строительство РРЛ ведется с таким расчетом, чтобы выполнялись нормы на устойчивость и качество связи. Основные нормы на аналоговые линии связи и основы проектирования систем рассмотрены в [1, разд. 7.6; 2, с. 108-112, 115- 139; 3, разд. 8.3-8.4]. Обратите внимание на расчет основных факторов, приводящих к неустойчивости связи, таких как:
·  закрытие трассы при субрефракции,
·  интерференция радиоволн,
·  влияние гидрометеоров.
    Рассмотрите способы повышения устойчивости связи на РРЛ, в частности, разнесенный прием [1, гл. 6; 2, с. 126-128] и пассивную ретрансляцию [1, с. 130-132; 2, разд. 3.4; 3, разд.8.5].
    В основу норм, при расчете цифровых РРЛ, заложено понятие о коэффициенте ошибок, представляющего собой отношение количества ошибочно принятых символов, к общему количеству переданных символов.
По показателям ЦРРЛ разделяются на:
·  линии высокого качества,
·  линии среднего качества (четыре класса),
·  линии локального качества.
    Рекомендации на нормирование характеристик ЦРРЛ находятся в динамичном развитии и окончательно не установлены. Один из вариантов рекомендаций приведен в [5, разд.2].
    Расчет цифровых радиорелейных линий связи на диапазоны частот до 10 ГГц подобен расчету аналоговых систем. Основное отличие заключается в нормируемых параметрах и в учете влияния разных источников замираний на показатели работы линии связи. Определение минимально допустимого значения множителя ослабления (иногда, для цифровых систем применяется понятие «запас на замирания») ведется относительно порогового значения мощности сигнала на входе приемника для заданной величины коэффициента ошибок.
В цифровых системах РРЛ нормируются показатели неготовности (ПНГ) и показатели качества по ошибкам (ПКО).
    Показатели неготовности определяются относительно медленными процессами, проходящими на интервалах линии связи. К таким процессам относятся субрефракция в атмосфере и потери в гидрометеорах.
    Показатели качества по ошибкам связаны с интерференционными замираниями на интервалах РРЛ. Важно отметить, что при расчете высокоскоростных цифровых РРЛ (140 Мбит/c и выше), существенное влияние оказывает частотно-селективный характер интерференции.
    Расчет цифровых РРЛ для диапазонов частот выше 10 ГГц, часто бывает несколько проще, чем для более низких частот. Связано это с тем, что основное влияние на замирания сигнала в этих линий связи оказывают гидрометеоры, а остальные факторы могут быть сведены к минимуму при правильном выборе трассы, рабочих частот и параметров аппаратуры [5].
    Энергетический расчет спутниковой системы связи относительно несложен, поскольку электромагнитный сигнал проходит большую часть пути в космическом пространстве, параметры которого близки к свободному пространству. Только небольшой слой плотной тропосферы вблизи поверхности Земли оказывает влияние на распространение сигнала. Для выбранного диапазона рабочих частот космической системы связи величина сигнала на входе приемных устройств зависит от атмосферной рефракции, гидрометеоров или затухания в газах атмосферы. Вопросы проектирования и расчета космических систем связи достаточно подробно рассмотрены в [1, с. 313-317, 2, с. 193-215, 3, разд. 10.2].
    В Интернете можно найти программное обеспечение для расчета некоторых характеристик спутниковых систем связи . Это программы SMWLink  (www.stelco.cz/sat/dig_load.htm ) и Satmaster  (www.arrowe.co.uk).

12. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СРЕДСТВ СВЯЗИ

    В условиях появления все новых и новых систем связи, освоения новых диапазонов частот, увеличения мощности промышленных помех и ухудшения экологической обстановки, вопросы электромагнитной совместимости становятся чрезвычайно важными. Требуется соблюдать определенные условия для обеспечения устойчивой связи без взаимных помех и без вреда для человека и природы.
    Основные аспекты электромагнитной совместимости изложены в [1, гл. 10; 2, гл. 9; 3, гл. 13].

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. .Основные параметры ТЛФ сигнала и ТЛФ канала.
2. .Основные параметры ТЛВ сигнала и ТЛВ канала.
3. Основные принципы частотного уплотнения.
4. Основные характеристики группового сигнала с ЧРК.
5. Основные принципы временного уплотнения.
6. Основные требования к линии связи при передаче сигналов с ЧРК .
7. Основные требования к линии связи при передаче сигналов с ВРК
8. Основные принципы цифровых методов передачи сигналов.
9. Основные особенности распространения сигналов диапазона СВЧ.
10. Особенности распространения света в различных средах.
11. Основные виды и характеристики антенн для радиорелейных и спутниковых линий связи
12. Основные виды модуляции для передачи сигналов с ЧРК.
13. Основные виды аналоговой модуляции для передачи  сигналов с ВРК.
14.  Основные виды вторичной модуляции для передачи импульсных сигналов.
15.  Современная элементная база аппаратуры группового тракта РРЛ с ЧМ и тракта основной полосы (ТОС) цифровых систем связи.
16.  Приемопередающая аппаратура РРЛ.
17.  Приемопередающие устройства и антенны спутниковых систем связи.
18.  Современная элементная база приемопередающей аппаратуры СВЧ.
19. Элементная база оптических систем связи.
20. Особенности интервала спутниковой СС. Основные соотношения.
21.  Принципы построения СС с ИСЗ. Виды орбит. Диапазоны,  емкость, дальность
22.  Особенности интервала РРЛ. Основные соотношения.
23.  Принципы построения РРЛ. Диапазоны, емкость, дальность, ОС, ПС, УС. Принципы построения многоствольных РРЛ.
24. Структурные схемы станций цифровых РРЛ.
25. Особенности интервала ТРЛ. Основные соотношения.
26. Общие принципы разнесенного приема.
27. Основные виды шумов в ТЛФ каналах для систем связи с ЧРК
28. Основные виды шумов в ТЛФ каналах для систем связи с ВРК
29. Основы расчета аналоговых РРЛ прямой видимости.
30. Тепловые шумы в ТЛФ каналах аналоговых РРЛ с ЧМ и ЧРК.
31. Переходные шумы групповых трактов аналоговых РРЛ с ЧМ и ЧРК.
32. Переходные шумы ВЧ трактов аналоговых РРЛ с ЧМ и ЧРК.
33. Множитель ослабления на интервале РРЛ.
34. Основы расчета цифровых РРЛ прямой видимости
35. Основы расчета тропосферных линий связи.
36. Основы расчета спутниковых систем связи.

 КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ

    В соответствии с учебным планом, при изучении курса «Спутниковые и радиорелейные системы передачи», необходимо выполнить две контрольные работы. В контрольных заданиях [6] приведены методические указания для выполнения трех работ. Вам нужно выполнить любые две по выбору.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 1

    ЗАДАНИЕ
1.  Определить граничные частоты многоканального сигнала для заданного N при ЧРК, нарисовать линейный спектр сигнала и рассчитать среднюю мощность многоканального сигнала.
2.  Из таблицы параметров аналоговой радиорелейной аппаратуры выбрать аппаратуру, подходящую по числу передаваемых каналов.
3.  Рассчитать полосу частот, занимаемую частотномодулированным сигналом и ширину полосы частот ВЧ тракта.
4.  По заданной протяженности интервала и высотам подвеса антенн рассчитать уровень сигнала на входе приемника Рпр 0.
5.  Рассчитать мощность тепловых шумов на выходе телефонного канала.
6.  Определить минимально допустимый множитель ослабления и соответствующий ему уровень сигнала на входе приемника.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 2

    ЗАДАНИЕ
1.  Выбрать диапазон рабочих частот и тип оборудования цифровой РРЛ.
2.  Выбрать диаметры антенн и рассчитать их коэффициенты усиления
3.  Определить ослабление сигнала в свободном пространстве.
4.  Определить потери радиосигнала в газах атмосферы.
5.  Рассчитать уровень сигнала на входе приемника без замираний.
6.  Определить запас на замирания.
7.  Построить диаграмму уровней на интервале ЦРРЛ.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 3

    ЗАДАЧА 3.1
1.  Определить географические координаты точки, в которой будет приниматься сигнал со спутника.
2.  Выбрать телекоммуникационный спутник, расположенный на геостационарной орбите.
3.  Рассчитать азимут и угол места для юстировки наземной приемной антенны.
    ЗАДАЧА 3.2
1.  Для заданного варианта системы спутникового телевещания определить:
·  полосу пропускания абонентского приемного устройства,
·  требуемое отношение сигнал/шум на входе абонентского приемника,
·  затухание сигнала в свободном пространстве,
·  коэффициенты усиления спутниковой передающей антенны и абонентской антенны.
2.  По найденным параметрам рассчитать необходимую мощность спутникового передатчика.

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

    Курсовой проект заключается в расчете параметров аналоговой или цифровой радиорелейной линии связи.
Подробные полиграфические методические указания для выполнения курсовых проектов приведены в [7, 10]. Дополнительные сведения (таблицы, номограммы, формулы) можно найти в [4, 5, 9].

 ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ
1.  Немировский А.С., Данилович О.С. и др. Радиорелейные и спутниковые системы передачи.- М.: Радио и связь, 1986.
2.  Системы радиосвязи / Под ред. Н.И.Калашникова. - М.: Радио и связь, 1988.
3. Немировский А.С., Рыжков Е.В. Системы связи и радиорелейные линии: учебник для электротехнических институтов связи. - М.: Связь, 1980.
4.  Справочник по радиорелейной связи / Под ред. С.В. Боро-дича. -М.: Радио и связь, 1981.
5.  Гомзин В. Н., Лобач В. С., Морозов В. А. Расчет параметров цифровых РРЛ, работающих в диапазонах частот выше 10 ГГц / СПбГУТ.- СПб, 1998.
6.  Лобач В.С. Космические и наземные системы радиосвязи и телерадиовещания и Спутниковые и радиорелейные системы передачи: контрольные задания (спец. 201000, 200100) / СПбГУТ. - СПб, 2001.
7.  Лобач В.С. Цифровые микроволновые системы связи: методические указания к курсовому проектированию (спец. 201000, 201000) / СПбГУТ. - СПб, 2001.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
8.  Системы связи и радиорелейные линии: учебник для электротехнических институтов связи / Под ред. Н.И. Калашникова. -М.: Связь, 1977.
9.  Данилович О.С. и др. Методические указания к расчету устойчивости работы РРЛ прямой видимости / ЛЭИС.-Л., 1987.
10.  Гаврилова И.И., Лобач В.С. Методические указания к выполнению проекта по курсам «Радиорелейные линии и спутниковые системы передачи» и «Радиорелейная связь и телевизионное вещание» (спец. 2306 и 2307) с использованием программируемых микрокалькуляторов / СПбГУТ.- СПб, 1993.
11.  Левченко В.Н. Спутниковое телевидение. - СПб: BHV, 1998.
12.  Андрианов А.И., Соколов А.В. Средства мобильной связи. - СПб: BHV, 1998.

1 Тбит/с - 106 Мбит/с
 
 
 
Хостинг от uCoz