На начальную страницу
Радиотехнические системы связи
методические указания и контрольные работы
Лобач Вячеслав Станиславович

Содержание
    Общие пояснения к программе дисциплины

    Контрольная работа
Общие пояснения к программе дисциплины

    В дисциплине изучаются принципы передачи информации по радиотехническим системам связи, вопросы построения современных спутниковых, волоконно-оптических и радиорелейных коммуникаций. Изучаются физические законы распространения радиоволн, основы построения антенных, радиопередающих и радиоприемных устройств. Особое внимание уделяется рассмотрению последних достижений в этой области, технологиям и возможностям применения разных систем в той, либо иной сфере. Дисциплина базируется на знаниях, полученных студентами при изучении дисциплины «Основы радиоэлектроники». В процессе изучения дисциплины необходимо проработать материал, изложенный в программе, выполнить лабораторный практикум и контрольную работу. Для подтверждения степени изучения материала сдается экзамен.
    По ряду вопросов, связанных с современным состоянием средств связи, литература разрозненна, отсутствует или труднодоступна. Поэтому, такие материалы излагаются на лекционных занятиях.

Начало


Методические указания по разделам

Введение

    При изучении материала следует уяснить роль беспроводных и волоконно-оптических систем связи в развитии единой автоматизированной сети связи (ЕАСС), как единого целого, обеспечивающего нормальное функционирование предприятий и организаций и предоставляющего различные услуги для населения.

Вопросы, подлежащие изучению

1. Структурная схема системы связи ([1, стр. 4-6]).

2. Классификация систем радиосвязи ([1, стр. 6-8]; [2, разд.1.2].)

3. Особенности распространения километровых, гектометровых и декаметровых радиоволн ([3, стр. 13-15], [5, разд. 1.2]).

4. Особенности распространения метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн в пределах прямой видимости и за счет тропосферного рассеяния ([2, глава 2]; [3, стр. 62-69], [5, разд. 1.2]).

5. Особенности распространения оптических волн ([1, разд. 8.1, 8.2]).

Пояснения к изучаемым вопросам

    Предпосылкой развития и совершенствования систем связи являются потребности в информационном обеспечении всех хозяйственных структур и населения. Передаваемой информацией могут быть: В качестве переносчиков информационных сигналов используются электромагнитные колебания (радио или оптические несущие). Электромагнитные колебания характеризуются частотой и делятся на 9 диапазонов радиоволн и 3 диапазона оптических волн. Частота колебаний связана с длиной волны соотношением

 

     Таким образом, длина волны в 5 диапазоне (длинные волны) исчисляется километрами, в 10-11 диапазонах (диапазоны СВЧ) - сантиметрами и миллиметрами, а в оптических диапазонах - микрометрами. Длина волны определяет специфику распространения электромагнитной энергии в условиях Земли.
    Радиоволны 5-7 диапазона обладают способностью огибать поверхность Земли и могут распространяться на расстояния в несколько тысяч километров. Однако, каналы связи обладают очень узкой полосой пропускания и могут обеспечивать передачу ограниченного объема радиовещательных, телефонных, телеграфных и фототелеграфных сообщений.
    Радиоволны 8-12 диапазонов позволяют передавать значительно более объемную информацию, включая телевизионные сигналы, сигналы многоканальной телефонии, высокоскоростные цифровые потоки. Однако, волны этих диапазонов распространяются почти прямолинейно. Поэтому они устойчиво проходят на расстояние прямой видимости между антеннами передающего и приемного оборудования. Практически это расстояние составляет десятки километров и для передачи сигналов на большие расстояния строятся цепочки ретрансляторов, образующие радиорелейные линии. Другим способом передачи сигналов этих диапазонов на большие расстояния является использование для ретрансляции связных спутников. Спутниковые системы позволяют передавать информацию на десятки тысяч километров и перекрывать большие площади на поверхности Земли, вплоть до организации глобальных систем связи. Возможна также передача сигналов за пределы прямой видимости за счет рассеяния электромагнитной энергии в неоднородностях тропосферы.
    В оптических диапазонах волн можно передавать гигантские объемы информации. Но при распространении в открытом пространстве они подвержены большим ослаблением и, практически, обеспечивается связь на расстояние до 4-5 км. Для передачи на большие расстояния применяются закрытые оптические системы, в которых свет распространяется по стеклянным волокнам.
    Все связные системы можно разделить на две большие группы. Одно группа представляет собой проводные системы, в которых информация передается по проводам и электрическим или оптическим кабелям. Строительство таких систем связано с длительными и дорогостоящими согласованиями в различных инстанциях и сложными прокладочными работами: установкой опор, рытьем траншей, организацией подводных переходов, пересечение транспортных коммуникаций, внутренняя разводка проводов и кабелях в зданиях и пр. Строительство затягивается на долгое время, в течении которого отсутствует какой-либо доход. Причем, при проектировании проводных систем необходимо заложить некоторую избыточность в технические параметры (значит, и в финансовые вложения) для возможности будущих усовершенствований. Затруднена защита проводных коммуникаций от стихийных бедствий, терроризма, вандализма и пр., которую нужно обеспечивать на всей протяженности системы. Поэтому, стоимость строительства и эксплуатации проводных систем в мире, особенно на небольших расстояниях, многократно увеличивается в последние годы и это обстоятельство инициирует стремительное развитие беспроводных технологий.
    Беспроводные системы (радио и оптические) позволяют вводить в строй телекоммуникационные структуры за очень короткое время (в десятки и сотни раз меньшие, чем проводные), получая быстрою экономическую отдачу. 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 работающего фрагмента, позволяет, в обмен на будущие льготы, привлечь и средства будущих абонентов. Это резко снижает вероятность финансовых потерь и позволяет более уверенно вкладывать инвестиции в проекты. При одновременном начале работ, полной окупаемости беспроводной системы можно достичь раньше, чем будет запущена проводная.
Однако, в каждом конкретном случае нужны тщательные расчеты для определения экономической эффективности системы связи. К примеру, экономически выгодны волоконно-оптические системы связи большой протяженности, позволяющие передавать практически неограниченные объемы информации, недостигаемые для других систем связи. Выгодно применять воздушные волоконные кабели, подвешиваемые на существующие телефонные или телеграфные опоры или опоры линий электропередач. В тоже время существуют беспроводные вставки в проводные системы, позволяющие легко и дешево преодолевать различные естественные или искусственные преграды. Разработано множество разновидностей беспроводных телекоммуникационных систем, на эксплуатацию которых не требуется каких-либо разрешений и согласований.

        Вопросы для самопроверки

1. Поясните общий принцип работы системы связи.
2. Поясните классификацию диапазонов частот, используемых в системах связи.
3. Рассмотрите особенности распространения радиоволн и оптических сигналов.
4. Чем определяется дальность связи в разных диапазонах.
5. Какие системы связи работают в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн.
Начало

2. Антенны и фидеры систем связи

Вопросы, подлежащие изучению

Пояснения к изучаемым вопросам

    Линии, соединяющие антенны с приемниками или передатчиками называются фидерными линиями или фидерами. Они должны обеспечить передачу сигнала с наименьшими потерями и искажениями.
    В 4-7 диапазонах в качестве фидеров применяются двухпроводные линии.
    В 8 и, частично, в 9 диапазонах используются коаксиальные кабели, а в остальных - волноводы.
    Излучение и прием электромагнитных волн осуществляется при помощи антенн. Антенны характеризуются многими параметрами, главными из которых являются ширина полосы частот и направленные свойства. Направленные свойства или способность антенны принимать или передавать сигналы в заданном направлении зависят от соотношения между длиной волны и геометрическими размерами элементов антенн. Одна из простых антенн - симметричный вибратор, который эффективно работает при условии, что его длина равна l / 2. Для улучшения направленных свойств применяются дополнительные структуры, образующие антенну по названием «волновой канал», получившую широкое распространение для приема телевизионных сигналов.
    В диапазонах 9-12, в основном, применяются различные модификации параболических антенн.
    Антенны оптических диапазонов представляют собой линзовые и зеркальные системы.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите типы фидеров для радиотехнических систем.
2. Назовите основные технические характеристики антенн.
3. Назовите основные особенности построения антенн разных диапазонов.
4. За счет чего достигается высокая направленность антенн?
5. Какие типы антенн применяются для оптических линий связи?
Начало

3. Первичные сигналы связи и принципы построения каналов

Вопросы, подлежащие изучению

  1. 1. Телефонный сигнал и его основные характеристики ([1], стр. 10-11).
  2. 2. Особенности построения телефонных каналов([1], стр. 18-21).
  3. 3. Телевизионный сигнал и его основные характеристики ([1], стр. 14-15,[5], разд. 8.2-8.4).
  4. 4. Особенности построения телевизионных каналов ([1], стр. 23-26).

Пояснения к изучаемым вопросам

    В этом разделе необходимо изучить те характеристики и особенности первичных сигналов (телефонных, телевизионных и пр.), которые определяют специфические требования к линиям связи:     Изучите особенности организации телефонных каналов, обратив внимание на функционирование дуплексных линий связи.
    В телевизионном канале передаются, как минимум, два сигнала - сигнал изображения и сигнал звука. Передача может осуществляется несколькими методами, но наибольшее распространение в аналоговом телевидении получил метод передачи сигнала звука на поднесущей частоте, располагающейся выше верхней частоты видеосигнала. Как известно, верхняя частоты видеосигнала для отечественного стандарта составляет 6 МГц. Звуковое сопровождение передается на частотах 6.5 или 8 МГц.

            Вопросы для самопроверки

1. Перечислите основные параметры телефонного сигнала.
2. Чем обеспечивается устойчивая работа дуплексного телефонного канала?
3. Перечислите основные параметры телевизионного сигнала.
4. Перечислите основные методы передачи звука и изображения в одном канале.
 

4. Аналоговые многоканальные сигналы
и цифровые методы работы

Вопросы, подлежащие изучению

1. Принцип частотного разделения каналов ([1], стр. 30-36).
2. Теорема Котельникова и принцип временного разделения каналов ([1], стр. 37-42).
3. Принцип получения цифровых сигналов ([1], стр. 43-47).
4. Современная организация цифровых транспортных потоков ([1], стр. 47-54).

Пояснения к изучаемым вопросам

    Для передачи по системам связи сигналов многих пользователей широко применяется метод частотного разделения или уплотнения каналов. Метод заключается в переносе сигнала каждого канала по оси частот при помощи индивидуальной несущей. При этом каналы располагаются в не перекрывающихся полосах частот (по 4 кГц). Общее количество каналов, объединяемых таким образом, может составлять сотни и тысячи, при суммарном спектре в единицы и десятки мегагерц.
    Другим методом разделения каналов является временное разделение (ВРК), когда информация каждого канала переда-ется дискретными отсчетами поочередно. Дискретизация сигналов (или представление непрерывных сигналов отдельными точками) проводится по теореме Котельникова.

Теорема Котельникова

Сигнал с ограниченным спектром (Fмакс) полностью определяется своими отсчетами, следующими с частотой (Fд), по крайней мере, в два раза большей верхней частоты сигнала.     К примеру, Fмакс для телефонного канала составляет 3.4 кГц. Следовательно, ТЛФ сигнал можно передать отдельными значениями, следующими с частотой 6.8 кГц и выше (принято стандартное значение частоты дискретизации в ТЛФ канале 8 кГц).
    При временном разделении сигналов отсчеты отдельных  каналов передаются поочередно. Количество каналов зависит от длительности каждого отсчета, защитного промежутка времени между отсчетами разных каналов и видом импульсной модуляции. Практически, в аналоговых системах связи, количество каналов при ВРК не превышает 48.
    В современной технике связи наметился глобальный переход на цифровые технологии. При этом происходит преобразование первичных сигналов в цифровой вид. Процесс получения цифровых сигналов состоит из двух этапов:

· дискретизация сигналов по теореме Котельникова,
· квантование сигналов.

    Квантование сигналов заключается в преобразовании амплитуд отдельных дискретных значений в стандартные квантованные величины, которым присвоены индивидуальные коды в двоичной системе единиц. Последовательность двоичных чисел (которые называются кодовыми группами) и образует цифровой сигнал.
    При преобразовании сигналов в цифровой вид возникают искажения, называемые «шумы квантования». Объясняются они несоответствием действительных амплитуд сигналов и значений квантованных уровней. Для уменьшения шумов квантова-ния нужно увеличивать число уровней квантования. В современной связи, чаще всего, применяется 256 уровней, что соответствует восьмиразрядному коду.
    Цифровые сигналы занимают значительно большие полосы частот, чем аналоговые. К примеру, скорость цифрового потока одного стандартного телефонного канала составляет 64 кбит/c (тактовая частота - 64 кГц). Следовательно, в равноценных полосах частот можно передать значительно меньше цифровых каналов, чем аналоговых, что экономически невыгодно. Однако, развитие современных технологий и возможности высокоскоростных методов обработки информации, позволили создать эффективные системы сжатия цифровых сигналов. К примеру, системы типа MPEG-2 сжимают цифровые телевизионные сигналы в десятки раз, что существенно улучшает экономические показатели цифровых устройств и делает аналоговые структуры неконкурентоспособными.
    Для передачи информации по системам связи цифровые сигналы разных пользователей объединяются в транспортные потоки методом временного разделения каналов. Прежние системы объединения использовали плезиохронную цифровую иерархию (PDH). К настоящему времени PDH стала тормозом для дальнейшего развития высокоскоростных цифровых телекоммуникаций. Поэтому, в последнее десятилетие, происходит переход на синхронную транспортную иерархию (SDH).

Вопросы для самопроверки

1. Поясните метод частотного разделения каналов.
2. Сформулируйте теорему Котельникова.
3. Определите частоту дискретизации для телевизионного сигнала.
4. Поясните метод временного разделения каналов.
5. Перечислите методы получения цифровых транспортных потоков.
Начало

5. Виды модуляции радиосигналов

Вопросы, подлежащие изучению

1. Модуляция в аналоговых системах (амплитудная, частот-ная и фазовая), основные принципы и области применения ([1], стр. 80-82, 113-120; [2], стр. 22-27; [3], стр. 15-20 )

2. Модуляция в цифровых системах связи ([1], стр. 147-152; [2], стр. 27-38).

3. Модуляция в оптических системах связи ([1], стр. 260-261)

Пояснения к изучаемым вопросам

    Модуляция радиосигналов - это изменение параметров переносчиков информации (радио или оптических волн) по заданному закону. Существует три основные вида модуляции: амплитудная (АМ), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ), - каждая из которых имеет большое число вариантов.
    При амплитудной модуляции передаваемая информация управляет амплитудой радиосигнала. Такой вид модуляции получил широкое распространение в радиовещании на диапазонах длинных, средних и коротких волн (2-7 диапазоны) и для эфирного телевидения, работающего в диапазонах метровых и ультракоротких волн (8-й и, частично, 9-й диапазоны). Частотная модуляция (управление частотой несущих колебаний) применяется для высококачественного радиовещания в УКВ диапазоне, в аналоговых радиорелейных и спутниковых линиях связи. Фазовая аналоговая модуляция близка по характеристикам к частотной модуляции. В современных цифровых системах связи применяются сложные виды частотной или фазовой модуляции. При этом цифровые потоки разделяются на несколько параллельных ветвей, в каждой из которых проводится модуляция. Затем сигналы отдельных ветвей объединяются в общий сигнал, образую композицию, которая называется многоуровневой модуляцией. 4ФМ, 16КАМ, 64КАМ - некоторые примеры многоуровневой модуляции, позволяющие значительно сузить полосы частот, занимаемые передаваемым сигналом. С целью повышения помехоустойчивости цифровых систем разработаны кодированные виды многоуровневой модуляции (32BCM, 128TCM и пр.).
    В приемной частях систем связи устанавливаются соответствующие демодуляторы, проводящие операции, обратные модуляторам.

    Вопросы для самопроверки

1. Перечислите основные виды модуляции для аналоговых систем связи.
2. Приведите примеры применения основных видов модуляции.
3. Поясните принципы модуляции для цифровых систем связи.
4. Объясните основные виды модуляции оптических систем связи.
Начало

6. Радиопередающие устройства и оптические передатчики

Вопросы, подлежащие изучению

1. Структурная схема и основные показатели радиопередающих устройств ([1], стр. 88-89; [2], стр. 105-107; [3], стр. 75-78). Оптические передатчики ([1], стр. 252-256).
2. Автогенераторы, стабилизация частоты колебаний ([2], стр. 153-155; [3], стр. 95-100)
3. Усилители мощности передатчиков ([2], стр. 142-146).

Пояснения к изучаемым вопросам

    На вход радиопередающего устройства поступает модулированный сигнал. В современных системах связи модуляция про-водится на стандартной промежуточной частоте. К примеру, в системах связи, работающих в диапазонах СВЧ, промежуточная частота может быть 70, 140 или 820 МГц (существуют и другие стандарты). Задачей радиопередающего устройства, в таких случаях, является преобразование сигнала промежуточной частоты в рабочий диапазон частот и доведение мощности сигнала до необходимого уровня. Соответственно, упрощенная структурная схема радиопередатчика состоит из преобразователя частоты, полосового фильтра и выходного усилителя (рис. 1). Преобразователь частоты состоит из смесителя и задающего генератора. Смеситель представляет собой нелинейный элемент, который смешивает частоты сигналов, поступающих на него и выдает на выходе две полосы частот - суммарные и разностные (в данном случае сумму и разность промежуточной частоты и частоты задающего генератора). Полосовой фильтр выделяет одну из полос частот.

Рис. 1

Для работы преобразователя частоты необходимы высокостабильные генераторы. Любой генератор состоит из усилителя и цепей обратной связи (рис. 2).

Рис. 2

    При достаточном усилении сигнала (балансе амплитуд) и при правильной фазе сигнала, поступающего через цепь обратной связи (балансе фаз), в схеме возникают незатухающие колебания, форма которых определяется частотными характеристиками составляющих схемы. Если характеристики усилителя и цепи обратной связи формируются узкополосными элементами (контурами или резонаторами), то форма колебаний будет близка к синусоидальной. В случае применения широкополосных элементов - генерируются импульсные колебания.
    В задающих генераторах передатчиков применяются синусоидальные генераторы, стабильность которых определяется стабильностью контуров или резонаторов. В генераторах передатчиков 5-9 диапазонов нашли широкое применение кварцевые резонаторы. На более высоких частотах используются кварцевые генераторы с умножением частоты, синтезаторы частоты и, в последние годы, - генераторы на диэлектрических резонаторах.
    Усилители передатчиков (УВЧ) обеспечивают необходимую выходную мощность, которая сильно отличается в разных диапазонах. К примеру, в диапазонах длинных и средних волн мощность радиостанций может составлять сотни киловатт и, даже, мегаватты, в диапазонах СВЧ - единицы и доли ватт, а в оптических диапазонах - единицы милливатт. Соответственно, усилители строятся на мощных лампах, транзисторах, микросхемах. Появились твердотельные, микроскопические усилители для радиосистем, работающих на частотах в десятки ГГц.
    Оптические передатчики работают на специальных светодиодах и лазерах.

    Вопросы для самопроверки

1. Поясните назначение элементов структурной схемы радиопередатчика.
2. Назовите основные технические характеристики радиопередатчиков.
3. Поясните принцип работы генераторов.
4. Поясните назначение и технические реализации усилителей высокой частоты.
5. Поясните структурную схему передатчиков оптических систем связи.
Начало

7. Радиоприемные устройства

Вопросы, подлежащие изучению

1. Структурная схема супергетеродинного приемника([2], стр. 106-107; [3], стр.127-132).
2. Принципы построения отдельных элементов приемников ([2], стр. 147-155).
3. Особенности приемников ЧМ сигналов и области их применения ([2], стр. 116-187; [3], стр. 157-160).
4. Особенности приемников цифровых сигналов ([1], стр. 153-157; [2], стр. 106-107).

Пояснения к изучаемым вопросам

    Приемник выполняет преобразование частоты радиосигнала в промежуточную частоту и усиление сигнала на промежуточной частоте. Такой приемник называется супергетеродинным и его упрощенная схема может выглядеть так, как показано на рис. 3
    Радиосигнал (f1) подается из антенны в преобразователь частоты через усилитель высокой частоты. Технические реше-ния применяемые для построения этих элементов похожи на соответствующие решения для передатчиков. Сигнал разностной (промежуточной) частоты, получающийся в процессе преобразования, отфильтровывается полосовым фильтром (ФПЧ) и усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Усиленный сигнал поступает в демодулятор. Основной особенностью приемников ЧМ сигналов является наличие амплитудного ограничителя, устанавливаемого перед демодулятором. Амплитудный ограничитель предназначен для устранения паразитной амплитудной модуляции, возникающей из-за шумов, помех и несовершенства характеристик элементов.
                                                                Рис.3
    Оптические приемники, в общем виде, выполняются по более простой схеме, состоящей, в основном, из светочувствительного элемента и усилителя. В качестве светочувствительных элементов применяются фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и пр. Усилители оптических приемников выполняются, как правило, по интегральной технологии.
    В состав оптических приемных устройств открытого распространения входят антенные системы, представляющие собой зеркальный или линзовые конструкции.
    В приемных устройствах волоконно-оптических систем связи волокна, как правило, стыкуются со светочувствительным элементом приемника непосредственно, без антенных устройств.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните структурную схему супергетеродинного приемника.
2. Объясните назначение отдельных элементов супергетеродинного приемника.
3. Поясните особенности приемников ЧМ сигналов.
4. Объясните структурную схему оптического приемника.
Начало

8. Спутниковые системы связи

Вопросы, подлежащие изучению

1. Основные энергетические соотношения на интервале радиосвязи ([2], стр. 45-46).
2. Организация спутниковых систем связи. Виды орбит ([1], стр. 184-189).
3. Особенности передачи сигналов по спутниковым системам связи ([1], стр. 189-193).
4. Многостанционный доступ в спутниковых системах связи ([1], стр. 215-222).
5. Организация телевизионного вещания через системы спутниковой связи ([1], стр. 227-229).

Пояснения к изучаемым вопросам

    Прежде чем изучать спутниковые системы связи целесообразно познакомиться с обобщенным выражением для энергетического расчета беспроводных линии связи.

Рис. 4

    На рис.4 показана упрощенная структурная схема беспроводного интервала, состоящая из передатчика, приемника, антенн и тракта распространения электромагнитной энергии. Очевидно, что работоспособность такой системы зависит от уровня сигнала на входе приемника (Рпр). Если предположить, что электромагнитная энергия распространяется в свободном пространстве (отсутствуют препятствия, атмосфера, помехи), то при известных значениях величин, обозначенных на рис. 4 рассчитать мощность сигнала на входе приемника достаточно просто по формуле

     Совершенно ясно, что если система радиосвязи будет работать в реальном пространстве, мощность сигнала на входе приемника будет другой. Для учета влияния реального пространства вводится понятие множителя ослабления (V)

    Эти выражения справедливы для любой беспроводной системы связи. Отличие заключается в значениях и характере поведения величин множителя ослабления.
    Наиболее близки к условиям свободного пространства - интервалы спутниковых линии связи. Спутниковые линии связи работают в 9 - 11 диапазонах частот и, в перспективе, в оптических диапазонах. В этих системах сигнал с земной станции посылается на спутник, содержащий приемопередающую аппаратуру, там усиливается, обрабатывается и посылается обратно на Землю, обеспечивая связь на большие расстояния и перекрывая большие площади. Существует множество разнообразных спутниковых систем, как коммерческого, так и специального назначения. Спутники движутся по эллиптическим или круговым орбитам, согласно законам Кеплера, которые сформулированы еще в начале 17 века.
    Особый интерес представляет круговая орбита, расположенная в плоскости экватора Земли. При расстоянии до орбиты порядка 36000 километров и движении спутника в сторону вращения Земли, спутник будет неподвижным относительно земного наблюдателя. Такая орбита называется геостационарной (рис. 5) и позволяет осуществлять связь при помощи неподвижных антенн. Недостатками геостационарной орбиты является ее уникальность и невозможность обеспечения связи для высокоширотных областей Земли.             Геостационарная орбита является основной для спутникового телевизионного вещания, том числе, и для приема сигналов на индивидуальные устройства. В Интернете, по адресу www.stelco.cz/sat/dig_load.htm, находится компьютерная программа SMWLink для расчета основных параметров индивидуальной телевизионной спутниковой установки.
    Ввиду уникальности орбиты она распределена между государствами. Россия обладает несколькими участками орбиты, на которых расположены спутники типа Горизонт, Галс и пр.

Рис. 5

    При движении спутника по другим орбитам он будет перемещаться относительно земного наблюдателя. Следовательно, для связи нужно иметь следящие антенны и группировки спутников, следующих друг за другом для непрерывной связи. По такому принципу работают несколько глобальных систем для передачи телефонных сообщений. Наиболее известные из них - международные проекты Iridium и Global Star, в которых Россия принимает участие.

Рис. 6

    На рис 6 показана группировка системы Global Star, состоящая из 48 спутников, расположенных на 6 орбитах и общий вид пользовательского терминала.. Такая система обеспечивает абонентов телефонной связью почти на всей территории Земли.

Рис. 7

    Пример конструкции спутника связи показан на рис. 7. Он состоит из центрального блока, содержащего все оборудование и антенны, и панелей солнечных батарей, обеспечивающих питание всех узлов спутника.
    Для возможности работы нескольких систем связи через один спутник применяются многостанционный доступ. Принципы организации многостанционного доступа напоминают принципы уплотнения каналов и могут быть с частотным разделением систем, с временным разделением или с разделением по форме сигнала.
    Телевизионное вещание через спутники может быть двух типов. Во-первых, посредством распределительных систем, когда прием ведется на коллективное оборудование и , дальше, сигналы ретранслируются при помощи телецентров или передают-ся по кабельным или беспроводным коммуникациям. Во-вторых, можно обеспечить непосредственный прием на индивидуальные приемные устройства.
    Необходимо отметить важное обстоятельство. В последние годы передача со спутников все чаще идет в цифровом стандарте, сигналами, сжатыми по системе MPEG-2. При этом в полосе частот 27.5 МГц могут передаваться до 12 телевизионных программ. Число аналоговых спутниковых каналов неуклонно сокращается, что заставляет реконструировать существующие наземные коммуникации.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните основное выражение для энергетического расчета систем связи.
2. Поясните принцип работы спутниковых систем связи.
3. Перечислите основные особенности передачи сигналов в спутниковых системах связи.
4. Объясните принципы организации многостанционного доступа.
Начало

9. Радиорелейные линии связи

Вопросы, подлежащие изучению

Пояснения к изучаемым вопросам

    Радиорелейные линии связи (РРЛ) предназначены для передачи сигналов в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Передача ведется через систему ретрансляторов, расположенных на расстоянии прямой видимости. Ретрансляторы осуществляют прием сигнала, усиление его, обработку и передачу на следующий ретранслятор. Общая протяженность РРЛ может достигать тысяч километров.
    До недавнего времени РРЛ использовали диапазоны частот от 2 до 8 ГГц и представляли собой монументальные дорогостоящие структуры. Применялись сложные и дорогие антенные опоры мачты или башни. Громоздкая аппаратура располагалась на станциях в специальных зданиях с собственной электростан-цией и жилыми помещениями для обслуживающего персонала. Такие структуры существуют и строятся в настоящее время при организации магистральных систем связи. В 1993 г. введена в строй магистральная цифровая РРЛ Санкт-Петербург - Москва, а в 1997 г. - Москва - Хабаровск. Запланировано строительство еще нескольких магистральных систем.

Рис. 8

    Однако, в последние годы, новейшие технологии и освоение диапазонов частот выше 10 ГГц, коренным образом изменили структуры и оборудование радиорелейных линий связи. Габариты и вес оборудования уменьшились в десятки и сотни раз. В типовом исполнении, современная радиорелейная аппаратура состоит из наружного и внутреннего модулей, соединенных кабелем. Наружный модуль выполняется в виде моноблока, весом несколько килограмм, состоящего из приемопередатчиков и антенны. Пример конструкций наружных блоков современной отечественной аппаратуры показан на рис. 8 (аппаратура Бист и Sandra), а на рис. 9 - наружный блок зарубежной аппаратуры MINI-LINK, которая достаточно широко распространена в России.

Рис.9

    Наружный блок устанавливается на простой антенной опоре или на здании, дымовой трубе и прочих возвышенных местах. Внутренний модуль располагается в помещении, удаленном от наружного модуля на расстояние до 300 - 400 м и представляет собой настольную или настенную компактную конструкцию. Подобные устройства получают массовое распространение в мире и позволяют организовывать радиорелейные линии и сети связи, передавая информацию Кроме того, подобные устройства могут применяться для:     Современное оборудование обладает очень высокой надежностью. На аппаратуру ведущих фирм дается время наработки на отказ до 25-30 лет. На основе подобной аппаратуры начинают развиваться микроволновые системы распределения информации. Такие системы (MMDS, MVDS, LMDS) представляют собой сеть базовых станций, обслуживающих пользователей, находящихся в пре-делах прямой видимости и обладающих приемным или приемо-передающим оборудованием. Системы предназначены для распределения цифровых телевизионных сигналов, высокоскоростных каналов для Интернета и прочих услуг в диапазонах частот 2, 27 или 40 ГГц .

Рис. 10

    Условия распространения сигнала на интервалах РРЛ значительно отличаются от условий свободного пространства. Во-первых, электромагнитные волны могут отражаться от поверхности Земли и приходить вместе с прямой волной на вход приемника. Во-вторых, на вход приемника может приходить волна, отраженная от неоднородностей атмосферы. На рис. 10 показан поперечный разрез профиля земной поверхности и пути распространения электромагнитных волн. Взаимодействие прямой и отраженных волн (рис. 10) приводит к изменениям уровня сигнала в приемной антенне, другими словами - к замираниям. Это обстоятельство усугубляется тем, что радиоволны распространяются по кривым траекториям (показано пунктирными линиями на рис. 10), зависящим от состояния атмосферы (времени года, времени суток, погоды и пр.). Следовательно, замирания на трассе РРЛ (или множитель ослабления V) явля-ются случайной величиной. Помимо этих явлений, на распро-странение сигнала в диапазонах волн выше 8-10 ГГц, сильное влияние оказывают дождь, снег, туман, смог. Несмотря на эти дестабилизирующие факторы современные технологические решения позволяют обеспечивать надежную и эффективную связь по интервалам РРЛ.
    С основными техническими данными оборудования, областями применения и с ценами можно познакомиться на сайтах производителей аппаратуры (к примеру, http:\\bist.ru, www.loniir.spb.ru/microwave, www.irz.ru, www.radian.spb.ru, www.informsviaz.ru/docs/rrl).
    В труднодоступных местах и для специальных целей находят применение тропосферные радиорелейные линии (ТРЛ), которые работают на расстояниях значительно превышающих прямую видимость. Передача сигнала идет за счет рассеяния электромагнитной энергии в тропосфере. В следствии того, что уровни рассеяных сигналов очень малы, мощности передающих устройств в ТРЛ составляют до 10 киловатт, применяются громоздкие антенны с размерами до 30х30 м и сложные малошумящие приемники. Протяженность одного интервала может быть 200 - 400 км.

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается принцип радиорелейной связи.
2. Перечислите типы станций РРЛ.
3. В чем особенности распространения сигнала на интервалах РРЛ.
4. Поясните особенности построения цифровых РРЛ.
5. Поясните принцип работы тропосферных линий связи.
Начало

10. Оптические и волоконно-оптические системы связи

Вопросы, подлежащие изучению

1. Принципы построения и классификация оптических линий связи ([1], стр. 235-239).
2. Особенности построения оптических систем связи открытого распространения ([1], стр. 268-275).
3. Особенности построения волоконно-оптических линий связи ([1], стр. 243-246, 275-278).

Пояснения к изучаемым вопросам

    В оптических диапазонах волн можно создавать системы связи с громадной пропускной способностью. Поэтому очень велик интерес к освоению этих диапазонов. По принципу организации оптические системы связи можно разделить на системы открытого распространения света в атмосфере или в космическом пространстве и закрытые системы, в которых свет распространяется по стеклянным волокнам.
    Оптические системы связи открытого распространения, получающие развитие 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 потерями в атмосфере из-за тумана, дождя, снега, смога, града и различными естественными и искусственными препятствиями. Лучшие системы позволяют передавать цифровые потоки со скоростью до 622 Мбит/с на расстояние до 4-5 км при любых погодных условиях (например, системы Canobeam и Lightpoint), концентрируя сигнал в чрезвычайно плотный луч и применяя автоматический поиск и юстировку системы, которая удерживает луч света в апертуре приемной антенны.
    К важнейшему преимуществу инфракрасного и лазерного оборудования можно отнести то, что оно применимо везде, без всяких лицензий или разрешений, в отличие от многих других систем.
    На рис 11 показан вид одного из типов оптической связной аппаратуры и некоторые примеры ее использования. Космические оптические системы связи позволяют строить линии связи, например, между космическими аппаратами на большие расстояния. Основная технологическая трудность - обеспечение очень высокой точности наведения антенн и авто-матическое сопровождение.

Рис. 11

    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. Сигнал в волоконно-оптических системах передается по стеклянной нити, диаметром 0.1-0.2 мм, состоящей из светонесущего сердечника, диаметром 2-30 микрометров и оболочки. Оболочка и сердечник имеют разные коэффициенты преломления, которые обеспечиваются добавкой в стекло окислов разных металлов (чаще всего - германия и кремния).
    С уменьшением диаметра сердечника возрастает полоса пропускания оптического волокна и качественные показатели системы связи. Однако, при этом возрастают технологические трудности, как при изготовлении волокна, так и при сращивании отдельных звеньев, что приводит к увеличению стоимости.
    В последние годы появляются новые технологии и принципы организации связи по оптическим волокнам. В частности, развиваются системы на основе солитонных импульсов, позволяющие получать ничтожно малые потери и искажения сигналов.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте классификацию оптических систем связи.
2. Каковы особенности построения и области применения оптических систем связи открытого распространения.
3. Каковы особенности построения и области применения волоконно-оптических систем связи.
Начало

Контрольная работа

В контрольной работе нужно выполнить 3 задания.

Задание № 1
   В первом задании нужно выбрать диапазон рабочих частот, тип радиоаппаратуры и рассчитать основные параметры микроволнового оборудования для беспроводной передачи цифрового сигнала заданной скорости между 3 пунктами.
  Умение решать подобные задачи имеет важный практический смысл, дающий возможность быстро провести прикидочный расчет и определить принципиальную возможность применения того, либо иного оборудования для реальных потребностей. Понятно, что детальный расчет системы связи доступен только специалистам в этой области, но умение ставить корректные задачи проектировщикам очень важно в наше время, особенно, если учесть, что прогнозируется массовое развертывание систем беспроводной связи.
      Предварительно рассмотрим основные критерии для решения задачи.
  Прежде всего, речь идет о цифровых системах, в которых многие параметры базируются на понятие «коэффициент ошибок».
                     koш = Nош / N,
где Nош - число ошибочно принятых символов, N - общее число переданных символов.
   Во многих случаях, критерием работоспособности цифрового оборудования является koш = 10-3. Другими словами, работоспособной считается система связи, если на 1000 переданных символов будет ошибочно принято не более 1 символа.
   Ясно, что количество ошибок зависит от уровня сигнала на входе приемника. Чем больше уровень сигнала, тем меньше ошибок. На каждый тип оборудования, производители аппаратуры дают величину уровня сигнала на входе приемника, при котором koш = 10-3. Такой уровень называется пороговым (Рпр пор).
    При нормальных условиях распространения радиоволн на трассе линии связи, уровень сигнала на входе приемника (Рпр) значительно превышает пороговое значение. Однако, при сильных замираниях радиоволн, уровень сигнала падает и может достичь Рпр пор и даже, стать еще меньше, что приводит к срыву связи. Разница между значениями Рпр и Рпр пор называется «запас на замирания» и обозначается М.
    Так вот, для того, чтобы можно было бы говорить о возможности использования той или иной аппаратуры для решения конкретной задачи, нужно иметь величину М примерно равной 40 дБ. При меньшей величине М маловероятно, что связь будет устойчива, а при существенно большем значении - система неоправданно дорогая. Добиться нужного значения запаса на замирания можно несколькими путями, но в рамках контрольной работы, поставим целью получение минимальных размеров антенн. Минимальный размер антенн означает их малый вес и малую ветровую нагрузку, а следовательно, упрощение требований к антенным опорам и уменьшение стоимости как антенн, так и опор, что составляет существенную часть финансовых затрат на всю систему связи.

Расширенная формулировка задания № 1

    Выбрать диапазон рабочих частот и тип аппаратуры так, чтобы на каждом из двух интервалов линии связи заданной протяженности Ro1 и Ro2 запас на замирания был в пределах от 38 до 42 дБ при минимальных размерах антенн.

    Для решения задачи нужно выбрать вариант задания из табл 1. Затем, из таблицы параметров аппаратуры приведенной в прил. 1, задайтесь диапазоном рабочих частот и выберите тип обрудования, обеспечивающего заданную скорость работы. В случае, если не удается найти аппаратуру с желаемыми параметрами на задан-ную скорость работы, допускается выбрать систему с наиболее близкой скоростью. Приведенная ниже методика расчетов не отличается большой сложностью и трудоемкостью. Поэтому, попробуйте проделать несколько вариантов, выбирая разные рабочие частоты и типы аппаратуры.

Порядок выполнения задания № 1

1. Выберите диаметры антенн (типовые значения 0.3, 0.5, 0.9 и 1.2 м) и рассчитайте их коэффициенты усиления по формуле:

G = 20 lg(D) + 20 lg(f) +17.5, дБ,                                                                        (6)
где D - диаметр антенны, м, f - рабочая частота,  ГГц.

При выборе антенн необходимо учитывать, что на практике не применяются антенны с коэффициентами усиления большими, чем 45 дБ.

2. Определите ослабление сигнала в свободном пространстве по формуле:

L0 = 20 lg (4.189 104 R0 f), дБ,                                                                            (7)
где R0 - протяженность интервала РРЛ, км,

3. Определите потери радиосигнала в газах атмосферы (Lг) по формуле

Lг = (gв + gк) R0, дБ,                                                                                     (8)
где gв, gк - погонные затухания в водяных парах и атомах кислорода атмосферы (дБ/км), определяемые из графика, показанного в прил. 2.

4. Рассчитайте уровень сигнала на входе приемника при отсутствии замираний.

Рпр = Рпд + G1 + G2 - L0 - Lф1 - Lф2 - Lг - Lрф - Lдоп,                                                   (9)
где Рпд - уровень мощности передатчика, дБм,  Lф1, Lф2- ослабление сигнала в фидерных линиях, дБ. Так как в современной аппаратуре фидерные линии практически отсутствуют (приемопередатчики и антенны объединены в один блок), потери в Lф1 и Lф2 можно принять равными по 0.5 дБ. Lрф - ослабление сигнала в разделительных фильтрах (для контрольной работы примите равным 0 дБ), Lдоп - дополнительные потери, складывающие из потерь в антенных обтекателях Lао и потерь от перепада высот приемной и передающей антенн Lпв. (Lдоп » 1 дБ).

6. Определите запасы на замирания для разных диапазонов рабочих частот, антенн и аппаратуры.

М = Pпр - Рпр пор(10-3),                                                                                  (10)
где Рпр пор(10-3) - пороговый уровень сигнала на входе приемника при коэффициенте ошибок koш = 10-3 (определяется из параметров аппаратуры). Если М выходит за указанные выше пределы нужно провести пересчет. При этом можно выбрать другие диаметры антенн, мощности передатчиков, тип аппаратуры, диапазон рабочих частот или изменить несколько параметров. Из рассчитанных вариантов выберите наиболее подходящий для данного интервала и сделайте заключение. Результаты работы запишите в  таблицу
                                                        Интервал 1                                          Интервал 2
  Ro, км
.......
   Ro, км
.......
  V, Мбит/c
.......
   V, Мбит/c
.......
   f, ГГц
.......
   f, ГГц
.......
  G1, дБ (D, м)
.......
   G1, дБ (D, м)
.......
  G2, дБ (D, м)
.......
   G2, дБ (D, м)
.......
  Lo, дБ
.......
   Lo, дБ
.......
  Lг, дБ
.......
   Lг, дБ
.......
  Рпр, дБ
.......
   Рпр, дБ
.......
  Рпр пор, дБ
.......
   Рпр пор, дБ
.......
  М, дБ
.......
   М, дБ
.......
Начало

Задание № 2

    Задание связано с определением параметров, необходимых для настройки (юстировки) антенны для приема телевизионных сигналов со спутника, находящегося на геостационарной орбите. Для обеспечения связи необходимо, чтобы приемная антенна была направлена с довольно большой точностью на спутник связи. Настройка ведется по двум координатам - азимуту и углу места. Азимут - угол между направлением на спутник и направлением на север. Угол места - угол между направлением на спутник и направлением на горизонт.
    Для определения этих величин нужно проделать следующие:
· определить географические координаты точки, в которой будет приниматься сигнал со спутника,
· выбрать телекоммуникационный спутник, расположенный на геостационарной орбите,
· рассчитать азимут и угол места для юстировки наземной приемной антенны.
    Замечание
    В разделе 7 приведена ссылка на адрес в Интернете, по которому находится программа SMWLink, предназначенная для решения подобной задачи и определения еще нескольких важных параметров спутниковой системы связи. При возможности воспользуйтесь этой программой.

    Порядок выполнения задания № 2

1. Из прил. 4. 2 выберите спутник связи и запишите его название и положение на орбите.
2. Определите географические координаты местности, в которой Вы проживаете по карте или по таблице в прил. 3.
3. Рассчитайте азимут и угол места для юстировки приемной антенны.
Угол места, град.,
,                                                            (11)
где Дсп - долгота спутника (положение на орбите), град., Д - долгота места расположения абонентского приемника, град., Ш - широта места расположения абонентского приемника, град.,
Азимут, град.,
.                                                                          . (12)
    Перед расчетами нужно убедиться, что прием сигналов с выбранного спутника в данной точке возможен. Для этого необходимо проверить выполнение неравенства
Cos(Дсп - Д) Cos Ш > 0.1513,
иначе, спутник находится за линией горизонта.
Начало

Задание № 3
    Составить подробные ответы на два вопроса из предлагаемого списка. Ссылки на литературу приведены в методических указаниях по разделам. Номера вопросов определите из табл. 2.

Вопросы к контрольному заданию № 3
1. Нарисуйте схему радиосвязи и поясните назначение основных компонентов.
2. Поясните принципы построения ЕАСС и укажите роль радиотехнических систем в ЕАСС.
3. Дайте классификацию систем радиосвязи.
4. Поясните закономерности распространения радиоволн различных диапазонов.
5. Поясните особенности распространения света в различных средах.
6. Поясните устройство антенн различных диапазонов и их применение.
7. Объясните основные особенности телефонного сигнала и телефонного канала.
8. Объясните основные особенности телевизионного сигнала и телевизионного канала.
9. Поясните принцип частотного разделения каналов.
10. Приведете теорему Котельникова и поясните принцип временного разделения каналов.
11. Объясните принцип формирования цифровых сигналов.
12. Поясните основные виды модуляции радиосигналов в аналоговых линиях связи.
13. Поясните основные виды модуляции радиосигналов в цифровых линиях связи.
14. Приведите структурную схему передатчика и поясните принципы действия его основных элементов.
15. Поясните принцип работы генераторов и методы стабилизации частоты.
16. Приведите и поясните структурную схему супергетеродинного приемника.
17. Приведите выражение для определения мощности сигнала на входе приемника.
18. Опишите принцип работы радиорелейных линий связи.
19. Нарисуйте структурную схему радиорелейной линии связи и поясните назначение оконечных, промежуточных и узловых станций.
20. Приведите классификацию радиорелейных линий связи.
21. Поясните основные особенности цифровых радиорелейных линий связи.
22. Поясните принцип работы тропосферных радиорелейных линий связи.
23. Опишите принцип работы спутниковых систем связи.
24. Опишите типы орбит спутников, применяемых для связи и объясните их особенности.
25. Объясните способы организации многостанционного доступа в спутниковых системах связи.
26. Рассмотрите основные особенности и области применения оптических линий связи открытого распространения.
27. Рассмотрите основные особенности и области применения волоконно-оптических линий связи.
Начало

Литература

1. Системы радиосвязи / под ред. Калашникова Н.И. - М.: Радио и связь, 1988.

2. Немировский А.С., Данилович О.С. и др. Радиорелейные и спутниковые системы передачи. - М.: Радио и связь, 1986.

3. Радиосвязь, вещание и телевидение / под ред. Фортушенко А.Д. - М.: Радио и связь, 1981.

4. Методические указания и контрольные задания по курсу "Основы электросвязи ВСС" (раздел РСПИ) / Жемчугов В.Н. СпБ, ГУТ. 1996.

5. Чухман М.А. и др. Основы радиосвязи, радиовещания и радиорелейных линий. - М., "Связь", 1976.

Начало

Таблица 1

Последние две цифры
номера зач. книжки
V, Мбит/с
R01, км
R02, км
Последние две цифры
номера зач. книжки
V, Мбит/с
R01, км
R02, км
01, 51
2
8
28
26, 76
2
9
 23
02, 52
4
7
16
27, 77
4
10
20
03, 53
8
6
19
28, 78
8
9
19 
04, 54
16
5
18
29, 79
16
6
18
05, 55
34
5
21
30, 80
34
8
17 
06, 56
2
7
30
31, 81
2
5
25
07, 57
4
9
26
32, 82
4
9
24 
08, 58
8
8
24
33, 83
8
7
23 
09, 59
16
10
20
34, 84
16
19
 8
10, 60
34
7
14
35, 85
34
22
11 
11, 61
2
11
25
36, 86
2
24
12
12, 62
4
10
24
37, 87
4
7
16 
13, 63
8
9
23
38, 88
8
18
6 
14, 64
16
20
10
39, 89
16
10
18 
15, 65
34
30
10
40, 90
34
6
20 
16, 66
2
24
12
41, 91
2
11
22 
17, 67
4
23
8
42, 92
4
8
24
18, 68
8
22
12
43, 93
8
12
26 
19, 69
16
21
9
44, 94
16
14
28 
20, 70
34
7
20
45, 95
34
18
8 
21, 71
2
7
15
46, 96
2
19
10 
22, 72
4
6
17
47, 97
4
11
23 
23, 73
8
5
 30
48, 98
8
6
15 
24, 74
16
8
26 
49, 99
16
11
18 
25, 75
34
21
9 
50, 00
34
9
14 
    V округленное значение скорости цифрового потока в ЦРРЛ,
    Rо - протяженности интервалов линии связи.

Таблица 2

Последние две цифры
номера зач. книжки
Номера вопросов
Последние две цифры
номера зач. книжки
Номера вопросов
01, 51
1, 27
26, 76
2, 16
02, 52
2, 26
27, 77
11, 20
03, 53
3, 25
28, 78
12, 18
04, 54
4, 24
29, 79
14, 19
05, 55
5, 23
30, 80
15, 20
06, 56
6, 22
31, 81
1, 9
07, 57
7, 21
32, 82
2, 10
08, 58
8, 20
33, 83
3, 11
09, 59
9, 19
34, 84
4, 12
10, 60
10, 18
35, 85
5, 13
11, 61
11, 17
36, 86
6, 14
12, 62
12, 16
37, 87
7, 15
13, 63
13, 15
38, 88
8, 16
14, 64
14, 21
39, 89
9, 17
15, 65
15, 22
40, 90
10, 18
16, 66
16, 23
41, 91
11, 19
17, 67
17, 24
42, 92
12, 20
18, 68
18, 25
43, 93
13, 21
19, 69
19, 26
44, 94
14, 22
20, 70
20, 27
45, 95
15, 23
21, 71
21, 2
46, 96
16, 24
22, 72
22, 3
47, 97
17, 25
23, 73
23, 4
48, 98
18, 26
24, 74
24, 5
49, 99
27, 8
25, 75
25,6
50, 00
26, 7


Дополненная и переработанная электронная   версия методических указаний
Радиотехнические системы связи: методические указания и контрольные задания (спец. 060800) /
Жемчугов В.Н., Лобач В.С.; СПбГУТ. - СПб, 2001
Хостинг от uCoz