На начальную страницу
КОСМИЧЕСКИЕ
И НАЗЕМНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ И ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ
Методические указания по дисциплине
(спец.
201100) |
|
Лобач Вячеслав Станиславович
СОДЕРЖАНИЕ
Общие пояснения
Введение
Первичные сигналы связи и принципы построения
каналов
Сигналы групповых и линейных трактов многоканальных
СРС
Принципы получения цифровых сигналов, методы сжатия
информации, организация цифровых потоков
Общие принципы построения беспроводных систем
связи
Распространение радиоволн СВЧ диапазона и антенны
СВЧ. Распространение оптических волн
Общие принципы построения космических систем
связи
Наземные микроволновые линии связи прямой видимости
и системы распределения информации
Тропосферные системы связи
Системы связи оптического диапазона частот
Приемопередающие устройства микроволновой
и оптической аппаратуры связи
Основы электромагнитной совместимости средств связи
Контрольные вопросы
Контрольные работы
Курсовое проектирование
Литература
ОБЩИЕ ПОЯСНЕНИЯ
Приступая к изучению дисциплины, студенты должны знать:
· теорию передачи сигналов,
· техническую электродинамику,
· электронные приборы и технологии техники
СВЧ,
· распространение радиоволн,
· антенно-фидерные устройства,
· основы телевидения,
· радиоприемные и радиопередающие устройства.
Дисциплина начинается с изучения основных характеристик
первичных сигналов, определяющих функционирование систем связи и методов
обработки сигналов, том числе: уплотнение, сжатие и кодирование информации.
Изучаются принципы 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,
такие сведения излагаются в лекционных материалах.
ВВЕДЕНИЕ
Современные системы передачи информации используют множество
различных технологий, количество которых стреми-тельно увеличивается. Однако,
наибольшее развитие получили:
· волоконно-оптические системы связи
(ВОЛС);
· системы связи по электрическим кабелям (КСС);
· системы связи с искусственными спутниками
Земли (ИСЗ);
· узкополосные и широкополосные наземные системы
радиосвязи;
· оптические системы связи открытого распространения.
В этом перечне системы связи разделяются на группу
кабельных
систем (ВОЛС и КСС) и группу беспроводных систем.
Волоконно-оптические системы связи позволяют
надежно передавать наибольшие объемы информации (скорость передачи цифровых
потоков превысила 1 Тбит/с) на расстояния до
нескольких тысяч километров.
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 конкурентоспособность
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 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.
Важным 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. Денежные вложения 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, в отличие от проводной,
требующей создания всей инфраструктуры единовременно.При одновременном
начале работ полной окупаемости беспроводной системы можно достичь раньше,
чем будет запущена проводная, поскольку 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 финансовые риски
оператора и позволяет более уверенно смотреть в будущее.
К характерным особенностям систем связи с искусственными
спутниками Земли относятся возможности передавать относительно небольшие
объемы информации на очень большие расстояния и перекрывать значительные
площади (вплоть до построения глобальных систем). Лимитирование передаваемых
объемов информации объясняется ограничением мощностей излучаемых сигналов
с целью обеспечения приемлемой электромагнитной обстановки на поверхности
Земли.
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. К таким системам относятся оптические системы
связи открытого распространения, а также узкополосные и широкополосные
системы радиосвязи.
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 155 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 других систем.
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. В таких системах, для обеспечения возможности
работы многих пользователей в выделенных диапазонах частот, 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 разделение сигналов проводится кодовыми методами.
К характерной особенности развития современных радиосредств
можно 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. Частоты нижних участков диапазона
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.
Классификация систем связи по диапазонам частот,
по их назначению, принципам организации приведена в [1,
Введение; 2, разд 1.2; 3,
разд. 1.3] .
2.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
внимание на функционирование дуплексных линий связи.
Основные сведения о характеристиках первичных сигналов
и каналов можно получить в [1, гл.1, 3,
разд. 2.1 - 2.4].
3. 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 применяются две ступени модуляции: первичная - при получении
многоканальных сигналов и вторичная - для модуляции несущей частоты системы
связи.
3.1. 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 [1, 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, с. 34-36; 3,
с. 47-48]. Обратите внимание на шумоподобный характер группового сигнала,
величину пик-фактора, квазипиковые значения.
3.2. 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 [1, разд. 2.3; 3,
разд. 2.6].
Временное разделение каналов, имевшее достаточно
широкое распространение в аналоговых системах связи во второй половине
ХХ в. постепенно потеряло свои позиции в последние годы, но возродилось
в цифровых телекоммуникационных системах. Эти вопросы подробно рассматриваются
в следующем разделе.
4. ПРИНЦИПЫ
ПОЛУЧЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ, МЕТОДЫ СЖАТИЯ ИНФОРМАЦИИ,
ОРГАНИЗАЦИЯ ЦИФРОВЫХ ПОТОКОВ
Значение ВРК для цифровых технологий является определяющим,
позволившим получать цифровые потоки со скоростями до десятков гигабит
(Гбит), объединяющие многих и многих пользователей.
Вопросы организации цифровых пооков находятся в
дина-мичном развитии, поэтому, с основными положениями нужно познакомиться
в доступной литературе [1, разд. 2.4; 2,
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 способов их объединения в транспортные потоки
[1, с. 51-52]. Изучите основные особенности плезиохронной
(PDH) и синхронной (SDH) цифровых иерархий, 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] и по адресу в Интернете www.elecard.com.
5. ОБЩИЕ
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
Начинать изучение нужно с рассмотрения требований на
сквозные характеристики систем, предназначенных для передачи той либо иной
информации.
5.1.
СКВОЗНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ ЛИНИИ СВЯЗИ
Материалы этого пункта сильно разрознены в литературе,
поэтому нужно попытаться самостоятельно сопоставить параметры и свойства
многоканальных сигналов с их возможными искажениями из-за несовершенства
сквозных характеристик линий связи в рамках структуры, показанной на рис.
1.
Рис. 1
Продумайте и определите основные требования к следующим
сквозным зависимостям:
· амплитудной характеристике
Uвых
= Ф(Uвх),
· амплитудно-частотной характеристике
Uвых
= Ф(f),
· фазо-частотной характеристике j
= Ф(f) или к характеристике группового
времени запаздывания (ГВЗ) t
= Ф(f).
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. 53-54].
Обобщенные сведения по сквозным характеристикам будут даны в лекционных
материалах.
5.2 УПРОЩЕННАЯ
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА БЕСПРОВОДНОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ
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. 2)
Рис. 2
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, мало 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].
5.3.
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ В АНАЛОГОВЫХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ
В этом пункте речь идет о системах вторичной модуляции.
Практически всегда, в аналоговых системах связи с частотным разделением
каналов (ЧРК), применяется 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.4.2;
2,
разд.1.4;.3, разд.3.3].
В аналоговых системах связи с временным разделением
каналов (ВРК) для вторичной модуляции применяются амплитудная, частотная
или фазовая манипуляции. Нужно изучить их свойства, способы получения,
области применения, достоинства и недостатки, а также , сравнительные характеристики
[3, разд. 4.1, 4.2].
5.4.
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ 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, разд. 4.4; 2,
с.27-38; 3, разд. 4.4].
С увеличением числа уровней модуляции полоса частот,
занимаемая сигналом, уменьшается, но уменьшается и помехоустойчивость системы.
Поэтому все большее распространение получают методы кодированной многоуровневой
модуляции. При этом каждый уровень кодируется каким-либо помехоустойчивым
кодом. В зависимости от применяемых кодов различают кодированные виды модуляции:
решетчатую (ТСМ - trellis coded modulation), блоковую (BCM - block coded
modulation), многоуровневую (MLCM - multilevels coded modulation).
В современных цифровых системах применяют весьма
сложные демодуляторы. Эти демодуляторы работают по специальным алгоритмам
(алгоритмам Витерби) и позволяют существенно повысить достоверность принимаемой
информации, так как они обладают корректирующими способностями. Подробно
эти вопросы рассматриваются в лекционных материалах.
6. 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 ([2,
гл. 2; 4, разд. 9.3; 8,
разд. 4.3]. Особое внимание нужно обратить на понятие множителя ослабления
и потери радиоволн в гидрометеорах и газах атмосферы.
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. На нелицензионные диапазоны частот
выпускается аппаратура как за рубежом, так и в России (к примеру, типа
Sandra-3),
которая позволяет организовывать короткопролетные линии и сети связи.
Помимо радиоволн в беспроводной связи используются
оптические волны. В мире разработано большое количество телекоммуникационных
систем инфракрасной и лазерной связи открытого распространения. Вопросы
распространения света в различных средах описаны в [1,
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 [2,
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,
с. 117-137] и антенны с многолепестковыми диаграммами направленности со
сферическими отражателями.
7.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
КОСМИЧЕСКИХ 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. 6; 2, гл. 9; 3,
гл. 10; 11, гл. 1, 2].
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.
193-215, 2, с. 313-317, 3,
разд 10.2].
8. НАЗЕМНЫЕ
МИКРОВОЛНОВЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ И СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
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, 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, обеспечивающим
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
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
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 возможно выделение и ввод информации, а также, ответвление
сигнала по другим направлениям.
По характеру линейного сигнала радиорелейные линии
связи разделяются на аналоговые и цифровые. Существует некоторое количество
смешанных систем, которые работают с теми и другими сигналами.
8.1. 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. 4; 2, гл. 7; 3, разд.
1.2, 3.1; 4, гл. 1]. Обратите внимание на способы
построения антенно-фидерных трактов и разделительных фильтров РРЛ [1,
с. 76-80; 2, гл. 3; 4,
гл. 3, 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,
разд. 4.2; 2, гл. 5; 3,
гл. 7; 4, гл. 8].
Функционирование наземных микроволновых систем связи
сильно зависит 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, с. 115-132;
2,
разд. 2.2, 2.3; 3, разд. 8.1-8.3].
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, с. 108-112, 115-139; 2,
разд. 7.6; 3, разд. 8.3-8.4]. Обратите внимание
на расчет основных факторов, приводящих к неустойчивости связи:
· закрытие трассы при субрефракции,
· интерференция радиоволн,
· влияние гидрометеоров.
Рассмотрите способы повышения устойчивости связи на
РРЛ, в частности, разнесенный прием [1, с.126-128;
2,
гл. 6] и пассивную ретрансляцию [1, с. 130-132;
2,
разд. 3.4; 3, разд.8.5].
8.2. ЦИФРОВЫЕ
РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ ЛИНИИ
В настоящее время происходит замена аналоговых радиорелейных
линий цифровыми структурами. 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 (www/vestnik-sviazy.ru\archive).
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,
· полязизационные развязки,
· адаптивные методы работы.
Общие вопросы построения, организации и расчета ЦРРЛ
можно изучить в [1, разд. 4.4; 2,
с. 27-38, разд. 5.11, 6.4, 7.3; 3, разд.4.4].
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,
· среднего качества (четыре класса),
· локального качества.
Рекомендации на нормирование характеристик ЦРРЛ находятся
в динамичном развитии и окончательно не установлены. Один из вариантов
рекомендаций приведен в [5, разд.2] или 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 к существенному
удешевлению и упрощению антенных опор.
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 (или, 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].
Рассмотрите вопросы повышения надежности связи,
применительно к цифровым системам [2, разд. 6.4].
8.3.
БЕСПРОВОДНЫЕ СИСТЕМЫ ДОСТУПА
И СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Многие источники относят к системам доступа (или к системам
связи «последней мили») линии связи с протяженностью до 90 км. Различаются
системы доступа с передачей информации 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 телекммуникаций по признаку «пункт-много
пунктов», условно, можно отнести системы телерадиовещания, системы фиксированной
и подвижной радиосвязи и микроволновые системы распределения информации.
Основы построения наземных сетей телевещания приведены
в [1, гл. 3]. При изучении этого вопроса необходимо
знать, что намечается глобальный переход к системам цифрового телевидения.
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 сотовых 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 3-го поколения (3G).
Микроволновые системы распределения информации предназначены
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).
9. 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. Материалы этого раздела изложены
в [1, гл. 5; 2, гл. 8;
3,
гл. 9]
.
10. СИСТЕМЫ
СВЯЗИ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ
Системы оптической связи потенциально позволяют передавать
максимальные объемы информации, по сравнению с другими системами. Существуют
атмосферные, космические и волоконные системы оптической связи. Атмосферные
системы связи применяются для передачи информации на расстояния в несколько
километров. Как указывалось выше, такие системы не требуют специальных
разрешений на использование, очень компактны, экономичны и экологичны.
Они позволяют оператив-но организовать связь между населенными пунктами,
предприятиями, компьютерными центрами, базовыми станциями и пр. Перспективно
применение атмосферных систем оптической связи в качестве вставок в другие
телекоммуникационные структуры для обхода различных препятствий (водные
преграды, аэродромы, железнодорожные и автомобильные магистрали. Существенную
помощь оптические системы открытого распространения могут оказать для налаживании
связи в условиях стихийных бедствий, аварий и катастроф (www.canon.com,
www.lightpointcom.com).
Главная трудность на пути развития космической оптической
связи - обеспечение чрезвычайной точности юстировки приемопередающей аппаратуры.
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) передают
информацию по тончайшему стеклянному волокну и, особенно выгодны, для организации
связи на очень большие расстояния. При уменьшении расстояний, экономический
эффект от внедрения ВОЛС, необходимо тщательно просчитывать в каждом конкретном
случае.
Материалы для изучения ВОЛС изложены в [1,
гл. 8; 3, разд. 11.3].
11. 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, с. 86-90, 153-158;
2,
разд. 4.1, 4.2; 3, разд. 3.2, 3.3] и для спутниковой
связи [1, разд. 6.1;
2,
разд. 9.5, 9.6; 3, 10.4, 10.5].
Далее изучите схемотехнические решения, применяемые
при построении СВЧ аппаратуры и модемов [2, разд.
4.4-4.7; 3, с. 100-161]. Познакомьтесь с примером реализации оборудования
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). Существуют
разработки интегральных приемников и передатчиков на диапазоны частот 20
- 40 ГГц, обладающих весьма высокими экономическими и энергетическими параметрами.
Передающие устройства оптических систем связи строятся
на основе полупроводниковых лазеров или инфракрасных светодиодов по интегральной
технологии. Габариты современных оптических передатчиков определяются,
практически, системами охлаждения излучающих элементов (радиаторами или
микрохолодильниками) и составляют в объеме доли и единицы кубических сантиметров.
В приемных оптических устройствах применяются различные
фоточувствительные элементы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы).
Для высокоскоростных систем связи разработано большое разнообразие типов
лавинных и pin-диодов.
Пример структурной схемы цифровой микроволновой
аппаратуры приведен здесь.
Основные принципы построения приемопередающего оборудования для оптических
систем связи описаны в [1, разд. 8.3-8.5].
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. 9; 2,
гл. 10; 3, гл. 13].
КОНТРОЛЬНЫЕ
ВОПРОСЫ
1. Классификация систем радиосвязи.
2. .Основные параметры ТЛФ сигнала и ТЛФ канала.
3. .Основные параметры ТЛВ сигнала и ТЛВ канала.
4. Канал звукового вещания, его основные характеристики.
5. Основные параметры телеграфных и факсмильных сооб-щений.
6. Основные принципы частотного уплотнения.
7. Основные характеристики группового сигнала с ЧРК.
8. Основные принципы временного уплотнения.
9. Основные требования к линии связи при передаче сигналов с ЧРК .
10. Основные требования к линии связи при передаче сигналов с
ВРК.
11. Основные принципы цифровых методов передачи сигна-лов.
12. Основные виды модуляции для передачи сигналов с ЧРК.
13. Основные виды вторичной модуляции для передачи импульсных сигналов.
14. Структура системы радиосвязи. Основные энергетические соотношения.
15. Особенности интервала спутниковой СС. Основные соотношения.
16. Особенности интервала РРЛ. Основные соотношения.
17. Особенности интервала ТРЛ. Основные соотношения.
18. Особенности интервала ВОЛС. Основные соотношения.
19. Принципы построения РРЛ. Диапазоны, емкость, дальность, ОС, ПС,
УС.
20. Принципы построения СС с ИСЗ. Виды орбит. Диапазоны, емкость,
дальность.
21. Принципы построения ВОЛС. Антенны, передатчики, приемники.
22. Основные виды шумов в ТЛФ каналах для систем связи с ЧРК.
23. Основные виды шумов в ТЛФ каналах для систем связи с ВРК.
24. Основные виды и характеристики антенн беспроводных линий связи.
25. Приемо-передающая аппаратура РРЛ. Схемы промежуточных станций.
26. Современная элементная база приемопередающей аппаратуры СВЧ.
27. Современная элементная база аппаратуры группового тракта РРЛ с
ЧМ и тракта основной полосы (ТОС) цифровых систем связи.
28. Общие принципы разнесенного приема.
29. Принципы построения многоствольных РРЛ.
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 аналоговых РРЛ прямой видимости.
35. Основы расчета цифровых РРЛ прямой видимости.
36. Структурные схемы станций цифровых РРЛ.
37. Основы расчета тропосферных линий связи.
38. Основы расчета спутниковых систем связи.
39. Приемопередающие устройства и антенны спутниковых систем связи.
40. Особенности распространения света в различных средах.
41. Элементная база оптических систем связи.
КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ
В соответствии с учебным планом при изучении дисциплины
«Космические и наземные системы радиосвязи и телерадиовещания», необходимо
выполнить две контрольные работы. В контрольных
заданиях [6] приведены методические
указания для выполнения трех работ. Вам нужно
выполнить любые две по выбору.
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.
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.
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 ан-тенны 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. Системы радиосвязи / Под ред. Н.И.Калашникова.
- 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. 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. Бородича. -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
