Радиорелейная и радиотропосферная связь

ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат

На тему:

«Положение и перспективы развития радиорелейной и тропосферной связи»

Написал:

студент XXXXXX

Проверил:

преподаватель: XXXXXX

Днепропетровск

2002

Содержание.

Введение в раздел

Развитие современной техники привело к необходимости быстрого и точного решения задач управления и координации с учетом событий, происходящих на больших расстояниях от центров управления. При этом резко возросла роль связи не только в схеме «человек-человек», но и для передачи данных в схеме, соединяющей между собой две электронных машины.

Характер в этом случае обуславливает особые требования к тракту: во-первых, - повышение пропускной способности систем связи, и, во-вторых, - увеличение требований к надежности и качеству передачи.

Особенность использования радиорелейной и тропосферной связи является применение УКВ диапазона, в котором они работают.

Первое преимущество состоит в том, что в диапазоне УКВ имеется возможность применения антенн с большой направленностью при малых габаритах их. Это уменьшает взаимные помехи между станциями и дает возможность использовать передатчики малой мощность.

Второе преимущество – в том, что в диапазоне УКВ может быть передан широкий спектр частот. Это дает возможность передавать на одной несущей частоте сигналы большого числа каналов. Современные линии строятся с расчетом на передачу от одного-двух до тысячи т более телефонных сообщений.

Третьим преимуществом диапазона УКВ является то обстоятельство, что в этом диапазоне весьма мало влияние различного рода помех. На более высокочастотной части диапазона линии меньше подвержены помехам, т.к. с одной стороны, вероятность появления помех в этом диапазоне меньше, а с другой стороны направленность антенн выше а, следовательно, меньше вероятность проникновения помехи в приемник. На более низких частотах в области метровых волн вероятность появления помех от системы зажигания двигателей внутреннего сгорания или индустриальных и атмосферных помех велика, а направленность антенн низка. Поэтому качество каналов таких линий обычно ниже.

1. Радиорелейная связь. Основные понятия.

Под радиорелейной связью понимают радиосвязь, основанную на ретрансляции радиосигналов дециметровых и более коротких волн станциями, расположенными на поверхности Земли. Совокупность технических средств и среды распространения радиоволн для обеспечения радиорелейной связи образует радиорелейную линию связи.

Земной называют радиоволну, распространяющуюся вблизи земной поверхности. Земные радиоволны короче 100 см хорошо распространяются только в пределах прямой видимости. Поэтому радиорелейную линию связи на большие расстояния строят в виде цепочки приемно-передающих радиорелейных станций (РРС), в которой соседние РРС размещают на расстоянии, обеспечивающем радиосвязь прямой видимости, и называют ее радиорелейной линией прямой видимости (РРЛ).

Рисунок 1.1 – К пояснению принципа построения РРЛ

Классификация радиорелейных линий связи.

• В зависимости от первичной сети ЕАСС различают:

  • Магистральные РРЛ

  • Внутризоновые РРЛ

  • Местные РРЛ.

• В зависимости от способа формирования ГС различают аналоговые и цифровые РРЛ. Аналоговые РРЛ в зависимости от способа объединения (разделения) электрических сигналов и метода модуляции несущей различают:

  • РРЛ с ЧРК

  • ЧМРРЛ с ФИМ-АМ

• В зависимости от числа N организуемых каналов ТЧ:

  • Малоканальные — N Ј 24

  • Со средней пропускной способностью — N = 60 ... 300

  • С большой пропускной способностью—N = 600 ... 1920.

• Цифровые РРЛ классифицируют по способу модуляции несущей:

  • ИКМ-ЧМ

  • ИКМ-ФМ

  • и другие

• В зависимости от скорости передачи двоичных символов В:

  • с малой пропускной способностью — В<10 Мбит/с

  • со средней пропускной способностью — В=10...100 Мбит/с

  • с высокой пропускной способностью — В>100 Мбит/с

1.1. Некоторые виды используемых станций и их параметры

Радиорелейная станция Р-415

РРС Р-415 предназначена для создания временных быстроразвертываемых малоканальных радиорелейных линий связи. Радиостанция допускает встречную работу в радиолинии с радиорелейной станцией типа Р—405М. По условиям эксплуатации станция может быть установлена в автомобилях, самолетах, вертолетах. РРС изготавливается в шести вариантах, отличающихся количеством и типом приемопередатчиков (Н, В, НВ) и напряжением питания (27 В, 220 В 50 Гц/27 В).

Рисунок 1.1.1 – Внешний вид станции Р-415

Р-415 обеспечивает следующие режимы работы:

• режим внутреннего уплотнения, при котором обеспечивается одновременная работа по двум телефонным и двум телеграфным каналам;

• режим внешнего уплотнения аппаратурой типа “Азур” по трем оперативным и одному служебному телефонным каналам;

• режим внешнего уплотнения аппаратурой передачи данных со скоростью 12—4 8 кБит/с;

• режим дистанционного управления КВ или УКВ радиостанциями;

• симплексный режим, при котором обеспечивается работа по одному из телефонных каналов с повышенной девиацией частоты;

• режим автоматизированного контроля, обеспечивающий определение неисправного блока.

Технические данные

Pадиорелейная станция Р-419С

РСР—419 С предназначена для организации самостоятельных радиорелейных и кабельных линий связи, а также для ответвления каналов от многоканальных радиорелейных, тропосферных и проводных линий связи на стационарных объектах связи. Станция имеет семь вариантов исполнения, отличающихся комплектацией (количество приемопередатчиков, наличие блока сопряжения, типы антенных устройств), 

Рисунок 1.1.2 – Внешний вид станции Р-419С

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Радиорелейная  станция Р-419А

Рисунок 1.1.3 – Внешний вид станции Р-419А

PPC P-419 А предназначена для создания временных быстроразвертываемых малоканальных радиорелейных линий связи, PPC смонтирована на автошасси ЗИЛ-131 в кузове K2-13L

Станция имеет три варианта исполнения, отличающихся используемой транспортной базой:

• Р-419 А - используется новая транспортная база;

• Р-419 АР - используется транспортная база из морально устаревших изделий;

• Р-419 БР - вариант станции без транспортной базы.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1.2. Надежность работы радиорелейных станций

а) Основные положения

Радиорелейная линия связи содержит цепочку стан­ций, каждая из которых представляет собой сложный комплекс аппаратуры, содержащей большое число элементов: электровакуумных приборов, различных деталей и устройств. Каждый из перечисленных элементов мо­жет выходить из строя, т. е. является элементом ненадежным, что влечет за собой выход из строя радиоре­лейной линии в целом или ухудшение качества ее работы. Поскольку таких ненадежных элементов в линии очень большое число, то и вероятность выхода ее из строя, в том случае, если не приняты соответствующие меры, получается большой.

Насколько велика вероятность выхода из строя ра­диорелейной линии с достаточно большим числом ретрансляций, видно из следующего примера. Можно счи­тать, что сложность (по количеству элементов) совре­менной коротковолновой радиостанции и радиорелей­ной станции примерно одинакова. Если имеется линия связи протяженностью в 1 000 км, то ее работа в слу­чае использования коротковолновых станций обеспечи­вается 2 станциями, а в случае использования радиоре­лейных станций—21 станцией при длине интервала 50 км. Следовательно, количество аппаратуры в послед­нем случае возрастает примерно в 20 раз, а вероятность выхода из строя возрастает еще значительнее.

Для увеличения надежности радиорелейной линии не­обходимо повышать надежность элементов, входящих в нее. Однако на современном уровне техники повысить надежность элементов радиорелейных линии до достаточной величины не всегда удается. Поэтому прибегают к резервированию аппаратуры станций.

В простейшем случае резервирование может осу­ществляться ручной сменой поврежденного узла, блока или элемента на исправный резервный. Однако такое резервирование сопряжено со значительным перерывом связи, достигающим 3—5 мин и более. Для сокращения этих перерывов применяют автоматическое резервиро­вание. Кроме того, вследствие сокращения обслуживаю­щего персонала и из экономических соображений не­которые станции радиорелейных линий могут быть не­обслуживаемыми. На таких станциях введение резерва, очевидно, может производиться только автоматически.

Та или иная степень ненадежности радиорелейной линии в конечном счете для абонентов, обслуживаемых ею, будет характеризоваться средним временем пере­рывов и числом перерывов связи за определенный отре­зок времени (сутки, месяц, год). Эти характеристики линии зависят не только от надежности аппаратуры, о которой говорилось выше, но и от условий распростра­нения радиоволн на интервалах радиорелейной линии, а также от квалификации обслуживающего персонала и организации технической эксплуатации и управления линией.

Опыт эксплуатации радиорелейных линий показы­вает, что упомянутые выше характеристики зависят в основном от надежности аппаратуры.

б) Некоторые понятия теории надежности

Надежность есть свойство устройства или системы (элемента), обусловленное главным образом ее безотказностью и ремонтопригодностью и обеспечивающее выполнение задания в установленном для системы объ­еме.

Вероятность безотказной работы обозначается через P(t) и обладает следующими очевидным свойством:

0  P(t)  1

Ясно, что:

Р(0) = 1, Р() = 0

Типичное изменение вероятности безотказной работы представлено на рисунке 1.2.1.

Рисунок 1.2.1 – График изменение вероятности безотказной работы в течении времени

Видно, что с течением времени она уменьшается. Для большинства элементов и, в частности, для электровакуумных приборов в большинстве случаев полагают, что P(t) изменяется по экспоненциальному закону.

Надежность можно оценивать по вероятности отказа. Так как отказ и безотказная работа – события противоположные, то

q(t) = 1 – p(t),

где q(t) – вероятность отказа.

Интенсивность отказов – отношение частоты отказов к вероятности безотказной работы не восстанавливаемой при работе системы (элемента). Определяется по формуле:

Типичная кривая интенсивности отказов для устройств, содержащих большое число приборов приведена на рисунке 1.2.2.

Рисунок 1.2.2 – Типичная кривая изменения интенсивности отказов аппаратуры во времени

Видно, что на участке 0 – t₁ интенсивность отказов резко уменьшается, что объясняется выходом из строя элементов, имеющих внутренние дефекты. Если элементы проходит предварительную тренировку, то этот участок отсутствует.

На участке t₁ – t₂ интенсивность отказов примерно одинакова. Рост ее на участке t  t₂ объясняется износом элементов.

1.3. Использование луны в качестве пассивного ретранслятора

а) Основные сведения

Стремление получить большие дальности связи при минимальном количестве ретрансляций заставило обратиться к такому «пассивному ретранслятору», как Луна.

Рисунок 1.3.1. Схематическое представление линии связи, использующей Луну в ка­честве пассивного ретранслятора.

Возможность использования Луны для этой цели стала ясной, когда вначале теоретически в 1943 г. Л. И. Мендельштамом и Н. Д. Папелекси, а затем в 1946 г. экспериментально венграми и американцами была до­казана возможность отражения электромагнитной энер­гии от поверхности Луны. В 1948 г.были проведены первые опыты по радиосвязи с использованием Луны в качестве пассивного ретранслятора.

Линия связи с использованием Луны схематически представлена на рис. 1.3.1. При падении электромагнит­ной энергии, излучаемой антенной пункта А на поверх­ность Луны, последняя становится источником вторич­ного излучения, которое принимается антенной, распо­ложенной во втоpoм пункте связи Б.

Характерной чертой такой ретрансляционной линии является большое расстояние R от пунктов связки А и Б до пассивного ретранслятора - Луны, по сравнению с дальностью связи r. Так, среднее расстояние Земля— Луна, измеренное астрономическими способами, состав­ляет 3844*10⁵ км (Луна движется вокруг Земли приблизительно по эллиптической орбите, и расстояние R изменяется от 3,54*10⁵ до 4,06*10⁵ км). Максимальная же дальность связи r может составлять не более 10 000 км.

б) Энергетические соотношения

По существу в линии связи Земля—Луна—Земля Луна является пассивным ретранслятором второго типа. Особенность такой линии в том, что здесь R1R2=R , в энергетическом отношении для пассивной ретрансля­ции это наихудший случай. Кроме того, следует учи­тывать отражающие свойства Луны.

Поскольку в данном случае распространение проис­ходит в свободном пространстве (V1==V2==l), потери в тракте распро­странения такой линии связи с учетом усиления прием­ной и передающей антенн будут:

(1.3.1)

В эту формулу входит эффективная поверхность Луны Q_{Э Л} которую необходимо определить.

Рисунок 1.3.2. К определению мнимого фокуса отражающей поверхности Луны.

Сферическая поверхность Луны сильно изрезана и, по мнению советские ученых, состоит из пород, близких к горным туфам и вулканическим шлакам. Однако для радиоволн, длина ко­торых значительно боль­ше этих неоднородностей, можно считать, что лун­ная поверхность пред­ставляет собой идеаль­ный отражатель. Эффек­тивную поверхность тако­го отражателя можно найти следующим обра­зом.

Для «центральных лу­чей», падающих под очень малым углом da к радиусу (рис. 1.3.2), можно най­ти так называемый мни­мый фокус F, из которого как бы исходят отражен­ные лучи. Так как для от­раженных лучей угол к на­правлению падения равен 2dа, то мнимый радиус лежит на расстоянии от центра, равном половине радиуса.

Плотность потока мощности «центральных лучей» Р2 отраженных от Луны на расстоянии R от фокуса, будет меньше плотности потока мощности на поверхности Луны во столько раз, во сколько R² больше квадрата фокусного расстояния , т.е.

Подставив это в выражение для эффективной поверхности отражателя, получим

тогда выражение (1.3.1) примет вид

(1.3.2)

где а_Л = 1б738*10³ км – радиус Луны.

Если считать, что поверхность Луны идеально диф­фузная, то она будет создавать максимальное излу­чение в направлении нормали и совсем не давать излу­чения в касательном направлении. Тогда эффективная поверхность Луны будет

а. выражение (1.3.2) примет вид

(1.3.3)

Проведенные за последние годы эксперименты пока­зали, что поверхность Луны не является идеально гладкой и идеально диффузной, а занимает какое-то промежуточное положение. Если бы поверхность Луны была бы идеально гладкой, то при отражении импуль­сов электромагнитной энергии достаточно малой дли­тельности они бы практически не искажались. Если считать, что поверхность Луны идеально диффузная, то отраженный импульс создается по принципу сложе­ния мощностей, создаваемых отдельными элементами лунной поверхности.

На рисунке 1.3.3 приведена схема про­хождения короткого импульса мимо поверхности Луны.

Рисунок 1.3.3 - Схема прохождения короткого импульса мимо Луны.

Из рисунка следует, что самый короткий импульс будет создавать вторичное излучение за время прохождения его вдоль всей видимой поверхности Луны, т. е. от точ­ки А до точки Б. Иными словами, импульс будет ра­стянут на время

Эксперименты же показали, что удлинение импуль­сов имеет место, но значительно меньше и составляет 0,3 мсек, причем 70% энергии импульса заключено в первой десятой миллисекунды. Это означает, что диск Луны имеет «темный нимб» и отражение происходит только в небольшой области, находящейся в центре видимого диска. Определено, что на частоте 120 Мгц эффективная по­верхность Луны имеет радиус 1/3 а_Л.

М. П. Долухановым высказано предположение, что отражение импульсов от Луны происходит в основ­ном в пределах первой по­лузоны Френеля и носит не зеркальный, а частично диф­фузный характер ввиду на­личия на поверхности Лу­ны неровностей. Удлинение

импульсов до 0,3 мсек получается из-за отражения от соответствующим образом ориентировочных неровностей на глубине < а_Л = 45 км . На рисунке 1.3.4 показано, что соответствует радиусу отражающей части поверхности Луны около 400 км. Последнее подтверждается тем, что при корот­ких импульсах основное отражение отделено от по­следующих более или менее явно выраженными им­пульсами. Этим объясняется явление так называемых «модуляционных потерь» — уменьшение интенсивности отражения по мере укорочения длительности импульса. При увеличении длительности импульса дополнитель­ные отражения накладываются на основные и интенсивность отражения возрастает.

Рисунок 1.3.4. Отражающая часть поверхности Луны.

Зависимость потерь в тракте распространения от длины волны, учитываемая формулой 1.3.3. Сравнение принятых сигна­лов на волнах 15 и 76 см показало, что мощность шумов в канале на волне 15 см больше примерно на 14 дб, чем на волне 75 см.

Taк как отражение от лунной поверхности проис­ходит в основном в пределах первой полузоны Френеля и носит частично диффузный, то этим объясняется уменьшение эффективного значения коэффициента отражения против теретического значения совершенно гладкой поверхности. Коэффициент отражения по данным экспериментов для длины волны 10 см составляет 0,270,1.

Из первой фазы, когда происходит наиболее интенсивное отражение, следует, что длительность переднего фронта отраженного импульса будет равна длительности посланного импульса. Из второй фазы, когда площадь отражающей поверхности уменьшается, следует, что интенсивность отраженной энергии резко падает. Длительность заднего фронта отраженного импульса определяется временем прохождения электромагнитной энергией расстояния, равного глубине отражающей поверхности (если бы Луна представляла собой идеально гладкий отражатель, эта длительность равнялась бы 11,6 мсек). Форма отраженного импульса u(t) приведена на рисунке 1.3.5.

Рисунок 1.3.5. Форма отраженного от Луны импульса.

Задний фронт импульса можно аппроксимировать выражением:

где n(t) – некоторая функция от t, приведенная на рисунке 1.3.5 пунктиром.

Введение в раздел

Первая тропосферная радиорелейная линия была сооружена в США в 1955г. и работала в диапазоне частот 500—700 Мгц с рас­стоянием между соседними станциями около 250 км. В последую­щие годы наметился переход к более высоким частотам (до 5000—6000 Мгц), Дальность связи вследствие большего затухания при распространении радиоволн в этом случае уменьшается, од­нако возрастает пропускная способность системы связи и уменьшаются искажения передаваемой информации. Для повышения на­дежности стали использовать счетверенный прием с пространственным и частотным разнесениями, а также прием более высокой кратности с угловым разнесением. Появились мобильные системы военной радиосвязи. Ведутся интенсивные работы по использова­нию линии ДТР для связи Земля-самолет и Земля-корабль. Раз­витие радиотехники и электроники позволило в последние годы построить линии тропосферной связи на частотах 500—1000 Мгц, с расстоянием между соседними станциями до 800, а в отдельных, благоприятных по условиям распространения радиоволн случаях, и до 1000 км. Для этого потребовалось создать радиопередающие устройства с мощностью до 100 кВт, антенные системы, площадь которых приближается к 2000 м² приемные устройства с шумо­вой температурой 70 - 150°К и специальные устройства, улучшаю­щие пороговые свойства ЧМ. Обычно ширина полосы передавае­мых сигналов на линиях сверхдальнего тропосферного распростра­нения (СТР) не превышает 100—200 кГц. Это позволяет переда­вать по ним 12—24 телефонных канала.

Дальнейшим возможным аспектом использования линии СТР является создание одноканальных линий внутриобластной связи с малыми энергетическими параметрами. Расчеты показывают, что такие линии могут быть весьма экономичными.

Наряду с увеличением длины участков линии развитие систем связи, использующих ДТР, идет по пути расширения полосы пе­редаваемых сигналов. Это достигается, в частности, использованием узконаправленных антенн; хотя увеличения энергетических параметров аппаратуры почти не происходит, так как возрастают по­тери усиления антенн, узкий пучок электромагнитной энергии обе­спечивает малые запаздывания между отдельными компонентами многолучевого сигнала в месте приема и, вследствие этого, малые искажения. Расширение полосы передачи позволило передать по линиям ДТР телевизионные сигналы совместно со звуковым сопровождением. Имеются сообщения о применении на линиях ДТР импульсно-кодовой модуляции. Для расширения полосы частот и уменьшения искажений при использовании дальнего тропосферного распространения УКВ находят применение новейшие методы борь­бы с многолучевостью путем использования сигналов с широкой базой.

2. Тропосферная связь. Основные понятия

Тропосферная радиоволна распространяется между точками земной поверхности по траектории, лежащей в тропосфере. Энергия тропосферной радиоволны короче 100 см рассеивается на неоднородностях тропосферы. При этом часть энергии попадает на приемную антенну РРС, расположенной за пределами прямой видимости на расстоянии 250 ...350 км. Цепочка таких РРС образует тропосферную радиорелейную линию (ТРЛ) (рис. 2.1).На любой РРС устанавливают антенны, приемно-передающую аппаратуру и вспомогательные устройства (аппаратуру телеобслуживания, служебной связи, гарантированного электропитания и др.). Комплекс аппаратуры, обеспечивающий нормальную работу РРЛ (или ТРЛ), называют радиорелейной системой.

Рисунок 2.1 – К пояснению принципа работы ТРЛ

Механизм проведения дальнего распространения радиоволн на УКВ может быть обусловлен многими факторами. Наиболее часто возможно дальнее прохождение с рассеянием радиоволн на неоднородностях тропосферы. Регулярная дальняя связь с использованием рассеяния волн на неоднородностях тропосферы требует высокого энергетического потенциала радиостанций. В любительских условиях при ограниченных размерах антенн и мощности передатчиков регулярная дальняя связь возможна при усилении