Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

Глава 8. Радиосистемы передачи ВСС

назад | вперёд

 

8.1. Принципы организации радиосвязи

Система передачи информации, в которой сигналы электросвязи передаются посредством радиоволн в открытом пространстве, называется радиосистемой. Радиосистемы подразделяются на радиолинии и радиосети.

По способу организации радиолиний различают радиосвязь одностороннюю и двустороннюю. Радиосвязь, при которой одна из радиолиний осуществляет только передачу, другая – только прием, называется односторонней. Односторонняя радиосвязь, при которой радиопередачу одной (основной) радиостанции могут принимать одновременно несколько корреспондентов, называется циркулярной. Примерами односторонней циркулярной передачи сообщений являются системы оповещения, службы передачи сообщений из пресс-центров редакциям газет, журналов и т.д. Сети телевизионного и звукового вещания также представляют собой типичные образцы циркулярного способа организации радиосвязи. При этом радиопередающая станция, среда распространения радиосигналов (открытое пространство) и каждое радиоприемное устройство, находящееся в зоне действия станции, образует одностороннюю радиолинию, а совокупность таких радиолиний – сеть радиовещания.

Двусторонняя радиосвязь предполагает возможность передачи и приема информации каждой радиостанцией. Для этого нужны два комплекта оборудования односторонней связи, т.е. в каждом пункте надо иметь и передатчик и приемник. Двустороння связь может быть симплексной и дуплексной (рис.8.1). При симплексной радиосвязи передача и прием на каждой радиостанции ведутся поочередно. Радиопередатчики в конечных пунктах линии связи в этом случае работают на одинаковой частоте, на ту же частоту настроены и приемники.


а) симплексная радиосвязь;             б) дуплексная радиосвязь
Рис. 8.1. Функциональные схемы организации двусторонней радиосвязи

При дуплексной радиосвязи радиопередача осуществляется одновременно с приемом. Для каждой дуплексной линии радиосвязи должны быть выделены две разные частоты. Это делается для того, чтобы приемник принимал сигналы только от передатчика с противоположного пункта и не принимал сигналов собственного радиопередатчика. Радиопередатчики и радиоприемники обоих корреспондентов дуплексной радиосвязи включены в течение всего времени работы линии радиосвязи.

Симплексная связь используется, как правило, при наличии относительно небольших информационных потоков. Для систем передачи с большой информационной нагрузкой характерна дуплексная связь.

Если необходимо иметь радиосвязь с большим числом корреспондентов, то организуется радиосеть (рис.8.2). В этом случае одна радиостанция, называемая главной, может передавать сообщения как для одного, так и для нескольких подчиненных корреспондентов. Ее радиооператор контролирует режим работы в радиосети и непосредственно устанавливает очередность на передачу подчиненных станций. Последние при соответствующем разрешении могут обмениваться информацией не только с главной радиостанцией, но и между собой. Этот вариант организации радиосети может быть построен на основе как сложного симплекса (см. рис.8.2,а), так и сложного дуплекса (см. рис.8.2,б). В первом случае возможно использование радиостанций (радиопередатчиков), работающих на одной (общей) радиоволне (частоте). Во втором случае главная радиостанция ведет передачу на одной частоте, а принимает на нескольких (по числу подчиненных радиостанций).

Любая радиолиния передачи информации (связная, звукового или телевизионного вещания) содержит на концах радиопередающие и радиоприемные устройства, снабженные антеннами. Передающая антенна излучает электрический сигнал передатчика в виде радиоволны. Приемная антенна улавливает радиоволну, и с ее выхода электрический сигнал поступает на вход приемника. Лини передачи электромагнитной энергии, соединяющие антенну с радиопередатчиком или с приемником, называются фидерами. Антенно-фидерные устройства – очень важные элементы линии радиосвязи. На практике очень часто применяются антенны, обладающие направленным действием. При передаче направленная антенна излучает энергию радиоволн в определенном направлении. Чем больше направленность антенны, тем при меньшей мощности передатчика возможна радиосвязь. Приемные направленные антенны увеличивают отношение сигнал-помеха на входе приемного устройства, что также позволяет уменьшить необходимую мощность радиопередатчика.

Успешная работа радиолиний зависит от конструктивных особенностей и качества изготовления радиоаппаратуры. При сооружении и эксплуатации радиолиний необходимо учитывать особенности распространения радиоволн на пути от передающей до приемной антенны. Эти особенности различны в зависимости от диапазона частот. Деление радиоволн на диапазоны в соответствии с Регламентом радиосвязи приведено в таблице 8.1. Радиоволны на радиолиниях распространяются в естественных условиях, а эти условия разнообразны и непостоянны. Прежде всего, необходимо учитывать, что Земля круглая. На пути от передающей до приемной антенны радиоволны должны обогнуть выпуклость Земли.



а) сложный сиплекс;        б) сложный дуплекс
Рис. 8.2. Функциональные схемы организации радиосети

Сами по себе электромагнитные колебания информации не несут. Для передачи информации необходимо на электромагнитные колебания наложить отпечаток сообщения, т.е. использовать высокочастотные электромагнитные колебания лишь в роли переносчика сообщения, содержащего информацию. С этой целью нужно изменить один или несколько параметров несущего колебания (например, амплитуду, частоту, фазу и другие параметры) в соответствии с изменениями сообщения. Тогда получается высокочастотное колебание с меняющимися во времени параметрами по закону передаваемого сообщения. Рассмотренный процесс называется модуляцией.

Таким образом, всякое радиопередающее устройство должно состоять из генератора электрических колебаний, подключенного к передающей антенне, и модулятора, с помощью которого осуществляется модуляция.

В приемном пункте должно находиться устройство, преобразующее энергию электромагнитных волн в энергию электрических колебаний, т.е. приемная антенна. Антенна улавливает электромагнитные волны, излучаемые разными передатчиками, работающими на различных частотах. Чтобы принимать сигналы только одной станции, необходимо иметь избирательное устройство, способное выделить из колебаний различных частот только те колебания, которые передаются нужной радиостанцией. Для решения этой задачи используются электрические колебательные контура, настраиваемые на частоту принимаемой радиостанции.

Выделенные с помощью колебательного контура высокочастотные колебания нужно подвергнуть обратному преобразованию, т.е. получить из них токи или напряжения, изменяющиеся в соответствии с законом модуляции электрических колебаний в радиопередатчике. Для решения этой задачи приемник должен иметь специальное устройство, которое называется детектором.

Наконец, выделенный сигнал нужно подать на некоторое оконечное устройство, которое запишет его или позволит человеку воспринимать его в виде звука или света (изображения).

Таблица 8.1. Классификация деления радиоволн на диапазоны
Частоты Длина волн Метрическое наименование диапазона волн Наименование диапазона частот Поддиапазон волн
От 3 до 30 кГц От 100 до 10 км Мириаметровые Очень низкие ОНЧ Сверхдлинные СДВ
От 30 до 300 кГц От 10 до 1 км Километровые Низкие НЧ Длинные ДВ
От  0,3 до 3 МГц От 1км до 100 м Гектометровые Средние СЧ Средние СВ
От 3 до 30 МГц От 100 до 10 м Декаметровые Высокие ВЧ Короткие КВ
От 30 до 300МГц От 10 до 1 м Метровые Ультравысокие УВЧ Ультракороткие УКВ
От 0,3 до 3 ГГц От 1 м до 1 дм Дециметровые Сверхвысокие СВЧ
От 3 до 30 ГГц От 10 до 1 см Сантиметровые Крайне высокие КВЧ
От 30 до 300 Гц От 10 до 1 мм Миллиметровые
От 300 до 3000 ГГц От 1 до 0,1 мм Децимиллиметровые

8.2. Особенности построения систем радиосвязи

8.2.1. Структура радиосистем передачи

Под радиосистемой передачи (РСП) понимают совокупность технических средств, обеспечивающих образование типовых каналов передачи и групповых трактов первичной сети, а также линейного тракта, по которому сигналы электросвязи передаются посредством радиоволн в открытом пространстве.

Как и проводные системы передачи, подавляющее большинство РСП являются многоканальными. При этом обычно используются частотное или временное разделение сигналов. В настоящее время наиболее широко применяется частотное разделение сигналов. Вместе с тем все большее распространение получает временное разделение в сочетании с цифровыми методами передачи сигналов.

Несмотря на большое разнообразие РСП, основные принципы их построения являются общими. Обобщенная структурная схема многоканальной РСП показана на рис.8.3.

Каналообразующее и групповое оборудование обеспечивает формирование группового сигнала из множества подлежащих передаче первичных сигналов электросвязи (на передающем конце).

Для формирования радиосигнала и передачи его на расстояние посредством радиоволн используются различные радиосистемы связи. Радиосистема связи представляет собой комплекс радиотехнического оборудования и других технических средств, предназначенный для организации радиосвязи в заданном диапазоне частот с использованием определенного механизма распространения радиоволн. Вместе со средой (трактом) распространения радиоволн радиосистема связи образует линейный тракт или ствол. Ствол РСП состоит из оконечного оборудования ствола и радиоствола. Оборудование ствола располагается на оконечных и ретрансляционных станциях.

В оконечном оборудовании ствола на передающем конце формируется линейный сигнал, состоящий из группового и вспомогательных служебных сигналов (сигналов служебной связи, пилот-сигналов и др.), которым модулируются высокочастотные колебания. На приемном конце производятся обратные операции: демодулируется высокочастотный радиосигнал и выделяются групповой, а также вспомогательные служебные сигналы. Оконечное оборудование ствола располагается на оконечных станциях РСП и на специальных ретрансляционных станциях.

Назначением радиоствола является передача модулированных радиосигналов на расстояние с помощью радиоволн. Радиоствол называется простым, если в его состав входят лишь две оконеч­ные станции и один тракт распространения радиоволн, и составным, если помимо двух оконечных радиостанций он содержит одну или несколько ретрансляционных станций, обеспечивающих прием, преобразование, усиление и повторную передачу радиосигналов. Необходимость использования составных радиостволов обусловлена рядом факторов, основными из которых являются протяженность РСП, ее пропускная способность и механизм распространения радиоволн.

Структурная схема ствола двусторонней  РСП  изображена на рис.8.4. От оконечного передающего оборудования ствола 1 на вход радиоствола поступает высокочастотный радиосигнал, модулированный линейным сигналом. В радиопередатчике Пд1 мощность радиосигнала увеличивается до  номинального значения, а его частота преобразуется для переноса спектра в заданный диапазон частот. По фидерному тракту 1 передаваемые радиосигналы направляются в антенну 1, которая обеспечивает излучение радиоволн в открытое пространство в нужном направлении. При этом в большинстве современных двусторонних РСП для передачи и приема радиосигналов противоположных направлений используется общий антенно-фидерный тракт. В открытом пространстве (тракте распространения) радиоволны распространяются со скоростью, близкой к скорости света с=3•108 м/с. Часть энергии радиоволн, приходящих от радиостанции 1, улавливается антенной 2, находящейся на оконечной радиостанции 2. Энергия принятого радиосигнала от антенны 2 по фидерному тракту 2 направляется в радиоприемник Пм2, где осуществляются частотная селекция принимаемых радиосигналов, обратное преобразование частоты и необходимое усиление. С выхода радиоствола принятый радиосигнал поступает на оконечное оборудование ствола 2. Аналогично радиосигналы передаются в противоположном направлении от оконечной радиостанции 2 к радиостанции 1. Как видно из рис.8.4, радиоствол двусторонней РСП состоит из двух радиоканалов, каждый из которых обеспечивает передачу радиосигналов в одном направлении. Таким образом, оборудование радиоствола (включающее радиопередатчики, радиоприемники и антенно-фидерные тракты) является по сути дела оборудованием сопряжения оконечного оборудования ствола РСП с трактом распространения радиоволн.

Ретрансляционные станции (ретранслятор) могут быть двух типов: без выделения передаваемых сигналов электросвязи и введения новых и с выделением и введением их. Структурная схема ретранслятора первого типа дана на рис.8.5. Составной радиоствол представляет  собой   последовательное соединение  нескольких простых радиостволов, а оборудование - последовательное соединение двух комплектов оборудования радиоствола. В состав оборудования ретрансляторов второго типа дополнительно входит оконечное оборудование ствола, содержащее модулятор и демодулятор.

В современных РСП разница уровней излучаемых и принимаемых антеннами радиосигналов весьма велика (150 дБ и более). Для исключения возможности возникновения паразитных связей между передающими и приемными трактами радиоствола в РСП с ретрансляцией радиосигналов необходимо использовать две несущие частоты для каждого  направления. При этом для передачи радиосигналов противоположных   направлений может быть использована либо одна и та же  пара частот,  либо две разные пары. В зависимости от этого различают два способа (плана) распределения частот приема и передачи в  дуплексном  стволе РСП: двухчастотный (рис.8.6,а) и четырехчастотный  планы (рис.8.6,а, б). Двухчастотный план экономичнее с  точки зрения использования занимаемой полосы частот, однако, требует специальных мер  для защиты от сигналов противоположного направления. Четырехчастотный план не требует указанных мер защиты, однако он неэкономичен с точки зрения использования полосы частот: число радиостволов, которое может быть образовано в выделенном диапазоне частот, при четырехчастотном плане вдвое меньше, чем при двухчастотном.

В процессе передачи во всех звеньях РСП сигналы электросвязи претерпевают определенные искажения (см. рис.8.4). Причинами искажений являются воздействие различных помех и неидеальность характеристик элементов РСП. Помехи, возникающие в самой РСП, называются внутрисистемными. К ним относятся тепловой шум, возникающий в антенно-фидерных трактах, радиоприемниках и оконечном оборудовании ствола, и переходные помехи, возникающие при многоканальной передаче почти во всех элементах РСП. Кроме внутрисистемных помех на любую РСП оказывают влияние помехи от других стволов в многоствольных радиолиниях передачи, от постронних радиотехнических средств и источников, а также радиоизлучения атмосферы, поверхности Земли, космоса и т. д. Из-за неидеальности характеристик элементов РСП появляются линейные и нелинейные искажения передаваемых сигналов.


Рис. 8.5. Структурная схема ретранслятора без выделения передаваемых сигналов и введения новых

Рис. 8.6. Планы распределения частот приема и передачи в дуплексном стволе РСП

8.2.2. Структурная схема и основные параметры радиопередающих устройств

В системах радиосвязи широкое распространение получили радиопередатчики с модуляцией по промежуточной частоте (ПЧ) (рис.8.7). На выходе частотного модулятора ЧМД UB получают сигнал ПЧ, модулированный по частоте групповым сигналом ГС ствола. Этот ЧМ сигнал усиливается в мощном усилителе промежуточной частоты МУПЧ до уровня, необходимого для нормальной работы смесителя UZ. Амплитудный ограничитель ZL, входящий в МУПЧ, подавляет паразитную амплитудную модуляцию AM сигнала. Электрическую цепь, выполняющую преобразование частоты сигнала и включающую гетеродин G, смеситель UZ и полосовой фильтр Z (здесь – ФБП), называют преобразователем частоты ПрЧ. Из спектра колебаний, образующихся на выходе смесителя, ФБП выделяет ЧМ сигнал передатчика со средней частотой f2. Усилитель мощности А усиливает этот сигнал, обеспечивая номинальную выходную мощность.

Номинальная рабочая частота определяется планом распределения частот радиопередатчика.

8.2.3.  Структурная схема и основные технические параметры радиоприемных устройств

В системах радиосвязи применяют супергетеродинные радиоприемники. В супергетеродинном приемнике (рис.8.8) частоту принятого сигнала преобразуют в смесителе UZ в промежуточную. Основное усиление сигнала происходит в УПЧ А2 и A3. Усиление по радиочастоте (до смесителя) производится в малошумящем усилителе А1.

Так как сигнал на входе приемника достаточно слабый, то необходимо, чтобы были малы собственные шумы не только смесителя, но и первых каскадов УПЧ. Поэтому схема содержит предварительный малошумящий УПЧ А2 и основной УПЧ A3, охваченный АРУ. К выходу приемника по ПЧ подключен частотный демодулятор из амплитудного ограничителя ZL, частотного детектора UR и выходного усилителя А4. На выходе радиоприемника получают групповой сигнал. Входная цепь радиоприемника Z предназначена для передачи полезного СВЧ сигнала от АФТ к МШУ или смесителю и подавления мешающих сигналов. Гетеродинный тракт приемника называют также гетеродином G. Устройства, включенные между выходом АФТ и входом демодулятора, образуют линейную часть радиоприемника.


Рис. 8.7. Структурная схема радиопередатчика с модуляцией по промежуточной частоте

Рассмотрим основные технические параметры радиоприемника.

Коэффициент шума радиоприемника представляет собой отно­шение мощности шума, измеренной на выходе линейной части радиоприемника Рш.вых при температуре Т0 = 293° К, к мощности шума, которая была бы на этом выходе, если бы источник сигнала был единственным источником шума. Источником сигнала является приемная антенна. Вместе с сигналом во входную цепь приемника поступают собственные тепловые шумы антенны РшА.

В соответствии с определением коэффициента шума представим его в виде

nш = Рш.выхшАkp,

где kp – коэффициент усиления мощности приемника, откуда получаем мощность собственных шумов приемника на его входе:

Рш.вых = nш0П,

где k = 1,37•10-23 Вт/Гц•град – постоянная Больцмана; П – полоса частот приемника.

Чувствительность радиоприемника характеризует его способность принимать слабые сигналы. Чувствительность профессиональных радиоприемников, как правило, ограничена их собственными шумами. Она численно равна минимальному уровню радиосигнала на входе приемника, при котором на его выходе будут обеспечены заданное отношение сигнал-шум и номинальная выходная мощность полезного сигнала.

Кроме того, следует помнить, что при приеме ЧМ сигналов возникают пороговые явления. Поэтому чувствительность ЧМ приемника не может быть выше уровня пороговой мощности. Пороговая мощность:

Pпор Pш.вх.

Избирательность радиоприемника характеризует его способность выделять полезный сигнал и ослаблять мешающие сигналы, частоты которых отличны от частоты настройки приемника f1. Обычно указывают избирательность приемника на определенных частотах или, как говорят, по определенным каналам приема: соседнему и зеркальному.

Соседним называют канал, ближайший по частоте к полезному сигналу. Избирательность по соседнему каналу:

B(f) = 10 lg[A(f1) / A(f)],

где A(f) – АЧХ линейной части приемника; A(f1) – максимальное значение A(f) при f = f1.

Для радиовещательных приемников частота соседнего канала f = f1 ± 10 кГц. Для приемников РРЛ такими каналами могут быть, например, соседние по плану частот стволы, т. е. f = f1 ± 28 МГц, или соседние стволы, работающие на общую антенну в этом случае f = f1 ± 56 МГц. В приемниках РРЛ избирательность по соседнему стволу обеспечивают разделительные и полосовые фильтры, установленные на входе приемника, и фильтр ПЧ, входящий в состав УПЧ.

Зеркальный канал приема существует только в супергетеродинном приемнике. Частота его fM отличается от частоты настройки приемника на 2fпр, а от частоты гетеродина на fпр. Поэтому подавить помеху по зеркальному каналу нужно в избирательных цепях приемника, стоящих до смесителя.

8.2.4. Антенны и их параметры

В системах радиосвязи применяют приемопередающие направленные  антенны. Направление максимального излучения называют главным. Поле излучения антенны формируется в пространстве на некотором расстоянии от антенны, в так называемой дальней зоне. В этой зоне амплитуды векторов электрического Е и магнитного Н полей убывают пропорционально расстоянию от антенны.

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны, равен отношению квадрата напряженности поля, создаваемого антенной в данном направлении, к среднему квадрату напряженности поля по всем направлениям. Обычно антенну характеризуют значением КНД в главном направлении D. Если приводят значения КНД в других направлениях, то их записывают вместе с указанием угла θ, т. е. в виде D(θ). Угол θ отсчитывают относительно главного направления. Нормированный КНД:

F(θ) = 10lg[D(θ)/D].

Квадрат напряженности поля антенны пропорционален мощности излучения, следовательно, F (θ) характеризует угловое распределение этой мощности.

Диаграмма направленности (ДН) антенны – это графическое представление F(θ) в заданной плоскости (рис.8.9). Для антенн измеряют ДН в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, одна из которых совпадает с плоскостью вектора Е поля излучения, а другая – с плоскостью вектора Н. Такая пара ДН дает полное пространственное представление о направленных свойствах антенны. Лепесток ДН, соответствующий θ = 0, называют главным, лепесток в направлении θ = 180° – задним, остальные – боковыми. Приближенно ДН оценивают шириной главного лепестка по половинной мощности 0,5 (уровень минус 3 дБ) и шириной по минимуму поля 0.

Коэффициент полезного действия антенны ηA равен отношению мощности излучения к мощности радиочастотного сигнала, подводимого к антенне. Для антенн СВЧ диапазона ηA 1.


Рис. 8.9. Диаграмма направленности антенны в полярной системе координат

Коэффициент усиления антенны G показывает, во сколько раз придется увеличить подводимую мощность, если данную направленную передающую антенну заменить ненаправленной, при условии, что напряженность поля в точке приема не изменится. Коэффициент усиления характеризует способность передающей антенны сконцентрировать основную часть излучаемой мощности в главном направлении, которая получила название эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ):

Pи = PпдηпдGпд,

где Pпд  – мощность передатчика; ηпд  – КПД передающего фидера.

Принято указывать коэффициент усиления в децибелах, т. е. g=101 дБ. Коэффициент усиления антенны в любом направлении, отличном от главного, приводят вместе с указанием угла ДН, т. е. в виде g(θ).

Эффективная площадь приемной антенны SЭ равна отношению максимальной мощности, которая может быть отдана приемной антенной в согласованную нагрузку, PA к плотности потока мощности сигнала у антенны w, т. е. SЭ = PA/w . Эффективная площадь характеризует способность антенны принять основную часть приходящей мощности, в то время как коэффициент усиления характеризует аналогичное качество передающей антенны. Эти величины связаны между собой соотношением:

G = 4 π SЭ / λ2,

где λ – длина волны.

В диапазоне СВЧ применяют антенны, в которых поле излучения формирует отражающая поверхность (например, параболическое зеркало). Для таких антенн:

SЭ = Skи,

где S – площадь раскрыва (апертуры); kи – коэффициент использования поверхности (КИП); у лучших антенн КИП около 0,7.

Защитное действие антенны kз характеризует ее способность ослаблять помеху с частотой сигнала, приходящую с направлений под углами θ = 90 ...270°, т. е. с заднего полупространства. Защитное действие антенны при θ = 180° оценивают по уровню заднего лепестка kз = g–g(180°). При других значениях θ – по уровням боковых лепестков kз(θ).

Диапазон антенны – это диапазон частот, в котором параметры антенны остаются в заданных пределах. Для антенн магистральных РРЛ он должен составлять 400 ...500 МГц, поскольку на одну антенну часто работают все четные (нечетные) стволы системы. В некоторых случаях антенны могут работать в смежных диапазонах частот, например 4 и 6 ГГц.

8.2.5. Мощность сигнала на входе приемника

Ненаправленный излучатель в свободном пространстве излучает одинаковую мощность во всех направлениях. Фронт электромагнитной волны на некотором расстоянии R от излучателя представляет собой сферу радиуса R. Мощность, проходящая через единицу поверхности этой сферы,

П0 = Р / 4πR,

где Р – мощность, подведенная к изотропному излучателю.

На пролете РРЛ устанавливают передающую и приемную антенны с коэффициентами усиления Gпд и Gпр соответственно. Антенны направлены друг к другу главными лепестками ДН. Для передающей антенны находим ЭИИМ при G = Gпд. В таком случае плотность потока мощности в точке приема:

П1 = PпдηпдGпд / 4πR02 .

Мощность сигнала на входе приемника при распространении в свободном пространстве:

Рс.вх0 = PпдηпдGпд Gпрηпр(λ / 4πR0)2.

При распространении в свободном пространстве суммарное ослабление АΣ мощности сигнала между выходом передатчика и входом приемника:

АΣ = (λ / 4πR0)2 / ηпдGпдGпрηпр.

Первый сомножитель этой формулы показывает ослабление сигнала между антеннами при распространении в свободном пространстве. Эта величина носит название основных потерь при распространении в свободном пространстве.

Уровень мощности сигнала на входе приемника согласно:

pс.вх0 = pпд1 + ηпд1 + Gпд1 + Gпр1 + ηпр1 + 20 lg (λ / 4πR0)


Рис. 8.10. Диаграмма уровней на пролете РРЛ

На диаграмме уровней пролета показывают все усиления и ослабления, которые претерпел сигнал между передатчиком и приемником (кривая 1 на рис.8.10, где pпд1 = 30 дБм, ηпд1 = ηпр1 = - 3 дБ, Gпд1 = Gпр1 = 43 дБ, Асв=140 дБ).

В реальных условиях распространения мощность сигнала на входе приемника отлична от его значения в свободном пространстве из-за влияния земной поверхности и тропосферы. Учитывают это влияние с помощью множителя ослабления поля свободного пространства. Множитель ослабления показывает, во сколько раз напряженность поля в точке приема в реальных условиях (Еp)  меньше, чем напряженность поля в той же точке при распространении в свободном пространстве (Е0). Множитель ослабления:

V(t) = Ep/ E0.

Или

v(t) = 20lg V(t).

На диаграмме уровней (кривая 2 на рис.8.10) значение v(t) откладывают на конце пролета у приемной антенны.

При реальных условиях распространения мощность сигнала на входе приемника:

Рс.вх = Рс.вх0V2(t).

8.2.6. Стволы в радиорелейных линиях

Высокочастотный ствол. Рассмотрим по рис.8.11 прохождение сигнала одного ствола со средней частотой f1. Этот сигнал выделяют разделительным фильтром РФ Z1 и полосовым фильтром ПФ Z2. С выхода ПФ  сигнал  поступает  на  смеситель  приемника  UZ1,  в  котором  частота f1 понижается до промежуточной fпр.

Затем модулированные колебания ПЧ  усиливаются  в  УПЧ  А1  и  поступают  на  выход  приемника  в  точке а. Между  СВЧ  приемником  и  СВЧ  передатчиком  устанавливают  перемычку  ab. 

Сигнал,  поступающий  на  вход  передатчика  в  точке  b,  усиливается в МУПЧ–мощном УПЧ А2 до уровня, необходимого для нормальной работы смесителя передатчика UZ2. В UZ2 колебания ПЧ преобразуются в колебания СВЧ, среди которых есть и колебания со средней частотой f2. На вторые входы смесителей поступают немодулированные СВЧ колебания от независимых гетеродинных трактов приемника G1 и передатчика G2 с частотами f01 и f02 соответственно. Поскольку на выходе смесителя получается богатый спектр колебаний, то там необходимо устанавливать ПФ, выделяющий рабочую полосу частот. Поэтому на выходе UZ2 установлен фильтр боковой полосы (ФБП) Z3. В приемнике СВЧ аналогичную функцию выполняет фильтр сосредоточенной селекции УПЧ.

На выходе UZ2 будут колебания, частоты которых отвечают условию

fΣ = ±mfпр ± nf02,

где m и n – целые числа.

Фильтр боковой полосы пропускает колебания со средней частотой

f2 = f02 + fпр,

или

f2 = f02– fпр,

и полосой, определяемой шириной спектра модулированного сигнала ПЧ.

Усилитель мощности (УМ) A3 усиливает сигнал СВЧ, выделенный ФБП, обеспечивая номинальную выходную мощность. Если ее значение не превышает нескольких сотен милливатт, то УМ обычно не устанавливают.

Телефонный ствол образуют оконечные устройства ТФ ствола, модуляторы, демодуляторы, приемопередающая аппаратура универсальных ВЧ стволов и антенны.


Рис. 8.12. Линейный спектр ГС ТФ ствола при N = 1920 (а), N = 720 (б) и ТВ ствола (в)


Рис. 8.13. Структурная схема оконечного передающего устройства ТФ ствола

Напомним, что емкость ВЧ ствола ограничена частотой Fв = 9 МГц, что соответствует N=1920. Во многих радиорелейных системах принято передавать в ТФ стволе вместе с многоканальным телефонным сигналом МТС сигналы служебной связи СС на частотах, лежащих ниже Fн. Около частоты 9 МГц обычно передают пилот-сигнал (ПС), который нужен для проверки исправности аппаратуры. Сигналы СС, МТС и ПС объединяются в ОТФП в групповой сигнал ТФ ствола (рис.8.12). В комплексе КУРС, в котором предусматривают передачу по стволу N = 1320, в ГС ство­ла дополнительно могут быть введены два сигнала звукового вещания СЗВ методом ЧМ на поднесущих частотах 7,0 и 7,36 МГц.

На магистральных РРЛ МТС поступает по кабельной СЛ от сетевого узла связи, а СЗВ – от центральной междугородной аппаратной вещания (ЦМВА). Сигналы СС формируются на РРС и подаются по кабелю на вход ОТФП, ПС получают от специального генератора G, входящего в состав ОТФП (рис.8.13). В ОТФП МТС проходит через регулируемый аттенюатор А1 и предыскажающий контур ПК А2 и попадает на вход 1 сумматора A3.

Последний объединяет сигналы, поступающие на его входы. На входы 2 и 5 поступают ПС и сигналы СС. На входы 3 и 4 – сигналы из передающего блока поднесущих частот БП1. В БП1 входной СЗВ усиливается и модулирует поднесущую в частотно-модулируемом генераторе (ЧМГ) UB. На выходе A3 получается ГС ТФ ствола (рис.8.12,б). После усиления в групповом усилителе (ГУ) А4 он поступает на вход блока ЧМД модема. Регулируемый аттенюатор позволяет установить номинальный уровень МТС на входе A3. Предыскажающий контур дает возможность повысить помехозащищенность верхних каналов ТЧ, где имеют место наибольшие тепловые шумы. При этом его АЧХ должна соответствовать рекомендациям МККР (рис.8.14).


Рис. 8.14. АЧХ предыскажающего (1) и восстанавливающего (2) контуров при передаче МТС


Рис. 8.15. Структурная схема оконечного приемного устройства ТФ ствола

На приемном конце ОРС или УРС устанавливают ОТФПр (см. рис.8.13). Сигнал, поступающий от ЧД, усиливается в ГУ А1 и поступает в разделительное устройство (РУ) А2. Последнее разделяет ГС ствола на составляющие с помощью фильтров. При этом МТС, ПС и сигналы СС поступают соответственно на 1, 2 и 5 выходы РУ. С выхода 1 МТС через восстанавливающий контур ВК A3 и регулируемый аттенюатор А4 поступает на выход ОТФПр и далее по СЛ на сетевой узел связи. В ВК происходит восстановление исходных уровней МТС. Подбирают АЧХ ВК такой, чтобы результирующая АЧХ для ПК и ВК была равномерна в полосе частот Fн...Fв.

Выделенные в разделительном устройстве РУ ЧМ сигналы на поднесущих поступают на выходы 3 и 4, и далее – в блок поднесущих частот приемный БП2. В БП2 каждый из этих сигналов демодулируется в UR-частотном демодуляторе звуковых сигналов и через усилитель поступает на выход ОТФПр, откуда по СЛ они подаются в ЦМВА.

Телевизионный ствол образуют оконечные устройства ТВ ствола, модуляторы, демодуляторы, приемо­передающая аппаратура универсального ВЧ ствола и антенны. Оконечные РРС, как правило, совмещают с телецентрами, откуда на ОРС подают ПТВС и СЗС. Длина СЛ не должна превышать нескольких сотен метров из-за искажений, вносимых кабелем в широкополосный ПТВС. Для коррекции АЧХ и ФЧХ СЛ в состав ОТВП (рис. 8.16) включают корректор соединительной линии А2. Включение ПК A3 с АЧХ, рекомендованной МККР (рис.8.17), позволяет облегчить требования к передаточной характеристике ЧМД.

Назначение остальных элементов схемы рис.8.16 такое же, как и в схеме рис.8.13, только вместо СЗВ на входы: ОТВП подают СЗС, а на выходе А4 получают ГС ТВ ствола (рис.8.12,в). Этот сигнал через видеоусилитель А5 поступает на ЧМД. Поскольку спектр ПТВС начинается с 50 Гц, то передавать сигналы СС в нижней части спектра ТВ ствола нельзя.


Рис. 8.16. Структурная схема оконечного передающего устройства ТВ ствола

Подпись: Коэффициент передачи, дБ
Рис. 8.17. АЧХ предыскажающего (1) и восстанавливающего (2) контуров для канала изображения

Особенности построения структурных схем РРС таковы. Передача ТВ программ носит симплексный характер, поэтому различают передающие и приемные ОРС. На УРС, как правило, имеет место переприем и разветвление сигналов по ПЧ. На многих ПРС также выполняют ответвление сигнала по ПЧ с последующей демодуляцией (рис.8.18). Частотный демодулятор UR1 выделяет ГС ТВ ствола. Разделительное устройство А1 разделяет ГС ТВ. ствола на ПТВС и ЧМ поднесущую. Восстанавливающий контур А2 имеет АЧХ, рекомендованную МККР (см. рис. 8.17), так что результирующая АЧХ для ПК и ВК равномерна в полосе частот ПТВС. Сигнал звукового сопровождения выделяют на выходе ЧД, UR2. С выхода ОТВПр ПТВС и СЗС подают на ТВ ретранслятор, который размещают в одном здании с ПРС.


Рис. 8.18. Структурная схема ПРС с выделением ТВ программы

Цифровой ствол.  Широкополосный  ствол  РРЛ,  предназначенный для  передачи  сигналов  в  цифровой  форме,  называют  цифровым стволом  РРЛ.  При  организации  ЦФ  ствола  (рис.8.19)  на  ОРС подают  ЛЦС  от  аппаратуры  ЦСП,  например  ИКМ-120,  по  кабельной  соединительной  линии  (КСЛ).  Такой  ЛЦС  поступает  в квазитроичном коде.

Схема   ОРС   содержит   приемопередающую   радиорелейную   аппаратуру:   модулятор  (Мд),  передатчик  СВЧ  колебаний  (П),  приемник  СВЧ  колебаний  (Пр),  демодулятор  (Дм),  АФТ  и  антенну и устройство сопряжения  (УС), которое в литературе называют также оконечным оборудованием ЦФ ствола.

Передатчики и приемники СВЧ для ЦФ стволов выполняют по таким же схемам, что и для аналоговых стволов систем радиосвязи. Методы модуляции и способы детектирования сигналов, применяемые в ЦФ стволах, разнообразны.

Устройство сопряжения предназначено для преобразования ЛЦС к виду, удобному для передачи по РРЛ, и обратного пре­образования цифрового сигнала (ЦС), поступающего от РРЛ, в ЛЦС. Цель такого преобразования – уменьшение возможных искажений ЦС при передаче их по РРЛ. В составе УС регенераторы импульсов (РИ1 и РИ2), преобразователи кодов (ПК1 и ПК2), скремблер (СКР) и дескремблер (ДСКР), прибор контроля цифрового тракта (КЦТ). Этот прибор измеряет коэффициент ошибок по битам ЦС.

При возрастании коэффициента ошибок до определенного значения (кош ≥ 10-3) либо при пропадании входного ЛЦС, КЦТ включает генератор аварийного сигнала АС. В этом случае по ЦФ стволу передается сигнал индикации аварийного состояния (CИAC). РИ1 служит для исправления искажений сигнала, вызванных КСЛ. В ПК1 производится преобразование квазитроичного ЛЦС в бинарный или относительный бинарный. Этот сигнал в отличие от ЛЦС будем называть двоичным ЦС. В литературе его также называют бинарным ЦС или двухуровневым ЦС.


Рис. 8.19. Структурная схема ЦФ ствола на ОРС

Если на вход ПК1 может поступать ЛЦС с укороченными импульсами, то длительность импульса на выходе ПК1, соответствующая передаче одного символа, всегда равна тактовому интервалу Т, поскольку только в этом случае приемопередающая радиорелейная аппаратура может иметь наиболее узкую полосу пропускания.

Скремблер выполняет определенные логические преобразования двоичного ЦС, в результате которых в выходном сигнале исключается возможность появления длинных серий одинаковых символов. Серия «0» (или «1») подряд на k тактовых интервалах на выходе ПК1 может наблюдаться, например, при передаче измерительных сигналов, малой загрузке и т. д. Очевидно, когда передается длинная серия «0», в двоичном ЦС появляется постоянная и НЧ составляющие. При этом в спектре двоичного ЦС уменьшается доля энергии на тактовой частоте. Ясно, что на интервале времени, когда передается длинная серия симво­лов «0», двоичный ЦС практически не содержит информации о тактовой частоте.

Если этот ЦС передать по РРЛ, то на приеме из него будет трудно выделить колебания тактовой частоты, необходимые для нормальной работы регенератора и других устройств. В результате могут наблюдаться срывы работы систем тактовой синхронизации по всей РРЛ. Передача таких ЦС по цифровым радиорелейным линиям (ЦРРЛ) ухудшает также условия электромагнитной совместимости. Действительно, при передаче импульсов длительностью kT энергия сигнала на вы­ходе передатчика оказывается сосредоточенной в более узкой полосе, чем при передаче последовательности символов «0» и «1». Вследствие этого при работе нескольких РРС в общей полосе частот возникают помехи другим станциям от этого передатчика.

С выхода скремблера двоичный ЦС поступает на модулятор, с помощью которого изменяет амплитуду, либо частоту, либо фазу СВЧ сигнала на выходе передатчика. Этот модулируемый параметр СВЧ сигнала принимает в течение каждого элемента сигнала длительностью Т одно из двух возможных значений. Модуляция несущей частоты дискретным сигналом называется манипуляцией. Если в ЦСП применена ИКМ, а в РРЛ – амплитудная модуляция, то говорят о передаче ИКМ-АМ сигнала по РРЛ. Аналогично вводят ИКМ-ЧМ, ИКМ-ФМ и др.

Как уже отмечалось, на всех РРС магистральных РРЛ устанавливают типовую приемопередающую СВЧ аппаратуру. Выполняют УРС по схеме рис.8.11, в которой снимают перемычку между СВЧ приемником и передатчиком (ab). Вместо нее в ТФ стволе через аппаратуру резервирования подключают модем. В ТВ стволе обычно имеет место переприем и разветвление сигналов по ПЧ.

На ОРС (рис.8.20) для приема и передачи сигналов в разных направлениях связи служит общая антенна WA. Приемники СВЧ (Пр1, ..., Пр3) и передатчики СВЧ (П1, ..., П3) построены по тем же структурным схемам, что и на рис.8.11. К точкам а и б (ср. с рис.8.11) через аппаратуру резервирования подключен модем. В ТФ стволе работают  Пр1  и  П1,  в  ТВ  стволе – Пр2  и  П2,  в  резервном – Пр3  и  П3.  Модем  имеет  входы  (11, 12)  и  гарантированные   выходы (9, 10) по ПЧ, а также входы для сигналов МТС (1), служебной связи (СС) (2), ПТВС (3) и СЗС (4) и соответствующие выходы 5, 6, 7, 8 для этих сигналов. В составе модема показаны оконечные устройства ТФ ствола: приемное ОТФПр и передающее ОТФП, оконечные устройства ТВ ствола: приемное ОТВПр и передающее ОТВП, ЧМД и ЧД.

Оконечные устройства передающие служат для формирования ГС ствола из сигналов, поступающих на его входы по СЛ, а также для согласования входов 1, 2, 3, 4 модема с СЛ. Оконечные устройства приемные разделяют ГС ствола на составляющие сигналы и согласуют выходы 5, 6, 7, 8 модема с СЛ. На выходе ЧМД получают колебания ПЧ, модулированные по частоте ГС ствола. На рис.8.20 для ТВ ствола указаны верхние частоты первичных электрических сигналов и средние частоты ЧМ сигнала в разных точках схемы ОРС магистральной РРЛ, работающей в диапазоне 4 ГГц. На приеме ЧД демодулирует сигнал ПЧ, поступающий на его вход.

В ТФ и ТВ стволах используют одинаковые ЧМД, а также ЧД. Таким образом, в схеме ОРС для различных стволов оказываются разными только оконечные устройства. На ОРС и УРС устанавливают одинаковые модемы.


Рис. 8.20. Структурная схема трехствольной ОРС с поучастковым резервированием

8.2.7. Радиорелейные линии прямой видимости

Принцип радиорелейной связи. Современные радиорелейные линии связи позволяют передавать телевизионные программы и одновременно сотни и тысячи телефонных сообщений на огромные расстояния. Для таких потоков информации требуются полосы частот до нескольких десятков, а иногда и сотен мегагерц и соответственно несущие не менее нескольких  гигагерц.  Известно,  что  радиосигналы на этих частотах эффективно передаются лишь в пределах  прямой  видимости. Поэтому  для  связи  на  большие  расстояния  в  земных  условиях  приходится  использовать  ретрансляцию  (переизлучение)  радиосигналов. 

Протяженность пролетов R между соседними станциями зависит от профиля рельефа местности и высот установки антенн. Обычно ее выбирают близкой к расстоянию прямой видимости R0, км. Для гладкой сферической поверхности Земли и без учета атмосферной рефракции (идеализированная теоретическая модель):

R0 = 3,57 ( + ),


Рис. 8.21. Условное изображение варианта РРЛ

где h1 и h2 – высоты подвеса соответственно передающей и приемной антенн (в метрах).

В реальных условиях, в случае мало пересечен­ной местности R0 40...70 км, а h1 и h2  50... 80 м. Часть РРЛ (один из возможных вариантов) условно показана на рис.8.21, где отмечены радиорелейные станции трех типов: оконечная (ОРС), промежуточная (ПРС) и узловая (УРС).

На ОРС производится преобразование сообщений, поступающих по соединительным линиям от междугородных телефонных станций (МТС), междугородных телевизионных аппаратных (МТА) и междугородных вещательных аппаратных (МВА), в сигналы, передаваемые по РРЛ, а также обратное преобразование. На ОРС начинается и заканчивается линейный тракт передачи сигналов.

С помощью УРС обычно решают задачи разветвления и объединения потоков информации, передаваемых по разным РРЛ, на пересечении которых и располагается УРС. К УРС относят также станции РРЛ, на которых осуществляется ввод и вывод телефонных, телевизионных и других сигналов, посредством которых расположенный вблизи от УРС населенный пункт связывается с другими пунктами данной линии.

На ОРС и УРС всегда имеется технический персонал, который обслуживает не только эти станции, но и осуществляет контроль и управление с помощью специальной системы телеобслуживания ближайшими ПРС. Участок РРЛ (300. ..500 км) между соседними обслуживаемыми станциями делится примерно пополам так, что одна часть промежуточных станций входит в зону телеобслуживания одной УРС (ОРС), а другая часть ПРС обслуживается другой УPC (OPC). Они выполняют функции активных или пассивных ретрансляторов и, как правило, работают без постоянного обслуживающего персонала.

При активной ретрансляции сигналов на ПРС используют две антенны, расположенные на одной и той же опоре (мачте) (см. рис.8.21). В этих условиях весьма трудно предотвратить попадание части мощности усиленного сигнала, излучаемого передающей антенной, на вход приемной антенны. И если не принять специальных мер, то указанная связь выхода и входа усилителя ретранслятора может привести к его самовозбуждению, при котором он фактически перестает выполнять свои функции. Одним из эффективных способов устранения опасности самовозбуждения является разнесение по частоте сигналов на входе и выходе ретранслятора.

В таблице 8.1 приведены частотные планы, рекомендованные МСЭ для радиорелейных линий прямой видимости.

Таблица 8.1. Частотные планы, рекомендованные МСЭ
Диапазон, (ГГц) Полоса частот,(ГГц) Разнос между каналами, (МГц) Рек. МСЭ-Р
1,5 1,427-1,53 0,5; 1; 2; 3,5 746, Приложение 1
2 1,427-2,69
1,7-2,1; 1,9-2,3
1,7-2,3
2,3-2,5
2,5-2,7
0,5 (образец)
29
14
1;2;4, 14; 28
14
701
382
283
746, Приложение 2
283
4 3,4-3,9
3,8-4,2
3,6-4,2
3,6-4,2
28
29
10 (образец)
90; 80; 60; 40
OIRT-2
382
635
635, Приложение 1
4,5 4.54-4,9 40; 20 746, Приложение 3
Нижняя 6 5,670-6,170
5,925-6,425
5,85-6,425
28
29,65
90; 80; 60
OIRT-2
383
383, Приложение 1
Верхняя 6 6,425-7,11 40; 20 384
7 7,425-7,725
7,425-7,725
7,435-7,75
7,11-8,5
7
28
5
28
385
385, Приложение 1
385, Приложение 2
385, Приложение 3
8 7,9-8,4
8,2-8,5
7,725-8,275
8,275-8,5
28
11,662
29.65
40,74; 14,7
OIRT-2
386
386, Приложение 1
386, Приложение 2,3
10 10,38-10,7
10,5-10,68
10,55-10,68
5; 2
7; 3,5 (образец)
5,2,5; 1,25 (образец)
746, Приложение 4
746, Приложение 1
746, Приложение 2
11 10,7-11,7
10,7-11,7
10,7-11,7
40
67
60
387, Приложение 1 и 2
387, Приложение 3
387, Приложение 4
12 11,7-12,5
12,2-12,7
19,18
20 (образец)
746. Приложение 5, §3
746, Приложение 5, §2
13 12,75-13,25
12,75-13,25
12,7-13,25
28, 7, 3,5
35 25,
12,5
497
497, Приложение 1
497, Приложение 5, §1
14 14,25-14,5
14,25-14,5
28, 7, 3,5
20
746, Приложение 6
746, Приложение 7
15 14,4-15,35
14,4-15.35
28, 14, 7, 2,5
2,5 (образец)
636
636, Приложение 1
18 17,7-19,7
17,7-21,2
17,7-19,7
17,7-19,7
220; 110; 55; 27,5
160;
220; 80; 40; 20; 10;
6,5; 110; 13,75; 20
595
595, Приложение 1
595, Приложение 2
595, Приложение 3
23 21,2-23,6
21,2-23,6
21,2-23,6
21,2-23,6
21,2-23,6
3,5; 2,5 (образцы)
112 до 3,5
28; 3,5
28; 14; 7; 3,5
50
637
637, Приложение 1
637, Приложение 2
637, Приложение 3
637, Приложение 4

Резервирование. Одним из основных методов надежности радиорелейных линий связи является резервирование. На практике чаще применяют следующие варианты резервирования: постанционное, когда на каждой станции для каждого ствола устанавливают основной и резервный приемопередатчики (работающие параллельно или с переключением), и поучастковое, когда для одного или нескольких основных стволов в пределах одного участка (например, от УРС до УPC) предусматривают оборудование резервного ствола).

Принцип автоматического постанционного резервирования реализуется в ВЧ тракте системы «Восход», где применяется параллельная работа двух передатчиков (на одинаковых частотах) и двух приемников. Для защиты от замираний сигналов приемники подключают к разным антеннам, установленным на одной мачте с разнесением по высоте. Очевидно, объем резервного оборудования в данном случае велик.

На рис.8.22 представлена упрощенная структурная схема, поясня­ющая принцип действия системы поучасткового резервирования в одном направлении связи. Рассматривается вариант, когда на два рабочих ствола приходится один резервный (система 2+1). Приемопередающая аппаратура всех трех стволов постоянно находится во включенном состоянии (используется нагруженный резерв), но путь информационных сигналов меняется в зависимости от технического состояния стволов.

В условиях, не требующих резервирования, сигналы ПЧ на частоте 70 МГц от оконечной стойки ОС поступают на передатчики П1 и П2, выделяются приемниками Пр1 и Пр2 в конце участка резервирования и через переключатели П2 и П3 направляются к ОС приемной стороны. Заметим, что в состав всех приемников в системах «КУРС» входят так называемые замещающие генераторы (ГЗ), сигналы которых (колебания на частоте 70 МГц, модулированные по фазе сигналом неисправности с частотой 8,75 МГц) подаются на выход Пр всякий раз, когда ЧМ сигнал на входе Пр пропадает или его уровень падает ниже определенного (порогового) значения. Устройства контроля состояния стволов УКСС, подключенные к выходам Пр в конце участка резервирования, фиксируют пропадание несущей ПЧ 70 МГц, включение ГЗ и превышение нормального уровня  шумов  в  измерительном  канале  в  верхней  части  группового спектра.  Если  хотя  бы  один  из  этих  признаков  нарушения  связи  обнаруживается  на  выходе  рабочего  ствола,  то  в  устройстве  управления УУ,  соединенном  с  УКСС,  формируется  аварийный  сигнал  АС,  который  по  каналу  системы  резервирования  (СР)  передается  в  начало участка  резервирования  и  посредством переключателя  П1  коммутирует сигнал  ПЧ  отказавшего  рабочего  ствола на вход резервного передатчика П3. При нормальном прохождении информационного сигнала по резервному стволу УКСС, соединенный с Пр3, выдает на УУ «разрешение» на изменение  состояния соответственно П2 или П3. В результате этого Пр3 оказывается соединенным с ОС приемной стороны, на чем и завершается переход с рабочего ствола на резервный.

Максимальное время переключения (длительность перерыва связи) составляет 7 мс. После восстановления рабочего ствола вся система возвращается в исходное состояние.

В случае одновременного отказа двух и более стволов преимущество в резервировании обычно предоставляется ТВ стволу с первой программой. На приемной стороне участка резервирования УКСС и УУ различают две степени неисправности стволов – аварию слабую (ухудшение качества) и сильную (полное прекращение связи). Если резерва не хватает, предпочтение в резервировании отдается стволу с сильной аварией. В случае аварии равной степени резерв занимает первый из отказавших стволов. При необходимости управление резервированием может выполняться оператором. Аналогично организуется резервирование в обратном направлении связи. Кратность резервирования в поучастковой системе может быть существенно меньше единицы.


Рис. 8.22. Упрощенная структурная схема системы поучасткового резервирования

Многоствольные РРЛ. Пропускная способность РРЛ может быть в несколько раз увеличена за счет образования новых стволов. Для этого на станциях, как указывалось выше, устанавливают дополнительные комплекты приемопередающего оборудования, с помощью которых создаются новые высокочастотные тракты. Для сигналов разных стволов используются различные несущие частоты. Вся система многоствольной РРЛ организуется таким образом, чтобы все стволы работали независимо один от другого, а с другой стороны, были взаимозаменяемыми. Такой принцип, как будет показано ниже, позволяет обеспечить необходимую верность передачи сообщений в каждом стволе и повышает надежность работы всей линии в целом. В то же время повышение пропускной способности РРЛ за счет многоствольной работы не приводит к пропорциональному росту стоимости линии, так как многие высоконадежные компоненты линии (антенны, станционные сооружения, опоры для подвеса антенн, источники электроснабжения и т.п.) являются общими для всех стволов.

В качестве примера, поясняющего принцип организации многоствольной работы, рассмотрим вариант РРЛ из трех дуплексных стволов. На рис.8.23 представлена упрощенная структурная схема основного оборудования трех станций этой линии: ОРС, ПРС и УРС. Схема содержит: передатчики (П); приемники (Пр); оконечные устройства (ОУ), включающие модемы, усилители и другие элементы, осуществляющие преобразование групповых телефонных сообщений (ТФ) или компонентов сигналов телевизионного и звукового вещания (ТВ, 3В) в сигналы линейного тракта, а также обратное преобразование; системы полосовых фильтров (ПФ), каждый из которых имеет полосу прозрачности, соответствующую одному стволу при односторонней связи; в режиме передачи ПФ обеспечивает необходимую развязку передатчиков (у этих систем ПФ указан первый индекс 1, т.е. они обозначены ПФ11, ПФ12, ПФ13; изменение вторых индексов отражает смену частот приема и передачи в соответствии с двухчастотным планом); в режиме приема системы ПФ являются разделительными фильтрами: из суммарного ВЧ сигнала каждый полосовой фильтр системы выделяет сигнал одного ствола и направляет его в соответствующий приемник (у этих систем ПФ указан первый индекс 2, т.е. они обозначены ПФ21, ПФ22, ПФ24; развязывающие устройства (РУ), задачей которых является дополнительное уменьшение взаимовлияния трактов передачи и приема: ряд элементов этих трактов, таких, например, как фидеры и антенны (А), как правило, являются общими.

Аппаратура ввода - вывода сигналов (ABB) обеспечивает решение специфических для УРС задач – разветвления и объединения информационных потоков.

В качестве примера использования схемы рассмотрим на рис.8.23 передачу группового телефонного сообщения (ТФ) в одном направ­лении связи. Это сообщение формируется в аппаратуре объединения каналов (АОК) и по соединительной линии поступает на ОРС. С помощью ОУ и П сигнал ТФ преобразуется в ВЧ сигнал требуемой мощности, который через один из полосовых фильтров системы ПФ11 и РУ поступает в антенну А и излучается в направлении ПРС. Здесь сигнал данного ствола проходит последовательно через элементы А, РУ, один из полосовых фильтров системы ПФ12 и поступает в соответствующий приемник (Пр). После усиления и преобразования частоты сигнал с выхода соответствующего передатчика (П) через один из полосовых фильтров системы ПФ12, РУ и А поступает в направлении УРС. Приемный тракт УРС включает в себя элементы А, РУ, ПФ22 и группу приемников. С помощью одного из Пр и ОУ ВЧ сигнал данного ствола может быть преобразован в сигнал ТФ и направлен в ABB. Здесь односторонние ТФ каналы могут быть распределены по группам, одна из которых, например, может быть направлена на ближайшую МТС, другие же могут войти в состав новых ТФ стволов и направлены по разным радиоканалам. Кроме того, возможна и транзитная передача через УРС полного сигнала организованного на ОРС ствола в том или ином направлении связи. В этом случае сигналы с Пр на П могут идти в обход ОУ и ABB.

Полоса частотно-модулированного сигнала. Чтобы определить необходимую полосу ВЧ тракта Δfчм надо воспользоваться формулой Карсона, которая в случае модуляции нормальным случайным процессом преобразуется к виду:

Δfчм = 2 (Fв + 3,16 Δfэ),

где: Fв – верхняя частота группового сигнала, поступающего на частотный модулятор; Δfэ – эффективная девиация частоты на выходе частотного модулятора.

При передаче многоканального телефонного сообщения эффективная девиация частоты на выходе частотного модулятора зависит от девиации частоты на канал Δfк и количества каналов N:

Δfэ = 0,1778 Δfк.

Согласно рекомендациям МСЭ-Р при N = 600 Δfк = 200 кГц, при N = 1920 Δfк = 140 кГц. Если учесть, что при N = 600 Fв = 2,540 МГц, то Δfчм = 12,3 МГц. А при N = 1920 Fв = 8,524 МГц, то Δfчм = 26 МГц.

При передаче по РРЛ телевизионного сигнала размах девиации частоты на выходе частотного модулятора должен составлять 8МГц. С учетом того, что для ТВ сигнала Fв = 6 МГц, полоса частотно-модулированного сигнала:

Δfчм = 2 Fв + Δfр = 20 МГц.

Рис. 8.23. Упрощенная структурная схема РРЛ их трех дуплексных стволов

Цифровые РРЛ. Структурные схемы оконечных и узловых станций цифровых РРЛ отличаются от структурных схем аналогичных станций аналоговых РРЛ только оконечным оборудованием. На промежуточных станциях цифровых РРЛ осуществляется регенерация сигнала, поэтому в ее структурной схеме, в отличие от ПРС аналоговой РРЛ (рис.8.11), будут включены демодулятор, регенератор и модулятор.

Фазовая модуляция. В настоящее время разработано несколько вариантов двухпозиционной (бинарной) и многопозиционной ФМ. Наиболее простой является бинарная ФМ, когда фаза несущей сдвигается на 0 или 180° при изменении полярности двоичных символов. Точный эталон фазы, требуемый для когерентного детектирования в фазовом детекторе (ФД), получают путем нелинейного преобразования входного фазомодулированного сигнала (рис. 8.24, а). Удвоение частоты сигнала, модулированного по фазе на 180°, приводит в этой схеме к устранению модуляции. Это позволяет включить после умножителя узкополосный фильтр для ослабления помех. Затем путем деления частоты на два получаем исходное колебание без модуляции фазы и с меньшим уровнем помех.

Однако фаза опорного напряжения, получаемого таким путем, неоднозначна, а может принимать одно из двух значений сдвинутых на 180°. Кроме того, под действием помех возможны также скачки фазы опорного напряжения на 180°, что приводит к изменению полярностей посылок на выходе ФД на обратные, т. е. к так называемой «обратной работе».

Для устранения этого недостатка ФМ используется так называемое относительное кодирование и получается относительная фазовая модуляция (ОФМ). При ОФМ информация передается путем изменения фазы несущей в зависимости от передаваемого символа, например при передаче «–1» фаза несущей не изменяется, а при передаче «1» – скачком меняется на 180°. Поскольку при таком кодировании ошибка в принятии решения по текущему двоичному символу будет вызывать ошибку и в последующем символе, то вероятность ошибочного приема при ОФМ несколько выше, чем при ФМ. При ОФМ иногда используется автокорреляционный метод приема, при котором в фазовом детекторе (ФД) производится сравнение фаз двух соседних посылок (рис. 8.24,б).



Рис. 8.24. Структурные схемы детекторов ФМ сигналов


Рис. 8.25. Структурная схема модулятора ДОФМ (а) и диаграммы его работы (б, в)

Помимо двоичной ФМ для увеличения пропускной способности систем в отведенной полосе частот используется многопозиционная ФМ. Четырехпозиционная (двукратная) ФМ (ДФМ) предполагает передачу двух двоичных символов одновременно. На рис.8.25, а представлена структурная схема модулятора ДОФМ. Преобразователь кода (ПрК) преобразует входной ИКМ сигнал в два параллельных сигнала I и II (рис.8.25, б), каждый из которых модулирует по фазе на 180° синфазную (СИНФ) и квадратурную (KB) составляющие (см. рис.8.25, в) в результате сложения получается сигнал с ДОФМ.

Векторная диаграмма образования сигнала с ДОФМ приведена на рис. 8.25, в. Так, при передаче и в синфазном, и в квадратурном каналах символов «+1» суммарный сигнал сдвигается на 45° относительно синфазной и квадратурной составляющих.

В демодуляторе сигнала с ДОФМ (рис.8.26) для снятия модуляции используется учетверение частоты входного сигнала. После узкополосной фильтрации производится деление частоты, и полученный сигнал поворачивается на 45° для получения синфазной составляющей опорного сигнала (см. рис. 8.25, в), а квадратурная составляющая опорного сигнала получается путем дополнительного 90°-го сдвига синфазной составляющей (см. рис.8.26).

Для уменьшения занимаемой полосы частот используется также усовершенствованный вариант ДФМ, который получил название ДФМ со сдвигом (ДФМС), при котором канал II системы ДФМ (см. рис.8.25, б) сдвигается на Т секунд относительно канала I. Правила манипуляции фаз в каналах выбираются такими, чтобы при их сложении максимальный скачок фазы не превысил 90°, тогда как при ДФМ возможны скачки на 90 и 180°. При ДФМС фазовые сдвиги могут происходить каждые Т секунд, а не 2Т, как при ДФМ. Отсутствие резких скачков фазы обусловливает несколько меньшую ширину энергетического спектра ДФМС по сравнению с ДФМ.


Рис. 8.26. Структурная схема демодулятора ДОФМ

Все возрастающие требования к сокращению полосы частот, занимаемой высокоскоростными цифровыми сигналами, привели к использованию  многократных  способов  амплитудно-фазовой  модуляции (АФМ), которая предполагает амплитудную модуляцию синфазной и квадратурной составляющих. Если для модуляции как в синфазном, так и в квадратурном каналах испол­зуются четырехуровневые сигналы u(t) = ± 1; ±3, то при этом получается 16-кратная КАФМ, которую можно представить в фазово-амплитудном пространстве в виде рис.8.27, где точками показаны положения концов вектора сигнала А, при различных значениях амплитуд.

Сравнение различных способов модуляции. В табл. 8.2 приведены требуемые  значения h0 для рош = 10-4 при различных видах модуляции.

 Значение h0 = 10lg (Рсш) определено для идеального приемника. В реальном приемнике искажения АЧХ и ФЧХ трактов передачи и приема сигналов, нестабильность фазы опорного генератора, порогового напряжения и момента принятия решения в регенераторе при высоких скоростях передачи информации могут привести к существенному снижению помехоустойчивости приема. Влияние на помехоустойчивость приема оказывает и канал передачи. С учетом всех перечисленных факторов, влияющих на величину энергетического проигрыша Δh, его значения обычно задаются в пределах 1,5 ... 4 дБ.

Здесь же приводятся значения спектральной эффективности g = B /Δfпр различных методов модуляции. Из таблицы следует, что квадратурная AM, MMC, ДФМ, ДФМС имеют одинаковое значение h0, так как они отличаются только способом обработки сигналов в квадратурном и синфазном каналах. При переходе к 8- и 16-позиционной ФМ происходит резкое снижение помехоустойчивости, что ограничивает применение этих видов модуляции. Предпочтительнее применение многопозиционной АФМ, так как, например, при 16-позиционной КАФМ требуется h0 почти на 4 дБ меньше, чем при 16-позиционной ФМ.

Полоса частот радиоствола. Для экономичного использования спектра радиочастот необходимо ограничить ширину полосы пропускания ствола радиорелейной линии. Ограничение спектра модулированных ВЧ сигналов до входа детектора приемника неизбежно приводит к возникновению переходных процессов, затягивающих нарастание и окончание каждого символа. Эти переходные процессы являются источником так называемых межсимвольных помех и приводят к увеличению вероятности ошибок, так как ухудшают условия работы решающих устройств, установленных на выходах приемников. Это увеличение рош зависит от отношения сигнал-шум на входе приемника, степени ограничения полосы пропускания ВЧ тракта, формы импульсов и от нелинейности фазовой характеристики в пределах заданной полосы пропускания. Для уменьшения влияния нелинейности фазовой характеристики на уровень межсимвольных помех ее необходимо тщательно корректировать с помощью соответствующих фазовыравнивателей. Из теоретических расчетов, подтвержденных результатами экспериментальных исследований, следует, что оптимальная ширина полосы ствола при передаче цифровых сигналов по РРЛ:

Δfств (1,1 …1,5) Δfоп × кМ,

где Δfоп – ширина полосы, численно равная скорости передачи цифрового сигнала В; кМ = 1 / log2М – коэффициент, учитывающий изменение полосы частот, занимаемой стволом, при использовании М-позиционной модуляции, М = 2, 4, 8, 16, 32, ...

Сужение полосы пропускания ВЧ тракта ниже этой величины вызывает сильное увеличение межсимвольных помех, расширение полосы – увеличение мощности тепловых шумов в более широкой полосе, и то и другое приводит к увеличению вероятности ошибочного приема.

 

Таблица 8.2. Сравнение различных видов модуляции
Метод модуляции Разновидности метода h0, дБ g, бит/(Гц•с) h0 + Δh, дБ
АМ АМ когерентное детектирование 14,4 0,8 - 1,7 15,5 - 12,5
АМ детектирование огибающей 14,9
Квадратурная АМ 11,4
ЧМ ЧМ (m=1) 12,5 0,8 14,8
ЧМНФ (m=0,7) 9,2 1,0 10,7
ММС (m=0,5) 11,4 1,9 12,4 
ММС относительное кодирование (m=0,5) 12,4 1,9 13,4
ФМ ФМ (2-позиционная ФМ) 8,4 0,8 9,4
ОФМ 8,9 0,8 9,9
ОФМСФ 9,3 0,8  10,6
ДФМ (4-позиционная ФМ) 11,4 1,9 12,9
ДОФМ 13,7 1,8 14,8
ДФМС 11,4 1,9 12,4
8-позиционная ФМ 16,2 2,8  17,2 
16-позиционная ФМ 22,2 2,9 23,2
КАФМ 16-позиционная КАФМ 18,4 3,9 19,4

Межсимвольные помехи. Для передачи сигналов, модулированных прямоугольными импульсами, теоретически требуется бесконечная полоса пропускания радиоствола. С целью уменьшения помех соседним стволам практически во всех системах передачи осуществляется фильтрация сигналов. При достаточно узкой полосе фильтров это приводит к искажению формы сигнала и является причиной возникновения межсимвольных помех МСП.

Межсимвольные переходные помехи возникают не только из-за ограничения полосы пропускания фильтров на приеме и передаче, а также из-за нестабильности: фазы опорного генератора в демодуляторе; величины порогового напряжения  и момента принятия решения о принятом символе в регенераторе.

Для уменьшения межсимвольных помех, вызванных ограничением полосы и многолучевостью принимаемого сигнала, на приемной стороне часто используют адаптивные трансверсальные эквалайзеры, которые определяют величину межсимвольной помехи и производят ее компенсацию.

Селективные замирания. Характеристики цифровых радиорелейных линий прямой видимости могут быть серьезно ухудшены селективными замираниями из-за амплитудных и фазовых искажений в полосе сигнала. Эти многолучевые (или селективные) замирания могут появиться в результате отражений от поверхности или аномалий в атмосфере, например, большого градиента в атмосферном волноводе.

При неизменной во времени горизонтально расслоенной атмосфере вертикальный градиент преломления в атмосфере вызывает появление нескольких путей распространения сигнала между приемником и передатчиком на линии прямой видимости, как показано на рис.8.28, а. На рис.8.28, б представлен импульсный отклик радиолинии при многолучевом распространении, представленном на рис.8.28, а. Этот импульсный отклик при многолучевом распространении показывает, что приемник примет несколько импульсов на каждый переданный импульс. На рисунках представлен лишь упрощенный случай двух лучей.

Если обозначить через t относительное время задержки между двумя путями распространения радиоволн, представленными на рис.8.28, а, то относительная фаза между двумя сигналами будет равна

Δφi = Δ φ0i + 2πΔ Ri / λ = Δφ0i + 2π f τi,

где τi = Δ Ri / C  - запаздывание сигнала, приходящего по i – му лучу;  Δ Ri - разность хода прямого и i – го луча; Δ φ0i- составляющая разности фаз рассматриваемых сигналов, не зависящая от разности хода лучей Δ Ri (например, фазовый сдвиг на 180° при отражении от земной поверхности).

Из приведенного уравнения следует, что относительная фаза между двумя сигналами является функцией частоты f. Амплитуда и фаза принятого сигнала изменяются с частотой, что показывает передаточная функция радиолинии, представленная на рисунке 8.28, в. Такое изменение передаточной функции радиолинии в зависимости от частоты называется селективным замиранием.

На рисунке 8.28, а представлена двух лучевая модель распространения радиоволн на пролете. Передаточная функция тракта распространения, включающего прямой луч с коэффициентом передачи r1 и временем распространения t1 и отраженный от слоистой неоднородности тропосферы луч с коэффициентом передачи r2 и временем распространения t2.

Амплитудно-частотная характеристика тракта распространения равна:

.

Амплитудно-частотная характеристика двух лучевого канала распространения радиоволн приведена на рисунке 8.28, в.

Из рисунка 8.28, в следует, что при определенных значениях ωτ могут возникать изменения сигнала. При сложении лучей, когда они приходят в приемную антенну в фазе ωτ = (2n + 1) π, амплитуда принятого сигнала максимальна и равна (1 + r). Когда лучи приходят в приемную антенну в противофазе ωτ = 2n π, тогда амплитуда сигнала минимальна из-за вычитания лучей и равна (1 - r). Так как величина t изменяется из-за рефракции радиоволн и из-за изменения местоположения отражающего слоя, то и моменты появления замираний сигнала будут изменять свое местоположение на оси частот.

Многолучевое распространение приводит к появлению селективных замираний как по частоте, так и по пространству. Для уменьшения влияния селективных замираний на качество работы систем радиосвязи в них используют разнесенный прием. Различают пространственно-разнесенный прием ПРП и частотно-разнесенный прием ЧРП. Для получения выигрыша от разнесенного приема необходимо обеспечить независимые замирания в разнесенных ветвях.

При ПРП прием производится на две разнесенные в пространстве антенны, и независимость замираний в них обеспечивается, если разнос между ними Δh ≥ 150 λ.

При ЧРП прием производится с использованием резервного ствола, а независимость замираний в рабочем и резервном стволах обеспечивается, если разнос между ними Δf /f0 ≥ 10-2.

8.3. Системы спутниковой связи

8.3.1. Принципы построения спутниковых систем связи

Основная идея создания систем спутниковой связи проста: промежуточный ретранслятор системы связи размещается на искусственном спутнике Земли (ИСЗ). Спутник движется по достаточно высокой орбите длительное время без затрат энергии на это движение. Энергоснабжение бортового ретранслятора и других систем спутника осуществляется от солнечных батарей, работающих почти все время под лучами ничем не затемненного Солнца.

Трех ИСЗ может быть достаточно для создания почти глобальной системы связи. В то же время современные технические средства позволяют сформировать достаточно узкий луч, чтобы при необходимости сконцентрировать энергию передатчика ИСЗ на ограниченной площади, например на территории небольшого государства. Это создает возможность эффективно использовать ИСЗ также и для обслуживания небольших зон. Следует отметить, что трасса радиолуча между ИСЗ и земной станцией (ЗС) проходит обычно под значительными углами к земной поверхности, что уменьшает влияние затенения и шумового излучения Земли на прием сигналов земными станциями

Космическая радиосвязь – радиосвязь, при которой используют космические станции, расположенные на ИСЗ или других космических объектах.

Космическая станция (КС) – станция, расположенная на объекте, который находится за пределами основной части атмосферы Земли (либо находился там, либо предназначен для вывода), например на ИСЗ.

Земная станция (ЗС) – станция радиосвязи, расположенная на земной поверхности (или в основной части земной атмосферы) и предназначенная для связи с космическими станциями либо с другими земными станциями через космические станции или другие космические объекты, например пассивные (отражательные) ИСЗ.

Спутниковая связь – связь между земными станциями через космические станции или пассивные ИСЗ. Таким образом, спутниковая связь – частный случай космической радиосвязи.

Спутниковая линия – линия связи между земными станциями с помощью одного ИСЗ, на каждом направлении включает в себя участок Земля – спутник (рис.8.28) («линия вверх») и участок спутник – Земля («линия вниз»).

Земные станции соединяются с узлами коммутации сети связи (например, с междугородной телефонной станцией – МТС), с источниками и потребителями программ телевидения, звукового вещания с помощью наземных соединительных линий либо устанавливаются непосредственно на МТС, телецентре и тому подобных источниках и потребителях информации.

Спутниковое вещание – передача радиовещательных программ (телевизионных и звуковых) от передающих земных станций к приемным через космическую станцию – активный ретранслятор. Таким образом, спутниковое вещание – это частный случай спутниковой связи, отличающийся передачей определенного класса односторонних (симплексных) сообщений, принимаемых одновременно несколькими ЗС либо большим числом приемных станций (циркулярная передача).

В зависимости от типа земных станций и назначения системы различают следующие службы радиосвязи:

§       фиксированная спутниковая служба (ФСС) – служба радиосвязи между ЗС, расположенными в определенных, фиксированных пунктах, при использовании одного или нескольких спутников; к фиксированной спутниковой службе относят также фидерные линии (линии подачи программ на космическую станцию) для других служб космической радиосвязи, например для радиовещательной спутниковой или спутниковой подвижной служб;

§       подвижная спутниковая служба (ПСС) – между подвижными ЗС (или между подвижными и фиксированными ЗС) с участием одной или нескольких космических станций (в зависимости от места установки подвижной ЗС различают сухопутную, морскую, воздушную подвижные спутниковые службы);

§       радиовещательная спутниковая служба (РСС) – служба радиосвязи, в которой сигналы космических станций предназначены для непосредственного приема населением. При этом непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием; в последнем случае программа вещания доставляется индивидуальным абонентам с помощью той или иной наземной системы распределения – кабельной или эфирной – передатчиком небольшой мощности.

8.3.2. Орбиты связных искусственных спутников земли.

По типам используемых орбит ИСЗ ССС классифицируются следующим образом:

§        Высокоорбитальные, или геостационарные (GEO – Geostationary Earth Orbit) – с круговыми экваториальными орбитами высотой около 40 тыс. км; при этом период обращения спутника вокруг Земли равен 24 часа, то есть спутник оказывается неподвижным относительно Земли;

§        Среднеорбитальные (MEO – Medium Earth Orbit) – с круговыми орбитами высотой порядка 10 тыс. км;

§        Низкоорбитальные (LEO – Low Earth Orbit) – с круговыми орбитами высотой 700…2000 км;

§        Высокоэллиптические (HEO – Highly Earth Orbit) с вытянутыми эллиптическими орбитами, имеющими радиус перигея порядка тысячи километров и радиус апогея порядка одного или нескольких десятков тысяч километров.

Траектория движения ИСЗ называется его орбитой. Если считать Землю строго сферической, а действие гравитационного поля Земли – единственной силой, воздействующей на спутник, то движение спутника подчиняется законам Кеплера. Оно происходит в неподвижной (в абсолютном пространстве) плоскости, проходящей через центр Земли – плоскости орбиты, орбита имеет форму эллипса (или окружности – частного случая эллипса). При этом полная механическая энергия спутника (кинетическая и потенциальная) остается неизменной, вследствие чего при удалении спутника от Земли скорость его движения уменьшается.

Уравнение эллиптической орбиты ИСЗ в полярной системе координат:

,           (8.1)

где r – модуль радиус-вектора (расстояние от ИСЗ до центра Земли); η – угловая координата радиус-вектора; е – эксцентриситет орбиты; р – фокальный параметр.

Если е = 0, то уравнение описывает круговую орбиту, при 0<e<1 – эллиптическую.

В случае эллиптической орбиты точкой перигея называют точку орбиты, соответствующую наименьшему значению радиус-вектора r = rn, точкой апогея – точку, соответствующую наибольшему значению r = ra (рис.8.29). Земля находится в одном из фокусов эллипса. Входящие в выражение (8.1) величины связаны соотношениями:

,

где a и b – большая и малая полуоси эллипса,

 


Рис. 8.29. Эллиптическая орбита

Расстояние между фокусами и центром эллипса составляет ae, то есть пропорционально эксцентриситету.

Высота спутника над поверхностью Земли:

h = r - R,

где R – радиус Земли.

Линия пересечения плоскости орбиты с плоскостью экватора называется линией узлов.

Угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора называется наклонением орбиты. По наклонению различают экваториальные, полярные и наклонные орбиты.

Период обращения – время между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки орбиты.

При проектировании ССС необходимо знать соотношения, определяющие взаимное расположение ЗС и ИСЗ. Для правильной ориентации антенн ЗС при заданных географической широте ψ и долготе λ ЗС и ИСЗ требуется определить угол места γ и азимут αs антенны ЗС в направлении на спутник (рис.8.30). Угол места – угол между касательной к земной поверхности в точке расположения ЗС и прямой, соединяющей ЗС и ИСЗ. Азимут – угол, отсчитываемый в горизонтальной плоскости по часовой стрелке от направления на северный полюс в сторону заданного направления.

При этом угол места равен

,

где  .

Наклонная дальность – расстояние от ЗС до спутника:

.

 


Рис. 8.30. Геометрические соотношения между координатами ИСЗ и ЗС

Геостационарная орбита (ГО) – это круговая, экваториальная (наклонение 0°), синхронная орбита с периодом обращения 24 часа с движением ИСЗ в восточном направлении. Геостационарный ИСЗ оказывается неподвижным относительно земной поверхности, он располагается над экватором на высоте 35875 км, с некоторой неизменной долготой λ подспутниковой точки.

Достоинства геостационарных ИСЗ:

§        Связь осуществляется непрерывно круглосуточно, без переходов с одного (заходящего) ИСЗ на другой (как при эллиптической орбите);

§        На антеннах ЗС могут быть упрощены или даже исключены системы автоматического сопровождения ИСЗ, механизм перемещения антенны может быть облегчен, упрощен, сделан более экономичным;

§         Достигается более стабильное значение ослабления сигнала на трассе между ЗС и ИСЗ;

§        Отсутствует (или становится весьма малым) частотный сдвиг, обусловленный эффектом Доплера;

§        Зона видимости геостационарного ИСЗ – около трети земной поверхности;

§        Трех геостационарных ИСЗ достаточно для создания глобальной системы связи.

Геостационарная орбита уникальна – ни при каком другом сочетании параметров нельзя добиться неподвижности свободно движущегося ИСЗ относительно земного наблюдателя. Благодаря своим преимуществам ГО широко используется спутниками связи и на многих участках в наиболее удобных полосах частот насыщена до предела.

Однако вблизи полюса геостационарный ИСЗ виден под малыми углами места, что приводит к затенению спутника местными предметами, увеличивают шумы антенной системы ЗС, создаваемые из-за большого пути радиосигнала через атмосферу.

Для геостационарного ИСЗ с учетом того, что φсп = 0, x0 = 0,15 можно записать:

;

;

.

8.3.3. Оборудование земной станции

Оборудование наружной установки (рис.8.31) состоит из трех компактных влагонепроницаемых блоков: усилителя мощности (УМ), преобразователя частоты (ПрЧ), малошумящего усилителя (МШУ). ПФ – полосовые фильтры, служат для формирования полосы пропускания. АС – антенная система.

Приемный блок обычно располагается непосредственно на облучателе антенны с целью уменьшения потерь в приемном СВЧ тракте до МШУ. Передающая часть монтируется на конструкциях антенной системы, подключается к передающей СВЧ части и соединяется с внутренним блоком (IDU) коаксиальным соединителем, по которому передаются сигналы ПЧ приема и передачи, электропитания наружного устройства постоянным током, сигналы контроля и управления блоком ODU. Внешняя оболочка оборудования выполняет функции пассивного радиатора. В условиях низких температур окружающей среды применяется дополнительный обогреватель. Основные технические характеристики блока наружной установки для приемной и передающей части приведены в таблицах 8.3 и 8.4 соответственно.


Рис. 8.31. Структурная схема блока наружной установки (ODU)

Технические характеристики оборудования наружной установки (ODU):

Таблица 8.3. Передающая часть
Входная частота 180 + 20 МГц
Выходная частота 5,925 – 6,425 МГц
Уровень входного сигнала (–5) – (–40) дБВт
Входное сопротивление 50 Ом, unbalanced
Выходная мощность в насыщении 22 Вт
Выходная максимальная рабочая мощность +43 дБВт (+0,5 дБ, -1,5 дБ)
Регулировка выходной мощности 0 - -14 дБ с шагом 0,5 дБ
Стабильность уровня +1,5 дБ

Таблица 8.4. Приемная часть
Входная частота 3,7 – 4,2 ГГц
Выходная частота 1135 + 20 MГц
Выходное сопротивление 50 Oм, unbalanced
Усиление 72 дБ
Шумовая температура < 60°K для t°C = 25°

Блок внутренней установки (IDU).

Для телефонной сети VSAT в составе IDU находится речевой кодек, обеспечивающий преобразование аналогового сигнала в цифровую форму, контроллер АПКТ и модем (рис.8.32). IDU обеспечивает интерфейс с ODU по промежуточной частоте, питанию, дистанционному контролю и управлению и аналоговый интерфейс с необходимыми типами оконечного оборудования пользователя для передачи речевой информации, сигналов факса или телекса.

На рисунке 8.32 АПКТ – аппаратура предоставления каналов по требованию, УАТС – учрежденческая АТС.



Рис. 8.32. Структурная схема блока IDU для телефонной сети VSAT

Для преобразования аналогового телефонного сигнала в цифровую форму чаще всего используется адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ) со скоростью 32 кбит/с. Отличие АДИКМ от ИКМ, в которой кодируются отсчеты, заключается в том, что кодируется приращение отсчета по отношению к предыдущему отсчету. Помимо речевой информации в цифровую форму преобразуется и служебные сигналы сигнализации, передаваемые по абонентскому телефонному интерфейсу при установлении соединения.

IDU сети VSAT для передачи данных (рис.8.33) оборудован цифровым модемом и устройством цифрового интерфейса с оконечным оборудованием передачи данных, которое используется потребителем. Функции реализации протоколов ввода-вывода сигналов данных, поступающих на вход IDU, сосредоточены в процессоре обработки данных. Устройство интерфейса обеспечивает электрическую и физическую связь между станцией VSAT и оконечной аппаратурой передачи данных.


Рис. 8.33. Структурная схема блока IDU сети VSAT для передачи данных

Блок внутренней установки состоит из: основного БВУ и дополнительного БВУ. Полностью укомплектованный терминал VSAT состоит из одного основного БВУ и двух дополнительных БВУ. Основной БВУ содержит четыре канальных платы и одну плату ОКС, а каждый из двух дополнительных БВУ комплектуется пятью канальными платами. Таким образом, общее количество канальных плат достигает четырнадцати штук, пятнадцатая плата – плата ОКС. БВУ имеет жидкокристаллический дисплей и панель управления, с помощью которой вводятся параметры, контролируется состояние и может осуществляться управление режимами доступа данного VSAT. Канальная плата состоит из модулятора, демодулятора и процессора порта, который, в свою очередь, состоит из вторичного DAMA контроллера и интерфейса пользователя.

8.3.4. Характеристики бортового ретранслятора, диаграмма уровней спутниковой линии связи

В настоящее время находятся в эксплуатации три типа геостационарных ИСЗ, используемых для организации спутниковой связи, их параметры приведены в таблице 8.5

Таблица 8.5. Основные характеристики спутников
Название Экспресс Экспресс-А Экспресс-АМ
Назначение Телерадиовещание, телефония, передача данных, доступ к сети Интернет, видеоконференцсвязь.
Орбита Геостационарная
Масса 2500 кг 2500 кг 2600 кг
Точность удержания на орбите (в направлении север-юг / запад-восток) 0,2° ±0,05° ±0,05°
Срок активного существования 5…7 лет 7 лет 12 лет
Количество спутниковых стволов 10 До 70 До 110
Диапазоны частот, ГГц С – 3,4…5,25
5,725…7,025
Кu – 10,7…12,75
12,75…14,8
С – 3,4…5,25
5,725…7,025
Кu – 10,7…12,75
12,75…14,8
С – 3,4…5,25
5,725…7,025
Кu – 10,7…12,75
12,75…14,8
L – 1,452…1,55
1,61…1,71
Полоса пропускания, МГц 34 36 40; 54; 0,5
Мощность источников питания спутника, Вт 2400 3600 6000
Выходная мощность, Вт 20 20…35 20…120

Структурная схема и диаграмма уровней для спутниковой линии связи приведены на рис.8.34.

Для оценки энергетического потенциала передающей станции удобно использовать понятие эквивалентной изотропной излучаемой мощности ЭИИМ в дБВт:

,

где PП – мощность передатчика, Вт,

GП - коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя, дБ,

θП – коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта передающей ЗС от выхода передатчика до облучателя антенны, ед.

Энергетический потенциал приемной станции достаточно полно характеризует добротность приемной станции (в дБ/К):

,

где ТΣ – суммарная эквивалентная шумовая температура приемной станции, приведенная к облучателю антенны, К;

Gпр – коэффициент усиления приемной антенны в заданном направлении относительно изотропного излучателя, дБ.

8.3.5. Многостанционный доступ с частотным разделением (МДЧР)

В этом случае для каждого ствола (т. е. для каждой станции) выделяется определенная несущая частота (f1, f2,..., fn). Разнос между парой соседних несущих выбирается таким, чтобы была исключена возможность взаимного перекрытия спектров при модуляции. Отметим, что наиболее просто МДЧР реализуется в том случае, когда на земных станциях осуществляется частотная модуляция колебаний многоканальным сообщением с частотным разделением телефонных каналов (сокращенно – система ЧРК ЧМ МДЧР). Таким образом, в этой системе на вход ретранслятора поступает сложный сигнал, представляющий собой систему n модулированных по частоте гармонических сигналов, являющихся несущими частотами всех ЗС.

Прохождение такого сложного сигнала через общий бортовой ретранслятор, представляющий собой нелинейное устройство, приводит к следующим нежелательным явлениям: возникновению переходных помех из-за АМ-ФМ  преобразования; подавлению сигналов тех земных станций (т. е. тех стволов), уровень которых на входе ретранслятора по каким-либо причинам (например, вследствие замираний) окажется меньше уровней  сигналов других станций. Это подавление может доходить до 6 дБ. Для устранения этого явления необходимы соответствующий контроль и регулировка уровней сигналов, излучаемых с каждой земной станции. Такая регулировка на каждой земной станции может производиться автоматически сопоставлением принятых с ретранслятора уровней сигналов различных стволов (станций).

Возникновение переходных помех между стволами и снижение выходной мощности ретранслятора из-за нелинейности амплитудной характеристики тех  каскадов ретранслятора,  которые являются общими для всех стволов, принятых с земных станций. Снижение выходной мощности обусловливается появлением продуктов нелинейности, на которые расходуется часть мощности ретранслятора.

Перечисленные явления приводят к тому, что при заданном значении переходных шумов в телефонных каналах с увеличением числа земных станций, т. е. с увеличением числа стволов (несущих), одновременно усиливаемых ретранслятором, приходится снижать число телефонных сообщений, передаваемых на каждой несущей. Отсюда, чем большее число станций входит в систему МДЧР, тем меньшее число телефонных сообщений может быть передано.

8.3.6. Многостанционный доступ с временным  разделением (МДВР)

В данном случае работа земных станций через ретранслятор осуществляется поочередно. Поэтому все станции могут работать на одной несущей частоте и должны иметь общую систему синхронизации, обеспечивающую строго поочередные включения и выключения передатчиков. В течение интервалов времени Т, которые называются кадрами станций, каждая станция излучает колебания несущей частоты, модулированные сообщением, поступающим от аппаратуры разделения; через Тз обозначен защитный интервал времени, предотвращающий одновременное включение двух наземных станций, а через Тц – цикл передачи. Описанный вариант относится к случаю синхронной работы наземных станций. Система синхронизации, которая может осуществляться по пилот-тону, должна учитывать различие расстояний между ИСЗ и отдельными земными станциями.

Обычно системы с МДВР работают с геостационарными ИСЗ, поскольку осуществить синхронизацию при использовании подвижных ИСЗ сложно, так как в этом случае расстояния между ИСЗ и земными станциями будут переменными. В случае МДВР наиболее целесообразным вариантом является использование ИКМ с фазовой модуляцией несущей (сокращенно ИКМ ФМ МДЧР). В течение каждого кадра со станций передаются не только сообщения, идущие по телефонным и служебным каналам связи, но и несколько специальных сигналов. К ним относятся: сигналы синхронизации, вызова и коммутации (СВиК), сигналы адресов (СА) и пилот-сигнал (ПС). Отметим, что СВиК состоит из сигнала синхронизации опорных генераторов при когерентном приеме (СГКП), сигнала цикловой синхронизации (ЦС), сигнала, необходимого в системах с ИКМ для тактовой синхронизации (ТС), и сигналов, обеспечивающих вызов абонентов и коммутацию цепей (ВиК).

Информационная часть кадра составляет около 85 ... 90 % от полной длины кадра.

Следует сказать, что системы с МДВР по сравнению с МДЧР обладают рядом преимуществ:

1) импульсная мощность передающего устройства данной станции не зависит от условий работы других станций и не требует регулировок, так как взаимное подавление сигналов отсутствует;

2)     все земные передающие станции могут работать на одной несущей частоте, а приемные – на другой, что упрощает построение станций;

3)     передатчик ретранслятора работает в режиме максимальной мощности; при этом отсутствуют взаимные помехи между ретранслируемыми сигналами.

К недостаткам систем с МДВР можно отнести сложность системы синхронизации станций и возникновение помех при нарушении синхронизации работы хотя бы одной станции.

Отметим, что система МДВР может быть осуществлена при асинхронной работе земных станций; в этом случае каждая земная станция излучает колебания в интервалы времени, не синхронизированные с другими станциями. При этом различаются станции по временному или частотному признаку кодовых комбинаций.

При асинхронной работе через приемопередающую аппаратуру спутника в некоторые интервалы времени возможно одновременное прохождение колебаний, излучаемых несколькими земными станциями. Приемопередающая аппаратура спутника должна быть рассчитана на это, т. е. по сравнению с синхронным режимом аппаратура должна обладать несколько иными параметрами (например, более мощным передающим устройством), а характеристики бортовой ретрансляционной аппаратуры должны быть такими, чтобы при одновременном усилении колебаний нескольких земных станций переходные помехи между этими колебаниями были малы.

Таким образом, при асинхронной работе оборудование спутника оказывается более сложным, чем при синхронной. Наряду с этим при асинхронной системе при некоторых сочетаниях сигналов различных станций могут появиться ложные сигналы. Однако, несмотря на перечисленные и некоторые другие недостатки, асинхронные системы представляют интерес, так как не требуют жесткой синхронизации работы земных станций.

Сравнение различных видов МД по пропускной способности при заданном значении шумов на выходе каналов и ограниченной мощности ретранслятора показывает, что МДВР имеет явные преимущества перед МДЧР.

При начале работы сети станций первой излучает сигнал синхронизации центральная станция. Обнаружение этого синхросигнала при его приеме через ИСЗ позволяет всем ЗС установить синхронизацию приемной части аппаратуры МДВУ-40. Контроль за состоянием кадровой синхронизации и управление системой резервирования осуществляется с помощью специальных устройств. Так, например, при нарушении синхронизации периферийной станции (ПС) при приеме синхросигнала ЦС приводит к выключению работы ПС и на передачу, поскольку это может привести к помехам другим станциям.

Многостанционный доступ с кодовым разделением сигналов. В настоящее время сигналов, многостанционный доступ с кодовым разделением сигналов CDMA применяется в спутниковых системах подвижной связи, использующих ИСЗ на низких круговых орбитах.

8.3.7. Передача телевизионных сигналов по спутниковым линиям связи

Спутниковые системы распределения телевизионных программ.

На территории России распределение двух общенациональных программ («Первый канал» и «Россия») ведется по зоновому принципу с использованием массовых распределительных систем «Экран» и «Москва», базирующихся на геостационарных спутниках.

Система «Экран», использующая одноименный спутник, работает в диапазоне частот 0,714 ГГц (L диапазон). В диапазоне 0,714 ГГц спутниковое вещание сосуществует с наземным телевизионным вещанием, в связи с чем плотность потока мощности на территории других государств ограничена Регламентом радиосвязи на уровне – 129 дБВт/м2. На территории нашей страны оказалось возможным высвободить необходимое число каналов наземного телевизионного вещания в дециметровом диапазоне (5254 телевизионные каналы) для спутникового вещания. При этом удалось получить простые и достаточно дешевые приемные устройства. Система «Экран» обеспечивает зону обслуживания более 9 млн. км2 и охватывает районы Сибири, Крайнего Севера, частично Дальнего Востока.

Для расширения зоны обслуживания без опасности создания помех наземным службам в 1979 году была введена в эксплуатацию спутниковая система «Москва», работающая в диапазонах частот 6/4 ГГц (С диапазон). В данной системе повышенная до 40 Вт мощность бортового передатчика в сочетании с узконаправленной бортовой передающей антенной обеспечивает максимально допустимое значение эквивалентной изотропно-излучаемой мощности. Особенностью системы «Москва» является то, что для электромагнитной совместимости ее с существующими наземными и спутниковыми средствами было использовано искусственное рассеяние мощности путем дисперсии несущей. Несущая дополнительно отклоняется с частотой 2,5 Гц и девиацией ± 4 МГц. Это позволило соблюсти установленные МСЭ нормы на допустимую спектральную мощность потока (-152 дБВт/м2 в полосе 4 кГц) при высокой интегральной плотности потока мощности у поверхности Земли – 120 дБВт/м2. В зону, обслуживаемую одним ИСЗ, входят два-три часовых пояса, т.е. ее размер выбран с учетом принятых принципов организации многозонового телевизионного и звукового вещания в стране. Приемная параболическая антенна земной станции имеет диаметр зеркала 2,5 м с шириной диаграммы направленности ±1°. В качестве входного устройства стало возможным применять неохлаждаемый параметрический усилитель с температурой шума 100°К. Таким образом, создана распределительная телевизионная система с приемом на сравнительно простые земные станции в диапазоне 4 ГГц, не требующие постоянного квалифицированного обслуживания. В комплект приемной станции «Москва» входит телевизионный ретранслятор мощностью 1, 10 или 100 Вт или устройство для работы на СКТВ. «Москва» является системой прямого распределения телевизионных программ.

С 1988 года работает телевизионная система «Москва-Глобальная», которая позволяет принимать программы отечественного телевидения практически во всех странах мира.

Первоначально в системе «Москва» использовались геостационарные ИСЗ «Горизонт», имеющие всего 8 стволов. В последние годы стали запускаться многоствольные связные ИСЗ нового типа «Экспресс», имеющие различные модификации: «Экспресс-А» (17 стволов), «Экспресс-К-1» (52 ствола), «Экспресс-К-2, (К-3)» (54 ствола).

В рамках обновления российской орбитальной спутниковой группировки гражданского назначения в настоящее время запускаются модернизированные космические аппараты (КА) серии «Экспресс-АМ», емкость каждого из которых составляет не менее 30 стволов. Планируется запуск КА с более высокой пропускной способностью серии «Экспресс-АМУ» емкостью порядка 50…60 транспондеров. Уже выведено на орбиту несколько геостационарных многофункциональных связных ИСЗ нового типа – «Ямал-100», «Ямал-200», имеющих более высокую энерговооруженность. Например, на КА «Ямал-100» действует 10 транспондеров по 36 МГц. В конце 2003 г. запущено два новых КА «Ямал-200». На одном из этих двух спутников функционирует 15 стволов с полосой частот 72 МГц, а на втором – уже 18 таких транспондеров. КА «Ямал-200», в частности, обеспечивают непосредственное телевизионное вещание на приемные антенны диаметром 0,6…0,9 м и распределительные коллективные системы телевидения с приемными антеннами диаметром 1,2…1,6 м. Зона обслуживания простирается практически по территории всей России. Новые спутники отличаются от предыдущих модификаций большим сроком службы (до 15 лет), стабильным положением на геостационарной орбите (точность удержания по долготе в пределах ± (0,05…0,1)°), параметрами стволов, оптимизированными для передачи цифровых телевизионных сигналов. К концу 2005 г. общая емкость российской космической группировки должна составить 260…280 транспондеров.

В настоящее время программы телевизионного вещания составляют более 70% трафика спутниковых систем в мире, а в отдельных системах достигают 100%. К наиболее крупным коммерческим международным системам спутникового вещания относятся Intelsat, Eutelsat, Intersputnik, Arabsat, Asiasat. Среди них бесспорным лидером является международная система Intelsat, орбитальная группировка которой насчитывает более 25 спутников.

Большинство спутниковых систем передачи осуществляют распределение цифровых телевизионных сигналов, т.е. цифровое телевизионное вещание.

Функциональная схема цифровой спутниковой системы НТВ. Радиотелевизионный передающий центр системы НТВ состоит из следующих функциональных устройств: кодеров аудио- и видеоданных, мультиплексора, модулятора, радиопередатчика и передающей спутниковой антенны параболического типа (рис.8.35). Назначение кодеров заключается в формировании транспортных потоков стандарта MPEG-2 и в их помехоустойчивом кодировании. Далее с помощью мультиплексора формируется результирующий транспортный поток данных, который непосредственно подается на вход QPSK-модулятора. Генерируемый с помощью радиопередатчика радиосигнал, несущий информацию об аудио- и видеоданных телевизионных программ, с помощью параболической антенны диаметром в несколько метров (практически до 10 метров) излучается в направлении связного ИСЗ.

1- ИСЗ; 2 – передающая спутниковая антенна; 3 – радиопередатчик; 4 – QPSK-модулятор; 5 – мультиплексор; 6,7 – кодеры; 8,12 – конверторы, сочлененные с поляризаторами; 9,13 – приемные спутниковые антенны; 10 – абонентский спутниковый приемник; 11 – телевизор; 14 – головная станция; 15 – разветвитель на несколько направлений; 16,18 – магистральные усилители; 17,19 – магистральные ответвители; 20,21 – домовая распределительная сеть

Рис. 8.35. Упрощенная функциональная схема цифровой спутниковой системы НТВ

Радиоаппаратура спутникового ретранслятора включает в себя общую антенну зеркального типа, частотно-разделительное устройство, СВЧ приемник, работающий в диапазоне частот, который отведен ФСС и РСС на участке Земля-ИСЗ, радиопередатчик, генерируемый радиосигнал в диапазоне частот 12 ГГц.

Приемная аппаратура в спутниковой системе НТВ может быть двух типов: абонентские устройства и приемные устройства, обеспечивающие коллективный прием спутниковых телевизионных программ.

В состав аппаратуры непосредственного приема спутниковых телевизионных сигналов индивидуального типа входят: антенная система, представляющая собой в большинстве случаев параболическое зеркало с облучателем, устройство дистанционного управления антенной, поляризатор, обеспечивающий выделение радиосигналов с выбранным направлением круговой или линейной поляризации, преобразователь спутниковых радиосигналов (конвертор), спутниковый абонентский приемник, типовой телевизор.

Неотъемлемой частью приемной аппаратуры спутниковых сигналов является позиционер, т.е. устройство дистанционного управления антенной системой. С помощью позиционера абонент имеет возможность перестраивать антенну на различные ИСЗ, находящиеся в разных позициях геостационарной орбиты. Иногда устройство дистанционного управления выполняется программируемым, что дает возможность перестраивать антенну по заранее составленному расписанию.

Обычно антенная система устанавливается в некотором удалении (на расстоянии нескольких десятков метров) от спутникового приемника, располагающегося, как правило, в непосредственной близости от телевизора. В этом случае стандартный антенный телевизионный коаксиальный кабель для передачи радиосигналов в диапазоне 12 ГГц не годится. Уже при передаче на расстоянии около 1 м радиосигнал столь высокой частоты таким кабелем будет полностью рассеян, так как верхняя критическая рабочая частота коаксиального кабеля в несколько десятков раз ниже несущих частот радиосигналов с ИСЗ. Для передачи таких высокочастотных сигналов необходимы специальные волноводы. Практически данная проблема разрешена за счет использования метода понижения несущих частот принимаемых сигналов, т.е. путем применения конверторов. Поэтому выпускаемая промышленностью аппаратура непосредственного приема спутниковых телевизионных сигналов в диапазоне 12 ГГц выполняется по общепринятой схеме с преобразованием частоты и конструктивно состоит из двух устройств: вынесенного (наружного), т.е. конвертора и внутреннего – спутникового приемника.

Наружный блок, выполняющий роль конвертора, укрепляется непосредственно у облучателя параболической антенны. В этом случае принимаемый антенной радиосигнал по отрезку волновода проходит через поляризатор на вход конвертора. В конверторе принятые радиосигналы после преобразования частоты переносятся в диапазон частот промежуточной частоты, усиливаются и передаются по коаксиальному кабелю на вход спутникового приемника.

Выбор промежуточной частоты должен удовлетворять нескольким требованиям:

§       промежуточная частота должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить одновременное пропускание всех радиосигналов спутникового телевизионного вещания;

§       чем выше промежуточная частота, тем легче отфильтровать помехи зеркального канала и подавить обратное излучение гетеродина конвертора;

§        промежуточная частота не должна быть слишком высокой, в противном случае заметно возрастет стоимость конвертора и коаксиального кабеля снижения;

§       в полосу частот, выбранную для промежуточной частоты, и в соответствующую полосу частот зеркального канала не должны попадать частоты мощных наземных вещательных и других радиопередатчиков. С учетом всех перечисленных факторов для промежуточной частоты рекомендована полоса частот 0,95…2,15 ГГц, расположенная выше диапазонов частот наземного телевизионного вещания.

Напряжение питания на конвертор подается по центральному проводнику соединительного коаксиального кабеля со спутникового приемника.

В случае создания приемных спутниковых систем коллективного пользования, рассчитанных на обслуживание достаточно большого количества абонентов (сотни, тысячи абонентов), распределительная сеть имеет структуру типовых систем кабельного телевидения (см. рис.8.35). В состав головной станции, представляющей собой центральное оборудование распределительной сети, которое осуществляет формирование вещательных телевизионных сигналов для абонентов, дополнительно вводятся QPSK-демодулятор и декодер формата MPEG-2, одновременно производящий помехоустойчивое декодирование. С помощью разветвителя на несколько направлений от головной станции отходят несколько магистральных линий, состоящих из однотипных кабельных участков, магистральных усилителей и ответвителей. К магистральным линиям подключаются домовые распределительные сети, содержащие домовые усилители, пассивные направленные абонентские разветвители, с помощью которых осуществляется присоединение типовых телевизоров.

Общие сведения о конверторах, используемых в системах НТВ. Средняя удельная мощность сигнала, попадающего на вход конвертора, составляет величину, примерно равную 10-15Вт/м2. Следовательно, конвертор должен обладать очень низким уровнем собственных шумов. Это стало возможным только с созданием малошумящих транзисторов СВЧ на основе арсенида галлия (GaAs), без которых спутниковое телевизионное вещание не достигло бы современного уровня.

Технология производства конверторов для систем НТВ основана на опыте, накопленном при создании малошумящих усилителей. Однако абонентский конвертор, помимо обеспечения необходимого усиления при минимально возможном уровне шумов, преобразовывает частоты принимаемых сигналов до значений, воспринимаемых спутниковыми приемниками, которые находятся в следующих диапазонах: 950…1750 МГц или 950…2150МГц.

В настоящее время имеются два типа СВЧ малошумящих транзисторов, доступных для изготовления аппаратуры систем НТВ: HEMT-транзисторы (High electron mobility transistor), обладающие высокой подвижностью электронов, и полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ). Основное различие между ними состоит в том, что HEMT имеет меньший коэффициент шума на заданной частоте, чем ПТШ, однако последний обладает более высоким коэффициентом усиления. Например, основные параметры наиболее широко применяемых HEMT-транзисторов имеют следующие значения: коэффициент шума 0,4…0,6 дБ, усиление 10,5…12,5 дБ на частоте 12 ГГц. В стадии внедрения находится новое поколение HEMT-транзисторов на основе фосфида индия (InP), имеющих коэффициент шума 0,3 дБ и усиление 17 дБ на частоте 12 ГГц.

Условия эксплуатации конверторов являются достаточно жесткими: на них непосредственно воздействуют атмосферные осадки и перепады температур, зависящие от климата региона. Конвертор является необслуживаемым устройством, поэтому должна обеспечиваться их полная взаимозаменяемость без каких-либо дополнительных регулировок. Соединения и корпус должны быть пыле- и влагозащищенными.

Основными техническими характеристиками конвертора являются:

- диапазон частот принимаемых сигналов;

- коэффициент шума;

- нестабильность частоты гетеродина;

- коэффициент усиления;

- фазовые шумы.

Для обеспечения эффективной работы спутникового приемного устройства очень важным является усиление конвертора. Недостаточное усиление равнозначно применению спутниковой антенны меньшего диаметра, чрезмерное усиление приводит к перегрузке входных цепей приемного устройства. В целом же усиление конвертора должно быть согласовано с длиной соединительного коаксиального кабеля (с затуханием сигнала в нем) и чувствительностью приемного устройства. Практически рекомендуемое усиление должно составлять минимум 50 дБ, максимум 60 дБ. Следует отметить, что это значение уменьшается на 0,2…0,3 дБ при повышении температуры на каждые 10°С.

Структурная схема абонентского конвертора. В настоящее время существуют разнообразные схемотехнические решения, используемые при построении абонентских конверторов, например, схемы с однократным или двойным преобразованием частоты принимаемых сигналов. Основной недостаток конвертора с однократным преобразованием частоты заключается в явлении интерференции сигналов близлежащих каналов. В этом случае приходится использовать дорогие и сложные схемы фильтрации. Использование схемы с двойным преобразованием сигнала позволило устранить недостатки, присущие конверторам с однократным преобразованием. Однако в результате этого увеличилась сложность и стоимость конструкции за счет использования второго гетеродина и смесителя, а также возникла необходимость в применении второго полосового фильтра (ПФ) и усилителя промежуточной частоты.

Практически используемые в системах НТВ абонентские конверторы имеют конструкцию LNB (Low Noise Blockconvertor) типа, основанную на использовании гетеродина, настроенного на фиксированную частоту и стабилизированного объемным диэлектрическим резонатором.

По сравнению с конверторами однократного и двойного преобразования, LNB имеет существенное преимущество: через него проходят сигналы всех каналов выбранного диапазона, что позволяет использовать один конвертор для приема сигналов разных телевизионных программ несколькими спутниковыми приемниками одновременно. Следует отметить также большую устойчивость настройки, так как выбор сигнала определенного канала производится с помощью тюнера, т.е. осуществляется в закрытом помещении, где электронные компоненты защищены от перепадов температуры и влажности.

Структурная схема типового абонентского конвертора (LNB типа) представлена на рисунке 8.36.


ВПП – волноводно-полосковый переход; МШУ – малошумящий усилитель; ПФ – полосовой фильтр; См – смеситель; Гет – гетеродин (СВЧ генератор, входящий в состав преобразователя частоты); ПУПЧ – предварительный усилитель промежуточной частоты; УП – устройство питания

Рис. 8.36. Структурная схема абонентского конвертора, используемого в системах НТВ

По мере освоения Ku – диапазона для НТВ возникла необходимость в использовании спутниковых конверторов, одновременно работающих в полосе частот принимаемых сигналов 10,7…12,75 ГГц. Данная задача была решена с появлением широкополосных HEMT-транзисторов с низким коэффициентом шума. Структурная схема одного из вариантов построения полнодиапазонного конвертора представлена на рис.8.37. Данный конвертор имеет один МШУ, а разделение принимаемых сигналов на два частотных поддиапазона осуществляется с помощью двух полосовых фильтров. Для обрабатываемых сигналов разных поддиапазонов (10,7…11,7 и 11,7…12,75 ГГц) используется свой смеситель и гетеродин.

Схемотехника цифровых спутниковых приемников. Спутниковый приемник, наряду с антенной и конвертором, является третьей составной частью приемной установки системы НТВ. Он предназначен для дальнейшего преобразования сигнала промежуточной частоты, поступающего с конвертора, т.е. для его модуляции с последующим формированием из выделенных сигналов изображения и звука телевизионного низкочастотного сигнала и радиосигнала с амплитудной модуляцией в стандарте наземного телевизионного вещания.

Цифровые спутниковые приемники существенно отличаются от аналоговых моделей. Например, в цифровом спутниковом телевизионном вещании нет понятия «плохое качество телевизионного изображения» - качество изображения на экране телевизора, подключенного к высокочастотному выходу профессионального или абонентского спутникового приемника, одинаково высокое. В том случае, если уровень ошибок превышает предельно допустимый, изображения на экране аналогового телевизора просто не будет, так как не смогут работать алгоритмы восстановления спутникового цифрового приемника.


Рис. 8.37. Функциональная схема полнодиапазонного конвертора с одним МШУ


Рис. 8.38. Обобщенная структурная схема цифрового спутникового приемника

Рассмотрим базовую структурную схему спутникового цифрового приемника, представленную на рисунке 8.38. После того, как выделенный с выхода конвертора сигнал проходит цепи демодуляции, он преобразуется в информационный поток в виде цифровых пакетов и поступает в устройство исправления ошибок. В демультиплексоре производится разделение информационного потока на два канала: аудио и видео. Декодер поддерживает самые различные форматы и имеет большое количество выходов: цифровое видео, аналоговое видео, цифровое аудио (звук), аналоговое аудио (звук), RGB-выход и др.

Конечной целью специалистов различных фирм, совместно разрабатывающих аппаратуру спутникового телевизионного вещания, является создание модульной архитектуры спутникового цифрового абонентского приемника. В этом случае конструкция спутникового приемника состоит из универсальных чипов, которые по своим функциональным возможностям могут использоваться как в аппаратуре локальных многоточечных систем распределения (MMDS-системы), так и в приемных устройствах цифровых кабельных сетей. Особенность модульного подхода заключается в оптимальном разделении субблоков и организации связи между ними при помощи универсального гибкого интерфейса и программного обеспечения.

Организация условного доступа в спутниковых цифровых приемниках. В настоящее время в системах НТВ для защиты транслируемых коммерческих (платных) телевизионных программ от несанкционированного доступа используются различные способы цифрового скремблирования (кодирования). Скремблирование предполагает искажение вещательного телевизионного сигнала таким образом, что исключается возможность его приема в стандартном телевизоре.

Очевидно, что современный цифровой спутниковый приемник должен работать с любой системой скремблирования. Эта проблема решается несколькими способами. Один из них – создание универсального модуля условного доступа, в котором система скремблирования задается программным путем. Другой способ – реализация проекта создания общей системы скремблирования, при использовании которой расшифровка программ от разных источников может быть индивидуализирована за счет разных условий доступа. Выполнение этих условий проверяется специальной карточкой условного доступа (smart card).

Smart cards («умные карты») – это пластиковые карточки с встроенными электронными устройствами, используемые как средства идентификации, контроля доступа и оплаты. На сегодняшний день их можно условно разделить на два вида:

§       Неинтеллектуальные карты, не осуществляющие обработку информации. Сюда входят различные карты памяти и идентификационных меток. Наиболее наглядным примером таких устройств являются телефонные карты. Основным недостатком подобных карт является сравнительно низкая степень защиты.

§       Интеллектуальные карты, содержащие микропроцессоры, обрабатывающие информацию. Такие карты имеют значительно более высокую степень защиты.

По конструкции smart cards могут быть контактными или бесконтактными. В системах НТВ чаще всего используются контактные карты из-за более низкой их стоимости. Конструктивные особенности контактной, т.е. вставляемой, smart card, изготовленной в соответствии со стандартом Международной организации по стандартизации ISO-7816, поясняются рисунком 8.39. Перенос криптопроцессора в smart card означает, что при любом несанкционированном взломе системы условного доступа ее восстановление осуществляется только заменой всех smart cards, находящихся у абонентов.


ППЗУ – перепрограммируемое запоминающее устройство

Рис. 8.39. Конструкция вставляемой интеллектуальной smart card


Рис. 8.40. Схема организации условного доступа с общим интерфейсом

Использование общего алгоритма скремблирования в системах НТВ – это вопрос будущего, а сейчас для приема цифровых пакетов от разных источников телевизионных программ, как правило, требуются разные модули условного доступа. Более того, современные стандарты спутникового телевизионного вещания предусматривают возможность существования цифровых пакетов, в которых разные телевизионные программы (от разных источников) скремблированы различными способами. Такой тип скремблирования называется Multicrypt.

С этой точки зрения более перспективным кажется использование общего интерфейса, посредством которого к базовому декодеру может подсоединяться один или несколько модулей условного доступа (несколько smart cards с различными системами декодирования) (рис.8.40). В этом случае демодулированный поток данных последовательно проходит все модули условного доступа. Каждый модуль расшифровывает те элементарные потоки в цифровых пакетах, в которых используется соответствующая система скремблирования.

8.4. Системы радиодоступа

Часто услуги телефонной связи отсутствуют в том или ином населенном пункте или на какой-либо территории только потому, что там не развернута система абонентского доступа (абонентских линий), т.е. та часть ТЛФ сети, которая расположена между абонентским оборудованием и ближайшим ТЛФ коммутатором. Система абонентского доступа в англоязычной литературе называется Local Loop.

Развертывание традиционной проводной сети доступа занимает много времени и имеет высокую стоимость. Однако без сети абонентского доступа нельзя подключать к существующей номерной емкости новых абонентов.

Наряду с хорошо зарекомендовавшими себя подходами к решению проблемы «последней мили», такими как уплотнение абонентских линий, все большей популярностью пользуются решения, основанные на беспроводных технологиях, т.е. создание беспроводных систем абонентского доступа (Wireless Local Loop – WLL). Под WLL чаще всего понимают систему наземной радиосвязи, реализующую фиксированный или ограниченно мобильный беспроводной доступ абонентов к коммутатору ТЛФ сети общего пользования.

Системы радиодоступа обладают бесспорными преимуществами при отсутствии или недостаточном развитии кабельной инфраструктуры, например, труднодоступные районы, сельская местность, пригородные зоны. Системы абонентского радиодоступа позволяют быстрее строить сеть в соответствии с реальным спросом, позволяют резко сократить срок окупаемости. Кроме того, расходы на техническое обслуживание таких сетей значительно ниже. В комплексе с другими методами построения абонентской сети они позволяют экономично и быстро решить вопросы подключения практически любого «неудобного» с точки зрения проводного решения абонента.

Основная функция системы WLL – предоставление конечному пользователю, т.е. абоненту, стандартных услуг ТЛФ связи. Все системы WLL являются дуплексными. Они осуществляют учет и тарификацию телефонных разговоров. Часто имеется возможность подключения к ним телефонов-автоматов. Все системы радиодоступа обеспечивают передачу данных

Функциональная схема радиодоступа представлена на рисунке 8.41.

АТС – автоматическая телефонная станция, т.е. коммутатор телефонной сети общего пользования; КБС – контроллер базовых станций; БС – базовые станции; РРС – радиоретранслятор; АТ – абонентский терминал; ТТОЭ – терминал технического обслуживания и эксплуатации

Рис. 8.41. Функциональная схема типовой архитектуры системы радиодоступа

Система радиодоступа включает в себя следующие основные компоненты: контроллер базовых станций, БС, абонентские терминалы и терминалы технического обслуживания и эксплуатации, т.е. компьютер со специальным управляющим приложением. БС связаны с контроллером проводными или беспроводными микроволновыми линиями связи. Последние могут быть реализованы на базе довольно большого числа радиоретрансляторов. Подобные ретрансляторы иногда используются между абонентскими терминалами и БС, увеличивая дальность действия последних.

Контроллер базовых станций (КБС) предназначен для коммутации трафика системы радиодоступа, обработки вызовов и обеспечения связи с коммутатором телефонной сети общего пользования (АТС). Для выполнения данных функций контроллер базовых станций оборудован соответствующими интерфейсами. Кроме того, он поддерживает функции управления системой, реализуемые на базе терминала технического обслуживания и эксплуатации.

Базовые станции (БС) осуществляют радиосвязь со стационарными или ограниченно мобильными абонентами в пределах своих зон обслуживания и обеспечивают передачу вызовов КБС. БС состоит из антенно-фидерного тракта, одно- или многоканальной приемопередающей аппаратуры, локальной подсистемы управления, коммутационных интерфейсов и подсистемы питания.

Абонентские терминалы представляют собой портативные беспроводные телефонные трубки, обеспечивающие ограниченную подвижность связи; специальные кабельные телефонные аппараты с трансивером и антенной и стационарные блоки на одну или несколько телефонных линий, к которым подключают обычные телефонные аппараты, факсимильные устройства или модемы. Стационарный абонентский терминал может размещаться внутри или снаружи зданий и иметь внешнюю или внутреннюю антенну, а также резервное питание от аккумуляторной батареи.

Контрольные вопросы

1. Назовите функции элементов радиосистемы передачи.
2. Приведите структурную схему приемника и передатчика и назовите функции их элементов.
3. Назовите основные параметры антенн.
4. Определение мощности сигнала на входе приемника.
5. Приведите структурную схему высокочастотного ствола РРЛ и назовите функции его элементов.
6. Поясните принцип радиорелейной связи и назовите типы станций.
7. Приведите структурную схему оконечной радиорелейной станции и назовите функции ее элементов.
8. Назовите виды модуляции, используемые в радиорелейных линиях.
9. Поясните причины появления интерференционных замираний на пролетах РРЛ.
10. Поясните принцип построения спутниковых систем связи
11. Назовите параметры радиоприемных и радиопередающих устройств в спутниковых системах связи
12. Изобразите диаграмму уровней для спутниковой системы связи
13. Назовите типы и параметры орбит спутников Земли
14. Назовите методы многостанционного доступа к бортовому ретранслятору в спутниковых системах связи.
15. Основные характеристики и виды спутниковых систем.
16. Назначение основных функциональных устройств спутниковой системы НТВ.
17. Требования к выбору промежуточной частоты.
18. Назовите основные технические характеристики конвертора.
19.В чем отличие цифровых спутниковых приемников от аналоговых моделей.
20. Определение и виды «smart cards».
21. Преимущества систем радиодоступа.
22. Основная функция системы WLL.
23. Основные компоненты системы радиодоступа.


назад | содержание | вперёд