В настоящее время эти требования учитываются при создании систем связи различного назначения.          

Большой вклад в развитие систем УКВ радиосвязи внесли отечественные ученые В. А. Котельников, Б. А. Введенский, С. В. Бородич, В. А. Фок, И. С. Гоноровский, Н. М. Изюмов, Л. М, Финк и др.

9.2. МАЛОМОЩНЫЕ СТАНЦИИ УЛЬТРАКОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОСВЯЗИ

Под маломощными станциями УКВ радиосвязи понимаются радиостанции, мощность передатчиков которых не превосходит 100 Вт. Маломощные радиостанции подразделяются на три груп­пы. Первая группа имеет мощность передатчиков до 1 Вт, вто­рая — от 1 до 10 Вт и третья — от 10 до 100 Вт.

Подавляющее большинство маломощных УКВ радиостанций работает в симплексном телефонном режиме. В зависимости от группы радиостанции дальность связи может колебаться в преде­лах от нескольких сотен метров до нескольких десятков километ­ров. При этом для ведения связи необходимо выполнение условий, близких к прямой (геометрической) видимости.

Рабочий диапазон этих станций может выбираться в преде­лах от 20 до 100 МГц и формально захватывать верхний учас­ток KB диапазона. Наиболее часто используется диапазон частот от 30 до 60 МГц.

Дальность связи между радиостанциями определяется в об­щем случае мощностью передатчиков, диапазоном выбранных ра­бочих частот, типом антенн и конкретными условиями работы.

В [7] обоснована целесообразность примене­ния частотной модуляция в диапазоне УКВ и использования пара­метрической стабилизации рабочих частот радиостанции. Однако для радиостанций первой группы, учитывая требования мини­мальных габаритов и простоты управления, применяют кварцевую или кварцево-параметрическую стабилизацию частоты. В таких станциях используют одну или несколько фиксированных частот. Связь осуществляется без поиска и ведется без подстройки. Для связи выбираются частоты от 50 до 100 МГц, что при мощности передатчика до 1Вт позволяет получить дальность в среднем 3 км.

Структурная схема радиостанции первой группы приведена на рис. 9.4.

Рис.9.4

Как видно из рисунка, в радиостанции один и тот же кварце­вый генератор используется в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника. Частотная модуляция осуществляется в автогенераторе с параметрической стабилизацией частоты, после чего ЧМ сигнал с помощью частоты кварцевого генератора пере­носится на рабочую частоту .

При приеме промежуточная частота  получа­ется довольно высокой. Это сделано специально для того, чтобы облегчить фильтрацию разностной частоты в передающем тракте усиления сигнала. Для радиостанции первой группы обычно вы­бирают интервал между рабочими частотами, равный 100 кГц, что допускает некоторое расширение полосы пропускания прием­ника и снижает требования к стабильности частоты автогенера­тора в передатчике.

Схема радиостанции предельно упрощена за счет совмещения выходной цепи передатчика и входной цепи приемника, а также микрофонного усилителя и усилителя низкой частоты приемника. 

В радиостанциях первой группы применяются антенны склад­ные или выдвижные штыревого типа.

Маломощные УКВ радиостанции второй группы с мощностью передатчика от 1 до 10 Вт также применяются для ведения сим­плексной телефонной радиосвязи обычно в диапазоне 20—30 или 30—60 МГц. Эти радиостанции могут быть как переносными (ранцевыми), так и передвижными (устанавливаемыми на под­вижных объектах). В движении, при использовании штыревых ан­тенн, дальность связи ограничена 5—15 км, а на стоянке, при подъёме штыря на дополнительную высоту или применении антенны бегущей волны, дальность связи возрастает до 15—30 км.

В радиостанциях второй группы применяется параметрическая стабилизация частоты. Однако, поскольку существуют известные трудности параметрической стабилизации частоты в широком ди­апазоне частот, то эта проблема была решена путем создания се­мейства однотипных по структуре радиостанций, перекрывающих весь выбранный частотный диапазон отдельными участками с коэффициентом перекрытия по частоте k < 1,4. Для обеспечения совместной работы радиостанций в этой полосе используют не­большую общую полосу порядка 0,5 МГц, образованную смежны­ми участками частот.

Создание семейства радиостанций позволило при параметри­ческой стабилизации частоты обеспечить при интервале 50 кГц между рабочими частотами беспоисковое и бесподстроечное веде­ние радиосвязи. Структурная схема одной из таких радиостан­ций показана на рис. 9.5.

Рис.9.5

В радиостанциях семейства так же, как и в первой группе ра­диостанций, объединены функции ряда элементов в режимах пе­редачи и приема, так как при симплексной работе частоты пере­дачи и приема равны.

Передатчик содержит задающий генератор, в котором форми­руется ЧМ сигнал на требуемой рабочей частоте, и усилитель мощности. Одновременно задающий генератор выполняет функ­цию гетеродина приемника. Для того, чтобы частота гетеродина отличалась на величину промежуточной частоты от принимаемо­го сигнала, в режиме приема частота задающего генератора сдви­гается вниз на эту величину путем подключения к его внутрен­нему контуру дополнительной секции блока переменных конденса­торов. При этом внешний контур задающего генератора остается настроенным на частоту сигнала, а значит, оказывается рас­строенным относительно внутреннего контура. Тем не менее на­пряжение на нем вполне достаточное для преобразования частоты в приемнике.

Колебательный контур выходного каскада передатчика сов­местно с элементом связи с антенной выполняет функции вход­ного колебательного контура приемника в режиме приема, хотя такое совмещение функций этих элементов схемы радиостанции ведет к некоторому ухудшению параметров приемника. Второй каскад УВЧ также используется дважды, но только в тракте при­емника: как усилитель ВЧ сигнала и как усилитель НЧ сигнала, поступающего с выхода частотного детектора.

В рассматриваемой радиостанции применяется АПЧ гетеро­дина по частоте принимаемого сигнала, но помехоустойчивость ее низка, поэтому при большом уровне помех система АПЧ может отключаться. В более поздних выпусках радиостанций этого типа система АПЧ отсутствует.

Для проверки градуировки шкалы радиостанции и ее коррек­ции предусматривается возможность включения встроенного кварцевого калибратора.

В радиостанциях рассмотренного типа предусматривается воз­можность дистанционного управления с помощью вынесенного телефонного аппарата. Кроме того, при совмещении двух радио­станций можно осуществлять режим ретрансляции передаваемых сигналов.

Последние модификации радиостанций второй группы за счет применения более качественных элементов схемы позволили вдвое увеличить число рабочих частот путем сокращения интервала между ними до 25 кГц. К сожалению, эта группа радиостанций имеет существенный недостаток – невозможность совместной работы радиостанций, которые не имеют сопрягающихся участков частотного диапазона.

Маломощные станции третьей группы с мощностью передат­чиков от 10 до 100 Вт, применяемые для ведения симплексной телефонной работы, отличаются от радиостанций второй группы лишь наличием блоков усиления мощности передатчиков (БУМ), что позволило им увеличить дальность связи до нескольких десят­ков километров. Эти станции, как правило, возимые или стацио­нарные.

Узкодиапазонным станциям третьей группы присущи те же не­достатки, что и станциям второй группы. Поэтому последующие совершенствования маломощных УКВ радиостанций второй и третьей группы шли по пути создания широкодиапазонных трак­тов передачи и приема сигналов. Основные отличия широкодиапазонных радиостанций от узкополосных состоят в следующем. Во-первых, в них осуществлена полная автоматизация настройки передатчика на любую рабочую частоту или на одну из несколь­ких заранее подготовленных частот, и, во-вторых, в широкодиапазонных станциях введены дополнительные устройства сопряжения их с другими каналами связи.

Рассмотренный тип маломощных УКВ радиостанций широко применяется для ведения так называемой оперативной или низо­вой радиосвязи. Применение симплексного режима работы су­щественно упрощает аппаратуру, снижает ее вес, повышает мо­бильность и экономичность, уменьшает габариты и стоимость.

Однако даже для ведения оперативного обмена информаци­ей в ряде случаев симплексная связь оказывается непригодной. Появляется необходимость в дуплексной связи.

Одним из способов реализации дуплексной связи является ис­пользование двух симплексных радиостанций на обоих пунктах радиосвязи. Для ослабления помех здесь необходим большой раз­нос между частотами передачи и приема сигнала. Однако и в этом случае нужно принимать ряд дополнительных мер по улуч­шению частотной совместимости радиостанций с помощью ис­пользования специальных антенн, цепей частотной развязки от непосредственных или комбинационных помех и т. д. А это уже, по существу, не простой симбиоз двух симплексных радиостан­ций, а новое устройство. Поэтому наряду с симплексными радио­станциями в последние годы выпускается определенное коли­чество дуплексных маломощных радиостанций. К ним, в частнос­ти, можно отнести некоторые маломощные радиорелейные станции прямой видимости, которые рассматриваются в следующем пара­графе.

 

9.3. СИСТЕМЫ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ

 

Характерной особенностью систем радиорелейной связи явля­ется возможность передачи большого объема различных видов информации на дальние расстояния с высокой достоверностью [9].

Радиорелейной связью называется особый вид дальней много­канальной радиосвязи на УКВ, осуществляемый при помощи ря­да промежуточных ретрансляционных станций (рис. 9.1). Ре­трансляционные станции принимают сигнал на одной рабочей час­тоте, а излучают на другой. Так образуется радиорелейная ли­ния связи (РРЛ).

Радиорелейные линии связи используются для передачи информации любого вида (телефонной, телевизионной, цифровой и т. п.) и могут быть уплотнены несколькими тысячами телефонных каналов или телевизионными каналами. Число каналов радио­релейной станции (РРС) определяется используемым видом мо­дуляции сигналов отдельных каналов и видом модуляции несу­щей частоты передатчика.

В радиорелейных линиях связи могут применяться частотный, временной и комбинированный методы уплотнения. При времен­ном уплотнении применяются импульсные виды модуляции (АИМ, ВИМ, ШИМ, ФИМ и т.д.). Из импульсных методов модуляции ФИМ получила наибольшее распространение. По помехоустойчи­вости она близка к частотной модуляции.

Наибольшую помехоустойчивость имеют системы радиорелей­ной связи, в которых используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Здесь искаженные помехой импульсы легко регенериру­ются, так как сигнал квантован по времени и уровню. Поэтому в нашей стране и за рубежом ведутся интенсивные работы по практическому внедрению этих систем связи.

Исторически первыми (в сороковых годах прошлого века) появились так на­зываемые обычные радиорелейные линии.

С учетом нормальной рефракции расстояние определяется выражением

 

                            ,                              (9.1)

 

где h ₁ и h ₂ -  высоты передающей и приемной антенн, м.

Так, при h₁=h₂=50м D=58км.

Известно, что волны короче 2 см в значительной мере погло­щаются снегом, дождем и туманом. Поэтому в радиорелейных линиях, как правило, используются более длинные волны >4см).

Достоинствами радиорелейной связи прямой видимости явля­ются:

- высокое качеств связи, сравнимое с качеством связи по хорошему кабелю. Практически оно мало зависит от состояния атмосферы, случайных помех, времени суток, года и т. д.;

-  значительная направленность антенн, что позволяет вес­ти связь при малых мощностях передатчика (единицы ватт). При этом обеспечивается высокая помехоустойчивость системы связи, затруднены перехват и организация помех со стороны противника;

- высокая устойчивость распространения радиоволн, обеспе­чивающая постоянство уровня принимаемого сигнала;

- большая частотная емкость УКВ диапазона, позволяющая обеспечить многоканальную связь;

- простота сопряжения РРС с каналами проводной связи при использовании типовой каналообразующей аппаратуры.

Открытие явления тропосферного и ионосферного рассеяния радиоволн УКВ диапазона позволило в десятки раз увеличить интервалы между РРС. Однако это не умаляет достоинств обычных радиорелейных линий связи прямой видимости, так как они незаменимы в густонаселенных районах. В тропосферных и ионосферных системах дальней связи используют достаточно мощные передающие устройства, которые создают помехи другим радиостанциям и оказывают вредное дей­ствие на здоровье человека.

Рис.9.6

Принцип устройства радиорелейной линии связи можно уяснить из рис. 9.6. Линия состоит из двух оконечных и ряда промежуточных (ПС) ретрансляционных РРС, имеющих по два комплекта антенн, передатчиков и приемников, которые обес­печивают работу в противоположных направлениях. Каналообразующая аппаратура (КОА) устанавливается только на око­нечных станциях. При необходимости ответвления части каналов для местных абонентов в пунктах ретрансляции применяют аппа­ратуру выделения (АВ). Как правило, КОА устанавливается вне РРС (в населенном пункте) и со станцией соединяется коакси­альным кабелем с полосой, достаточной для передачи группового сигнала. Далее групповой сигнал поступает на модулятор радио­передатчика РРС.

Таким образом, в РРС осуществляется двухступенчатая моду­ляция:

- модуляция с целью формирования сигналов отдельных ка­налов (группового сигнала) в КОА;

- модуляция высокочастотных колебаний передатчика РРС групповым сигналом.

Соответственно в две ступени производится и демодуляция сигнала. Первоначально групповой сигнал детектируется по вы­сокой частоте в приемнике РРС, а затем поступает на КОА, где происходит его разделение на сигналы отдельных каналов.

При сквозной ретрансляции групповой сигнал на промежу­точной частоте с приемника РРС подается на передатчик РРС и ретранслируется, т. е. производится усиление сигнала с измене­нием (сдвигом) несущей частоты. В случае узловой работы груп­повой сигнал демодулируется в приемнике РРС по высокой час­тоте и затем подается к аппаратуре выделения, где производит­ся селекция требуемых каналов.

Один приемопередающий комплекс может пропустить несколько сотен и даже тысяч телефонных каналов или один телевизионный канал. В тех случаях, когда необходимо передавать значительно больший объем информации, на РРС устанавливают несколько приемопередатчиков, работающих в одном направлении. Каждый из таких комплексов называют стволом. Кроме рабочих стволов организуются резервные стволы, работающие на своих частотах. Обычно на 2–3 рабочих ствола выделяют один резервный.

По виду передаваемых сигналов эти РРС подразделяются на аналоговые и цифровые.

Аналоговые РРС используются для передачи:

- многоканальных телефонных аналоговых сигналов с пропускной способностью до 3600 телефонных каналов;

- телевизионных сигналов и сигналов звукового сопровождения.

 Цифровые РРС служат для передачи:

- многоканальных телефонных сигналов в цифровой форме со скоростью от 2 до 140 Мбит/с;

- высокоскоростных сигналов данных;

- сигналов видеотелефона и телевизионных сигналов в закодированном виде.

За исключением нескольких РРС, рассчитанных на диапазоны частот 70 – 80 МГц и 400 – 470 МГц, все остальные РРС работают на частотах 2,4, 6,8 и 11 ГГц.

На радиорелейных линиях связи чаще всего используются па­раболические, рупорно-линзовые и рупорно-параболические ан­тенны, отвечающие требованиям высокой направленности излуче­ния и имеющие большой коэффициент усиления.

В многоствольных радиорелейных системах для устранения влияния передатчика на собственный приемник передачу и прием ведут на различных частотах с большим частотным разносом. Распределение частот по интервалам может производиться по двухчастотной или четырехчастотной системе (рис. 9.7). При двухчастотной системе используются всего две частоты: одна для передачи, другая — для приема. Для того, чтобы исключить взаимные влияния одного направления на другое, необходимо применять остронаправленные антенны. При четырехчастотной системе применяются четыре частоты. В этой системе можно при­менять простые антенны, но полоса частот при том же числе ка­налов возрастает.

Рис.9.7

В системах радиорелейной связи с числом стволов более трех применяют двухчастотную систему. Для уменьшения взаимных влияний радиорелейных станций их часто располагают так, как это показано на рис. 9.8, или применяют различную поляриза­цию волн для одних и тех же частот.

Наибольшее распространение получили системы ра­диорелейной дальней связи типа Р-60/120 и Р-600 [9].

Система P-60/120 работает в диапазоне частот 1600—2000 МГц и используется на ответвлениях от магистральных линий, а так­же на областных линиях средней емкости. Имеет три ствола. Два из них могут уплотняться 60 или 120 телефонными каналами. Тре­тий ствол используется для передачи одной телевизионной программы. Протяженность телефонного ствола — 2500 км, телевизионного — 1000 км. Антенны — перископические, состоящие из нижнего эллиптического и верхнего плоского зеркала (коэффициент усиления — 30 дБ). Передача и прием по трем стволам ведется на одну антенну за счет применения различной поляризации волн. Мощность передатчика — 3 Вт. Полоса пропус­кания УПЧ приемника равна 20 МГц. Промежуточная частота — 70 МГц. Полоса телевизионного канала — 8 МГц. В системе до­пускается дистанционное управление.

Рис. 9.8

Система Р-600 работает в диапазоне частот 3400-3900 МГц. Протяженность магистральных линий - до 2500 км. Система по­зволяет организовать четыре рабочих и два резервных ствола, а также ствол служебной связи. Рабочий ствол может быть как телефонным, так и телевизионным. Телефонный ствол допускает организацию до 600 телефонных каналов. Антенные системы - рупорно-параболического типа (коэффициент усиле­ния - 40 дБ, ширина диаграммы направленности - около 2°).

Имеется возможность дистанционного управления системой. Аппаратура состоит из следующих стоек: высокочастотной, теле­фонной, телевизионной, стойки автоматики, стойки служебной свя­зи и стойки управления горячим резервом. Мощность передатчи­ка - 3 Вт. Чувствительность приемника - 1мкВт. Полоса пропус­кания ствола - не более 33±3 МГц. Промежуточная частота — 70 МГц. Пределы полосы схватывания системы автоподстройки частоты составляют ±10 МГц. Модифицированные варианты ап­паратуры: Р-600 М, Р-600 1М2, ГТТ-4000/600 и Р-600 2MB.

В конце 60-х годов прошлого столетия стала действовать радиорелейная система «Дружба», которая обеспечивает высококачественную связь на расстояние 12,5 тысяч километров. Диапазон частот – 5670-6170 МГц. Система «Дружба» имеет шесть стволов по 1920 телефонных каналов или по одному телевизионному каналу в каждом стволе и два резервных ствола.

Накануне ввода в строй системы «Дружба» была сдана в эксплуа­тацию радиорелейная система «Восход», предназначенная для ор­ганизации магистральных радиорелейных линий связи большой емкости и протяженности. Диапазон частот – 3400-3900 МГц. Те­лефонный ствол уплотняется аппаратурной К-1920. Дальность связи системы - до 12500 км.

В 70-х годах прошлого века сданы в эксплуатацию ряд систем радиорелей­ной связи (система ГТТ-8000/300, система «Горизонт-М» и др.).

Система ГТТ-8000/300 предназначена для организации много­канальной связи и передачи программ телевидения и вещания на линиях республиканского и областного значения. Каждый ствол уплотняется с помощью аппаратуры типа К-300; дальность многоканальной телефонной связи — до 2500 км, телевизионной - до 800 км.

Система радиорелейной связи «Горизонт-М» предназначена для организации многоканальной телефонной связи в малонасе­ленных и труднодоступных районах. Диапазон частот — 600— 1000 МГц. Дальность связи - до 2500 км.

В 80-х годах прошлого века сдана в эксплуатацию аппаратура радиорелейной связи, работающая в комплексе со станциями связи через искусственные спутники Земли типа «Молния» в системе «Орбита» и др. [13].

 

9.4. СИСТЕМЫ ТРОПОСФЕРНОЙ СВЯЗИ.

Построению систем тропосферной связи уделяется большое внимание в России и за рубежом. Общая протяженность тропосферных линий связи в настоящее время составляет сотни тысяч километров [10].

Первая система тропосферной связи для передачи телевизи­онных программ из Ленинграда в Петрозаводск на расстояние 300 км была построена в 1963 году под руководством М. П. Долуханова, Г. А. Зейтленка, А. М. Захарова и др.

В системах тропосферной связи используется явление дальне­го распространения ультракоротких волн, суть которого состоит в следующем.

Известно, что причиной преломления (рефракции) УКВ явля­ется неоднородность молекулярной структуры тропосферы, прос­тирающейся до высот 12—15 км от поверхности Земли. Показа­тель преломления воздуха зависит от давления, температуры и влажности, которые на разных высотах имеют различное зна­чение.

Нормальному (среднему) состоянию тропосферы свойственно уменьшение показателя преломления с высотой. В этих услови­ях траектория распространения радиоволн теряет свою прямоли­нейность, приобретает выпуклость, обращенную вверх, т. е. оги­бает земную поверхность. Эта нормальная рефракция эквивалентна некоторому уменьшению выпуклости земного шара, благодари чему становится возможным прием УКВ за линией горизонта. Однако дальность связи за счет нормальной рефракции по сравнению с дальностью прямой видимости возрастает незначи­тельно. Вследствие сезонных и суточных изменений метеоусловий в тропосфере возможно такое распределение влажности, тем­пературы и давления, при котором показатель преломления с вы­сотой увеличивается, и лучи УКВ приобретают выпуклость, обра­щенную вниз. Такое преломление радиоволн, называемое отрица­тельной рефракцией, влечет за собой уменьшение интенсивности и замирание сигнала даже в зоне прямой видимости.

Если же показатель преломления воздуха уменьшается с вы­сотой быстрее, чем при нормальном состоянии тропосферы, воз­можен прием УКВ на расстоянии, значительно превышающем прямую видимость. Этот случай, называемый сверхрефракцией, особенно часто наблюдается над водной поверхностью в резуль­тате резкого изменения влажности воздуха с высотой.

Особо благоприятные условия распространения УКВ за гори­зонт создаются при наличии в тропосфере слоистых неоднородностей, т. е. резко выраженной границы слоев с различными ко­эффициентами преломления, возникающих, например, при про­хождении фронта холодного воздуха. На границе разнородных слоев радиоволны претерпевают практически зеркальное отраже­ние, причем условия отражения почти одинаковы в широкой по­лосе частот.

Однако тропосферная рефракция и отражение от слоистых неоднородностей не обеспечивают устойчивую связь на УКВ за ли­нией горизонта, так как эти явления возникают нерегулярно. По­этому считалось, что устойчивая УКВ связь возможна только в пределах прямой видимости.

С 1956 года начали появляться публикации по материалам экспериментальных исследований устойчивой УКВ радиосвязи на расстояниях, существенно превышающих прямую видимость. Интенсивность поля на этих расстояниях превосходила значения, предсказываемые дифракционной теорией (см. рис. 9.11, пунктир). Распространение УКВ далеко за пределы прямой видимости объ­ясняется рассеянием энергии волны так называемыми глобулами - турбулентными неоднородностями тропосферы, процесс воз­никновения которых состоит в следующем [10]. Поступательное движение воздушных масс в вертикальном и горизонтальном на­правлениях, обусловленное неравномерностью нагревания зем­ной поверхности, при определенной скорости теряет свою устой­чивость и переходит в турбулентное движение, носящее вихревой характер. Важнейшей особенностью турбулентного движения в тропосфере является постепенное и последовательное деление крупных вихрей на более мелкие до тех нор, пока энергия вра­щательного движения самых малых вихрей не переходит за счет преодоление сил вязкости в тепловую. Вихри порождают множество локальных неоднородностей в распределений давления, температуры и влажности, естественно приводящих к локаль­ным неоднородностям индекса преломления. Глобулы и представляют собой сферические или эллиптические неоднородности, в пределах которых индекс преломления отличается от его значений в окружающей среде.                                        

Под действием высокочастотной энергии, излучаемой передающей антенной, каждая глобула возбуждается и превращается во вторичный излучатель. Объем тропосферы, в котором пересе­каются диаграммы направленности антенн корреспондирующих станций (рис.9.9), является объемом рассеяния энергии, часть которой достигает приемной антенны.

 

Рис.9.9

Нетрудно показать, что максимальную дальность связи можно определить по формуле

 

,                              (9.2)

 

где h -  высота расположения объема рассеяния, км;

R - радиус Земли, км.

При h=10—15 км дальность тропосферного распространения УКВ может достигать около 900 км.

Интенсивность поля тропосферного рассеяния УКВ принято характеризовать средним множителем ослабления  по отношению к свободному пространству

 

                             (9.3)

где E ₁ — средняя напряженность поля в точке приема при тро­посферном рассеянии;

  Е₂ — напряженность поля в той же точке, рассчитанная для условий распространения радиоволн в свободном пространстве.

Принципы построения систем дальней тропосферной радио­связи определяются особенностями тропосферного распростране­ния радиоволн.

Исследования дальнего тропосферного распространения (ДТР) УКВ показывают принципиальную возможность построения сис­тем тропосферной связи в диапазоне частот 100—8000 МГц

.

             Рис.9.10                                              Рис.9.11

 

Согласно экспериментальным данным интенсивность поля тропосферного рассеяния с увеличением частоты уменьшается сравнительно слабо и для частот 100-4000 МГц разница в уров­не сигнала составляет около 20 дБ (рис. 9.10). Зависимость множителя ослабления ср от расстояния D при различных час­тотах практически линейная, а сигнал в точке приема при ДТР значительно слабее, чем в случае распространения радиоволн в свободном пространстве (рис. 9.11, сплошная линия). Общее затухание сигнала на участке распространения достигает сотни децибел. Значит, в системах тропосферной связи необходимо ис­пользовать достаточно мощные передатчики, высокочувствитель­ные приемники и направленные антенны. С учетом этих сообра­жений в системах тропосферной связи целесообразно использо­вать диапазон частот от нескольких сотен до нескольких тысяч мегагерц.

Экспериментально установлено, что резкие изменения погоды на трассе, связанные с прохождением теплого и холодного фронтов воздуха, в большинстве случаев снижают уровень сиг­нала. Это объясняется интенсивным перемешиванием воздушных масс тропосферы, приводящим к увеличению ее однородности. При прохождении резко выраженного фронта уровень сигнала иногда значительно возрастает за счет отражения от слоистых неоднородностей тропосферы.

Принимаемые при ДТР УКВ сигналы подвержены медленным и быстрым замираниям, причем первые подчиняются логарифми­ческому нормальному закону распределения вероятностей, а вто­рые – закону Релея. Медленные замирания вызываются измене­ниями метеорологических условий в пределах объема рассеяния и наблюдаются при длительности сеансов связи от пяти минут до одного часа. На эти медленные колебания накладываются быст­рые флуктуации, обусловленные случайными кратковременными (доли секунды – минуты) изменениями электрических свойств передающей среды – появлением и исчезновением глобул в объ­еме рассеяния, интерференции множества лучей в точке приема и др. Быстрые замирания обладают свойствами пространственной и частотной избирательности, которые широко используются при реализации систем тропосферной связи с разнесенным приемом.

Из-за многолучевого характера ДТР УКВ первоначальные амплитудные и фазовые соотношения различных частотных сос­тавляющих переданного сигнала изменяются, что ведет к иска­жению формы принимаемого сигнала. Значит, тропосферную ли­нию связи можно рассматривать как некоторый линейный четы­рехполюсник с неравномерной амплитудно-частотной и нелиней­ной фазо-частотной характеристиками, т. е. с ограниченной поло­сой пропускания. Другими словами, тропосферный канал связи имеет ограниченную полосу пропускания, непрерывно и случай­но изменяющуюся во времени в соответствии с изменением ус­ловий распространения радиоволн. Эффективная полоса пропускания тропосферной линии связи расширяется при сокращении ее протяженности и увеличении направленности антенн, а также при использовании разнесенного приема, так как при этом многолучевой характер сигнала оказы­вается менее выраженным. В [10] приведены соотношения и гра­фики, позволяющие определить полосу пропускания тропосфер­ной линии связи при заданной вероятности неравномерности ам­плитудно-частотной характеристики.

Теоретические и экспери­ментальные исследования, а также практика строительства сис­тем тропосферной связи показывают возможности их использова­ния для передачи больших потоков информации, включая телеви­зионные программы.

Кроме замираний принимаемого сигнала и ограничения эф­фективной полосы пропускания тропосферных линий связи мно­голучевой характер ДТР вызывает потери усиления антенн. Дей­ствительно, в результате интерференции в точке приема мно­жества некогерентных лучей и изменения углов их прихода син­фазное и равномерное распределение поля в раскрыве приемной антенны нарушается и фронт волны будет отличаться от плос­кого. А это приводит к уменьшению коэффициента усиления ан­тенны и расширению ее диаграммы направленности.

С ростом направленности антенн и протяженности трассы ве­личина потерь их усиления возрастает. Это объясняется тем, что на протяженных трассах многолучевой характер ДТР УКВ про­является сильней, а фронт волны в раскрыве антенны по мере увеличения ее направленности должен приблизиться к идеально плоскому. Величина потерь усиления антенны оценивается выражением

,                              (9.4)

где - ширина диаграммы направленности антенны, рад;

R — эффективный радиус Земли, км;

D — дальность связи, км.

Уровень сигнала в точке приема практически не зависит от высоты h поднятия антенн над земной поверхностью при l=7-14, где l - длина рабочей волны. Однако площадки для размещения антенн следует выбирать в местах, господствующих над окружающей местностью.

Вихревые неоднородности более интенсивно выражены в ниж­них слоях атмосферы, что обусловлено характером их происхождения. Для того, чтобы использовать данное обстоятельство, ди­аграммы направленности антенн необходимо ориентировать 'почти касательно к Земле. При этих условиях объем рассеяния над земной поверхностью оказывается на высоте 3—6 км, а предель­ная дальность прямой радиосвязи (без использования ретрансля­ции) согласно (9.2) составляет 600 км.

При ДТР происходит заметная деполяризация радиоволн. Ес­ли поляризация излучаемых радиоволн, например, вертикальная, то уровень сигнала, принимаемого антенной с горизонтальной по­ляризацией, на протяженных трассах всего на 15—20 дБ ниже уровня сигнала, принимаемого идентичной антенной с вертикаль­ной поляризацией. С сокращением трассы эта разница возраста­ет до 30 дБ. Одной из причин деполяризации радиоволн являет­ся появление в тропосфере наклонных отражающих слоев.

Инженерные методы расчета тропосферных линий связи при­ведены в [10].

В существующих радиолиниях тропосферной связи использует­ся диапазон частот от 300 до 8000 МГц. Эти радиолинии условно разделяются на две группы: радиолинии прямой связи и радио­релейные линии. Предельная дальность прямой связи составляет 900 км. Радиорелейные линии обеспечивают связь на расстояния 2-3 тыс. км. Если трасса линии простирается над теплыми мо­рями, ее протяженность может достигать 10—12 тыс. км. Пре­дельная протяженность трассы во всех названных случаях опре­деляется отношением сигнал/шум на выходе телефонного канала, при котором обеспечивается хорошее качество связи. Это отноше­ние должно составлять около 40 дБ.

На радиолиниях прямой связи обычно используются подвиж­ные, максимально облегченные малоканальные станции, облада­ющие повышенной маневренностью.

Радиорелейные линии тропосферной связи могут быть как под­вижными, так и стационарными. Подвижные радиорелейные ли­нии имеют от 6 до 24 телефонных каналов. Стационарные радио­релейные линии рассчитываются на десятки и сотни телефонных каналов и могут обеспечивать передачу телевизионной програм­мы. Принципы построения радиорелейных линий, в которых ис­пользуется тропосферное рассеяние радиоволн и распространение радиоволн в пределах прямой видимости, в целом одинаковы. Однако аппаратура радиолиний тропосферной связи имеет ряд особенностей, обусловленных спецификой ДТР УКВ.

Уже отмечалось, что общее затухание сигнала при тропосфер­ном рассеянии радиоволн достигает сотни децибел. Поэтому для получения на входе приемника достаточного уровня сигнала не­обходимо использовать передатчики большой мощности - от единиц до десятков киловатт. Биологическая опасность излучения таких передатчиков исключается принятием специальных мер защиты обслуживающего персонала и соответствующим выбором трассы связи.

Выходные каскады передатчиков выполняются на магнетро­нах, усилительных клистронах и лампах бегущей волны. Коэффи­циент полезного действия мощных каскадов составляет около 30%, значит, при излучаемой мощности 10 кВт мощность рассея­ния на электронных приборах составляет несколько десятков ки­ловатт, что влечет за собой применение системы принудительного охлаждения выходных блоков передатчика.

Высокая чувствительность приемников тропосферных станций обеспечивается применением малошумящих усилителей СВЧ (па­раметрических или на туннельных диодах), в том числе охлаж­даемых сжиженным газом, а также увеличением коэффициента по­лезного действия антенно-фидерной системы. Увеличение указан­ного КПД достигается совмещенной конструкцией антенны и уси­лителя СВЧ при максимально сокращенной длине фидера.

Для увеличения уровня сигнала используются антенны с большим раскрывом. Отражатели стационарных антенн пред­ставляют собой сегмент параболоида размером от 20х20 м² до 40 40 м² и более. Коэффициент усиления таких антенн состав­ляет 40-45 дБ. В подвижных радиостанциях применяются пара­болические антенны диаметром 5-10 м с коэффициентом уси­ления около 30 дБ. Они могут быть цельнометаллическими или надувными с использованием специальной металлизированной пленки. При расчете трассы тропосферной связи учитываются упоминавшиеся выше потери усиления антенн. Влияние земной поверхности на диаграмму направленности исключается подъемом антенны на высоту h == (7-14)l [10].

Ввиду большой стоимости и громоздкости одна и та же антен­на часто используется как приемо-передающая, причем для пе­редачи и приема сигналов применяются облучатели с различной поляризацией. Исключить перегрузку приемника сигналом пере­датчика только этой мерой не удается. Необходимая развязка трактов передачи и приема достигается разделительными фильтрами.

Наиболее широко в станциях дальней тропосферной связи ис­пользуются частотно-модулированные (ЧМ) сигналы и однополос­ные сигналы (ОМ), позволяющие получить при всех прочих равных условиях наибольшее отношение сигнал/шум на выходе телефонного канала (по сравнению с другими видами сигналов), т. е. наибольшую эффективность связи. Расчеты показывают, что при небольших индексах частотной модуляции (около 1) отношение сигнал/шум на выходе телефонного канала станций с частотной и однополосной модуляцией одинаково. Если же ин­декс частотной модуляции равен десяти, что легко осуществимо в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн, то отношение сигнал/шум на выходе телефонного канала станций с ЧМ при­мерно на 22 дБ выше, чем в станциях с ОМ [10]. Однако рост индекса модуляции сопровождается расширением спектра сигна­ла и требуемой полосы пропускания приемника, т. е. ведет к увеличению мощности шума на входе приемника и ухудшению его пороговых свойств. Для обеспечения заданного отношения сиг­нал/шум на выходе приемника необходимо увеличивать превы­шение полезного сигнала над шумом на его входе. Таким обра­зом, при одинаковом отношении сигнал/шум на выходе приемника ЧМ сигналов с большим индексом модуляции и приемника ОМ уровень сигнала на входе ЧМ приемника должен быть значитель­но выше.

Одним из эффективных способов уменьшения порогаЧМ при­емника является обратная связь по частоте. Сущность способа состоит в сужении полосы пропускания приемника применением следящей настройки. С этой целью сигнал с выхода частотного детектора ЧД приемника через фильтр Ф подается на реактив­ный элемент РЭ, управляющий частотой гетеродина Г (рис. 9.12). При этом закон изменения частоты гетеродина оказывает­ся близким к характеру изменения частоты принимаемого сигна­ла. Вследствие этого уменьшается полоса спектра ЧМ сигнала по промежуточной частоте, что позволяет уменьшить пороговое зна­чение входного сигнала на 10-12 дБ.

 

Рис.9.12

Очевидно, что суммарный уход частоты ЧМ передатчика и ге­теродина ЧМ приемника должен быть значительно меньше шири­ны спектра сигнала с учетом обратной связи по частоте.

При передаче однополосного телефонного сигнала без пилот-сигнала суммарный уход частоты передатчика и гетеродина не должен превышать 50 Гц, так как в противном случае снижается разборчивость речи. Если предусматривается вторичное уплотне­ние телефонных каналов, то условия допустимых преобладаний ограничивают суммарный уход частоты значениями 2—5 Гц. В случае восстановления несущей частоты по пилот-сигналу сум­марный уход частоты ограничивается полосой пропускания фильт­ра пилот-сигнала, составляющей 100—200 Гц.

Изменение амплитуды в условиях замираний вызывает иска­жения однополосного сигнала и почти не сказывается на частот­но-модулированном сигнале, если амплитуда не падает ниже по­рогового значения. Однако многолучевой характер ДТР вызыва­ет специфичные переходные искажения ЧМ сигналов, так как в точке приема несущая частота воспроизводится с фазовым запаз­дыванием, а модулирующие частоты - с групповым.

При передаче дискретной информации по тропосферным кана­лам связи используется импульсно-фазовая и импульсно-кодовая модуляция. Расчеты и полученный в последние годы опыт пока­зывают перспективность применения широкополосных шумоподобных сигналов, особенно в мобильных радиостанциях.

Для повышения надежности тропосферной связи наиболее широко используется сдвоенный и счетверенный прием с час­тотным, пространственным и частотно-пространственным разне­сением. При некоторых видах модуляции возможен многократный прием с разнесением сигналов во времени. Все большее приме­нение находит многократный прием с угловым разнесением. Весь­ма перспективны способы повышения надежности связи, осно­ванные на использовании шумоподобных сигналов.

При сдвоенном приеме с пространственным разнесением на каждой станции предусматриваются два комплекта антенно-фидерных устройств и двухканальное приемное устройство. В слу­чае сдвоенного приема с частотным разнесением второй комп­лект антенно-фидерного устройства не нужен, но появляется необходимость иметь двойной комплект приемо-передающей аппа­ратуры, а также специальные разделительные фильтры, обеспечи­вающие одновременную работу на одну антенну двух передат­чиков и двух приемников, настроенных на различные частоты. При этом для передачи и приема используются облучатели с раз­личной поляризацией.

При счетверенном приеме с частотно-пространственным раз­несением на каждой станции помимо двух антенн необходимо иметь двойной комплект передающей аппаратуры и двойной комп­лект приемных устройств сдвоенного приема.

В случае углового разнесения в раскрыве антенны помеща­ется несколько облучателей, взаимно сдвинутых относительно ее фокуса, благодаря чему формируется несколько узких лучей ди­аграммы направленности, нацеленных на объем переизлучения тропосферы под разными углами. Каждый из облучателей пере­дающей антенны питается отдельным передатчиком, а облуча­тели приемной антенны подключаются к отдельным приемникам. Замирания принимаемых сигналов оказываются практически не­коррелированными, если угловое разнесение лучей диаграммы направленности составляет десятые доли градуса и более.

К недостаткам систем углового разнесения относятся труднос­ти установки нескольких облучателей в одном зеркале антенны, обеспечивающих формирование заданной диаграммы направлен­ности, и необходимость применения нескольких комплектов приемо-передающей аппаратуры. Расчеты показывают, что угловое разнесение целесообразно на стационарных радиолиниях [10].

Применение способов повышения надежности связи, основан­ных на использовании широкополосных сигналов, позволяет об­ходиться одним передатчиком и одним антенно-фидерным уст­ройством. Несмотря на то, что приемное устройство в этом случае оказывается достаточно сложным, станция в целом имеет прием­лемые габаритно-весовые характеристики и тем самым сущест­венно повышается ее мобильность. При этом сокращается время развертывания станции.

Несомненно, что каждая станция тропосферной связи пред­ставляет собой более сложное и дорогостоящее сооружение, чем обычные УКВ радиостанции, обеспечивающие связь в преде­лах прямой видимости. Значительно большее потребление энергии электропитания, более мощные электронные приборы передатчи­ков, более чувствительные приемники, большие размеры антенных устройств, необходимость борьбы с замираниями — все это ха­рактеризует отличие тропосферных станций от обычных. Но воз­можность иметь интервалы ретрансляций, которые увеличены в 5—10 раз (например, устанавливать на тысячекилометровой трас­се только 2—4 станции вместо 20—25), дает тропосферной связи ряд исключительных преимуществ (ведение связи с малонаселен­ными и малодоступными районами, осуществление связи через водные пространства и т. д.).

Опыт строительства и эксплуатации систем радиорелейной связи показывает, что стоимость канало-километра системы тро­посферной связи на 10—15% ниже стоимости канало-километра системы связи, в которой используется распространение УКВ в пределах прямой видимости [10].

 

Рис.9.13

На рис. 9.13 показана наиболее типичная структурная схема одноинтервальной тропосферной системы связи с частотно-про­странственным разнесением и счетверенным приемом. Каналообразующая аппаратура в комплект станций не входит и террито­риально может находиться в стороне от них.

Для передачи информации из пункта А в пункт Б применя­ется вертикально-поляризованное излучение сигналов на частотах f ₁ и f ₂, а для передачи в обратном направлении - горизонтально поляризованное излучение сигналов на частотах f ₃ и f ₄ .Каждый из передатчиков работает на свою антенну.

В пункте Б сигнал частоты f ₁ принимается на обе антенны и через разделительные фильтры Ф1 подводится к приемному уст­ройству сдвоенного приема ПРМ1. Сигнал частоты f ₂ принимается на эти же антенны и через разделительные фильтры Ф2 подается на приемное устройство сдвоенного приема ПРМ2. Достаточная декорреляция замираний достигается при f ₁ – f ₂ =2-4 МГц.

В результат е суммирования выходных напряжений ПРМ1 и ПРМ2 образуется результирующий сигнал, поступающий на каналообразующую аппаратуру. Таким образом, прием ведется, по существу, четырьмя отдельными приемниками, выходные напря­жения которых надлежащим образом складываются на промежу­точной или низкой частоте.

Аналогично осуществляется прием сигналов частот f ₃ и f ₄ пункте А. При благоприятных условиях ДТР УКВ, когда необхо­димая надежность связи обеспечивается сдвоенным приемом, вто­рой комплект приемо-передающей аппаратуры в пунктах А и Б используется для 100-процентного резервирования.

 

9.5. СИСТЕМЫ ИОНОСФЕРНОЙ СВЯЗИ.

По современным представлениям ионосфера занимает об­ласть высот атмосферы от 60 до 1600 км. В процессе распростра­нения радиоволн принимают участие слои, расположенные на вы­сотах от 55 и примерно до 500 км.

Ионизация атмосферы вызывается главным образом ультра­фиолетовыми лучами солнечного спектра, а также потоками вы­брасываемых Солнцем частиц, бомбардирующих земную атмос­феру.

Ионизированные слои воздуха обладают способностью отра­жать радиоволны, благодаря чему и осуществляется дальняя связь на коротких волнах. Ультракороткие же волны проникают сквозь ионосферу, не отражаясь от нее, за исключением периодов очень высокой солнечной активности. Поэтому регулярная УКВ связь за счет отражения от ионизированных слоев атмосферы не­возможна.

В 1951 г. была открыта возможность регулярной дальней УКВ связи за счет рассеяния радиоволн локальными неоднородностями ионосферы (рис. 9.14). Локальные неоднородности электронной концентрации ионосферы возникают на высоте 55-120 км вслед­ствие временных и пространственных флуктуации ионизирующего потока и турбулентного перемешивания воздушных масс[11].

Индекс преломления радиоволн в пределах локальных неоднородностей ионосферы отличается от его значений для окружаю­щей среды, этим и объясняется рассеяние некоторой небольшой доли энергии радиоволн, идущих сквозь слой ионосферы. Таким образом, по своему существу дальнее ионосферное и дальнее тропосферное распространение УКВ имеют много общего. Вместе с тем между рассеянием УКВ в тропосфере и ионосфере имеется следующая принципиальная разница: тропосферное рассеяние обусловлено неоднородностями молекулярных характеристик (температуры, влажности, давления), а ионосферное— неодно­родностями ионизационных характеристик (содержания свобод­ных электронов в газе).

 

 

Рис.5.14

 

Известно, что относительное значение диэлектрической прони­цаемости ионизированного газа выражается формулой [11]

 

,                                     (9.5)

где N — электронная концентрация, т. е. число электронов в 1м³;

  f — частота радиосигнала.

Коэффициент преломления среды связан с e_отн соотношением

                                      .                                          (9.6)

Из (9.5) и (9.6) находим

 

              .               (9.7)

 

    Здесь - так называемая плазменная частота, а  - флуктуации электронной концентрации. Разделив обе части (9.7) на n, получим

                                   .                               (9.8)

Отсюда следует, что флуктуации электронной концентрации в изменениях индекса преломления, а значит, и напряженность электромагнитного поля рассеяния по мере повышения частоты сигнала резко снижаются. Физически это объясняется тем, что рассеяние происходит вследствие перемещений электронов под воздействием переменного поля, но электроны обладают инерцией, и их отклонения уменьшаются с увеличением частоты пе­ременного поля.

Как и при тропосферной связи, поля ионосферного рассеяния УКВ можно характеризовать средним множителем ослабления g_ср определяемым по формуле (9.3). Зависимость g_ср от частоты показана на рис. 9.15. На более низких частотах уровень принимаемого сигнала снижается ввиду увеличения поглощения в слое Д. Поэтому для ионосферной связи используется диапазон частот 25-75 МГц, т. е. частотная емкость ионосферных систем связи значительно меньше тропосферных.

Зависимость g_ср от расстояния, приведенная на рис. 9.16, показывает, что интенсивность поля рассеяния при изменении дальности связи от 1000 до 2200 км изменяется незначительно. Многочисленные опыты показали, что связь за счет ионосферного рассеяния радиоволн возможна на расстояниях 700-2200 км [11].

По мере роста крутизны падения радиоволн на ионизированный слой, т.е. увеличения угла q_р (рис. 9.14), интенсивность рас­сеянного сигнала уменьшается. При некотором критическом зна­чении q_р радиоволны проходят сквозь слой ионосферы с резким уменьшением рассеяния. Этим и объясняется невозможность ионосферной связи на расстояния, меньшие 700 км. Иными сло­вами, возникает так называемая зона молчания. Минимальное значение угла q_р ограничивается выпуклостью земного шара. При минимальных значениях q_р объем рассеяния находится на высоте 100-120 км, определяющей согласно (9.2) максимально возможную дальность связи (около 2500 км).

 

                  Рис.9.15                                    Рис.9.16

 

Интенсивность сигнала рассеяния изменяется в зависимости от времени года и суток. В летние месяцы и в дневные часы уро­вень сигнала возрастает. На уровень сигнала влияет и географи­ческая широта, причем в полярных широтах ионосферная связь более устойчива.

При ионосферном распространении УКВ наблюдаются медлен­ные и быстрые замирания сигнала. Быстрые замирания подчиня­ются закону Релея, а их частота колеблется в пределах от 0,2 до 5 Гц. Сигнал в точке приема образуется в результате интер­ференции многих лучей с различным временем запаздывания. Время запаздывания изменяется в широких пределах из-за боль­шой толщины ионосферы и может достигать 20 мс. Лучи, отра­женные от спародического слоя Е _s запаздывают на 30-40 мс. Столь большая разница во времени запаздывания различных лу­чей приводят к резкому сужению эффективной полосы пропуска­ния ионосферной линии связи. Для средних широт при использо­вании антенн с коэффициентом усиления 20 дБ полоса пропус­кания составляет около 4 кГц, что позволяет организовать один телефонный и несколько телеграфных каналов. Благодаря при­менению остронаправленных антенн и разнесенного приема уда­ется расширить полосу пропускания до 30 кГц.

Тот факт, что полоса пропускания ионосферной линии в сотни раз уже тропосферной, казалось бы должен был свести на нет полезность ионосферных систем связи. Однако это не так. Ионо­сферная связь имеет колоссальное преимущество перед другими видами радиосвязи. Оно состоит в том, что в периоды аномаль­ных состояний атмосферы устойчивость ионосферной связи повы­шается, и в данном случае она может стать единственным видом радиосвязи. Особенно целесообразна ионосферная УКВ связь в полярных широтах, где северное сияние является экраном для ко­ротких волн.

Методика инженерного расчета ионосферных и тропосферных линий связи аналогична [10,11].

Аппаратура систем ионосферной связи строится с учетом осо­бенностей дальнего ионосферного распространения УКВ в диапа­зоне частот 25-75 МГц. Для компенсации поглощения вдоль весьма протяженной трассы и получения необходимого уровня сигнала в точке приема мощность передатчика выше, чем в слу­чае тропосферной связи, и составляет 20-50 кВт и более. Вы­ходные каскады собираются на металлокерамических триодах с принудительным охлаждением. Для увеличения мощности пере­дающих устройств широко практикуется способ сложения мощ­ностей отдельных передатчиков в околоантенном пространстве.

Ввиду ограниченности полосы пропускания ионосферной ли­нии связи в передатчиках применяется однополосная модуляция в телефонном режиме и частотная манипуляция в телеграфном ре­жиме. Значит, возбудители передатчиков должны обеспечивать высокую стабильность частоты.

При организации многоканальной связи применяется времен­ное уплотнение, так как в этом случае мощность передатчика полностью используется для каждого канала.

Эффективное использование мощности передатчика и ослаб­ление влияния сигналов, отраженных от метеорных следов и слоя Е _s, достигается применением остронаправленных антенн с коэффициентом усиления 25-30 дБ и более. Таким усилением в диапазоне частот, пригодном для ионосферной связи, обладают ромбические двухэтажные антенны с длиной стороны (10-20) l и многоярусные антенны типа волновой канал.

Приемные устройства ионосферной связи строятся по суперге­теродинной схеме с двойным или тройным преобразованием частоты. Этим достигается их высокая чувствительность и избира­тельность. Для борьбы с быстрыми замираниями сигнала широко применяется сдвоенный прием на разнесенные антенны. Интервал разнесения антенн должен быть не менее 10 λ при поперечном и 40l — при продольном разнесении.

В настоящее время системы ионосферной связи применяются как России, так и в зарубежных странах. Первые линии ионо­сферной связи были построены в арктических широтах. Одна из таких систем — «Биттер Свит» связывает США и Англию через Канаду, Гренландию и Исландию. Три ретрансляционных пункта обеспечивают связь на расстоянии 4,5 тыс. км. Мощность пере­датчиков достигает 50 кВт, рабочий диапазон частот - около 35 MГц, сигнал - однополосный, число телефонных каналов равно восьми, прием - сдвоенный, антенны - многоярусные дипольного типа с площадью излучения 1800 м², надежность линии свя­зи в течение года составляет 99%.

Известна линия ионосферной связи в тропическом поясе. Она находится между Гавайскими и Филиппинскими островами, об­щая длина этой линии 10 400 км, число ретрансляций равно пя­ти, протяженность отдельных участков линии составляет 1300— 1900 км.

Из-за большой мощности передатчиков и сложности антенных систем, как правило, создаются стационарные линии дальней ионосферной УКВ радиосвязи.

 

9.6. СИСТЕМЫ МЕТЕОРНОЙ СВЯЗИ

В течение суток в земную атмосферу из мирового пространст­ва вторгается около 10¹⁰ твердых частиц, суммарная масса кото­рых достигает одной тонны. Врезаясь в верхние слои атмосферы со скоростью 12—75 км/с, эти частицы вследствие трения накаля­ются, плавятся и в большинстве случаев испаряются, образуя на высоте 80—120 км световые вспышки, названные метеорами (ме­теор по-гречески — парящий в воздухе). Продолжительные на­блюдения позволили установить, что за большие промежутки времени изменения среднего числа метеоров в зависимости от време­ни суток, года и географической широты носят довольно законо­мерный характер. Наибольшее число метеоров имеет место в ут­ренние часы, наименьшее — в вечерние, причем осенью метеоров значительно больше, чем весной. Годичные изменения числа ме­теоров более выражены в полярных широтах, а суточные - в эк­ваториальной области.

В результате столкновений молекул и атомов испаряющегося метеорного тела с молекулами и атомами верхних слоев атмос­феры на высоте 80-120 км образуются ионизированные метеор­ные следы в виде цилиндрического столба со средней протяжен­ностью 25 км, диаметр которого равен нескольким сантиметрам. За счет диффузии след быстро расширяется и под влиянием вы­сотных ветров теряет свою форму. Чем больше масса и скорость метеорного тела и меньше коэффициент диффузии электронов, тем выше степень ионизации следа и больше время его существования [12].

При прохождении радиоволн через ионизированный метеорный след электроны последнего начинают совершать колебания с час­тотой падающих радиоволн и создают вторичное излучение (рис. 9.17). Это излучение носит зеркальный, а не рассеянный харак­тер, вследствие чего уровень сигнала в точке приема оказывается значительно выше, чем в случае ионосферного распростране­ния радиоволн. Следовательно, метеорная радиосвязь на те же максимальные расстояния, что и ионосферная, возможна при использовании сравнительно маломощных передатчиков и прос­тых антенн. В отличие от ионосферных станций станции метеор­ной связи могут быть не только стационарными, но и подвижными.

 

 

 

Рис.9.17

В системах дальней метеорной радиосвязи рекомендуется ис­пользовать диапазон частот 30-100 МГц. Ограничение сверху объясняется инерцией электронов, участвующих в зеркальном от­ражении радиоволн, а также недостаточной электронной концен­трацией метеорного следа для зеркального отражения более вы­сокочастотных сигналов. Использование более низких частот соп­ряжено с уменьшением частотной емкости метеорного канала свя­зи, что особенно существенно, и увеличением поглощения в слое Д. В пределах указанного диапазона частот мощность сиг­налов в точке приема растет с увеличением мощности передат­чика Р, коэффициента усиления антенн G , электронной плотности следа N , с уменьшением рабочей частоты f и дальности связи D . Если ось метеорного следа лежит в плоскости, проходящей через точку отражения радиоволн и корреспондирующие пункты А и Б, то уровень сигнала в пункте приема при заданных Р, G , f , N , и D достигает максимального значения.

С увеличением мощности передатчика даже сравнительно сла­бые метеорные следы, возникающие на трассе АБ, могут обеспе­чить необходимый уровень сигнала в точке приема. Другими сло­вами, чем больше мощность передатчика, тем больше метеорных следов становятся пригодными для поддержания связи. То же са­мое можно сказать и об усилении антенн, но только до опреде­ленных пределов. Дело в том, что с увеличением G уменьшается область взаимной видимости антенны корреспондентов, а зна­чит, и число пригодных для связи метеорных следов, приходя­щихся на эту область. Поэтому в метеорных системах связи используются антенны с усилением около 20 дБ. Понятно, что при заданных Р, G , f , N и D число фиксируемых приемником отра­женных сигналов возрастает с увеличением реальной чувствитель­ности приемника.

Радиолокационные наблюдения показывают, что наиболее выгодные с точки зрения отражения радиоволн метеорные сле­ды имеют место в областях полусферы, расположенных по обе стороны трассы связи АБ. При этом наиболее полезные области в утренние часы лежат севернее, а в вечерние — южнее плоскости большого круга, проходящей через пункты А и Б. Максимальное отклонение полезных областей в обе стороны от трассы АБ (в азимутальной плоскости) достигает 20-30°. Поэтому целесооб­разно диаграммы направленности антенн корреспондирующих станций строить из двух лепестков, определенным образом распо­ложенных по обе стороны трассы АБ. В течение суток коррес­понденты должны корректировать ориентацию антенн или управ­лять положением лепестков диаграммы направленности.

Длительность сигнала, отраженного от метеорного следа, из­меняется в широких пределах и зависит от массы метеорного тела, скорости, с которой оно вторгается в верхние слои атмосферы, направления его движения относительно трассы, диффузии час­тиц метеорного следа и высотных ветров.

Рис.9.18

 Из рис. 9.18 следует, что длительность существования большинства следов, пригодных для связи, составляет 0,1-1,5 с. В среднем можно считать, что за 1 минуту регистрируется 2-3 отраженных сигнала длительностью около 1 с. Значит, связь за счет отражения укв от ионизирован­ных следов метеоров может быть только прерывистой, причем дли­тельность сеансов составляет 3-5% от общего времени работы аппаратуры метеорных станций. Вместе с тем благодаря зер­кальному отражению волн и прерывистому характеру связи ме­теорная радиосвязь обладает высокой скрытностью.

Возникновение благоприятного для связи метеорного следа и длительность его существования есть процессы случайные. Поэ­тому в системах метеорной связи широко применяется принцип управляемой прерывистой передачи информации, состоящий в том, что информация передается с высокой скоростью частями лишь в течение времени существования пригодных для связи метеорных следов. В интервалах между этими кратковременными сеан­сами связи производится непрерывное зондирование ионосферы с целью обнаружения пригодных следов. При этом возможны одно­сторонняя и двусторонняя управляемые передачи. В первом слу­чае информация передается в одном направлении, например от станции А к станции Б. Во встречном направлении (от Б к А) поступают лишь сигналы, управляющие передачей информации в соответствии с уровнем отраженного сигнала на приемной сторо­не (станции Б). Во втором случае и встречный радиоканал ис­пользуется для передачи информации. Система двусторонней пе­редачи обеспечивает более высокую пропускную способность при заданной достоверности.

Возможна неуправляемая прерывистая передача, состоящая в том, что информация частями передается многократно без зонди­рования ионосферы с целью обнаружения пригодных для связи метеорных следов. Естественно, приемник в этом случае воспри­нимает случайные отрезки передаваемых сигналов, но благодаря многократной передаче корреспондент может составить полное представление о передаваемом сообщении. Аппаратура неуправля­емых систем проста по своему составу, однако эти системы не мо­гут обеспечить высокую достоверность передачи информации.

По радиоканалам метеорной связи возможна передача теле­фонных, телеграфных и фототелеграфных сигналов. Передатчи­ки и приемники систем метеорной связи по принципу построения сходны с передатчиками и приемниками систем ионосферной свя­зи. Чаще всего применяется частотная модуляция и манипуляция, однако не исключено применение фазо-импульсной модуляции.

Наиболее широко используются антенны типа «волновой ка­нал» с раствором диаграммы направленности около 30°.

Неотъемлемой частью систем метеорной радиосвязи являются накопительные устройства. Их применение диктуется необходи­мостью сочетания быстродействующей прерывистой передачи по радиоканалу с равномерным вводом и выводом информации со­ответственно на передающей и приемной сторонах. При низких скоростях передачи информации по радиоканалу используются накопители на магнитной и бумажной перфорированной ленте. В случае передачи информации со скоростью более 2000 слов в ми­нуту применяются электронно-лучевые трубки с накоплением за­рядов или матричные накопители на ферритовых сердечниках.

Важное значение имеет правильный выбор емкости накопи­тельного устройства. При слишком малой емкости накопителя пе­редача информации по радиоканалу может прекратиться раньше, чем исчезнет метеорный след, и средняя скорость передачи будет меньше максимально возможной. Из-за ограниченной средней ско­рости передачи информации по метеорному радиоканалу слиш­ком большая емкость накопителя эффективно использоваться не будет, а только увеличит его стоимость. Оптимальную величину емкости накопителя для данной трассы можно рассчитать, если известны функции распределения длительности пригодных для связи метеорных следов и интервалов между ними, а также ско­рость поступления информации в накопитель. Экспериментально установлено, что для большинства трасс упомянутые функции с некоторой долей достоверности можно аппроксимировать распре­делением Пуассона. В этом случае оптимальную емкость нако­пителя можно рассчитать по методике, изложенной в [12].

На рис. 9.19 приведена структурная схема одного из воз­можных вариантов построения метеорной системы связи с управ­ляемой двусторонней передачей информации. Система работает в двух режимах: зондирования и передачи. В режиме зондирования ионосферы с целью обнаружения метеорных следов, пригодных для радиосвязи, непрерывно излу­чаются немодулированные колебания частот f ₁ и f ₂. При этом передатчики работают на пониженной мощности. В случае от­сутствия метеорных следов напряжение на выходе приемников, создаваемое шумами, будет ниже некоторого порогового уровня. С появлением пригодного для связи метеорного следа напряжение на выходе приемников за счет приема колебаний несущей час­тоты резко возрастает и превышает пороговое значение. Благода­ря этому пусковые устройства ПУ начинают вырабатывать пус­ковые сигналы с частотой F, которые модулируют колебания пе­редатчиков. Значение F выбирается кратным частоте развертки передающего и соответствующего ему приемного накопителя. При­нятые корреспондентами модулированные сигналы подтвержда­ют наличие условий, благоприятных для двусторонней связи.

 

 

Рис.9.19

 

Выделенные приемниками сигналы пуска переводят систему связи в режим передачи. При этом передатчики включаются на полную мощность, прекращается передача пусковых сигналов, а управляющие устройства УУ с большой скоростью считывают сиг­налы передающих накопительных устройств НУ и подают их на модулятор передатчика. «Выстрелянные» таким образом сигналы на противоположных концах трассы связи принимаются приемни­ками и с большой скоростью поступают в приемные накопи­тельные устройства НУ. Из приемных накопителей к получателям сигналы поступают со скоростью, равной скорости их записи в соответствующих передающих накопителях.

Передача по радиоканалу будет продолжаться до тех пор, пока принимаемые сигналы не станут ниже некоторого порого­вого уровня. Когда это произойдёт, система связи перейдет в ре­жим зондирования. Непрерывно поступающая от отправителей информация будет накапливаться в передающих накопителях в ожидании появления нового метеорного следа.

Рассмотренный принцип действия метеорной системы связи несколько идеализирован. В действительности из-за различного уровня помех в точках приема продолжительность сеанса двусто­ронней связи будет определяться приемником с меньшим отно­шением сигнал/шум в данный момент времени.

Метеорные системы связи с управляемой передачей информа­ции автоматически выбирают только те метеорные следы, кото­рые отражают радиоволны в направлении приемного пункта. Это затрудняет радиоперехват и создание радиопомех.

Системы метеорной и ионосферной радиосвязи работают при­мерно в одном и том же диапазоне частот и обеспечивают мак­симальную дальность связи около 2500 км. Однако по другим показателям метеорные системы связи имеют ряд преимуществ по сравнению с ионосферными.

Энергетически метеорные системы связи более экономичны. При связи на одинаковые расстояния мощность передатчиков ионосферных систем значительно превосходит мощность передат­чиков метеорных систем. Так, на трассах протяженностью 1000-1500 км требуемая мощность передатчика ионосферной связи составляет 20-50 кВт. Кроме этого, передатчики метеорных сис­тем связи более 90 % времени работают на пониженной мощности в режиме зондирования метеорных следов.

Благодаря меньшей мощности передатчиков и зеркальному от­ражению радиоволн при метеорной связи наблюдаются меньшие взаимные помехи работающих радиостанций.

Сравнительно небольшая требуемая мощность передатчиков и простота используемых антенн открывают возможность пост­роения метеорных систем связи не только в стационарном, но и в подвижном вариантах.

Частотная зависимость условий дальнего распространения УКВ за счет отражения от метеорных следов выражена слабее, чем при рассеянии локальными неоднородностями ионосферы. Поэтому в метеорных системах связи может использоваться более широкий диапазон частот — до 100 МГц. Эффективная полоса пропускания метеорной линии связи в 10—20 раз шире ионосферной и составляет 100—200 кГц. Следо­вательно, метеорные системы превосходят ионосферные по воз­можному числу каналов связи несмотря на расширение спектра сигнала при «выстреливании» информации. Пропускная способ­ность метеорных систем радиосвязи в 10 раз выше пропускной способности ионосферных систем при одинаковых мощностях передатчиков [12].

Метеорная радиосвязь обладает высокой скрытностью, во-пер­вых, потому что при управляемой передаче информации автома­тически выбираются только те метеорные следы, которые дают отражения радиоволн, направленные в район приемного пункта, во-вторых, потому, что информация передается кратковременно на больших скоростях, которые могут изменяться. Это затрудня­ет радиоперехват и создание прицельных помех.

К недостаткам систем метеорной связи можно отнести следу­ющее:

- запаздывание информации, обусловленное прерывистым режимом передачи, поэтому метеорная радиосвязь непригодна для передачи команд и другой высокооперативной информации;

- сложность оконечной аппаратуры, включающей в свой сос­тав накопительные, пусковые, управляющие и другие устройства.

В заключение необходимо отметить, что ионосферные и мете­орные линии связи перспективны. Они незаменимы в труднодо­ступных районах и полярных широтах.

9.7. СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ РАДИОСВЯЗИ

 

---

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 413; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!