Галуев Г.А. Принципы построения и основы функционирования систем и сетей связи

Подождите немного. Документ загружается.

ОА – оконечная аппаратура, где в передающей части осуществляется

частотная модуляция несущей промежуточной частоты групповым сигналом и

последующее усиление ПЧ, а в приемной части осуществляется демодуляция

сигнала ПЧ.

Высокочастотная аппаратура приемник (Пр) и передатчик (П): в прием-

нике сигнал СВЧ преобразуется в сигнал ПЧ и усиливается, в передатчике сиг-

нал ПЧ

преобразуется в сигнал СВЧ и усиливается.

В последнее время существенно возрастает при создании линий связи

удельный вес цифровых РРЛ (ЦРРЛ). О преимуществах передачи сигналов в

цифровой форме мы уже говорили выше.

Применительно к радиорелейным линиям связи можно добавить, что

использование цифровых способов передачи радиосигналов позволяет практи-

чески исключить накопление искажений

за счет наличия ретрансляционных

РРС и резко повысить качество передачи при наличии замираний на пролетах

РРЛ.

Структура оконечной станции (ОА) цифровой РРЛ показана на рисунке 2.25.

АЦП Р М

Тракт

по

СВЧ

Тракт

по

СВЧ

Д М

ЛС

ЛС - линия связи

ГЛСГЛС

ЦАП

Рис.2.25.

На передающей части АЦП преобразует аналоговые сигналы (например те-

лефонные сообщения от многих источников) в общей цифровой групповой ли-

нейный сигнал (ГЛС), который восстанавливается по форме, длительности и

амплитуде в регенераторе (Р), и преобразуется модулятором (М) и в тракте ПЧ

СВЧ в сигнал, пригодный для передачи по линии

связи. В приемной части про-

исходит последовательность обратных преобразований.

Электромагнитная совместимость

Современное развитие радиоэлектронных средств таково, что практи-

чески всегда любая система связи работает в окружении других систем связи.

При этом передатчики данной системы связи могут создавать помехи в прием-

никах других систем связи. Таким образом, при проектировании систем связи

необходимо проверит возможность электромагнитной совместимости (ЭМС)

проектируемой системы с другими радиоэлектронными системами. Задача

обеспечения ЭМС радиоэлектронных средств состоит в том, чтобы при выпол-

нении соответствующих условий взаимные помехи не мешали нормальному

функционированию этих средств. Особенно остро эта задача стоит для РРЛ

прямой видимости.

Основными методами обеспечения ЭМС для РРЛ прямой видимости

являются:

1. Оценка электромагнитной обстановки в районе расположения РРС. Такая

оценка осуществляется на основе сбора информации о плане размещения

всех радиоэлектронных средств в данном районе с учетом используемых

частот, мощностей передатчиков, направлении излучения, а также парамет-

ров приемников, антенн, и

передаваемых сигналов. На основе такого анали-

за можно судить о целесообразности установки РРС в данном районе.

2. Исключение интенсивных дискретных составляющих в спектрах переда-

ваемых сигналов. Если спектр передаваемого сигнала содержит достаточно

мощную дискретную составляющую (например спектр ЧМ сигнала при мо-

дуляции многоканальным ТФ сообщением содержит мощную дискретную

составляющую на частоте

4 кГц), то она может служить источником помех.

Для уменьшения этих помех используют специальный сигнал – сигнал дис-

персии (рассеивания), с помощью которого осуществляется рассеивание

мощности дискретных составляющих ЧМ сигналов.

При передаче сигналов по ЦРРЛ в цифровом сигнале присутствуют ре-

гулярно повторяющиеся символы и группы символов. Это приводит к появле-

нию в

спектре сигнала на выходе СВЧ передатчика интенсивных дискретных

составляющих, которые могут мешать другим радиоэлектронным средствам.

Для рассеяния этих дискретных составляющих по частотному спектру

также вводят сигналы дисперсии. Такая операция для ЦРРЛ называется скремб-

лированием. Суть этой операции в том, что к исходному цифровому потоку до-

бавляется псевдослучайная последовательность импульсов, что придает

цифро-

вому потоку более случайный характер. Скремблер обычно ставят перед моду-

лятором М, а на выходе демодулятора Д ставят дескремблер.

Наряду с указанными, используются также методы пространственного

и частотного разнесения, о которых говорилось выше.

2.5. Спутниковые и телевизионные системы связи. Типы

искусственных спутников. Коммерческие системы спутниковой связи.

Структура телевизионной системы,

типы развертки, стандарты цветного

телевидения NTSC, SECAM, PAL

Спутниковые системы связи и телевизионные системы

Спутниковые системы связи это своего рода радиорелейная система с

одним ретранслятором, расположенном в открытом космосе. При этом многие

системы спутниковой связи используют теже самые полосы частот, что и на-

земные радиорелейные системы связи. В тоже время спутниковые системы от

крывают дополнительные возможности организации новых видов услуг и об-

служивания, которые раньше нельзя было обеспечить с помощью радиорелей-

ных линий связи прямой видимости. Это прежде всего передача информации от

одного источника очень большому числу приемников (телевидение, радиове-

щание, передача газет и др.), расположенных на большой территории. Это по-

зволяет снять большую часть нагрузки с кабелей и радиорелейных сетей и ис-

пользовать такие линии связи для нужд телефонии, телеграфной

связи и других

видов обслуживания.

Искусственные спутники используемые для связи могут быть двух ти-

пов: спутник на эллиптической орбите, вращающийся вокруг земли и непод-

вижный (стационарный) относительно поверхности земли на стационарной ор-

бите, расположенной обязательно над экватором (стационарный спутник распо-

лагается на таком расстоянии от земли, чтобы центробежная сила отрывающая

его от земли была равна силе притяжения. Т.к. масса спутника входит в расчет-

ные формулы той и другой силы, это расстояние не зависит от массы спутника

и равно 32 752 км над уровнем моря на экваторе). Вращающиеся спутники тре-

буют установки на пунктах приема и передачи данных (на земле) вращающихся

антенн, следящих

за спутником. В случае спутника со стационарной орбитой

это требование отпадает и антенное устройство упрощается. Через спутники

оказывается возможным передача информации практически в любую точку

земного шара. Однако при этом из-за значительного расстояния сигнал от спут-

ника приходит очень слабый. Увеличить мощность сигнала можно двумя спо-

собами:

1. Сделать

более узким луч, но при этом сужается диаметр пятна освещения

лучом земной поверхности.

2. В настоящее время уже имеются достаточно мощные источники энергии,

позволяющие просто увеличить до требуемых значений мощность излуче-

ния на самом спутнике.

В спутниковых системах связи также как и в кабельных линиях или радио-

релейных используется стандартная

аппаратура, позволяющая создавать каналы

связи всех рассмотренных ранее типов: телефонных, широкополосных и др.

При этом, в современных условиях через спутниковые системы связи обеспечи-

ваются такие виды услуг как телевидение и радиовещание, а также новый вид

услуг телефонная радиосвязь между подвижными объектами. Для целей теле-

видения и радиовещания используются стандартные методы аналоговой

моду-

ляции и способы уплотнения с частотным разделением каналов. Для организа-

ции телефонной радиосвязи между стандартными или подвижными объектами

используют цифровой способ передачи данных и соответственно цифровые ме-

тоды модуляции речевых сигналов (ЦКМ, дельты модуляции и другие), для уп-

лотнения линий связи применяют временное разделение каналов. Все эти мето-

ды

мы с вами уже рассмотрели.

Поскольку спутниковые системы связи в настоящее время ориентиро-

ваны в основном на передачу телевизионных программ поговорим немного о

телевизионных системах.

Телевизионные системы

Телевизионное изображение формируется как правило, на электронно-

лучевой трубке и предназначено для восприятия глазом. Видимое человеческим

глазом излучение лежит в области спектра электромагнитных волн длиной от

λ=380-760 нм. В самом общем виде структуру ТВ системы можно представить

как показано на рисунке 2.26.

ФЭП ОУ КС

ГР СГ

ОУ ЭПТ

ГР

ОБ

ИС

Рис. 2.26.

Источник света (ИС) освещает передаваемую сцену (С) световым пото-

ком Ф

. Отраженный световой поток Ф оказывается сложной функцией про-

странственных координат

ZYX ,, пространства объектов сцены, длины волны

излучения λ и времени t. С помощью объектива (ОБ) формируется изображение

сцены E(x, y, z, λ, t) в виде распределения освещенности участков сцены в ко-

ординатах

ZYX ,,

пространства изображения. Это изображение является

входным сигналом ТВ системы. С помошью фотоэлектрического

преобразователя (ФЭП) оно преобразуется в электрический сигнал. (ФЭП –

видиконы, кремниконы, ПЗС структуры и т.д.). Этот сигнал после обработки и

усиления (ОУ) сигнал поступает в канал связи КС (кабельная линия, радиоканал

и т.п.). С выхода канала связи, после дополнительной обработки и усиления

(ОУ) поступает в электронно-лучевую трубку ЭЛТ, на которой воспроизводится

изображение передаваемой сцены. Для синхронизации всех узлов системы

используется синхрогенератор СГ, а для отклонения электронного луча в ЭЛТ

используется генератор развертки (ГР).

В современных телевизионных системах используется поэлементная

передача информации об изображении. Распределение освещенности,

усредняемое

в малых участках изображения, называется элементом

изображения, который преобразуется в сигналы, представляющие яркость и

цвет соответсвующих элементов изображения. Последовательная передача

элементов изображения получила название развертки изображения.

Возможность последовательной передачи изображений основана на инерции

зрения, благодаря чему передача отдельных участков изображения с частотой

превыщающей частоту мельканий для глаза, воспринимается как непрерывная.

Кроме того при достаточной частоте предъявлений отдельных статических

изображений наступает слитное восприятие движения. Возможны различные

траектории телевизионной развертки. При этом с точки зрения спектрального

состава сигнала важным является постоянство линейной скорости развертки. На

практике используется построчная развертка, когда все строки одного кадра

передаются за один период его развертки по строкам

как показано на рисунке

2.27.

Рис. 2.27.

Используется также и черезстрочная развертка за 2 периода –

называемых полями: одно поле содержит все четные строки одного кадра,

второе – все нечетные строки этого же кадра.

Распределение освещенности E(x,y) можно разложить в ряд Фурье

)

cos()(),(

yEyxE

∑

∞

где

- число периодов, укладывающихся на ширине изобра-

жения

;

(y) – амплитуда;

– период изменения яркости;

– начальная фаза m-го компонента.

Поскольку амплитуда E

(y) m-ой точки изображения зависит от коор-

динаты у ее можно представить

)

cos()(

, n

nmm

EyE

′′

∑

∞

′

- амплитуда m-го компонента по ширине и n-го компонента по

высоте изображения;

Тогда, подставив E

(y) в выражение для E(x,y) получим

∑∑

∞

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−+−++++

′′

)

cos()

cos(),(

nmnmnm

EyxE

ϕϕ

ππ

ϕϕ

ππ

где

′

Т.к. при m=const слагаемые в аргументе первой косинусоидальной за-

висимости ряда изменяются от 0 до +∞, а во второй – от 0 до -∞, то оба компо-

нента можно объединить изменив пределы изменения n от 0 до -∞ и обозначить

nmnm

−

∑∑

+∞

−∞=

′

)

cos(),(

mnmn

EyxE

ππ

– проекции периода пространственной волны

на оси х и у

cos

λλ

Тогда период пространственной волны

)/()/(

hnem

, а угол наклона

)(

arctga

Таким образом, любое изображение может быть представлено в виде

суммы бесконечного числа пространственных косинусоидальных волн с

+∞≤=≤∞−+∞≤=≤

nи

λλ

Содержанием передаваемого изображения определяются амплитуды

и начальные фазы ϕ

компонентов mn ряда.

При постоянной скорости развертки по строкам V

и по кадрам V

ко-

ординаты передаваемых элементов изображения

x=V

t=l

y= V

t=h

изменяются пропорционально времени t,

где f

–частота кадров;

– полное число строк в кадре.

Фототок в линейном ФЭП пропорционален освещенности элементов

изображения

i(x,y)=cE(x,y)

Тогда

[]

∑∑

+∞

−∞=

++=

)(2cos

mnkkmn

nffmZEi

ϕπ

Слагаемые в круглых скобках имеют размерность частоты

вргрkk

nfmfnffmZf

и определяют частотный спектр

телевизионного сигнала.

гр

– частота горизонтальной развертки,

вр

– частота вертикальной развертки.

гр

вр

– полное число строк в кадре

Этот спектр имеет дискретную структуру и содержит гармоники с но-

мерами 0≤m<+∞, кратные частоте f

гр

, около каждой из которых группируются

гармоники с номерами -∞≤n≤+∞, кратные f

вр

, как показано на рисунке 2.28.

вр

гр

n=0

m=0

+1 +2 +3 -2 -1 0

Рис. 2.28.

При построчном разложении изображения отношения частоты горизон-

тальной (строчной) развертки f

стр

к частоте вертикальной (кадровой) f

разверт-

ки

стр

вр

гр

характеризуется целым числом Z

строк в кадре. На интервале между

двумя соседними гармониками частоты f

гр

стр

укладывается Z

целых интерва-

лов частоты f

В телевизионном вещании используют две несущие частоты. Одна из

них – несущая частота изображения, другая несущая частота звука.

Разнос этих несущих стандартизирован и в разных странах различный.

В России он составляет 6,5 МГц, в Америке 4,5 МГц, 5,5 Мгц – в ряде

стран западной Европы, 6 МГц – в Англии.

Для передачи TV изображений в нашей стране используют 12

радиока-

налов в полосе частот от 48,5 до 230 МГц. На каждый канал отводится 8 МГц.

В мире действуют 2 стандарта телевизионной развертки: Европа – 625

строк и 25 кадров в секунду; Америка – 525 строк и 30 кадров в секунду.

Стандартизованы также 3 системы цветного телевидения: NTSC,

SECAM, PAL.

Система NTSC разработана в США, ее стандарт принят в 1953 году и

используется в Японии

, Канаде и др.

Советско-Французская система SECAM и западногерманская система

PAL (1967).

Во всех этих системах цветовая информация передается на поднесущей

частоте, расположенной в высокочастотной части спектра яркостного сигнала.

Эти системы отличаются способами модуляции поднесущей частоты, видом

цветоразностных сигналов и очередностью их передачи.

В системах NTSC и PAL в каждой строке изображения передаются два

цветоразностных сигнала (например Е

и Е

) одновременно модулирующих

одну и туже поднесущую частоту f

Результирующий сигнал

tfEtfEE

ццs

2sin2cos

оказывается промодулированным по амплитуде

EEE

по фазе

)(

arctg

, где амплитуда несет информацию о насыщенности

цвета, а фаза о его цветовом тоне.

В качестве сигналов цветного телевидения могут быть использованы

цветодельные сигналы E

, E

и E

соответствующие яркости красного, зелено-

го и синего цветов. Однако ввиду требования совместимости черно-белых и

цветных телевизоров (возможность нормального приема цветных передача на

черно-белых телевизорах и наоборот) предпочтительнее оказалось использовать

цветоразностные сигналы и яркостный сигнал.

Совместный яркостный сигнал

BGRy

EEEE 114,0587,0299,0

′

Тогда цветоразностными сигналами будут сигналы

BGRYBYB

BGRYGYG

BGRYRYR

EEEEEE

′

−

′

−=

′

−

′

−

′

−=

′

−

′

−

′

−

′

−

′

−

114,0413,0299,0

886,0587,0299,0

114,0587,0701,0

В системах NTSC используются цветоразностные сигналы

BGRQ

BGRI

EEEE

′

−

′

−

′

−

′

31,052,021,0

32,027,059,0

В системе PAL -

YBYR

EиE

−−

′′

В системе SECAM -

YBYR

EиE

−−

′′

, однако эти сигналы одновремен-

но не пересекаются. Они чередуются от строки к строке модулируя цветовую

поднесущую частоту.

Более подробную информацию о принципах функционирования теле-

визионных систем можно получить в любом учебнике по телевидению, напри-

мер Быков Р.Е. и др. Телевидение: учебное пособие – М. : Высшая школа,

1988, 248 с. 0.299, 0.701 и др. – яркостные компоненты, получены в результате

физиологических исследований цветового зрительного восприятия.

Возвращаясь к системам спутниковой связи рассмотрим конкретную

коммерческую систему фирмы SBS (США), разработанную в 70 годы. Эта сис-

тема спутниковой связи обеспечивала широкополосными каналами цифрового

типа (с использованием временного разделения каналов) крупные корпорации

США, находящиеся в географически разнесенных

районах. Эта система связи

обеспечивает: цифровую передачу речевых сигналов, дистанционное совещание

участников в переговорах, высокоскоростную факсимильную связь и связь ме-

жду процессорами ЭВМ. Основную идею, положенную в основу этой системы

связи иллюстрирует рисунок 2.29.

В системе используется многостанционный доступ с временным разде-

лением. Каждый пункт пользователя имеет свою наземную станцию для досту

па к спутнику. Передача на спутник и со спутника ведется методом многостан-

ционного доступа с временным разделением, который требует чтобы каждая

наземная станция передавала пачки данных на частоте общей несущей в пред-

писанные интервалы времени, так, чтобы эти пачки данных никогда не пере-

крывали друг друга.

. . .

пачка данных со

скоростью 48 Мбит/сек.

Рис. 2.29.

2.6. Волоконно-оптические системы связи. Типы оптических волокон и

особенности распространения в них светового потока. Методы модуляции

светового потока. Структура волоконно-оптической системы связи и виды

источников светового излучения

Работы в области оптической связи активно начали развиваться с 1960

года, когда появились лазерные источники света. Однако до 1970 года вопрос

практического использования волоконно-оптических систем связи (ВОСС) не

рассматривался ввиду отсутствия оптического волокна с малым затуханием све-

тового сигнала (менее 20 дБ/км). В настоящее время уже выпускаются волокна с

100

коэффициентом затухания α(λ)≤0,5 дБ/км для передачи сигнала на длине волны

λ≥1,2 мкм и создание волоконно-оптических систем связи стало реальностью.

Одним из достоинств волоконно-оптических систем связи является использова-

ние больших длин линий между ретрансляторами и возможность передачи дан-

ных большой информационной емкости, что значительно снижает стоимость

систем связи.

Оптическое волокно и особенности распространения светового потока в

оптическом волокне

Важнейшим компонентом ВОСС является оптическое волокно. В

большинстве случаев оно изготавливается из стекла (SiO

Si- кремний, О

- ки-

слород), содержащего различные добавки. Эти добавки вводятся для того, что-

бы контролировать показатель преломления стекла. Большинство волокон име-

ют цилиндрическую форму, с показателем преломления n

сердцевины немного

большим показателя преломления оболочки n

. Профиль такого волокна пока-

зан на рисунке 2.30.

b- радиус оболчки волокна

a- радиус сердцевины

волокна

Рис.2.30.

Различают волокна ступенчатые и градиентные. Профили показателей пре-

ломления ступенчатого и градиентного волокон показаны на рисунке 2.31.

n(r)

-b b-a a

n(r)

-b b-a a

Ступенчатое волокно с диаметром

сердцевины 2а

и диаиетром оболочки 2в

Градиентное волокно

Рис. 2.31.