Муравьев В.В., Липкович Э.Б. Спутниковые и радиорелейные системы передачи

Подождите немного. Документ загружается.

20

излучение,чтопосравнениюс ненаправленнымиантеннамиобеспечиваетко

эффициентусиления3050дБ.

Волны СВЧ диапазона практически беспрепятственно проникают через

ионосферу,чтопозволяетсоздаватьспутниковыесистемыпередачи(ССП).

СдругойстороныволныСВЧдиапазонараспространяютсяпрактически

прямолинейноиимеютсущественныепотеривосадках,поэтомудляорганиза

циисвязинабольшиерасстояниянеобходимаретрансляциясигнала,чтозначи

тельноусложняетоборудование.

1.6.Классификациярадиосистемпередачи

СуществуетмножестворазличныхклассификацийРСПвзависимостиот

признаков,положенныхвихоснову.

В настоящее время наибольшее распространение получила следующая

классификация:

1.Попринадлежностикразличнымслужбам:

РСП фиксированной службы (радиосвязь между фиксированными

пунктами);

РСПрадиовещательнойслужбы(передачасигналадляприеманасе

лением);

РСП подвижной службы (между движущимися друг относительно

другаобъектами).

2.Поназначению:

международныеРСП;

магистральныеРСП;

внутризоновыеРСП;

местныеРСП;

военныеРСП;

технологическиеРСП;

космическиеРСП.

3.Подиапазонуиспользуемыхчастот:

метровые(восновномвоенныеиподвижные);

дециметровыеРСП;

сантиметровыеРСП;

миллиметровыеРСП.

4.Повидупередаваемыхсигналов:

аналоговыеРСП;

цифровыеРСП;

комбинированныеРСП.

5.Поспособуразделенияканалов:

счастотнымразделением;

свременнымразделением;

сфазовымразделением;

скомбинированнымразделением;

21

скодовымразделениемиразделениемпоформе.

6.Повидумодуляциинесущей:

АналоговыеРСП:

системысчастотноймодуляцией;

системысамплитуднойиоднополосноймодуляцией.

ЦифровыеРСП:

системысамплитуднойманипуляцией;

системысчастотнойманипуляцией;

системысфазовойманипуляцией;

системысамплитуднофазовойманипуляцией.

7.Попропускнойспособности:

РСПмалойемкости(660каналовТЧилименее10Мбит/с);

РСПсреднейемкости(60600каналовТЧили10100Мбит/с);

РСП большой емкости (6002700 каналов ТЧ, или канал передачи

изображенияТВиРВ,илиболее100Мбит/с).

8.Похарактерураспространениярадиоволн:

РСПпрямойвидимости;

тропосферныеРСП;

спутниковыесистемыпередачи;

ионосферныесистемынакороткихволнах;

космическиесистемыпередачи.

Контрольныевопросыкразделу1:

1. НарисуйтеобобщеннуюструктурнуюсхемумногоканальнойРСП.

2. Нарисуйте схему ствола двусторонней РСП и поясните назначение ее

элементов.

3. Какиепланыраспределениячастотприемаипередачиприменяютсявду

плексныхстволахРСП?Вчемихособенности?

4. ПриведитеклассификациюРСП.

5. Назовите основные особенности радиорелейных и спутниковых систем

передачи.

2.РАСПРОСТРАНЕНИЕРАДИОВОЛННАРАДИОРЕЛЕЙНЫХ,

ТРОПОСФЕРНЫХИСПУТНИКОВЫХЛИНИЯХПЕРЕДАЧИ

2.1.Распространениерадиоволнвсвободномпространстве.

Ослаблениеполясвободногопространства

Основные энергетические соотношения. Свободное пространство

представляетсобойоднороднуюбезграничнуюсреду,вкоторойотсутствуют

22

П

0

=

P

изл

r

2

W

0

m

e

0

=120

.

H

0

=E

0

W

0

=

E

0

120

p

П

0

=

E

0

2

120

p

молекулы, атомы и свободные заряды. Диэлектрическая, ф/м, и магнитная,

г/м,проницаемостисреды

(2.1)

аволновоесопротивление,Ом:

(2.2)

Найдем зависимость напряженности электрического поля в свободном

пространстве от расстояния до излучающей антенны. Пусть имеется нена

правленнаяантеннасмощностьюизлученияР

изл

.Приэтомизлучаемаявол

на имеет сферический фронт (сферическая волна), а излучаемая мощность

распределяетсяравномерноповсемнаправлениям.Вэтомслучаенарасстоя

нии'rотизлучающейантенныплотностьпотокамощности,Вт/м

2

(2.3)

Модуль вектора Пойнтинга, Вт/м

2

, характеризующий плотность потока

мощности,длясвободногопространстваопределяетсяпроизведениемэффек

тивныхзначенийнапряженностейэлектрическогоЕ

0

имагнитного H

0

полей:

=Е

0

 H

0

(2.4)

Прибольшомудаленииотантеннывпределахмалого,посравнениюс

нимучасткафронт волны можносчитатьплоским.Для плоской волны на

пряженностиэлектрическогоимагнитного полей,А/м,связаны соотноше

нием

(2.5)

Сучётом(2.5)выражение(2.4)запишетсяввиде

(2.6)

Приравниваяправыечасти(2.3)и(2.6),получаем,чтонарасстоянииrот

ненаправленнойантеннынапряженностьэлектрическогополя,В/м:

e

0

=

10

9

p

m

0

10

23

E

0

=

30P

изм

r

(2.7)

Таким образом, в свободном пространстве, где отсутствуют потери из

лучаемой мощности, напряженность поля обратно пропорциональна расстоя

нию до излучающей антенны. При этом напряженность поля с увеличением

расстояния уменьшается изза распределения излучаемой мощности по по

верхностисферывозрастающегорадиуса.

Прииспользованииантенн снаправленнымизлучениемплотностьпо

токамощности,Вт/м

2

:

(2.8)

гдеG

пд

–коэффициент усиления направленнойизлучающейантенныотноси

тельно ненаправленного излучателя;

F

Пд

2

( )

q

г

,

– диаграмма направленно

стиизлучающейантенны(нормированнаяхарактеристиканаправленностипо

напряженностиполя

q

в

q

);

q

в

q

г

–углыввертикальнойигоризон

тальнойплоскостяхмеждунаправлениеммаксимальногоизлученияантенны

инаправлениемнаточку,вкоторойопределяетсяинтенсивностьполя.

Напряженностьэлектрическогополя,В/м:

(2.9)

Внаправлениимаксимальногоизлучениянаправленнойантенны

q

в

q

r

= 0, F

Пд

( )

q

г

, = 1 и

(2.10)

Как видно из (2.10), применение направленных антенн позволяет

уменьшить излучаемую мощность в G

Пд

раз при сохранении неизменной

напряженностиполявнаправлениимаксимальногоизлучения или увели

чить в

G

пд

раз напряженность поля в том же направлении при неиз

менноймощностиизлучения.

Теперьнайдемвыражения,характеризующиемощностьсигналаР

0с

на

входе приемника и используемые при расчете радиолиний передачи. Обо

значимР

Пд

–мощностьпередатчика,Вт;

пмпд

, h h –КПДпередающегоипри

емногофидерныхтрактов(очевидно,

ПдПдизл

РР h × =

),G

Пм

–коэффициентусиле

П

0

=

P

изм

G

Пд

F

Пд

2

( )

q

г

,

r

2

E

0

=

30P

изм

G

Пд

F

Пд

( )

q

г

,

r

E

0

=

30P

изм

G

Пд

24

нияприемнойантенны. Будемсчитать, что максимум диаграммы направлен

ностипередающейантенныориентированвнаправленииприемнойантенны

и, наоборот, максимум диаграммы приемной антенны направлен на пере

дающуюантенну.МощностьсигналанавыходеприемнойантенныР

0а

зависит

отплотностипотокамощностиПо,создаваемойпередающейантеннойврайоне

приемнойантенны,иэффективной(действующей)площадиантенныS

a

:

(2.11)

еслирасстояниемеждуантеннами r,то

(2.12)

Эффективнаяплощадьприемнойантенны, м

2

:

(2.13)

Подставляя(2.12)и(2.13)в(2.11),атакжеучитываяпотеривприемномфи

дерномтракте,получаеммощность сигналанавходеприемника,Вт:

(2.14)

Величину

(2.15)

называют ослаблением радиоволн в свободном пространстве (при нена

правленныхантеннах),аобратнуювеличину

(2.16)

– основныепотериприпередачевсвободномпространстве.Сучетом(2.15)

мощность,Вт:

(2.17)

P

а

П

0

S

а

L

0

=

1

V

0

2

=

p

2

r

l

2

P

c

= P

Пд

G

Пд

G

Пм

Пд

Пм

0

2

П

0

=

P

Пд

G

Пд

h

Пд

r

2

P

c

=

P

Пд

G

Пд

G

Пм

Пд

h

Пм

l

2

p

2

r

2

S

а

=

G

Пм

l

2

p

V

0

2

l

2

p

2

r

25

Еслипередающаяиприемнаяантеннынеориентированыдругнадруга,

приопределенииР

0с

необходимоучитыватьвлияниеихдиаграммнаправленно

сти.Отношение

(2.18)

принятоназыватьослаблениемпри,передачеэнергиивсвободномпростран

стве,аобратноеотношение

(2.19)

–потерипередачивсвободномпространстве.Еслитребуетсяопределить

мощностьсигналанавходеприемникавдецибелахотносительно1Вт(дБВт),

следуетпоставитьвыражение

(2.20)

где Р

Пд

выражено в децибелах относительно 1 Вт, а остальные величины – в

децибелах.

Ослабление полясвободного пространства вреальных условиях. Мно

жительослабления. Вреальных РЛПусловия распространениярадиоволн су

щественноотличаютсяотусловийихраспространениявсвободномпростран

стве иззавлиянияатмосферыЗемли иземнойповерхности.Дляучетаэтого

влияниявводитсяпонятиемножителяослабленияполясвободногопростран

ства V, который сокращенноназываютмножителемослабления. Множитель

ослабления для некоторой точки пространства определяется отношением

комплексных амплитуд напряженностей поля в реальных условиях распро

страненияволн

·

m

E иусловияхсвободногопространства

·

m0

E , т.е.

vj

j

(2.21)

где V и

v – соответственномодульмножителяослабленияиегофаза.

Модуль множителя ослабления V характеризуетдополнительное ослаб

лениерадиоволнпосравнениюсихослаблениемвсвободномпространствеи

определяется отношением напряженности (эффективного значения) поля Ε в

некоторой точке пространства в реальных условиях распространения волн к

напряженностиполяЕовтойжеточкевусловияхсвободногопространства

1

(2.22)

P

c

P

Пд

= G

Пд

G

Пм

Пд

Пм

V

0

2

P

Пд

P

c

=

1

G

Пд

G

Пм

h

Пд

h

Пм

V

0

2

P

C

P

Пд

G

Пд

+

G

Пм

h

Пд

h

Пм

+

V

0

,+

ĖEV =

ĖEE

m

ĖEE

m

V

V=

E

26

Величина

v характеризует дополнительный фазовыйсдвиг по отно

шениюксдвигу2πr/λ всвободномпространстве.

Множитель ослабления зависит от многих факторов: от рельефа и

электрическихпараметровземнойповерхностинатраселинии,отвысотпод

нятияантенн надповерхностьюЗемли,отиспользуемыхдлиныволныивида

поляризациирадиоволн,отхарактеранеоднородностейтропосферыиметеоро

логическихусловийна трасселиний. Изза случайного характера изменения

неоднородностей тропосферы и метеоусловий множитель ослабления, в лю

боймоментвремениявляетсяслучайнойвеличиной,аегоизменениевовре

мени–случайнымпроцессом:

Чтобы исследовать особенностираспространения радиоволн в реаль

ныхусловиях,необходимонайтираспределениевероятностейлистатистиче

скиехарактеристики,атакжевременные,частотныеипространственныеза

висимостимножителяослабления.

Сучетомослабленияполясвободногопространствавреальныхусло

вияхзапишемвобщемвидеэнергетическиесоотношения:

мощностьсигналанавходеприемника,Вт:

(2.23)

или,дБВт

(2.24)

где,икакв(2.20), Р

ПД

, дБВт,авсеостальные величины выраженывдеци

белах,приэтомV

дБ

=201gV;

ослабление припередачеэнергиивреальных условиях(междувыходомпе

редатчикаивходомприемника)

(2.25)

потерипередачи

(2.26)

основныепотериприпередаче

(2.27)

Существеннаяобластьраспространениярадиоволн.Чтобыучестьвлия

ниенеоднородностей пространства, ипрежде всего земной поверхности на

распространение радиоволн в реальных условиях, необходимо определить

область свободного пространства, в которой распространяется основная

частьмощности,излучаемой.передающейантенной,расположенной вточ

P

C

= P

C

V

2

= P

Пд

G

Пд

G

Пм

Пд

Пм

V

0

2

V

2

P

C

=P

Пд

G

Пд

+ G

Пм

Пд

Пм

+ V

0

+ V,+

P

C

P

Пд

= G

Пд

G

Пм

h

Пд

h

Пм

V

0

2

V

2

;

P

Пд

P

С

=

1

G

Пд

G

Пм

h

Пд

h

Пм

V

0

2

V

2

;

L=

L

0

V

2

=

p

2

r

l

2

V

27

кеА,ипринимаемойприемнойантеннойвточкеВ(рис.2.1,а).Указанная

областьназываетсясущественнойиохватываетчасть,пространствавблизи

прямой АВ,соединяющей точкирасположенияантенн. Найдем конфигу

рациюи размерысущественнойобласти.

Рис.2.1.

Согласно принципу Гюйгенса – Френеля каждая точка фронтаволны

является вторичным источником сферической волны. При этом поле, созда

ваемоепередающейантенной в точке В,можно рассматриватькакрезультат

векторногосложенияполей,создаваемыхвэтойточкевсемивторичнымиис

точниками. Хотя все вторичные источники синфазны, поля, создаваемые

имив точке B, имеютразличныефазыиззаразной удаленностиотточки

B.

Разобьем фронт первичной волны на зоны  Френеля  с учетом сле

дующихусловий:

B=O′

B=OB+λ/2;

B=O′

B=OB+2λ/2;

............... (2.28)

B=O′

B=OB+iλ/2.

ПроекциейпервойзоныФренелянаплоскость,перпендикулярнуюпря

мой АВ, является круг, проекции остальных зон Френеля – концентриче

скиекольца (рис.2.1,б).Фазыполей,создаваемыхвточкеВвторичнымииз

лучателями, находящимися в одной зоне Френеля, отличаются менее чем на

180°,поэтомутакиеполянекомпенсируютдругдруга.ДлякаждойзоныФре

28

нелясуммарасстоянийотточекАи

Вдоточек,лежащихнавнешнейгра

нице:

(2.29)

не зависит от положения фронта

волны в пространстве. Уравнение

(2.29)наплоскостиопределяет

Рис.2.2

эллипс с фокусами в точках А и В. Отсюда следует, что при перемещении

фронта волны границы первой зоны Френеля образуют в пространстве эл

липсоид вращения с фокусамивточках Аи В (первыйэллипсоидФрене

ля), а границы других зон – пространства между двумя соседними эллип

соидами Френеля. Поперечные размеры эллипсоидов можно найти из рис.

2.2,накоторомизображеныэллипсы,соответствующиеразнымзонамФрене

ля, –проекцииэллипсоидовнавертикальнуюплоскость,проходящуючерез

прямуюАВ.ИзтреугольниковAO

i

иBO

i

сучетомr

>>Ρ

i

, r

>>Ρ

i

имеем

;

.

(2.30)

Суммируя,левыеиправыечасти(2.30),получаем

(2.31)

Сучетом(2.29)найдемвнешнийрадиусiйзоныФренеля,определяющий

поперечныйразмерсоответствующегоэллипсоидавсечении,удаленномотпе

редающейантеннынарасстояниеr

:

(2.32)

где

k=r

А

/r. (2.33)

Приэтоммаксимальноезначение имеетместоприk=0.5:

(2.34)

Если между передающей и приемной антеннами перпендикулярно со

единяющейихпрямойАВустановитьплоскийнепрозрачныйэкранбесконеч

ных размеров с круглым отверстием, центр которого лежит на этой прямой

AO

i

O

i

B+ = AB

l

2

+

A

i

O =

r

i

2

r

A

2

»

r

i

2

2r

A

+

BO

i

r

i

2

r

B

2

»

r

i

2

2r

B

+

AO

i

B r =

r

i

2

1

r

A

1

r

B

r

i

=

( )1

k

r

i max

= 0.5

29

(рис.2.3,а),тозависимостьотношениянапряженностиполявточкеВксоот

ветствующей напряженности Ео в отсутствие экрана от радиуса отверстия ρ

относительнорадиусапервойзоныФренеля

(2.35)

имеетвид,изображенныйнарис.2.3,6.Осциллирующий характерзависимо

стиобусловленпротивофазностьюсуммарныхполей,создаваемыхвточке В

вторичнымиизлучателямисоседнихзонФренеля.

Рис.2.3

Убываниеамплитудыосцилляцииприувеличениирадиусаотверстиявызвано,

уменьшением, напряженности полей, создаваемых в точке В разными зо

нами Френеля, с ростом номера этих зон. Это, в свою очередь, обу

словленотем,чтосувеличениемномеразоныФренеля,вопервых,увеличи

вается угол между направлением максимального излучения (нормалью Nj к

сферическому фронту) и направлением в точку приема (прямой 0,В), во

вторых, возрастают расстояния между вторичными излучателями и точкой

приемаВ.МаксимумыЕ

/Е

0

имеютместоприравенстверадиусаотверстияра

диусамнечетныхзон,минимумы–радиусамчетныхзонФренеля.Прибес

конечном увеличении размера отверстия напряженность поля Е

ρ

стремится к

напряженностисвободногопространстваЕо,котораяпримерновдвоеменьше

напряженности поля Е

, создаваемого первой зоной Френеля. Рисунок 2.4

иллюстрирует векторное сложение полей от вторичных источников, находя

щихся в пределах первой зоны (рис.2.4,а), первых двух зон (рис.2.4,6)и

всехзонФренеля(рис.2.4,в).

Еслирадиусотверстиявэкране

r

1

=

k( )1

k