Тоискин В.С., Красильников В.В., Петренко В.И. Основы радиосвязи и телевидения: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.38. Структурная схема радиолинии

Передаваемое сообщение поступает на преобразователь, в котором

преобразуется в электрический сигнал. К функциям преобразователя в об-

щем случае также отнесем помехоустойчивое кодирование, шифрование.

Сформированный сигнал подается на вход собственно радиопередающего

устройства, в модуляторе (М) осуществляется модуляция высокочастотного

колебания, сформированного синтезатором частоты (СЧ). Сформированное

модулированное колебание усиливается в усилителе модулированного коле-

бания

(УМК). С помощью антенны (А) энергия радиочастотных колебаний

излучается в пространство.

На приемной стороне радиоволны наводят в антенне ЭДС. Радиопри-

емное устройство с помощью селективных (избирательных) цепей (СЦ) от-

фильтровывает сигналы от помех и сигналов других радиостанций. В детек-

торе (Д) производится преобразование высокочастотного модулированного

колебания в исходный электрический сигнал.

Этот сигнал в преобразователе

преобразуется в сообщение. Если на передающей стороне было произведено

шифрование, помехоустойчивое кодирование, то преобразователь также вы-

полняет обратные операции.

Рассмотренная радиолиния является однонаправленной, т.к. передача

ведется только в одну сторону. Для обеспечения двусторонней связи оба

конца радиолинии должны быть оснащены радиопередающими и радиопри-

емными устройствами. В

этом случае радиосвязь может быть симплексной

или дуплексной. В случае симплексной схемы организации радиосвязи пере-

дача и прием сообщений между абонентами ведутся поочередно. При дуп-

лексной схеме передача и прием в обоих направлениях ведется одновремен-

но. Ясно, что в этом случае необходимо использовать не одну частоту, а две.

Для организации

радиосвязи между большим количеством абонентов

организуют радиосеть (рис. 1.39). Одна главная радиостанция (ГР) может

передавать сообщения как для одного, так и для многих подчиненных стан-

ций (ПР). Последние при определенной организации могут обмениваться со-

общениями и между собой. Этот вариант организации радиосети может быть

построен на основе сложного симплекса (рис. 1.39, а) или

сложного дуплек-

са (рис. 1.39, б). В первом случае возможно использование совмещенных

приемопередатчиков и общей рабочей частоты. Во втором случае ГР ведет

передачу на одной частоте, а принимает на нескольких (по числу подчинен-

ных радиостанций).

Рис. 1.39. Структурные схемы радиосетей

Сложные комплексы радиосвязи включают в себя аппаратно-

программный комплекс управления.

Основными структурными характеристиками радиолиний,

определяющими возможности и качество передачи сообщений являются:

мощность радиопередающего устройства, коэффициенты усиления антенн,

характеристики направленных свойств антенн, чувствительность

радиоприемного устройства, ослабление энергии сигнала при

распространении между передающей и приемной антеннами, вид

радиосигнала и др.

1.9. Общие сведения

о распространении радиоволн

Распространение радиоволн подчиняется некоторым общим законо-

мерностям. Для радиосвязи имеют практическое значение следующие ос-

новные физические свойства:

а) радиоволны в однородной среде распространяются прямолинейно со

скоростью, зависящей от параметров среды, и сопровождаются убыванием

плотности потока энергии с увеличением расстояния;

б) распространение радиоволн в среде, отличной от воздуха (напри

мер, в земле, воде, ионизированном газе), сопровождается поглощением

энергии;

в) при переходе из одной среды в другую радиоволны испытывают

отражение и преломление; при падении радиоволны на неровную поверх-

ность происходит диффузное (рассеянное) отражение;

г) в неоднородной среде, когда показатель преломления изменяется

плавно, траектория радиоволны искривляется, это явление называется реф-

ракцией

радиоволны;

д) свойства радиоволн огибать препятствия, встречающиеся на пути их

распространения, называется дифракцией. Непременное условие возникно-

вения дифракции – соизмеримость величин препятствий с длиной волны.

Дифракция приводит не только к отклонению пути распространения радио-

волн от прямолинейного, но и к изменению амплитудных и фазовых соот-

ношений, а иногда и к изменению поляризации волн;

е) сложение радиоволн одной частоты, созданных, одним и тем же ис-

точником, пришедших в точку

приема различными путями, называется ин-

терференцией. В зависимости от фазовых соотношений различных лучей

амплитуда результирующего поля будет изменяться, т.е. возникают замира-

ния сигнала.

Степень проявления перечисленных свойств зависит от длины волны.

Радиоволны от передатчика к приемнику могут распространяться раз-

личными путями. Механизмы распространения радиоволн представлены на

рис. 1.40.

Рис. 1.40. Механизмы распространения радиоволн

При распространении радиоволн вдоль поверхности Земли (земные

или поверхностные волны) наблюдается явление дифракции. Характер тра-

ектории распространения во многом определяется электрическими парамет-

рами подстилающей поверхности, рельефом местности, местными предме-

тами и длиной волны. Явление дифракции наиболее сильно сказывается в

том случае, когда размеры препятствия соизмеримы с длиной волны.

В случае распространения

пространственных (ионосферных) волн по-

следние испытывают преломление в ионосфере за счет изменения ее элек-

трических параметров, в основном электронной плотности.

В нижних слоях атмосферы (в тропосфере) всегда имеют место неод-

нородности, вызванные разной температурой, влажностью, давлением. Эти

неоднородности приводят к рассеянию электромагнитной энергии. Часть

рассеянной энергии попадает в точку приема.

Таким образом формируются

каналы на основе механизмов рассеяния.

Радиосвязь возможно организовать посредством ретрансляции сигна-

лов удаленными космическими ретрансляторами, расположенными на ис-

кусственных спутниках Земли.

Распространение радиоволн в свободном пространстве. Предполо-

жим, что электромагнитное поле создается некоторым элементарным излу-

чателем (диполем), питаемым источником переменного тока. Распространя-

ясь в пространстве, электромагнитная волна уносит

энергию, восполняемую

источником переменного тока. Соответствующая этой энергии мощность Р

(энергия, переносимая ЭМП за секунду) называется мощностью излучения.

При излучении во все стороны равномерно плотность потока мощности П

(мощность, проходящая через единицу поверхности сферы, охватывающей

излучатель) равна

(

)

, 4

rPП

(1.59)

где r – радиус сферы.

Можно показать, что амплитудное значение напряженности электри-

ческого поля в свободном пространстве Е

m св

и плотность потока мощности

связаны выражением

(

)

240

св m

EП = . Тогда

rPE

/60

св

= .

(1.60)

Если Р выразить в ваттах, r – в метрах, то Е

m св

имеет размерность

вольт на метр (В/м).

Важнейшей особенностью поля излучения является его убывание об-

ратно пропорционально первой степени расстояния от источника излучения

(напряженность электростатического поля убывает пропорционально второй

степени расстояния). Именно эта зависимость делает передачу сообщений на

большие расстояния с помощью электромагнитных волн практически вы-

полнимой при реально достижимых

мощностях излучения.

Мощность на входе приемника, согласованного с антенной, находя-

щейся на удалении r от источника излучения

,240

св пр

mэффэфф

EAПAP ==

(1.61)

где

πλ

пр

эфф

= - эффективная площадь приемной антенны, характери-

зующая площадь фронта волны, из которой антенна извлекает энергию; D –

коэффициент направленного действия приемной антенны (см. ниже).

Мощность Р

пр

удобно определять непосредственно через мощность

излучения Р

пер

источника электромагнитного поля и величину D

пер

– коэф-

фициент направленного действия передающей антенны:

()

прперперпр

4 rDDPP

πλ

= .

(1.62)

Ослабление мощности при распространении радиоволн в свободном

пространстве, определяемое как отношение

перпр

PP , называют потерями пе-

редачи в свободном пространстве. При ненаправленных передающей и при-

емной антеннах это отношение рассчитывается по формуле

()

св

4 rL

πλ

= или

()

,lglg2033

lg10

св,

дб

+−−=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(1.63)

где r – расстояние, км; f – частота, МГц.

На практике при выполнении энергетических расчетов часто исполь-

зуют величину затухания W=1/L.

Влияние земли на распространение радиоволн. При распростране-

нии в свободном пространстве не возникает дополнительных ослаблений ра-

диосигнала, так как отсутствуют факторы, приводящие к поглощению энер-

гии. Имеет место лишь ослабление

за счет распространения в свободном

пространстве

222

св

16 rL

πλ

= .

Если же радиоволны проходят вдоль земной поверхности, то часть

энергии волны поглощается землей. Это происходит по следующей причине.

Скорость распространения радиоволн в земле меньше, чем в воздухе, поэто-

му при их движении нижний край волны отстает от верхнего, фронт волны

наклоняется и помимо движения вдоль поверхности земли происходит ее

распространение

сверху вниз.

Если бы земля была идеально проводящей, радиоволны отражались бы

от нее без потерь. В реальных условиях земля не является ни идеальным

проводником, ни идеальным изолятором. Радиоволны, попавшие в землю,

возбуждают в ней переменные электрические токи, которые часть своей

энергии расходуют на нагрев почвы. Величина потерь зависит от длины вол

ны и от электрических параметров почвы: проводимости и диэлектрической

проницаемости. При распространении радиоволн в полупроводящей среде,

каковой является и земля, амплитуда поля убывает с расстоянием по экспо-

ненциальному закону

(

)

rEE

−

= exp

св

(1.64)

где

−+=

εω

- коэффициент затухания, характеризующий потери

энергии в среде;

- диэлектрическая проницаемость среды;

σλ

60tg = -

тангенс угла потерь;

- проводимость среды.

С увеличением частоты потери возрастают. Это обуславливает огра-

ничение диапазона частот, используемого для связи земными волнами.

При падении электромагнитной волны на гладкую границу раздела

двух сред (воздух и земля или вода) происходит частичное отражение и час-

тичное поглощение энергии волны. Поэтому в первой среде (воздух) имеет

место падающая

и отраженная волна, а во второй среде – преломленная вол-

на. Отражательные свойства поверхности оцениваются так называемым ко-

эффициентом отражения Френеля – отношением комплексных амплитуд

напряженностей полей падающей и отраженной волн. Величина коэффици-

ента зависит от угла падения, длины волны и электрических свойств подсти-

лающей поверхности (земли, воды).

На практике не встречается идеально

гладкая поверхность (за исклю-

чением спокойной водной поверхности). Неровности (шероховатости) по-

верхности приводят к отражению волны не только в одном направлении (в

соответствии с законами геометрической оптики), но и в других направлени-

ях, включая и обратное.

В этом случае главным фактором в формировании отраженного поля

являются фазовые соотношения, определяемые разностью

хода волн от ис-

точника излучения до элементов поверхности.

При расчете напряженности поля земных волн влияние земной по-

верхности можно свести к двум случаям: первый – излучатель или приемная

антенна подняты высоко (в масштабе длины волны) над поверхностью зем-

ли; второй – передающая и приемная антенны находятся в непосредственной

близости от земли.

В первом случае, типичном для УКВ, метод расчета напряженности

поля зависит от протяженности радиолинии r по сравнению с расстоянием

«прямой видимости»

(

)

(

)

,57,32

21210

hhhhRr

+=+= км,

(1.65)

где R

– радиус Земли, км; h

и h

– высоты передающей и приемной антенн в

метрах.

При протяженности радиолинии r<0,2r

земную поверхность можно

считать плоской, при 0,2r

<r<0,8r

вносятся поправки на сферичность зем-

ной поверхности, при r>0,8r

расчет ведется с учетом дифракции радиоволн.

Во втором случае при небольших расстояниях Землю можно считать

плоской для диапазона волн 10…50 м в пределах 10 км, для волн 50…200 м

– в пределах 50…100 км и для волн 200…200000 м – в пределах 300…400

км. На радиолиниях большей протяженности расчет напряженности поля ве-

дется с учетом дифракции.

Электрические свойства

ионосферы и ее влияние на распростра-

нение радиоволн. Земная атмосфера представляет собой газообразную обо-

лочку, простирающуюся до высот 1000 – 2000 км. В атмосфере различают

три области – тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Тропосферой называется приземный слой толщиной 10 – 15 км. Она

состоит из воздуха и водяных паров. Проводимость воздуха очень мала, по-

этому радиоволны длиннее 30 см

практически не испытывают поглощения.

Более короткие волны поглощаются в капельках воды. Коэффициент пре-

ломления тропосферы убывает с увеличением высоты, что приводит к ис-

кривлению траектории радиоволны, т.е. к рефракции, особенно заметной в

диапазоне УКВ. В тропосфере имеются и локальные неоднородности, спо-

собные рассеивать радиоволны диапазона УКВ. На этом основана работа

тропосферных линий связи.

Тропосфера постепенно переходит

в стратосферу, простирающуюся до вы-

сот 50 – 60 км. Воздух в этом слое доста-

точно сильно разрежен и состоит в ос-

новном из нейтральных молекул. Поэто-

му стратосфера существенного влияния

на распространение радиоволн не оказы-

вает.

На высотах примерно от 60 – 80 до

400 – 600 км находится ионосфера, со-

стоящая

в основном из заряженных час-

тиц. Наличие свободных электрических

зарядов обусловливает отражение от ио-

носферы радиоволн длиннее 10 м.

Рис. 1.41. Строение ионосферы

В ионосфере имеется несколько регулярных слоев или максимумов

ионизации (рис. 1.41).

Слой Д – наиболее низкая ионизированная область. Образуется днем

на высотах от 60 до 90 км. В ночные часы исчезает. Следующая ионизиро-

ванная область – слой Е. Имеет максимум ионизации на высоте 120 км. Вы-

ше расположен слой F, который летом в дневные часы распадается на два

слоя F1 и F2. Слой F1 имеет максимум ионизации на высоте 180 - 240 км, а

F2 – на высоте 300 - 400 км.

Ионосфера оказывает существенное влияние на распространение ра-

диоволн, вызывая затухание и отражение. Чем меньше частота, тем больше

поглощение.

При распространении радиоволны в неоднородной среде ее траектория

искривляется. При достаточно большой электронной плотности искривление

траектории волны может оказаться

настолько сильным, что волна возвратит-

ся на поверхность Земли на некотором расстоянии от места излучения, т.е.

произойдет отражение радиоволны в ионосфере.

Отражение радиоволн, направленных с земной поверхности на ионо-

сферу, происходит не на границе воздух – ионосфера, а в толще ионизиро-

ванного газа. Отражение может произойти только в той области

ионосферы,

где диэлектрическая проницаемость убывает с высотой, а, следовательно,

электронная плотность возрастает, т.е. ниже максимума электронной плот-

ности ионосферного слоя.

Условия отражения связывают угол падения волны на нижнюю грани-

цу ионосферы

с диэлектрической проницаемостью в толще самой ионо-

сферы

на той высоте, где происходит отражение волн

8,801sin fN

эn

−==

εϕ

(рис. 1.42).

0кр

π/

<φ

Рис. 1.42. Отражение радиоволн от ионосферы

Угол

, при котором еще возможно отражение, называется критиче-

ским углом. Из предыдущего выражения можно определить рабочую частоту

f , при которой волны отразятся от ионосферы в случае заданных электрон-

ной плотности и угле падения:

cos8,80

Nf = . Максимальная частота,

при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосфер-

ный слой, называется критической частотой f

кр

; отражение происходит

вблизи максимума ионизации слоя:

max кр

8,80

Nf = .

Сферичность Земли ограничивает максимальный угол падения (рис.

1.42):

(

)

0max0

sin hRR

зз

, а следовательно, и максимальные частоты радио-

волн, которые могут отразиться от ионосферы при данной электронной

плотности.

Для каждой трассы существует некоторое минимальное значение час-

тоты, радиоволна которой создает в точке приема достаточную напряжен-

ность поля. Такая частота называется наименьшей применимой частотой

(НПЧ). Радиоволны меньшей частоты при заданной мощности передатчика

поглощаются

ионосферой и не могут использоваться на данной трассе. Чем

больше частота, тем большей концентрацией электронов должен обладать

отражающий слой. Максимальная частота, волна которой способна отра-

зиться от ионосферы при данном угле возвышения, называется максимально

применимой частотой (МПЧ).

Ионизированный газ ионосферы находится в постоянном магнитном

поле Земли, напряженность которого Н

= 40 А/м. В присутствии постоянно-

го магнитного поля изменяются условия движения электронов, вследствие

чего изменяются и электрические параметры ионизированного газа. Линейно

поляризованная волна распадается на две составляющие (обыкновенную и

необыкновенную), имеющие круговую поляризацию, и распространяющиеся

с различными скоростями. Обыкновенная и необыкновенная волны отража-

ются на разной высоте. Кроме того, они

испытывают различное поглощение.

Поглощение энергии радиоволн связано со столкновением электронов

с молекулами и ионами и переходом электромагнитной энергии в тепловую

энергию движения тяжелых частиц.

Состояние ионосферы не остается постоянным. Оно зависит от време-

ни года, суток, широты местности и других факторов, являющихся следстви-

ем изменения солнечной активности. Нередко летом под действием

потока

метеоров на высоте 90 – 110 км возникает нерегулярный спорадический слой

. В ионосфере могут образовываться и локальные неоднородности, вызы-

вающие рассеивание УКВ. Это явление лежит в основе работы ионосферных

линий связи.

Влияние тропосферы на распространение радиоволн. Тропосфера

простирается над земной поверхностью до высот 16…18 км в тропиках и до

8…10 км в полярных широтах. В тропосфере содержится до 80% массы га-

зов, составляющих атмосферу

, и почти все количество водяных паров.

В электрическом отношении тропосфера представляет собой весьма

неоднородную среду, заполненную флуктуирующими (флуктуация – откло-

нение величины от среднего значения) мелкомасштабными неоднородно-

стями диэлектрической проницаемости. Физической причиной флуктуаций

диэлектрической проницаемости являются процессы турбулентного (неупо-

рядоченного) перемешивания воздушных масс, во время которого энергия

движения превращается, в конечном счете, в тепло. Неоднородности при по-

падании на них радиоволн становятся источниками рассеянного излучения

(рис. 1.43).

Кроме того, в тропосфере возникают слоистые образования (например,

у резко очерченной границы облаков, на границе потоков теплых и холод-

ных масс воздуха и т.д.). Достигая этих слоистых неоднородностей, радио-

волны

испытывают от их внешней границы частичные отражения.

Таким образом, множество быстро перемещающихся и меняющих

свою форму слоистых неоднородностей, а также мелкомасштабные неодно-

родности создают множество очагов рассеянного излучения, которые созда-

ют результирующее электромагнитное поле в месте расположения приемной

антенны.

Относительная диэлектрическая прони-

цаемость тропосферы зависит от давления р,

температуры Т и

абсолютной влажности воз-

духа е:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

−

480010158

. Коэффици-

ент преломления тропосферы

()

211

−

+≈

n .

Для расчетов вводится понятие приведенного

показателя преломления тропосферы

(

)

101 ⋅−= nN , усредненное значение которого

для разных географических районов различ-

ное. Состояние тропосферы подвержено се-

зонному изменению.

Вследствие неоднородности тропосферы при распространении радио-

волн наблюдается явление рефракции. Радиус кривизны траектории радио-

волны в тропосфере может быть определен по формуле

()

[]

dhdnnR −=

sin ,

где

- угол падения волны на преломляющую границу раздела сред; dn/dh –

градиент показателя преломления. Учитывая что

≈

n , а для наиболее инте-

ресного случая пологих лучей

1sin

≈

, имеем:

(

)

.10

dhdNR −= Отсюда сле-

дует, что радиус кривизны траектории радиоволны в тропосфере определя-

ется не абсолютным значением коэффициента преломления, а скоростью его

изменения с высотой. С учетом явления рефракции в выражении (1.65), оп-

ределяющем дальность прямой радиовидимости, следует коэффициент 3,57

заменить на 4,12.

В тропосфере практически не поглощаются ДВ, СВ и КВ. Для волн ко-

роче 10 см ослабление в тропосфере начинает заметно увеличиваться. Это

вызывается поглощением и рассеянием на капельных образованиях или гид-

рометеорах. Поглощение объясняется преобразованием энергии электромаг-

нитного поля в тепловую энергию.

В диапазоне сантиметровых волн в тропосфере наблюдается рассеяние

электромагнитной энергии. Вследствие происходящей при этом интерфе-

ренции возникают замирания, всегда сопровождающие прием рассеянного

Рис. 1.43. Схема создания

поля в месте приема за счет

отражения и рассеяния волн

от слоистых и мелкомас-

штабных неоднородностей

тропосферой сигнала.

Большие потери энергии при распространении радиоволн тропосфер-

ного рассеяния предъявляют повышенные требования к аппаратуре:

передатчики большой мощности (10 ÷ 100 кВт);

параболические антенны больших размеров;

на входе приемников устанавливаются малошумящие параметриче-

ские усилители.

На радиолиниях тропосферного рассеяния используются рабочие час-

тоты 300 ÷ 5000 МГц, так как с дальнейшим повышением частоты сильно

возрастают

потери энергии, а для работы на более низких частотах пришлось

бы еще более увеличить размеры антенн.

1.10. Особенности распространения радиоволн различных

диапазонов

Распространение мириаметровых и километровых волн

Отличительной особенностью волн 4-го и 5-го диапазонов является их

способность хорошо огибать землю. Поэтому напряженность поля земной

волны значительна на расстояниях порядка 1500…2000 км от

источника

электромагнитных волн. Однако в этих диапазонах связь возможна и на зна-

чительно большие расстояния, что не может быть объяснено только дифрак-

цией. Не только слой ионосферы Е, но и слой D в дневные часы имеет такую

плотность ионизации, при которой волны этих диапазонов способны отра-

жаться при любом угле

возвышения, в том числе и при вертикальном.

Отраженная этими слоями пространственная волна частично поглоща-

ется земной поверхностью, а частично отражается от нее, вновь достигая ио-

низированных слоев. Такое отражение может быть многократным.

Пространственная волна появляется начиная с расстояния 300…400

км. С увеличением расстояния напряженность электрического поля отра-

женной от ионосферы волны увеличивается

, и на расстояниях 700 ÷ 1000 км

напряженности полей земной и ионосферной волн становятся примерно рав-

ными.

Если земная и ионосферные волны при-

бывают в пункт приема в противофазе, то ре-

зультирующая напряженность электромагнит-

ного поля будет минимальной. Такое замира-

ние называется интерференционным.

На расстоянии свыше 2000 ÷ 3000 км

земная и ионосферные волны

не проявляются

по отдельности. Распространение происходит

подобно распространению в волноводе, стен-

ками которого служат поверхность Земли и нижняя граница ионосферы.

Напряженность поля в точке приема может быть определена по эмпи-

рической формуле Остина:

Рис. 1.44. Распространение

земной и ионосферной волн