Тоискин В.С., Петренко В.И., Бибарсов М.Р., Мишин Д.Ю. Системы радиосвязи

Подождите немного. Документ загружается.

111

Из (4.17) следует, что плотность напряжения шумов G

шт

на выходе ЧД

имеет неравномерное треугольное распределение (см. рис.4.16).

Полагая, что в пределах

ΔF

шумы равномерны, суммарная мощность

шумов в полосе ΔF

будет определяться выражением

шт

∫

Δ+

Δ−

шт i

≈(u

/Δf

)·(n

·kTR

вх

/Р

пр

·R

вх

)·F

·ΔF

(4.18)

Здесь учтено, что

чд

/ Δf

вхш

RTkng ⋅⋅⋅=

Учитывая, что

·/R

вх

= Р

изм

получим

шт

= Р

изм

·kT· ΔF

)/P

пр

· (F

/ Δf

)

(4.19)

изм

- мощность измерительного сигнала на выходе ЧД в k-том канале,

соответствующая девиации частоты Δf

(Δf

- девиация частоты на канал).

шт

шт i

Рисунок 4.16 - Распределение спектра плотности напряжения и мощности тепловых

шумов на выходе ЧД

Чтобы получить псофометрическое значение мощности Р

шт

, в правую

часть формулы следует ввести псофометрический коэффициент

пс

=0,75

=0,56.

Итак, отношение сигнал/шум зависит от индекса модуляции. Если

Δf

для всех каналов взять одинаковым, то m

= Δf

для различных телефонных

каналов будет различным: для верхних он будет меньше, и, следовательно, в

верхних каналах отношение сигнал/шум будет меньше, чем в нижних. Для

выравнивания мощности шумов (помехоустойчивости) в каналах применяют

предыскажения спектра группового сигнала, при котором уровни передачи

верхних каналов повышаются, а нижних - понижаются.

На входе модуляционного тракта включается

предыскажающий кон-

тур – пассивный четырехполюсник с неравномерной АЧХ, обеспечивающей

относительный подъем высокочастотных компонент спектра группового сиг-

112

нала и соответствующее ослабление низкочастотных компонент. В пределах

группового спектра частот неравномерность частотной характеристики дос-

тигает 8 дБ (2,5 раза по напряжению). Уровень шумов в каналах становится

более равномерным, т.к. значения девиации частоты на канал для верхних

каналов возрастают относительно канала с частотной координатой:

=0,6 F

а для нижних снижаются. При этом эффективная девиация частоты от всех

каналов должна оставаться неизменной и равной

Δf

эфф

На приемной стороне в системах с предыскажением на выходе прием-

ника включается выравнивающий контур с частотной характеристикой, об-

ратной характеристике предыскажающего контура. Вследствие этого затуха-

ние всех каналов выравнивается, т.е. получается одинаковым.

В результате отношения сигнал/шум во всех телефонных каналах вы-

равнивается.

4.3 Принципы построения тропосферных станций

4.3.1 Основные

эффекты тропосферной связи

Тропосферная связь находит широкое применение в системе связи ви-

да войск в силу ее высокой надежности. Дальнее тропосферное рассеяние ра-

диоволн, позволяет организовать УКВ радиолинии за пределы прямой види-

мости, используя в качестве пассивного ретранслятора неоднородности тро-

посферы. В первую очередь, необходимо уяснить, какие физические процес-

сы происходят

в тропосферных радиолиниях и, какое влияние они оказывают

на эффективность функционирования.

Построению систем тропосферной связи уделяется большое внимание

в нашей стране. Общая протяженность тропосферных линий связи в настоя-

щее время составляет сотни тысяч километров.

Первая система тропосферной связи для передачи телевизионных

программ из Ленинграда в Петрозаводск на расстояние 300 км была

построе-

на в 1963 году под руководством советских ученых М.П.Долуханова,

Г.А.Зейтленка, А.М.Захарова и др.

С точки зрения распространения радиоволн атмосферу Земли разде-

ляют на три области:

- тропосферу (

h = 0 - 10...15 км);

- стратосферу (10...15

< h < 60 км);

- ионосферу (60

< h < 15...20 тыс. км).

С точки зрения распространения радиоволн - тропосфера - неодно-

родная среда. Основная причина - наличие неоднородностей диэлектриче-

ской проницаемости воздуха и возможность появления гидрометеоров (дож-

дя, снега, града, тумана).

Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха зависит от

метеорологических параметров

ε = 1 + (1.55·10

-4

)·(р + (4810·e/T

)),

(4.20)

113

где T

- температура воздуха по абсолютной шкале,

р, e - парциальные давления воздуха и водяного пара (абсолютная

влажность) , мБар;

С диэлектрической проницаемостью связан коэффициент преломле-

ния

= ε.

Так как для тропосферы

ε ≈ 1, то в расчетах часто используют индекс

преломления тропосферы

(приведенный показатель преломления)

N = (n - 1)·10

≈ (ε - 1 )· 10

/2.

(4.21)

(Усредненное значение для Подмосковья,

N=310).

Так как значения

, p, e изменяются в пространстве и во времени, то

и величина

ε претерпевает изменения. Для тропосферы характерны два ос-

новных вида изменений.

Регулярные изменения ε. Характеризуют среднее состояние тропосфе-

ры, так называемую нормальную тропосферу (по географическим значениям

широты и долготы и по высоте).

Наиболее заметно регулярное изменение

ε с изменением высоты h над

поверхностью Земли, которое имеет вид

ε = 1 + Δε·exp(gh/Δε

(4.22)

или

ср

(h) = N

·exp{g

·h/N

}, (4.23)

где

Δε

- отклонение ε от единицы у поверхности Земли;

g =

- вертикальный градиент диэлектрической проницаемости у

поверхности Земли;

h - высота от поверхности Земли;

- индекс преломления у поверхности Земли (h = 0);

-вертикальный градиент индекса преломления при h=0

(

=-3,92·10

-2

1/м).

Выражение (4.21) или (4.23) рассматривает нормальную тропосферу

как сферически-слоистую среду.

Случайные изменения ε. Характеризуют микроструктуру тропосферы.

Оцениваются отклонением

ε(N) от экспоненциального вида (см. (4.21)).

Причинами случайных изменений являются наличие слоистых и тур-

булентных неоднородностей в тропосфере.

Слоистые неоднородности обусловлены температурными инверсиями

(например, натеканием теплого воздуха с моря на охлажденную сушу) и на-

личием облаков. Из-за резкого изменения температуры и влажности на гра-

ницах неоднородностей возникают скачки диэлектрической проницаемости,

достигающие

несколько десятков единиц N

. Толщина слоистых неоднород-

ностей лежит в пределах от десятых долей метра до сотен метров, а их гори-

зонтальные размеры достигают десятков километров.

114

Причиной возникновения турбулентных неоднородностей являются

быстрые вертикальные и горизонтальные перемещения воздушных масс. В

результате образования и распада вихрей возникают локальные неоднород-

ности давления, температуры и влажности. Образующиеся при этом неодно-

родности диэлектрической проницаемости (глобулы) имеют размеры, дости-

гающие десятков метров.

Среди гидрометеоров наибольшее влияние на распространение радио-

волн оказывают дожди. Основными

характеристиками дождей являются их

интенсивность и пространственные размеры дождевых очагов.

При рассмотрении влияния тропосферы на распространение радио-

волн необходимо учитывать следующие основные факторы: рефракцию ра-

диоволн (искривление траектории волн), их переизлучение неоднородностя-

ми тропосферы, ослабление газами и гидрометеорами и деполяризацию.

Причиной рефракции радиоволн в тропосфере является изменение ди-

электрической проницаемости

воздуха ε с высотой. Как и в ионосфере в ос-

нове рефракции лежит явление преломления радиоволн на границе раздела

двух сред с различными коэффициентами преломления. Если коэффициент

преломления убывает с высотой, то в соответствии с законом преломления

искривленная траектория волны обращена выпуклостью вверх.

Когерентное отражение радиоволн от всей толщи тропосферы обу-

словлено

плавной (экспоненциальной) зависимостью ее диэлектрической

проницаемости от высоты и потому характеризует переизлучение электро-

магнитной энергии нормальной тропосферой. Пользуясь сферически-

слоистой моделью тропосферы, отражение радиоволн нормальной тропосфе-

рой можно пояснить с помощью рис. 4.17.

Рисунок 4.17 - Когерентное отражение от слоев тропосферы

115

При этом следует подчеркнуть, что отражение в данном случае имеет

когерентный характер, так как амплитуды и фазы радиоволн, отраженных

отдельными слоями, являются детерминированными величинами.

Процесс рассеяния радиоволн глобулами поясняется рис.4.18. Переиз-

лучение энергии областью пространства, в котором размещена глобула, про-

исходит не только в направлении проходящей волны, но и в стороны

, под не-

которыми углами. Главным является тот факт, что рассеяние в стороны ни-

чтожно мало по сравнению с переизлучением “вперед” и чрезвычайно быст-

ро уменьшается с увеличением угла рассеяния

Очевидно, минимальное значение угла рассеяния

для находящейся

на поверхности Земли станции Б будет лишь в том случае, если антенна стан-

ции Б находится в вертикальной плоскости, проходящей через антенну стан-

ции А и глобулу. Именно этим и объясняется острая направленность макси-

мума процесса рассеяния и вытекающее отсюда требование точной встреч-

ной ориентации антенн станций А

и Б.

Рисунок 4.18 - Рассеяние радиоволн глобулой

Очевидно, суммарное поле рассеяния в т.B определяется выражением

∑

где

N - число неоднородностей в объеме переизлучения Q.

Так как

N обычно велико и непостоянно, то величина Е

имеет непо-

стоянные во времени значения модуля и фазы. Значения фазы равномерно

распределены в интервале 0...2

π. Значения модуля в сильной степени зависят

от точности встречной ориентации антенн и высоты расположения объема

рассеяния, а также от размеров объема рассеяния. При этом существует по-

нятие оптимального размера объема рассеяния, обеспечивающего максимум

переизлучения, поскольку при дальнейшем его увеличении глобулы, нахо-

дящиеся в верхней части объема, рассеивает энергию под существенно

боль-

шими углами, то есть неэффективно.

Суммарное электрическое поле, в том числе обусловлено всеми вы-

шеизложенными механизмами

= Е

+ Е

где

- энергия за счет рассеяния,

- энергия за счет отражения от толщи тропосферы,

116

- энергия за счет когерентного преломления.

Рассеяние волн глобулами и отражение волн слоями характеризуется

многолучевостью, при которой фазовые углы компонент случайны и практи-

чески некоррелированы. Поэтому механизм дальнего тропосферного рассея-

ния является некогерентным.

При уменьшении интервалов до протяженности меньше 90 - 100 км

дифракционная компонента поля (за счет огибания волной земной поверхно-

сти) быстро

возрастает и превалирует над суммой Е

, интервал из тропо-

сферного переходит в закрытый радиорелейный.

Правильное представление о конфигурации объемов переизлучения

на интервалах реальных тропосферных линий имеет существенное значение

для понимания механизма и свойств дальнего тропосферного рассеяния УКВ,

определяющих особенности тропосферной связи. Рассмотрим этот вопрос с

использованием рис.4.19.

Рисунок 4.19 - Понятие реального объема рассеяния

На величину и конфигурацию объема переизлучения Q оказывают

влияние величины

R, h

, h

, γ, Θ

. От них зависят такие величины как R

и h

Очевидно при малых h

значение Θ

≅ γ. При этом Θ

также мало (пример: R=

150 км,

= 230 м, γ = 1

, Θ

= 0,84

; R = 500 км, h

= 3,3 км, γ = 3,4

, Θ

=3,2

Угол места

антенн выбирается таким, чтобы максимум излучения

антенны был направлен в нижнюю область объема рассеяния, так как при

этом достигается максимум уровня рассеянного поля в точке приема. Обыч-

но при малых высотах антенн

≅ 0,5

При таких углах места объем рассеяния сильно вытянут вдоль интер-

вала. Можно показать, что горизонтальный размер достигает значений

(0,8...0,85)·

117

Таким образом, объем рассеяния реальных интервалов тропосферных

радиолиний по своей конфигурации представляет собой сильно вытянутое

сигарообразное тело, максимальный поперечный размер которого составляет

единицы километров, длина приближается к длине интервала, а высота рас-

положения нижней границы над поверхностью земли в средней части интер-

вала составляет сотни метров - единицы километров. Рассеяние радиоволн за

пределы горизонта происходит под весьма небольшими углами, составляю-

щими величины порядка 0,8...3

. Из рисунка 4.19 можно вывести формулу

предельной дальности связи при дальнем тропосферном рассеянии УКВ.

= (4,12·2·

), км

= R - R

= 4,12·(

,а

,б

), км

R = R

+ R

= 4,12·( 2·

,а

,б

), км

При низко расположенных антеннах

R ≅ R

, то есть можно использо-

вать формулу

R = 4,12·2·

, км

Подстановка значения

показывает, что R

max

≅ 1000 км. Обеспечение

максимальной дальности требует больших экономических затрат. Поэтому

на стационарных тропосферных радиолиниях

R ≅200...300 км, для подвиж-

ных тропосферных радиостанций

R ≅120...200 км.

Принципы построения систем дальнего тропосферного распростране-

ния (ДТР) УКВ показывает принципиальную возможность построения сис-

тем тропосферной связи в диапазоне частот 100-8000МГц.

4.3.2 Принципы построения тропосферных станций

Рассмотрим принципы построения тропосферных станций

Большинство особенностей построения передатчиков и приемных уст-

ройств ТРСт вытекает из особенностей тропосферной радиосвязи. Основны-

ми из них являются:

1. Использование передатчиков большой мощности. В диапазоне

СВЧ, требуемые для тропосферной связи мощности обеспечивают пролетные

многорезонаторные клистроны. В ряде ТРСт для обеспечения ступенчатого

изменения мощности применяются амплитроны (магнетрон, обладающий

свойством “радиопрозрачности” во невключенном состоянии).

2. Использование в ПРМ малошумящих усилителей (МШУ), порого-

понижающих устройств, антенн с достаточно высоким коэффициентом уси-

ления.

Уровень шумов МШУ принято оценивать эффективной шумовой тем-

пературой

эфф

=Т

-1),

118

где Т

=280

K; n

- коэффициент шума.

Используемые в ТРСт МШУ позволяют достичь

эфф

=150-200

Дальнейшее снижение

эфф

эффекта не дает, так как начинают преобладать

так называемые шумы Земли (

=300

K).

В передатчиках используются помехоустойчивые виды модуляции

(ЧМ, ОМ), частотное или временное (при передаче дискретной информации

и аналоговых сигналов методом импульсно - кодовой модуляции) уплотне-

ние. То есть ТРЛ являются многоканальными либо малоканальными, анало-

гично РРЛ.

4.4 Основные методы борьбы с замираниями сигналов

4.4.1 Разнесенный прием

Коэффициент корреляции

ρ(ξ) между сигналами при разнесенном

приеме описывается выражением

ρ(ξ)=e

B−

⎛

⎝

⎜

⎞

⎠

⎟

где В - коэффициент;

− интервал разнесения,

ξ − параметр разнесения.

Многочисленные наблюдения показали, что для эффективной борьбы

с замираниями при разнесенном приеме необходимо, чтобы коэффициент

корреляции

ρ(ξ) между принимаемыми сигналами был меньше 0,6.

В зависимости от физического содержания параметра

ξ различают:

- пространственно - разнесенный прием, при котором осуществляется

одновременный прием сигналов на несколько разнесенных в пространстве

антенн;

- частотно-разнесенный прием, когда один и тот же сигнал передается

одновременно на несколько рабочих частотах;

- временной разнесенный прием, состоящий в многократном повторе-

нии одного и того же сигнала на одной и той рабочей

частоте через интерва-

лы времени, превышающие среднюю длительность замираний в канале;

- поляризационно-разнесенный прием, при котором для регистрации

сигналов с горизонтальной и вертикальной поляризацией используются раз-

личные антенны;

- угловой разнесенный прием, при котором учитывается разность уг-

лов прихода лучей в вертикальной или в горизонтальной плоскости.

В настоящее время широко используется

пространственно-

разнесенный прием. Он может осуществляться при горизонтальном распо-

ложении антенн вдоль или поперек трассы связи, а также при вертикальном

расположении антенн. Экспериментально установлено, что корреляция сиг-

налов в коротковолновых (КВ) каналах уменьшается быстрее при попереч-

ном, а в УКВ каналах при вертикальном разнесении антенн. Наименьшие

119

размеры антенного поля получаются при горизонтальном расположении при-

емных антенн поперек направления трассы. В этом случае значение коэффи-

циента корреляции сигналов

ρ(ξ) < 0,6 достигается разнесением антенн на

расстояние 10...15 длин волн; при расстоянии 30-50 длин волн ρ(ξ) ≈ 0,3.

В зависимости от кратности разнесения количество антенн может

быть равно двум, трем и более. Количество приемников обычно берется рав-

ным количеству антенн, так как при использовании только одного приемника

требуется некоторое время на выбор антенны с наиболее сильным сигналом

и появляются помехи, вызываемые коммутацией антенн.

При

частотном разнесении каждая ветвь разнесения представляет со-

бой отдельный канал связи, включающий комплект передающей и приемной

аппаратуры со своими антеннами, т.е. оборудование системы связи значи-

тельно усложняется. Кроме того, возрастает ширина полосы частот, зани-

маемая каналом. Разнесение рабочих частот должно составлять 1...3 кГц в КВ

каналах и 3...5 МГц в УКВ каналах связи.

Метод временного разнесения при достаточно большом числе повто-

рений сигнала позволяет значительно повысить помехоустойчивость как по

отношению к замираниям, так и по отношению к аддитивным помехам. Ог-

раничения на скорость телеграфирования и длительность кодограмм. Необ-

ходимо иметь в составе систем элементы памяти. Достоинство: один ком-

плект приемо-передающей аппаратуры.

Поляризационно-разнесенный прием уменьшает влияние поляризаци-

онных замираний сигналов. Целесообразно использовать в УКВ диапазоне.

При тропосферной и ионосферной радиосвязи на УКВ применяется

метод углового разнесения.

При

n-кратном разнесении обычно используют n- рефлекторных ан-

тенн и

n приемников, причем облучатели антенн по определенному закону

смещаются относительно фокуса рефлектора.

Независимо от физического содержания параметра разнесения сигнал

в каждой ветви разнесения

(t) есть сумма полезного сигнала u

(t) и адди-

тивной помехи

пj

(t):

(t)= u

(t)+ u

пj

(t).

При

n-кратном разнесении результирующий сигнал на входе системы

связи с разнесенным приемом равен

x(t)=

∑

txC

)(

Здесь

- весовые коэффициенты, величина которых зависит от спо-

соба формирования группового сигнала и отношения сигнал/шум в

j-м кана-

ле связи.

4.4.2 Способы формирования группового сигнала

Известны следующие способы формирования группового сигнала:

120

- неоптимальный автовыбор;

- оптимальный автовыбор (селективное сложение);

- линейное сложение;

- оптимальное (взвешенное) сложение;

- комбинированный способ.

Помехоустойчивость этих способов формирования группового сигна-

ла чаще всего оценивается энергетическим критерием, т.е. увеличением от-

ношения сигнал/помеха при разнесенном приеме по сравнению с отношени-

ем сигнал/помеха при одиночном приеме. В случае передачи

дискретных

сигналов помехоустойчивость целесообразно оценивать и вероятностным

критерием, позволяющим судить о вероятности ошибок при разнесенном и

одиночном приемах.

Таким образом, в качестве основных особенностей ТРЛ

следует выде-

лить:

1. Большая частотная емкость (В диапазоне 30-3000МГц можно раз-

местить 7 ·10

телефонных каналов связи, т.е. обеспечить одновременную ра-

боту 6000 многоканальных линий связи, каждая по 1200 каналов). Однако из-

за замираний эффективно может передаваться в одной ТРЛ не более 120, ре-

же 300 каналов.

2. Широкий спектр частот УКВ диапазона позволяет использовать но-

вые виды модуляции: широкополосную ЧМ, различные виды импульсной

модуляции, модуляцию по форме

для получения широкополосных сигналов

(ШПС), что в свою очередь позволяет повысить помехоустойчивость СРС.

3. Отсутствие атмосферных и промышленных помех, низкий уровень

станционных помех.

4. Малый уровень помех (основные из них, это собственные тепловые

шумы), позволяет создать высокочувствительные устройства, т.е. повысить

дальность и надежность связи.

5. Колебания уровней сигнала невелики, и,

как правило, к перерывам

связи не приводят, это позволяет работать длительное время без смены час-

тот.

Вопросы контроля

1. Дайте определения радиорелейной связи, радиорелейной линии

связи, радиорелейной станции, радиорелейному пролету и участку.

2. Перечислите основные достоинства радиорелейной связи.

3. Каковы принципы, положенные в основу построения радиорелей-

ной линии связи?

4. Каково максимальное расстояние связи прямой видимости для нор-

мальной и для повышенной рефракции радиоволн, в случае, когда антенны

корреспондентов подняты на

высоту 20 метров.

5. Что понимают под высокочастотным стволом? Какие виды стволов

известны?

6. Что понимают под частотным планом? Какие виды частотных пла-

нов находят наибольшее применение?