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

Подождите немного. Документ загружается.

121

7. Для чего станции радиорелейной линии на трассе размещают в виде

ломаной линии?

8. По каким признакам и характеристикам можно классифицировать

военные системы радиорелейной и тропосферной связи?

9. Каковы основные особенности военной радиорелейной связи?

10. Какими параметрами характеризуется структура военных радио-

релейных линий?

11. Из каких слагаемых состоит затухание радиосигнала на интервале

радиорелейной

линии? Какое из этих слагаемых имеет наибольшее значение?

12. Чему равно затухание в свободном пространстве при дальности

связи 30 км и длине волны 15 см?

13. Назовите причины замираний сигналов на интервале радиорелей-

ной линии.

14. Поясните физический смысл понятия «процент времени быстрых

замираний».

15. Какие способы применяются для повышения эффективности ис-

пользования линий связи

16. Что понимается под многоканальной системой передачи?

17. Какие способы уплотнения и разделения сигналов в настоящее

время известны и широко используются?

18. Перечислите достоинства и недостатки РРЛ с ЧРК-ЧМ.

19. Назовите основные характеристики группового сигнала в РРЛ с

ЧРК-ЧМ.

20. Какие помехи имеют место в каналах РРЛ с ЧРК-ЧМ?

21.

Назовите причину возникновения тепловых шумов.

22. Вследствие чего возникают шумы нелинейных переходов в РРЛ с

ЧРК-ЧМ.

23. Из чего складываются аппаратурные шумы.

24. Поясните механизм дальнего тропосферного распространения ра-

диоволн.

25. Каковы основные особенности тропосферной радиосвязи?

122

5 Системы мириаметровой и декаметровой радиосвязи

5.1 Ионосферное распространение декаметровых волн

5.1.1 Влияние строения и состава атмосферы на распространение

декаметровых волн

Созданная Взаимоувязанная сеть связи Российской Федерации (ВСС)

охватывает практически всю территорию России, включает в себя все про-

водные и радиолинии, объединяет все сети связи страны. Надежно и устой-

чиво функционирующая сеть связи обеспечивают соединение абонентов в

любых

пунктах страны.

Линии радиосвязи по их месту в первичной сети, как известно, делят-

ся на магистральные, зоновые и местные.

Основными отличительными особенностями радиосвязи, определяю-

щими роль и место в ВСС, являются:

- возможность организации связи со сколь угодно большим количест-

вом корреспондентов;

- связь с движущимися объектами;

- большая гибкость в организации

связи, чем у проводных систем;

- более простое преодоление естественных препятствий;

- возможность организации ненаправленной связи (программы веща-

ния и др.).

Анализ видов радиосвязи показывает, что дальность связи определя-

ется в основном диапазоном волн, механизмами их распространения и со-

стоянием внешней среды. Но ведь радиосвязь может осуществляться на рас-

стояния сотен

и тысяч километров! Как же это происходит?

Для понимания этого необходимо рассмотреть состав и основные фи-

зические явления, происходящие в тропосфере и ионосфере при распростра-

нении радиоволн.

Большие дальности радиосвязи можно обеспечить, используя мириа-

метровый, километровый и гектометровый диапазоны. Радиоволны этих диа-

пазонов обладают хорошей дифракционной способностью и сравнительно

мало ослабляются

в земной поверхности.

Большая дальность связи может быть обеспечена и в декаметровом

диапазоне. Для понимания этого необходимо рассмотреть явление преломле-

ния волн в ионосфере.

Рассмотрим структуру ионосферы. В 1902 году физики А. Кенелли и

О. Хэвисайд высказали смелое предположение: верхние слои атмосферы

должны состоять из ионизированного газа - ведь они подвергаются прямому

воздействию солнечного ультрафиолета и других жестких космических из-

лучений. Ионизированный газ проводит электрический ток, а проводники от-

ражают электромагнитные волны. Следовательно, радиоволны должны от-

ражаться от верхних слоев атмосферы. Гипотеза вызвала много споров,

окончательно затухнувших лишь в 1925 году, когда американские инженеры

123

Г. Брейт и М. Туве послали импульсный радиосигнал вертикально вверх,

приняли отраженный сигнал и экспериментально определили высоту отра-

жающего слоя. Долгое время ионосферу так и называли - слой Хевисайда,

пока не выяснилось, что отражающих слоев несколько: летним днем их не

менее четырех!

Оказывается, один ионизированный слой образовался бы, если бы ат-

мосфера

была однородной и имела одинаковую температуру на всех высотах.

В действительности же состав верхних слоев атмосферы весьма неодноро-

ден. Ближе всего к поверхности Земли на высоте около 70 км расположен

слой

D. Это нерегулярное образование ионосферы существует только в днев-

ные часы, когда велика интенсивность солнечного ионизирующего излуче-

ния. На высотах 90...120 км постоянно существует слой

Е. В зависимости от

времени суток и года изменяется лишь концентрация свободных электронов

в этом слое. Ночью слой расположен несколько выше, а днем ниже, что свя-

зано с изменениями потока ионизирующего излучения. Самый верхний слой,

слой

F, располагается на высотах 150...350 км, где и атмосферы-то уже прак-

тически нет, настолько разряжен воздух на всех высотах. Молекулы газов,

составляющих атмосферу, там распадаются на отдельные атомы, которые

под воздействием ионизирующего излучения немедленно теряют внешние,

наиболее удаленные от ядра электроны и становятся положительно заряжен-

ными ионами. А потерянные ими электроны

становятся свободными и с ог-

ромными скоростями летают в верхних слоях атмосферы, пока не столкнутся

с каким-либо положительным ионом. Процесс воссоединения электрона с

ионом называется рекомбинацией. Таким образом, содержание заряженных

частиц в атмосфере определяется двумя процессами:

− ионизацией внешним излучением

− рекомбинацией из-за соударений.

Теперь становится понятным, почему ионизированных атомов и мо-

лекул почти нет у поверхности Земли: поток ионизирующего излучения

здесь очень мал, поскольку он уже поглотился в верхней атмосфере, а соуда-

рения очень часты и рекомбинация ионов и электронов происходит немед-

ленно. В верхних слоях все наоборот. Поэтому практически

все атомы в са-

мых верхних слоях ионосферы ионизированы.

Днем слой

F распадается на два: F

и F

. Слой F

, расположенный ни-

же, обусловлен ионизацией молекулярного озона, а слой

- ионизацией

атомарного кислорода. Ночью слой

, исчезает вследствие рекомбинации

пар электрон - ион, а слой

сохраняется, хотя концентрация электронов не-

значительно уменьшается. На рис. 5.1 показаны примерные графики, связы-

вающие электронную концентрацию

N (число электронов в единице объема)

с высотой

Наличие ионизированных слоев существенно изменяет картину поля

по мере распространения радиоволн от передающей антенны к точке приема.

Как и световые волны, радиоволны претерпевают преломление. Коэффици-

ент преломления лучей зависит от диэлектрической проницаемости вещества

ε.

124

Рисунок 5.1 – Концентрация электронов в ионосфере

Для ионизированного слоя

/8,801 fN−≈

(5.1)

где

f - частота радиоволны.

Из выражения (5.1) видно, что чем больше

N, тем меньше ε. Коэффи-

циент преломления

n связан с диэлектрической проницаемостью выражени-

ем:

n =

(5.2)

Так как значение

N возрастает с увеличением высоты h, то направле-

ние луча постепенно искривляется (рис. 5.2.). Если принять, что луч подает

на нижнюю границу слоя под углом

, а ε=1 (для воздуха), то из закона пре-

ломления

возд.

·sinϕ

sin(π/2),

где n

возд.

- коэффициент преломления воздуха (равен единице, т.к. ε

возд.

=1),

- коэффициент преломления ионосферы, можно вывести условие

возвращения луча к поверхности Земли:

/8,801sin fN−=ϕ .

(5.3)

Из соотношений (5.1) и (5.3) видно, что чем короче длина волны

(больше частота), тем меньше преломление при прочих равных условиях (в

точке возврата

= 90

Теперь можно определить наивысшую частоту, при которой луч, точ-

нее энергия луча, еще возвратится на Землю:

(

)

ahN

/2sin

/218,80

max

МПЧ

+ϕ

(5.4)

где

max

- наибольшая концентрация электронов в ионизированном слое;

- высота границы ионосферы;

a - радиус Земли.

Эту частоту называют

максимально применимой частотой (МПЧ).

125

На рис. 5.3 показаны траектории лучей при нескольких различных

частотах, причем частота f

соответствует МПЧ. При f

> f

ни в одной точке

Земли не будет зафиксировано поле излучения антенны

А (если, конечно

пренебречь другими путями распространения, например, земной волной).

Ионизированный слой

Рисунок 5.2 – Отражение радиоволн от

ионосферы

Рисунок 5.3 – Распространение

ионосферных волн разной частоты

Формула (5.4) неоднозначна вследствие зависимости f

мпч

от угла ϕ

Поэтому вводят понятие критической частоты, которая совпадает с макси-

мально применимой частотой при вертикальном падении радиоволны на ио-

носферный слой, то есть при

ϕ= π/2. Очевидно, что

кр

max

8,80 N

(5.5)

Она представляет собой наиболее низкую из всех МПЧ.

Если же выбрать

= 0 (луч направлен вдоль линии горизонта), полу-

чим второе максимально возможное (при данном

max

) значение f

мпч

haNf 2/8,80

max

МПЧ

≈ .

(5.6)

Ясно, что для заданной трассы при заданных значениях

max

и ϕ

мо-

жет существовать, а может и не существовать значение f

кр

< f < f

мпч max ,

при ко-

торой возможна радиосвязь. Следовательно, для обеспечения непрерывной

связи между заданными пунктами управления, с учетом изменчивости

max

необходимо время от времени производить смену рабочих частот. Вопрос,

связанный с выбором рабочей частоты в декаметровом диапазоне является

одним из основных практических вопросов.

Итак, декаметровые волны находят обширное и весьма многообразное

применение в технике связи, которые базируются на способности коротких

волн (КВ) распространяться на весьма большие расстояния при относительно

небольшой

мощности передатчиков. Так радиолюбители устанавливают

связь на несколько тысяч километров при мощности передатчика до 200 Вт.

Декаметровые волны применяются на магистральных трассах для передачи

телеграфных, телефонных, фототелеграфных сообщений и вещательных пе-

редач, передачи сигналов времени, метеосводок и т.д.

126

На коротких волнах явление дифракции (огибания земной поверхно-

сти) проявляется несущественно, в частности, из-за резкого возрастания по-

глощения энергии в Земле. По этой причине связь в КВ диапазоне земной

волной может быть осуществлена на расстоянии 100...150 км.

Поле в точке приема создается в основном за счет отражения от слоев

D, Е, F

и F

(слои D и Е вызывают также наибольшее поглощение).

5.1.2 Выбор частот для декаметровой связи

При радиосвязи ионосферными волнами с помощью направленных пе-

редающих антенн обеспечивается излучение радиоволн под определенным

углом к горизонту. Часть пути радиоволны будет распространяться в ионизи-

рованном газе ионосферы. В ионосфере под действием радиоволн возникает

переменный электрический ток. Этот ток в свою очередь создает вторичное

электромагнитное поле, которое, складываясь с первичным (полем радиоволны,

падающей на ионосферу), вызывает эффект переизлучения (отражения) элек-

тромагнитной энергии в сторону земной поверхности.

Условия отражения радиоволн от ионосферы зависят от уровня элек-

тронной (концентрации в ионосфере N

и определяются частотой падающей

волны, а также углом падения радиоволн на ионосферу

ϕ (рис. 5.1)).

Наибольшая частота радиоволны, которая отражается обратно на Зем-

лю при вертикальном падении на слой ионосферы, называется критической

частотой f

кр

слоя и для слоя F

в радиопрогнозах обозначается F

-0-MПЧ.

Волны с частотой выше критической проходят сквозь определенный

слой ионосферы, не отражаясь от него.

При наклонном падении радиоволн на ионосферу от слоя с макси-

мальным уровнем электронной концентрации будут отражаться радиоволны с

частотой

кр

sec

(закон секанса).

Наибольшая частота электромагнитной волны, отражающейся от оп-

ределенного слоя при наклонном ее падении на ионосферу, называется мак-

симально применимой частотой. Максимально применимая частота зависит от

состояния ионосферы и длины радиолинии. Чем больше длина радиолиний,

тем больше МПЧ, тем меньше должен быть угол максимального излучения

антенны относительно линии горизонта.

Максимальная дальность распространения радиоволн одним скачком

зависит от высоты точки отражения и составляет для слоя

примерно

4000 км, для слоя

3000 км, для слоя

2000км.

МПЧ наибольших дальностей скачка обозначаются специальными

символами:

-4000-МПЧ при отражении от слоя

;

-3000-МПЧ при отражении от слоя

;

-2000-МПЧ при отражении от слоя

Расчет МПЧ является трудной задачей. Для упрощения расчетов при-

меняют специальные номограммы. Для радиосвязи ионосферными волнами

можно применять только те частоты, которые меньше МПЧ. В течение су-

127

ток МПЧ изменяется в широких пределах - днем МПЧ больше, чем ночью.

Для компенсации суточных изменений МПЧ на радиолиниях применяют

дневные и ночные рабочие частоты.

Радиоволны, проходящие через ионосферу, также испытывают в сло-

ях

D и Е наибольшее поглощение. Одной из причин поглощения является пе-

реход электромагнитной энергии в тепловую энергию среды. Степень погло-

щения радиоволн декаметрового диапазона зависит от многих факторов, а при

распространении их путем отражения от ионосферы в первую очередь зависит

от частоты.

Различают два случая поглощения.

Первый случай соответствует так называемому «отклоняющему» по-

глощению. Оно имеет

место в слое, где происходит отражение и траектория

волны сильно отклоняется от прямолинейной.

Второй случай относится к слоям, через которые волна проходит без

отражения. В этих слоях поглощение называют «неотклоняющим».

В неотклоняющей области поглощение увеличивается с понижением

частоты и увеличением длины трассы (при фиксированной частоте). В от-

клоняющей области зависимости

обратные. Поэтому существуют некоторые

минимальные частоты (для постоянных мощностей передатчиков и длин

трасс), для которых поглощение достигает такой величины, что напряжен-

ность поля в точке приема (или мощность сигнала на входе приемника) ока-

зывается недостаточной для обеспечения заданного качества связи. Эти час-

тоты получили название наименьше применимых.

Наименьшая частота, обеспечивающая связь с заданным качеством в

радиолинии, называется наименьшей применимой частотой (НПЧ). НПЧ из-

меняется в зависимости от мощности передатчика, параметров передающей ан-

тенны, дальности связи и поглощения радиоволн в ионосфере и зависит от

уровня внешних помех, параметров приемной антенны, рода работы и требо-

ваний к качеству радиосвязи.

Известно, что точность долгосрочных (на месяц или сезон года) прогно-

зов невелика, поэтому они не могут отражать истинное положение границ

МПЧ и НПЧ на каждые сутки. Рабочие частоты должны быть меньше МПЧ,

но больше НПЧ. В каждый же час текущего времени конкретных суток суще-

ствуют МПЧ, которые могут существенно отличаться от МПЧ, прогнозируе-

мых на месяц (сезон года). Такие отклонения обусловлены солнечно-

земными взаимосвязями в эти конкретные сутки.

Это существенное отличие имеет важное практическое значение. Так,

выбирая из долгосрочного прогноза рабочие частоты без учета суточных ва-

риаций МПЧ и НПЧ, на связь могут быть ошибочно назначены частоты, неоп-

тимальные по условиям распространения радиоволн.

Оптимальная рабочая частота (ОРЧ) по условиям распространения ра-

диоволн - понятие неоднозначное. Каждый раз, говоря об ОРЧ, необходимо

подразумевать критерий оптимальности: для долгосрочного прогноза опти-

мальные частоты такие, на которых надежная связь обеспечивается в 90%

128

времени, для которого рассчитан прогноз. Эти частоты оптимальные в смысле

наибольшего суммарного времени обеспечения качества радиосвязи за этот пе-

риод. Пользуясь таким прогнозом, оптимальную рабочую частоту необходимо

назначать на 15% ниже МПЧ, указанной в нем. Для связи в конкретное время

суток оптимальная частота такая, на которой радиоволны испытывают наи-

меньшее поглощение в среде распространения и обеспечивают максимальный

средний уровень сигнала в пункте приема, а также распространяются с наи-

меньшим числом отражений от ионосферы и Земли. Поэтому, выбирая ОРЧ

для связи с корреспондентом в конкретное время суток, необходимо вначале

определить фактическую на данное время суток МПЧ, а после этого следует

выбирать ОРЧ из полосы частот в пределах 0,95—0,85 МПЧ.

В каждом месячном прогнозе МПЧ указывается уровень солнечной

активности, выраженный в сглаженных относительных числах солнечных пятен

( W ), для которого рассчитан данный прогноз. Реально наблюдающееся число

солнечных пятен в каждом конкретном месяце может отличаться от указан-

ного в прогнозе иногда значительно, что отражается на точности прогнозов

МПЧ.

Средняя точность прогнозов МПЧ при небольшой (порядка 10 ед.)

ошибке в прогнозе солнечной активности равна ±10% на средних широтах

Земли. В экваториальных и полярных районах точность прогноза несколько

ниже вследствие более сложных закономерностей процессов в ионосфере и

недостаточного числа ионосферных станций, освещающих эти районы.

Так как прогноз солнечной активности даже на месяц сама по себе

сложная проблема, то точность долгосрочного прогноза МПЧ на этот период

тоже не очень высокая. Поэтому прогнозы, рассчитанные по этой методике на

определенный период, целесообразно использовать только при распределении

частот между корреспондентами или при планировании связи на этот период.

Для обеспечения качественной радиосвязи на декаметровых волнах не-

обходимо знание фактических границ диапазона рабочих частот на текущий

момент времени. С этой целью необходимо использовать приборные методы

определения МПЧ и НПЧ.

В настоящее время известно несколько способов определения состоя-

ния ионосферы и условий распространения ионосферных радиоволн на радио-

линиях: способ вертикального зондирования ионосферы (ВЗ), способ возвратно-

наклонного зондирования (ВНЗ), наклонного зондирования (НЗ), способ трас-

сового опробования, способ прогнозирования диапазона рабочих частот с ис-

пользованием зондирующих сигналов радиомаяков и передач известных радио-

станций.

Каждый из этих способов имеет не только достоинства, но и недос-

татки. В зависимости от наличия в частях связи, на узлах, центрах связи того

или иного средства для зондирования ионосферы они могут быть использова-

ны для повышения надежности (как составной части устойчивости) систем свя-

зи.

129

5.1.3 Ионосферно-волновая служба связи

Для повышения качества радиосвязи, прогнозирования условий прохож-

дения радиоволн, выбора и использования в радиоканалах оптимальных ра-

диочастот, а также для оперативного ма неврирования обходными и запасны-

ми каналами радиосвязи в войсках создана ионосферно-волновая служба связи

(ИВСС). ИВСС является система наклонного зондирования ионосферы

(СНЗИ), состоящая из передающей и приемной подсистем.

Передающая подсистема представляет собой передающие пункты

(ПДРП) зондирующих сигналов, территориально совмещенных с узлами связи

флотов.

Приемная подсистема состоит из приемных радиопунктов (ПРП) зон-

дирующих сигналов, которые размещены на постах ИВСС.

На ПДРП размещены средства наклонного зондирования

Передача сигналов аппаратурой наклонного зондирования ведется

по программам в соответствии с расписаниями.

Каждая программа включает в себя:

- начальную и конечную частоты зондирования;

- время начала зондирования;

- шаг перестройки частоты.

Зондирование по программам производится циклами, равными 30

или 60 мин. В особых случаях (по приказанию) цикл зондирования может

быть равен 5 мин. Зондирование с циклами 30 и 60 мин осуществляется

постоянно, с циклом в 5 мин - только в сложных условиях прохождения ра-

диоволн и при обеспечении радиосвязи в арктических районах. На ПРП эти

сигналы принимают в автоматическом режиме и определяют участок диа-

пазона, пригодный в данное время для обеспечения надежной связи. Вре-

мя начала приема программы зондирования на ПРП произвольное, уста-

новленное по расписанию сеансов СНЗИ с точностью до 1 мин. Шаг пере-

стройки приемной аппаратуры СНЗИ может быть 0, 100, 200, 400 кГц.

Передача сигналов телеграфной азбуки ведется радиомаяками круг-

лосуточно. На ПРП ведутся их слуховой прием, оценка слышимости в бал-

лах и определение участка диапазона частот, пригодного для обеспечения

надежной связи.

Главными звеньями ионосферно-волновой службы связи являются

посты ИВСС, которые предназначены для обеспечения высокой надежности

радиолиний.

Они решают следующие задачи:

- осуществляют краткосрочное прогнозирование условий распро-

странения радиоволн и оперативно корректируют долгосрочные радиопро-

гнозы для конкретных радиолиний;

- анализируют частотную обстановку в районе узла связи (корабля)

с учетом влияния помех от посторонних радиостанций и применяемых для

связи антенн;

130

- прогнозируют время перехода на новые оптимальные рабочие час-

тоты в радиоканалах и обеспечивают вместе с дежурной службой связи

подразделения своевременный перевод радиоканалов на эти частоты;

- контролируют качество и регулярность излучения сигналов пере-

дающими пунктами системы наклонного зондирования в зоне обслуживае-

мой конкретным тостом ионосферно-волновой службы связи;

- обмениваются между постами ИВСС информацией о результатах

приема сигналов зондирования от соответствующего ПДП;

- вырабатывают обоснованные рекомендации дежурной служ

бе узла

связи по использованию оптимального типа антенн в каждом радионаправ-

лении.

Посты ИВСС узлов связи являются важнейшими элементами системы

радиосвязи. Важно отметить, что задачи, решаемые постами ИВСС, по сво-

ему характеру являются информационными и относятся к управленческой

деятельности

Таким образом, одной из практических задач, которая должна быть

решена при организации КВ радиосвязи, является задача правильного выбора

рабочих частот.

5.2 Принципы построения и особенности систем радиосвязи

декаметрового и мириаметрового диапазонов

5.2.1 Основы построения радиолиний декаметровой связи

Особенностью построения декаметровых линий связи является учет

так называемой «зоны молчания». Этот эффект проявляется

следующим об-

разом. При малом удалении приемника от передатчика сигнал корреспонден-

та слышен хорошо. При удалении приемника на некоторое большее расстоя-

ние сигнал пропадает, затем через некоторое расстояние опять появляется.

Причина этого заключается в следующем. Предположим, что расстояние ра-

диосвязи большое. В этом случае в точке приема принимается волна, отра-

женная от ионосферы. При уменьшении расстояния (при прочих равных ус-

ловиях) увеличивается угол

. При некотором ϕ

0мз

(где индекс «МЗ» означа-

ет мертвую зону молчания), рабочая частота становится по значению больше

МПЧ, следовательно, волна не отражается, а пронизывает ионосферу и ухо-

дит в космическое пространство. В точке приема не будет наблюдаться ра-

диосигнал. При дальнейшем уменьшении расстояния мощности передатчика

оказывается достаточно для создания необходимой напряженности поля.

этом случае приемная антенна принимает уже не отраженную от

ионосферы волну, а земную, т.е. распространяющуюся вдоль земной поверх-

ности. Зона молчания имеет кольцевую форму (рис.5.4). Здесь заштрихованы

участки земной поверхности Земли, где возможен прием сигналов с задан-

ным качеством.