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

Подождите немного. Документ загружается.

141

Для диапазона СДВ в настоящее время характерной становится про-

блема "частотного голода", и трудность обеспечения ЭМС. В силу низкого

уровня естественных помех в СДВ диапазоне существенную трудность пред-

ставляет задача выполнения требований по скрытности связи, даже при ис-

пользовании шумоподобных сигналов.

В настоящее время радиосвязь на СДВ используется для связи с

под-

водными лодками, кораблями надводного флота, для передачи сигналов еди-

ного времени, для целей дальней навигации, а также для передачи специаль-

ных сигналов.

При оценке возможности связи на СДВ и ее качества в инженерной

практике обычно используют эмпирические формулы. Наибольшее распро-

странение получила так называемая эмпирическая формула Остина, обоб-

щающая

результаты измерений напряженности поля:

сфо

кВт

)(

300

кмr

E = [мВ/м],

где

кВт

- излучаемая мощность;

r - длина трассы по поверхности Земли в км;

сфо

– функция ослабления, которая определяется выражением

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

−=

6,0

сфо

0014,0

exp

иsin

V ,

где

λ- длина волны в км, для которой осуществляется расчет;

θ - угол между прямыми, соединяющими центр Земли с точками на ее

поверхности где установлены передающая и приемная антенны.

Данная формула "работает" при

r начиная с 2000 км, до расстояний

16...18 тыс. км.

Следует иметь в виду, что в СДВ диапазоне коэффициент полезного

действия передающих антенн весьма мал, т.е. излучаемая мощность будет

сильно отличаться от подводимой к антенне, и, кроме того, является сущест-

венно зависимой от излучаемой частоты (

). Например, для подводимой

мощности в 400 кВт при длине линии радиосвязи 8000 км, имеют место зави-

симости, представленные в таблице 5.1

Анализ таблицы 5.1 показывает, что оптимальной для связи на данном

расстоянии является частота 20 кГц, при которой обеспечивается максимум

напряженности поля в точке приема, однако максимум не является резким,

т.е. могут без существенных

потерь использоваться для связи частоты в пре-

делах 20-40 кГц.

Таблица 5.1

Частота, кГц 15 20 30 40 60 80

КПД антенны, % 7,9 14 26 43 47 50

Излучаемая мощность, кВт 31,6 56 104 172 188 200

Напряженность поля сигнала, мкВ/м 38 36 26 20 8,4 3,6

142

Рассмотрим особенности распространения радиоволн в коре Земли и

под землей.

Первые сообщения об экспериментах по осуществлению радиосвязи

под землей появились еще в 1959 году. При этом отмечалось, что этому виду

радиосвязи присущ ряд специфических особенностей. К числу наиболее

важных из них следует отнести:

1. Высокая защищенность связи от воздействия поражающих факто-

ров

ядерного взрыва, природных явлений и т.д.

2. Возможность осуществления радиосвязи как земной, так и про-

странственной волной. В качестве отражающего слоя при пространственном

распространении СДВ служат нижние слои ионосферы (

D и E). Очевидно,

что для земной волны влияние различных помех, в том числе и от других ра-

диостанций заметно ослаблено. Однако вследствие значительного поглоще-

ния радиоволн толщей земли дальность связи достигает не более 200 км, в то

время как работа пространственной волной позволяет установить связь на

расстояниях до 2000 км.

3. Существенная зависимость дальности связи

от проводимости

[сим/м] и относительной диэлектрической проницаемости почвы.

4. Зависимость дальности связи от рабочей частоты. С увеличением

частоты дальность подземной радиосвязи уменьшается. Это обусловлено

возрастанием величины полного ослабления, которая складывается из собст-

венного затухания сигнала на пути между передатчиком и приемником и по-

терь обусловленных сферическим характером распространения электромаг-

нитной энергии. Обе этих составляющих зависят от частоты.

Нижняя граница рабочих частот в системах подземной связи опреде-

ляется соотношением между максимальной частотой модулируемого сигнала

и несущей частотой.

Верхняя граница зависит от проводимости породы на пути распро-

странения земной волны от передатчика к приемнику и требуемой дальности

связи. На практике обычно используют

более узкий диапазон частот 3-

100 кГц, лежащий в СДВ и ДВ диапазонах волн.

Чтобы понять механизм распространения подземных радиоволн, не-

обходимо вспомнить строение земной коры.

Самый верхний слой земной коры образован так называемыми оса-

дочными породами. Они возникают в результате смыва с возвышенностей

продуктов выветривания и осаждения. Состав - песок, щебень, глина

, черно-

зем.

Под осадочными породами находится так называемый кристалличе-

ский фундамент, состоящий из продуктов извержения, т.е. застывшей лавы: в

верхней части – из гранитов, в нижней – из базальтов.

Таким образом, в земной коре существует слабо проводящая область,

ограниченная сверху и снизу хорошо проводящими областями. Образуется

как бы волновод, по которому

могут распространяться радиоволны.

Возможны три варианта подземного распространения радиоволн.

143

Первый - за счет боковых волн; второй - интерференционный; третий-

волноводный.

В первом случае антенна расположена на небольшой глубине

h (h<<r).

На прямом пути между передатчиком и приемником радиоволны ис-

пытывают сильное поглощение, связь затруднительна. В пункт приема может

попасть боковая волна, выходящая на поверхность земли и распространяю-

щаяся в воздухе над ней. Связь при этом возможна на несколько километров.

Для реализации второго способа бурятся отверстия сквозь слой оса-

дочных пород

и располагаются антенны в кристаллическом фундаменте на

глубине в несколько сотен метров. Применяются вертикальные антенны.

Радиоволны распространяются в слабо проводящей среде и испыты-

вают небольшое поглощение. В точку приема попадает два луча: прямой и

отраженный от нижней границы осадочных пород. Дальность распростране-

ния - несколько километров.

Наибольший интерес представляет волноводный способ.

Здесь

вертикальные антенны опускаются на глубину на несколько ки-

лометров, примерно до середины кристаллического фундамента. Хорошо

проводящие слои оказывают направляющие действие. Дальность связи мо-

жет достигать сотен километров. Достоинством волноводного способа явля-

ется защищенность от атмосферных помех.

В самом общем виде принципы построения систем радиосвязи СДВ

диапазона сходны с принципами построения

систем радиосвязи КВ диапазо-

на. Однако малая частотная емкость диапазона вынуждает использовать сиг-

налы и виды модуляции, требующие наименьшей затраты полосы частот.

Передающие устройства систем радиосвязи СДВ диапазона по прин-

ципам построения почти не отличаются от передающих устройств КВ диапа-

зона, однако здесь находят применение возбудители с диапазонно-кварцевой

стабилизацией частоты

, с АПЧ, позволяющие формировать сетку рабочих

частот через 10-100 Гц. Это позволяет наиболее экономно расходовать час-

тотную емкость диапазона.

Для перекрытия всего диапазона чаще всего используются два или

более генератора плавного диапазона и несколько частотных подставок.

Выходные каскады передатчиков выполняются на мощных электрова-

куумных приборах с воздушным либо водяным охлаждением.

некоторых системах радиосвязи СДВ диапазона используются од-

нополосные методы передачи речевых сообщений. Для большинства систем

радиосвязи СДВ диапазона передача дискретных сигналов осуществляется с

ЧТ, либо с ОФТ при невысоких скоростях.

Радиоприемные устройства СДВ диапазона также во многом подобны

радиоприемникам КВ диапазона, строятся с однократным, чаще с двукрат-

ным преобразованием частоты. Однако

здесь есть одна отличительная осо-

бенность в образовании промежуточных частот: промежуточные частоты в

приемниках СДВ диапазона образуется не как разность частот сигнала и ге-

теродина

пр

-f

или f

пр

-f

, а как сумма f

пр

или f

пр

144

Сетка частот в гетеродине приемника формируется теми же способа-

ми, что и в возбудителе передатчика и характеризуется теми же показателя-

ми.

Обязательным элементом приемника СДВ диапазона при приеме лю-

бых видов сигналов является система АРУ. В приемнике имеется общий

тракт приема всех видов сигналов и частные тракты приема сигналов АТ, ЧТ

ДЧТ и ОФТ.

В общем тракте смесители наряду с преобразованием частоты сигнала

выполняют функции элементов включенных в схему компенсационного

кольца, что позволяет несколько упростить схему гетеродина.

В режиме приема сигналов с ОМ предусмотрено восстановление не-

сущей и АПЧ.

Прием сигналов АТ производится на амплитудный детектор сигналов

ЧТ на частотный дискриминатор

а сигналов ДЧТ на специальный дешифра-

тор.

Современные приемники СДВ диапазона имеют достаточно совер-

шенную систему контроля, предусматривают возможность дистанционного

управления ими, в значительной степени автоматизированы.

Вопросы контроля

1. Каковы основные физические явления, происходящие в ионосфере

влияют на распространении радиоволн.

2. Каким образом изменяется концентрация электронов в ионосфере в

зависимости от высоты?

3. Назовите основные слои электронной концентрации в ионосфере.

4. Какая частота называется максимально применимой частотой?

5. От чего зависит максимально применимая частота?

6. Чему равна

максимальная дальность распространения радиоволн од-

ним скачком для слоя

, для слоя

7. Какая частота называется наименьшей применимой частотой?

8. Каким образом определяется оптимальная рабочая частота?

9. Назовите основные способы определения состояния ионосферы и ус-

ловий распространения ионосферных радиоволн на радиолиниях.

10. Для чего предназначена ионосферно-волновая служба связи?

11. Что является материальной основой ионосферно-волновой службы

связи?

12. Какие задачи решают посты ионосферно-волновой службы связи?

13. Поясните сущность эффекта «зоны молчания» на радиолиниях де-

каметрового диапазона.

14. Из каких основных элементов состоит радиопередающее устрой-

ство декаметрового диапазона?

15. Каковы основные конструктивные особенности приемников в сис-

темах декаметровой радиосвязи?

16. Назовите основные причины замираний в декаметровом диапазо-

не.

145

17. Какие помехи действуют в декаметровом радиоканале?

18. Назовите сущность основного метода борьбы с мультипликатив-

ными помехами.

19. Какие методы объединения разнесенных сигналов используются

наиболее часто?

20. Какие методы повышения помехоустойчивости используются при

воздействии аддитивных помех ?

146

6. Системы ультракоротковолновой радиосвязи

6.1 Принципы построения ультракоротковолновых радиостанций

Практическое использование различных свойств волн ультракоротко-

волнового (УКВ) диапазона, таких как прямолинейность распространения,

дальнее тропосферное распространение, рассеяние на следах метеоров, про-

хождение через ионосферу привело к созданию радиостанций УКВ диапазо-

на различного назначения. Различаются радиостанции УКВ диапазона на

дальности прямой видимости, тропосферные, ионосферные и спутниковые.

рассмотрим только радиостанции для связи на дальности пря-

мой видимости. К таким радиостанциям относятся, прежде всего, радиостан-

ции метрового диапазона.

Особенностями радиосвязи в метровом диапазоне являются:

- большая частотная вместимость диапазона;

- небольшая дальность связи, ограниченная дальностью прямой види-

мости;

- небольшие потребные мощности для передачи;

- высокая пропускная способность каналов связи;

высокое качество каналов связи.

Эти особенности определили назначение и область использования ра-

диостанций этого диапазона волн.

Рассмотрим принципы построения УКВ маломощных радиостанций.

Существующие в войсках маломощные УКВ радиостанции в боль-

шинстве своем занимают по частотному диапазону нижнюю часть метрового

диапазона (Р-159, Р-173: 30…76 МГц; Р-138: 76…93,95МГц; Р-163-10У:

30-79.999 МГц, Р-163-0.5Р,

Р-168-0,1У: 44-55.975 МГц, Р-163-1У,

Р-168-0.5У(М): 30-79,975МГц; Р-168-5УНЕ: 30…108МГц; Р-169П1:

38…48 МГц).

Вследствие того, что дальность связи в таких системах радиосвязи не-

велика, для ее обеспечения используют радиостанции малой мощности (до

100 Вт).

Эти радиостанции подразделяются на 3 группы по мощности передат-

чиков:

- первая группа - до 1 Вт;

- вторая

- от 1 до 10 Вт;

- третья - от 10 до 100 Вт.

Отдельную группу составляют радиостанции большой мощности бо-

лее 100 Вт.

Кроме того, хорошее разделение на группы обеспечивает классифика-

ция по мобильности радиостанций.

Радиостанции метрового диапазона по мобильности делятся на:

носимые;

возимые;

стационарные.

147

Рассмотрим требования, предъявляемые к радиостанциям метрового

диапазона.

Радиостанции метрового диапазона являются наиболее массовыми и

должны обеспечивать одновременную работу большого числа радиостанций,

не создавая существенных взаимных помех. Известно, что этого можно дос-

тигнуть, обеспечив взаимную ортогональность сигналов радиостанций.

До настоящего времени использовалась частотная ортогональность

сигналов, когда каждой радиостанции или группе радиостанций выделяется

отдельная рабочая частота. Вполне очевидно, что при этом чем больше час-

тотная вместимость диапазона, тем больше радиостанции в нем можно раз-

местить. Поэтому для организации связи в нижних звеньях управления вой-

сками и был использован метровый диапазон, который в 1000 раз шире диа-

пазонов ДВ, СВ и КВ вместе взятых и

в котором можно одновременно раз-

местить без взаимных помех около 7,5 ⋅ 10

стандартных телефонных кана-

лов.

Если же в радиостанциях будут использоваться широкополосные сиг-

налы и разделение сигналов по форме, то и тогда метровый диапазон будет

предпочтительнее перед ДВ, СВ и КВ диапазонами, поскольку, как, известно,

неискаженная модуляция высокочастотных сигналов возможна лишь при ус-

ловии, что

≥ (10 - 20) f

max

, где f

несущая частота, а

max

- максимальная час-

тота спектра модулирующих колебаний и в метровом диапазоне можно ис-

пользовать сигналы с большой базой, что позволит обеспечить одновремен-

ную работу без взаимных помех большего числа радиостанций.

Радиостанция нижних звеньев управления войсками должны переда-

вать большое количество информации, обеспечивая ее безыскаженное дове-

дение и высокую скрытность. Эти требования

легче выполняются в метровом

диапазоне, где при большей несущей частоте

можно создать высокоскоро-

стные каналы, а ограниченная дальность связи уменьшит уровень взаимных

помех, создаваемыми дальними радиостанциями, и уменьшается возмож-

ность приема информации противником, находящимся за зоной приема. Од-

новременно уменьшаются возможности противника по созданию преднаме-

ренных помех с удаленных расстояний.

Большинство радиостанций метрового диапазона переносится обслу-

живаемым лицом или перевозится транспортными

средствами. Поэтому

весьма важно, чтобы радиостанции имели минимально возможные габариты

и вес. Это требование легче выполняется в метровом диапазоне, где конст-

руктивные элементы имеют меньшие габариты и где нецелесообразно при-

менять большую мощность передатчиков, что существенно влияет на габари-

ты и вес радиостанций.

Сложные условия эксплуатации радиостанций требуют от них

высо-

кой эксплуатационной надежности, а то обстоятельство, что радиостанции

часто обслуживаются не специалистами связи, требуют простоты управления

радиостанциями и высокой оперативности установления связи.

Обобщая все изложенное, можно сказать, что к радиостанциям метро-

вого диапазона предъявляются следующие требования:

148

- обеспечение одновременной работы большого числа радиостанций

без взаимных помех;

- высокая помехоустойчивость и скрытность связи;

- высокая мобильность, малые габариты и вес;

- высокая эксплуатационная надежность;

- простота управления и высокая оперативность установления связи.

6.1.1 УКВ радиостанции с мощностью передатчика до 1 Вт

Рассмотрим принципы построения маломощных радиостанций 1-й

группы.

Радиостанции метрового диапазона так

же, как и другие радиостанции

представляют собой комплекс аппаратуры, предназначенный для ведения ра-

диосвязи. Этот комплекс аппаратуры, как правило, содержит радиопередаю-

щее и радиоприемное устройства.

Однако особые требования, предъявляемые к радиостанциям метрово-

го диапазона, вытекающие из особенностей их эксплуатации, привели к по-

явлению большого количества особенностей в принципах построения самих

радиостанций метрового диапазона. Причем, существуют значительные от-

личия в принципах их построения, относящихся к различным классификаци-

онным группам.

Как правило, радиостанции 1-й группы являются носимыми радио-

станциями.

Носимые радиостанции метрового диапазона являются массовыми и

предназначаются для обслуживания отдельных лиц или небольших групп

людей.

Основными требованиями, предъявляемыми к данной категории ра-

диостанций

, являются: минимальные габариты и вес; минимальная потреб-

ляемая мощность; простота управления, исключающая отвлечение обслужи-

вающего лица от основной деятельности, надежность работы.

Для выполнения этих требований используют целый комплекс ориги-

нальных технических решений, вносящих существенные изменения в прин-

ципы построения радиостанций.

Так, в радиостанциях объединяют функции ряда элементов в режиме

передачи

и в режиме приема, т.е. строят радиостанции по так называемой

трансиверной (от анг. transmitter - передатчик, receiver - приемник) или со-

вместной схеме, при этом чаще всего элементами совместного использования

в режиме передачи и приема являются: задающий генератор - гетеродин,

контур усилителя мощности - входная цепь, контур задающего генератора -

контур УВЧ, частотный детектор - детектор АПЧ, усилитель

модулятора -

УНЧ приемника и др.

Совместное использование контура усилителя мощности и входной

цепи приемника показано на рис. 6.1.

149

Рисунок 6.1 - Совместное использование контура усилителя мощности и входной цепи

приемника

Упрощение схемы радиостанции, достигаемое совместным использо-

ванием контура, приводит к некоторому снижению чувствительности прием-

ника. Известно, что максимальная чувствительность приемника достигается

при оптимальной связи входной цепи с антенной, а в радиостанциях метро-

вого диапазона связь контура с антенной подбирается в режиме передачи по

максимальному току в антенне, чем достигается граничный режим

работы

усилителя мощности. Поэтому при переходе на прием связь контура с антен-

ной оказывается не оптимальной, что приводит к некоторому снижению чув-

ствительности приемника.

На рис. 6.2. приведена структурная схема использования задающего

генератора (ЗГ) передатчика в качестве гетеродина приемника при совмест-

ном использовании контура в задающем генераторе и усилителе высокой

частоты (

УВЧ).

УВЧ

к приемнику

к передатчику

ЗГ

Рисунок 6.2 - Использование ЗГ передатчика в качестве гетеродина приемника

Во многих радиостанциях частотный детектор выполняет функции

детектора АПЧ (рис. 6.3).

150

ЧД

выход

УНЧ

ФНЧ

Рисунок 6. 3 - Использование ЧД в качестве детектора АПЧ

Для выполнения предъявляемых к радиостанциям требований часто

приходится идти на ухудшение некоторых характеристик, не являющихся

особо важными для данной группы радиостанций.

Так, применение совместного использования элементов привело к то-

му, что радиостанции не могут работать в дуплексном режиме, а все радио-

станции данной группы работают, как, правило, только в симплексном ре

жиме. Однако для радиостанций данной группы этот недостаток не является

весьма существенным, так как они предназначены, в основном, для обмена

речевой информацией, т.е. для разговора двух корреспондентов между собой,

а при разговоре, когда один говорит, то другой слушает. Если же необходимо

организовать дуплексный режим, то его организуют двумя симплексными

радиостанциями, находящимися в одном пункте и работающими, одна в ре-

жиме приема, другая в режиме передачи.

В радиостанциях предусмотрена возможность дистанционного управ-

ления режимами приема и передачи с помощью вынесенного телефонного

аппарата, а также возможность ретрансляции передач при наличии в одном

пункте двух радиостанций.

Ретрансляция передач на УКВ радиостанциях представляет практиче

ский интерес как для увеличения дальности связи, так и для обеспечения свя-

зи корреспондентов, в распоряжении которых имеются радиостанции разных

диапазонов.

В носимых УКВ радиостанциях чаще всего применяется параметри-

ческая или кварцево-параметрическая стабилизация частоты задающего ге-

нератора, которые, при удовлетворении предъявляемых к радиостанциям

требований, позволяют обеспечить достаточную стабильность частоты.

Для обеспечения простоты управления, беспоискового вхождения в

связь и бесподстроечного ведения связи, в в радиостанциях предусматрива-

ется настройка на фиксированные частоты. По частотным возможностям но-

симые радиостанции можно подразделить на три группы.

Первая группа - радиостанции, использующие одну или несколько

фиксированных частот, выбранных на определенное время из ограниченной

полосы достаточно широкого диапазона

. Настройка на фиксированные час-

тоты производится в условиях мастерской, а в процессе эксплуатации ис-

пользуется одна частота или производится переключение нескольких уста-

новленных фиксированных частот. Эти радиостанции являются наиболее