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

Подождите немного. Документ загружается.

151

массовыми, имеют мощность менее 1 Вт и обеспечивают связь на дальность

до единиц километров. Находят весьма широкое применение в народном хо-

зяйстве. Сюда относятся абонентские радиостанции серии “Марс”, “Урал”,

“Дистанция”, “Чиж”, “Пальма”, “Кактус”, “Ласточка”, “Тюльпан”, “Сирена”

и др. Имеются новы образцы радиостанций этой группы, такие как “Гондо-

ла”, “Викот” и др. ,

которые находят применение в нижних звеньях управле-

ния войсками.

Вторая группа - диапазонные радиостанции, в которых предусмотрена

постоянная возможность перестройки в пределах всего рабочего диапазона

частот. Для радиостанций этой группы по условиям распространения радио-

волн наиболее благоприятным следует считать участок частот в границах

30-60 МГц, а в ряде случаев и участок 20 - 30 МГц,

формально принадлежа-

щий коротковолновому диапазону.

В широком диапазоне частот практически невозможно осуществить

компенсацию изменений параметров колебательного контура, вызванных

изменением окружающей температуры в широких пределах, например в пре-

делах

± 50

С.

Полная температурная компенсация осуществима в одной или двух

точках диапазона, поэтому, чем он шире, тем больше будет отклонение час-

тоты под воздействием температуры во всех остальных точках.

Деление широкого диапазона частот на поддиапазоны путем пере-

ключения элементов колебательного контура не решает проблемы, так как

для осуществления термокомпенсации в каждом поддиапазоне

, а также для

сохранения оптимальной связи контура каждого поддиапазона, приходится

прибегать к сложным переключениям, а большое количество механических

контактов, переходное сопротивление которых меняется под воздействием

окружающей среды, оказывается причиной еще больших изменений частоты.

Методы параметрической стабилизации частоты предусматривают

ослабление влияния различных дестабилизирующих факторов и повышение

стабильности частоты путем специального подбора

параметров схем автоге-

нераторов, применения высококачественных деталей и материалов, а также

рациональных схемных и конструктивных решений.

Затруднения в создании диапазонных радиостанций с параметриче-

ской стабилизацией рабочих частот привели к созданию семейства однотип-

ных по структуре радиостанций, перекрывающих весь приемлемый частот-

ный диапазон отдельными участками с коэффициентом перекрытия по часто-

те, не

превышающем 1,4.

Смежные участки частот при таком делении имеют небольшую

(0,5 МГц) общую полосу для того, чтобы обеспечить совместную работу ра-

диостанций в этой полосе.

К этой группе относятся используемые ранее в войсках радиостанции

Р-107М, Р-159М, широко используемые в войсках в настоящее время, по-

строенные на новой элементной базе радиостанции

Р-163-0.5Р, Р-163-1У,

Р-168-0.1У, Р-168-0.5У, Р-168-5У.

152

Радиостанции данной группы применяются для ведения симплексной

телефонной радиосвязи на расстояниях от нескольких сот метров до несколь-

ких километров, преимущественно на открытых трассах (близких к выполне-

нию условия геометрической видимости).

Эта группа радиостанций относится к так называемым личным радио-

станциям, назначение которых - обслуживание отдельных лиц или неболь-

ших групп людей.

Наиболее

приемлемым участком частотного диапазона для этих ра-

диостанций является участок 45-80 МГц, т.к. он наиболее подходит по усло-

виям распространения радиоволн и в тоже время обладает достаточной час-

тотной емкостью.

Основные требования к радиостанциям данной группы:

- минимальные габариты и вес;

- простота управления;

- высокая надежность работы.

По частотным возможностям радиостанции

данной группы делят на

радиостанции с одной или несколькими фиксированными

и диапазонные

радиостанции, предусматривающие возможность маневра частотами во всем

рабочем диапазоне. Для обеспечения беспоискового вхождения в связь и

бесподстроечного ее ведения в радиостанциях данной группы применяется

кварцевая стабилизация рабочей частоты.

Функциональная схема такой радиостанции приведена на рис. 6.4.

Требования минимальных габаритов и веса в сочетании с предельной про-

стотой управления привели

к использованию кварцево-параметрической ста-

билизации частоты.

Из рис. 6.4. видно, что в радиостанциях данной группы один и тот же

кварцевый генератор используется в качестве возбудителя передатчика и ге-

теродина приемника. Частотная модуляция осуществляется путем воздейст-

вия на управляющий элемент автогенератора с параметрической стабилиза-

цией частоты, после чего ЧМ сигнал при помощи

частоты кварцевого генера-

тора переносится на рабочую частоту

кг

Рисунок 6. 4 - Функциональная схема радиостанции 1-й группы

153

При приеме f

пр1

-f

кг

. Для облегчения достижения требуемой изби-

рательности по соседнему каналу в приемнике введено второе преобразова-

ние частоты. Элементной базой данной группы радиостанций являются по-

лупроводниковые приборы и интегральные микросхемы, электрическое пи-

тание осуществляется от малогабаритных аккумуляторов. Антенны типа

"штырь" - складные, либо выдвижные. Интервал между

выбирается рав-

ным 5, 25, 50 и 100 кГц.

6.1.2 УКВ радиостанции с мощностью передатчика от 1 до 10 Вт

Рассмотрим принципы построения радиостанций второй группы.

УКВ радиостанции с мощностью передатчика от 1 до 10 Вт также ис-

пользуются для ведения симплексной телефонной связи на расстояниях 5-15

км (в движении), и 15-30 км на стоянках - при использовании поднятого

штыря, либо АБВ

. По условиям распространения здесь также наиболее удоб-

ным является использование диапазона 30-80 МГц, а в ряде случаев и уча-

сток 20-30 МГц, формально принадлежащий КВ диапазону. Для данной

группы также используется ЧМ сигнал. Как ранее отмечалось, даже при уз-

кополосном исходном сигнале (3-5 кГц) спектр ЧМ сигнала получается до-

вольно широким (16-20 кГц), поэтому

требования к стабильности рабочих

частот относительно не высоки. Допустимая относительная нестабильность

может достигать (100...200)

⋅10

-6

, поэтому первые радиостанции этой группы

были оснащены возбудителями с параметрической стабилизацией

Т.к. невозможно осуществить требуемую стабильность

параметри-

ческими методами в широком диапазоне частот, конструкторы пошли по пу-

ти создания семейства однотипных по структуре радиостанций, перекры-

вающих выбранный частотный диапазон отдельными участками, с коэффи-

циентом перекрытия не более 1,4. Для обеспечения совместной работы этих

радиостанций используют небольшую общую полосу порядка 0,5 МГц, обра-

зуемую смежными участками частот. Типовая структурная схема

радиостан-

ции данной группы представлена на рис. 6.5.

Наряду с очевидными достоинствами радиостанции рассматриваемых

семейств обладают и существенным недостатком - невозможностью совме-

стной работы радиостанций, если они не имеют перекрывающихся участков

диапазона. Интервал разноса

в первом семействе радиостанций данной

группы составлял 50 кГц, что позволяло разместить большое число радио-

станций в диапазоне.

Как видно из схемы (рис. 6.5), произведено объединение функций ря-

да элементов в режимах передачи и приема. В первую очередь это органы ус-

тановки частоты, т.к. при симплексной работе частоты передачи и приема

одинаковы.

Передатчик радиостанции состоит из 2-х каскадов: задающего генера-

тора (возбудителя), который определяет

, в котором производится частотная

модуляция за счет воздействия речевого сигнала на реактивный элемент, яв-

ляющийся частью колебательного контура, и усилителя мощности. Задаю-

154

щий генератор выполняет также функцию гетеродина приемника радиостан-

ции (супергетеродина с одним преобразованием частоты). Для того, чтобы

частота гетеродина отличалась от принимаемого сигнала на величину

пр

, в

режиме приема частота задающего генератора сдвигается вниз на

пр

путем

подключения к его внутреннему контуру дополнительной секции блока кон-

денсаторов переменной емкости (КПЕ). При этом внешний контур задающе-

го генератора остается настроенным на частоту сигнала, а, следовательно,

расстроенным относительно внутреннего контура. Тем не менее, напряжение

на внешнем контуре остается достаточным для преобразования частоты в

приемнике.

Рисунок 6.5 - Типовая структурная схема радиостанции

Колебательный контур выходного каскада передатчика совместно с

элементом связи с антенной выполняет функции входного колебательного

контура в режиме приема.

Кроме этого второй каскад УВЧ также используется дважды в тракте

приемника: как усилитель ВЧ сигнала и как усилитель НЧ сигнала с выхода

ЧД (используется т.н. рефлексное усиление). Предусматривается также воз-

можность

АПЧ гетеродина по принимаемому сигналу. Система АПЧ облада-

ет низкой помехоустойчивостью, т.к. она не может отличить полезный сиг-

нал от помехи, поэтому предусматривается возможность отключения АПЧ, а

в радиостанциях более поздних модификаций АПЧ не применяется.

Встроенный кварцевый калибратор имеет частоту равную промежу-

точной частоте приемника. При этом, будучи поданной

в тракт УВЧ

, выс-

шие гармоники калибратора воспринимаются как сигнал (если приемник по-

строен на одну из этих гармоник), и преобразуясь в промежуточную частоту

с помощью гетеродина несут в себе его погрешность. Между двумя колеба-

ниями промежуточных частот возникают биения, частота которых равна по-

грешности частоты гетеродина. При помощи подстроечного конденсатора

внутреннего колебательного

контура задающего генератора (гетеродина) уда-

ется уменьшить эту погрешность до допустимой, либо совсем устранить ее.

155

Источниками питания для радиостанций данной группы являются аккумуля-

торные батареи.

Предусмотрена возможность дистанционного управления с помощью

вынесенного телефонного аппарата, а также ретрансляции передач (при на-

личии двух радиостанций - переприем по низкой частоте).

Дальнейшее совершенствование радиостанций данной группы шло по

пути:

- повышения стабильности рабочих частот;

- снижение габаритов и массы;

- повышение

их экономичности и надежности;

- создание широкодиапазонных радиостанций.

6.1.3 УКВ радиостанции с мощностью передатчика от 10 до

100 Вт

Рассмотрим принципы построения маломощных УКВ радиостанций

третьей группы.

Эти радиостанции имеют мощность 10-100 Вт и используются для ве-

дения симплексной телефонной радиосвязи на расстояния до нескольких де-

сятков километров. Это, как правило, возимые радиостанции.

Увеличение

мощности этих радиостанций идет по двум путям:

- создание блоков усиления мощности (БУМ) к радиостанциям второй

группы;

- создание более мощных радиостанций на основе радиостанций 2-й

группы.

Кроме того, для ликвидации основного недостатка, присущего радио-

станциям 2-й группы и узкодиапазонным радиостанциям 3-й группы идут по

пути создания широкодиапазонных радиостанций на основе синтезаторов

сетки частот. Основные отличия этих станций сводятся к следующему:

- полная автоматизация настройки радиостанции на любую из частот

диапазона (или на несколько заранее подготовленную

);

- введение устройств, обеспечивающих сопряжение радиоканала с ка-

налами образованными другими средствами связи.

Для обеспечения ЭМС радиостанции этой группы, что особенно важ-

но для возимых радиосредств, используемых в комплексе в другими радио-

средствами, снабжаются антенными фильтрами: узкодиапазонными (полосо-

выми), либо - для широкодиапазонных - узкополосными фильтрами, пере-

страиваемые по диапазону.

Питание радиостанций осуществляется

от бортовой сети. Также пре-

дусмотрена возможность ретрансляции в пунктах, где имеется две радио-

станции.

6.1.4 УКВ радиостанций средней мощности

Рассмотрим принципы построения УКВ радиостанций средней мощ-

ности.

156

Построение стационарных УКВ радиостанций средней мощности, в

целом напоминает построение радиосредств КВ радиосвязи. Это обусловлено

в первую очередь тем, что эти радиостанции возникли в результате модерни-

зации КВ радиосредств по мере накопления опыта их разработки и техноло-

гии изготовления. Характерным примером такой преемственности в разра-

ботке являются радиостанции Р-140 и Р

-137. Диапазон рабочих частот по-

следней расширен до 60 МГц, практически без изменения структуры КВ ра-

диостанции Р-140. Приемная часть Р-137 РПрУ Р-155У построена по конвер-

торной схеме. В его состав включен конверторный блок позволяющий осу-

ществить перенос сформированных видов работы в диапазон УКВ.

Несколько иначе построены передающий и приемный тракты

КВ-

УКВ радиостанций Р-161. За счет использованной элементной базы в виде

интегральных микросхем, здесь удалось, сохранив в целом структуру КВ ра-

диосредств, при существенном уменьшении массово-габаритных параметров

реализовать возбудитель (гетеродин) позволяющий синтезировать сетку час-

тот в полосе от 12,5 до 59,99999 МГц с шагом в 10 Гц. Усилитель мощности

передатчика выполнен состоящим из

двух независимых усилителей мощно-

сти: КВ и УКВ диапазонов. Аналогичным образом - состоящим из двух час-

тей выполнено и согласующе - симметрирующее устройство.

Одной из характерных особенностей радиостанции Р-161 является по-

строение всех фильтров передатчика и приемника не перестраиваемыми, а

переключаемыми, что позволяет сократить время перестройки передающей и

приемной частей радиостанции до 0,3

с.

Другой особенностью радиостанции является создание для нее специ-

адьного блока, позволяющего осуществлять адаптацию по частоте, что суще-

ственно расширяет возможности радиостанции.

Вопросы контроля

1. Перечислите основные особенности радиосвязи в метровом диапа-

зоне.

2. Каким образом подразделяются радиостанции малой мощности?

3. Какие требования предъявляются к радиостанциям метрового диа-

пазона?

4. Какие требования предъявляются к УКВ радиостанциям с мощно-

стью передатчика до 1 Вт?

5. Каковы принципы построения маломощных радиостанций 1-й груп-

пы?

6. Каковы принципы построения радиостанций с мощностью

передат-

чика от 1 до 10 Вт?

7. Назовите принципы построения маломощных УКВ радиостанций

третьей группы.

157

7 Системы спутниковой связи

7.1 Системы связи через искусственные спутники Земли

7.1.1 Основные определения в области связи через

искусственные спутники Земли

Как и в любой другой области знания, прежде чем приступить к де-

тальному анализу процессов и явлений, присущих системам космической

связи, необходимо определиться с используемой терминологией, уяснить ос-

новные понятия и принципы.

Основные определения в

области связи через искусственные спутники

Земли (ИСЗ) даются в "Регламенте радиосвязи" и ГОСТ 24375-80 "Радио-

связь. Термины и определения".

Космическая система - любая группа действующих совместно зем-

ных и/или космических станций, использующих космическую радиосвязь для

определенных целей.

Спутниковая система - космическая система, использующая один

или несколько ИСЗ.

Спутниковая сеть - спутниковая система или ее часть, состоящая из

одного спутника и действующих совместно с ним земных станций.

Космическая радиосвязь - радиосвязь, в которой используются одна

или несколько космических радиостанций или один (несколько) отражающих

спутников, или другие космические объекты.

Космическая радиосвязь организуется между земными станциями

(ЗС) и космическими аппаратами, либо между космическими аппаратами.

Спутниковая радиосвязь - космическая радиосвязь между земными

радиостанциями посредством ретрансляции радиосигналов через один или

несколько искусственных спутников Земли.

Земная станция (ЗС) - станция космической службы радиосвязи, рас-

положенная либо на поверхности Земли, либо в основной части земной атмо-

сферы (на суше, на кораблях и взлетно-подъёмных средствах). В специаль-

ной литературе ЗС ещё называют станциями космической связи (СтКС).

Спутниковая линия - линия связи между двумя ЗС, образованная с

помощью одного ИСЗ и включающая в себя участок ЗС-ИСЗ (линия "вверх")

и участок ИСЗ-ЗС (линия "вниз"). В специальной литературе используется

синоним этого термина - радиолиния космической связи (РЛКС).

Космическая станция (КС) - ретрансляционное приемо-передающее

устройство, размещенное на ИСЗ, с антеннами для приема и передачи радио-

сигналов, системами обеспечения: источниками энергоснабжения, системами

ориентации антенн, коррекции положения ИСЗ на орбите и др. С точки зре-

ния собственно связи нас будет интересовать ретрансляционный комплекс

(приемо-передающие и антенно-фидерные устройства), который назовем

ретранслятором

связи (РС).

158

Ретрансляция радиосигнала - прием, преобразование, усиление и по-

следующая передача радиосигнала и (или) изменение направления распро-

странения радиоволн в промежуточном пункте линии связи (т.е. на ИСЗ).

В самом общем виде структура РЛКС представлена на рис. 7.1.

Земные станции соединяются с абонентами (А) посредством узлов

коммутации (УК) с помощью соединительных линий.

Область обзора земной станцией - часть пространства (небесной сфе-

ры), заключенная внутри конической поверхности, образующие которой со-

ставляют угол

min

=5...7 градусов с линией горизонта в точке размещения ЗС.

Рисунок 7.1 - Структура РЛКС

Зона радиовидимости - часть поверхности Земли, с которой ИСЗ ви-

ден под углом места больше некоторой минимально допустимой величины

(например,

min

=5 градусов) в течение заданной длительности сеанса связи.

Зона покрытия - часть зоны радиовидимости, в которой обеспечива-

ются необходимые энергетические соотношения на линии связи при опреде-

ленных энергетических параметрах ЗС.

Орбита ИСЗ - траектория в определенной системе координат, описы-

ваемая центром массы спутника или другого космического объекта, подвер-

женного воздействию только природных, в основном гравитационных, сил.

Другие термины и определения будут вводиться по мере необходимо-

сти.

В настоящее время используются следующие РЛКС:

РЛКС между космическими объектами и объектами, расположен-

ными на Земле (РЛКС типа Земля-Космос и Космос-Земля);

РЛКС между космическими объектами (РЛКС типа Космос-

Космос);

РЛКС между объектами, расположенными на Земле, когда радио-

сигналы ретранслируются приемо-передающими устройствами КС, либо пе-

редаются посредством отражения от объектов, находящихся в Космосе

(РЛКС типа Земля - Космос - Земля).

159

Каждая из этих РЛКС имеет свои специфические особенности, опре-

деляемые целевым назначением системы, условиями работы и способами

реализации.

В дальнейшем будем рассматривать лишь РЛКС третьего типа. Рас-

смотрим принцип осуществления радиосвязи через ИСЗ между двумя зем-

ными станциями: ЗС

и ЗС

(рис. 7.2).

При относительном движении ИСЗ и Земли из рис.7.2 видно, что ус-

тановление связи в едином масштабе времени между ЗС

и ЗС

возможно

только тогда, когда ИСЗ будет находиться в области обзора как ЗС

, так и ЗС

(участок В орбиты).

ЗС

III

Рисунок 7.2 - Принцип осуществления спутниковой связи

Если орбита ИСЗ лежит ниже точки М (точка пересечения образую-

щих областей обзора ЗС

и ЗС

), например орбита III, то связь через такой

ИСЗ между ЗС

и ЗС

в едином масштабе времени невозможна. ИСЗ на такой

орбите можно использовать как переносчик информации от одной ЗС к дру-

гой с задержкой во времени.

От ЗС

излучается сигнал для ЗС

в сторону ИСЗ на частоте f

. Этот

сигнал принимается ретранслятором (РС) на ИСЗ, усиливается, преобразует-

ся, сдвигается по частоте и излучается в сторону ЗС

на частоте f

' (рис.7.3).

Аналогично ЗС

излучает сигнал для ЗС

на частоте f

, который после

ретрансляции излучается в сторону ЗС

на частоте f

. Частоты на участках

ЗС-ИСЗ (

, f

) и ИСЗ-ЗС (f

, f

) выбираются в различных областях частотного

диапазона с целью исключения возможности возбуждения РС.

Изображенная на рисунке 7.3 РЛКС является односкачковой. В прин-

ципе возможно построение РЛКС более сложной структуры, когда сигнал

ретранслируется более одного раза несколькими ИСЗ. К примеру, двухскач-

ковая РЛКС: ЗС

-ИСЗ

-ЗС

-ИСЗ

-ЗС

160

Общий путь, проходимый радиоволной, характеризуется наклонной

дальностью

н1

н2

, где d

н1

и d

н2

есть расстояния от ЗС

до ИСЗ и от ИСЗ

до ЗС

, соответственно.

св

= 10...12 тыс. км

H=30...40 тыс. км

ЗС

ИСЗ

Рисунок 7.3 - Дуплексная РЛКС

Дальность связи d

св

между ЗС

и ЗС

есть кратчайшее расстояние, из-

меряемое между этими ЗС по дуге большого круга, образованного пересече-

нием поверхности Земли с плоскостью, проходящей через центр Земли и

точки развертывания двух ЗС.

Понятно, что дальность связи и наклонная дальность зависят от высо-

ты полета ИСЗ -

Н, т.е. от кратчайшего расстояния от поверхности Земли до

ИСЗ. Односкачковые РЛКС при

Н=30...40 тыс. км обеспечивают дальность

связи до 10...12 тыс. км.

7.1.2 Способы ретрансляции сигналов

В зависимости от целевого назначения системы космической связи

(СКС) могут использоваться следующие способы ретрансляции сигналов: ак-

тивная мгновенная, активная задержанная и пассивная.

Понятия активной и пассивной ретрансляции определены ГОСТ

24375-80.

Активная ретрансляция радиосигнала - ретрансляция радиосигнала,

включающая его прием, преобразование, усиление и излучение.

Пассивная ретрансляция радиосигнала - ретрансляция радиосигнала

путём отражения или преломления, или рассеяния радиоволн в устройствах,

телах или искусственных средах с целью изменения направления распро-

странения радиоволн.