Системы радиосвязи

Существует довольно большое количество разновидностей радиосвязи: радиорелейные прямой видимости и тропосферные, спутниковые, различных уровней, ионосферные и т.п. Однако все эти разновидности имеют в своей структуре функционально одинаковые устройства. Для обеспечения односторонней связи в пункте, из которого ведется передача сигнала, размещается радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик и передающую антенну, а в пункте, в котором ведется прием сигналов, – радиоприемное устройство, содержащее приемную антенну и радиоприемник. Антенны подключаются к приемопередающему устройству при помощи фидерных трактов.

Для двухстороннего обмена сигналами нужно иметь два комплекта оборудования. Двухсторонняя связь может быть симплексной и дуплексной. При симплексной связи прием и передача ведутся поочередно и оба передатчика работают на одной частоте. При дуплексной радиосвязи передача и прием осуществляются одновременно на разных частотах.

В качестве функциональных узлов в состав радиопередатчика входят генератор несущей частоты и модулятор, а также много другого оборудования: источники питания, средства охлаждения, автоматического и дистанционного управления, сигнализации, защиты, блокировки и т.п. По назначению радиопередающие устройства делятся на маломощные (до 100 Вт), средней мощности (от 100 до 10000 Вт), мощные (от 10 до 500 кВт) и сверхмощные (свыше 500 кВт).

Задачи радиоприемного устройства сводятся к выделению полезного радиосигнала (очень малой мощности) из множества других сигналов и возможных помех, а также воспроизведению (восстановлению) передаваемого сообщения. Основными показателями радиоприемных устройств являются: диапазон рабочих частот, в пределах которых устройство может работать; чувствительность (мера способности обеспечивать прием слабых сигналов); избирательность (способность устройства отличить полезный сигнал от радиопомехи); помехоустойчивость (противодействие мешающему действию помех) и т.п. По назначению радиоприемные устройства подразделяются на радиовещательные (обычно называются радиоприемниками), телевизионные, профессиональные (магистральные радиоприемные устройства), специальные (радиолокационные, навигационные, самолетные) и т.д.

Особую роль в радиосвязи занимают антенно-фидерные устройства. Антенна представляет собой элемент сопряжения между передающим или приемным оборудованием и средой распространения радиоволн. Имеется несколько разновидностей антенн, применяемых в различных диапазонах длин волн. Тип антенны также зависит от направления применения приемопередающих устройств. Антенны, состоящие из проводов небольшого поперечного сечения по сравнению с длиной и продольными размерами (кратными длине волны), называются проволочными и используются для длинноволновой части электромагнитного излучения. Антенны, имеющие вид поверхностей и излучающие через свой раскрыв – апертуру, называются апертурными. Иногда их называют дифракционными, рефлекторными, зеркальными. Электрические токи таких антенн протекают по проводящим поверхностям, имеющим размеры, соизмеримые с длиной волны или много большие ее. Такие антенны применяются для коротковолновой части электромагнитного излучения.

Среди наиболее важных характеристик антенны следует отметить: входное сопротивление, определяемое, как отношение напряжения высокой частоты на ее зажимах к току питания; коэффициент полезного действия – отношение мощности, излучаемой антенной, к мощности, подводимой к ней. Не вся мощность, подводимая к антенне, излучается в окружающее пространство, часть ее расходуется как на нагревание самой антенны, так и на находящиеся вблизи предметы. Электромагнитные волны излучаются антенной в различных направлениях неравномерно. Создание антенн, излучающих электромагнитные волны равномерно во всех направлениях, крайне сложно и практически недостижимо. Распределение в пространстве напряженности электромагнитного поля, создаваемого антенной, определяется очень важным фактором – амплитудной характеристикой направленности. Различные применения антенн предполагают прямо противоположные требования к диаграммам направленности. Так, для организации сети звукового вещания используются кило- и гектометровые радиоволны, которые распространяются с помощью антенн, устанавливаемых в центре зоны обслуживания, и поэтому должны создавать ненаправленное излучение вдоль поверхности Земли, т.е. иметь диаграмму направленности в горизонтальной плоскости в виде окружности. Таким условиям отвечают антенны-мачты, антенны-башни. Их высота обычно 150 – 250 м, а в некоторых случаях достигают 350 – 500 м, что значительно увеличивает зону обслуживания.

Для радиосвязи и радиовещания на значительные расстояния (тысячи километров) используются дециметровые волны. Особенность их распространения такова, что антенны должны сформировать направленное излучение с максимумом излучения под некоторым углом к поверхности Земли. Самыми распространенными типами передающих антенн, отвечающих этим требованиям, являются проволочные антенны: вибраторные, ромбические, синфазные в виде решетки из вибраторов, возбужденных определенным образом.

Диапазон метровых радиоволн используется главным образом для организации телевизионного и звукового вещания, а также для связи с подвижными объектами в пределах определенной зоны обслуживания. Передающие антенны, как правило, должны создавать ненаправленное излучение в горизонтальной плоскости. С другой стороны, в диапазоне деци-, сантиметровых и более коротких волн, применяемых для организации так называемой радиорелейной связи, антенны, устанавливаемые на линиях, должны обладать высокой направленностью, их диаграммы направленности должны иметь «игольчатую форму». Наиболее распространены в этом диапазоне апертурные (зеркальные) антенны.

Антенна – устройство обратимое. Если антенна хорошо излучает радиоволны, то она хорошо их и принимает. В связи с этим приемные антенны аналогичны передающим для соответствующих диапазонов длин волн.

Электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику, называются фидером. Передающие антенны длинноволнового диапазона радиоволн соединяются с радиопередатчиком с помощью многопроводных коаксиальных фидеров, в диапазоне метровых волн используется коаксиальный кабель. На более коротких волнах фидер выполняется в виде полой металлической трубы-волновода прямоугольного, эллиптического или круглого сечения.

Рассмотрим теперь основные типы каналов, осуществляющих связь на большие расстояния и располагающихся в земной атмосфере (спутниковая связь будет рассмотрена отдельно).

Основным видом передачи в этом случае является так называемая радиорелейная система передачи, в которой сигнал электросвязи передается с помощью наземных ретрансляционных станций. На частотах ОВЧ- и СВЧ-диапазонов надежная радиорелейная связь с низким уровнем помех может быть получена только в условиях прямой видимости между антеннами, излучающими радиоволны. Типичные расстояния составляют 40 – 50 км при высотах башен и мачт, на которых устанавливаются антенны, около 100 м. При этом для волн указанного диапазона частот верхние слои атмосферы прозрачны и не могут использоваться для передачи. Невозможность свободного распространения радиоволн на большие расстояния позволяет избежать взаимных помех между радиорелейными системами внутри одной страны и разных стран. Кроме того, в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Антенны могут работать в режиме передачи и приема, причем для одновременной передачи в противоположных направлениях с использованием двух частот. Аналоговые радиорелейные системы этих диапазонов частот предназначены, в основном, для передачи многоканальных телефонных сигналов в аналоговой форме и данных с низкой и средней скоростями, а также сигналов телевидения. Цифровые радиорелейные системы используются для организации цифровых трактов передачи сигналов со скоростями от 2 до 155 Мбит/с. Большинство станций радиорелейных систем являются промежуточными радиостанциями, играющими роль активных ретрансляторов.

Существует довольно большое количество отечественных как аналоговых, так и цифровых радиорелейных систем передачи, использующих различные частоты указанного диапазона. Число каналов в различных типах систем лежит в диапазоне 300 – 1920 для аналоговых систем и от 15 – 240 для цифровых.

Тропосферные радиорелейные системы передачи связаны с волнами диапазона 0,3 – 5 ГГц, которые способны рассеиваться на локальных неоднородностях, вызванных различными физическими процессами, происходящими в этой нижней части атмосферы (рис. 8.1)

Рис. 8.1. Иллюстрация тропосферной радиосвязи

Рассеянные волны могут быть приняты направленной приемной антенной на значительном удалении от передающей, учитывая, что неоднородности находятся на значительной высоте. Это дает возможность разнести станции на расстояния 200 – 400 км друг от друга, что значительно больше расстояния прямой видимости. Как отмечалось раньше, для линий выше рассмотренного диапазона частот (прямой видимости) тропосфера прозрачна.

Линии на основе радиорелейных систем передачи строятся, как правило, в трудно доступных и удаленных районах.

Значительное расстояние между станциями, безусловно, выгодно при организации протяженных линий, поскольку требуется меньшее число станций. Однако за счет глубоких замираний из-за неустойчивости пространственно-временной структуры тропосферы и крайне малой мощности радиосигнала в точке приема организация хорошего качества каналов затруднительна. Количество одновременно работающих каналов для сравнительно малого ассортимента аппаратуры, обеспечивающих этот вид передачи, невелико (от 12 до 120).

Существуют еще две системы передачи, обеспечивающие еще большую протяженность от приемника до передатчика, так как в качестве среды передачи они используют ионосферу – самую удаленную часть атмосферы.

Так для декаметровой волны (3 – 30 МГц) происходит поворот ее траектории из-за неоднородностей диэлектрических свойств профиля ионосферы (в отличие от рассеяния волн в тропосфере на частотах (3 – 5 ГГц). Траектория распространения радиоволн от одной точки поверхности Земли к другой с одним отражением от ионосферы называется ионосферным скачком. Расстояние между пунктами приема и передачи, измеренное вдоль поверхности Земли, составляет около 2000 км. Траектория распространения радиоволн может быть образована несколькими ионосферными скачками. Условия распространения радиоволн, а следовательно, и качество радиосвязи зависят от состояния ионосферы, определяемого временем года, суток и циклом солнечной активности, что не позволяет организовать больше одного-двух телефонных или нескольких телеграфных каналов.

Метровые волны (40 – 70 МГц) могут также использовать ионосферу в качестве среды передачи, правда, в отличие от предыдущего случая метровые волны используют рассеяние на неоднородностях ионосферы. Это аналогично тропосферной радиорелейной передаче, но на гораздо большей высоте. Придельная дальность связи в этом случае составляет 2000 – 3000 км. При ионосферном рассеивании в пункт приема приходит ничтожная часть излучаемой энергии, что вынуждает использовать мощные радиопередатчики и большие по размеру антенны. Рассеяние волн происходит на ионизированных следах, сгораемых в ионосфере мелких космических частиц – метеоров, непрерывно проникающих в атмосферу Земли. Время прохождения радиосигналов при метеорной связи составляет только 2 – 4 ч в сутки. Такие системы позволяют организовать с удовлетворительным качеством не более трех телефонных каналов. Обычно с помощью таких радиосистем организуется передача телеграфных сигналов, причем таких, для которых задержка не играет существенной роли. Они используются для дублирования ионосферных систем на декаметровых волнах в полярных широтах.