Вопрос 1. Общие принципы построения систем радиосвязи

Тема № 9. Общие принципы построения систем радиосвязи

 

Вид занятия: лекция (традиционная)

 

Время: 2 часа (90 мин)

 

Место проведения: учебная аудитория

 

Категория обучающихся: студенты 2-го курса (очная форма обучения)

 

Воронеж ‑ 2014

Цели занятия:

а) изучить общие принципы построения систем радиосвязи;

б) рассмотреть особенности распространения электромагнитных волн в выделенном диапазоне частот в различных условиях;

в) добиться знания каждым обучаемым роли и места средств электросвязи при выполнении служебных задач;

г) воспитать чувство значимости правильной эксплуатации и применения средств электросвязи.

 

Учебно-материальное обеспечение:

план-конспект на занятие по данной теме, методические материалы (разработанные сотрудниками кафедры), мультимедийные презентации, раздаточный материал (рисунки, таблицы), технические средства обучения (мультимедийный проектор, компьютер), доска, мел.

 

Метод(ы) обучения:

объяснение с иллюстрацией.

 

Учебные вопросы:

1. Общие принципы построения систем радиосвязи.

2. Особенности распространения электромагнитных волн в выделенном диапазоне частот в различных условиях.

 

Основные понятия:

системы и сети электросвязи, радиосвязь, электромагнитные поля и волны.

 

Межпредметные связи: системы и средства связи в УИС, системы коммутации.

 

Литература:

1. Гроднев И.И., Верник С.М., Кочановский Л.Н. Линии связи.- M: Радио и связь, 1995

2. Брискер А.С., Руга А.Д., Шарле Д.Л. Городские телефонные кабели. Справочник.- М: Радио и связь, 1991.

 

Ход занятия:	Время, мин
1. Вводная часть: рапорт командира, проверка наличия личного состава, проверка готовности обучающихся к занятию, актуализация темы занятия
2. Основная часть: Сообщение новых знаний преподавателем и усвоение их обучаемыми. Введение термина – радиосвязь. Объяснение предназначения радиовещания. Введение и объяснение термина – волны. Перечисление требований, предъявляемых к электромагнитным полям и волнам. Показ с помощью слайдов и раздаточного материала структуры телекоммуникационной системы.
3. Подведение итогов проведенного занятия, ответ на вопросы обучаемых. Оценка работы обучающихся.
4. Формирование домашнего задания:постановка вопросов для самоподготовки.
5. Организационное завершение занятия:сбор раздаточного материала, рапорт командира группы.

Вопрос 1. Общие принципы построения систем радиосвязи

Радиосвязь - вид электросвязи, осуществляемый с помощью ра­диоволн. Под радиоволнами принято понимать электромагнитные волны, частота которых выше 30 кГц и ниже 3000 ГГц, распро­страняющиеся в среде без искусственных направляющих сред (линий). С понятием радиоволны тесно связано понятие радиочас­тоты, т.е. частоты радиоволн.

Скорость распространения электромагнитных волн в какой-либо среде равна

, (1)

где с - скорость распространения света в вакууме; ε - диэлектриче­ская, μ - магнитная проницаемость среды. Для воздуха ε ≈ μ ≈ 1, а скорость распространения электромагнитных волн близка к скоро­сти света в вакууме, т.е. v ≈ 3 · 10⁸ м/с.

Электромагнитные волны создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом Т. Если в некоторый момент элек­тромагнитное поле (ЭМП) имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т. За это время ЭМП переместится на расстояние:

λ = v T.(2)

Минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в котором имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Длина волны зависит от скорости ее распространения и периода ТЭДС, передающей это поле. Так как частота тока равна f = 1/Т, то длина волны:

λ = . (3)

Длина волны λсвязана с частотой колебания f соот­ношением:

. (4)

Радиочастотный спектр - область частот, занимаемая радио­волнами. Полоса частот - область частот, ограниченная нижним и верхним пределами. Диапазон частот - полоса частот, которой присвоено условное наименование.

В соответствии с Регламентом радиосвязи весь радиочастотный спектр разделен на 12 диапазонов, которые определены как облас­ти радиочастот, равные (0,3...3) · 10^N Гц, где N - номер диапазона. Для целей радиосвязи используется девять диапазонов и, следова­тельно, N = 4... 12.

Диапазон радиоволн - определенный непрерывный участок длин радиоволн, которому присвоено условное метрическое наименова­ние. Каждому диапазону радиоволн соответствует определенный диапазон радиочастот.

Классификация диапазонов радиочастот или радиоволн приведе­на в табл.1. Такая классификация в первую очередь связана с осо­бенностями распространения радиоволн и их использования.

 

 

Таблица 1

Номер диапа-зона	Диапазон длин волн	Диапазон частот
Наименование	Границы	Наименование	Границы
	Мириаметровые или сверхдлинные волны (СДВ)	10…100 км	Очень низкие частоты (ОНЧ)	3…30 кГц
	Километровые или длинные волны (ДВ)	1…10 км	Низкие частоты (ОНЧ)	30…300 кГц
	Гектометровые или средние волны (СВ)	100…1000 м	Средние частоты (СЧ)	300…3000 кГц
	Декаметровые или короткие волны (КВ)	10…100 м	Высокие частоты (ВЧ)	3…30 МГц
	Метровые или ультракороткие волны (УКВ)	1…10 м	Очень высокие частоты (ОВЧ)	30…300 МГц
	Дециметровые волны (ДМВ)	10…100 см	Ультравысокие частоты (УВЧ)	300…3000 МГц
	Сантиметровые волны	1…10 мм	Сверхвысокие частоты (СВЧ)	3…30 ГГц
	Миллиметровые волны	1…10 мм	Крайне высокие частоты (КВЧ)	30…300 ГГц
	Децимиллиметровые волны	0,1…1 мм	Гипервысокие частоты (ГВЧ)	300…3000 ГГц

 

Кроме того, в технике радиосвязи широкое применение находят следующие понятия: диапазон рабочих радиочастот – полоса час­тот, в пределах которой обеспечивается работа радиостанции; сетка рабочих радиочастот (сетка частот) – множество следующих через заданные интервалы рабочих радиочастот; шаг сетки рабочих радиочастот (шаг сетки частот) – разность между соседними дискретными значениями рабочих частот, входящих в их сетку; ра­диостанция – один или несколько передатчиков и приемников или их комбинация, включая вспомогательное оборудование, необходимые для осуществления радиосвязи; присвоенная полоса радиочастот – полоса частот, в пределах которой радиостанции разрешено излуче­ние; рабочий канал – полоса частот, которая используется для пере­дачи информации (сообщения); присвоенная радиочастота – часто­та, соответствующая середине присвоенной радиостанции полосы частот; рабочая радиочастота – частота, предназначенная для ведения радиосвязи радиостанцией.

Для введения других понятий и определений следует рассмот­реть обобщенную структурную схему радиосистемы передачи (РСП). Под радиосистемой передачи понимается совокупность технических средств, обеспечивающих образование типовых кана­лов и трактов, а также линейных трактов, по которым сигналы элек­тросвязи передаются посредством радиоволн в открытом простран­стве. Поскольку подавляющее большинство РСП являются много­канальными, то приведем обобщенную структурную схему многоканальной РСП (рис. 1), где приняты следующие обозначения:

КГО – каналообразующее и групповое оборудование, обеспечи­вающее формирование сигналов типовых каналов и трактов из множества подлежащих передаче первичных сигналов электросвя­зи на передающем конце и обратное преобразование сигналов типовых каналов и трактов в множество первичных сигналов на приемном конце.

СЛ – проводные соединительные линии, обеспечивающие под­ключение каналообразующего и группового оборудования к РСП в случае их территориальной удаленности.

 

Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема многоканальной радиосистемы связи

 

Для формирования радиосигнала и передачи его на расстояния посредством радиоволн используются различные радиосистемы связи. Радиосистема связи представляет собой комплекс радиотех­нического оборудования и других технических средств, предназначен­ных для организации радиосвязи в заданном диапазоне частот с использованием определенного механизма распространения радио­волн. Вместе со средой (трактом) распространения радиоволн радио­система связи образует линейный тракт или ствол, состоящий из оконечного оборудования ствола (ООС) и радиоствола.

ООСпер – оконечное оборудование ствола передающего конца, где формируется линейный сигнал, состоящий из информационного группового сигнала и вспомогательных сигналов (сигналов служеб­ной связи, сигналов контроля работоспособности оборудования РСП и др.), которыми модулируются высокочастотные колебания.

РСТ – радиоствол, назначением которого является передача мо­дулированных радиосигналов на расстояния с помощью радиоволн. Радиоствол называется простым, если в его состав входят лишь две оконечные станции и один тракт распространения радиоволн, и составным, если помимо двух оконечных радиостанций он содержит одну или несколько ретрансляционных станций, обеспечивающих прием, преобразование, усиление или регенерацию и повторную передачу радиосигналов. Необходимость использования составных радиостволов обусловлена рядом факторов, основными из которых являются протяженность радиолинии, ее пропускная способность и механизм распространения радиоволн.

ООС_пр – оконечное оборудование ствола приемного конца, где проводятся обратные преобразования: демодуляция высокочастот­ного радиосигнала, выделение группового (многоканального) сигна­ла и вспомогательных служебных сигналов.

Совокупность технических средств и среды распространения А­диоволн, обеспечивающих передачу сигналов от источника к при­емнику информации, называется радиоканалом (каналом радиосвя­зи). Радиоканал, обеспечивающий радиосвязь в одном азимуталь­ном направлении, называется радиолинией.

Упрощенная структурная схема одноканальной радиолинии при­ведена на рис.2.

Рисунок 2 – Структурная схема радиолинии

 

Функционирование радиолинии осуществляется следующим об­разом. Передаваемое сообщение поступает в преобразователь (микрофон, телевизионная передающая камера, телеграфный или факсимильный аппарат и др.), который преобразует его в первич­ный электрический сигнал. Последний поступает на радиопере­дающее устройство радиостанции, которое состоит из модулятора (М), синтезатора несущих частот (СЧ) и усилителя модулированных колебаний (УМК). С помощью модулятора один из параметров несущей частоты (высокочастотного колебания) изменяется по закону первичного сигнала. С помощью антенны (А) энергия радио­частот передатчика излучается в тракт распространения радиоволн.

На приемном конце радиоволны наводят ЭДС в приемной антен­не (А). Радиоприемное устройство радиостанции с помощью селек­тивных (избирательных) цепей (СЦ) отфильтровывает сигналы от помех и других радиостанций. В детекторе (Д) происходит процесс, обратный модуляции, - выделение из модулированных колебаний исходного электрического сигнала. Далее в преобразователе этот сигнал преобразуется в сообщение, которое и поступает к абоненту.

Рассмотренная схема радиолинии обеспечивает односторон­нюю радиосвязь, при которой передачу сообщений осуществляет одна из радиостанций, а другая или другие только прием. Для орга­низации двусторонней радиосвязи, при которой радиостанции осуществляют прием и передачу, в каждом пункте необходимо иметь и передатчик (Пер) и приемник (Пр). Если при этом передача и прием на каждой радиостанции осуществляются поочередно, то такая радиосвязь называется симплексной (рис.3, а). Симплексная радиосвязь используется, как правило, при наличии относительно небольших информационных потоков. Такая радиосвязь может быть одночастотной (прием и передача на одной частоте) и двухчастотной (прием и передача на разных частотах).

Двусторонняя радиосвязь, при которой связь между радиостан­циями реализуется одновременно, называется дуплексной (рис.3, б).

а – симплексной; б – дуплексной

Рисунок 3 ­– Структурная схема организации радиосвязи:

 

При дуплексной радиосвязи передача в одном и другом направ­лениях ведется обычно на разных несущих частотах. Это делается для того, чтобы радиоприемник принимал сигналы только от радио­передатчика противоположного пункта и не принимал сигналы собственного радиопередатчика.

Если необходимо иметь радиосвязь с большим числом пунктов, то организуется радиосеть, представляющая совокупность радио­линий, работающих на одной общей для всех абонентов, частоте или группе частот. Структурные схемы радиосетей различной сложности приведены на рис.4 для симплексной радиосвязи и на рис.5 для дуплексной радиосвязи.

Рисунок 4 – Радиосеть на основе сложной симплексной радиосвязи

Рисунок 5 – Радиосеть на основе сложной дуплексной радиосвязи

Сущность функционирования радиосети заключается в следующем. Одна радиостанция, называемая главной (ГР), может передавать сообщения как для одного, так и для нескольких подчиненных радиостанций. Радист-оператор ГР следит за порядком в радиосети и устанавливает очередность работы на передачу подчиненным радиостанциям (ПР). Последние при соответствующем разрешении могут обмениваться сообщениями (информацией) не только с ГР, но и между собой. Такая организация связи может быть реализована как на основе сложного симплекса (рис.4), так и сложного дуплекса (рис. 5). В первом случае возможно использование совмещенных приемопередающих радиоустройств и общей рабочей радиоволны (частоты). Во втором случае ГР ведет передачу на одной частоте, а принимает на нескольких (по числу подчиненных радиостанций). Отметим, что радиосеть может быть организована на основе полудуплексной радиосвязи, при которой на одной радиостанции (как правило, главной) передача и прием осуществляются одновременно, а на других радиостанциях – попеременно.

Центры крупных промышленных регионов соединяются линиями радиосвязи со многими пунктами, для чего радиопередатчики и передающие антенны располагают в так называемом передающем радиоцентре, а радиоприемник и приемные антенны – в приемном радиоцентре. Для соединения источников сообщения с радиопередатчиками и радиоприемниками и контроля качества радиосвязи в городах оборудуют радиобюро.

На радиосетях большой протяженности для увеличения дальности связи включаются ретрансляционные станции (ретрансляторы). Обобщенная структурная схема ретранслятора приведена на рис.6.

 

Рисунок 6 – Обобщенная структурная схема ретранслятора

 

К уже известным обозначениям и понятиям здесь добавляется новое – фидерный тракт, представляющий совокупность устройств передачи электромагнитной энергии от антенны к приемнику (Пр) и от передатчика (Пер) к антенне, содер­жащий фидер и ряд вспомогательных элементов.

К фидерному тракту предъявляются следующие требования: пе­редача энергии должна осуществляться с малыми потерями; пере­дающий фидер не должен излучать, а приемный – принимать по­сторонние электромагнитные колебания; отражения в трактах, создающие попутные потоки, должны быть минимальными; не должны распространяться волны других (высших) типов.

В современных радиосистемах передачи разница уровней излу­чаемых и принимаемых антеннами радиосигналов весьма велика (150 дБ и более).

Для исключения возможности возникновения паразитных связей между передающими и приемными трактами ретранслятора необ­ходимо использовать две несущие частоты для каждого направле­ния передачи. При этом для передачи радиосигналов в противоположных направлениях может быть использована либо одна и та же пара частот (f₁, f₂), либо две разные пары (f₁, f₂ и f₃, f₄). В зависимо­сти от этого различают два способа (плана) распределения частот приема и передачи в дуплексном режиме: двухчастотный (f₁, f₂) и четырехчастотный (f₁, f₂ и f₃, f₄) планы. Двухчастотный план эконо­мичнее с точки зрения использования занимаемой полосы частот, однако требует специальных мер для защиты от сигналов противо­положного направления. Четырехчастотный план не требует ука­занных мер защиты, однако он неэкономичен с точки зрения исполь­зования полосы частот. Число радиоканалов (радиостволов), которое может быть организовано в выделенном диапазоне частот, при четырехчастотном плане вдвое меньше, чем при двухчастотном.

Схема комплекса средств радиосвязи, обслуживающего админист­ративный или хозяйственный центр, изображена на рис.7.

 

Рисунок 7 – Схема комплекса средств радиосвязи

 

Здесь: 1 – передающий радиоцентр с радиопередатчиками Пер 1, Пер 2, …, Пер N; 2- приемный радиоцентр с радиоприемниками Пр 1, Пр2,…, Пр N; 3 – город, который связан с радиоцентрами соединительными (про­водными) линиями связи 4 и 5. По линиям 4 на радиоцентр 1 поступа­ют передаваемые сигналы, а по линиям 5 в город передаются сигна­лы, принятые радиоцентром 2, по этим же линиям передаются сигна­лы дистанционного контроля работы радиоцентров и сигналы дистанционного контроля работы радиоцентров сигналы дистанцион­ного управления оборудованием. Радиобюро 6 соединено линиями связи с телеграфной и фототелеграфной (факсимильной) аппаратны­ми центрального телеграфа 7 и 8 междугородной телефонной станци­ей 9, а также радиовещательной аппаратной 10. Радиовещательная аппаратная служит для обмена радиовещательными программами с другими городами или странами. Аппаратные связаны с источниками передаваемых сообщений, такими как сети абонентского телеграфа, телефонные и др.

Существует множество различных классификаций радиосистем передачи (РСП) в зависимости от признаков, положенных в их основу. Приведем классификацию РСП по наиболее важным при­знакам:

по принадлежности к различным службам в соответствии с Рег­ламентом радиосвязи различают РСП фиксированной службы (радиосвязь между фиксированными пунктами), радиовещательной службы (передача сигналов для непосредственного приема населе­нием), РСП подвижной службы (радиосвязь между движущимися друг относительно друга объектами);

по назначению различают международные, магистральные, внутризоновые, местные РСП, военные РСП, технологические РСП (для обслуживания объектов железнодорожного транспорта, линий электропередачи, нефте- и газопроводов и т. д.), космические РСП (обеспечивающие радиосвязь между космическими аппарата­ми или между земными пунктами и космическими аппаратами);

по диапазону используемых радиочастот или радиоволн (см. табл.1);

по виду передаваемых сигналов различают РСП аналоговых сигналов (телефонных, радиовещательных, факсимильных, телеви­зионных, сигналов телеметрии и телеуправления), РСП цифровых сигналов (телеграфных, сигналов от ЭВМ) и комбинированные РСП;

по способу разделения каналов (канальных сигналов) различают многоканальные РСП с частотным разделением, временным, фазовым и комбинированным разделением каналов; существуют также специальные РСП с разделением канальных сигналов по форме (например, асинхронно-адресные системы с кодово-адресным разделением сигналов);

по виду линейного сигнала различают аналоговые, цифровые и смешанные (гибридные) РСП. В аналоговых РСП на вход радиока­нала (ствола) поступает аналоговый сигнал, соответственно анало­говым является и радиосигнал; к аналоговым РСП относятся и импульсные РСП, т.е. системы с импульсной модуляцией (и вре­менным разделением каналов); в цифровых РСП на вход радио­ствола и тракт распространения (см. рис.1) поступает цифровой сигнал; в смешанных РСП линейный сигнал состоит из аналогового линейного сигнала и поднесущей, модулированной цифровым сигналом;

по виду модуляции несущей аналоговые РСП подразделяются на системы с частотной, однополосной и амплитудной модуляциями, а цифровые РСП – на системы с амплитудной, частотной, фазо­вой и амплитудно-фазовой манипуляциями;

по пропускной способности различают РСП с малой, средней и высокой пропускной способностью; наиболее часто употребляе­мые границы пропускной способности различных аналоговых и цифровых РСП приведены в табл. 2.

 

Таблица 2

Характеристика пропускной способности	Значения пропускной способности для РСП
аналоговых, число каналов тональной частоты	цифровых, Мбит/с
Малая	Менее 24	Менее 10
Средняя	60…300	10…100
Высокая	Более 300*	Более 100*

 

^*Или канал передачи изображения телевидения с одним или несколькими каналами передачи звуковых сигналов телевидения и звукового вещания.

По характеру используемого физического процесса в тракте распространения радиоволн различают: системы радиосвязи и радиовещания на длинных, средних и коротких радиоволнах без ретрансляторов; радиорелейные системы передачи прямой видимо­сти (РРСП), где происходит распространение радиоволн в пределах прямой видимости; тропосферные радиорелейные системы пере­дачи (ТРСП), где используется дальнее тропосферное распростране­ние радиоволн за счет их рассеяния и отражения в нижней области тропосферы при взаимном расположении радиорелейных станций за пределами прямой видимости; спутниковые системы передачи (ССП), использующие прямолинейное распространение радиоволн с ретрансляцией их бортовым ретранслятором искусственного спут­ника Земли (ИСЗ), находящимся в пределах радиовидимости земных станций, между которыми осуществляется радиосвязь; ионосферные РСП на декаметровых волнах (дальнее распространение декаметровых волн за счет отражения от слоев ионосферы); космические РСП (прямолинейное распространение радиоволн в космическом пространстве и атмосфере Земли); ионосферные РСП на метровых волнах (дальнее распространение метровых волн благодаря рассея­нию их на неоднородностях ионосферы) и др.

Для построения многоканальных телекоммуникационных систем самое широкое распространение получили радиорелейные и спут­никовые системы передачи, использующие дециметровый, санти­метровый и миллиметровый диапазоны радиоволн. В этом же диапазоне строятся и современные системы подвижной (мобиль­ной) радиосвязи самого различного назначения. Более ранние системы подвижной радиосвязи использовали отдельные участки метровых волн.