47. Радиопередающие и радиорелейные устройства. Радиорелейные системы передач. Принципы построения и функционирования.

Радиопередающие устройства и оптические передатчики

На вход радиопередающего устройства поступает модулированный сигнал. В современных системах связи модуляция про-водится на стандартной промежуточной частоте. К примеру, в системах связи, работающих в диапазонах СВЧ, промежуточная частота может быть 70, 140 или 820 МГц (существуют и другие стандарты). Задачей радиопередающего устройства, в таких случаях, является преобразование сигнала промежуточной частоты в рабочий диапазон частот и доведение мощности сигнала до необходимого уровня. Соответственно, упрощенная структурная схема радиопередатчика состоит из преобразователя частоты, полосового фильтра и выходного усилителя (рис. 1). Преобразователь частоты состоит из смесителя и задающего генератора. Смеситель представляет собой нелинейный элемент, который смешивает частоты сигналов, поступающих на него и выдает на выходе две полосы частот - суммарные и разностные (в данном случае сумму и разность промежуточной частоты и частоты задающего генератора). Полосовой фильтр выделяет одну из полос частот.

При достаточном усилении сигнала (балансе амплитуд) и при правильной фазе сигнала, поступающего через цепь обратной связи (балансе фаз), в схеме возникают незатухающие колебания, форма которых определяется частотными характеристиками составляющих схемы. Если характеристики усилителя и цепи обратной связи формируются узкополосными элементами (контурами или резонаторами), то форма колебаний будет близка к синусоидальной. В случае применения широкополосных элементов - генерируются импульсные колебания.

В задающих генераторах передатчиков применяются синусоидальные генераторы, стабильность которых определяется стабильностью контуров или резонаторов. В генераторах передатчиков 5-9 диапазонов нашли широкое применение кварцевые резонаторы. На более высоких частотах используются кварцевые генераторы с умножением частоты, синтезаторы частоты и, в последние годы, - генераторы на диэлектрических резонаторах.

Усилители передатчиков (УВЧ) обеспечивают необходимую выходную мощность, которая сильно отличается в разных диапазонах. К примеру, в диапазонах длинных и средних волн мощность радиостанций может составлять сотни киловатт и, даже, мегаватты, в диапазонах СВЧ - единицы и доли ватт, а в оптических диапазонах - единицы милливатт. Соответственно, усилители строятся на мощных лампах, транзисторах, микросхемах. Появились твердотельные, микроскопические усилители для радиосистем, работающих на частотах в десятки ГГц.

Оптические передатчики работают на специальных светодиодах и лазерах.

Приемник выполняет преобразование частоты радиосигнала в промежуточную частоту и усиление сигнала на промежуточной частоте. Такой приемник называется супергетеродинным и его упрощенная схема может выглядеть так, как показано на рис. 3

Радиосигнал (f1) подается из антенны впреобразователь частоты через усилитель высокой частоты. Технические реше-ния применяемые для построения этих элементов похожи на соответствующие решения для передатчиков. Сигнал разностной (промежуточной) частоты, получающийся в процессе преобразования, отфильтровывается полосовым фильтром (ФПЧ) и усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Усиленный сигнал поступает в демодулятор. Основной особенностью приемников ЧМ сигналов является наличие амплитудного ограничителя, устанавливаемого перед демодулятором. Амплитудный ограничитель предназначен для устранения паразитной амплитудной модуляции, возникающей из-за шумов, помех и несовершенства характеристик элементов.

Оптические приемники, в общем виде, выполняются по более простой схеме, состоящей, в основном, из светочувствительного элемента и усилителя. В качестве светочувствительных элементов применяются фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и пр. Усилители оптических приемников выполняются, как правило, по интегральной технологии.

В состав оптических приемных устройств открытого распространения входят антенные системы, представляющие собой зеркальный или линзовые конструкции.

В приемных устройствах волоконно-оптических систем связи волокна, как правило, стыкуются со светочувствительным элементом приемника непосредственно, без антенных устройств.

Прежде чем изучать спутниковые системы связи целесообразно познакомиться с обобщенным выражением для энергетического расчета беспроводных линии связи.

На рис.4 показана упрощенная структурная схема беспроводного интервала, состоящая из передатчика, приемника, антенн и тракта распространения электромагнитной энергии. Очевидно, что работоспособность такой системы зависит от уровня сигнала на входе приемника (Рпр). Если предположить, что электромагнитная энергия распространяется в свободном пространстве (отсутствуют препятствия, атмосфера, помехи), то при известных значениях величин, обозначенных на рис. 4 рассчитать мощность сигнала на входе приемника достаточно просто по формуле

Совершенно ясно, что если система радиосвязи будет работать в реальном пространстве, мощность сигнала на входе приемника будет другой. Для учета влияния реального пространства вводится понятие множителя ослабления (V)

Эти выражения справедливы для любой беспроводной системы связи. Отличие заключается в значениях и характере поведения величин множителя ослабления.

Наиболее близки к условиям свободного пространства - интервалы спутниковых линии связи. Спутниковые линии связи работают в 9 - 11 диапазонах частот и, в перспективе, в оптических диапазонах. В этих системах сигнал с земной станции посылается на спутник, содержащий приемопередающую аппаратуру, там усиливается, обрабатывается и посылается обратно на Землю, обеспечивая связь на большие расстояния и перекрывая большие площади. Существует множество разнообразных спутниковых систем, как коммерческого, так и специального назначения. Спутники движутся по эллиптическим или круговым орбитам, согласно законам Кеплера, которые сформулированы еще в начале 17 века.

Особый интерес представляет круговая орбита, расположенная в плоскости экватора Земли. При расстоянии до орбиты порядка 36000 километров и движении спутника в сторону вращения Земли, спутник будет неподвижным относительно земного наблюдателя. Такая орбита называется геостационарной (рис. 5) и позволяет осуществлять связь при помощи неподвижных антенн. Недостатками геостационарной орбиты является ее уникальность и невозможность обеспечения связи для высокоширотных областей Земли. Геостационарная орбита является основной для спутникового телевизионного вещания, том числе, и для приема сигналов на индивидуальные устройства. В Интернете, по адресу www.stelco.cz/sat/dig_load.htm, находится компьютерная программа SMWLink для расчета основных параметров индивидуальной телевизионной спутниковой установки.

Ввиду уникальности орбиты она распределена между государствами. Россия обладает несколькими участками орбиты, на которых расположены спутники типа Горизонт, Галс и пр.

При движении спутника по другим орбитам он будет перемещаться относительно земного наблюдателя. Следовательно, для связи нужно иметь следящие антенны и группировки спутников, следующих друг за другом для непрерывной связи. По такому принципу работают несколько глобальных систем для передачи телефонных сообщений. Наиболее известные из них - международные проекты Iridium и GlobalStar, в которых Россия принимает участие.

Радиорелейные линии связи

Радиорелейные линии связи (РРЛ) предназначены для передачи сигналов в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Передача ведется через систему ретрансляторов, расположенных на расстоянии прямой видимости. Ретрансляторы осуществляют прием сигнала, усиление его, обработку и передачу на следующий ретранслятор. Общая протяженность РРЛ может достигать тысяч километров.

До недавнего времени РРЛ использовали диапазоны частот от 2 до 8 ГГц и представляли собой монументальные дорогостоящие структуры. Применялись сложные и дорогие антенные опоры мачты или башни. Громоздкая аппаратура располагалась на станциях в специальных зданиях с собственнойэлектростан-цией и жилыми помещениями для обслуживающего персонала. Такие структуры существуют и строятся в настоящее время при организации магистральных систем связи. В 1993 г. введена в строй магистральная цифровая РРЛ Санкт-Петербург - Москва, а в 1997 г. - Москва - Хабаровск. Запланировано строительство еще нескольких магистральных систем.

Однако, в последние годы, новейшие технологии и освоение диапазонов частот выше 10 ГГц, коренным образом изменили структуры и оборудование радиорелейных линий связи. Габариты и вес оборудования уменьшились в десятки и сотни раз. В типовом исполнении, современная радиорелейная аппаратура состоит из наружного и внутреннего модулей, соединенных кабелем. Наружный модуль выполняется в виде моноблока, весом несколько килограмм, состоящего из приемопередатчиков и антенны. Пример конструкций наружных блоков современной отечественной аппаратуры показан на рис. 8 (аппаратура Бист и Sandra), а на рис. 9 - наружный блок зарубежной аппаратуры MINI-LINK, которая достаточно широко распространена в России.

Наружный блок устанавливается на простой антенной опоре или на здании, дымовой трубе и прочих возвышенных местах. Внутренний модуль располагается в помещении, удаленном от наружного модуля на расстояние до 300 - 400 м и представляет собой настольную или настенную компактную конструкцию. Подобные устройства получают массовое распространение в мире и позволяют организовывать радиорелейные линии и сети связи, передавая информацию

-между населенными пунктами,

-внутри населенных пунктов, между отдельными предпри-ятиями или зданиями,

-между базовыми станциями сотовой связи,

-между компьютерными центрами.

Кроме того, подобные устройства могут применяться для:

-обеспечения телекоммуникационными каналами индивиду-альных пользователей,

-оперативной организации связи при различных стихийных бедствиях и катастрофах,

-организации вставок в действующие и строящиеся телекоммуникации.

Современное оборудование обладает очень высокой надежностью. На аппаратуру ведущих фирм дается время наработки на отказ до 25-30 лет. На основе подобной аппаратуры начинают развиваться микроволновые системы распределения информации. Такие системы (MMDS, MVDS, LMDS) представляют собой сеть базовых станций, обслуживающих пользователей, находящихся в пре-делах прямой видимости и обладающих приемным или приемо-передающим оборудованием. Системы предназначены для распределения цифровых телевизионных сигналов, высокоскоростных каналов для Интернета и прочих услуг в диапазонах частот 2, 27 или 40 ГГц .

Условия распространения сигнала на интервалах РРЛ значительно отличаются от условий свободного пространства. Во-первых, электромагнитные волны могут отражаться от поверхности Земли и приходить вместе с прямой волной на вход приемника. Во-вторых, на вход приемника может приходить волна, отраженная от неоднородностей атмосферы. На рис. 10 показан поперечный разрез профиля земной поверхности и пути распространения электромагнитных волн. Взаимодействие прямой и отраженных волн (рис. 10) приводит к изменениям уровня сигнала в приемной антенне, другими словами - к замираниям. Это обстоятельство усугубляется тем, что радиоволны распространяются по кривым траекториям (показано пунктирными линиями на рис. 10), зависящим от состояния атмосферы (времени года, времени суток, погоды и пр.). Следовательно, замирания на трассе РРЛ (или множитель ослабления V) явля-ются случайной величиной. Помимо этих явлений, на распро-странение сигнала в диапазонах волн выше 8-10 ГГц, сильное влияние оказывают дождь, снег, туман, смог. Несмотря на эти дестабилизирующие факторы современные технологические решения позволяют обеспечивать надежную и эффективную связь по интервалам РРЛ.

С основными техническими данными оборудования, областями применения и с ценами можно познакомиться на сайтах производителей аппаратуры (к примеру, http:\\bist.ru, www.loniir.spb.ru/microwave, www.irz.ru, www.radian.spb.ru, www.informsviaz.ru/docs/rrl).

В труднодоступных местах и для специальных целей находят применение тропосферные радиорелейные линии (ТРЛ), которые работают на расстояниях значительно превышающих прямую видимость. Передача сигнала идет за счет рассеяния электромагнитной энергии в тропосфере. В следствии того, что уровни рассеяных сигналов очень малы, мощности передающих устройств в ТРЛ составляют до 10 киловатт, применяются громоздкие антенны с размерами до 30х30 м и сложные малошумящие приемники. Протяженность одного интервала может быть 200 - 400 км.

РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

В функциональном смысле под радиопередающим устройством [12] понимается комплекс оборудования, предназначенный для формирования и излучения радиочастотного сигнала (радиосигнала). В качестве функциональных узлов в состав радиопередатчика входят генератор несущей и модулятор. Как правило, генератор несущей и модулятор строятся по многокаскадной схеме. Кроме того, радиопередающие устройства (особенно мощные) содержат много другого оборудования: источники питания, средства охлаждения, автоматического и дистанционного управления, сигнализации, защиты и блокировки и пр.

Основные показатели радиопередающих устройств условно могут быть разделены на две группы: энергетические и показатели электромагнитной совместимости.

Важнейшими энергетическими показателями радиопередающего устройства являются номинальная мощность и промышленный коэффициент полезного действия. Под номинальной мощностью (Р) понимают среднее за период радиочастотного колебания значение энергии, подводимой к антенне. Промышленный коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение номинальной мощности Р к общей Р,~,„, потребляемой от сети переменного тока радиопередающим устройством: g РIР ~щ'100%.

Основными показателями электромагнитной совместимости являются диапазон рабочих частот, нестабильность частоты колебаний и внеполосные излучения.

Диапазоном рабочих частот называют полосу частот, в которой радиопередающее устройство обеспечивает работу в соответствии с требованиями стандарта.

Под нестабильностью частоты радиопередатчика понимают отклонение частоты колебаний на его выходе за определенный промежуток времени относительно установленной частоты. Малая нестабильность (высокая стабильность) частоты позволяет ослабить помехи радиоприему.

Внеполосными называют такие излучения, которые расположены вне полосы, отведенной для передачи полезных сообщений. Внеполосные излучения являются источником дополнительных помех радиоприему. При подавлении качество передачи сигнала не ухудшается.

По назначению радиопередающие устройства делятся на связные, радиовещательные и телевизионные. По диапазону рабочих частот радиопередающие устройства подразделяются в соответствии с классификацией видов радиоволнии. В зависимости от номинальной мощности 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).

Специфика эксплуатации позволяет выделить стационарные и подвижные радиопередающие устройства (автомобильные, самолетные, носимые и т.д.).

РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

Радиосистема передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, называется радиорелейной системой передачи (рис.10.7).

На частотах ОВЧ- и СВЧ-диапазона, используемых в радиорелейных системах передачи, надежная связь с низким уровнем помех может быть получена только в условиях прямой видимости между антеннами, излучающими радиоволны. Расстояние между антеннами радиорелейных систем зависит от структуры земной поверхности и высоты антенн над ней. Типичные расстояния составляют 40...50 км при высотах башен и мачт, на которых устанавливаются антенны, около 100 м. Ограниченность расстояния прямой видимости не следует рассматривать как недостаток. Именно за счет невозможности свободного распространения радиоволн на большие расстояния устраняются взаимные помехи между радиорелейными системами передачи 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 для одновременной передачи в противоположных направлениях с использованием двух частот: f, и f,. При этом если станция передает сигнал на частоте f, и принимает на частоте (,, то соседние с ней станции передают на частоте f>, а принимают на частоте (,. Эта пара частот, соответствующая двухчастотному плану частот ITU-В, образует радиочастотный ствол.

Аналоговые радиорелейные системы предназначены в основ- ном для передачи многоканальных телефонных сигналов в аналоговой форме и данных с низкой и средней скоростью по каналам ТЧ, 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. На всех станциях целесообразно иметь однотипную, унифицированную приемопередающую аппаратуру (ППА), удовлетворяющую требованиям заданного частотного плана. Перспективным вариантом построения ППА является вариант с усилением на СВЧ и преобразованием частоты. Недостатком подобной схемы является необходимость обработки сигнала на СВЧ. Наиболее часто используются ППА, в которой обработка сигналов производится на промежуточной частоте, номинальное значение которой выбирается в соответствии с рекомендациями ITU-Я и обычно составляет 70 МГц. Применение промежуточной частоты для обработки сигнала позволяет унифицировать аппаратуру усиления сигнала, а также ввода и вывода информационных сигналов на промежуточных, узловых и оконечных станциях.