Принципы радиосвязи

Общие принципы организации радиосвязи

Может возникнуть вопрос, нельзя ли для того чтобы передать с помощью радиоволн человеческую речь или музыку, звуковые ко- лебания превратить в электрические, а последние с помощью антен- ны преобразовать в электромагнитные волны, чтобы затем в прием- ном пункте электромагнитные волны снова превратить в звуковые?

Звуковые колебания, воспринимаемые человеческим слухом, ле- жат обычно в полосе частот от 20 до 20 000 Гц, т.е. такие колебания создадут волны длиной от 15 000 до 15 км. Антенны же могут эффек- тивно излучать электромагнитные колебания только тогда, когда их размеры соизмеримы с длиной волны.

Однако сами по себе колебания высокой частоты информацию не несут. Посылать их по линии связи бесполезно. Так же бесполезно, как посылать телеграмму с адресом, но без текста: она дойдет срав- нительно быстро, но ее получатель сведений не получит.

Таким образом, в нашем распоряжении есть сообщение, содержа- щее информацию, но не способное дойти до получателя. Есть и вы- сокочастотное колебание, которое найдет своего получателя, но не принесет ему информацию. Как соединить вместе необходимые каче- ства сообщения и безынформативного колебания?

Единственный способ - попытаться наложить на высокочастотное колебание отпечаток сообщения, т.е. использовать высокочастотное колебание лишь в роли переносчика сообщения, содержащего ин- формацию. С этой целью нужно изменять один или несколько призна- ков (параметров) несущего колебания в соответствии с изменениями сообщения. Тогда мы получим высокочастотное колебание с меняю- щимися во времени параметрами по закону передаваемого сообще- ния. Рассмотренный процесс называется модуляцией.

На рис. 1 приведена упрощенная структурная схема радиолинии. Передаваемое сообщение поступает на преобразователь (микрофон, телевизионную камеру или телеграфный аппарат), который преобра- зует его в электрический сигнал. Последний поступает на радиопере- дающее устройство, состоящее из модулятора (М), синтезатора не- сущей частоты (СЧ) и усилителя модулированных колебаний (УМК). С помощью модулятора один из параметров высокочастотного коле- бания изменяется по закону передаваемого сообщения. С помощью антенны (А) энергия радиочастотных колебаний передатчика излуча- ется в тракт распространения радиоволн.

На приемном конце радиоволны наводят ЭДС в антенне. Радио- приемное устройство с помощью селективных (избирательных) цепей (СЦ) отфильтровывает сигналы от помех и других радиостанций. В детекторе (Д) происходит процесс, обратный модуляции, - выделе- ние из модулированных колебаний исходного электрического сигнала, который управлял радиопередатчиком. С помощью преобразователя (громкоговорителя, телеграфного аппарата, приемной телевизионной трубки) электрический сигнал связи преобразуется в сообщение, дос- тавляемое абоненту.

Рассмотренная радиолиния обеспечивает одностороннюю пере- дачу сообщения, что приемлемо только в службах оповещения. Од- ностороннюю радиосвязь представляет собой, в сущности, и радио- вещание, хотя в этом случае прием ведется не в одном, а во множе- стве пунктов. Прием во многих пунктах ведется также при циркуляр- ной передаче: распоряжения передаются многим исполнителям; со- общения передаются из пресс-центра редакциям газет и т.д.

Для организации двусторонней радиосвязи в каждом пункте надо иметь и передатчик, и приемник. Если при этом передача и прием на каждой радиостанции осуществляются поочередно, то такая радио- связь называется симплексной (рис. 1.2, а). Двусторонняя радио- связь, при которой связь между радиостанциями реализуется одно- временно, называется дуплексной (см. рис. 1.2, б).

При дуплексной радиосвязи, передача в одном и другом направле- ниях ведется, как правило, на разных несущих частотах. Это делается для того, чтобы приемник принимал сигналы только от передатчика с противоположного пункта и не принимал сигналов собственного пе- редатчика.

Для радиосвязи на большие расстояния применяют радиопере- датчики мощностью в десятки и сотни киловатт. Поэтому, хотя при дуплексной связи приемник настраивается не на ту частоту, на кото- рую настроен свой передатчик, трудно обеспечить его нормальную работу вблизи мощного передатчика. Исходя из этого, приемник и пе- редатчик приходится размещать на расстоянии в десятки километров друг от друга.

Симплексная связь используется, как правило, при наличии отно- сительно небольших информационных потоков. Для объектов с большой нагрузкой характерна дуплексная связь.

Если необходимо иметь радиосвязь с большим числом объектов, то организуется так называемая радиосеть (рис. 1.3). Одна радио- станция, называемая главной (ГР), может передавать сообщения как для одного, так и для нескольких подчиненных объектов. Ее радист- оператор следит за порядком в радиосети и устанавливает очеред- ность работы на передачу подчиненных станций (ПР). Последние при соответствующем разрешении могут обмениваться информацией не только с ГР, но и между собой. Этот вариант организации радиосети может быть построен на основе как сложного симплекса (см. рис. 1.3, а), так и сложного дуплекса (см. рис. 1.3, б). В первом случае возможно использование совмещенных приемопередатчиков и общей рабочей радиоволны (частоты). Во втором случае ГР ведет передачу на одной частоте, а принимает на нескольких (по числу подчиненных радио- станций). Несмотря на различие в частотах приема и передачи, здесь, как и при простом дуплексе, необходимо располагать приемник и пе- редатчик на удалении друг от друга. Иначе из-за помех, создаваемых

передающим устройством, одновременный прием сообщений может стать невозможным.

Центры крупных промышленных районов соединяются линиями радиосвязи со многими пунктами. В этих условиях передатчики и пе- редающие антенны располагают на радиостанции, которую называют передающим радиоцентром. Приемники и приемные антенны распо- лагают на приемном радиоцентре.

Процессы в электроэнергетических сооружениях, на электрифици- рованных железных дорогах, в электрических установках и бытовых электроприборах, множество которых имеется в городах, связаны с излучением электромагнитных волн. Поскольку эти излучения могут быть помехами радиоприему, приемный радиоцентр обычно поме- щается в стороне от населенных пунктов и железных дорог. Для со-

единения источников сообщения с радиопередатчиками и радио- приемниками и контроля качества радиосвязи в городах оборудуют радиобюро.

Схема комплекса средств радиосвязи, обслуживающих админист- ративный или хозяйственный центр, изображена на рис. 1.4. Здесь: 1 - передающий радиоцентр с радиопередающими устройствами Пер1, Пер2, ..., ПерN; 2 - приемный радиоцентр с радиоприемными устройствами Пр1, Пр2, ..., ПрМ; 3 - город, который связан с радио- центрами соединительными линиями связи 4 и 5. По линиям 4 на ра- диоцентр 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 управления оборудованием. Радиобюро 6 соединено линиями связи с телеграфной и фототелеграфной аппа- ратными центрального телеграфа 7 и 8, междугородной телефонной станцией 9, а также радиовещательной аппаратной 10. Радиовеща- тельная аппаратная служит для обмена радиовещательными про- граммами с другими городами или странами. Аппаратные связаны с источниками передаваемых сообщений, такими как сети абонент- ского телеграфа, телефонные и др.

Особенности распространения и использования радиоволн различных видов

Виды радиоволн. В соответствии с Регламентом радиосвязи ра- диоспектр подразделяется на девять диапазонов. Разделение радио- волн на диапазоны в первую очередь связано с особенностями их

распространения и использования. Принятая в настоящее время классификация видов радиоволн приведена в табл. 1.2.

Наряду с перечисленными названиями и обозначениями пользу- ются другими условными названиями для полос частот, выделяемых для тех или иных частных применений: сверхдлинные волны (СДВ), длинные (ДВ), средние (СВ), короткие (KB), ультракороткие (УКВ). Со- ответствующие сокращенные обозначения можно видеть на шкалах настройки радиовещательных приемников. Сверхдлинные волны в целом соответствуют мириаметровым, длинные - километровым, средние - гектометровым, короткие - метровым, а ультракороткие волны объединяют диапазон с номерами 8-12. Иногда к УКВ относят и дециметровые волны. В данном учебнике используются и эти на- звания диапазонов.

Общие свойства радиоволн. Распространение радиоволн в зем- ном пространстве зависит от свойств поверхности земли и свойств атмосферы. Условия распространения радиоволн вдоль поверхности земли в значительной мере зависят от рельефа местности, электри- ческих параметров земной поверхности и длины волны. Подобно дру- гим волнам радиоволнам свойственна дифракция, т.е. явление оги- бания препятствий. Наиболее сильно дифракция сказывается в слу- чае, когда геометрические размеры препятствий соизмеримы с дли- ной волны. Радиоволны, распространяющиеся у поверхности земли и частично за счет дифракции огибающие выпуклость земного шара, называются земными, или поверхностными радиоволнами.

Атмосферу земли нельзя считать однородной средой. Давление, плотность, влажность, диэлектрическая проницаемость и другие па- раметры в разных объемах воздушного слоя имеют различные значе- ния. По этим причинам скорости распространения в различных объе- мах неодинаковы и зависят от длины волны. Траектория радиоволн

в атмосфере искривляется. Явление искривления или преломления волн при распространении их в неоднородной среде получило назва- ние рефракции. Радиоволны, распространяющиеся на большой высо- те в атмосфере и возвращающиеся на землю вследствие искривле- ния траектории, рассеяния или отражения от атмосферных неодно- родностей, называются пространственными, или ионосферными. В точку приема могут приходить как пространственная, так и земная волны от одного и того же источника. Если фазы колебаний этих волн совпадают, то амплитуда суммарного поля возрастает, и наоборот - при сдвиге фазы волн на 180° суммарное поле ослабляется и может стать равным нулю. Указанное явление называется интерференцией.

Влияние земли и атмосферы на распространение радиоволн. Как известно, воздух не вызывает ослабления радиоволн практически во всех диапазонах частот и, казалось бы, поэтому земная волна должна распространяться без поглощения. Однако это верно лишь в том случае, если земная волна проходит высоко над поверхностью земли. Если же радиоволны проходят вблизи от поверхности земли, то часть энергии волны отклоняется в землю. Происходит это пото- му, что скорость распространения радиоволн в земле меньше, чем в воздухе, и при движении их вдоль ее поверхности нижний край волны отстает от верхнего, фронт волны наклоняется и помимо движения вдоль поверхности земли происходит ее распростране- ние сверху вниз.

Если бы земная поверхность была идеально проводящей, радио- волны отражались бы от нее без потерь, т.е. земля в этом случае бы- ла бы экраном, препятствующим прохождению волн в глубь почвы. В реальных условиях земля не является ни идеальным проводником, ни идеальным изолятором. Радиоволны, попавшие в землю, возбуж- дают в ней переменные электрические токи, которые часть своей энергии расходуют на нагрев почвы. Величина потерь энергии в зем- ле очень сильно зависит от частоты радиоволн и сопротивления поч- вы электрическому току. В почве с увеличением частоты радиоволн величина индуцируемой ЭДС возрастает и соответственно увеличи- ваются токи в земле, которые создают электромагнитное поле обрат- ного направления. Поэтому дальность распространения поверхност- ных радиоволн очень быстро уменьшается с увеличением частоты.

При уменьшении проводимости грунта радиоволны глубже прони- кают в среду и, следовательно, возрастает их поглощение. Еще изо- бретатель радио А.С. Попов заметил, что над поверхностью моря дальность радиосвязи увеличивается по сравнению с дальностью связи над сушей. Кроме того, с ростом частоты ухудшаются условия огибания (дифракции) радиоволнами препятствий.

Вышеперечисленные факторы ограничивают возможности исполь- зования поверхностной волны диапазонами сравнительно длинных

волн (мириаметровые, километровые, гектометровые и частично де- каметровые).

Атмосферой называется газообразная оболочка Земли, прости- рающаяся на высоту более 1000 км. Атмосферу подразделяют на три основные сферы (слоя): тропосферу - приземный слой атмосферы, верхний слой которой лежит на высоте 10... 14 км; стратосферу - слой атмосферы до высот 60...80 км; ионосферу - ионизированный воз- душный слой малой плотности над стратосферой, переходящий за- тем в радиационные пояса Земли. На высотах в сотни километров различные газы, составляющие воздух, располагаются слоями, более тяжелые - ниже, более легкие - выше. Таким образом, атмосфера на этих высотах неоднородна по составу.

Под влиянием лучей Солнца, космических лучей и других факто- ров воздух ионизируется, т.е. часть атомов газов, входящих в состав воздуха, распадается на свободные электроны и положительные ионы. Ионизированный воздух оказывает сильное влияние на распро- странение радиоволн.

Для различных газов максимум ионизации получается на разной высоте. Ионизированный слой атмосферы - ионосфера - состоит из нескольких слоев (рис. 1.5). На высоте 60...80 км находится слой D, существующий только днем. Следующий слой Е располагается на высоте 90...130 км. Еще выше находится слой F, имеющий ночью вы- соту 250...350 км, а днем разделяющийся на два слоя: F₁ - на высоте 180...220 км и Р₂-на высоте 220...500 км.

Высота, толщина и проводимость ионизированных слоев различны в разное время суток и года вследствие изменения ионизирующего действия солнечных лучей. Чем больше ионизирующее действие солнечных лучей, тем больше проводимость и толщина ионизирован- ных слоев и тем ниже они располагаются. Днем проводимость и тол-

щина их больше, а высота над землей меньше, чем ночью. Летом проводимость и толщина ионосферных слоев больше, а высота меньше, чем зимой. Через каждые 11 лет на Солнце повторяется максимум солнечных пятен, являющихся мощными источниками ио- низирующих излучений. В это время проводимость и толщина иони- зированных слоев достигают максимума, и они располагаются ниже. Таким образом, свойства земной атмосферы, влияющие на распро- странение радиоволн, изменяются по довольно сложным законам. Происходят также изменения случайного характера, которые преду- смотреть вообще невозможно.

Ионосфера оказывает существенное влияние на распространение радиоволн. Оно заключается прежде всего в том, что радиоволны, попадая в ионосферу, изменяют свое направление. Происходит это вследствие неоднородного характера ионосферы. Если бы относи- тельные диэлектрические проницаемости воздуха и ионосферы были одинаковы, то волна не меняла бы своего направления. Так как в ио- носфере имеются свободные электроны, ее относительная диэлек- трическая проницаемость меньше диэлектрической проницаемости неионизированного воздуха. Вследствие этого при переходе из воз- духа в ионосферу происходит преломление волны, а поскольку кон- центрация электронов в верхних слоях ионосферы возрастает, то волна, многократно преломляясь, возвращается на землю.

Кроме изменения направления распространения радиоволн в ио- носфере происходит поглощение их энергии. Объясняется это тем, что радиоволны, попадая в ионосферу, вызывают колебания находя- щихся там свободных электронов. Совершая колебательное движе- ние, электроны сталкиваются с тяжелыми частицами - ионами и мо- лекулами. При этом они теряют энергию, приобретенную от радио- волны, и передают ее указанным частицам; ионосфера нагревается. Таким образом, часть энергии радиоволны в ионосфере теряется. Чем выше частота радиоволн, тем меньше скорость колебательного движения электронов. Кинетическая энергия, получаемая им.и от ра- диоволны и отдаваемая затем тяжелым частицам, оказывается меньше. Поэтому с повышением частоты потери энергии радиоволны в ионосфере уменьшаются.

Подводя итоги вышесказанному, можно отметить следующее:

- из-за неоднородностей ионосферы радиоволны преломляются в ней и отражаются на землю;

• с ростом частоты отражательная способность уменьшается;

• с ростом частоты уменьшается поглощение волн в ионосфере;

• состояние ионосферы и связанные с ним условия распростране- ния имеют периодические и непериодические изменения.

Распространение мириаметровых и километровых волн (сверх- длинных и длинных). Отличительной особенностью волн 4-го и 5-го

диапазонов (см. табл. 1.2) является их способность хорошо огибать землю. Поэтому напряженность поля земной волны значительна на расстояниях 1500...2000 км от источника электромагнитных волн. Однако практическая возможность держать на этих волнах связь на расстоянии до 20 000 км не может быть объяснена только дифракци- ей. Не только слой E, но в дневные часы даже слой D имеет такую плотность ионизации, при которой радиоволны этих диапазонов спо- собны отражаться при любом угле возвышения, в том числе и при вертикальном.

Отраженная этими слоями пространственная волна частично по- глощается землей, а частично отражается от нее, вновь достигая ио- низированных слоев. Такое отражение может быть многократным. Учитывая, что при отражении от ионосферы волны сильно поглоща- ются, для обеспечения связи требуются передатчики большой мощ- ности. Кроме того, недостатками этого диапазона волн являются не- обходимость строить антенны высотой в несколько сотен метров, большой уровень атмосферных помех и невозможность размещения в этих диапазонах большого числа каналов связи.

Условия распространения в диапазонах мириаметровых и кило- метровых волн характеризуются стабильностью. Регулярные и нере- гулярные изменения напряженности выражены очень слабо. Поэтому в этих диапазонах волн созданы очень мощные радиостанции для глобальной (всемирной) радиосвязи. Такие системы имеют важное стратегическое значение и обеспечивают бесперебойную радиосвязь с объектами, находящимися на любом удалении от радиопередатчика (в том числе с подводными лодками в погруженном состоянии). В этом же диапазоне создана служба передачи точных частот, необ- ходимая для систем связи во всех диапазонах частот, а также для систем радионавигации, службы времени и других научно-исследова- тельских и хозяйственных целей. В диапазоне километровых волн ведется также радиовещание с амплитудной модуляцией.

Распространение гектометровых (средних) волн. Гектометро- вые волны могут быть как поверхностными, так и пространственными. Для этого диапазона волн характерны ограниченная дальность рас- пространения в дневные часы и увеличение дальности в ночное вре- мя. В дневные часы пространственные волны практически от- сутствуют. В слое D эти волны испытывают незначительные погло- щение и преломление. Но попав в слой Е с большей степенью иони- зации, они испытывают такое сильное поглощение, что на землю поч- ти не возвращаются. Поэтому днем связь на средних волнах осуще- ствляется только поверхностной волной. Практически дальность дей- ствия поверхностных волн ограничивается расстоянием 1000... 1500 км.

Вечером и ночью поглощение ионосферой уменьшается. Про- странственная волна отражается от слоя Е и мало поглощается им.

Напряженность поля в пункте приема является результатом интер- ференции земной и пространственной волн. Участие ионосферы в распространении средних волн в ночное время сопровождается не- которыми особенностями. Первой из таких особенностей следует счи- тать замирания (уменьшения) амплитуды сигнала в точке приема. Предположим, что в пункте А (рис. 1.6) находится передатчик, а в пункте Б ведется прием. Если днем в пункт Б доходят только земные волны, то ночью туда же могут попадать и волны, отраженные ионо- сферой.

Поле в пункте приема становится в этом случае результатом ин- терференции земных и ионосферных волн. При совпадении фаз волн результирующее поле усиливается, а при противофазности ослабля- ется (замирает). Но степень ионизации отражающего слоя и, следо- вательно, глубина проникновения в него радиоволн не остаются по- стоянными. Они изменяются по случайному закону вследствие непо- стоянства ионизирующего излучения Солнца и наличия воздушных течений. В результате этого изменяется длина пути пространствен- ных волн, а значит, и фазовый сдвиг между земной и пространствен- ной волнами.

Вторым неизбежным следствием влияния ионосферы на распро- странение СВ оказывается изменение сигнала в точке приема в тече- ние суток. На очень близких расстояниях от передатчика, где основ- ным является поле земных волн, принимаемый сигнал практически не меняется в течение суток. На средних расстояниях, куда земные вол- ны доходят с большим ослаблением, днем прием может быть плохой, а ночью, когда главенствует поле ионосферных волн, он улучшается, но сопровождается замираниями. На больших же расстояниях, куда земные волны практически не доходят, прием возможен лишь в тем- ное время за счет ионосферных волн.

Бороться с замираниями довольно трудно. Наиболее эффектив- ным средством является прием на 2-3 антенны, находящиеся на рас- стоянии 200-300 м друг от друга. Антенны соединяются линиями с приемником, имеющим отдельные усилители высокой частоты и де-

текторы для каждой антенны, но общий усилитель низкой частоты. Этот метод основан на том, что замирание не происходит одновре- менно в разных местах. В то время как в одной антенне сигнал уменьшается, в другой - он увеличивается и, таким образом, сигнал на выходе приемника мало изменяется. Некоторое уменьшение коле- баний слышимости дают также автоматические регуляторы усиления.

К недостаткам этого диапазона волн следует также отнести боль- шой уровень атмосферных и промышленных помех.

Диапазон гектометровых волн вомногих странах является основным для организации радиовещания.

Распространение декаметровых (коротких) волн. При распро- странении декаметровых волн энергия поверхностной волны сильно поглощается земной поверхностью, особенно над пересеченной ме- стностью. Явление дифракции на коротких волнах не играет заметной роли, поскольку эти волны поглощаются обычно раньше, чем станет ощутимой кривизна земли. Величина напряженности поля поверхно- стной волны в пункте приема зависит от направленности передающей антенны. На более коротких волнах этого диапазона сказывается также высота подъема передающей и приемной антенн над землей. Дальность распространения поверхностной волны обычно не превы- шает десятков километров, особенно для верхней половины диапазо- на (50...10 м).

Радиосвязь на коротких волнах (KB) ионосферными лучами явля- ется экономичным способом дальней связи. В нормальных условиях состояния ионосферы для отражения лучей KB основной оказывается

область F, а нижележащие области E и D создают вредное поглоще- ние энергии КВ. Такое прохождение KB изображено на рис. 1.7, а, а на рис. 1.7, б показана возможность увеличения дальности коротковол- новой связи путем двух «скачков», т.е. двукратного отражения от ио- носферы. Дальность такой связи определяется углом, под которым волны падают на границу ионосферы (и отражаются от нее): чем больше угол падения, тем больше дальность скачка.

Экономичность связи достигается благодаря тому, что при пра- вильном выборе длины волны поглощение энергии в ионосфере на KB незначительно (гораздо меньше, чем на СВ), поэтому в пунктах возвращения отраженных волн к Земле напряженность их поля может оказаться достаточной для приема даже при сравнительно неболь- шой мощности передатчика.

Для того чтобы пояснить смысл выбора выгодной части KB диапа- зона, рассмотрим рис. 1.8. Здесь изображены лучи распространения короткой волны, частота которой выше так называемой критической частоты слоя F ионосферы. Угол , образованный лучом волн и каса- тельной прямой к поверхности Земли в пункте излучения, называется углом возвышения.

При крутом падении 90° волны проходят сквозь ионосферу в космос. При некотором угле _ф (критический угол для данной сте- пени ионизации слоя и данной частоты) происходит полное внутрен- нее отражение и луч направляется в ионосфере параллельно земной поверхности. При углах, меньших критического, лучи возвращаются к Земле, и тем дальше от пункта излучения, чем меньше угол 6. При излучении касательно к Земле достигается наибольшая дальность скачка, составляющая приблизительно 4000 км. Необходимая даль- ность связи определяет тот угол , под которым антенна должна из- лучать максимум энергии. Зная высоту отражающего слоя, Легко оп- ределить этот угол простым геометрическим построением. Для того чтобы получить в намеченном пункте приема достаточную напряжен- ность поля ионосферных KB, нужно выполнить следующие два усло-

вия прохождения этих волн: во-первых, выбрать такую частоту, кото- рая была бы ниже максимального значения, еще отражаемого слоем при требуемом угле возвышения; во-вторых, необходимо, чтобы энер- гия волн этой частоты не поглощалась чрезмерно при двукратном прохождении (вверх и вниз) через области E и D (поглощение умень- шается с ростом частоты).

Таким образом, выбор частот для коротковолновой ионосферной связи резко ограничен сверху некоторой максимально применимой частотой по отражению и не столь резко снизу некоторой минимально применимой частотой по поглощению. Оба этих граничных значения частоты относятся к данным часам суток (к данной степени ионизации области F) и к данной трассе (к углу возвышения 9). Описанная нами картина распространения KB позволяет пояснить разницу между «дневными» и «ночными» волнами.

Днем для дальних связей применяются наиболее короткие волны этого диапазона (примерно от 10 до 25 м); такие волны при малом угле возвышения способны отражаться от слоя F. Конечно, более длинные волны и подавно стали бы отражаться, но при высокой дневной ионизации в областях и D потери в них были бы слишком большими и потребовалось бы невыгодное увеличение мощности пе- редатчиков.

Ночью для дальних связей используется нижняя часть KB диапа- зона (приблизительно от 35 до 100 м), так как при уменьшении иони- зации слоя F более короткие волны от него не отразились бы даже при пологом падении. Потери же в нижних слоях ионосферы ночью не столь опасны, ибо область D отсутствует, а ионизация области E сильно уменьшается.

Волны, занимающие участок между дневными и ночными (пример- но от 25 до 35 м), успешно применяются для связи в часы восхода и захода Солнца. Конечно, точное разграничение этих трех участков KB диапазона невозможно, так как их границы зависят от сезона (лето - зима) и от фазы 11-летнего периода солнечной активности.

К недостаткам диапазона декаметровых волн относится наличие замираний и образование зоны молчания. Рис. 1.9 поясняет образо- вание зоны молчания. Поверхностный луч не удается принять в этой зоне, потому что он оказывается сильно ослабленным. Пространст- венный луч не может быть направлен в зону молчания, так как для этого его надо послать под большим углом к земле, но тогда луч про- нижет атмосферу и уйдет в космическое пространство. Ширина зоны молчания зависит от времени суток и длины волны: чем короче длина волны, тем шире зона молчания.

Другое явление, играющее существенную роль при организации радиосвязи на декаметровых волнах, - замирание. В отличие от за- мираний на гектометровых волнах, которые происходят главным об-

разом вследствие интерференции поверхностных и пространствен- ных лучей, замирания на коротких волнах обусловлены в основном интерференцией двух или нескольких пространственных лучей, при- шедших в пункт приема различными путями. Объясняется это тем, что передающая антенна излучает волны не в единственном направ- лении, а в пределах более или менее широкого угла. Соответственно можно считать, что на ионосферу падает не один луч, а как бы пучок лучей. Лучи с различными углами возвышения отражаются при раз- личной глубине проникновения в ионизированный слой и достигают поверхности земли в различных точках. Вследствие многолучевого распространения и колебаний электронной концентрации отражаю- щего слоя радиоволны, излученные передающей антенной, достига- ют точки приема, двигаясь по разным траекториям. В результате на приемную антенну воздействует несколько колебаний с разными ам- плитудами и фазами, меняющимися во времени. Из-за соизмеримо- сти разности пути лучей с длиной волны замирания получаются бо- лее глубокими и быстрыми.

В пунктах приема обнаруживаются лучи, которые распространяют- ся путем однократных или многократных отражений от ионосферы.

Многолучевое распространение является также причиной возник- новения эха, когда из-за разности хода в точку приема приходят лучи с запозданием на 0,2... 1,0 мс. Такой вид искажений получил название ближнего эха. Иногда радиосигналы за счет многократных отражений обегают вокруг Земли, вызывая кругосветное эхо.

Несмотря на перечисленные недостатки и на интенсивное разви- тие связи в других диапазонах волн, в частности с использованием искусственных спутников Земли, значение связи в декаметровом диа- пазоне велико. Декаметровые волны позволяют при сравнительно небольшой мощности передатчиков осуществлять связь на большие расстояния. Поэтому связь на гектометровых волнах остается пока основным видом межконтинентальной связи, являясь важнейшим звеном глобальной связи. По этим же причинам данный диапазон

частот широко используется для радиовещания на труднодоступные районы страны и вещания на другие страны.

Распространение волн короче 10 м. Волны короче 10 м в соот- ветствии с табл. 1.2 разбиты на пять диапазонов, которые часто на- зывают диапазонами ультракоротких волн (УКВ). В течение многих лет использование УКВ ограничивалось требованием прямой види- мости между антеннами передатчика и приемника, которое вытекает из прямолинейности распространения этих волн. Действительно, ди- фракция практически не свойственна УКВ, и они не могут огибать вы- пуклости земной поверхности. Степень же ионизации ионосферы не- достаточна для отражения этих радиоволн.

Дальность распространения на расстояние прямой видимости со- ставляет: (км), где h1, и h₂ -высоты расположения передающей и приемной антенн (м).

Таким образом, если поднять антенны на высоту 25 м, то расстоя- ние прямой видимости составит 36 км. Для осуществления связи на большие расстояния необходимо между пунктами связи устанавли- вать промежуточные станции (ретрансляторы), либо поднимать ан- тенны на большие высоты. Первый принцип используется в радиоре- лейных системах передачи, где промежуточные станции располага- ются на расстоянии 50...70 км. Для увеличения зоны обслуживания телевизионного вещания используются антенны, расположенные на башнях большой высоты. Так, высота Останкинской телевизионной башни составляет 525 м.

Связь в пределах прямой видимости характеризуется возможно- стью одновременного прихода в точку приема не только прямой вол- ны, но и волны, отраженной от земной поверхности. Эффект интер- ференции может привести к резкому снижению напряженности поля в точке приема. Однако в отличие от диапазонов гектометровых и де- каметровых волн, интерференционные явления здесь могут быть сведены до минимума оптимальным подбором высот антенн, рас- стояния между ними и длины волны.

Диапазон УКВ является, пожалуй, наиболее широко используемым участком радиодиапазона. Большая частотная емкость этого диапа- зона и ограниченный пределами прямой видимости радиус действия позволяют разместить большое число одновременно работающих станций и осуществлять передачу информации в широкой полосе частот. Диапазон УКВ позволяет одновременно передавать большое число телевизионных программ, организовать тысячи телефонных каналов и цифровых систем связи. Диапазон широко используется для радиолокации, радионавигации, связи с искусственными спутни- ками, звукового и телевизионного вещания и в радиоастрономии. Диапазон метровых и дециметровых волн используется в основном для телевидения, радиовещания и радиосвязи с подвижными объек-

тами. Диапазон сантиметровых волн отведен для различных видов многоканальной связи.

Диапазон метровых волн используется иногда для связи вне пре- делов прямой видимости, так как они способны огибать небольшие преграды на земной поверхности. Дальность такой связи обычно ис- числяется километрами, реже - десятками километров. Наиболее сложными оказываются условия связи на метровых волнах в больших городах, где часто прибегают к ретрансляции через центральную станцию, антенна которой установлена на высотном доме.

На практике наблюдаются случаи дальнего распространения метровых и более коротких волн. Это объясняется тем, что возмож- но такое состояние атмосферы, при котором изменение коэффици- ента преломления по мере подъема вверх происходит в гораздо большей степени, чем в нормальных условиях. Искривление траек- тории радиолуча вследствие рефракции увеличивается, становится возможным распространение радиоволн параллельно земной по- верхности или даже попадание их после преломления на поверх- ность земли (явление сверхфракции). Падающие на землю волны отражаются, распространяются вверх, опять преломляются и т.д. В пространстве между поверхностью земли и преломляющими верхними слоями, вдоль которого волны распространяются на рас- стояния в десятки раз больше расстояний прямой видимости. Это создает возможность приема телевизионных программ из других городов и даже стран.

Следует отметить, что появление волноводных каналов в атмо- сфере происходит редко. Для этого требуется стечение благоприят- ных условий: увеличение температуры воздуха по мере подъема вверх (а не ее уменьшение, как это происходит обычно) и сильное уменьшение влажности с высотой.

Известно, что в тропосфере постоянно присутствуют малые слу- чайные колебания температуры и влажности. Коэффициент прелом- ления воздуха зависит от этих величин, поэтому радиоволны рассеи- ваются неоднородностями ионосферы. Это рассеянное поле наблю- дается далеко за горизонтом. Существенно, что, несмотря на малое значение напряженности поля и его флуктуации, в среднем напря- женность поля за горизонтом отличается большим постоянством. Яв- ление рассеяния волн тропосферными неоднородностями называют дальним тропосферным распространением радиоволн.

Однако создание линии тропосферной связи значительно более сложная задача, нежели линии декаметрового диапазона, поскольку напряженность поля отраженных от тропосферы волн уменьшается с расстоянием очень быстро. Поэтому требуются значительные мощ- ности передатчиков (от 1 до 50 кВт), антенны высокой направленно-

Для линий тропосферного рассеяния могут быть использованы диапазоны метровых, дециметровых и часть сантиметровых волн.

Несомненное достоинство тропосферных линий связи - возмож- ность передачи по ним широкополосных сигналов, т.е. организация многоканальных систем связи. Кроме того, эта связь не требует сме- ны длины волны в течение суток. Тропосферные линии связи успеш- но конкурируют в труднодоступной местности с кабельными линиями. Тропосферные станции могут образовывать радиорелейные системы передачи с интервалом между станциями до 300...500 км.

Дальнее распространение волн УКВ диапазона возможно также за счет их рассеяния на неоднородностях ионосферы. Здесь рассеяние происходит в слое D или в нижней части слоя Б за счет неоднородно- сти электронной концентрации. Наибольшая неоднородность поля наблюдается в диапазоне 30...60 МГц при длине трассы 800...2000 км. Для ионосферных линий связи характерны замирания, сезонные и суточные изменения уровня. Искажения сигнала ограничивают шири- ну спектра передаваемых сигналов полосой в несколько килогерц, поэтому телевизионные и групповые сигналы многоканальных систем по ним не могут передаваться.

Преимуществом связи на метровых волнах за счет ионосферного рассеяния является возможность работы круглосуточно на одной час- тоте. Ионосферное рассеяние целесообразно использовать для связи с труднодоступными районами. В периоды ионосферных возмущений, особенно характерных для арктических широт, когда связь в диапазо- не декаметровых волн с отражением от слоя F₂ прекращается, неод- нородности в нижних областях ионосферы возрастают и ионосфер- ная связь даже улучшается.

Антенно-фидерные устройства

Общие принципы построения антенн. Антенна является необ- ходимым элементом любого радиопередающего и радиоприемного устройства. Антенна радиопередатчика (передающая антенна) пред- назначена для преобразования тока высокой частоты в энергию излу- чаемых ею электромагнитных волн. Антенна радиоприемника (прием- ная антенна) предназначена для преобразования принятых ею элек- тромагнитных волн в энергию тока высокой частоты. Характер про- цессов, происходящих в передающей и приемной антеннах, опреде- ляет обратимость их использования. Обратимость антенн находит выражение не только в принципиальной возможности использования одной и той же антенны в качестве передающей или приемной, но и в том, что основные параметры антенны сохраняются при использова- нии ее как для передачи, так и для приема. Это имеет большое прак- тическое значение. Так, многие передвижные радиостанции, предна-

знаменные для связи, имеют общую антенну для передачи и для приема.

Электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного канала подводится от радиопере- датчика к антенне или от антенны к радиоприемнику, называется фи- дером. Конструкция фидера зависит от диапазона передаваемых по нему частот. При передаче электромагнитной энергии по линии стре- мятся уменьшить излучение самой линии.

Для этого провода линии располагают параллельно и по возмож- ности ближе друг к другу. При этом поля двух одинаковых по значе- нию, но противоположно направленных токов взаимно компенсируют- ся и излучения энергии в окружающее пространство не происходит. При создании антенны ставится противоположная задача: получение возможно большего излучения. Для этого можно использовать те же длинные линии, устранив одну из причин, лишающих фидер излу- чающих свойств. Можно, например, раздвинуть провода линии на не- который угол, в результате чего их поля не будут компенсировать друг друга. На этом основана работа V-образных и ромбических ан- тенн, излучающие провода которых расположены под острым углом один к другому (рис. 1.10, а, б), и симметричного вибратора, полу- чающегося при разведении проводов на 180° (см. рис. 1.10, в).

Компенсирующее действие одного из проводов фидера можно устранить, исключив его из системы. Это приводит к по- лучению несимметричного виб- ратора (рис. 1.11, а). Все антенны, использующие этот принцип работы, относятся к классу не- симметричных антенн. К ним также принадлежат Г-образные и Т-образные антенны (см. рис. 1.11, б, в)

Фидер излучает, если соседние участки его двух проводов обтека- ются токами, совпадающими по фазе, поля которых усиливают друг друга. Для этого необходимо создать фазовый сдвиг в половину дли- ны волны, например за счет неизлучающего шлейфа (рис. 1.12, а). На таком же принципе основаны синфазные антенны, получившие широ- кое распространение (см. рис. 1.12, б).

Фидер будет излучать, если расстояния между проводами по неко- торым направлениям приобретают значительную разность хода. Бо- лее того, можно так подобрать расстояние между проводами, что по некоторым направлениям произойдет сложение волн от обоих прово- дов. Это широко используется в многочисленных противофазных ан- теннах. Работу таких антенн нетрудно понять из трех примеров, при- веденных на рис. 1.12, в-д. В антенне (см. рис. 1.12, в) противофаз- ность токов в проводах обеспечивается подключением их к фидеру на расстоянии в полволны. Антенна, изображенная на рис. 1.12, г, пред- ставляет собой фидер, как бы расширенный на конце. В антенне на рис. 1.12, д противофазность токов обеспечивается перекрещиванием питающих проводов.

Остановимся на работе симметричного вибратора как излучателя, ко- торый входит в состав многих антенн. Симметричный вибратор можно представить как длинную линию, разомкнутую на конце, провода которой развернуты на 180°. Каждый элемент данной линии обладает опреде- ленной индуктивностью и емкостью между проводами (рис. 1.13).

Рассмотрим процесс свободных электрических колебаний в сим- метричном вибраторе. Присоединим обе его половины к зажимам ис- точника постоянной ЭДС (рис. 1.14, а). После того как распределен- ные емкости проводов вибратора зарядятся и между его половинами возникнет разность потенциалов, отключим источник питания и замк- нем обе половины вибратора перемычкой (см. рис. 1.14, б). При этом распределенные емкости начнут разряжаться через перемычку. Оче- видно, что через отрезки провода вибратора, расположенные у сере- дины, протекает наибольший электрический заряд, и поэтому разряд- ный ток имеет наибольшее значение; к концам же провода ток уменьшается до нуля. Ток в проводе нарастает постепенно, поскольку в распределенных индуктивностях возникает ЭДС самоиндукции. Разность потенциалов между точками, равноудаленными от середи- ны вибратора, тем больше, чем дальше эти точки от середины, так как тем большая часть распределенной индуктивности провода уча- ствует в его создании (см. рис. 1.14, б). Знак потенциала относитель- но средней точки по обе стороны от нее различен, так как в одной по- ловине вибратора ток течет к ней, а в другой - от нее.

По мере разряда распределенной емкости ток в проводе нараста- ет и достигает максимума, когда она полностью разрядится. При этом вся энергия электрического поля, запасенная емкостью, переходит в энергию магнитного поля распределенных индуктивностей (см. рис. 1.14, в). Если вначале индуктивность проводов вибратора пре- пятствовала нарастанию тока, то теперь она препятствует его умень- шению. Поэтому ток уменьшается постепенно, сохраняя прежнее на- правление (см. рис. 1.14, г). За счет этого происходит перезаряд рас- пределенной емкости, и когда ток спадает до нуля, емкости оказыва- ются перезаряженными (см. рис. 1.14, д). После этого процесс проте- кает в обратном направлении (см. рис. 1.14, е-и). Таким образом в вибраторе возникают свободные электрические колебания. При этом в нем устанавливаются стоячие волны тока и напряжения и вдоль его длины укладывается половина стоячей волны тока и на- пряжения. Следовательно, длина волны Х0 собственных колебаний симметричного вибратора вдвое больше его длины, т.е. А. = 21. По- этому симметричный вибратор называют также полуволновым дипо- лем, чем подчеркивается, что он вдвое короче длины волны собст- венных колебаний.

На рис.3а показаны электрическое и магнитное поля вокруг вибратора. Распространившиеся от вибратора электромагнитные волны всегда имеют определенную поляризацию, т. е. электрические и магнитные силовые линии у них располагаются в определенных плоскостях. Если волны распространяются свободно, без преломлений и отражений, то на значительном ударении по направлению, перпендикулярному к вибратору, электрические силовые линии располагаются параллельно вибратору, а магнитные силовые линии — перпендикулярно к нему ] (рис.3 б).

Принято поляризацию радиоволн определять по направлению электрического поля. Когда вибратор расположен вертикально (рис.3), волна поляризована вертикально, так как электрические силовые линии расположены в вертикальной плоскости. Если же вибратор расположен горизонтально, то излучаемые им волны имеют горизонтальную поляризацию.

Следует обратить внимание на то, что электромагнитные поля вблизи вибратора и вдали от него имеют различный характер. На значительном расстоянии от вибратора поле представляет собой бегущую волну, удаляющуюся от вибратора. Здесь, как и во всякой бегущей волне, колебания электрического и магнитного полей совпадают по фазе и энергия распределена поровну между этими полями. Такое электромагнитное поле принято называть полем излучения. Конечно, это поле существует и вблизи вибратора, поскольку он излучает и в нем имеются бегущие волны тока и напряжения, переносящие вдоль вибратора к отдельным его элементам энергию, расходующуюся на излучение.

Однако в вибраторе имеются также стоячие волны, амплитуда которых гораздо больше, чем амплитуда бегущих волн. Энергия стоячих волн является чисто реактивной. Поле этих волн не удаляется от вибратора, а в нем совершается лишь колебание энергии, переходящей из электрического поля в магнитное и обратно. Таким образом, непосредственно около вибратора существует сравнительно сильное электромагнитное поле стоячих волн, в котором электрическое и магнитное поля совершают колебания со сдвигом фаз 90°. Это поле, значительно более сильное, нежели поле излучения, называют полем индукции. Его напряженность очень быстро убывает при удалении от вибратора.

Пространство вблизи вибратора на расстояниях, меньших длины волны от него, в котором существует поле индукции, называют зоной индукции или ближней зоной. А пространство на расстояниях, значительно больших длины волны, в котором практически наблюдается только поле излучения, называют дальней или волновой зоной (или зоной излучения).

Разумеется, что резкой границы между ближней и дальней зонами нет. Одна постепенно переходит в другую, и между ними существует промежуточная зона, в которой поле индукции и поле излучения имеют напряженности одного порядка.

Если полуволновый вибратор расположить вертикально, его раз- мер можно уменьшить вдвое благодаря проводящим свойствам зем- ли. При вертикальном расположении нижний конец антенны подклю- чается к одному из зажимов генератора электромагнитных колебаний (рис. 1.15, а), второй зажим генератора при этом заземляется. Если предположить, что земля является идеальным проводником, то в ней

наводится ЭДС, которая действует как зеркальное изображение ос- новного вибратора (см. рис. 1.15, б). Такая антенна называется вер- тикальной несимметричной антенной, ее высота приблизительно равна . Все сказанное справедливо только в том случае, когда земля представляет собой идеальный проводник. Когда же земля об- ладает плохими проводящими свойствами, характер распределения тока в земной поверхности изменяется. Особенно большое значение имеет сопротивление земли вблизи основания антенны. Для улучше- ния проводимости этого участка применяют металлизацию земли: закапывают в землю металлические листы, провода; улучшают хими- ческий состав почвы, пропитывая ее различными солями.

Опыт показывает, что нет надобности осуществлять полную ме- таллизацию земли, достаточно хорошо работает система радиальных расходящихся проводов, закопанных в землю на глубину 20...50 см. Качество металлизации улучшается, если радиальные провода со- единяются между собой перемычками.

Часто заземление заменяют системой проводов, не зарытых, а поднятых над землей, называемых противовесом. Последний дол- жен достаточно хорошо экранировать антенный провод от земли, иг- рая роль хорошо проводящей поверхности. Он обычно дает худшие результаты, но на передвижных радиостанциях является единствен- ным выходом из положения. Обычно в качестве противовеса исполь- зуется корпус автомобиля, на котором расположена радиостанция. Таким же образом поступают при необходимости установки радио- станции на каменистом грунте.

Основные характеристики и параметры антенн. Излучаемая мощность - мощность электромагнитных волн, излучаемых ан- тенной в свободное пространство. Это активная мощность, так как она рассеивается в пространстве, окружающем антенну. Следова- тельно, излучаемую мощность можно выразить через активное со- противление, называемое сопротивлением излучения, где - эффективный ток на входе антенны.

Сопротивление излучения характеризует способность антенны к излучению электромагнитной энергии и качество антенны в большей степени, чем излучаемая ею мощность, поскольку последняя зависит не только от свойств антенны, но и от создаваемого в ней тока.

Мощность потерь - мощность, бесполезно теряемая пере- датчиком во время прохождения тока по проводам антенны, в земле и предметах, расположенных вблизи антенны. Эта мощность также является активной и может быть выражена через активное сопротивление, называемое сопротивлением потерь:

Мощность в антенне - мощность, подводимая к антенне от передатчика. Эту мощность можно представить в виде суммы излу- чаемой мощности и мощности потерь:

полезного действия (КПД) антенны - отношение излучаемой мощности к мощности, подводимой к антенне:

Вхоаное сопротивление антенны - сопротивление на входных зажимах антенны. Оно имеет реактивную и активную составляющие. При настройке в резонанс антенна представляет для генератора чис- то активную нагрузку и используется наиболее эффективно.

Направленность антенны - способность излучать электромагнит- ные волны в определенных направлениях. Об этом свойстве антенны судят по диаграмме направленности, которая графически показывает зависимость напряженности поля или излучаемой мощности от на- правления. Обычно пользуются нормированными диаграммами на- правленности, где величины, характеризующие напряженность поля или мощность излучения, выражены не в абсолютных значениях, а отнесены к максимальному значению. В целях упрощения исполь- зуют не пространственную диаграмму направленности, а ограничи- ваются диаграммами направленности в двух плоскостях: горизон- тальной и вертикальной.

На рис. 1.16, а показана диаграмма направленности симметрично- го вертикального вибратора в горизонтальной плоскости, а на

рис. 1.16, б и в-в вертикальной плоскости в полярной и прямоуголь- ной системах координат соответственно.

Шириной диаграммы направленности называют угол (см. рис. 1.16, б, в), в пределах которого мощность излучения уменьшает- ся не более чем в 2 раза по сравнению с мощностью в направлении максимального излучения. Так как мощность пропорциональна квад- рату напряженности поля, то границы угла раствора диаграммы на- правленности определяются величиной от напряженно- сти поля в направлении максимального излучения.

Коэффициентом направленного действия называется отно- шение плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в определенном направлении, к плотности потока мощности, которая излучалась бы абсолютно ненаправленной антенной в любом на- правлении при условии равенства общей излучаемой мощности в обеих антеннах. Наибольший интерес представляет коэффициент направленного действия в направлении максимального излучения:

Коэффициентом усиления антенны называется произведе-

ние коэффициента направленного действия антенны на ее КПД: . Этот коэффициент дает полную характеристику антенны: он учитывает, с одной стороны, концентрацию энергии в определенном направлении благодаря направленным свойствам антенны, а с дру- гой - уменьшение излучения вследствие потерь мощности в антенне. Преимущественное излучение антенн в заданном направлении эк- вивалентно увеличению мощности передатчика. Следовательно, на- правленность передающей антенны весьма желательна. Исключение составляют антенны радиостанций, предназначенных для обслужи- вания определенного района, в центре которого находится станция. Такие антенны не должны обладать направленностью в горизонталь- ной плоскости.

Действующая высота антенны . Количество энергии, излучаемой каждым элементом антенны, пропорционально проходящему по нему току. Так как распределение тока в антенне неравномерно, то излучение различными элементами неодинаково: оно наиболее интенсивно в пучности тока и равно нулю в узле тока (рис. 1.17).

Если площадь, охватываемую кривой распределения тока и проводом антенны, заменить равным по площади прямоугольником, то количество излучаемой энергии не изме- нится. Полагая основание прямоугольника

равным по величине амплитуде тока в основании антенны (I_мо), по- лучаем высоту прямоугольника, называемую действующей высотой антенны

Особенно важно понятие действующей высоты для приемных ан- тенн, у которых оно определяет величину наводимой в них ЭДС.

Поляризация

Как известно, электромагнитные (радио) волны представляют собой комбинацию колебаний электрических и магнитных полей. В обычных условиях направление колебаний электрического поля (вектор Е) перпендикулярно направлению колебаний магнитного поля (вектор Н). Причем оба вектора находятся в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В зависимости от направления вектора Е волну называют вертикально (рис. 13,а) или горизонтально (рис. 13,6) поляризованной, хотя возможна наклонная и даже изменяющаяся в процессе распространения волны поляризация. Любая антенна наилучшим образом принимает волны только одной поляризации. Сама же поляризация зависит от конструкции передающей антенны и от условий распространения волны. Для ДВ и СВ поверхность земли является хорошим проводником, поэтому горизонтально поляризованные волны этих диапазонов вдоль нее распространяться не могут. По этой причине передающие антенны ДВ и СВ строят так, чтобы они излучали волны вертикальной поляризации.

Вертикально поляризованная волна

Горизонтальноо поляризованная волна

Рис.13

В диапазоне УКВ земная поверхность - скорее диэлектрик, чем проводник, к тому же в этом диапазоне антенны обычно подняты над ней на высоту, значительно превышающую длину волны. Так что здесь выбор поляризации особого значения не имеет. Однако чаще все-таки применяют горизонтально поляризованные волны, поскольку на их распространение меньше влияют всевозможные сооружения и растительность, ориентированные в основном вертикально.

Самое сложное положение с выбором поляризации в диапазоне коротких волн, которые в настоящее время применяют для связи на большие расстояния. При дальней связи передатчик может излучать волны с любой поляризацией, но, проходя сквозь ионосферу и отражаясь от нее, короткие волны непредсказуемо изменяют плоскость поляризации. В результате к антенне радиоприемника никогда не приходят строго горизонтально или строго вертикально поляризованные волны.

Это вынуждает либо усложнять антенну, уменьшая ее чувствительность к поляризации, либо мириться с потерями, вызванными несовпадением поляризаций. В бытовых и любительских условиях выбирают последнее. Тем не менее для улучшения дальнего приема всегда имеет смысл поэкспериментировать с поляризацией приемной антенны, изменяя угол ее наклона к горизонту. Интересно, что характерные для коротких волн замирания сигнала часто связаны не только с изменением его интенсивности во времени, но и с вращением плоскости поляризации.

Направленные KB антенны, как правило, делают с горизонтальной поляризацией, так как они конструктивно проще аналогичных по характеристикам антенн с вертикальной поляризацией.

Антенны километровых и гектометровых волн. Километровые и гектометровые волны (длинные и средние) используются для ра- диосвязи, радиовещания, навигации и других целей.

На длинных и средних волнах земная поверхность имеет обычно хорошую проводимость. У поверхности же хорошего проводника электрическое поле может быть направлено только перпендикулярно его поверхности. Поэтому как передающие, так и приемные антенны для этих волн должны обладать развитой вертикальной частью. Для того чтобы антенна была резонансной и имела достаточно большие сопротивление излучения и КПД, ее размеры должны приближаться,

по крайней мере, к т.е. на ДВ высота ее должна быть равна не-

скольким сотням метров. Практически удается построить антенны (мачты) высотой не более 200...300 м. Поэтому на волнах длиннее 1000 м, как правило, приходится работать с антеннами длиной меньше резонансной. Вследствие этого входное сопротивление антенны имеет реактивную составляющую емкостного характера, для компенсации которой последовательно с антенной приходится включать катушку индуктивности (рис. 1.18, а). Эти катушки часто называют удлинитель- ными. Сопротивление излучения у антенн с малой электрической дли- ной весьма мало. В то же время активное сопротивление удлинитель- ных катушек довольно значительно. Поэтому сопротивление потерь в цепи антенны становится больше или того же порядка, что и сопро- тивление излучения, и КПД антенны получается довольно низким.

На СВ при работе антенны в широком диапазоне частот может оказаться, что частота подводимых к ней колебаний ниже резонанс- ной. В этом случае реактивная составляющая ее входного сопротив- ления имеет индуктивный характер, и для настройки антенны прихо- дится применять конденсатор, который принято называть укорачи- вающим. В общем случае цепь настройки диапазонной антенны должна содержать как емкость, так и индуктивность.

Применение элементов настройки не изменяет сопротивления из- лучения антенны, которое определяется только ее электрической длиной, и поэтому при работе с короткими антеннами сопротивление излучения всегда невелико. Поэтому для получения большой мощно- сти излучения в таких антеннах приходится возбуждать большие токи. Малое сопротивление излучения приводит также к тому, что резо- нансная характеристика антенны становится очень острой; вследст- вие этого антенна очень критична в настройке. Кроме того, при низком сопротивлении излучения приходится особенно тщательно выполнять заземление нижнего конца антенны, где проходит большой ток, так как в противном случае резко снижается КПД системы.

Для увеличения КПД вместо использования катушки индуктивно- сти часто увеличивают длину антенны до резонансной и сгибают ее на высоте мачты под прямым углом, образовав оставшейся частью горизонтальный участок. Такая Г-образная антенна излучает лучше, чем прямая антенна с удлинительной катушкой, но она требует уста- новки второй мачты (см. рис. 1.18, б). Если высота подвеса Г-образ- ной антенны невелика, то горизонтальная часть ее практически не излучает, так как она образует со своим зеркальным изображением двухпроводную линию. Однако при этом распределение тока в излу- чающей вертикальной части существенно улучшается. В ней уклады- вается часть стоячей волны тока, близкая к пучности, к тому же пуч- ность располагается ближе к верхнему концу, который находится в наиболее благоприятных для излучения условиях.

Увеличить амплитуду тока на конце антенны можно также, создав дополнительную горизонтальную часть в виде двух горизонтальных лучей (Т-образная антенна на рис. 1.18, д) или в виде многих лучей (зонтичная антенна на рис. 1.18, е). Во всех случаях горизонтальные элементы образуют с землей некоторую емкость. Благодаря этому амплитуда тока на конце вертикальной части антенны уже не равна нулю, и распределение тока вдоль нее становится более равномер- ным. Площадь тока, а следовательно, и действующая высота антен- ны увеличиваются.

Конструктивно антенны ДВ и СВ очень часто выполняются в виде установленных на изоляторы стальных свободно стоящих антенн- башен (рис. 1.19, а) и антенн-мачт (см. рис. 1.19, б). Ток от передатчи- ка подводится к нижнему концу башни или мачты, которая является непосредственным излучателем энергии. Для радиовещания приме- няются антенны высотой 75...300 м. Для увеличения емкости антенны на вершине башни или мачты устанавливается емкостная шапка из

металлических трубок.

Недостатком передающих антенн-мачт и антенн-башен, имеющих высоту до 300 м и более, является их высокая стоимость. Кроме того, во многих случаях применение высоких антенн недопустимо вследст- вие близости радиоцентров к аэропортам. Во всяком случае все ан- тенны этого типа оборудуются системой светового ограждения мачт.

На средних волнах на расстояниях 100...300 км поля поверхност- ной и пространственной волн могут оказаться соизмеримыми по ам-

плитуде и случайными по фазе. Здесь наблюдаются замирания (фе- динги) селективного характера. В рабочей полосе отдельные частоты замирают по-разному, вызывая искажения передаваемого сигнала. Чтобы отодвинуть дальше от передающей станции зону, подвержен- ную замираниям, необходимо на передаче применять антенны со специальной формой диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Эти антенны должны иметь максимум излучения, направ- ленного вдоль поверхности земли, и малое излучение под углом бо- лее 55°. Антенны с подобной диаграммой направленности называют- ся антифединговыми. Такими, например, являются несимметричные вертикальные вибраторы высотой

В отличие от передающих, приемные антенны, как правило, не на- страиваются на частоту принимаемых радиостанций. Для вещатель- ного приема часто используют вертикальные Г-, Т-образные и зонтич- ные антенны.

Антенны декаметровых волн. Чем короче волна, тем больше разнообразие используемых типов антенн. Для KB проводимость поч- вы ухудшается, и вследствие этого возрастают потери в заземлении. Поэтому на этих волнах обычно избегают использования заземлен- ных вибраторов. Только около больших водных поверхностей или при расположении радиостанции на сырых почвах заземленные вибрато- ры дают хорошие результаты.

В диапазоне декаметровых (коротких) волн (10...100 м) отношение длины антенны к длине волны может быть получено достаточно большим. Поэтому обеспечение большого сопротивления излучения и высокого КПД не вызывает затруднений. Более актуальным при по- строении коротковолновых антенн является вопрос о диаграмме на- правленности, к которой предъявляются следующие требования:

1. Она должна быть по возможности неизменной во всем диапазо- не волн, в котором поддерживается связь в течение длительного времени. Это требование вызвано тем, что по условиям распростра- нения приходится производить смену волн даже в течение одних су- ток связи. Антенны, имеющие неизменные диаграммы направленно- сти в широком диапазоне частот, называются диапазонными, в отли- чие от настроенных.

2. Направление максимального излучения и приема должно быть таким, чтобы число отраженных волн от ионосферы и земли было минимальным, так как каждый скачок волны сопровождается потеря- ми энергии. Поэтому угол возвышения луча следует уменьшать по мере удлинения линии связи. Например, для линий протяженностью 600 км рекомендуется выбирать угол 30...45°, а для линий длиной 3000 км- 10...25°.

3. В связи с неустойчивостью состояния ионосферы направленное действие антенны не должно быть чрезмерно большим во избежание

того, что излучаемая волна окажется вне сферы действия приемной антенны. Поэтому ширину угла диаграммы направленности коротко- волновой антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях ре- комендуется устанавливать равной 10...30°.

4. Для ослабления влияния промышленных помех на радиоприем максимум диаграммы направленности приемной антенны не должен быть слишком близок к земной поверхности. С этой точки зрения в коротковолновых антеннах предпочтительнее применять горизон- тальные вибраторы, а не вертикальные. Однако симметричный гори- зонтальный вибратор не рассчитан на работу в широком диапазоне частот, так как его входное сопротивление сильно зависит от частоты, что приводит к нарушению согласования с питающим фидером.

Входное сопротивление вибратора будет изменяться в меньших пределах, если уменьшить его волновое сопротивление. Это может быть достигнуто за счет увеличения диаметра излучающих проводов. В диполе С.И. Надененко (антенны типа ВГД) плечи вибратора обра- зованы системой из 6-12 проводов, расположенных по образующей цилиндра диаметром 1...3 м (рис. 1.20).

С изменением частоты входное сопротивление такого вибратора изменяется в небольших пределах и согласование с фидером обес- печивается в более широком диапазоне частот. Рабочий диапазон волн диполя С.И. Надененко составляет (1,7...3,3)/. Эта антенна на- ходит применение на передающих и приемных станциях, если требу- ется слабонаправленная диапазонная антенна.

Симметричные вибраторы широко используются как элемент более сложных антенн, состоящих из нескольких вибраторов. Такие многовиб- раторные антенны обеспечивают остронаправленные излучения и при- ем. Антенная система состоит из горизонтальных полуволновых вибра- торов, расположенных рядами в несколько этажей. Расстояние между этажами , а между вибраторами Если токи во всех вибраторах возбуждаются в фазе, такую антенну называют синфазной.

На рис. 1.21 изображена синфазная горизонтальная антенна. Рассмотрим, чем будет определяться диаграмма направленности та- кой антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Предположим, что такая антенна используется как приемная. Диа- грамма направленности каждого вибратора в вертикальной плоскости представляет собой окружность. На рис. 1.22 показаны горизонтальные полуволновые вибраторы, расположенные в два этажа (плоскость чер- тежа совпадает с вертикальной плоскостью) на расстоянии

При достаточном удалении источника принимаемых волн линии r1, и r₂ соединяющие вибраторы с этим источником, можно считать па- раллельными. Поэтому токи от вибраторов будут складываться в об- щей линии, присоединенной к ним. Если угол прихода то r1, и r₂ равны и токи складываются с одинаковой фазой. При появляется разность расстояний r1, и r₂, представленная на рис. 1.22, а отрезком d. Если же , то токи в вибраторах окажутся в противоположных фазах, суммарный ток будет равен нулю и приема сигналов с этого направления не будет.

Таким образом, система из двух горизонтальных вибраторов, рас- положенных на разных высотах (этажах) относительно земли, даст диаграмму направленности в вертикальной плоскости, изображенную на рис. 1.22, б сплошной линией. Чем больше этажей, тем уже диа- грамма направленности.

Для магистральной связи в качестве приемных и передающих ан- тенн применяются антенны с узкими диаграммами направленности в обоих плоскостях, содержащие 32 и более вибраторов. Коэффициент усиления этих антенн более 160. С изменением длины волны рас- стояние между этажами будет отличаться от значения . В резуль- тате вибраторы разных этажей будут питаться токами разных ампли- туд и фаз. Все это искажает диаграмму направленности. Поэтому та- кие антенны могут применяться в узком диапазоне волн

для двухэтажной; для четырехэтажной).

Для того чтобы получить остронаправленную диапазонную антен- ну, необходимо обеспечить без перестройки элементов антенно- фидерной системы постоянство направления максимального излуче- ния, а по возможности и всю диаграмму направленности при измене- нии длины волны. Это может быть успешно решено, если во всей ан- тенной системе создать режим бегущих волн. К такому типу антенн относится ромбическая антенна, изображенная на рис. 1.23. Она со- стоит из четырех горизонтальных проводов 1-4, образующих стороны ромба. Генератор подключается к проводам 1 и 3 с помощью фидера, волновое сопротивление которого равно волновому сопротивлению _{антенны} Концы проводов 2 и 4 замкнуты на активное сопротивление, также равное волновому. Таким образом, во всей антенной системе создается режим бегущих волн.

Каждый провод антенны создает излучение, максимум которого направлен под угломк проводу. Если острый угол ромба равен

то основные лепестки (а₁, а₂, а₃, а₄) диаграммы направленно- стив сех четырех проводов совпадают по форме и направлению. При этом максимум излучения совпадает с направлением большой диаго- нали ромба.

При достаточно большой длине провода изменение дли-

ны волны существенно не изменяет угол следовательно, на-

правление максимального излучения ромбической антенны сохра- няется постоянным в широком диапазоне волн. Рабочий диапазон волн ромбической антенны составляет Для перекрытия

всего диапазона коротких волн достаточно иметь две ромбические антенны.

Ромбические антенны находят широкое применение на приемных и передающих коротковолновых радиоцентрах, так как они без регулировок и настроек работают в очень широком диапазоне радиоволн, просты по конструкции и имеют достаточно высокую направленность. Их основными недостатками следует считать большое число, высокий уровень боковых лепестков и сравнительно большую площадь, занимаемую антенной, что приводит для крупных радиоцентров к увеличению занимаемой ими площади.

Для снижения стоимости ромбических антенн было предложено В. С. Школьниковым и Ю. А. Митягиным уменьшить число мачт с четырех до двух. Для этого, в отличие от обычных ромбических антенн, их острые углы опускаются До нескольких метров над землей. В острых углах дорогостоящие мачты заменится столбами высотой 5 ... 6 м (рис. 4.16).

Недостатком ромбической антенны является сравнительно низкий КПД, обусловленный тем, что часть энергии, поступающей от пере- датчика, поглощается в сопротивлении нагрузки и не расходуется на излучение, а диаграмма направленности характеризуется довольно большими боковыми лепестками (Ь, -Ь₄ на рис. 1.23).

В коротковолновом диапазоне волн часто для передачи и приема используют вертикальные симметричные и несимметричные вибраторы. Дело в том, что проволочные антенны просты и имеют малую стоимость, но усложняют работу грузовых стрел и портальных кранов. Деформация судовых мачт в штормовых условиях, неисправность такелажа и т. п. могут привести к повреждению антенны. Изоляторы антенны подвержены загрязнению продуктами дымогарных газов, покрытию солями, гололедом и пр. В результате из-за утечки энергий через изоляторы излучаемая мощность падает.

Свободны от этих недостатков антенны-мачты, особенно в тех случаях,, когда все металлические излучающие части антенны и линии передачи, подводящие к «ним энергию, заключены в ствол (оболочку) из диэлектрического. материала. Таким материалом, обладающим большой механической прочностью, высокой коррозионной стойкостью, незначительным водопоглощением и поверхностью с хорошими гидрофобными свойствами (не смачиваемой водой), является стеклопластик.

Из-за полной осевой симметрии вертикальные вибраторы имеют круговую диаграмму в горизонтальной плоскости. В вертикальной плоскости диаграмма направленности при той же высоте подвеса сильнее «прижата» к земле, чем диаграмма горизонтального вибратора.

Вертикальные вибраторы создают в пространстве вертикально поляризованную волну, распространяющуюся не только пространственной (ионосферной), но и поверхностной волной, т. е. волной, распространяющейся вдоль земли, обеспечивающей связь с близкорасположенными корреспондентами. Следует отметить, что прием на вертикальный вибратор нз-за прихода поверхностной волны искажается местными помехами, приходящими к вибратору в виде поверхностных волн. Кроме того, у вертикальных вибраторов потери в земной поверхности больше, чем у горизонтальных.

В качестве аварийных антенн иногда применяют пневматические вертикальные антенны, токонесущая часть которых представляет собой несколько соединенных между собой проводов, расположенных по образующим длинного надувного цилиндра. Нижняя часть цилиндра свободна от проводов и выполняет функции опорного изолятора. Наполнение баллона осуществляется за несколько минут воздуходувкой.

В принципе любая простая антенна вертикальной поляризации обладает круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. Это качество считается достоинством или недостатком в зависимости от назначения антенны. Радиоприем посредством кругового излучателя вертикальной поляризации всегда сопровождается более высоким уровнем местных и атмосферных помех, чем прием через сравнимую горизонтально поляризованную антенну. Ясно также, что для приема с круговой направленностью требуется приемник, обладающий высокой избирательностью при минимальной перекрестной модуляции. Однако горизонтальная круговая диаграмма гарантирует: ни одно из направлений не окажется «обделенным», что почти всегда случается при горизонтально поляризованных антеннах. Можно заранее утверждать, что вертикально поляризованный излучатель с правильно заданными параметрами способен служить отличной приемной или передающей антенной дальней связи.

Антенне с вертикальным проводником требуется очень мало места. И без того низкое ветровое сопротивление становится минимальным, если применять антенну, сужающуюся к верхнему концу.

Вертикальному излучателю очень опасны молнии. Для уверенного приема и почти горизонтального излучения самое важное - обеспечить первоклассное высокочастотное заземление (не путать с надежным грозозащитным заземлением). Предельно упрощая действительную ситуацию, можно сказать, что проблемы горизонтально поляризованного излучателя решаются над землей; иначе говоря, излучатель тем лучше, чем выше проложен его проводник. Напротив, успешность вертикально поляризованного излучателя «кроется» на или в земле, поскольку качество излучателя в первую очередь определяется проводимостью грунта.

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости отвесного излучателя над землей отличается малым углом возвышения, что крайне желательно для дальнего радиообмена. Однако при этом предполагается, что антенна установлена непосредственно на хорошо проводящем грунте или что его проводимость улучшена благодаря соответствующей сети заземления или с помощью противовесов. Графики на рис. 19.11 демонстрируют, насколько недостаточная проводимость земной поверхности отрицательно влияет не только на КПД антенной системы при отвесном положении излучателя, но и на его вертикальную диаграмму направленности, вызывая рост угла возвышения. Идеальный случай представлен кривой 1, когда угол возвышения теоретически равен 0. На практике этот случай нереализуем, поскольку предполагает идеальную проводимость грунта на высоких частотах. Кривая 2 относится к ситуации, когда четвертьволновый штырь установлен на плохо проводящем грунте. Из-за больших потерь в земле КПД антенны явно ниже 50% даже в максимуме, где угол возвышения возрастает до 30°. Кривая 3 описывает положение, реализуемое при хорошей проводимости грунта, когда КПД достигает 65%, а угол возвышения в максимуме составляет 20-25°. Подобные диаграммы имеют место, только если вход излучателя находится непосредственно на грунте. При подъеме входа антенны над грунтом на диаграмме появляются различные боковые лепестки.

Рис. 19.11. Вертикальные диаграммы отвесных четвертьволновых излучателей в зависимости от проводимости грунта на высокой частоте

На вертикальные диаграммы отвесных излучателей существенно влияет их длина / (высота), приведенная к рабочей длине волны . Отметим, что необязательно выбирать геометрическую длину излучателя так, чтобы выполнялись условия собственного резонанса. Механическая длина штыря может быть совершенно произвольной, лишь бы обеспечивался электрический резонанс ( /4, /2 З /4 и т.д.) с помощью таких дискретных схемных элементов, как удлиняющие катушки или укорачивающие конденсаторы. Эту возможность широко используют на практике.

На рис. 19.12. представлены примеры вертикальных диаграмм отвесных излучателей различной длины, установленных прямо на грунте средней проводимости. У четвертьволнового излучателя вертикальная ширина диаграммы по половинной мощности составляет около 45°, а угол возвышения максимума близок к 30° (рис. 19.12а). Ширина диаграммы штыря длиной З /8 сужается до 32°, угол возвышения ее максимума убывает до 23° (рис. 19.126). Еще благоприятнее ширина 30° и угол возвышения 17° у полуволнового штыря над грунтом (рис. 19.12в). Наилучшими свойствами обладает известный излучатель длиной 5 /8 с шириной 24° и углом возвышения всего 12° (рис. 19.12г). При дальнейшем удлинении излучателя его свойства вновь ухудшаются. Сопоставление вертикальной диаграммы излучения горизонтального полуволнового вибратора (см. рис. 3.12) с вертикальными диаграммами отвесных излучателей (рис. 19.12) явно указывает на преимущества последних для дальней связи по такому параметру, как угол возвышения.

Геометрическую длину излучателя 5 /8 можно считать оптимальной при дальнем радиообмене. С увеличением длины вертикальная диаграмма становится все менее благоприятной для дальней связи из-за быстрого роста угла возвышения главного луча и слишком крутого излучения радиоволн

Рис. 19.12. Вертикальные диаграммы отвесных излучателей различной длины над грунтом средней проводимости

Для подвижной связи с мобильными объектами (судами, катерами) на дальние расстояния (свыше 50 км) используется связь в диапазоне ПВ/KB (1,6 - 30 МГц). Если на базовой KB радиостанции можно применять полноразмерные антенные устройства, которые в диапазоне KB занимают достаточно много места, то на мобильном объекте габариты антенны весьма ограничены. Поэтому на мобильные объекты устанавливаются укороченные KB антенны. Как правило, применяется «укороченная» вертикальная штыревая антенна, которая обладает наименьшими габаритами и весом. Термин «укороченная» в данном случае означает, что длина этой антенны значительно меньше четверти длины рабочей волны радиостанции. В самом деле, при рабочей частоте F = 4, 0 МГц длина волны составляет = 75 метров. Полноразмерная штыревая антенна для этой частоты имеет длину h= /4 = 18,75 м.

Понятно, что антенну такой длины разместить довольно сложно. Поэтому в обычно применяются штыревые антенны длиной не более 10 м и не менее 2,0 м. Самый распространенные размеры антенн – 2,4-8,8 м. Это (2,4 м) соответствует полноразмерной четвертьволновой антенне для частоте 30 МГц и составляет всего 0,05 часттей длины полноразмерной антенны на частоте 1,8 МГц, которая составляет 41 м. Как же меняются характеристики антенны при таком укорочении? Рассмотрим пример укорочения антенны для частоты F=4,0 МГц. На этой частоте антенна длиной 2,4 м составляет всего 0,128 часть от полноразмерной четвертьволновой антенны.

Из рисунка видно, что при укорочении антенны значительно уменьшается максимальный ток антенны I₀, а также площадь тока (заштрихованная зона), величина которой, влияет на характеристику излучения антенны, чем площадь тока больше, тем выше эффективность антенны. Укорочение антенны можно представить так, как будто полноразмерная антенна работает только своим кончиком, равным по длине укороченной антенне.

Такая укороченная антенна, уже не настроена в резонанс на рабочей длине волны, поэтому возникает рассогласование выходного тракта радиостанции с антенной. Мощность, отдаваемая радиостанцией в антенну, практически не излучается в пространство, а возвращается (отражается от антенны) обратно в радиостанцию, что приводит не только к отсутствию радиосвязи, но и к выходу из строя выходного каскада передатчика радиостанции.

Для того чтобы устранить это рассогласование, в профессиональных системах связи применяется антенное согласующее устройство - выносной антенный тюнер. Антенный тюнер предназначен для согласования выходного тракта передатчика радиостанции с антенной на всех рабочих частотах. Как правило, профессиональная KB радиостанция имеет штатный выносной автоматический антенный тюнер. Так, для радиостанции SYSTEM-600 фирмы Vertex Standard применяется тюнер FC-800.

Если укороченную антенну подключить к радиостанции через антенный тюнер, то условие согласования антенны с радиостанцией будет соблюдено. Радиостанция уже не будет выходить из строя из-за ненастроенной антенны, но эффективность работы антенны будет мала, потому что токи в антенне останутся ограниченными, Мощность, подводимая к антенне, будет составлять малую часть от мощности, выделяемой радиостанцией. Основная часть мощности будет гаситься в антенном тюнере, как плата за согласование.

Самый действенный способ повысить эффективность антенны, это настроить с помощью дополнительных средств сам штырь антенны на рабочую частоту. Однако, надо помнить, что с помощью этих средств нельзя повысить эффективность антенны до эффективности полноразмерной четвертьволновой антенны. Можно лишь в некоторых пределах улучшить КПД укороченной антенны.

Способов настройки несколько. Вот они.

1. Катушка индуктивности в основании штыря.

2. Катушка индуктивности в середине штыря.

3. Спиральная антенна с равномерной намоткой

4. Спиральная антенна с неравномерной намоткой.

1. Катушка индуктивности в основании антенного штыря. Рис 2б

Настройка укороченной антенны на рабочую частоту с помощью катушки индуктивности в основании антенны широко распространена. Катушка находится на уровне наибольшего тока антенны, поэтому ее влияние на настройку антенны максимально - можно использовать катушку меньшего размера, хотя приходится несколько увеличивать диаметр провода катушки. Конструкция наиболее механически прочна, т.к. тяжелая катушка находится в самой низкой точке антенны. Но главный недостаток состоит в том, что площадь тока увеличивается незначительно, (практически не увеличивается), по сравнению с антенной, настраиваемой с помощью тюнера. Такое применение катушки оправдано только тем, что оно может помочь тюнеру в настройке на более низкие частоты. КПД антенны при этом, практически, не увеличивается.

2. Катушка в середине штыря.

Катушка, установленная в середине штыря, наиболее эффективна. Конструкция обладает достаточной механической прочностью. Из-за установки катушки в области малых токов влияние катушки меньше, чем при ее расположении в основании антенны, поэтому приходится увеличивать количество витков катушки, хотя можно использовать более тонкий провод. Площадь тока увеличивается значительно, что максимально повышает КПД антенны.

КПД без катушки индуктивности равен 3,9%, с катушкой – 33,47%, т.е катушка дает выигрыш более чем в 8 раз.

3. Катушка на вершине штыря.

На практике никогда не применяется.

Спиральная антенна с равномерной намоткой.

Эта антенна несколько отличается по конструкции от простой штыревой антенны. Здесь уже нет металлического штыря, вместо него используется стеклопластиковый стержень или трубка, на которую наматывается обычный провод с некоторым шагом, так чтобы индуктивность этой получившейся «растянутой» катушки обеспечила настройку на рабочую частоту. В результате конструкция получается чрезвычайно прочная и легкая. Благодаря тому, что катушка как-бы распределена по всей длине антенны, распределение тока вдоль антенны получается линейным. Но площадь тока при этом увеличивается средне. Применяется не часто.

2. Спиральная антенна с неравномерной намоткой.

Совсем другой эффект дает неравномерная намотка спиральной антенны. Уменьшение шага намотки в одном месте ближе к вершине антенны дает максимальное увеличение площади тока антенны, и, как следствие, максимальное повышение эффективности излучения.

Усовершенствование предыдущей конструкции - добавление на вершине спиральной антенны легкого металлического штыря с возможностью его настройки путем укорочения. Штырь фиксируется в нужном положении специальным упорным винтом. Это дает возможность в реальных условиях оперативно подстроить антенну в некоторых пределах на нужную верхнюю рабочую частоту. Конструкция остается легкой и прочной с максимальным увеличением площади тока.

Некоторое время назад компания Moonraker выполнила морские испытания для сравнения влияния физической длины антенны и ее нагрузки при работе в диапазоне КВ. Испытания проводились по чистой воде на судне, пришвартованном носом и кормой. Мощность сигнала поверхностной волны была измерена на расстоянии в 1 навигационную милю (1.852 км), используя ненагруженные (без настроечной катушки) 1/4 волновые штыревые KB антенны Moonraker. Сигналы были измерены на 2.284, 4.1343, 6.2062, 7.697 и 13.3995 МГц.

Длина Антенны

Используя ненагруженную 3.65m/12ft антенну (12 серии) в качестве эталона, было измерено увеличение мощности сигнала и определено, какого уровня достигает увеличение сигнала в децибелах при увеличении длины антенны, используя антенны 4.6m/15ft (15 серия), 5.5m/18ft (18 серия), 6.7m/22ft (22W) или 8.8m/29ft (29W). Результаты показывают, что любое дополнительное увеличение в длине является заслуживающим внимания, особенно на более низких частотах. При работе на 6.206 МГц увеличение почти на 5 децибелов может быть достигнуто только, при длине антенны 6.7m/22ft или 8.8m/29ft

Для получения диаграммы направленности с одним главным на- правлением излучения или приема рассмотрим систему, состоящую их двух вибраторов 1 и 2, удаленных друг от друга на расстояние , токи в которых равны по амплитуде, а фазы сдвинуты отно- сительно друг друга на 90° (рис. 1.24, а) так, что ток вибратора 2 опе- режает ток вибратора 1. Следовательно, в любой момент около виб-

ратора 2 формируется поле E2, опережающее по фазе на 90° поле E1, излученное вибратором 1. За время прохождения полем E2 рас- стояния от вибратора 2 до вибратора 1 произойдет отстава- ние по фазе на угол 90°. Имевшееся опережение по фазе окажется скомпенсированным, и около вибратора 1 поля E1 и E2 обоих излуча- телей будут иметь одинаковые фазы. Таким образом, в направлении вибратора 1 будет распространяться волна с удвоенной напряженно- стью поля (левая векторная диаграмма на рис. 1.24, а).

При распространении в направлении вибратора 2 поле E1 вибра- тора 1, пройдя путь до вибратора 2, получит отставание по фазе на угол 90° и окажется в противофазе с полем E2 вибратора 2

Здесь поля взаимно компенсируются, и излу- чения в этом направлении не будет (правая векторная диаграмма на рис. 1.24, а). В рассмотренной системе вибратор 2 является отража- телем и называется рефлектором или зеркалом. Рефлектор, кото- рый питается непосредственно от генератора, называется активным рефлектором.

Для упрощения конструкции антенн вибратор 2 часто выполняется пассивным. К нему не подводят питания. Пассивный вибратор возбу- ждается в этом случае полем активного вибратора. Рассмотрим, на- пример, систему, состоящую из активного вибратора 1 и пассивного вибратора 2 (см. рис. 1.24, б). Предположим, что в вибраторе 1 гене- ратором возбуждается ток Л. В вибраторе, как и в разомкнутой на конце линии с малыми потерями, устанавливается режим стоячей волны, при котором напряжение U1 отстает от тока I1 на угол, близ-

кий к 90° (векторная диаграмма на рис. 1.24, б). Напряжение U1 соз- дает около вибратора 1 поле Е1 , совпадающее с ним по фазе. При распространении поля Е1 до пассивного вибратора 2 произойдет за- паздывание фазы поля на угол 90° и поле у вибратора 2 - E12 будет отставать по фазе от тока 11 на 180°. Поле Е12 в вибраторе 2 наведет ЭДС е2, совпадающую по фазе с Е12.

Пассивный вибратор 2 должен иметь плечо т.е. общую

длину, несколько большую Реактивное сопротивление такого

вибратора имеет индуктивный характер, и ток 12, обусловленный ЭДС е2, будет отставать от нее на угол, близкий к 90°. В результате ток I2 пассивного вибратора 2 оказывается отстающим от тока I1 активного вибратора 1 на угол, близкий к 270°, что эквивалентно опережению на 90°. Пассивный вибратор с длиной в рассматриваемой сис-

теме ведет себя как пассивный рефлектор.

Если пассивный вибратор взять короче (см. рис. 1.24, в), то его реактивное сопротивление будет иметь емкостный характер. Те- перь ток I2 будет опережать ток I1 на угол, близкий к 90°. Максимум излучения будет направлен в сторону пассивного вибратора 2. За ак- тивным вибратором поле будет ослаблено. Такой пассивный вибра- тор называется директором.

Отметим, что антенны, использующие вышеописанный принцип, широко применяются и в диапазоне метровых волн.

Установка антенн на судне

При установке КВ-антенн на возвышениях (мачтах, трубах, высоких надстройках) необходимо учитывать, что в этом случае форма их диаграмм направленности в вертикальной плоскости будет зависеть от размеров и конфигурации «подставки». Поэтому антенны, предназначенные для работы в высокочастотной части КВ-диапазона, следует размещать на невысоких надстройках, чтобы их диаграмма направленности в вертикальной плоскости имела один лепесток, прижатый к земле.

Зачастую штыревые КВ антенны пытаются установить на судне как можно выше. Если для антенн УКВ диапазона это оправдано, т.к. увеличивает дальность связи, то для антенн КВ диапазона это условие не является необходимым. И дело не только в том, что антенна, по требованиям Российского Речного регистра, не должна быть выше верхней точки мачты, а еще и в том, что штыревая антенна КВ диапазона лучше работает, когда установлена как можно ближе к земле или к поверхности воды. Поэтому более подходящим для такой антенны будет место не на мачте, и возможно даже не на крыше рубки, а где-то еще ниже на борту судна, лишь бы ее не заливала вода. Нужно сказать, что вертикальная штыревая антенна очень хорошо обеспечивает связь на дальних и средних дистанциях (более 400 км). Для обеспечения связи на ближних расстояниях (от 50 до 400 км) необходимо устанавливать штыревую антенну под углом к горизонту (70°), и желательно использовать в качестве базовой антенну зенитного излучения.

В этом отношении заслуживают внимание штыревые антенны с отдельно наклоняемой верхней частью. Такую антенну не надо устанавливать полностью наклонно, т.к. наличие радиоволны с горизонтальной поляризацией обеспечивает горизонтальная верхняя часть антенны, которую при необходимости можно поднять и вертикально, что обеспечит улучшение связи на дальних расстояниях.

Характер влияния металлических конструкций на характеристики судовых антенн зависит от диапазона рабочих частот антенны.

На параметры судовых антенн, работающих в диапазоне частот до 2 МГц, оказывают вредное влияние в основном крупные металлические конструкции, такие как надстройки и трубы, в направлении которых и наблюдается некоторый провал диаграмм направленности. Влияние окружающих металлических масс на входное сопротивление этих антенн проявляется в увеличении их статической емкости и падении сопротивления излучения.

Начиная приблизительно с 2 МГц, на параметры судовых антенн оказывают вредное влияние не только мачты и надстройки, но и весь металлический такелаж, имеющийся па судне. Это влияние усиливается с ростом частоты. При этом одна и та же антенна на разных частотах КВ-диапазона имеет отличные друг от друга диаграммы направленности с провалами в различных направлениях. В высокочастотной части КВ-диапазона диаграммы направленности имеют многолепестковый характер, что объясняется большим влиянием корпуса судна, мачт, надстройки, трубы, а также других антенн. Это является основной причиной, приводящей к снижению эффективности и надежности дальней морской радиосвязи.

С понижением частоты заметнее становится преобладающее влияние наиболее крупных металлических масс, таких как надстройки, трубы и мачты.

Диаграмма направленности наклонной антенны в горизонтальной плоскости отличается от круговой. Она получается вытянутой в сторону наклона и тем больше, чем больше угол наклона антенны. Поэтому угол наклона лучевых антенн к горизонту должен быть не менее 65—70°.

Передающие антенны рекомендуется группировать в районе верхнего мостика судна (в непосредственной близости от радиорубки), а приемные — на максимально возможном удалении от передающих антенн в районе носовых (или кормовых) сооружений.

Горизонтальное полотно главной проволочной антенны обычно располагается между судовыми мачтами. Снижение антенны необходимо выполнять таким образом, чтобы оно было максимально удалено от металлических мачт, но не менее чем на 5—8 м.

Антенны метровых, дециметровых и сантиметровых волн.

В диапазоне УКВ используются преимущественно антенны, обла- дающие направленными свойствами хотя бы в одной плоскости. При малой длине волны такие антенны получаются достаточно компакт- ными, что дает возможность, не встречая больших технических труд- ностей, делать их вращающимися. Благодаря этому имеется возмож- ность, получая большой выигрыш в мощности и уменьшая взаимные помехи радиостанций, осуществлять связь по любым желаемым на- правлениям.

Антенны указанных диапазонов можно разделить на две группы: вибраторные и поверхностные. В диапазоне метровых волн наиболее часто используются различные симметричные и несимметричные вибраторы.

Рассмотрим в качестве примера некоторые типы антенн.

Самой простой приемной антенной является ди- польная антенна (линейный полуволновой вибратор) (рис. 1.25, а), а наиболее удобным в конструктивном отношении - петлевой вибра- тор Пистолькорса (см. рис. 1.25, б). Этот петлевой вибратор можно рассматривать как два полуволновых синфазных вибратора, распо-

ложенных на малом расстоянии друг от друга. В точке "с" вибратора располагаются пучность тока и узел напряжения, что соответствует режиму короткого замыкания. В точках b и d, отстоящих от с на образуются узел тока и пучность напряжения. На зажимах антенны а и е возникает пучность тока. Наличие узла напряжения в точке с позволяет крепить вибратор в этой точке к стреле или мачте непо- средственно без изоляторов.

Описанные антенны обычно могут обеспечить качественный прием а сравнительно небольших расстояниях , так как они являются слабонаправленными (см. рис. 1.25, в). Для приема на больших расстояниях или при неудовлетворительных условиях приема на малых расстояниях применяются более сложные антенны, имеющие лучшую направленность.

В диапазоне метровых волн в качестве направленных антенн большое распространение получили антенны типа «волновой канал». Антенна «волновой канал» (рис. 1.26) состоит из активного вибратора А, рефлектора Р и нескольких директоров Д1, Д2, ДЗ. Из приведенной на рис. 1.26, б диаграммы направленности видно, что коэффициент усиления этой антенны довольно высок и она не будет реагировать на помехи с других направлений. Принцип действия рефлектора и ди- ректора рассмотрен нами выше.

Антенна типа «волновой канал» может работать и как передающая антенна. Активный вибратор А в этом случае излучает электромаг- нитное поле как в направлении рефлектора, так и в направлении ди- ректоров. Под воздействием этого поля в рефлекторе наводится ток, который создает вторичное поле - поле излучения рефлектора. Если длину рефлектора выбрать равной а расстояние между

рефлектором и активным вибратором то вторичное по-

ле, созданное рефлектором, будет опережать по фазе поле активного вибратора на угол около 90°. Результирующее поле за рефлектором будет равно разности напряженностей полей, созданных активным вибратором и рефлектором. В главном направлении – направлении

директоров и далее - поля от активного вибратора и рефлектора бу- дут складываться в одной фазе и результирующее поле увеличится. В реальной антенне опережение фазы тока в рефлекторе несколько отличается от 90°, а амплитуда тока в рефлекторе несколько меньше, чем в активном вибраторе. Поэтому некоторая часть энергии излуча- ется антенной за рефлектор.

Директоры антенны возбуждаются результирующим полем актив- ного вибратора и рефлектора. Для того чтобы вторичное поле дирек- торов повышало напряженность поля в главном направлении, наве- денные в них токи должны отставать по фазе от тока активного виб- ратора. Это достигается соответствующим выбором длин директоров и их взаимным расположением. Длины директоров выбирают равны- ми . Расстояние между директорами и первым директо- ром и активным вибратором выбирают С уменьшением расстояний между активными и пассивными вибраторами ток в пас- сивных вибраторах увеличивается, но при этом за счет влияния по- следних сильно уменьшается входное сопротивление активного виб- ратора. Для облегчения согласования антенны с фидером активный вибратор часто выполняют петлевым.

Установка антенн на судне

На параметры УКВ-антенн, обычно устанавливаемых высоко на мачтах, основное влияние оказывают сами мачты и расположенные вблизи предметы, которые находятся примерно в пределах десяти длин волн от возможного расположения антенн.

При размещении УКВ-антенн на мачтах необходимо учитывать следующее:

1. УКВ-антенны рекомендуется устанавливать на вершине и реях судовых мачт, на небольших мачтах, расположенных на площадках антенн РЛС, па верхнем мостике судна, на грузовых колонках. Во всех случаях желательно выбирать наиболее высокое место судна, конструктивно подходящее для установки антенны.

2. Если на одной мачте необходимо устанавливать две УКВ-антенны (например, от двух судовых радиостанций), то для уменьшения взаимного влияния между радиостанциями антенны следует располагать коллинеарно, с разносом по вертикали не менее чем на 2—3 м.

3. При установке УКВ-антенны на реях металлической мачты ее влияние на антенну проявляется в образовании в горизонтальной плоскости многолепестковой диаграммы направленности, форма которой зависит от расстояния между антенной и мачтой. Число лепестков в диаграмме равно числу четвертей длин волн, укладывающихся по прямой между антенной и мачтой.

При расстоянии от антенны до мачты d/ — 0,25 диаграмма направленности антенны получается однолепестковой, ориентированной в направлении, противоположном мачте (0°); при расстоянии d/ = 0,5 диаграмма направленности антенны получается вытянутой в боковых направлениях (90—270°), при d/ =0,75— трехлепестковой и т. д. По мере дальнейшего увеличения разноса число лепестков в диаграмме возрастает, но глубина провалов становится меньше и форма диаграммы направленности антенны постепенно приближается к круговой.

4. При выборе места установки УКВ-антенн исходят из конструктивных возможностей и характера получаемых диаграмм направленности:

а) при малых диаметрах мачт (D/ <0,1) разнос, равный 0,75 (1,5 м), является минимально допустимым с точки зрения обеспечения достаточно равномерного излучения во всех направлениях;

б) при больших диаметрах мачт (D/ >0,1) для обеспечения достаточно равномерного излучения разнос рекомендуется брать не менее 1,25 , (2,5 м);

в) для получения однонаправленной диаграммы расстояние между антенной и мачтой следует брать равным 0,25 .

5. Глубина провалов в диаграмме направленности антенны возрастает по мере увеличения диаметра мачты (D). Эта зависимость особенно сильна при изменении D от 0,1 до 0,5 .

В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн широко приме- няется антенна в виде рупора. Простейшей рупорной антенной явля- ется открытый конец металлической трубы прямоугольного или круг- лого сечения, так называемого волновода. Излучающая часть антен- ны называется раскрывом антенны. Отверстие волновода можно рассматривать как многовибраторную антенну, образованную из большого числа элементарных излучателей. Но такая антенна имеет ряд недостатков. Резкое изменение условий распространения на от- крытом конце волновода приводит к значительному отражению

Кроме того, в раскрыве имеет место огибание излученными волнами краев конца волновода, что ухудшает направленные свойства антенны. Для уменьшения отражений и улучшения направленных свойств ко- нец волновода выполняют в виде рупора (рис. 1.28).

Направленность рупорной антенны увеличивается с ростом пло- щади раскрыва рупора. В качестве самостоятельных антенн рупоры при- меняются редко, но часто входят в конструкцию многих более сложных антенн. Одной из них является зер- кальная параболическая рефлектор- ная антенна (рис. 1.29). В ней роль отражателя выполняет металлическое зеркало, имеющее форму параболоида вращения или параболического цилиндра. При этом антенна излучает почти параллельный пучок лучей. Коэффициент на правленного действия таких антенн очень высок и достигает 10⁴.

Недостаток рассмотренной антенны состоит в том, что часть энер- гии, отраженной от зеркала, попадает обратно через рупор в волно- вод. Это снижает эффективность передачи энергии и приводит к ис- кажениям передаваемого сигнала. От этого недостатка свободна рупорно-параболическая антенна (рис. 1.30).

Из волновода 1 высокочастотная энергия поступает в пирами- дальный рупор 2, являющийся облучателем сегмента параболоида вращения 3. Излученные антенной волны получаются плоскими, так как фазовый центр рупора, расположенный в его вершине, находится в фокусе параболоида. Для хорошего согласования рупора с волно- водом угол раскрыва выбирается равным 30...40°, а длина рупора Коэффициент усиления антенны растет с возрастанием пло- щади раскрыва антенны S. При площади раскрыва 6...8 м² коэффи- циент усиления равен 10⁴. В этом случае ширина диаграммы направ- ленности равна примерно 2° как в горизонтальной, так и в вертикаль- ной плоскостях.

Разновидностью зеркальных антенн являются перископические антенны (рис. 1.31), позволяющие при помощи зеркал передавать вы- сокочастотную энергию на вершину башни без линии или волновода. Поступающая от передатчика энергия излучается рупорной антенной в сторону эллипсоидального зеркала 3, расположенного у подножия

мачты под углом 45° к горизонту. Зеркало отражает падающие на него волны перпендикулярно вверх на плоское зеркало, установленное на вершине мачты также под углом 45°. Вторым зеркалом волны отра- жаются в нужном направлении. Коэффициент полезного действия передачи энергии в перископической антенне - порядка 50 %, что выше, чем если бы энергия подавалась наверх по волноводу.

РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ ЛИНИИ

Как уже указывалось дальность распространения ра- диоволн микроволновых диапазонов вдоль земной поверхности, как и дальность световой сигнализации, ограничена пределами геометрической видимости между пунктами расположения пере- дающей и приемной антенн; дифракция лишь не- много увеличивает эту дальность. Поскольку, только в этих диапазонах возможна передача больших потоков информации с шириной частотных спектров в мегагерцы и десятки мегагерц, получили развитие системы радиосвязи с последовательными ретрансляциями передаваемых сигналов РАДИОРЕЛЕЙНОЙ связи. Радиосигналы, принятые в пределах геометрической видимости каждой из станций, например С, на рис. 5.1, усиливаются, а при необходимости проходят и иную дополни-

тельную обработку и передаются к станции С₂ от которой затем они передаются к С₃ и т. д. Одновременно идут и сигналы с проти- воположного направления.

Ограничение дальности распространения волн можно счи- тать недостатком микроволновых диапазонов, так как усложняет систему радиосвязи на больших расстояниях; но с другой точки зрения оно оказывается достоинством, так как позволяет приме- нять одни и те же частоты на пространственно разнесенных участ- ках территории, где благодаря относительной взаимной отдален- ности этих участков взаимные помехи не проявляются.

Рис.5.1

Радиорелейные линии связи (РРЛ), как и коаксиальные и во- локонно-оптические кабельные магистрали, служат для многока- нальной передачи сотен и тысяч телефонных сообщений, ряда телевизионных программ, высокоскоростной передачи данных в буквенно-цифровой форме от многих корреспондентов и др.

К числу относительных преимуществ РРЛ по сравнению с подземными кабелями относятся:

• техническая реализуемость и экономическая целесообраз- ность прокладки этих линий связи в местах с повышенной сложно- стью и стоимостью работ по подземной и подводной прокладке кабелей;

• меньшая вероятность повреждений, а также меньшие трудности их обнаружения и исправления;

• возможность ответвления и ввода информации без более сложных работ, требующих вскрытия подземных кабельных линий.

Очевидный недостаток РРЛ по сравнению с кабелями, как и недостаток радиосвязи вообще, - открытое распространение волн в окружающем пространстве и открытое расположение всех техни-

ческих сооружений. Это обстоятельство может увеличивать воз- можность повреждения технических средств в некоторых ситуаци- ях, а также снижает защищенность передаваемой информации от перехвата.

Состав оборудования РРЛ

Типичная структурная схема радиорелейной связи изобра- жена в упрощенном виде на рис.5.2; здесь М и N - оконечные пункты, между которыми устанавливается многоканальная связь через промежуточные станции ПС. Сигналы на ПС принимаются приемниками ПР и передаются далее через передатчики ПД; А - передающие и приемные антенны. На схеме показаны только три промежуточные станции ПС1-ПСЗ, тогда как на действующих РРЛ их число может составлять 10...20 и более. На отдельных станциях, обычно называемых узловыми, возможно выделение и ответвление части каналов связи, как это на рис.5.2 показано для станции ПСЗ; соответственно в состав оборудования этих станций вводится аппаратура выделения каналов АВ. Эта аппаратура по- зволяет также вводить новые каналы, которые могут быть направ- лены в обе стороны от ПСЗ. В частности выделение телевизион- ного канала позволяет осуществлять затем телевизионную пере- дачу через передатчик, расположенный в населенном пункте на трассе радиорелейной линии.

ОС1 и ОС2 - оконечные станции. В состав этих станций по- мимо передатчика ПД и приемника ПР входят интерфейсы ИФ, связывающие их с внешними средствами связи; в данном случае - через АТС с телефонными сетями ТС, а также с телецентрами ТЦ.

В интерфейсе групповые сигналы телефонных абонентов и спектры телевизионных программ в рассматриваемом примере уплотняются в единый многоканальный спектр, т. е. ИФ представ- ляет собой аппаратуру уплотнения (АУ).

Передатчик ПД оконечной станции ОС1 излучает через ан- тенну А модулированной сигнал со средней частотой f-,. На проме- жуточной станции ПС1 этот сигнал принимается приемником ПР, усиливается, преобразуется и излучается через антенну передат- чика ПД с другой частотой f₂. Различие частот устраняет возмож- ность вредного воздействия мощного сигнала передатчика на при- емник той же станции. На следующей промежуточной станции ПС2 приемник ПР настраивается на частоту f₂, а передатчик может из- лучать сигнал с частотой f_1t поскольку действие передатчика стан- ции ОС1 в районе действия ПС2 и передатчика ПС2 в районе дей- ствия ПС1 уже не проявляется.

В отдельных случаях волны могут распространяться не только на расстояние прямой видимости, но и на большее рас- стояние. Это приводит к нежелательным последствиям, если стан- ция будет принимать сигнал одинаковой частоты не только со сто- роны смежного участка, но и от передатчика одной из более отда- ленных станций. Интерференция сигналов в таких случаях может приводить к искажениям принимаемых сообщений. Чтобы избе- жать помех этого рода прибегают к зигзагообразному расположе- нию участков линий подобно тому, как это показано на рис.5.3. Излучение от передатчика станции ПС1 на частоте f₁ минует стан- цию ПС4 и уйдет в направлении Х1; излучение от передатчика станции ПС4 на частоте f₂ уйдет в направлении Х2 и минует стан- цию ПС1 и т.д.

Для передачи в одном направлении двух или более телеви- зионных программ и больших потоков другой информации на каж- дой станции устанавливается по несколько передающих и прием- ных комплектов аппаратуры, работающих в разных частотных ка- налах. Совокупность оборудования, обеспечивающего связь в каждом направлении по одному радиочастотному каналу, назы- вается стволом РРЛ.

Аппаратура станций РРЛ размещается в общих помещениях (например, в башнях, на вершине которых монтируется антенна), и обеспечивается общим электрооборудованием, поэтому система из нескольких стволов дешевле, чем несколько отдельных РРЛ. Значительную экономию средств дает также использование еди- ной общей антенны для нескольких стволов. Это возможно пото- му, что ширина пропускаемого частотного спектра - полоса про- пускания антенны - значительно шире полосы пропускания аппа- ратуры одного ствола

Схема оборудования магистрали с четырьмя стволами (их число может быть больше) показана на рис.5.4. Здесь ПР1-ПРЗ - приемники 1-4 стволов, ПД1-ПД4 - соответственно передатчики. Частотные спектры отдельных стволов разделяются с помощью фильтров Ф в волноводах, связывающих аппаратуру с антеннами А через цепи связи ЦС.

На оконечных станциях ОС1 и ОС2 расположенных в пунктах М и N, АУ1 и АУ2 - аппаратура уплотнения в составе соответст- венно передающего и приемного оборудования.

На станциях РРЛ имеется резервное оборудование, на кото- рое переключается нагрузка (проходящие потоки сигналов) при неисправности какого либо из стволов. Кроме того, имеется ком- плект аппаратуры служебной связи для дистанционного управле- ния, автоматического контроля, разного рода сигнализации, опера- тивных переговоров обслуживающего персонала и т.п.

Размещение станций

Расстояние между станциями зависит от высоты, на которой располагаются антенны. Для случая РРЛ, сооружаемой на ровной поверхности, расстояние можно определить из рис.5.5, где R -

средний радиус Земли (R = 6370 км), h1 и h2 - высота располо- жения антенн A1 и A2 на мачтах или башнях. Предполагается, что прямая линия, изображающая траекторию волн и состоящая из отрезков d1 и d₂, почти касается земли.

Если антенны сблизить, то зазор между лучом и землей уве- личится, если же разнести их на большее расстояние, то при той же высоте антенн волны проходить не смогут, как видно из рис. 5.5, а.

Рис.5.5

П рименяя теорему Пифагора и учитывая, что высоты h₁, и h₂ малы в сравнении с радиусом земли R, нетрудно определить расстояние D между антеннами А1 и А2, равное сумме d₁, + d₂:

При этом км. С учетом небольшого огибания

волнами земной поверхности принимают

Здесь D измеряется в километрах, h1 и h₂ - в метрах. Напри- мер, при h1 = h₂ = 25 м получается D = 40 км. Значительное увели- чение высоты башен резко увеличивает их стоимость, поэтому обычно D-40...60 км.

Если между станциями РРЛ имеются возвышенности или го- ры, на которых размещение станций почему-либо затруднительно, либо водные или иные преграды, то их можно обойти, применяя «пассивные ретрансляторы» - металлические отражатели волн в виде щитов площадью 30...40 м². Примеры трасс с одним и двумя отражателями между станциями С1 и С2 представлены на рис.5.6.

Рис.5.6

•Увеличение расстояний между отдельными станциями РРЛ может в ряде случаев достигаться путем размещения их на высо- ких сооружениях, а также на холмах и горных вершинах. В качест- ве одного из путей увеличения расстояний, несколько десятилетий тому назад предлагалось применение аэростатных ретранслято- ров: станция располагалась на высоте нескольких километров на аэростате. Электропитание аппаратуры подавалось по кабелю, совмещенному с тросом, на котором удерживался аэростат. Этот путь не получил практического развития. Фундаментальным реше- нием проблемы связи в микроволновых диапазонах на любых рас- стояниях стало применение спутниковых ретрансляторов.

Выбор и чередование частот в радиорелейной связи

Рис. 5.7

Для РРЛ применяется главным образом диапазон СВЧ - сантиметровые волны. Как уже указывалось выше, для этого вида радиосвязи вполне применимы и диапазоны УВЧ и ОВЧ, однако первый из них на порядок, а второй - на два порядка уже, поэтому резко сокращается частотный ресурс. Напротив, применение бо- лее коротких волн позволило бы занять более широкие полосы частот и соответственно увеличить пропускную способность РРЛ; это позволило бы также уменьшить размеры и стоимость антенн при сохранении острой направленности их действия. Но на волнах короче 5 см усиливается поглощение волн в атмосфере, особенно при осадках. Поэтому линии значительной протяженности работа- ют чаще всего в диапазоне СВЧ; в частности широко используются полосы частот, средние частоты которых - 4 и 6 ГГц

Для каждой РРЛ выделяется полоса частот, от ширины кото- рой зависит пропускная способность линии. Так, например, суще- ствуют системы, для которых в диапазоне 6 ГГц отведена полоса частот шириной в 500 МГц; в этой полосе образуются 16 каналов: в одном направлении восемь и восемь в противоположном, т. е. действуют восемь стволов. Схема распределения частот между каналами для этого примера показана на рис.5.7.

Одно из важных свойств антенн СВЧ, соединяемых с радио- аппаратурой посредством волноводов с прямоугольным попереч- ным сечением, состоит в способности излучать и принимать волны с определенной поляризацией: если волновод, связанный с при- емной антенной, пропускает волны, которые во внешнем про- странстве имеют вертикальную поляризацию, то волны с горизон- тальной поляризацией через этот волновод не пройдут; аналогич- но волновод, пропускающий волны с горизонтальной поляризацией, не пропустит к приемнику вертикально поляризо- ванные волны. Соответственно и волны от радиопередатчика из- лучаются через антенну с поляризацией, зависящей от той, с кото- рой они подводятся к антенне через волновод.

Волны можно подводить к антенне по двум волноводам с взаимно перпендикулярной поляризацией. Волны от передатчи- ка, питающего один волновод, при этом излучаются с горизонталь- ной поляризацией, а от второго передатчика - с вертикальной. При приеме соответственно горизонтально поляризованные волны на- правляются в один волновод, а вертикально поляризованные - в другой. Для уменьшения взаимных помех между соседними по частоте каналами рекомендуется чередовать поляризацию волн каналов. Например, при распределении каналов по схеме рис.5.7 целесообразно чтобы в полосах частот 1А, ЗА, 5А, 7А, 2Б, 4Б, 6Б и 8Б волны имели горизонтальную поляризацию, а в полосах 2А, 4А, 6А, 8А, 1Б, ЗБ, 5Б и 7Б - вертикальную (или наоборот). В этом слу- чае, например, сигнал ствола 5А не будет подвергаться помехам со стороны соседних отводов 4А и 6А не только потому, что их средние частоты сильно отличаются (примерно на 30 МГц в диапа- зоне 6 ГГц), но и потому, что их волны не пройдут в волновод ствола 5А.

Выше уже упоминалось в составе ресурса многоканальных систем радиосвязи разделение каналов по частоте, пространству и времени. Возможность разделения сигналов по поляризации в устройствах СВЧ также расширяет этот ресурс.

Для избежания мешающего воздействия передатчиков на приемники той же станции применяется по возможности большое взаимное разнесение частот передачи и приема каждого ствола

Если, например, в полосе 1А ведется прием, то передачу сигналов того же ствола осуществляют в полосе 1Б; для приема и передачи во втором стволе используют полосы 2А и 2Б и т.д.

Рис. 5.8

На промежуточных станциях РРЛ частоты целесообразно чередовать в соответствии с рис.5.8. Если со стороны ОС1 пере- дача в стволе 1 идет в полосе 1А, то сигналы, принятые в этой по- лосе на промежуточной станции ПС1 передаются в направлении станции ПС2 в полосе 1Б. Со станции ПС2 к станции ПСЗ они

передаются в полосе 1А и т.д. Следовательно, частоты приема и передачи чередуются как на схеме рис.5.3. На каждой станции в каждой полосе работают либо только приемники, либо только передатчики и притом в противоположных направлениях.

Возможность разделения волн по поляризации позволяет использовать единую антенну, как для приема, так и для передачи. В таких РРЛ на каждой промежуточной станция имеются только две антенны: по одной для каждого направления. Такое упрощение на практике делается только при небольшом количестве стволов, позволяющем увеличить разнос частот между ними. Пример стан- ции с четырьмя стволами и двумя антеннами А1 и А2 приведен на рис.5.9.

Рис. 5.9

ПОДВИЖНАЯ РАДИОСВЯЗЬ

Условия подвижной радиосвязи. В соответствии с терми- ном "подвижная радиосвязь", речь идет о связи либо между под- вижными, либо между подвижными и фиксированными объектами. Для оценки значения этого вида радиосвязи следует учитывать, Как уже отмечалось выше, что обмен информацией между абонен- тами сухопутных сетей связи, длительно находящихся в опреде-

ленных и неподвижных пунктах, может быть осуществлен не толь- ко посредством радиоволн; для этой цели служат преимуществен- но подземные кабели и абонентские проводные линии. В то же время электросвязь с неограниченной возможностью перемеще- ния одного или обоих связывающихся абонентов без применения радиоволн практически неосуществима.

Для обширной области применений подвижной радиосвязи типичны транспорт - воздушный, морской, речной, железнодорож- ный, автомобильный и др., а также обслуживание произвольно пе- ремещающихся индивидуальных абонентов, не использующих транспортные средства. В последнем случае, квалифицируемом как персональная радиосвязь, речь идет о портативной или кар- манной радиоаппаратуре.

Условия подвижной радиосвязи по сравнению с фиксиро- ванной отличаются непостоянством и относительной сложно- стью по ряду причин, к которым относятся главным образом следующие:

в зависимости от местных условий распространения радио- волн, передвижение принимающего абонента сопряжено с изме- нением уровня принимаемого сигнала, причем пределы этих изме- нений могут быть очень широки;

при перемещениях принимающей станции в условиях горо- да, пересеченной местности и т.п. на антенну этой станции, поми- мо волн, поступающих непосредственно от передающей станции, могут действовать волны от этой же станции после их отражений от различных зданий и иных объектов. Поскольку расстояния, про- бегаемые этими волнами, неодинаковы, наблюдается так назы- ваемая многолучевость: один и тот же радиосигнал принимается неоднократно с различными сдвигами во времени. Возникающая при этом интерференция волн усиливает непостоянство уровня результирующего сигнала: при совпадении по фазе волны склады- ваются и уровень сигнала возрастает; при противоположности по фазе они взаимно вычитаются и радиосигнал ослабляется. Кроме того, интерференция неблагоприятно влияет на структуру и форму сигнала, несущего сообщение (модулированного сигнала), что приводит к искажениям передаваемых сообщений;

при перемещениях приемника, в особенности непредвиден- ных, он может оказаться в условиях, когда на него действуют вол- ны постороннего происхождения - радиопомехи от разных источ- ников и с соответственно различными свойствами, т. е. непостоян- на "помеховая обстановка". Нестабильность интенсивности и структуры радиопомех может иметь широкие пределы, что за- трудняет приспосабливание (адаптацию) приема к помеховой об-

становке и приводит к ухудшению качества приема передаваемой информации;

в условиях перемещения связывающихся радиостанций за- труднена взаимная ориентация их антенн, необходимая для соз- дания оптимальных условий для приема и передачи информации. Если регулирование направленности антенн возможно, то, как правило, при подвижной связи оно сопряжено со значительным усложнением конструкции оборудования. В то же время при ра- диосвязи между фиксированными объектами применение на ра- диостанциях антенн, направленных желательным образом, широко применяется и не представляет существенных трудностей;

на крупных движущихся объектах и тем более в персональ- ной радиосвязи на конструкцию радиоаппаратуры накладываются жесткие ограничения по габаритным размерам и массе; как прави- ло, сильно ограничивается также мощность, потребляемая аппа- ратурой от питающих ее источников тока, иначе говоря, вынужден- но уменьшается энергетический ресурс;

в условиях постоянного перемещения абонентской радиоап- паратуры возрастает вероятность ее повреждения, а также влия- ние климатических и метеорологических условий. Это должно учи- тываться при конструировании аппаратуры и ее эксплуатации;

при размещении радиооборудования в подвижных средствах более вероятны, чем в стационарных условиях, аварии и разного рода чрезвычайные ситуации. Обычно в подобных условиях тре- буется безотлагательная и особо надежная сигнализация, что так- же налагает на конструкцию аппаратуры дополнительные требо- вания, которые учитываются при ее разработке.

Для неотложной передачи сигналов бедствия специально выделяются на международной основе определенные полосы час- тот, которые запрещается использовать для иных целей.

Идеальной системой подвижной радиосвязи была бы такая, которая позволила бы любому человеку осуществлять обмен ин- формацией с любым другим человеком на Земле без ограничений как во времени и пространстве, так и в объеме передаваемых со- общений. Эта же система должна была бы обеспечивать автома- тическую передачу службам безопасности информации о техниче- ском состоянии движущихся объектов и 'о состоянии окружающей среды. При существующем уровне развития техники эти цели в полном объеме еще не достигаются, но к этому по сути стремят- ся исследователи, изобретатели и конструкторы.

Подвижная радиосвязь как часть комплексной сети По- требность в регулярном применении средств электросвязи инди-

информации от множества подвижных радиостанций передаются между зонами связываемых абонентов по существующим много- канальным линиям региональной или общегосударственной сети - кабельным, спутниковым или радиорелейным.

Если оба абонента находятся в зоне, обслуживаемой одной узловой радиостанцией, то они получают связь друг с другом через нее непосредственно. При нахождении в разных зонах связь меж- ду ними обеспечивается через ближайшие к ним узловые станции и по каналам линий связи, соединяющих эти станции. В итоге тер- риториальная или общегосударственная сеть подвижной радио- связи оказывается комплексной, образуя часть общей единой сети.

В рамках описанной комплексной сети при необходимости возможна организация одновременной циркулярной связи: пере- дачи сообщений от одного абонента нескольким или многим або- нентам, находящимся в зоне обслуживания общей для них узловой станции, либо в разных зонах.

Используемый термин "абонент" предполагает обычно уча- стие в сеансе связи человека, что имеет место в подавляющем большинстве случаев. Однако комплексная сеть подвижной ра- диосвязи, как и любая сеть электросвязи, может включать автома- тические устройства как в одном, так и в обоих пунктах, между ко- торыми осуществляется обмен информацией. Источниками пере- даваемых сообщений в таких сетях могут служить приборы контроля метеорологической или иной обстановки, сигнализаторы аномальных и аварийных ситуаций, аппаратура точного времени и т. п. Прием сигналов подобного характера тоже может осуществ- ляться автоматически с применением регистрирующих, запоми- нающих или сигнальных устройств, а также компьютеров. Переда- ча сообщений, как речевых, так и цифровых, также может проис- ходить автоматически по заданной программе и в требуемое время с соответствующих аппаратов, в которых заблаговременно записаны эти сообщения и программы их передачи.

Один из видов подвижной радиосвязи, рассчитанный на групповой прием передаваемых сообщений и уже получивший значительное распространение - система передачи данных и ин- струкций для автомобильного транспорта. Передача сведений о перегрузках отдельных участков автомагистралей, рекомендуе- мых направлениях объезда препятствий и т.п. ведется через ра- диостанции звукового радиовещания, в спектр излучений которых Для этой цели вводится специальный частотный канал. При отсут- ствии срочной информации этот канал не препятствует приему программы радиовещания через обычно включенный в пути ра- диоприемник. При появлении срочных сообщений для водителей

автотранспорта приемник автоматически переключается на прием этих сообщений и воспроизводит их с достаточной громкостью, предупреждая о ситуации. Очевидно, что принципы описанной системы допускают развитие применительно к иным условиям и видам транспорта.

Изложенные общие принципы подвижной радиосвязи и ее применений более детально обсуждаются, уточняются и развива- ются в последующих параграфах данного раздела.

Свойства спутниковых систем подвижной радиосвязи.

Диапазон частот в спутниковых системах подвижной радиосвязи от 200 МГц до 10 ГГц. На частотах свыше 10 ГГц в большой степени проявляются потери в молекулах атмосферы; однако в этом диа- пазоне имеются частоты, доступные для радиосвязи, например 125...150 ГГц, 210...280 ГГц. На частотах ниже 200 МГц радиосвязь затруднена из-за относительного уменьшения геометрических размеров антенны (влияет отношение длины, используемой вол- ны, к эффективному поперечнику антенны), а также невозможно- сти получения приемлемых коэффициентов усиления антенн, т.е. их диаграмм направленности.

Благодаря развитию космических технологий появилась возможность создания на орбите мощных ретрансляторов с боль- шими площадями передающих и принимающих антенн с управ- ляемыми диаграммами направленности. Это позволяет использо- вать малогабаритные носимые наземные радиостанции, габариты антенн которых не превышают сумку-«дипломат», что крайне важ- но для подвижной радиосвязи. Поскольку связь осуществляется при малых мощностях сигналов (пороговое отношение сигнал-шум составляет 8... 12 дБ), обработку получаемых сообщений целесо- образно осуществлять на борту спутника перед ретрансляцией их абоненту. Это позволяет также реализовать пакетную передачу с маршрутизацией потоков, что особенно эффективно в массовых сетях с произвольным (асинхронным) доступом к каналу связи. Многостанционный доступ реализуется одним из трёх способов: с частотным, временным и кодовым разделением. Характерная особенность спутниковой подвижной связи - это противоречие между желанием получить большие коэффициенты усиления и узкие диаграммы направленности антенн и необходимостью охва- та относительно больших зон обслуживания. Обычно применяют многолучевые антенны с остронаправленными управляемыми диа- граммами направленности. Как и в любых других спутниковых сис- темах связи в спутниковой подвижной радиосвязи существуют строгие ограничения на максимально допустимую плотность пото-

ка мощности, излучаемого передатчиком спутника. К примеру, в диапазоне 8... 10 ГГц допустимая плотность потока мощности со- ставляет примерно (-150) дБВт/м². Подробно подвижная спутнико- вая радиосвязь с описанием примеров существующих российских и международных спутниковых систем рассматривается в § 8.17.

Термины, классификация и особенности сетей подвижной радиосвязи

Термины, классификация. Системы передачи информации служат для обмена сообщениями между абонентами. Сообщения могут быть представлены в дискретной и непрерывной форме. Дискретные сообщения являются последовательностью различ- ных символов, причем число символов конечно. Чаще всего дис- кретное сообщение состоит из символов 0 и 1. Примерами дис- кретных сообщений могут служить телеграфные сообщения. Не- прерывные сообщения, представляющие собой непрерывную функцию времени, могут быть представлены в виде дискретных путем дискретизации по времени и квантования по амплитуде.

Каналом радиосвязи, называют сово- купность технических средств, обеспечивающих передачу сообще- ния, и среды распространения любых сигналов от источника к по- лучателю с помощью радиосигналов. Системой передачи инфор- мации называется канал связи вместе с источником информации и её получателем при заданных методах преобразования сообще- ния в сигнал и восстановления сообщения по сигналу. Системы, предназначенные для передачи дискретных сообщений, называ- ются дискретными, или цифровыми, а предназначенные для пере- дачи непрерывных сообщений - аналоговыми. Соответственно и каналы, в которых передаются сообщения, называются цифровы- ми и аналоговыми.

Основной задачей систем радиосвязи, в том числе систем подвижной радиосвязи, является одновременная передача сооб- щения от многих источников информации к абонентам, которым Данная информация предназначена.

Взаимосвязанные каналы связи образуют сеть связи. Кана- лы и сеть связи, основой которой служит радиосвязь, соответст- венно образуют сеть радиосвязи. Подвижная радиосвязь и соот- ветственно подвижная служба подвижной радиосвязи - радио- связь и служба радиосвязи между подвижными или между подвижными и неподвижными (фиксированными) станциями. Под- вижной станцией является станция, предназначенная для работы во время движения или во время остановок в неопределенных

пунктах. Сухопутной подвижной службой называется служба, в которой все входящие в нее станции располагаются на суше. Морская или воздушная служба - служба, в которой хотя бы одна из станций может находиться на море или в воздухе. Если в под- вижной радиосвязи используется хотя бы одна космическая стан- ция, то такая служба называется космической. Базовой станцией называется сухопутная станция, работающая с подвижными станциями и обеспечивающая связь между ними.

Сети подвижной радиосвязи различаются по следующим признакам:

а) по местонахождению связывающихся или базовых стан- ций: сухопутные, морские, воздушные, спутниковые, смешанные; 1

б) по виду используемых сигналов и соответствующей аппа- ратуре: аналоговые, цифровые и смешанные (аналого-цифровые).

Первые системы подвижной радиосвязи, как и в других об- ластях электроники и радиотехники, реализовывались аналоговы- ми методами. В результате развития цифровой техники, прежде всего появления интегральных технологий, обеспечивающих высо- кое быстродействие, а также вследствие особенностей аналоговых систем связи - несовместимости стандартов, трудности достиже- ния высокого качества связи и защищенности информации, прояв- ляется тенденция к постепенной замене аналоговых сетей цифро- выми. Одним из важных преимуществ цифровых сетей связи яв- ляется возможность пакетной передачи данных и маршрутизации пакетов, что способствует повышению пропускной способности канала и повышению верности передачи. Примерно с 1994 г. стои- мость цифровых радиостанций стала, как правило, меньше стои- мости аналоговых, что наряду с другими преимуществами цифро- вых сетей (большие надежность и помехоустойчивость, возмож- ность шифрования и аутентификации пользователя, возможность большей унифицированности и стандартизации) является факто- ром, приводящим к вытеснению аналоговых сетей цифровыми.

в) по предоставляемым пользователю услугам: сети переда- чи данных, речи, персонального вызова, "локационные" (с опреде- лением местоположения абонента), радиотелефоны (удлинители телефонных линий) и др.;

г) по степени автономности: сети, имеющие выход в другие сети и автономные, т.е. изолированные от других сетей. В настоя- щее время все большее влияние на развитие сухопутной подвиж- ной радиосвязи, являющейся наиболее существенной частью все- го блока систем подвижной радиосвязи, оказывает стремление к их унификации. Это делается для обеспечения взаимной совмес- тимости как существующих, так и вновь разрабатываемых систем.

Национальные стандарты уступают место региональным; так, в настоящее время имеются три распространенных стандарта - ев- ропейский (GSM), североамериканский (ADC) и японский (JDC), которые предполагается объединить на основе единых принципов сотовых сетей связи;

д) по категориям пользователей: системы общего доступа и специализированные (например, аварийно-спасательные).

Развитие сухопутных сетей подвижной радиосвязи идет по двум направлениям: создаются ведомственные сети, все большее развитие получают сети связи с подвижными объектами общего пользования. Ведомственные сети связи создаются отдельными организациями и позволяют осуществлять радиосвязь группам абонентов, выполняющих отдельные производственные функции. Они объединяют средства, различные по диапазонам используе- мых радиочастот, техническим характеристикам, техническим воз- можностям, количеству обслуживаемых абонентов и виду переда- ваемой информации. В результате локализации и разобщенности ведомственных сетей, неэффективного использования спектра частот, отсутствия унификации аппаратуры и элементной базы, а также частых нарушений электромагнитной совместимости с дру- гими радиотехническими системами их построение и применение на данном этапе не является оптимальным.

Сети общего пользования позволяют устранить недостатки, присущие ведомственным сетям. Эти сети предоставляют абонен- там большой комплекс услуг - от диспетчерских и технологических функций в отдельных учреждениях, работающих на своего ведом- ственного диспетчера, до автоматического выхода на абонентов городских телефонных сетей, а по междугородным и международ- ным линиям - и на абонентов других городов и стран. Важным преимуществом сетей общего пользования, по сравнению с ве- домственными, является более высокая эффективность использо- вания выделяемого для них спектра частот, за счет того, что большой круг обслуживаемых абонентов имеет свободный доступ ко всем частотным каналам в этом спектре.

Сети подвижной радиосвязи можно разделить по назначе- нию на шесть групп: радиотелефонные сети общего пользования; Диспетчерские радиотелефонные сети; автономные радиотеле- фонные сети; сети персонального радиовызова (как общего поль- зования, так и ведомственные); сети аварийной радиосвязи; сети бесшнуровых телефонов общего пользования.

Радиотелефонные сети общего пользования (РТСОП) обес- печивают соединение с телефонной сетью общего пользования. При этом абонент не должен замечать разницы в организации свя-

зи и ведении переговоров, если он осуществляет связь с другим абонентом фиксированной телефонной сети или с радиоабонен- том, находящимся в подвижном объекте.

Радиотелефонные сети общего пользования строятся по следующим принципам: радиальному, когда одна базовая радио- станция обслуживает подвижные объекты на территории радиусом 30...50 км; территориальному, когда обслуживаемая территория разбивается на зоны радиусом 1,5...5 км, в каждой из которых'ус- танавливается базовая радиостанция данной зоны, обслуживаю- щая абонентов, находящихся в этой зоне; линейному, когда базо- вые радиостанции устанавливаются вдоль магистралей - каждые 5... 10 км (шоссе, железных дорог) и обслуживают находящихся на этих магистралях абонентов. Именно последние два вида РТСОП называют сотовыми сетями подвижной радиосвязи. Именно они играют наиболее существенную роль среди всех других систем подвижной радиосвязи по количеству пользователей, объёму и совокупной стоимости выпускаемого оборудования, а также по темпам развития. В данной главе рассматриваются только сото- вые системы радиосвязи.

Радиальные сети предполагают использование одной цен- тральной радиостанции, антенна которой располагается в наиболее высокой точке предполагаемой области обслуживания на макси- мально возможной высоте. Для этого используются телевизионные вышки, высокие здания или устанавливаются специальные мачты.

Мощность передатчика центральной (базовой) радиостанции выбирается такой, чтобы создать заданную напряженность поля в максимально удаленных точках обслуживаемой территории. При расчете зоны обслуживания необходимо учитывать, что из-за мно- голучевости распространения радиоволн, обусловленной отраже- ниями от зданий и других объектов в городских условиях, возмож- ны замирания сигналов глубиной до 40 дБ и более от среднего уровня, причем соседние минимумы этих замираний могут быть расположены примерно через полуволну несущей (на частоте 300 МГц через 0,5 м). При движущемся автомобиле это может приво- дить к значительным искажениям сигнала на предельных дально- стях связи.

Сотовые сети имеют ряд преимуществ перед радиальными:

1) они обеспечивают более высокие надежность и качество связи во всей рабочей зоне. Это связано с тем, что на территории сравнительно малых ячеек удается обеспечить высокое качество связи даже с помощью базовых станций небольшой мощности. При этом улучшается электромагнитная обстановка благодаря

уменьшению размеров ячеек (сот), что также ведет к уменьшению габаритов, электропотребления и стоимости радиостанций;

2) в сотовых системах возможно более эффективное ис- пользование частотных ресурсов путем многократного задейство- вания одних и тех же частот при пространственном разнесении базовых станций, что значительно увеличивает емкость сети.

Недостатком сотовых сетей подвижной радиосвязи, по срав- нению с радиальными сетями, является значительно большая сложность реализации, в частности большое число проводных ка- налов, используемых обычно для связи базовой станции с цен- тральной станцией сети, сложность осуществления перехода из одной ячейки в другую по мере перемещения, усложнение проце- дуры вызова абонента и др. Поэтому при относительно небольшом числе подвижных абонентов и ограниченном числе проводных ка- налов предпочтение целесообразно отдать радиальным сетям. Например, более чем в 40 городах России эксплуатируется ради- альная сеть с частотным разделением каналов типа «Алтай-ЗМ», работающая в диапазоне 300 МГц, которая будет подробнее рас- смотрена далее.

Аппаратура систем подвижной радиосвязи классифицирует- ся по следующим признакам: по мощности передатчика; по ис- пользуемому спектру частот; по виду используемой модуляции (амплитудная, однополосная и угловая модуляция; в аппаратуре, работающей в диапазоне частот 30 МГц и ниже используется од- нополосная модуляция; на более высоких частотах применяется угловая модуляция); по подвижности (стационарная, возимая, но- симая); по количеству каналов (одно- и многоканальные); по виду работы (симплексная, дуплексная и полудуплексная).

Симплексная передача - радиосвязь, при которой передача возможна переменно в каждом из двух направлений. Двухчастот- ный симплекс осуществляет ретрансляцию сообщения в прямом и обратном направлениях с использованием разных частот. Дуплекс - работа радиостанции одновременно на прием и на передачу.

Частоты и виды модуляции радиоканалов. Диапазон ра- диочастот от 10 кГц до 275 ГГц, используемый для радиосвязи, Распределен между разными службами. Присвоение конкретных частот и контроль за их использованием осуществляют соответст- вующие службы. Распределение и присвоение частот постоянно находятся в поле зрения соответствующих международных и оте- чественных организаций.

В настоящее время в сетях подвижной радиосвязи исполь- зуются участки диапазонов частот до и даже выше 1000 МГц, что объясняется особенностями технической реализации радио- средств, используемых на подвижных объектах.

Условно по диапазону частот системы целесообразно раз- делить на работающие на частотах ниже и выше 30 МГц. Такое деление связано с условиями распространения радиоволн и со спецификой аппаратуры, используемой для радиосвязи. Участки в диапазоне частот 1,605...30 МГц используются в радиостанциях, предназначенных для связи на достаточно большие расстояния без ретрансляторов. В России используются участки диапазонов 40; 160; 330 МГц. Диапазоны 450; 900 МГц использу- ются в США, Японии и других странах.

В подвижной радиосвязи используются в основном однопо- лосная (ОМ) на частотах ниже 30 МГц и угловая (УМ) модуляция - частотная (ЧМ) или фазовая (ФМ) на частотах выше 30 МГц. На частотах ниже 30 МГц иногда используется и амплитудная мо- дуляция (AM), например, в индуктивных системах персонального вызова, а также узкополосная частотная модуляция - на железных дорогах. При AM абонентские радиостанции имеют сравнительно простую конструкцию, но помехоустойчивость радиосвязи значи- тельно хуже по сравнению с ОМ и УМ.

Особенности распространения радиоволн При связи с подвижными объектами существуют следующие особенности распространения радиоволн:

а) многолучевое распространение, заключающееся в том, что сигнал от передатчика к приемнику может идти многими путя- ми. В этом случае возможна интерференция, ведущая к появле- нию в пространственном распределении интенсивности поля глу- боких провалов. Часто на приеме присутствуют лишь переотра- жённые сигналы, так как прямая видимость между приёмником и передатчиком, особенно в городских условиях, может отсутство- вать. Пример: на частоте 900 МГц длина волны составляет около 30 см, следовательно, два сигнала, пришедших со сдвигом во времени на 0.5 не, что соответствует разнице в пути в 15 см, будут складываться в противофазе. Поэтому при перемещении подвиж- ного объекта на расстояния порядка половины длины волны (в примере на 15 см) можно ожидать больших перепадов мощно- сти сигнала;

б) если подвижная станция находится в движении в момент осуществления связи, возможно проявление эффекта Доплера, приводящего к паразитной модуляции частоты сигнала и измене- нию ширины спектра. Например, на частоте 900 МГц при радиаль-

ной скорости подвижного объекта 250 км/ч сдвиг частоты состав- ляет примерно 200 Гц;

в) в городских условиях транспорт, проходящий мимо стан- ции, вызывает изменения уровня сигнала на входе приемника - эффект замираний. Действие этого эффекта сходно с эффектом, наблюдаемым при многолучевом распространении;

г) более быстрое, чем в условиях свободного пространства (обратно пропорционально расстоянию) снижение уровня сигнала с увеличением расстояния.

Транкинговые системы радиосвязи

Транкинговые системы радиосвязи (TCP) являются развитием систем низовой полудуплексной радиосвязи и по ряду признаков могут быть соотнесены с сотовыми системами связи. В отличие от обычных систем с постоянно закрепленными частотными каналами в TCP применяется динамическое распределение каналов. Термин «транкинг», принятый в сфере профессиональной радиосвязи, означает метод свободного доступа большого числа абонентов к ограниченному числу каналов (пучку, стволу или, по зарубежной терминологии, - транку). Поскольку в какой-либо момент времени не все абоненты активны, необходимое число каналов значительно меньше общего числа абонентов.

Когда радиоабонент транкинговой системы осуществляет вызов, система назначает ему один из имеющихся свободных каналов. При этом статистика активности обычно такова, что небольшого количества выделенных каналов достаточно для обслуживания значительного числа абонентов. (табл. 14.1).

В отличие от обычных систем радиосвязи TCP характеризуются следующими признаками:

• экономное использование радиоспектра;

• наличие одной или нескольких базовой радиостанций и системы управления; .

• возможность выхода в другие сети, в частности в телефонную сеть общего пользования;

• увеличение зоны обслуживания путем создания многозоновой сети;

• передача данных и телеметрической информации;

• множество сервисных возможностей.

Таблица 14.1. Зависимость числа абонентов от числа радиоканалов

Перечисленные выше признаки характерны и для сотовых систем связи. Однако в отличие от сотовых транкинговые системы в первую очередь ориентированы на задачи, связанные с оперативным управ- лением. Список потребителей здесь чрезвычайно широк - подразде- ления железных и автомобильных дорог, предприятия энергетическо- го комплекса, администрации всех уровней, учреждения городского хозяйства, правоохранительные органы, отряды МЧС, коммерческие структуры и т.д.

В сравнении с сотовыми системами к преимуществам TCP, позво- ляющим отдать им предпочтение при организации оперативной связи, следует отнести:

• гибкую систему вызовов - индивидуальный, групповой, веща- тельный, приоритетный, аварийный и др.;

• гибкую систему нумерации - от коротких двух- или трехзначных до полноценных городских номеров;

• малое время установления соединения - менее секунды, против нескольких секунд в сотовых системах;

• возможность работы в группе;

• наличие (в ряде систем) режима непосредственной связи между двумя абонентскими радиостанциями без участия базовой;

• экономичность - по стоимости оборудования и по эксплуатацион- ным расходам TCP в несколько раз экономичнее сотовых систем.

Сравнивая сотовые и транкинговые системы, необходимо отметить, что при внешней структурной схожести они существенно отличаются по ряду функциональных особенностей и системных возможностей. Если первые ориентированы на потребителей обычных телефонных услуг и окупаются в регионах с высокой плотностью населения (порядка ты- сячи и более абонентов в зоне), то вторые прежде всего являются средством оперативной и производственно-технологической связи и рентабельны при на порядок меньшем числе абонентов.

Следует заметить, что сами термины «сотовые» или «транкинго- вые системы» малоинформативны с точки зрения выявления их отли- чий. Так, в сотовых системах используется метод динамического рас- пределения каналов, т.е. транкинг, и наоборот, современные много- зоновые транкинговые системы содержат ряд «родовых» признаков сотовых систем. Эти термины сложились исторически и обозначают системы мобильной радиосвязи, которые развивались своими путя- ми, решая разные задачи.

Таблица 14.2. Сравнение основных параметров систем радиосвязи

Таблица 14.2 дает представление об основных параметрах транкинговых систем в сравнении с обычными сотовыми системами радиосвязи.

Для более полного представления о функциональных возможностях TCP перечислим основные типы вызовов, поддерживаемые большинством стандартных протоколов:

• индивидуальный вызов для связи между двумя абонентами;

• групповой вызов для связи между несколькими абонентами одновременно;

• вещательный вызов для предварительно выбранной группы, когда абоненты могут только слушать сообщение, но не могут отвечать;

• конференц-вызов для подключения к разговору третьего абонента во время разговора двух абонентов;

• переадресация вызова: вызовы, адресованные абоненту, автоматически переадресуются заранее назначенному третьему абоненту;

• приоритетный вызов применяется для сокращения времени ожидания при занятости системы; такие вызовы обслуживаются вне общей очереди;

• срочный (аварийный) вызов имеет наивысший приоритет, связь устанавливается немедленно путем прерывания уже установленных соединений;

• статусная связь - посылка коротких текстовых сообщений любому другому абоненту или диспетчеру;

• передача блоков данных применяется для связи между компьютерами или другими системами обработки цифровой информации;

• диспетчерская связь - вызовы на специально сконфигурированные диспетчерские пульты;

- исходящие и входящие вызовы для абонентов телефонной сети обеспечивают взаимодействие радиоабонентов с абонентами ведомственной сети или сетью общего пользования.

Благодаря перечисленным особенностям транкинговые системы заняли самостоятельную нишу на рынке оборудования средств радиосвязи. Многие ведущие фирмы - Motorola, Nokia, Ericsson и др. наряду с обычными радиостанциями производят также и сотовое, и транкинговое оборудование, ориентированное на соответствующие секторы этого рынка.

Архитектура транкинговых сетей

Архитектура транкинговых сетей в основном аналогична архитектуре сотовых сетей. Рассмотрим основные элементы архитектуры TCP на примере типовой однозоновой транкинговой системы с частотным разделением каналов (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Схема однозоновой транкинговой радиосети

Базовая радиостанция (рис. 14.2). Содержит модули приемопе- редатчиков (ретрансляторов), каждый из которых настроен на одну

пару частот - приема и передачи. Таким образом, в отличие от обыч- ной связи между двумя радиостанциями, где в полудуплексном режи- ме достаточно одной частоты, в транкинговой системе требуется две частоты, а для работы в дуплексном режиме - четыре. Эту ситуацию иллюстрирует рис. 14.3. Каждый из приемопередатчиков имеет 4-про- водное низкочастотное (звуковое) окончание для сопряжения с ком- мутатором. Радиочастотные входы/выходы приемопередатчиков на- гружены на устройство объединения/разделения каналов.

Рис. 14.3. Разносы частот при работе полудуплексом (а) и дуплексом (б)

Коммутатор. Осуществляет соединение подвижных абонентов, а также выполняет функции сопряжения с телефонной сетью общего пользования.

Контроллер (устройство управления). Обеспечивает взаимо- действие всех узлов базовой станции. Осуществляет обработку вызо- вов и управляет процессом установления соединений. Часто кон- троллер и коммутатор объединяются в одном модуле.

Интерфейс с ТФОП. Предназначен для сопряжения с телефонной сетью общего пользования. Обеспечивает электронный стык с окон- чаниями АТС и согласование протоколов сигнализаций.

Абонентское оборудование. Представлено носимыми, возимы- ми, стационарными радиостанциями, а также терминалами передачи данных и устройствами телеметрии.

Многозоновая транкинговая сеть. Многозоновая транкинговая сеть создается с целью увеличения зоны обслуживания. При этом территория обслуживания разбивается на зоны, как правило, шести- угольной формы (соты). На рис. 14.4 изображена структура 3-зоновой сети.

Рис. 14.4. Структура многозоновой транкинговой сети

Управление сетью осуществляет центральный узел, содержа- щий центральный коммутатор-контроллер, терминал технического обслуживания и управления, а также интерфейс с ТФОП. Коммутато-

ры различных зон связаны между собой каналами управления и пе- редачи трафика. Для этой цели применяются как физические (выде- ленные) линии, так и стандартные аналоговые или цифровые систе- мы передачи.

Необязательно, чтобы каждая зона имела свой собственный ком- мутатор. Для зон с малым числом абонентов функции коммутации

могут быть возложены на центральный коммутатор, для чего между ним и базовой радиостанцией организуется необходимое число кана- лов. В этом случае оборудование строится по модульному принципу. Могут отдельно существовать приемопередающее оборудование, обычно называемое базовой станцией, и коммутатор, в состав кото- рого входит основной контроллер, наделенный функциями управле- ния всей системой.

Непрерывно по специально выделенным каналам осуществляется эбмен сигналами между контроллерами других зон. Вся информация о вызовах поступает в главный контроллер, который управляет про- цессом соединения. Чем удаленней друг от друга абоненты и чем

более разнородных сетях они расположены, тем сложнее функции Управления сетью и тем больше обмен управляющими сигналами,

необходимыми для установления соединения, его поддержания и его освобождения. Отсюда возникает необходимость разработки слож-

ных протоколов взаимодействия всех элементов системы - контрол- леров, коммутаторов, абонентских радиостанций, а также сопряжения этих элементов с другими сетями.

В многозоновых транкинговых системах возникает необходимость от- слеживания местоположения радиоабонентов при их перемещении из зоны в зону. Процедура отслеживания местоположения абонентов назы- вается роумингом. Это достигается алгоритмами управления, заложен- ными в программном обеспечении контроллеров. Специфическая осо- бенность транкинговых систем состоит в необходимости поддержания группового роуминга для обеспечения возможности работы в группе.

В многозоновых системах возникает необходимость частотного планирования для исключения взаимных помех между радиостан- циями соседних зон.

Многоуровневая транкинговая сеть. С целью более гибкого уп- равления трафиком и экономии ресурсов системы могут быть реали- зованы не просто многозоновые, но также и многоуровневые TCP. Последнее означает, что управление частью трафика возлагается на контроллеры и коммутаторы подчиненного уровня. Это разгружает ресурсы центрального коммутатора, уменьшает общее количество и протяженность речевых каналов, связывающих коммутаторы. Топо- логия многозоновой и многоуровневой сети показана на рис. 14.5.

Классификация транкинговых сетей

Перечислим основные признаки, лежащие в основе классифика- ции тех или иных TCP.

Метод передачи речевой информации. По этому признаку TCP могут быть разделены на аналоговые и цифровые системы. В первом случае применяется частотная модуляция звукового сигнала. В ра- диоспектре с учетом ретрансляции один канал занимает две полосы частот по 12,5 кГц (в более ранних системах - 25,0 кГц). При исполь- зовании дуплексных радиостанций для выхода на ТФОП необходимо четыре таких полосы, значительно разнесенных по частоте с целью развязки передатчика и приемника. При использовании дуплексных систем резко сокращается пропускная способность системы. По этой причине в TCP ограничивают число дуплексных радиостанций, закре- пляя их только за теми абонентами, которым необходим выход в те- лефонную сеть общего пользования.

В цифровых системах применяются специальные устройства - во- кодеры, преобразующие звуковой сигнал в цифровой поток со скоро- стью в несколько килобит в секунду (типично - 4,8 кбит/с), и соответ- ственно цифровые устройства модуляции радиосигала. Применение цифровых сигналов позволяет обеспечить эффективную многократ- ную ретрансляцию речевых сообщений без ухудшения качества, а также дает возможность засекречивания информации. Дуплексная связь в цифровых системах может быть выполнена на одной частоте с поочередной передачей цифровых пакетов между двумя радио- станциями («пинг-понг»).

Метод многостанционного доступа. Многоканальные сообщения могут разделяться как по частоте, так и по времени. В соответствии с этим в TCP могут применяться как метод многостанционного доступа - частотным разделением каналов FDMA (МДЧР), так и метод много- станционного доступа с временным разделением каналов ТОМА (МДВР), а также их сочетание. В аналоговых транкинговых системах применяется исключительно FDMA. В большинстве цифровых TCP также, как правило, применяется FDMA, однако, например, в стандар- те TETRA применено сочетание обоих методов.

Метод управления соединениями. Для выделения каналов и ор- ганизации соединений между абонентами в TCP применяется два ви- да управления - распределенное (децентрализованное) и централи- зованное. Распределенное управление используется главным обра- зом в однозоновых системах или в сетях с малым количеством зон. При этом для осуществления соединения абонентская радиостанция осуществляет поиск свободного канала (сканирование). При большом числе абонентов это приводит к увеличению времени соединения до нескольких секунд, что критично для оперативной связи. Централизо- ванное управление предполагает наличие отдельного канала управ- ления и применяется при построении многозоновых систем.

Тип используемого протокола управления. В TCP применяется большое число самых разнообразных протоколов управления: от от- крытых - стандартизированных и официально публикуемых - до за- крытых - фирменных. Наиболее распространены открытые протоко- лы - SmarTrunk, MPT 1327 и TETRA. На их основе реализовано по- давляющие число систем транкинговой связи.

Транкинговая система SmarTrunk

Наибольшую известность при построении недорогих транкинговых радиосистем приобрели системы с децентрализованным протоколом

Приемо- передатчики

Транкинговые контроллеры

Рис. 14.6. Структурная схема базовой станции SmarTrunk II

управления типа SmarTrunk, разработанным в 1992 г. фирмой SmarTrunk Systems, Inc. В настоящее время выпускается второе по- коление данной системы, получившей наименование SmarTrunk II. Структурная схема базового оборудования 4-канальной системы SmarTrunk II приведена на рис. 14.6.

Центральным элементом системы является транкинговый кон- троллер, связанный с приемопередатчиком данного радиоканала. Он вырабатывает все управляющие сигналы, позволяющие абоненту осуществить занятие данного канала и соединение с другими абонен- тами. В базе данных контроллера содержится вся необходимая ин- формация об абонентах системы - идентификационные коды або- нентских станций, уровень приоритетности каждого абонента, разре- шение выхода на телефонную сеть и т.д.

Соединение в системе SmarTrunk II выполняется в следующей по- следовательности.

• Вызывающая станция захватывает незанятый радиоканал и по- сылает запрос в виде цифрового пакета, содержащего собственный идентификационный код, тип вызова и идентификационный код вы- зываемого абонента - номер абонента в радиосети или телефонный номер абонента телефонной сети.

• В случае, если вызов адресован радиоабоненту, контроллер, по- лучив запрос по каналу приема, посылает в канал передачи пилот-тон определенной частоты и длительности.

• Все свободные абонентские станции сканируют каналы до тех пор пока не остановятся на канале, где присутствует пилот-тон.

-Далее контроллер посылает в канал вызывной пакет, содержа- щий идентификационный код вызываемого абонента, тип вызова и идентификатор системы.

• Вызываемая станция остается на данном канале, остальные воз- вращаются к режиму сканирования.

• По завершении сеанса связи абонентская станция посылает за- вершающий цифровой пакет.

• Получив данный пакет, контроллер посылает свой завершающий пакет, приняв который, обе станции возвращаются к режиму сканиро- вания.

Все управляющие сигналы формируются в полосе разговорного канала.

К положительной стороне данной системы можно отнести простоту и невысокую стоимость оборудования, в первую очередь, абонент- ской станции. Последние обычно представляют собой обычные ЧМ Радиостанции, усовершенствованные посредством размещения Управляющего модуля. К недостаткам можно отнести невысокий уро- вень сервиса и продолжительное время установления соединения. Кроме этого, на основе протокола SmarTrunk нельзя создать полно ценную многозоновую систему транкинговой связи.

Основные параметры данной системы сведены в табл. 14.3

Таблица 14.3. Основные параметры системы SmarTrunk II
Диапазон частот	160, 330,450МГц
Тип модуляции для передачи голоса	Аналоговая ЧМ
Абонентское оборудование	Обычные радиостанции, оснащен­ные встраиваемыми модулями
Тип сигнализации	Цифровая BPSK, передаваемая в го­лосовом диапазоне
Метод управления соединениями	Децентрализованное, основанное на поиске свободного канала абонент-
	скими станциями
Время установления соединения	От 0,5 до 10 с, в зависимости от чис­ла абонентов
Максимальное число рабочих каналов	16
в системе
Максимальное число абонентов в системе	4096 (для систем с контроллерами ST-853)

Транкинговые системы протокола МРТ 1327

Своим наименованием данный протокол обязан документу, разработанному в Великобритании в 1988 г. в качестве стандарта Министерства почт и телеграфов. В настоящее время протокол МРТ 1327 получил наибольшее распространение в странах Европы и Азиатско-Тихоокеанского региона. На основе этого протокола строятся боль­шие ведомственные, региональные и национальные сети связи.

Существует целый ряд транкинговых систем, поддерживающих данный протокол и выпускаемых различными производителями -Fylde Microsystems, Tail Electronics, Nokia и др. В России наибольшее распространение получила система ACCESSNET фирмы Rohde & Schwartz.

В основу протокола МРТ 1327 положен ряд принципов:

-Выделенный канал управления. Системы протокола МРТ 1327 строятся с выделенным каналом управления, в качестве которого используется один из каналов базовой станции. Остальные каналы являются каналами трафика и предназначены для обмена речевыми сообщениями и для передачи данных.

-Обслуживание с очередями. Если вызов поступает в момент, когда все каналы заняты, он будет поставлен в очередь и обслужен в соответствии с приоритетом абонента.

- Произвольный доступ. В момент запроса на соединение по каналу управления существует опасность столкновения запросов от других станций. Для разрешения подобных конфликтов применяется алгоритм произвольного доступа.

- Роуминг. Протокол предусматривает возможность для абонентских станций информировать центральный контроллер о своем местонахождении.

- Открытость стандарта. Это позволяет различным производителям выпускать совместимое оборудование. В таком случае потребитель не привязан к какому-то одному поставщику и может выбирать то или иное оборудование.

Сигналы управления между базовой и абонентскими станциями, а также между контроллерами базовых станций передаются по каналу управления в цифровом виде со скоростью 1200 бит/с. При этом идет практически непрерывный обмен сообщениями между базовой и абонентской станциями.

Для осуществления взаимодействия существует ряд стандартных команд-сообщений, обозначаемых тремя или четырьмя символами (ALH, RQS, АСКИТ.Д.).

На первоначальной стадии обработки вызовов имеет место следующий обмен сигналами:

- Базовая станция посылает в канал сообщение-приглашение ALH, означающее готовность принимать сообщения от абонентских станций в течение указанного времени.

- Некоторое время базовая станция находится в режиме приема, если в течение этого интервала никто не ответил, - вызов повторяется.

- Если за время, отведенное на прием, поступил вызов, то базовая станция начнет ту или иную процедуру установления соединения в соответствии с типом запроса.

Для разрешения проблемы столкновений запросов от абонентских станций применяется алгоритм произвольного доступа (ALOHA). Смысл его состоит в том, что запросы от станций поступают не в строго определенные, а в случайные моменты времени. Тем самым снижается вероятность наложения запросов во времени.

Процесс установления соединения между двумя радиоабонентами иллюстрирует диаграмма на рис. 14.7.

Рис. 14.7. Обмен управляющими сигналами при установлении соединения

Емкость системы. Спецификации протокола МРТ 1327 дают возможность получить следующие максимальные значения параметров транкинговой системы:

1 036 800 абонентских адресов; 32 768 идентификационных кодов; 1024 управляющих каналов транкинга.

В соответствии с величинами этих параметров системы подразделяются на региональные (до 16 сот в каждой системе) и национальные (максимум 2 системы по 512 сот каждая).

Следует отметить, что спецификации протокола МРТ 1327 не накладывают принципиальных ограничений на инфраструктуру самой сети и могут использоваться как для создания простейших однозоновых, так и для создания крупных сетей радиосвязи с практически неограниченным числом абонентов. Конкретная система не реализует все функции, предусмотренные в стандарте МРТ 1327, - она может предоставлять лишь необходимый минимальный набор, удовлетворяющий требованиям заказчика. Это обеспечивает возможность создания на базе спецификаций данного протокола широкого спектра прикладных систем.

Различия в оборудовании разных фирм-производителей (среди которых Rohde & Schwartz, Tait Electronics, Fylde Microsystems, Nokia, Zetron и др.) определяются именно полнотой реализации спецификаций МРТ 1327.

В заключение заметим, что данный протокол поддерживают главным образом аналоговые системы. Однако сам по себе протокол МРТ 1327 не накладывает ограничений на тип радиоканала и виды модуляции. Сегодня существуют и полностью цифровые системы, реализованные на базе протокола МРТ 1327, например система ACCESS-NET-D компании Rohde & Schwartz.

Цифровые транкинговые системы

Цифровые транкинговые системы предоставляют своим пользователям ряд преимуществ перед аналоговыми системами.

- Конфиденциальность переговоров. Применение криптостойких алгоритмов скремблирования позволяет обеспечить гарантированную защиту от прослушивания информации, что очень важно для большинства пользователей транкинговой связи. При этом, в отличие от аналоговых методов шифрования, качество восстановленного сигнала не ухудшается.

- Эффективное использование радиочастотного спектра. Применение низкоскоростных кодеров речи (вокодеров) в сочетании с методами цифровой модуляции и цифровыми технологиями множественного доступа позволяет по сравнению с аналоговыми системами более эффективно использовать полосу частот. В частности, стандарт TETRA определяет значение для частотной полосы канала равным 6,25 кГц на один канал против 12,5 кГц, принятых в аналоговых системах. Предполагается, что в будущих цифровых стандартах этот показатель будет еще меньше.

- Помехоустойчивая ретрансляция сигналов. В аналоговых системах промежуточные ретрансляторы усиливают радиосигнал, но не «очищают» его от помех канала. В результате при многократной ретрансляции шумы накапливаются и качество сигнала значительно ухудшается. Наоборот, в цифровых ретрансляторах происходит восстановление сигнала, в результате чего качество связи практически не зависит от размеров зоны обслуживания.

- Эффективная передача данных. При передаче данных по цифровым каналам нет необходимости в применении специальных модемов.

В настоящее время выпускается целый ряд цифровых транкинговых систем. Однако наибольшие перспективы связываются с применением стандарта TETRA.

Особенности стандарта TETRA

TETRA (TErrestrial Trunked Radio - наземная транкинговая связь) -наиболее полно разработанный открытый международный стандарт цифровой транкинговой связи. Разработан Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI) и стал результатом международного сотрудничества правительственных органов, производителей оборудования, компаний, предоставляющих услуги мобиль­ной радиосвязи, и организаций-пользователей. Основные составляющие стандарта TETRA были утверждены представителями 22 государств Европы. В настоящее время стандарт TETRA вышел за рамки европейского региона и получает широкое распространение во всем мире.

Отличительной особенностью стандарта TETRA стало активное участие в его разработке потенциальных заказчиков, особенно силовых структур и аварийно-спасательных служб. Достоинством данного подхода к разработке стандарта стало его соответствие самым высоким требованиям с точки зрения как эффективности, так и функциональной насыщенности систем связи, построенных на его основе.

В основу стандарта TETRA положены следующие принципы:

- Открытость стандарта. Это позволяет выпускать совместимое оборудование различными производителями, что в конечном итоге приводит к снижению его стоимости.

- Ориентация на обслуживание сетей с высоким трафиком. Именно такими являются типичные европейские сети.

-Сочетание методов частотного (FDMA) и временного (ТDМА) доступа.

- Наличие режима непосредственной связи между абонентскими станциями, а также возможность абонентской радиостанции высту­пать в качестве ретранслятора.

- Наличие всех видов вызовов и многообразие сервисных возможностей.

- Мягкий режим перехода из зоны в зону (Handover).

- Полноценный роуминг.

- Аутентификация и шифрование.

Архитектура TCP на основе стандарта TETRA аналогична архитектуре сетей, поддерживающих другие, в том числе и аналоговые, стандарты. Она состоит из центра коммутации, базовых станций, диспетчерских пультов, центра управления системой и абонентских радиостанций.

Стандарт определяет несколько важнейших интерфейсов: -Air Interface (AI) - радиоинтерфейс между базовой станцией и абонентской радиостанцией;

- Direct Mode Operation (DMO) - интерфейс прямого соединения между двумя абонентскими радиостанциями;

-Terminal Equipment Interface (TEI) - интерфейс между абонентской радиостанцией и терминалом передачи данных (ТПД);

- Inter System Interface (ISI) - межсистемный интерфейс для объе­динения нескольких систем (возможно, от разных фирм-изготовителей) в единую сеть;

- Line-connected Station Interface (LSI) - интерфейс для подключе­ния диспетчерских пультов к базовому оборудованию;

- Network Management Centre Interface (NMCI) - интерфейс центра управления системой;

- Gateways to PABX, PSTN, ISDN, PDN - интерфейс для подключения к внешним сетям (УПАТС, ТФОП, ЦСИО, СКП).

Радиоинтерфейс стандарта предполагает работу в сетке частот с шагом 25 кГц при размещении четырех речевых каналов в данной полосе. Стандарт регламентирует и дуплексный разнос для этих систем, который должен составлять 10 МГц. Системы TETRA могут использовать диапазоны частот 150...900 МГц. В странах Европы для систем TETRA выделены частоты в диапазонах 410...430, 870...876, 915...921 МГц (в первую очередь) или в диапазонах 450...470, 385...390, 395...399,9 МГц.

В стандарте TETRA, в котором применяется уплотнение каналов по технологии ТDМА, на одной несущей частоте организуются четыре разговорных канала (рис. 14.8).

Каждый кадр имеет продолжительность 56,67 мс и содержит четыре временных интервала (time slots). Последовательность из 18 кадров образует мультикадр длительностью 1,02 с; один кадр является контрольным. Каждый временной интервал в составе кадра содержит 504 бита, 432 из которых - информационные.

В начале временного интервала передается пакет из 36 бит РА (Power Amplifier - управление излучаемой мощностью). За ним следует первый информационный блок (216 бит), далее - синхропоследо-вательность SYNC (36 бит) и второй информационный блок. Соседние временные интервалы разделяются защитными периодами длительностью 0,167 мс, что соответствует 6 битам.

Радиоканал стандарта TETRA использует относительную фазовую модуляцию типа -DQPSK. 'При этом каждому символу модуляции соответствует передача двух бит информации. Это позволяет достигнуть эффективности использования радиоспектра 6,25 кГц на канал.

В заключение следует, однако, заметить, что стандарт TETRA ориентирован на создание зон с высокой плотностью и малого диаметра (4...8 км). Следовательно, такие TCP могут оказаться неэффективными на территории с низкой плотностью абонентов, т.е. в большинстве районов России. Кроме того, стоимость оборудования в несколько раз выше, чем у аналоговых TCP с близкими функциональными возможностями.