Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Радиосвязь и радиовещание

Радиорелейная связь.

Радиорелейные линии (РРЛ) представляют собой цепочку приемопередающих радиостанций (оконечных, промежуточных, узловых), которые осуществляют последовательную многократную ретрансляцию (прием, преобразование, усиление и передачу) передаваемых сигналов.

В зависимости от используемого вида распространения радиоволн РРЛ можно разделить на две группы: прямой видимости и тропосферные.

РРЛ прямой видимости являются одним из основных наземных средств передачи сигналов телефонной связи, программ звукового и ТВ вещания, цифровых данных и других сообщений на большие расстояния. Ширина полосы частот сигналов многоканальной телефонии и ТВ составляет несколько десятков мегагерц, поэтому для их передачи практически могут быть использованы диапазоны только дециметровых и сантиметровых волн, общая ширина спектра которых составляет 30 ГГц. Кроме того, в этих диапазонах почти полностью отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Расстояние между соседними станциями (протяженность пролета) R зависит от рельефа местности и высоты подъема антенн. Обычно его выбирают близким или равным расстоянию прямой видимости R₀.

Комплекс приемопередающей аппаратуры РРЛ для передачи информации на одной несущей частоте (или на двух несущих частотах при организации дуплексных связей) образует широкополосный канал, называемый стволом (радиостволом). Оборудование, предназначенное для передачи телефонных сообщений и включающее в себя кроме радиоствола модемы и аппаратуру объединения и разъединения каналов, называют телефонным стволом. Соответствующий комплекс аппаратуры для передачи полных ТВ сигналов (вместе с сигналами звукового сопровождения, а часто и звукового вещания) называют ТВ стволом. Большинство современных РРЛ являются многоствольными. При этом, кроме рабочих стволов, могут быть один или два резервных ствола, а иногда и отдельный ствол служебной связи. С увеличением числа стволов возрастает соответственно и объем оборудования (число передатчиков и приемников) на станциях РРЛ.

На ОРС производится преобразование сообщений, поступающих по соединительным линиям от междугородных телефонных станций (МТС), междугородных ТВ аппаратных (МТА) и междугородных вещательных аппаратных (МВА), в сигналы, передаваемые по РРЛ, а также обратное преобразование. На ОРС начинается и заканчивается линейный тракт передачи сигналов.

С помощью УРС разветвляются и объединяются потоки информации, передаваемые по разным РРЛ, на пересечении которых и располагается УРС. К УРС относят также станции РРЛ, на которых осуществляется ввод и вывод телефонных, ТВ и других сигналов, посредством которых расположенный вблизи от УРС населенный пункт связывается с другими пунктами данной линии.

Рисунок 1.1.Условное изображение РРЛ.

На ОРС или УРС всегда имеется технический персонал, который обслуживает не только эти станции, но и осуществляет контроль и управление с помощью специальной системы телеобслуживания ближайшими ПРС. Участок РРЛ (300...500 км) между соседними обслуживаемыми станциями делится примерно пополам так что одна часть ПРС входит в зону телеобслуживания одной УРС (ОРС), а другая часть ПРС обслуживается другой УРС (ОРС).

Рисунок 1.2. структурная схема однополостного ретранслятора.

ПРС выполняют функции активных ретрансляторов без выделения передаваемых сигналов электросвязи и введения новых и, как правило, работают без постоянного обслуживающего персонала. Структурная схема ретранслятора ПРС приведена на рис. 1.2. При активной ретрансляции сигналов на ПРС используют две антенны, расположенные на одной и той же мачте. В этих условиях трудно предотвратить попадание части мощности усиленного сигнала, излучаемого передающей антенной, на вход приемной антенны. Если не принять специальных мер, то указанная связь выхода и входа усилителя ретранслятора может привести к его самовозбуждению, при котором он перестает выполнять свои функции. Эффективным способом устранения опасности самовозбуждения является разнесение по частоте сигналов на входе и выходе ретранслятора. При этом на ретрансляторе приходится устанавливать приемники и передатчики, работающие на разных частотах. Если на РРЛ предусматривается одновременная связь в прямом и обратном направлениях, то число приемников и передатчиков удваивается, и такой ствол называется дуплексным (см. рис. 1.2). В этом случае каждая антенна на станциях используется как для передачи, так и для приема высокочастотных сигналов на каждом направлении связи.

Одновременная работа нескольких радиосредств на станциях и на РРЛ в целом возможна лишь при устранении взаимовлияния между ними. С этой целью создаются частотные планы, т.е. планы распределения частот передачи, приема и гетеродинов на РРЛ.

Классификация радиорелейных линий.

РРЛ прямой видимости можно классифицировать по различным признакам и характеристикам. Рассмотрим классификацию РРЛ по наиболее важным из них.

По назначению различают: междугородные магистральные, внутризоновые, местные РРЛ.
По диапазону рабочих (несущих) частот РРЛ подразделяются на линии дециметрового и сантиметрового диапазонов. В этих диапазонах в соответствии с Регламентом радиосвязи для организации РРЛ выделены полосы частот, расположенные в области 2, 4, 6, 8, 11 и 13 ГГц. В настоящее время ведется исследование условий создания радиорелейной связи на частотах порядка 18 ГГц и выше. Переход на более высокие частоты позволил бы увеличить пропускную способность систем передачи. Однако использование столь высоких частот затруднено из-за сильного ослабления энергии радиоволн во время атмосферных осадков.
По способу уплотнения каналов и виду модуляции несущей можно выделить:

а) РРЛ с частотным уплотнением (разделением) каналов (ЧРК) и ЧМ гармонической несущей;

б) РРЛ с временным уплотнением (разделением) каналов (ВРК) и аналоговой модуляцией импульсов, которые затем модулируют несущую;

в) цифровые РРЛ, в которых отсчеты сообщений квантуются по уровням и кодируются.

По принятой в настоящее время классификации РРЛ разделяют на системы большой, средней и малой емкости.

К РРЛ большой емкости принято относить системы, позволяющие организовать в одном стволе 600 и более каналов тональной частоты (ТЧ), что соответствует пропускной способности более 100 Мбит/с. Если РРЛ позволяет организовать 60-600 или менее 60 каналов ТЧ, то эти системы относятся к линиям связи средней и малой емкости. Пропускная способность таких РРЛ равна соответственно 10-100 и менее 10 Мбит/с.

В нашей стране в основном используются комплексы аналоговых унифицированных радиорелейных систем («КУРС»), к особенностям которых можно отнести применение унифицированных блоков, экономичность, надежность, возможность создания цифровых трактов. Причем аппаратура «КУРС-4», «КУРС-6» относится к РРЛ большой емкости, а «КУРС 2», «КУРС-8» - к аппаратуре средней емкости. Более новыми РРЛ большой емкости является аппаратура «Радуга-4», «Радуга-6». В данных системах используются полупроводниковые приборы СВЧ в усилителях мощности передатчика, транзисторные малошумящие усилители, интегральные микросхемы, малогабаритные волноводы с диэлектрическим заполнением и микрополосковые линии, блоки модульного исполнения.

К современным РРЛ малой и средней емкости относятся отечественная цифровая аппаратура «Пихта-2», «Радан», «Радан-МГ», а также аналоговая аппаратура «Ракита-8».

В современных телекоммуникационных системах РРЛ используются для создания стационарных, магистральных линий связи в несколько тысяч километров для передачи больших потоков информации. В этих случаях применяют системы большой емкости. Магистральные РРЛ обычно являются многоствольными.

Стационарные РРЛ средней емкости используются для организации зоновой связи. Это линии протяженностью до 500-1500 км. Подобные РРЛ в большинстве случаев рассчитаны на передачу ТВ сигналов и сигналов радиовещания. Часто эти линии являются многоствольными и ответвляются от магистральных РРЛ.

РРЛ малой емкости применяются в местной сети связи. Кроме того, малоканальные РРЛ обеспечивают служебной связью железнодорожный транспорт, газопроводы, нефтепроводы, линии энергоснабжения.

Пропускная способность РРЛ может быть в несколько раз увеличена за счет образования новых стволов. Для этого на РРЛ станциях устанавливаются дополнительные комплексы приемопередающего оборудования, с помощью которых создаются новые высокочастотные тракты. Для сигналов разных стволов используются различные несущие частоты. Все системы многоствольной РРЛ организуются таким образом, чтобы все стволы работали независимо один от другого, были взаимозаменяемыми. Такой принцип повышает надежность всей линии в целом.

Повышение пропускной способности РРЛ за счет многоствольной работы не приводит к пропорциональному росту стоимости линии, так как многие ее элементы (антенны, станционные сооружения, опоры для подвеса антенн, источники электроснабжения) являются общими для всех стволов.

В настоящее время в наземной распределительной телекоммуникационной сети России ведется интенсивное строительство цифровых РРЛ с большой пропускной способностью. Особо следует отметить уже введенную в эксплуатацию цифровую РРЛ Москва-Хабаровск с пропускной способностью одного ствола 140 Мбит/с.

Спутниковая радиосвязь. Искусственные спутники земли (ИСЗ) связного назначения широко используются для передачи различных сообщений, организации ТВ, телефонных, телеграфных и других каналов связи.

Основной принцип создания спутниковых систем связи заключается в размещении ретрансляторов на ИСЗ. Следовательно, спутниковая система связи представляет собой РРЛ с одной промежуточной станцией, размещенной на ИСЗ. При построении спутниковых систем связи используются идеи и принципы, реализуемые в РРЛ.

По способу ретрансляции сигнала спутниковые системы делят на системы с пассивной и активной ретрансляцией.

Система, которая работает без бортовой аппаратуры, называется системой связи с пассивным спутником, или системой с пассивной ретрансляцией. В этом случае сигналы, посланные с Земли, отражаются поверхностью ИСЗ обратно без предварительного усиления. В качестве пассивных спутников могут использоваться как специальные отражатели различной формы (в виде сферических баллонов, объемных многогранников и др.), так и естественный спутник Земли - Луна. При достаточном усилении земных антенн и высокой чувствительности приемника земной станции (ЗС) этот метод радиосвязи может найти применение в системах с малой пропускной способностью. Пропускная способность подобных систем связи при современном уровне техники не превышает двух - трех телефонных сообщений.

Система радиосвязи при наличии бортовой аппаратуры называется системой с активной ретрансляцией сигнала, или системой с активным спутником. При этом энергоснабжение бортового ретранслятора осуществляется от солнечных батарей, находящихся на ИСЗ. Активная ретрансляция является основной в современных системах передачи. Для примера рассмотрим структурную схему дуплексной связи между двумя ЗС при активной ретрансляции сигнала (рис.1.3). В данном случае передаваемый в одном направлении сигнал С, подводится к модулятору 9 ЗС 8, в результате чего осуществляется модуляция колебаний с несущей частотой f,. Эти колебания от передатчика 10 подводятся к антенне 11 и излучаются в сторону ИСЗ, где принимаются бортовой антенной 7 ретранслятора 1. Далее колебания с частотой и поступают на разделительный фильтр 6, усиливаются приемником 2, преобразуются в частоту f₂ и поступают к передатчику 3 бортового ретранслятора. С выхода передатчика 3 колебания с частотой U через РФ подводятся к бортовой антенне и излучаются в сторону Земли. Эти колебания принимаются антенной 19 ЗС 1&, подводятся к приемнику 20 и детектору 21, на выходе которого выделяется сигнал С,. Передача от ЗС 15 к ЗС 8 сигнала U₂ происходит на частоте U аналогичным образом, причем на бортовом ретрансляторе осуществляется преобразование колебаний с несущей частотой f₃. в колебания с частотой f₄.

Рисунок 1.3. – Структурная схема радиосвязи через ИСЗ.

ЗС соединяются с узлами коммутации сети связи (например, с междугородной телефонной станцией - МТС), с источниками и потребителями программ телевидения, звукового вещания с помощью наземных соединительных линий.

Очень распространенным и экономически выгодным является использование связных ИСЗ для организации ТВ и радиовещания.

В настоящее время под спутниковым ТВ и радиовещанием понимается как передача ТВ сигналов (со звуковым сопровождением), так и радиовещательных звуковых сигналов от одного или нескольких земных передатчиков, связанных с центрами формирования ТВ и радиопрограмм, через ИСЗ на сеть земных приемных установок и рас пределение этих программ с целью доведения их до абонентов (телезрителей или радиослушателей) с помощью наземных средств связи (ретрансляторов различной мощности, СКТВ, средств коллективного и индивидуального приема). Как правило, в зоне обслуживания связным ИСЗ располагается сеть приемных ЗС различных типов. Для обеспечения высокого качества принимаемых ТВ и звуковых сигналов в спутниковых системах связи из-за очень больших расстоянии между ЗС и ИСЗ принимают следующие меры:

увеличивают мощность передатчика ЗС до 5... 10 кВт;
усложняют приемопередающие антенны ЗС;
используют малошумящие усилители (смесители на входе приемников);
повышают эффективность приема с ЧМ за счет увеличения девиации частоты.

В зависимости от типа ЗС и назначения системы спутниковой связи различают следующие службы радиосвязи:

фиксированная спутниковая служба (ФСС) - служба радиосвязи между ЗС, расположенными в определенных фиксированных пунктах при использовании одного или нескольких спутников;
подвижная спутниковая служба - между подвижными ЗС с участием одного или нескольких ИСЗ;
радиовещательная спутниковая служба (РВСС) - служба радиосвязи, в которой сигналы спутниковых ретрансляторов предназначены для непосредственного приема населением. При этом непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием на сравнительно простые и недорогие установки с абонентским качеством. В нашей стране к ФСС относятся системы «Орбита 2», «Экран», «Москва»; РВСС только создается.

2. Сантиметровыми волны. Сантиметровыми волнами называют СВЧ радиоизлучение, длина волны которого лежит примерно в пределах от 1 до 10 см, или, соответственно, частота от 30 до 1 ГГц. На РРЛ сравнительно широко применяются так называемые рефлекторные параболические антенны. Такая антенна состоит из отражающего зеркала и расположенного в его фокусе облучателя

Зеркало представляет собой металлическую поверхность, изготовленную из алюминиевых листов. Наиболее часто встречаются зеркала типа параболоида вращения. Облучатель такой антенны обычно представляет собой слабо направленную вибраторную антенну, либо открытый конец волновода, оканчивающийся рупором небольшого размера.

Действие параболического зеркала заключается в том, что электромагнитная волна, излучаемая облучателем, находящимся в фокусе зеркала, достигнув поверхности зеркала, отражается от него и направляется обратно к выходу зеркала уже в виде плоской волны. Отраженная плоская волна на сравнительно большом расстоянии от зеркала принимает характер сферической волны, при этом имеет гораздо большую направленность, чем первоначальное излучение, созданное облучателем.

Боковые лепестки в диаграмме направленности параболической антенны относительно велики. По экспериментальным данным у параболических антенн с коэффициентом усиления более 30 дБ интенсивность излучения в направлении противоположном максимальному на 40 ÷ 50 дБ меньше, тогда как у рупорнолинзовых и рупорно-параболических антенн это побочное излучение значительно меньше.

Большая интенсивность боковых лепестков приводит к заметному взаимному влиянию рядом стоящих антенн.

Низкий коэффициент защитного действия не позволяет использовать эти антенны при двухчастотном распределении частот.

Вторым недостатком этих антенн является наличие так называемого теневого эффекта. Суть этого эффекта в том, что облучатель параболической антенны находится на пути распространения плоской волны, отраженной от зеркала. При этом часть этой отраженной энергии облучатель поглощает, действуя как приемная антенна с определенной эффективной площадью. Часть же энергии от облучателя и крепящих облучатель деталей отращжается обратно, вызывая нарушения амплитудных и фазовых соотношений поля в раскрыве зеркала, что равносильно рассогласованию антенны с фидером.

Рассогласование, вносимое отраженной от зеркала плоской волной, можно устранить путем применения соответствующих элементов согласования в питающем облучатель фидере. Однако оказывается, что такое согласование можно обеспечить только в пределах сравнительно узкой полосы частот. Это объясняется тем, что фаза поля на пути от облучателя до зеркала и обратно зависит от частоты сигнала.

Улучшить согласование можно путем выноса облучателя из поля действия волн, отраженного от зеркала на облучатель.

Следующим недостатком параболических антенн является то, что облучатели находятся под воздействием атмосферных осадков. Так, покрытие защитного диэлектрического кожуха облучателя каплями дождя, снега или льдом создает препятствия на пути распространения электромагнитной энергии, что приводит к дополнительным отражениям.

Перечисленные недостатки, несмотря на простоту изготовления и малый вес, не позволяют использовать параболические антенны для широкополосных многоствольных систем РРЛ связи. Обычно эти антенны применяются на линиях небольшой и средней емкости, работающих на дециметровых и сантиметровых волнах.

Перископическая антенная система. Применение этой системы устраняет необходимость использования длинных фидерных линий для передачи энергии к антенне. Такая антенная система состоит из остронаправленной антенны (нижнее зеркало), размещенной у поверхности земли, и зеркала – переизлучателя, установленного на вершине башни. Это зеркало (обычно плоское) поворачивает главный максимум диаграммы направленности антенны в нужном (горизонтальном) направлении. Нижняя остронаправленная антенна может быть любого типа. Чаще всего применяется антенна с зеркалами в виде параболоида или эллипсоида вращения.

Коэффициент защитного действия перископической системы антенн составляет 54 ÷ 55 дБ, что не позволяет использовать эти антенны при двухчастотном плане. Кроме того, эта система сильно подвержена влиянию от осадков и механической деформации.

3. Общие принципы проводного вещания.

Проводным вещанием называется система, состоящая из комплекса аппаратуры и сооружений, с помощью которых сигналы звукового вещания распределяются по проводным сетям и поступает к слушателям. Этим проводное вещание отличается от радиовещания, при котором сигналы поступают на вход индивидуальных приемных устройств в виде свободно распространяющихся электромагнитных волн. Основным структурным элементом системы проводного вещания является узел проводного вещания, или радиотрансляционный узел. Узел проводного вещания содержит комплекс оборудования для приема, преобразования, усиления и передачи по проводам программ звукового вещания.

Оборудование узла состоит из станционного оборудования, линейных сооружений и абонентских устройств.

Станционное оборудование обеспечивает получение мощности, необходимой для нормальной работы всех абонентских устройств. Основными элементами станционного оборудования узлов однопрограммного вещания являются усилители звуковой частоты, а узлов трехпрограммного вещания (ТПВ) - еще и передатчики. Кроме того, к станционному оборудованию относится аппаратура регулирования передаваемых сигналов, контроля, управления, коммутации и электропитания.

Совокупность линейных сооружений образует сеть проводного вещания, ипи радиотрансляционную сеть (РТС). Она состоит из системы двухпроводных линий и вспомогательных устройств, с помощью которых энергия сигналов звукового вещания передается от усилителей и передатчиков к абонентским устройствам.

Абонентскими устройствами (АУ) являются абонентские громкоговорители для однопрограммных сетей и так называемые трехпро-граммные громкоговорители для сетей ТПВ. Трехпрограммный громкоговоритель является комбинацией абонентского громкоговорителя с приемником высокочастотных сигналов второй и третьей программ.

Система проводного вещания обладает рядом преимуществ по сравнению с системой радиовещания.

1. Экономические показатели проводного вещания выше, чем радиовещания. Передача энергии сигналов с помощью направляющих систем - линий проводного вещания - уменьшает потери энергии. Расход материала на изготовление абонентского устройства проводного вещания во много раз меньше расхода материалов на изготовление радиовещательного приемника. Удельные капитальные затраты на строительство УПВ, т.е. затраты, отнесенные к одному АУ, меньше удельных капитальных затрат на строительство передающих радиовещательных центров, а удельный расход электроэнергии в десятки раз меньше аналогичного показателя для индивидуального радиовещательного приемника, так как КПД оконечных усилителей проводного вещания много больше КПД радиовещательных передатчиков.

2. Пользование абонентским устройством проводного вещания представляет ряд преимуществ его владельцу. Абонентское устройство проводного вещания проще в обращении, надежнее и значительно дешевле радиовещательного приемника. Расходы абонента проводного вещания на электропитание абонентского устройства ничтожны или вовсе отсутствуют.

3. Качество воспроизведения вещательной программы абонентским устройством проводного вещания выше, чем качество воспроизведения массовым радиовещательным приемником.

4. Количество вещательных программ, передаваемых в пределах заданной территории, ограничено ввиду недостатка радиоканалов. Использование систем проводного вещания позволяет сравнительно просто увеличить число программ.

5. С помощью системы проводного вещания легко организовать местное вещание в пределах одного населенного пункта.

6. Система проводного вещания является хорошим средством оповещения населения о стихийных бедствиях, так как она всегда готова к действию.

Преимущества проводного вещания привели к тому, что вопреки прогнозам о неизбежном сокращении проводного вещания по мере развития радиовещания и телевидения оно продолжает успешно развиваться.

Число абонентских установок приближается к 125 млн, трехпрограммное проводное вещание внедрено более чем в 1400 населенных пунктах. В зависимости от построения РТС могут быть одно-, двух- и трех-звенными рисунок 3.1.

Рисунок. 3.1. Схемы однозвенной (а), двухзвенной (б) и трехзвенной (в) сетей проводного вещания

Однозвенные сети применяются в маломощных РТУ. Сигналы звукового вещания поступают с выхода усилителя станции (УС) на вход абонентских громкоговорителей по абонентским линиям (АЛ). Номинальное напряжение в АЛ принято равным 30 В. К одной АЛ можно подключить несколько десятков абонентских устройств, поэтому однозвенные сети применяют в небольших населенных пунктах.

Для расширения территории, обслуживаемой РТС, применяют двухзвенные сети. В таких сетях энергия сигналов вещания передается с помощью повышенного напряжения (обычно 240 В) по распределительным фидерным линиям (РФ). В местах расположения абонентов устанавливаются понижающие абонентские трансформаторы (AT), с помощью которых осуществляется питание АУ через АЛ. Распределительные фидерные линии называют вторым, а абонентские линии - первым звеном распределения.

При большой нагрузке (более 10 тью. абонентских устройств) двух-звенная сеть не может обеспечить распределение сигналов с достаточно малыми потерями. В этих случаях создают трехзвенные сети. Территория, обслуживаемая такой сетью, разбивается на зоны, в каждой из которых строят автономные двухзвенные сети. Питание этих сетей осуществляется по высоковольтным (обычно 960 В) магистральным фидерным линиям (МФ) через понижающие трансформаторные подстанции (ТП). Сеть МФ считают третьим звеном распределения.

Все городские узлы проводного вещания можно разделить на две группы: с централизованным и децентрализованным питанием сетей. При централизованном питании все мощные усилители сети установлены в одном месте - на станции. Здесь упрощается задача резервирования и обслуживания станционного оборудования, обеспечение его гарантийным энергоснабжением, но из-за сложности РТС такая система не способна обеспечить высокую надежность работы. При нагрузке более 50-100 тыс. абонентских устройств централизованные сети неприменимы.