Типы и особенности линий связи

Тема 2. Типы и особенности линий связи 2.1. Анализ процессов распространения сигналов в длинных линиях. Передачи сообщений с использованием распределенных систем возникла как результат развития методов направленной передачи телеграфных сигналов на большие расстояния. Исследования волноведущих системы, представляющих собой двухпроводные линии, связывают с именем Лехера (1890г.), хотя первый подводный кабель, связавший Англию и Америку начал свою работу в 1866 году. С тех пор появились коаксиальные кабели, коаксиальные, полые металлические и диэлектрические волноводы, полосковые линии, волоконнооптические линии и интегрально-оптические волноводы, положившие начало ускоренному развитию сверхскоростных оптических линий цифровой передачи информации. Радикально изменилась и скорость передачи сообщений, однозначно связанная с длительностью импульсов, используемых при передаче кодированного сообщения. От азбуки Морзе и телеграфного ключа или шторки, перекрывающей пучок света в оптическом телеграфе – морском ратьере человечество перешло к использованию оптических импульсов длительностью в десяток пикосекунд. За счет этого скорость передачи информации в волоконно-оптическом канале связи возросла до десятков гигабит в секунду Задача же, стоящая перед исследователями практически не претерпела изменения и по-прежнему сводится к анализу распространения сигнала в волноведущей системе от источника к приемнику. Вернемся к истокам. Для выяснения общих закономерностей распространения электрических сигналов в распределенных системах будем рассматривать двухпроводную линию - два параллельных провода, расположенных на расстоянии d << λ друг от друга. В такой линии возможно распространение волн, в которых распределения электрического и магнитного полей в поперечном сечении линии могут быть такими же, как и при протекании постоянного (стационарного) тока. Однако в другом ее сечении они могут существенно отличаются от стационарного случая. Поэтому распределение электрического и магнитного полей в линии называют квазистационарным. В общем случае задача направленной передачи сигнала с помощью линии формулируется следующим образом: на входе линии (рис. 7.1а) действует источник напряжения – сигнал f (t) , необходимо рассчитать напряжение на нагрузке линии. Распространение электромагнитных волн в линиях описывается волновыми уравнениями, которые исторически называют телеграфными уравнениями, поскольку. впервые они были использованы для описания волн в телеграфных линиях. Телеграфные уравнения являются следствием уравнений Максвелла. Хотя в уравнениях Максвелла переменными являются напряженности электрического и магнитного полей, при описании волн в линиях можно ввести интегральные характеристики в виде тока в проводах и напряжения между проводами. Для вывода телеграфных уравнений можно использовать представление линии в виде многозвенной цепи, состоящей из сосредоточенных элементов L,C, R,G (рис. 7.1 б), называемое эквивалентной схемой. При протекании тока вокруг провода возникает магнитное поле, означающее, что провод обладает индуктивностью. Участок провода длиной dx обладает индуктивностью Lп dx, где Lп – индуктивность на единицу длины (погонная индуктивность в Гн/м). Провода обладают и омическим сопротивлением, поэтому последовательно с индуктивностью в каждую ячейку следует включить сопротивление Rп dx (Rп – погонное сопротивление Ом/м). Между проводами линии существует емкость, соответственно в ячейки включены емкости Сп dx (Сп– погонная емкость Ф/м). Для общности в каждую ячейку включают и омическую проводимость между проводами Gп dx (сименс/м). Будем считать, что перечисленные параметры не зависят от силы воздействия, т.е система является линейной. 1 I Rodx Lodx I  Godx  Codx I dx x  dx x Рис.7.1. Эквивалентная схема участка двухпроводной линии Рассмотрим токи и напряжения в двух соседних ячейках. Разность токов d  dI  G dx  C dx o o dt Разность напряжений  d  IR dx  L o o dI dx dt Разделив эти уравнения на dx и устремив dx к нулю, получим уравнения в частных производных. Тогда dI d G C 0 (1) o dx o dt d dI  IR  L 0 (2) dx dt Для нахождения напряжения или тока на выходе линии или в любом ее сечении достаточно найти отклик на гармонической воздействие вида u(0,t) = Uoeiωt Далее, используя принцип суперпозиции, легко найти отклик на воздействие произвольной формы. При таком подходе мы исходим из предположения, что параметры линии не зависят от величины воздействия, в линии установились Решение уравнений (1), (2) имеет вид: o o   o ei t k x   o e hxei t kx  I  I ei t k x   I e hxei t kx  * * o o Откуда следует, что при подключении к линии генератора в ней будет распространяться бегущая волна, затухающая с расстоянием. Волновой вектор будет определяться соотношением k  2 a b   LC RG 1  1    2 a  2 2 2 o o o o 2   LG RC  1  1        LC RG  o o o 2 o 2 o o o     Коэффициент затухания h2  k 2  a   2 LoCo  RoGo  Волновое сопротивление 2 2   L G  RoCo    1 1    2 o o     LoCo  RoGo    Z  вол Z R  iL  Y G  iC o o o o o o Скорость распространения волны будет определяться соотношением V = ω/k. В случае линии без потерь (или с малым затуханием) имеем 2 k   L C  h  0 o    e  i t kx  , o V  k  1 , LC o o o I  I e  i t kx  o Z  вол Z Y o o В силу линейности рассматриваемой системы в режиме установившихся колебаний ток и напряжение в любом сечении линии будут меняться по гармоническому закону. В реальных линиях передачи имеет место дисперсия – зависимость затухания и фазовой скорости электромагнитной волны от частоты. По этой причине происходит сдвиг фаз между гармоническими составляющими сигнала и изменяется соотношение их амплитуд. В результате сложный входной сигнал f(t) , распространяясь по реальной линии передачи не только затухает, но и меняет свою форму. В частности, дисперсия показателя преломления в оптических волокнах ведет к ограничению скорости передачи информации в волоконнооптических линиях связи, благодаря уширению световых импульсов, распространяющихся в волокон. 2.1. Кабельные и воздушные линии связи на основе металлических проводников Существующие типы линий связи (ЛС) в зависимости от используемой среды распространения сигналов принято делить на проводные и линии в атмосфере (радиолинии). К линиям связи предъявляются следующие основные требования:  осуществление связи на практически требуемые расстояния;  широкополосность и пригодность для передачи различных видов сообщений;  защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помех, а также от физических воздействий (атмосферных явлений, коррозии и пр.);  стабильность параметров линии, устойчивость и надежность связи;  экономичность системы связи в целом. В простейшем случае проводная ЛС - физическая цепь, образуемая парой металлических проводников. Воздушные линии связи Воздушная линия связи образуется парой металлических проводов: С-3, С-4, М-4, БМ3, БМ-4. Где буквы обозначают материал из которого сделана линия (С – сталь, М – медь, БМ – биометалл) цифра диаметр в мм. Линии делятся на низкочастотные (<20 kHz) и высокочастотные ( до 150 kHz). Воздушные линии подразделяются на линии: междугородной телефонной связи (МТС), сельской телефонной связи (СТС), городской телефонной связи (ГТС) и радиотрансляционных сетей (РС). По своей значимости воздушные линии МТС и СТС разделяются на следующие классы:  магистральные линии МТС, соединяющие Москву с республиканскими, краевыми и областными центрами и последние между собой; внутризоновые линии МТС, соединяющие республиканские, краевые и областные центры с районными центрами и последние между собой, При совместной подвеске на одной линии цепей разного назначения класс ее определяется по высшему классу цепи. Воздушные линии подразделяются по конструкции на облегченные (О), нормальные (Н), усиленные (У) и особо усиленные (ОУ).  для облегченных линий в негололедных или малогололедных районах средняя толщина льда на проводе должна быть до 5 мм, толщина изморози – до 20 мм включительно, масса отложений на 1 м погонной длины провода – до 150 г; 3 для нормальных линий в гололедных районах толщина льда на проводе должна быть до 10 мм включительно, толщина изморози – свыше 20 мм, масса отложений на 1 м погонной длины провода – до 400 г;  для усиленных линий в гололедных районах толщина льда на проводе должна быть до 15 мм включительно, толщина изморози – свыше 20 мм, масса отложений на 1 м погонной длины провода – до 800 г;  для особо усиленных линий в гололедных районах толщина льда на проводе должна быть до 20 мм включительно, толщина изморози, – свыше 20 мм, масса отложений на 1 м погонной длины провода – до 1400 г. Расстояние между опорами воздушной линии называют длиной пролета. Длина пролета линии связи I и II классов типа О и Н принята равной 50 м, типа У – 40 м, типа ОУ – 35,7 м; для линий III класса типа О – 83,3 м, типа Н – 62,5 м, У и ОУ – 50 мм. Для линий связи установлено 11 типовых профилей опор, оснащенных крюками, траверсами или траверсами и крюками. Так, опора профиля № 1 оснащается десятью крюками; опора профиля № 5 – пятью восьмиштырными траверсами, а опора профиля № 7 – тремя четырехштырными траверсами и четырьмя крюками и т.д.  Кабельные линии связи Кабельные ЛС (кабели связи) образованы проводами с изоляционными покрытиями, помещенными в защитные оболочки. По конструкции и взаимному расположению проводников различают симметричные (СК) и коаксиальные (КК) кабели связи (Рис. 2.1). Рис. 2.1. Типичный вид симметричного (а) и коаксильного (б) кабеля Коаксиальный кабель представляет собой два цилиндра с совмещенной осью, причем один цилиндр - сплошной внутренний проводник, концентрически расположен внутри другого полого цилиндра (внешнего проводника). Проводники изолированы друг от друга диэлектрическим материалом. Рассмотрим основные параметры кабелей с металлическими проводниками. Коэффициент затухания , дБ/км. Зависит от свойств материалов проводников и изоляционного материала. Наилучшими свойствами (малым сопротивлением) обладают медь и серебро. Коэффициент затухания зависит также от геометрических размеров проводников. СК с большими диаметрами проводников обладают меньшим коэффициентом затухания. Коэффициент затухания КК зависит от соотношения диаметров внешнего и внутреннего проводника (Рис. 2.2). Оптимальными соотношениями являются (материал внешнего проводника): для меди - 3.6, для алюминия - 3.9, для свинца - 5.2. 4 Рис. 2.2. Зависимость коэффициента затухания КК от соотношения диаметров проводников Очень важной характеристикой, фактически определяющей широкополосность системы связи, является зависимость коэффициента затухания от частоты (Рис. 2.3). Если определен граничный коэффициент затухания  ГР (обычно он определяется возможностями усилителей или регенераторов), то данному коэффициенту соответствует граничная частота пропускания системы fГР. Полоса пропускания системы не превышает граничной частоты пропускания. Рис. 2.3. Частотная зависимость коэффициента затухания металлического кабеля Скорость распространения v, км/мс. Частотная зависимость скорости распространения показана на Рис. 2.4. С ростом частоты скорость распространения увеличивается, приближаясь к скорости света в вакууме vС 300 км/мс. Данный параметр зависит также от свойств диэлектрика, применяемого в кабеле. Рис. 2.4. Частотная зависимость скорости распространения электромагнитной волны Волновое сопротивление ZВ (Ом) - сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения, т.е. при условии, что на процесс передачи не влияют несогласованности на концах линии. Волновое сопротивление СК зависит от удельных значений емкости и индуктивности кабеля. Для КК волновое сопротивление определяется как 5 Z  B 1 D Z ln  , 2 d Д где ZД - волновое сопротивление диэлектрика, D и d - соответственно диаметры внешнего и внутреннего проводников. Основные требования к СК определены в рекомендации МСЭ-Т G.613. Диаметр жилы СК обычно составляет 0.4...1.2 мм. СК обычно используются в диапазоне частот до 10 МГц. Основные параметры КК приведены в Табл. 2.1. Табл.2.1 Тип КК Диаметр проводника внеш- Рекомендация Рабочая полоса чаний/внутренний, мм МСЭ-Т стот, МГц Мини-КК 0.7 / 2.9 G.621 0.2...20 Малогабаритный КК 1.2 / 4.4 G.622 0.06...70 Нормализованный КК 2.6 / 9.5 G.623 0.06...300 В настоящее время выпускается широкая номенклатура кабелей, отличающихся в зависимости от назначения, области применения, условий прокладки и эксплуатации и пр. На Рис. 2.5 приведен пример конструкции кабеля для магистральной сети КМБ-8/7. В конструкции кабеля предусмотрено несколько коаксиальных цепей разного типа, несколько симметричных пар, а также отдельные изолированные жилы. Последние обычно используются для технологических целей. Рис. 2.5. Пример конструкции кабеля (кабель КМБ-8/7) Кабели типа «витая пара». Симметричная цепь состоит из двух совершенно одинаковых в электрическом и конструктивном отношениях изолированных проводников. Различают экранированные и неэкранированные кабели. Данные кабели применяются часто для прокладки компьютерных сетей. Категории неэкранированной витой пары описываются в стандарте EIA/TIA 568 (Американский стандарт проводки в коммерческих зданиях). • CAT1 (полоса частот 0.1 МГц) – телефонный кабель, всего одна пара (в России применялся кабель и вообще без скруток – «лапша» – у нее характеристики не хуже, но больше влияние помех). В США использовался ранее, только в «скрученном» виде. Используется только для передачи голоса или данных при помощи модема. • CAT2 (полоса частот 1 МГц) – старый тип кабеля, 2-е пары проводников, поддерживал передачу данных на скоростях до 4 Мбит/с, использовался в сетях token ring и ARCNet. • CAT3 (полоса частот 16 МГц) – 4-х парный кабель, использовался при построении локальных сетей 10BASE-T и token ring, поддерживает скорость передачи данных до 10 Мбит/с или 100 МБит/с по технологии 100BASE-T4. В отличие от предыдущих 6 • • • • двух, отвечает требованиям стандарта IEEE 802.3. Также до сих пор встречается в телефонных сетях. CAT4 (полоса частот 20 МГц) – кабель состоит из 4-х скрученных пар, использовался в сетях token ring, 10BASE-T, 100BASE-T4, скорость передачи данных не превышает 16 Мбит/с по одной паре, сейчас не используется. САТ5 (полоса частот 100 МГц) – 4-х парный кабель, это и есть то, что обычно называют кабель «витая пара», благодаря высокой скорости передачи, до 100 Мбит/с при использовании 2-х пар и до 1000 Мбит/с, при использовании 4-х пар, является самым распространённым сетевым носителем, использующимся в компьютерных сетях до сих пор. При прокладке новых сетей пользуются несколько усовершенствованным кабелем CAT5e (полоса частот 125 МГц), который лучше пропускает высокочастотные сигналы. Ограничение на длину кабеля между устройствами (компьютер-свитч, свитч-компьютер, свитч-свитч) 100 м. CAT6 (полоса частот 250 МГц) – применяется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, состоит из 4-х пар проводников и способен передавать данные на скорости до 1000 Мбит/с. Добавлен в стандарт в июне 2002 года. Существует категория CAT6a, в которой увеличена частота пропускаемого сигнала до 500 МГц. По данным IEEE 70 % установленных сетей в 2004 году, использовали кабель категории CAT6. CAT7 – Спецификация на данный тип кабеля пока не утверждена, скорость передачи данных до 100 Гбит/с, частота пропускаемого сигнала до 600–700 МГц. Кабель этой категории экранирован. Благодаря двойному экрану длина кабеля может превышать 100 м. 2.3. Волоконно-оптические линии связи Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с линиями связи на основе металлических кабелей. К ним относятся: большая пропускная способность, малое затухание, малые масса и габариты, высокая помехозащищенность, надежная техника безопасности, практически отсутствующие взаимные влияния, малая стоимость из-за отсутствия в конструкции цветных металлов. В ВОЛС применяют электромагнитные волны оптического диапазона. Напомним, что видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн 380...760 нм. Практическое применение в ВОЛС получил инфракрасный диапазон, т.е. излучение с длиной волны более 760 нм. Принцип распространения оптического излучения вдоль оптического волокна (ОВ) основан на отражении от границы сред с разными показателями преломления (Рис. 2.7). Оптическое волокно изготавливается из кварцевого стекла в виде цилиндров с совмещенными осями и различными коэффициентами преломления. Внутренний цилиндр называется сердцевиной ОВ, а внешний слой - оболочкой ОВ. Рис. 2.7. Принцип распространения оптического излучения Угол полного внутреннего отражения, при котором падающее на границу двух сред излучение полностью отражается без проникновения во внешнюю среду, определяется соотношением   arccos(n / n ) , где n1 - показатель преломления сердечника ОВ, n2 - показатель преломления оболочки ОВ, причем n1 > n2. Излучение должно вводится в волокно под углом к оси меньшим  КР. В зависимости от вида профиля показателя преломления сердцевины различают ступенчатые и градиентные ОВ. У ступенчатых ОВ показатель преломления сердцевины поКР 2 1 7 стоянен (Рис. 2.8, а). У градиентных ОВ показатель преломления сердцевины плавно меняется вдоль радиуса от максимального значения на оси до значения показателя преломления оболочки (Рис. 2.8, б). Рис. 2.8. Профиль показателя преломления ступенчатого (а) и градиентного (б) ОВ. В ОВ может одновременно существовать несколько типов волн (мод). В зависимости от модовых характеристик ОВ со ступенчатым профилем преломления делятся на два вида: многомодовые и одномодовые. Количество мод зависит от значения нормированной частоты D V n n ,  где D - диаметр сердцевины ОВ,  - рабочая длина волны. Одномодовый режим реализуется при V < 2.405. Заранее определенными и сравнительно малыми величинами являются рабочая длина волны и разность показателей преломления n=n1-n2. Обычно ОВ изготавливают с величиной n=0.003...0.05. Поэтому диаметр сердцевины одномодовых волокон также является малой величиной и составляет 5...15 (обычно 9 или 10) мкм. Для многомодовых волокон диаметр сердцевины составляет около 50 (обычно 50 или 62,5) мкм. Диаметр оболочки у всех типов ОВ 125 мкм. Диаметр защитного покрытия - 500 мкм. Наружный диаметр кабеля с числом ОВ от 2..32 с учетом всех защитных оболочек и элементов обычно составляет 5..17 мм. На Рис. 2.9 приведен пример конструкции оптического кабеля. 2 2 1 2 Рис. 2.9. Конструкция оптического кабеля: 1 - ОВ, 2 - полиэтиленовая трубка, 3 - силовой элемент, 4 и 5 - соответственно внутренняя и внешняя полиэтиленовые оболочки. Затухание ОВ неоднородно для разных длин волн. Зависимость коэффициента затухания ОВ от рабочей длины волны приведена на Рис. 2.10. Данная зависимость имеет три минимума, называемые окнами прозрачности. Исторически первым было освоено первое окно прозрачности на рабочей длине волны 0.85 мкм. 8 Рис. 2.10. Спектральная характеристика коэффициента затухания ОВ Первые полупроводниковые излучатели (лазеры и светодиоды) и фотоприемники были разработаны именно для данной длины волны. Коэффициент затухания в первом окне значителен и составляет единицы дБ/км. Позднее были созданы излучатели и фотоприемники, способные работать на больших длинах волн (1,3 и 1,55 мкм). Современные системы связи обычно используют второе или третье окно с малыми коэффициентами затухания. Современная технология позволяет получить ОВ с коэффициентом затухания порядка сотых долей дБ/км. 2.4. Радио линии В тех случаях, когда возникают трудности прокладки проводных линий связи, используются радиолинии. Принципиальное отличие радиосистем передачи информации заключается в том, что условия распространения радиоволн в радиолинии нестационарны, т.е. подвержены непрерывным изменениям, зависящим от времени и частоты. Однако, передача с помощью радиоволн в некоторых случаях является единственным методом связи (например, связь с подвижными объектами). На ВСС применяются различные системы радиосвязи: радиорелейные прямой видимости и тропосферные, спутниковые, на декаметровых волнах, ионосферные и пр. Для обеспечения односторонней радиосвязи (Рис. 2.11) в пункте, из которого ведется передача сигналов, размещают радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик РПер и передающую антенну АПЕР, а пункте, в котором ведется прием сигналов - радиоприемное устройство, содержащее приемную антенну АПР и радиоприемник РПр. Антенны подключаются к приемопередающему оборудованию при помощи фидерных трактов Ф. Для двухстороннего обмена сигналами нужно иметь два комплекта оборудования. Двухсторонняя радиосвязь может быть симплексной или дуплексной. При симплексной радиосвязи передача и прием ведутся поочередно. Радиопередатчики в конечных пунктах в этом случае могут работать на одинаковой частоте, на эту же частоту настроены и радиоприемники. Радиопередатчик включается только на время передачи. Рис. 2.11. Структура системы радиосвязи При дуплексной радиосвязи передача осуществляется одновременно с приемом. Для связи должны быть выделены две разные частоты для передачи в разных направлениях. Радиопередатчики и радиоприемники абонентов включены в течение всего сеанса связи. Радиопередающие устройства 9 В функциональном смысле под радиопередающим устройством понимается комплекс оборудования, предназначенный для формирования и излучения радиочастотного сигнала (радиосигнала). В качестве функциональных узлов в состав радиопередатчика входят генератор несущей и модулятор. Как правило, генератор несущей и модулятор строятся по многокаскадной схеме. Кроме того, в состав радиопередающих устройств (особенно мощных) входит много другого оборудования: источники питания, средства охлаждения, автоматического и дистанционного управления, сигнализации, защиты и блокировки и пр. Основные показатели радиопередающих устройств условно могут быть разделены на три группы: энергетические, показатели электромагнитной совместимости и качественные. Важнейшими энергетическими показателями радиопередающего устройства являются номинальная мощность и промышленный коэффициент полезного действия. Под номинальной мощностью радиопередающего устройства P понимают среднее за период радиочастотного колебания значение энергии, подводимой к антенне. Промышленный коэффициент полезного действия КПД представляет собой отношение номинальной мощности P к общей PОБЩ, потребляемой от сети переменного тока радиопередающим устройством  P 100% . P Общ Основными показателями электромагнитной совместимости являются диапазон рабочих частот, нестабильность частоты колебаний и внеполосные излучения. Диапазоном рабочих частот называют полосу частот, в которой радиопередающее устройство обеспечивает работу в соответствии с требованиями стандарта. Под нестабильностью частоты радиопередатчика понимают отклонение частоты колебаний на его выходе за определенный промежуток времени относительно установленной частоты. Малая нестабильность (высокая стабильность) частоты позволяет ослабить помехи радиоприему. Внеполосными называют такие излучения, которые расположены вне полосы, отведенной для передачи полезных сообщений. Внеполосные излучения являются источником дополнительных помех радиоприему. В случае подавления внеполосных излучений качество передачи сигнала не ухудшается. По назначению радиопередающие устройства делятся на связные, радиовещательные и телевизионные. По диапазону рабочих частот радиопередающие устройства подразделяются в соответствии с классификацией видов радиоволн. В зависимости от номинальной мощности радиопередающие устройства делятся на маломощные (до 100 Вт), средней мощности (от 100 до 10 000 Вт), мощные ( от 10 до 500 кВт) и сверхмощные (свыше 500 кВт). Специфика эксплуатации позволяет выделить стационарные и подвижные радиопередающие устройства (автомобильные, самолетные, носимые и т.д.). Радиоприемные устройства Радиоприем - это выделение сигналов из радиоизлучения. В том месте, где ведется радиоприем, одновременно существуют радиоизлучения от множества естественных и искусственных источников. Мощность полезного радиосигнала составляет очень малую долю мощности общего радиоизлучения в месте радиоприема. Задача радиоприемного устройства сводится к выделению полезного радиосигнала из множества других сигналов и возможных помех, а также к воспроизведению (восстановлению) передаваемого сообщения. Основными (в смысле универсальности) показателями радиоприемных устройств являются диапазон рабочих частот, чувствительность, избирательность и помехоустойчивость. Диапазон рабочих частот определяется диапазоном возможных частот настройки. Другими словами, это область частот настройки, в пределах которой радиоприемное устройство может плавно или скачкообразно перестраиваться с одной частоты на другую. Чувствительность является мерой способности радиоприемного устройства обеспечивать прием слабых радиосигналов. Количественно оценивается минимальным значением ЭДС сигнала на входе радиоприемного устройства, при котором имеет место требуемое отношение сигнал-шум на выходе при отсутствии внешних помех. 10 Свойство радиоприемного устройства, позволяющее отличать полезный радиосигнал от радиопомехи по определенным признакам, свойственным радиосигналу, называется избирательностью. Иначе, это способность радиоприемного устройства выделять нужный радиосигнал из спектра электромагнитных колебаний в месте приема, снижая мешающие радиосигналы. Различают пространственную и частотную избирательности. Пространственная избирательность достигается за счет использования антенны, обеспечивающей прием нужных радиосигналов с одного направления и ослабление радиосигналов с других направлений от посторонних источников. Частотная избирательность количественно характеризует способность радиоприемного устройства выделять из всех радиочастотных сигналов и радиопомех, действующих на его входе, сигнал, соответствующий частоте настройки радиоприемника. Помехоустойчивостью радиоприемного устройства называется его способность противодействовать мешающему действию помех. Количественно помехоустойчивость оценивается тем максимальным значением уровня помехи в антенне, при котором еще обеспечивается прием радиосигналов. Радиоприемные устройства можно классифицировать по различным признакам. Например, по схемным решениям радиоприемные устройства могут быть прямого усиления и супергетеродинные. По назначению можно выделить радиовещательные (обычно называемые как радиоприемники или приемники), телевизионные (телевизоры), профессиональные, специальные радиоприемные устройства. К профессиональным относятся магистральные радиоприемные устройства декаметрового диапазона, радиорелейных и спутниковых ЛС. Среди радиоприемных устройств специального назначения следует назвать, например, радиолокационные, радионавигационные, самолетные и т.д. Радиорелейные линии Радиосистема передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, называется радиорелейной системой передачи. Рис. 2.12. Принцип радиорелейной связи На частотах ОВЧ- и СВЧ-диапазона надежная связь с низким уровнем помех может быть получена только в условиях прямой видимости между антеннами, излучающими радиоволны. Расстояние между антеннами радиорелейных систем зависит от структуры земной поверхности и высоты антенн над ней. Типичные расстояния составляют 40 - 50 км при высотах башен и мачт, на которых устанавливаются антенны, около 100 м. Ограниченность расстояния прямой видимости не следует рассматривать как недостаток. Именно за счет невозможности свободного распространения радиоволн на большие расстояния устраняются взаимные помехи между радиорелейными системами передачи внутри одной страны и разных стран. Кроме того, в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Антенны могут работать в режиме передачи и приема для одновременной передачи в противоположных направлениях с использованием двух частот: f1 и f2. При этом, если станция передает сигнал на частоте f1 и принимает на частоте f2, то соседние с ней станции передают на частоте f2, а принимают на частоте f1. Эта пара частот, соответствующая двухчастотному плану частот МСЭ-Р, образует радиочастотный ствол. 11 Радиорелейные линии (РРЛ) занимают диапазоны ОВЧ и СВЧ, причем граница между аналоговыми и цифровыми радиорелейными системами (РРС) лежит вблизи частоты 11 ГГц. Аналоговые РРС предназначены в основном для передачи многоканальных телефонных сигналов в аналоговой форме и сигналов данных с низкой и средней скоростью по каналам ТЧ, а также сигналов телевидения. Цифровые РРС используются для организации цифровых трактов со скоростями от 2 до 140 Мбит/с. Большинство станций РРЛ составляют промежуточные радиостанции (ПРС), играющие роль активных ретрансляторов. На всех станциях РРЛ целесообразно иметь однотипную, унифицированную приемопередающую аппаратуру (ППА), удовлетворяющую требованиям заданного частотного плана. Перспективным вариантом построения ППА является вариант с усилением на СВЧ и преобразованием частоты (Рис. 2.12). Недостатком подобной схемы является необходимость обработки сигнала на СВЧ. Рис. 2.13. Приемопередающая аппаратура с усилением на СВЧ и преобразованием частоты Наиболее часто используются ППА, в которой обработка сигналов производится на промежуточной частоте fПЧ (Рис. 2.14). Номинальное значение fПЧ выбирается в соответствии с рекомендациями МСЭ-Р и обычно составляет 70 МГц. Рис. 2.14. Приемопередающая аппаратура с обработкой на промежуточной частоте Применение промежуточной частоты для обработки сигнала позволяет унифицировать аппаратуру усиления сигнала, а также ввода и вывода информационных сигналов на промежуточных, узловых и оконечных станциях. 2.5. Спутниковые системы связи 23 апреля 1965 года был запущен на высокую эллиптическую орбиту первый отечественный спутник связи "Молния-1", который ознаменовал становление в нашей стране спутниковой радиосвязи. Почти одновременно в США был запущен на геостационарную орбиту первый спутник коммерческой связи Intelsat-1. Таким образом, была реализована заманчивая идея резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора высоко над поверхностью Земли, что позволило обеспечить одновременную радиовидимость расположенных в разных точках обширной территории радиостанций. Преимуществами систем спутниковой связи (СС) являются большая пропускная способность, глобальность действия и высокое качество связи. Конфигурация систем СС зависит от типа искусственного спутника Земли (ИСЗ), вида связи и параметров земных станций. Для построения систем СС используются в основном 12 три разновидности ИСЗ (Рис. 6.67) - на высокой эллиптической орбите (ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной орбите (НВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои преимущества и недостатки. Рис. 6.67. Виды орбит ИСЗ Примером ИСЗ с ВЭО могут служить отечественные спутники типа "Молния" с периодом обращения 12 часов, наклонением 63 , высотой апогея над северным полушарием 40 тысяч км. Движение ИСЗ в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6..8 ч. Преимуществом данного типа ИСЗ является большой размер зоны обслуживания при охвате большей части северного полушария. Недостатком ВЭО является необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий. Уникальной орбитой является ГСО - круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, лежащая в плоскости экватора, с высотой 35875 км от поверхности Земли. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Достоинства ГСО: зона обслуживания составляет около трети земной поверхности, трех спутников достаточно для почти глобальной связи, антенны земных станций практически не требуют систем слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях. "Низколеты" запускаются на круговые орбиты, плоскость которых наклонена к плоскости экватора (полярные и квазиполярные орбиты) с высотой порядка 200..2000 км над поверхностью Земли. Запуск легкого ИСЗ на низкую орбиту может быть осуществлен с помощью недорогих пусковых установок. Однако скорость перемещения ИСЗ относительно поверхности Земли достаточно велика, в результате длительность сеанса от восхода спутника до его захода не превышает несколько десятков минут. Диапазоны рабочих частот систем СС регламентированы МСЭ-Р, различны для участков Земля-ИСЗ и ИСЗ-Земля и лежат в пределах 2..40 ГГц. Для систем СС существуют некоторые особенности передачи сигналов:  запаздывание сигналов - для геостационарной орбиты около 250 мс в одном направлении. Является одной из причин появления эхосигналов при телефонных переговорах;  эффект Доплера - изменение частоты сигнала, принимаемого с движущегося источника. Для скоростей много меньших скорости света vr/c<<1 изменение частоты составляет f=f0/(1 vr/c). Наиболее сильно эффект Доплера проявляется для ИСЗ, использующих негеостационарные орбиты. В зависимости от назначения системы СС и типа земных станций регламентом МСЭ различаются следующие службы:  фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также распределения телевизионных программ;  подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещаемыми на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и пр.);  радиовещательная спутниковая служба для непосредственной передачи радио и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у абонентов. 13 Фиксированная спутниковая служба (ФСС). На начальном этапе развития ФСС развивалась в направлении создания систем магистральной связи с применением крупных земных станций с диаметрами зеркала антенн порядка 12..30 м. В настоящее время функционирует около 50 систем ФСС. В качестве примеров можно отметить отечественные системы СС "Молния-3", "Радуга", "Горизонт" и международные системы Intelsat и Eutelsat. Развитие ФСС идет по направлениям увеличения срока службы ИСЗ, повышения точности удержания ИСЗ на орбите, разработки и совершенствования многолучевых антенн, а также возможности работы на антенны земных станций малого диаметра (1,2..2,4 м) (системы VSAT). Подвижная спутниковая служба (ПСС). В силу международного характера работы транспорта для его управления создаются международные системы глобальной спутниковой связи, например, система морской спутниковой связи Inmarsat, которая введена в действие в 1982 году. Функционально она содержит геостационарные спутники, расположенные над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами; береговые станции, установленные на различных континентах, и разветвленную сеть судовых станций различных стандартов. В настоящее время системой Inmarsat пользуется около 15 тысяч судов. В рамках организации Inmarsat решается проблема создания системы авиационной спутниковой связи. Успехи в космических технологиях последних лет, а также достижения в микроэлектронике, появление эффективных алгоритмов параметрического компандирования речевых сигналов (см. подраздел 8.2.5), разработка лазерных линий межспутниковой связи вызвали большой интерес к использованию легких низколетящих ИСЗ для ПСС. Поддержание большой (десятки аппаратов) группировки ИСЗ на НВО для обеспечения непрерывности связи оказывается экономически целесообразно, во-первых, ввиду упоминавшейся выше относительно малой стоимости вывода спутника на НВО и, во-вторых, в связи возможностью создания систем с малогабаритными абонентскими станциями, имеющими изотропные антенны. Ожидается, что к 2000 году будет запущено около 3000 таких ИСЗ. Различают два типа СС с НВО. В наиболее простых из них пакеты информации передаются через ИСЗ-ретранслятор непосредственно или с задержкой на время пролета по трассе. Второй тип систем обеспечивает непрерывную связь. Зоны радиовидимости отдельных ИСЗ объединяются в единое информационное пространство. Примером такой системы служит международный проект Iridium, возглавляемый фирмой Motorola. Система базируется на 66 легких (масса 689 кг) ИСЗ, равномерно размещенных на 6 полярных орбитах (по 11 ИСЗ на каждой орбите) высотой 780 км, плоскости которых разнесены на 30 , но совпадают по фазам движения. Каждый ИСЗ связан с четырьмя соседними. Ретранслятор работает на многолучевую антенну с числом лучей 48, что позволяет организовать в системе 2100 активных лучей одновременно, т.е. создать сотовую зону обслуживания на всей поверхности Земли. В системе принят многостанционный доступ с частотно-временным разделением каналов, для межспутниковых линий и станций сопряжения предусматривается диапазон частот "K" 19..29 ГГц, для абонентских линий "Земля-ИСЗ" и "ИСЗ-Земля" - использование двух полос в диапазоне частот "L" 1610..1626,5 МГц. Система Iridium сможет охватить связью до 1,5 млн. абонентов. Начало коммерческой эксплуатации системы планируется в 1998 году. Планируется применение двухрежимных абонентских терминалов: режим Iridium и режим одного из стандартов сотовой подвижной связи (например, GSM). При нахождении абонента в зоне обслуживания системы сотовой связи, он обслуживается данной системой. Когда абонент покидает зону обслуживания системы сотовой связи, автоматически происходит его переключение на обслуживание системой СС Iridium. 14