Определение радиорелейной связи противопоставляют прямой радиосвязи. Сообщение абонента многократно передаётся промежуточными звеньями цепи, образующими радиорелейную линию (РРЛ). Название заложено англичанами: relay - смена. Физические особенности распространения заставили инженеров применять ультракороткие волны (УКВ): дециметровые, сантиметровые, реже, метровые. Потому что длинные самостоятельно способны обогнуть Земной шар. Причина применения радиорелейных линий объясняется необходимостью заложить большой объем информации, невозможный на низких частотах. Ограничения объясняет теорема Котельникова.

Примечание. Тропосферную связь считают подвидом радиорелейной.

Достоинства метода

1. Первое преимущество названо – возможность заложить больший объем информации. Число каналов пропорционально ширине пропускания приёмопередающей аппаратуры. Величину повышает рост частоты. Упомянутый факт обусловлен формулами, описывающими колебательный контур, иные избирательные участки электрической цепи.
2. Линейность распространения УКВ обусловливает высокие направленные свойства. Направленность растёт с увеличением площади антенны относительно длины волны. Короткие проще охватить тарелкой. Например, дальняя связь осуществляется длинами, достигающими километров. Сантиметровые, дециметровые волны легко охватываются сравнительно малыми параболоидами, значительно снижая требуемую мощность (за исключением случая тропосферной передачи информации), уровень помех. Шумы фактически ограничены внутренней неидеальностью входных каскадов приёмника.
3. Устойчивость объясняется фактом прямой видимости тандема передатчик-приёмник. Мало влияния оказывают погода, время дня/года.

Указанные преимущества уже в начале второй половины XX века позволяли экономистам сопоставлять экономическую эффективность цепочки с кабелем. Допускалась возможность передачи аналоговых телевизионных каналов. Оборудование вышек значительно сложнее регенераторов. Однако кабелю восполнять сигнал приходится каждые 6 км. Вышки обычно разделены дистанциями 50-150 км, расстояние (км) ограничено величиной, равной квадратному корню из высоты вышки (м), умноженному на 7,2. Наконец, вечная мерзлота сильно усложняет прокладку кабельных линий, лепту вносят болота, скалы, реки.

Эксперты отмечают простоту развёртывания системы, экономию цветных металлов:

• Медь.
• Свинец.
• Алюминий.

Отмечается малая эффективность автономных вышек. Неизбежно требуется обслуживающий персонал. Необходимо людей расквартировать, назначить несение вахты.

Принцип действия

Линия обычно реализует дуплексный (двунаправленный) режим передачи информации. Чаще применяли частотное деление каналов. Первыми европейскими соглашениями установили участки спектра:

• Дециметровые волны:

1. 460-470 МГц.
2. 1300-1600 МГц.
3. 1700-2300 МГц.

• Сантиметровые:

1. 3500-4200 МГц.
2. 4400-5000 МГц.
3. 5925-8500 МГц.
4. 9800-10.000 МГц.

Метровые волны способны огибать препятствия, допускается использование ввиду отсутствия непосредственной видимости. Частоты выше 10 ГГц невыгодны, поскольку превосходно поглощаются осадками. Послевоенные конструкции компании Белла (11 ГГц) оказались неконкурентоспособными. Участок спектра чаще выбирают сообразно получению необходимого числа каналов.

История

Цифровой набор предложили раньше импульсного. Однако реализация идеи запоздала на 60 лет. Судьбу антибиотиков повторяет радиорелейная связь.

Изобретение идеи

Историки единогласно отдают приоритет открытия Иоганну Маттаушу, написавшему (1898) в журнале Заметки электротехника (том 16, 35-36) соответствующую публикацию. Критики отмечают несостоятельность теоретической части, предлагавшей создать телеграфные ретрансляторы. Однако год спустя Эмилем Гуарини-Форестио построен первый работоспособный экземпляр. Уроженец итальянской общины Фазано (Апулия), будучи студентом, 27 мая 1899 года запатентовал в бельгийском подразделении радио-репитер. Дату считают официальным днём рождения радиорелейной связи.

Устройство представлено комбинацией приёмопередающей аппаратуры. Конструкция производила демодуляцию принятого сигнала, последующее формирование, излучение ненаправленной антенной, формируя широковещательный канал. Фильтр защищал приёмный тракт от мощного излучения передатчика.

Ощущая недостатки представленной конструкции, Гуарини-Форезио (декабрь 1899) патентует (Швейцария, №21413) конструкцию направленной спиральной антенны (круговая поляризация), снабжённой металлическим рефлектором. Устройство исключало взаимный перехват вышками чужих сообщений. Дальнейшее усовершенствование произведено тесным сотрудничеством с Фернандо Понтселе. Вместе изобретатели провели попытку установить связь меж Брюсселем и Антверпеном, используя Малины промежуточным пунктом, местом базирования ретранслятора.

Конструкцию снабдили цилиндрическими антеннами диаметром 50 см, снабдив аппаратурой высотное здание. Отталкиваясь от результатов, полученных жарким июнем 1901 года, началась подготовка линии Париж – Брюссель дальностью 275 км. Шаг установки ретрансляторов составил 27 км. Декабрь принёс задумке успех, обеспечив время задержки сообщения 3..5 секунд.

Завидя радужные перспективы, Гуарини витал в облаках, предвкушая коммерческий успех (эквивалентный прибылям компании Белла) радиорелейной связи, устраняющей проблемы дальности. Реальность внесла коррективы. Потребовался широкий ассортимент решений:

1. Питание приёмопередающей аппаратуры.
2. Конструирование более удобоваримых антенн.
3. Снижение стоимости оборудования.

Лишь 30 лет спустя изобретение подходящих электронных высокочастотных ламп позволило идее выплыть на поверхность. Изобретатель удостоился ордена Короны Италии.

Ламповые конструкции покоряют Ла-Манш

В 1931 году англо-французский консорциум (Компания международного телефона и телеграфа, Англия; Лаборатория телефонного оборудования, Франция), возглавляемый Андрэ Клавиром, покорил Ла-Манш (Дувр-Кале). Событие осветил журнал Radio News (август, 1931 г, стр. 107). Напомним суть проблемы: прокладка подводного кабеля обходится дорого, разрыв линии означает необходимость тратить значительные средства на ремонт. Инженеры двух стран решили преодолеть водное пространство (40 км) семидюймовыми (18 см) волнами. Экспериментаторы передали:

1. Телефонный разговор.
2. Кодированный сигнал.
3. Изображения.

Система параболических антенн диаметром 10 футов (19-20 длин волн) давала два параллельных луча, конфигурация автоматически блокировала явление интерференции. Мощность потребления передатчика составила 25 Вт, КПД – 50%. Положительные результаты заставили предполагать возможность генерации более высоких частот, включая оптические. Сегодня очевидна нецелесообразность подобных замашек. Технические характеристики используемых вакуумных ламп замалчивались организаторами, упоминался лишь общий принцип действия, изобретённый Хайнрихом Баркхаузеном (Университет Дрездена), усовершенствованный французским экспериментатором Пирье. Затейники выражали благодарность учёным-предшественникам:

1. Глагольева-Аркадьева А.А. изобрела (1922) микроволновый генератор (5 см..82 мкм) из взвешенных в масляном сосуде алюминиевых опилок.
2. Профессор Эрнест Николс, доктор Тир проводили аналогичные исследования в США, добившись генерации волн, сравнимых с инфракрасным диапазоном.
3. Разработчикам помогли бесчисленные эксперименты Густава Ферье, занимавшегося миниатюризацией вакуумных приборов в попытке снизить длину волны.

Ключом стала идея Баркхаузена получать колебания прямо внутри лампы (принцип действия современных магнетронов). Наблюдатели сразу отметили возможность закладки множества каналов. Дециметровое вещание тогда полностью отсутствовало. Диапазон на четыре порядка шире волн, широко используемых тогда телевидением. Резкий рост числа каналов вещания становился настоящей проблемой. Открываемые дециметровым спектром возможности явно превышали потребности.

Уже тогда заметка предполагала использование атомных переходов для генерации волн высокой частоты. Обсуждалось рентгеновское излучение. Журналисты окончили всеобщим призывом инженеров осваивать открывающиеся перспективы.

Дубль два

Несколькими годами позже опыты возобновились. Линия длиной 56 км соединила берега пролива:

1. Община святого Инглевера (Франция).
2. Замок Лимпн (Кент, Великобритания).

Создатели линии рассчитывали серьёзно устроиться, поставив две стальные вышки, украшенные параболическими антеннами диаметром 9,75 фута. Генератор спрятался позади рефлектора, тонкое жало волновода пробивало тарелку, облучатель сформирован шаровидным зеркалом. Оператору построили наземный пункт управления, оборудовав необходимыми панелями, включая регулятор напряжения. Функциональный набор предполагал использование азбуки Морзе, факса, телерадиовещания.

Супергетеродинный приёмник с кварцевой стабилизацией понижал входной сигнал до 300 кГц, декодируя амплитудную модуляцию. Согласно заявлениям организаторов, оснастка призвана заменить морские телефонные, телеграфные кабели. Американская компания Белла построила аналогичную систему, форсировав залив Кейп-Код.

Технологии радаров Второй мировой

Начавшаяся Вторая мировая война подстегнула развитие микроволновых генераторов. Помогли начинаниям американские (Стэнфорд) изобретатели клистрона (1937) Рассел и Зигмунд Варианы. Новые лампы помогли создать усилители, генераторы СВЧ диапазона. Ранее повально применяли трубки Баркхаузена-Курца, магнетроны с расщепленным анодом, выдающие слишком малую мощность. Демонстрация прототипа успешно прошла 30 августа 1937 года. Западные разработчики немедля занялись построением станций воздушного обзора.

Братья создали организацию, занимающуюся коммерциализацией изобретения. Линейный ускоритель протонов помогал медикам лечить некоторые заболевания (рак). Принцип действия использует концепцию модуляции скорости (1935) Оскара Хайля и его жены. Хотя эксперты предполагают полную неосведомлённость Варианов относительно существования сего научного труда.

Работы американского физика Хансена (1939) по ускорению частиц могли быть использованы с целью замедления электронов, передающих энергию выходному тракту радиочастоты. Резонатор Хансена иногда называют румбатроном. Клистроны использовались преимущественно фашистами, станции союзников начинялись магнетронами. Армия США построила мобильные системы связи на базе грузовых машин, переплывшие океан помогать союзникам. Армейцам понравилась идея быстро налаживать связь на дальние дистанции. После войны компания AT&T применяла 4-ваттные клистроны, создавая радиорелейную сеть, покрывающую Северную Америку. Собственную инфраструктуру, благодаря 2К25, построил Вестерн Юнион.

Главным двигателем бурного прогресса считают идею резкого расширения объёма каналов, покупаемого низкой стоимость возведения вышек. Релейные сети (РРЛС) окутали три линии обороны Северной Америки времён Холодной войны. Прототип TDX разработали (1946) Лаборатории Белла. Система быстро совершенствовалась, обновляя вакуумные лампы:

• 416В.
• 416С.

Послевоенные попытки организовать связь наталкивались на необходимость выбора элементной базы. Эксперты всерьёз обсуждали конструкции ламп, клистронов, жаловались на влияние дождя. Типичные проблемы незащищённой аналоговой связи. Первые линии (включая оборонные сети ПВО США) питались дизельным топливом. Башня непременно вмещала нижний этаж-хранилище горюче-смазочных материалов, чаще ядовитых.

Угасание технологии

Переход на сантиметровый диапазон требует упразднить металлокерамические, маячковые триоды. Взамен вводят клистроны, лампы бегущей волны. Антенные устройства, наоборот, выходят миниатюрнее. Сантиметровый диапазон сильно увеличивает потери родных спектру ДМВ коаксиальных соединений. Взамен решили ставить волноводы. Третье поколение TDX перешло на твердотельную электронику. Мобильные варианты передавали 24 канала с частотным делением. Каждый вмещал 18 телетайпных линий. Аналогичные системы разрабатывались повсеместно. Лишь в 1980-е пользу технологии подвергли сомнению, ввиду внедрения спутниковой связи. Оптический кабель перекрыл возможности радиолиний.

Это интересно! Группа спутников Риолит занималась перехватом советской радиорелейной связи.

Современное состояние

Ныне идея повсеместно применяется мобильными сетями наземного базирования. Учёные чаще рассматривают возможность переноса энергии. Источником идеи следует считать Николу Теслу, задумавшего ещё в начале XX века покрыть территорию США сетью передатчиков. Изобретатель демонстрировал полную безопасность высокочастотных разрядов. Сегодня эксперты подразумевают перенос действа в открытый космос.

Передача энергии

Открытие электромагнетизма заставило учёных ломать голову, осмысливая способы передачи энергии. Первым реализованным методом назовём тороидальный трансформатор Майка Фарадея (1831). Рассмотрев уравнения Максвела, Джон Генри Пойнтинг создал теорему (1884), описывающую процесс переноса мощности электромагнитной волной. Четыре года спустя Хайнрих Рудольф Герц подтвердил теорию практикой, наблюдая искровой разряд приёмного вибратора. Проблемой занимались Вильям Генри Вэрд (1871), Махлон Лумис (1872), оба желали использовать потенциал атмосферы Земли.

«Секретные» книги полны проектами Теслы победить фашистскую авиацию беспроводными излучателями. Факты упоминают посмертное тотальное изъятие бумаг изобретателя американскими спецслужбами. Катушки Теслы шутя позволяли получить высокочастотные разряды молнии. Башня Ворденклиф (1899) серьёзно пугала округу, производителей меди наводнила ужасом мысль беспроводной передачи. Тесла дистанционно поджигал трубки Гисслера (1891), лампочки накала.

Сербский изобретатель распространил методику генерации колебаний резонансными контурами LC. Методика гениального Теслы предусматривала запуск воздушных шаров на высоты 9,1 км. Пониженное давление облегчало передачу мегавольтных напряжений. Второй идеей изобретатель задумал заставить электрический потенциал Земного шара вибрировать, снабжая станции планеты энергией. Задуманная Мировая Беспроводная система могла также передавать информацию. Неудивителен испуг инвесторов, набивавших карман производством меди.

Метод питания поездов напряжением частотой 3 кГц запатентован Морисом Хатином и Морисом Лебланком (1892). В 1964 году Вильям Браун создал модель игрушечного вертолёта, питаемого энергией электромагнитной волны. Технологии RFID (например, ключ домофона) изобретены в середине 70-х:

1. Марио Кардулло (1973).
2. Коэлле (1975).

Позже появились карты доступа. Сегодня технологию заездили мобильные гаджеты, подзаряжающиеся беспроводным путём. Аналогичная технология используется индукционными варочными панелями, плавильными печами. Инженеры активно реализуют идеи компьютерных игр начала второго тысячелетия, планируя создать орбитальные солнечные электростанции, обороняемые боевыми дронами, питаемыми энергией электромагнитных волн. Большинству известен лазерный скальпель, использующий принцип передачи мощности коже пациента.

Это интересно! Концепцию беспроводных дронов (1959) выдвинула фирма Радеон, выполняя проект Министерства обороны. Канадский Исследовательский центр связи (1987) создал первый прототип, месяцами исполнявший возложенные функции.

Консорциум беспроводной передачи энергии

17 декабря 2008 года сформирована организация, призванная рекламировать стандарт беспроводной зарядки устройств Qi. Свыше 250 мировых компаний поддержали идею. Позже проект одобрили Нокиа, Хуавей, Вистеон. Заранее стали известны планы оснастить технологией мобильные устройства. В октябре 2016 обнародовали намерение создать зарядные точки доступа.

24 компании составили «стальной стержень» группы лоббистов. 2017 год пополнил список маркетинговыми менеджерами Apple. Касательно безопасности методики мнения учёных разделились. Эксперты сошлись в одном: вскорости методика индуктивной подзарядки станет общепринятой.

Связь с релейными системами

Подобно тому, как первые экспериментаторы преодолели Ла-Манш, ранние орбитальные солнечные электростанции станут питать спутники, продляя кардинально срок службы оборудования. Затем передача энергии станет глобальной, охватив все человеческие устройства. Технологию проще всего именовать релейной. Энергия станет приниматься, усиливаться, передаваться далее.

Это интересно! Питер Гласер первым (1968) предложил фармить энергию Солнца орбитальными заводами, передавая луч наземным станциям.

Лазерный луч эффективно переносит энергию. Мощность 475 Вт настигла мишень, преодолев многие мили свободного пространства. Система показала КПД 54%. Лаборатории НАСА передали 30 кВт, применив частоту 2,38 ГГц (спектр микроволновой печи) тарелкой диаметром 26 метров. Итоговый КПД достиг 80%. Япония (1983) затеяла исследования передачи энергии слоем ионосферы, полной свободных носителей заряда.

Прототип создан командой Марина Соляшича (Массачусетский технологический университет). Резонансный передатчик отправил 60 Вт энергии на частоте 10 МГц, преодолев дистанцию 2 метра, достигнув КПД 40%. Год спустя группа Грега Лея и Майка Кеннана (Невада), используя частоту 60 кГц, покорила дальность 12 метров. Полагаем, новейшие разработки быстро засекретят.

Обнародованную историю завершает создание НАСА летательного аппарата (2003), питаемого излучением лазера. Анонсированный 12 марта 2015 года проект JAXA призван реализовать идеи Николы Тесла.

1. Общие принципы построения радиорелейных линий. Спутниковые и радиорелейные системы передачи

1. Общие принципы построения радиорелейных линий

1.1. Принципы радиорелейной связи

Используемые на РРЛ и ТРЛ диапазоны радиочастот обладают рядом достоинств. В каждом из этих широкополосных диапазонов можно передавать много широкополосных сигналов. В этих диапазонах антенны с большими коэффициентами усиления имеют сравнительно небольшие размеры. Применение таких антенн позволяет получить устойчивую связь при малой мощности передатчика. Спектр внешних помех атмосферного и промышленного происхождения лежит в более низкочастотной области, чем УВЧ. Поэтому в диапазонах УВЧ и более высокочастотных таких помех практически нет. Наибольшее распространение на магистральных РРЛ нашли АРРС, работающие в сантиметровом диапазоне волн.

Радиорелейную линию связи строят в виде цепочки приемопередающих РРС. На РРЛ устанавливают передатчики мощностью 0,1...10 Вт, приемники с коэффициентом шума около 10 дБ, антенны с коэффициентом усиления около 40 дБ (площадь раскрыва около 10 м2).

На такой РРЛ между антеннами соседних РРС должна быть прямая видимость. Для этого антенны устанавливают на опорах, чаще всего на высоте 40...100 м. Расстояние между соседними РРС магистральных РРЛ обычно около 50 км. На ТРЛ среднее расстояние между соседними станциями около 250 км. На ТРЛ применяют передатчики мощностью 1...10 кВт, приемники с малошумящими усилителями (МШУ), имеющими эффективную шумовую температуру 150... 200 К, антенны с коэффициентом усиления около 40 дБ

Типы станций . Основные типы РРС: оконечная (ОРС), узловая (УРС) и промежуточная (ПРС). На ОРС и УРС устанавливают радиопередатчики и радиоприемники (рис. 1.1). В составе радиопередатчика - модулятор Мд и передатчик СВЧ сигнала П, в составе радиоприемника - приемник СВЧ сигналов Пр и демодулятор Дм (ср. с рис. В.1). В передатчике СВЧ модулированный сигнал промежуточной частоты (ПЧ) преобразуется в сигнал СВЧ либо УВЧ диапазона, в приемнике СВЧ происходит обратное преобразование принятого СВЧ сигнала в сигнал ПЧ. Приемник СВЧ и передатчик, СВЧ вместе образуют приемопередатчик СВЧ, устанавливаемый на ПРС.

На ОРС, располагаемых на концах РРЛ, происходит ввод и выделение передаваемых сигналов, например МТС.

На ПРС происходит ретрансляция радиосигнала: прием, усиление, сдвиг по частоте и передача в направлении следующей РРС. При передаче радиосигналов вещательного телевидения по РРЛ на каждой ПРС предусмотрена возможность выделения телевизионной программы. Станция, на которой такая возможность реализована, называется ПРС с выделением телевидения (ПРСВ).

На УРС имеет место ретрансляция радиосигнала и разветвление РРЛ. От УРС часто берут начало новые РРЛ или кабельные линии связи. На УРС всегда происходит выделение из МТС части ТФ сигналов и ввод новых, поэтому там всегда устанавливают модуляторы и демодуляторы. Конструктивно их часто объединяют в устройстве, получившем название модем. Рекомендуемое для нашей страны среднее расстояние между соседними УРС составляет 250 км.

На УРС, как правило, имеет место разветвление радиосигналов вещательного телевидения, так называемый транзит по ПЧ. Поскольку модемы вносят шумы, то исключение их из схемы позволяет улучшить отношение сигнал-шум в канале на конце РРЛ. На крупных УРС, где сходятся несколько РРЛ, устанавливают специальные коммутаторы по ПЧ сигналов вещательного телевидения, позволяющие оперативно выбирать ту или иную программу. Модуляторы устанавливают лишь на тех УРС, где необходимо ввести новую ТВ программу. Рекомендуемое расстояние между такими УРС в нашей стране - 2500 км.

Радиорелейный пролет и радиорелейный участок . Часть радиорелейной линии связи между соседними РРС, включающую аппаратуру и среду распространения радиосигнала, называют радиорелейным пролетом. Часть радиорелейной линии связи, ограниченную двумя близлежащими радиорелейными станциями, которые являются оконечными или узловыми, называют радиорелейным участком.

Сдвиг по частоте . Разность уровней сигналов на выходе и входе приемопередатчика ПРС превышает 100 дБ. Чтобы предотвратить самовозбуждение этого устройства, радиосигналы одного направления связи на ПРС (УРС) принимают и передают на разных частотах f1 и f2. Частотным сдвигом называют величину fсдв = |fа -f1|. Обычно на магистральных РРЛ fсдв=266 МГц.

Особенности обслуживания. На РРЛ обслуживающий персонал постоянно присутствует только на ОРС и УРС. Для контроля за состоянием аппаратуры на ПРС и управления ею используют систему телеобслуживания (ТО), при организации которой всю РРЛ разбивают на эксплуатационные участки, содержащие до 10 РРС. В середине такого участка находится УРС, с которой управляют работой ПРС участка, расположенных по обе стороны от УРС. Оконечные РРС обслуживают близлежащие ПРС. Для повышения надежности и устойчивости работы аппаратуру РРЛ резервируют. Распространены два способа автоматического резервирования: постанционное и поучастковое. При постанционном резервировании в случае неисправности рабочего комплекта аппаратуры на данной станции происходит автоматическая замена его на резервный, работающий на тех же частотах.

При поучастковом резервировании на каждой станции устанавливают рабочие и резервные комплекты приемопередатчиков СВЧ, причем рабочие частоты этих комплектов не совпадают. При повреждении аппаратуры на любой ПРС происходит автоматическое переключение модемов на концах радиорелейного участка, после чего передача сигналов на всем участке происходит с помощью резервных СВЧ приемопередатчиков. На РРС с поучастковым резервированием на концах участка устанавливают аппаратуру резервирования, с помощью которой контролируют состояние аппаратуры ВЧ стволов и переключают модемы. Команду переключения с конца участка к началу передают по каналам служебной связи. Каналы служебной связи предназначены также для передачи сигналов ТО и переговоров обслуживающего персонала.

1.2. Многоствольные радиорелейные линии

Стволы РРЛ . На всех станциях одной РРЛ, как правило, устанавливают однотипные приемники и передатчики СВЧ. В большинстве радиорелейных систем Пр и П на ПРС соединяют по ПЧ. Цепочка таких передатчиков и приемников СВЧ на радиорелейном участке образует высокочастотный (ВЧ) ствол. Этот ствол является универсальным, так как по нему можно организовать передачу различных сообщений. Для чего на ОРС и УРС к ВЧ стволу подключают Мд и Дм и соответствующие оконечные устройства. Последние входят в состав модема. Если по ВЧ стволу передают МТС методом аналоговой модуляции, то такой ствол называют телефонным (ТФ). Кроме него методом аналоговой ЧМ организуют телевизионные (ТВ) стволы, по которым передают ТВ программы. Цифровой (ЦФ) ствол организуют, подавая на модулятор РРС цифровой сигнал.

Сигнал, подаваемый на модулятор, называют групповым сигналом ствола , а спектр его - линейным спектром , В аналого-цифровых (АЦФ) стволах ГС составляют из МТС и цифрового сигнала.

Структурная схема трехствольной РРЛ . Для повышения пропускной способности на РРЛ, как правило, организуют одновременную работу нескольких ВЧ стволов на различных частотах на общие антенно-фидерный тракт (АФТ) и антенну. Такую РРЛ называют многоствольной. Она имеет более высокую экономическую эффективность, чем одноствольная, поскольку стоимость антенны, антенных опор, а также общих для всех стволов - технического здания и системы электропитания, значительно выше, чем стоимость аппаратуры ВЧ ствола.

Для подключения нескольких приемопередатчиков к одной антенне (рис. 1.2) служат устройства совмещения (УС) и разделительные фильтры (РФ). Устройства совмещения нужны для разделения волн приема и передачи. В качестве УС используют поляризационные селекторы или ферритовые циркуляторы. Разделительные фильтры приема (РФ1) служат для разделения сигналов различных стволов на приеме на частотах f1, f3, f5. Разделительные фильтры передачи (РФ2) служат для объединения на передаче сигналов на частотах f1", f3", f5".

На рис. 1.2 показаны ТФ и ТВ стволы, а также резервный - Рез. Аппаратура резервирования установлена на концах радиорелейного участка: приемном - Рез. пр и передающем - Рез. П. В точку 3 может поступать сигнал об аварии, который должен быть передан к началу участка на предыдущую УРС, аналогичный сигнал от последующей УРС поступает в т. 4. В ТВ стволе организован транзит по ПЧ. Выбор ответвляемой программы осуществляют с помощью коммутатора по ПЧ-Км ПЧ, к которому также подводят (в т. 5) сигнал ТВ ствола обратного направления.

Пропускная способность ствола. В современных магистральных РРЛ с ЧМ для ВЧ ствола выделена полоса частот 28 МГц. Следовательно, ЧМ сигналы, передаваемые по стволу, должны иметь спектр не шире 28 МГц. Напомним, что ширина спектра ЧМ сигнала

(1.1)

где - максимальная девиация частоты, FB - верхняя модулирующая частота. Поскольку на РРЛ девиация частоты задана, то и величина FB, а следовательно, и пропускная способность ствола ограничены. Ориентировочно F<9 МГц

1.3. Планы распределения частот

Для работы РРЛ выделены полосы частот шириной 400 МГц в диапазоне1 2 ГГц (1,7...2,1 ГГц), 500 МГц в диапазонах 4 (3,4... 3,9), 6 (5,67 ...6,17) и 8 (7,9... 8,4) ГГц и шириной 1 ГГц в диапазонах 11 и 13 ГГц и более высокочастотных. Эти полосы распределяют между ВЧ стволами радиорелейной системы по определенному плану, называемому планом распределения частот. Планы частот составляют так, чтобы обеспечить минимальные взаимные помехи между стволами, работающими на общую антенну.

В полосе 400 МГц может быть организовано 6, в полосе 500 МГц - 8 и в полосе 1 ГГц-12 дуплексных ВЧ стволов.

В плане частот (рис. 1.3) обычно указывают среднюю частоту f0. Частоты приема стволов располагают в одной половине выделенной полосы, а частоты передачи - в другой. При таком делении получают достаточно большую частоту сдвига, чем обеспечивают достаточную развязку между сигналами приема и передачи, поскольку РФ приема (или РФ передачи) будут работать только в половине всей полосы частот системы. При этом можно использовать общую антенну для приема и передачи сигналов. В случае необходимости получают дополнительную развязку между волнами приема и передачи в одной антенне за счет применения разной поляризации. На РРЛ используют волны с линейной поляризацией: вертикальной или горизонтальной. Применяют два варианта распределения поляризаций. В первом варианте на каждой ПРС и УРС происходит изменение поляризации так, что принимают и передают волны разной поляризации. Во втором варианте в направлении "туда" используют одну поляризацию волн, а в направлении "обратно"- другую.

Рисунок 1.3. План распределения частот для радиорелейной системы КУРС для станции типа НВ в диапазонах 4 (f0=3,6536), 6(f0=5,92) и 8(f0=8,157)

Станцию, на которой частоты приема расположены в нижней (Н) части выделенной полосы, а частоты передачи в верхней (В) - обозначают индексом "НВ". На следующей станции частота приема окажется выше частоты передачи и такую станцию обозначают индексом "ВН".

Для обратного направления связи данного ствола можно взять или ту же пару частот, что и для прямого, или другую. Соответственно говорят, что план частот позволяет организовать работу по двухчастотной (рис. 1.4) или четырехчастотной (рис. 1.5) системам. На этих рисунках через f1н, f1в,…f5н, f5в обозначены средние частоты стволов. Индексы частот соответствуют обозначениям стволов на рис. 1.3. При двухчастотной системе на ПРС и У PC для приема с противоположных направлений обязательно должна быть взята одинаковая частота. Антенна WA1 (рис. 1.4,а) будет принимать радиоволны на частоте f1н с двух направлений: главного А и обратного В. Радиоволна, приходящая с направления В, создает помеху. Степень ослабления этой помехи антенной зависит от защитных свойств антенны. Если антенна ослабляет волну обратного направления не менее, чем на 65 дБ по сравнению с волной, приходящей с главного направления, то такую антенну можно использовать при двухчастотной системе. Двухчастотная система имеет то преимущество, что позволяет в выделенной полосе частот организовать в 2 раза больше ВЧ стволов, чем четырехчастотная, однако она требует более дорогих антенн.

На магистральных РРЛ, как правило, применяют двухчастотные системы. В плане частот не предусмотрены защитные частотные интервалы между соседними стволами приема (передачи). Поэтому сигналы соседних стволов трудно разделить с помощью РФ. Чтобы избежать взаимных помех между соседними стволами, на одну антенну работают либо четные, либо нечетные стволы. В плане частот указывают минимальный частотный разнос между стволами приема и передачи, подключенными к одной антенне (98 МГц на рис. 1.3). Как правило, четные стволы используются на магистральных РРЛ, а нечетные - на ответвлениях от них. В таком случае частоты приема и передачи между стволами магистральной РРЛ распределяют согласно рис. 1.4,в, а между стволами зоновой РРЛ при четырехчастотной системе - согласно рис. 1.5,в.

На практике план частот, реализованный на РРЛ на основе двухчастотной (четырехчастотной) системы, называют двухчастотным (четырехчастотным) планом.

На РРЛ имеет место повторение частот передачи через пролет (см. рис. 1.1). При этом для того, чтобы снизить взаимные помехи между РРС, работающими на одинаковых частотах, станции располагают зигзагообразно относительно направления между оконечными пунктами (рис. 1.6). При нормальных условиях распространения сигнал от РРС1 на расстоянии в 150 км сильно ослаблен и практически не может быть принят на РРС4. Однако в отдельных случаях возникают благоприятные условия для era распространения. В целях надежного ослабления такой помехи используют направленные свойства антенн. На трассе между направлением максимального излучения передающей антенны РРС1,т. е. направлением на РРС2, и направлением на РРС4 (направление АС на рис. 1.6) предусматривают защитный угол изгиба трассы a1 в несколько градусов, так чтобы в направлении АС коэффициент усиления передающей антенны на РРС1 был достаточно мал.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите энергетические параметры радиорелейной аппаратуры. Приведите их значения для РРЛ и ТРЛ.
2. В каких диапазонах радиоволн и частот работают РРЛ и ТРЛ? Каковы особенности этих диапазонов?
3. Назовите типы станций на РРЛ, основные функции этих станций.
4. Что такое ВЧ ствол? По каким признакам различают ВЧ, ТФ и ТВ стволы?
5. Поясните назначение элементов структурной схемы ОРС трехствольной РРЛ.
6. Поясните принципы построения плана распределения частот РРЛ. Сопоставьте планы, организованные по двух- и четырехчастотным системам.

6. Основы построения аналоговых радиорелейных линий. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

6. Основы построения аналоговых радиорелейных линий

6.1. Принципы построения радиорелейных линий прямой видимости

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

За шесть десятилетий своего развития радиорелейные линии (РРЛ) превратились в эффективное средство передачи огромных массивов на расстояния в тысячи километров, конкурируя с другими средствами связи, в том числе кабельными и спутниковыми, удачно дополняя их.

Сегодня РРЛ стали важной составной частью сетей электросвязи – ведомственных, корпоративных, региональных, национальных и даже международных, поскольку имеют ряд важных достоинств, в том числе:

• возможность быстрой установки оборудования при небольших капитальных затратах;
• экономически выгодная, а иногда и единственная, возможность организации многоканальной связи на участках местности со сложным рельефом;
• возможность применения для аварийного восстановления связи в случае бедствий, при спасательных операциях и в других случаях;
• эффективность развертывания разветвленных цифровых сетей в больших городах и индустриальных зонах, где прокладка новых кабелей слишком дорога или невозможна;
• высокое качество передачи информации по РРЛ, практически не уступающие ВОЛС и другим кабельным линиям.

Современные радиорелейные линии связи позволяют передавать телевизионные программы и одновременно сотни и тысячи телефонных сообщений. Для таких потоков информации требуются полосы частот до нескольких десятков, а иногда и сотен мегагерц и соответственно несущие не менее нескольких гигагерц. Известно, что радиосигналы на этих частотах эффективно передаются лишь в пределах прямой видимости. Поэтому для связи на большие расстояния в земных условиях приходится использовать ретрансляцию радиосигналов. На радиорелейных линиях прямой видимости в основном применяют активную ретрансляцию, в процессе которой сигналы усиливаются.

Протяженность пролетов R между соседними станциями зависит от профиля рельефа местности и высот установки антенн. Обычно ее выбирают близкой к расстоянию прямой видимости R 0 , км. Для гладкой сферической поверхности Земли и без учета атмосферной рефракции:

(6.1)

где h 1 и h 2 – высоты подвеса соответственно передающей и приемной антенн (в метрах). В реальных условиях, в случае мало пересеченной местности R 0 = 40…70 км, а h 1 и h 2 составляют 50…80 м. Принцип радиорелейной связи показан на рисунке 1.1, где отмечены радиорелейные станции трех типов: оконечная (ОРС), промежуточная (ПРС) и узловая (УРС) .

Пролет (интервал) РРЛ - это расстояние между двумя ближайшими станциями.

Участок (секция) РРЛ - это расстояние между двумя ближайшими обслуживаемыми станциями (УРС или ОРС).

На ОРС производится преобразование сообщений, поступающих по соединительным линиям от междугородных телефонных станций (МТС), междугородных телевизионных 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 обычно решают задачи разветвления и объединения потоков информации, передаваемых по разным РРЛ, на пересечении которых и располагается УРС. К УРС относят также станции РРЛ, на которых осуществляется ввод и вывод телефонных, телевизионных и других сигналов, посредством которых, расположенный вблизи от УРС населенный пункт связывается с другими пунктами данной линии.

На ОРС и 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 промежуточных станций входит в зону телеобслуживания одной УРС.

С помощью РРЛ решают следующие задачи:

1. Создание стационарных магистральных линий для передачи больших потоков информации на расстояния в несколько тысяч километров. В этих случаях применяются системы большой емкости. Магистральные РРЛ обычно являются многоствольными. Ствол РРЛ – совокупность приемопередающих устройств, антенно-фидерных трактов и среды распространения.

2. Использование стационарных РРЛ для организации внутризоновой связи. Эти линии имеют протяженность до 600…1400 км. Здесь применяют РРС средней емкости, которые в большинстве случаев рассчитаны на передачу телевизионных сигналов и сигналов радиовещания. Часто эти линии являются многоствольными и ответвляются от магистральных РРЛ.

3. Использование РРЛ в местной (районной и городской) сети связи. Здесь в основном применяют РРЛ малой емкости.

4. Обеспечение с помощью многоканальных РРЛ служебной связью железнодорожного транспорта, газопроводов, нефтепроводов, линий энергоснабжения и других систем, охватывающих большую территорию.

5. Обеспечение подвижной связи, используемой в случае ремонта или модернизации стационарных РРЛ и кабельных линий связи (КЛС), а также для других целей.

6. Соединение базовых станций и центров коммутации в составе системы подвижной связи.

Классификация РРЛ.

Радиорелейные линии прямой видимости можно классифицировать по различным признакам и характеристикам .

По способу разделения каналов и виду модуляции несущей можно выделить:

1. РРЛ с частотным разделением каналов (ЧРК) и частотной модуляцией (ЧМ) гармонической несущей.
2. РРЛ с временным разделением каналов (ВРК) и аналоговой модуляцией импульсов, которые затем модулируют несущую частоту.
3. Цифровые радиорелейные линии (ЦРРЛ), в которых в отличие от предыдущего случая импульсы (отсчеты сообщения) квантуются по уровням и кодируются.

По диапазону рабочих (несущих) частот РРЛ подразделяют на линии дециметрового диапазона и сантиметрового диапазонов. В этих диапазонах, решением ГКРЧ от апреля 1996 года для новых РРЛ определены диапазоны 8 (7.9-8.4); 11 (10.7-11.7); 13 (12.75-13.25); 15 (14.4-15.35); 18 (17.7-19.7); 23 (21.2-23.6); 38 (36.0-40.50) ГГц.

Однако в России еще длительное время будут использоваться ранее построенные линии в диапазонах 1.5-2.1; 3.4-3.9; 5.6-6.4 ГГц. При этом возможна замена устаревающей аппаратуры на современные РРС.

Новые РРС используются также в диапазоне 2.3-2.5 ГГц. Прорабатывается возможность использования диапазонов 2.5-2.7 и 7.25-7.55 ГГц.

Чем ниже диапазон, тем большую дальность связи можно обеспечить при тех же энергетических характеристиках оборудования, но переход на высокие диапазоны позволяет расширить информационные полосы частот, то есть пропускную способность систем.

Повышение эффективности использования частотного ресурса диапазона стало одним из самых важных требований к аппаратуре РРЛ. В нашей стране насыщенность радиорелейной связи пока что много меньше, чем в зарубежных странах, где идет интенсивное освоение всех диапазонов до 40 ГГц. Эффективность использования частотного ресурса диапазона определяется следующими факторами:

1. Требуемой шириной полосы приемопередатчика, которая определяется объемом передаваемой информации, выбранным методом модуляции и уровнем стабилизации частоты передатчика.

2. Параметрами электромагнитной совместимости (ослабление чувствительности по побочным каналам приема, подавление внеполосных и побочных излучений).

3. Возможностями полного использования всего отведенного участка диапазона, которые обеспечиваются использованием в составе станции синтезатора частоты.

По принятой в настоящее время классификации радиорелейные системы (РРС) разделяют на системы большой, средней и малой емкости.

К радиорелейным системам большой емкости принято относить системы, позволяющие организовать в одном стволе 600 и более каналов ТЧ. Если радиорелейная система позволяет организовать 60-600 или менее 60 каналов ТЧ, то эти системы относят соответственно к системам средней и малой емкости.

Радиорелейные системы, допускающие передачу в одном стволе телевизионных сигналов изображения, а также сигналов звукового сопровождения телевидения и звукового вещания, относят к системам большой и средней емкости.

Исходя из скорости передачи информации, цифровые РРЛ можно разделить на две основные группы.

Низкоскоростные РРС. К ним относятся отечественные РРС и подавляющая часть зарубежных, предлагаемых в России (около пятидесяти из них имеют российский сертификат).

Подобные РРС рассчитаны на трафик до 16Е1 (или Е3). Отметим что еще несколько лет назад РРЛ с трафиком Е3 считались среднескоростными, но сегодня это станции "низового звена" цифровых сетей, обеспечивающие возможность изменения (иногда программным путем) пропускной способности в пределах от Е1 или 2Е1 до 8Е1 или 16Е1.

Стало просто не выгодно выпускать РРС специально для передачи лишь потоков Е1 или менее, за исключением ряда новых весьма специфических и редких пока применений (передача Е1 шумоподобными сигналами, распределительные станции для систем доступа и прочие) .

Высокоскоростные РРС. Эти РРС в настоящее время создаются практически только на основе SDH-технологии и имеют скорость передачи в одном стволе 155.52 Мбит/с (STM-1) и 622.08 Мбит/с в одном стволе (STM-4).

Ранее к высокоскоростным относили РРС для передачи Е4 (то есть 139.254 Мбит/с) в сети PDH, но, новые РРЛ строятся уже на базе SDH-технологии, то есть со скоростью передачи 155.52 Мбит/с, хотя и обеспечивают возможность передачи 140 Мбит/с.

Высокоскоростные РРЛ применяются для построения магистральных и зоновых линий, в качестве радиовставок в ВОЛС на участках со сложным рельефом, для сопряжения ВОЛС (STM-4 или STM-16) с сопутствующими локальными цифровыми сетями, а также для резервирования ВОЛС и так далее.

Среди высокоскоростных РРС можно выделить две группы, отличающиеся по назначению, свойствам, конфигурации, конструкции и так далее.

Это, во-первых, многоствольные РРС, рассчитанные обычно на передачу до 6-7 потоков STM-1 по параллельным радиостволам, из которых 1 или 2 – резервные (конфигурация оборудования "3+1", "7+1" или 2∙(3+1)). Протяженность РРЛ, как правило, велика – сотни километров и более.

Во-вторых, РРС, предназначенные для ответвлений от магистральных линий, необходимых при создании зоновых сетей и некрупных локальных ведомственных сетей, а также для передачи потоков STM-1 (155 Мбит/с) в условиях больших городов. Для этих ответвлений, как правило, используются диапазоны 7, 8, реже 11 ГГц, а для связи в больших городах – диапазоны 15, 18, 23 ГГц. По конфигурации это обычно двухствольные РРЛ на скорость STM-1, один из стволов – резервный (по схеме "1+1").

К этой группе высокоскоростных РРС, использующих технологию SDH, можно отнести РРС со скоростью передачи информации 51.84 Мбит/с (STM-0), которые иногда называют "среднескоростными". Они упрощают реализацию ответвлений от синхронных линий передачи, позволяют значительно увеличить возможности построения сетей SDH различной конфигурации, ответвлять от ВОЛС или РРЛ информацию к сетям доступа пользователя, подключать к сетям SDH до 21 потока Е1, а также потоки Е3 .

6.2. Структура радиосистем передачи

Под радиосистемой передачи РСП понимают совокупность технических средств, обеспечивающих образование типовых каналов передачи и групповых трактов первичной сети ВСС, а также линейного тракта, по которому сигналы электросвязи передаются посредством радиоволн в открытом пространстве рисунок 6.2

С помощью современных РСП можно передавать любые виды информации: телефонные, телеграфные и фототелеграфные сообщения, программы телевидения и звукового вещания, газетные полосы, цифровую информацию и так далее .

Как и проводные системы передачи, подавляющее число РСП являются многоканальными. При этом обычно используются частотное или временное разделение сигналов.

Рисунок 6.2. Обобщенная структурная схема многоканальной РСП

Радиоствол включает в себя приемопередающее оборудование, антенно-фидерные тракты и среду распространения. Оконечное оборудование включает в себя модемы и аппаратуру сопряжения РРЛ и соединительных линий (усилители, корректоры, предыскажающий и восстанавливающий контуры).

6.2.1. Многоствольные РРЛ. Планы распределения частот

План распределения частот представляет собой отображение на частотной оси возможных значений рабочих частот (приема и передачи), а также (в некоторых случаях) частот гетеродинов.

Пропускная способность РРЛ может быть в несколько раз увеличена за счет образования новых стволов. Для этого на станциях устанавливают дополнительные комплекты приемопередающего оборудования, с помощью которых создаются новые высокочастотные тракты. Для сигналов разных стволов используются различные несущие частоты. Вся система многоствольной РРЛ организуется таким образом, чтобы все стволы работали независимо один от другого, а с другой стороны были взаимозаменяемы. Такой принцип позволяет обеспечить необходимую верность передачи сообщений в каждом стволе и повышает надежность работы всей линии в целом. В тоже время повышение пропускной способности РРЛ за счет многоствольной работы не приводит к пропорциональному росту стоимости линии, так как многие высоконадежные компоненты линии (антенны, станционные сооружения, опоры для подвеса антенн, источники электроснабжения и тому подобное) являются общими для всех стволов .

В качестве примера, поясняющего принцип организации многоствольной работы, рассмотрим вариант РРЛ из трех дуплексных стволов. На рисунке 1.3 представлена упрощенная структурная схема основного оборудования трех станций этой линии: ОРС, ПРС, и УРС. Схема содержит: передатчики (П); приемники (Пр); оконечные устройства (ОУ), включающие модемы, усилители и другие элементы, осуществляющие преобразование групповых телефонных сообщений (ТФ) или компонентов сигналов телевизионного и звукового вещания (ТВ, ЗВ) в сигналы линейного тракта, а также обратное преобразование: системы полосовых фильтров (ПФ), каждый из которых имеет полосу прозрачности, соответствующую одному стволу при односторонней связи; в режиме передачи ПФ обеспечивает необходимую развязку передатчиков (у этих систем ПФ указан первый индекс 1, то есть они обозначены ПФ 11 , ПФ 12 , ПФ 13 ; изменение вторых индексов отражает смену частот приема и передачи в соответствии с двухчастотным планом); в режиме приема системы ПФ являются разделительными фильтрами: из суммарного ВЧ сигнала каждый полосовой фильтр системы выделяет сигнал одного ствола и направляет его в соответствующий приемник (у этих систем ПФ указан первый индекс 2, то есть они обозначены ПФ 21 , ПФ 22 , ПФ 23); развязывающие устройства (РУ), задачей которых является дополнительное уменьшение взаимовлияния трактов передачи и приема: ряд элементов этих трактов, таких, например, как фидеры и антенны (А), как правило являются общими. Аппаратура ввода-вывода сигналов (АВВ) обеспечивает решение специфических для УРС задач – разветвления и объединения информационных потоков.

В качестве примера использования схемы рассмотрим на рисунке 6.3 передачу группового телефонного сообщения (ТФ) в одном направлении связи. Это сообщение формируется в аппаратуре объединения каналов (АОК) и по соединительной линии поступает на ОРС. С помощью ОУ и П сигнал ТФ преобразуется в ВЧ сигнал требуемой мощности, который через один из полосовых фильтров системы ПФ 11 и РУ поступает в антенну А и излучается в направлении ПРС. Здесь сигнал данного ствола проходит последовательно через элементы А, РУ, ПФ 22 и группу приемников. С помощью одного из Пр и ОУ ВЧ сигнал данного ствола может быть преобразован в сигнал ТФ и направлен в АВВ.

Здесь односторонние ТФ каналы могут быть распределены по группам, одна из которых, например, может быть направлена в ближайшую МТС, другие же могут войти в состав новых ТФ стволов и направлены по разным радиоканалам. Кроме того, возможна и транзитная передача через УРС полного сигнала организованного на ОРС ствола в том или ином направлении связи. В этом случае сигналы с Пр на П могут идти в обход ОУ и АВВ.

Рисунок 6.3. Упрощенная структурная схема РРЛ из трех дуплексных стволов.

Заметим, что при модуляции групповым телефонным сообщением того или иного параметра несущей в основном применяют два метода:

1. Модуляцию групповым сообщением колебаний промежуточной частоты (модулятор в ОУ) и транспонирование полученного таким образом в область ВЧ (в передатчике).

2. Непосредственную модуляцию групповым сообщением одного из параметров ВЧ несущей (модулятор – в передатчике) .

Последний вариант используется, в частности, на цифровых РРЛ.

В настоящее время прием и передачу сигналов на станции на каждом направлении связи ведут в основном по общему антенно-фидерному тракту (обычно антенны и фидеры оказываются гораздо более широкополосными, чем сигналы одного ствола) , а необходимую развязку приема и передачи обеспечивают не только фильтрами, но и различными невзаимными устройствами, то есть устройствами, свойства которых зависят от направления распространения электромагнитных волн. К этим устройствам относят, в частности, широко применяемые ферритовые вентили и циркуля торы. Кроме того, для обеспечения эффективной развязки трактов передачи и приема, а также соседних стволов, во многих современных РРС используют волны различной поляризации (горизонтальной и вертикальной). В этом случае в качестве РУ применяют, например, поляризационные селекторы. Схема на рисунке 6.3 построена с учетом рекомендованного МККР (ныне МСЭ) двухчастотного плана с группированием частот передачи и приема: группы передаваемых и принимаемы на каждой станции сигналов проходят через различные системы полосовых фильтров, например на ПРС – это ПФ 12 и ПФ 21 . Заметим, что конструктивно системы ПФ с различными первыми, но одинаковыми вторыми индексами, например ПФ 11 и ПФ 21 , могут быть выполнены вполне идентично.

Рассмотрим один из вариантов конкретного частотного плана и некоторые примеры схем антенно-фидерных трактов (АФТ) многоствольных систем . На рисунке 6.4 а представлен план распределения частот, применяемый в магистральных радиорелейных системах "Восход", "Рассвет-2", "Курс-4", работающих в диапазоне 3.4…3.9 ГГц, в системе "Курс-6", работающей в диапазоне 5.67…6.17 ГГц и в зоновой системе "Курс-8", работающей в диапазоне 7.9…8.4 ГГц. Конкретные номиналы рабочих частот можно найти в любом справочнике по РРЛ. Этот план позволяет организовать до восьми дуплексных широкополосных стволов по двухчастотной системе. Каждый из стволов может использоваться для организации телефонных каналов (до 1920) или для передачи одной телевизионной программы. Как видно из рисунка 6.4 а, несущие частоты стволов (f 1 ,f 2 ,…,f 16 – отложены на оси f с) разнесены на интервалы, кратные F = 14 МГц. План рассчитан на промежуточную частоту F пч = 5F = 70 МГц. При этом частоты гетеродинов (помечены точками на оси f г) размещаются в интервалах между рабочими частотами стволов, а частоты зеркальных каналов (помечены точками на оси f з) – внутри полосы, выделенной для системы. Частоты приема и передачи в одном дуплексном стволе разнесены на величину 19F = 266 МГц. Для соседних по частоте стволов в диапазонах, близких к 4 и 6 ГГц, должны использоваться различные антенны и разные типы поляризации волн – горизонтальная (г) и вертикальная (в). Распределение волн по поляризации на частотах приема (f пр) и передачи (f п) должно соответствовать рисунку 6.4, а, б или в. Обычно стволы разбиваются на две перемежающие группы. Одна группа стволов, например с нечетными номерами, используется для магистральных линий, а другая (с четными номерами) – в линиях, являющихся ответвлениями от магистрали, как показано на рисунке 6.5 а. Пример разнесения сигналов по разным антеннам на ПРС для шести дуплексных стволов показан на рисунке 6.5 б. Частотный план на рисунке 6.4, а предусматривает, что разность между частотами соседних стволов в одной антенне составляет величину 4F = 56 МГц, а в разных антеннах – 2F = 28 МГц; разность между ближайшими несущими частотами приема и передачи в разных антеннах – 5F = 70 МГц, в одной антенне – 7F = 98 МГц. Заметим, что система "Курс-8", функционирующая в диапазоне 7.9…8.4 ГГц при соответствующей компоновке АФТ (рисунок 6.6) допускает работу восьми дуплексных стволов на одну антенну. Разнесение сигналов разных стволов по частоте, по поляризации и по различным ветвям антенно-фидерного тракта, а также соответствующий выбор частот местных гетеродинов – все это в совокупности обеспечивает минимум внутрисистемных помех без значительного расширения частотных интервалов между стволами.

Рисунок 6.4. План распределения частот и волн различной поляризации в системах "Восход", "Рассвет-2", "Курс-4", "Курс-6", "Курс-8".

Рисунок 6.5. Примеры распределения частот и волн различной поляризации на УРС (а) и ПРС (б)

6.2.2. Антенно-фидерные тракты

На рисунке 6.6 приведен вариант комплектации АФТ системы, в которой реализуется частотный план, показанный на рисунке 6.4, а. При этом многократное использование АФТ достигается на основе применения всех известных способов селекции радиоволн: по частоте, по поляризации и по направлению распространения (трехступенчатая схема разделения).

Элементами структурной схемы на рисунке 6.6 являются:

Приемники, подключенные к РФ 1 и РФ 3 , и передатчики, соединенные с РФ 2 и РФ 4 , обеспечивают дуплексную связь в одном направлении. Путь сигналов (на несущих f 1 …f 16) каждого из стволов нетрудно проследить по схеме, руководствуясь направлением соответствующих стрелок .

На РРЛ прямой видимости, работающих в диапазоне СВЧ, используются рупорно-параболические антенны (РПА), перископические и параболические (однозеркальные и двухзеркальные). Выбор той или иной антенны зависит не только от типа аппаратуры, но и от емкости РРЛ. Этим же определяется состав и структура АФТ. Если, например, линия включает в себя не 8, а 4 ствола, то каждый из поляризационных фильтров через ВЭ и ГЭ может быть непосредственно соединен с одним из РФ. В другом варианте когда отсутствует разделение по поляризации, внешний волновод может быть соединен с двумя РФ (работающими один на передачу, другой – на прием) посредством ФЦ .

Разделительные фильтры также как и весь АФТ, допускают различные варианты построения. В последнее время все более широкое распространение получают РФ, в которых используются ферритовые циркуляторы (ФЦ).

6.3. Аппаратура радиорелейных линий прямой видимости с частотным разделением каналов и частотной модуляцией (ЧРК-ЧМ)

Приемопередающая аппаратура радиосвязи. Широкое использование в аппаратуре РРЛ получили гетеродинные приемопередатчики, которые построены на основе передатчика с преобразователем частоты и супергетеродинного приемника .

Упрощенная схема оконечной приемопередающей станции приведена на рисунке 6.6

Как следует из рисунка 6.2 и рисунка 6.6 групповой сигнал (ГС) от многоканальных систем передачи поступает на устройство объединения групповых сигналов (УОГС), представляющих собой волну фильтров. В этом устройстве могут объединяться ГС, расположенные в непересекающихся областях частот.

Далее сигнал усиливается в усилителе групповых сигналов (УГС), ограничивается по амплитуде в усилителе-ограничителе (АО) и подается на предыскажающий контур (ПК). Предыскажения вводятся с целью выравнивания отношения P c /Р ш по всему спектру ГС. В частотном модуляторе (ЧМ) производится модуляция промежуточной частоты (F пч обычно выбирается равной 70 МГц) групповым сигналом .

Полосу частот ВЧ тракта (П чм), необходимую для пропускания ЧМ сигнала можно определить по формуле Карсона:

, (6.2)

где f в – верхняя частота модулирующего сигнала.

Рисунок 6.6. Упрощенная структурная схема приемопередающего оборудования.

Эффективная девиация частоты на выходе модулятора, которая получается при подаче на вход любого телефонного канала измерительного синусоидального сигнала (с частотой 800 Гц) мощностью 1 мВт (нулевой уровень) называется эффективной девиацией на канал – Δf к. Согласно рекомендациям МККР (ныне МСЭ) в современных многоканальных РРС в зависимости от числа каналов N используют ∆f к, равные 200, 140 или 100 кГц. Обычно в процессе настройки аппаратуры величина ∆f к выставляется при подаче на вход предыскажающего контура (ПК) вместо U гр (t), измерительного сигнала с частотой, на которой предыскажения в ПК отсутствуют. Поэтому ∆f к называют эффективным значением девиации, создаваемой измерительным уровнем сигнала одного канала ТЧ на частоте нулевых предыскажений.

, (6.3)

где К чм – крутизна модуляционной характеристики; Р изм = 1 мВт – средняя мощность измерительного сигнала на сопротивлении R. Поскольку, если U гр (t) и измерительный сигнал выделяются на одинаковых сопротивлениях R, и , то

, (6.4)

где ∆f э и ∆f к измеряются в кГц, а Р ср – безразмерная величина, численно равная Р ср в мВт. Если выходное сопротивление измерительного генератора активно и совпадает с входным сопротивлением канала (600 Ом), то соотношение Р ср / Р изм в дБ соответствует уровню

откуда . Поэтому вместо (1.3.3) можно записать

. (6.6)

При N > 240, когда р ср = -15 + 10 lg(N), дБ, в соответствии с (6.6) получаем или

,

В современных РРС с N=600 величины ∆f к =200 кГц; при N = 1920 ∆f к 140 кГц.

Практикум решения задач на применение формулы Карсона:

Найти полосу сигнала на выходе частотного модулятора РРЛ связи, если на его вход подается групповой сигнал от МСП-ЧРК типа К-300, Δf к =250 кГц.

При решении задач подобного типа необходимо четко представлять себе структуру и параметры многоканальных сигналов с ЧРК. Вспомните на основе предыдущих разделов полосу пропускания сигнала на выходе оборудования К-300 (Вам понадобится значение верхней частоты группового спектра). А, зная число каналов в МСП можно определить эффективную девиацию частоты (формула 6.6 при N ≥ 240). Лучший Ваш помощник – здравый смысл, смотрите на реальность результата.

Частотная модуляция (ЧМ) позволяет обеспечить относительно высокую помехоустойчивость передачи сообщений . При этом не требуется большая стабильность частоты передатчика. Мощность его используется весьма эффективно: она практически не зависит от характеристик сообщений на входе модулятора, пик-фактор всегда равен единице. Уровень сигнала на входе приемника может изменяться в достаточно широких пределах (на пример, при замираниях), не влияя на мощность полезного сигнала после демодулятора. Все это в целом объясняет широкое применение ЧМ на РРЛ, в спутниковых, тропосферных и других системах передачи. Вместе с тем частотной модуляцией свойственны и определенные недостатки: резкое снижение качества передачи, если отношение средних мощностей сигнала и шума на входе приемника (Р с /Р ш) вх падает ниже некоторого порогового значения (пороговый эффект проявляется обычно при (Р с /Р ш) вх ≤ 10); широкий спектр частот, который необходимо передавать по радиоканалу для нормального восстановления сообщений на выходе демодулятора; зависимость уровня шумов на выходе канала от мощности входного сигнала приемника (проявляется при замираниях); необходимость выравнивания качества работы разных телефонных каналов при их частотном разделении и другие.

При ЧМ нужен не просто широкополосный высокочастотный тракт, а тракт, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и характеристика группового времени запаздывания (ГВЗ) которого удовлетворяют весьма высоким требованиям. В противном случае сигнал на выходе демодулятора может недопустимо исказиться и, например, при многоканальной передаче сообщений методом ЧРК качество связи соответственно упадет за счет так называемых переходных помех: работе одного (любого) частотного канала будут в значительной мере мешать сигналы, спектр которых состоит из гармоник и комбинационных продуктов колебаний в других каналах.

В системах с ЧРК если не принять специальных мер, ЧМ не может обеспечит равные условия работы разных частотных каналов. Причем более высокочастотным сигналом, когда увеличивается F в и уменьшается индекс m э, соответствует меньшая помехоустойчивость. Увеличением мощности передатчика или группового сигнала U гр (t) можно добиться необходимой помехоустойчивости и в верхнем частотном канале. Но при этом в средних и нижних каналах запас по мощности будет не оправданно высоким. В целом такой режим не выгоден как с экономической точки зрения, так и с точки зрения уменьшения внутри- и межсистемных помех. Поэтому, как отмечалось ранее, для выравнивания в различных каналах отношения сигнала к шуму прежде чем подать U гр на модулятор, это напряжение подают на предыскажающий фильтр, модуль коэффициента передачи которого y(F) обеспечивает изменение уровней таким образом, что уровни передачи нижних каналов становятся меньше уровней передачи верхних частотных каналов. Если теперь с помощью усилителя (с равномерной частотной характеристикой) довести среднюю мощность модулирующего сигнала Р ср до значения, определенного ранее для U гр (t), то величина ∆f э останется такой же, как и без предыскажения U гр (t). При этом подбором y(F) можно сделать так, что уровни сигналов в верхних каналах нового модулирующего сигнала станут больше, чем у сигнала U гр (t), а уровни сигналов в нижних соответственно меньше.

В системах с ЧМ сигнал U гр (t) всегда подвергается предыскажению, а на выходе ЧД включают так называемый восстанавливающий контур с характеристикой обратной y(F). Этот фильтр не изменяет отношения сигнал-шум в отдельных каналах, но позволяет сделать более равномерным распределение уровней полезных канальных сигналов.

Характеристики предыскажающих и восстанавливающего контуров рекомендованы МСЭ. В общем случае характеристика предыскажающего контура хорошо аппроксимируется выражением

где 0 ≤ F ≤ F в, а F в – верхняя частота модулирующего сигнала. Характеристика восстанавливающего контура приведена на рисунке 6.7.

Рисунок 6.7. Зависимость коэффициента передачи восстанавливающего контура от нормированной частоты F/F в

Основное усиление сигнала осуществляется в усилителях промежуточной частоты (УПЧ). Тракт промежуточной частоты, используется для создания высокой избирательности при малых расстройках относительно границ полосы пропускания .

Для элементов тракта промежуточной частоты характерны следующие параметры: малая неравномерность АЧХ, группового времени запаздывания и дифференциального усиления в полосе частот точной коррекции; высокая степень входов и выходов сигнала промежуточной частоты в приемопередающей аппаратуре.

Мощный усилитель промежуточной частоты (МУПЧ) усиливает сигнал по мощности, необходимой для нормальной работы смесителя передатчика (СМпер). Модулированный сигнал промежуточной частоты после усиления смешивается в смесителе с высокостабильным колебанием генератора несущей частоты f н. На выходе смесителя в ПФ выделяется сигнал с частотой передачи f пер. Затем мощность этого сигнала усиливается в усилителе СВЧ до требуемого значения. В радиосистемах малой мощности (менее 1 Вт) усилитель СВЧ может не устанавливаться. Приемник радиоствола (рисунок 6.6) состоит из малошумящего усилителя сигнала СВЧ, преобразователя частоты, в который входят смеситель приемника (СМпр) и гетеродин приемника, и усилителя сигнала промежуточной частоты.

Особенности трактов промежуточной частоты цифровых РРЛ заключаются в разных требованиях к полосам пропускания и точной коррекции частотных характеристик тракта, а также в повышенном требовании к линейности амплитудной характеристики активных элементов этого тракта .

6.4. Нормирование качества связи на РРЛ

Радиорелейные линии широко используются как в региональных системах, так и для международной связи. Уровень шума на выходе канала существенно зависит как от условий распространения радиоволн и протяженности линии, так и от ее структуры, в частности от числа преобразований сигнала с выделением той или иной группы каналов. Поэтому, решая задачу нормирования уровня шумов на выходе каналов, необходимо ориентироваться на некоторую конкретную по протяженности и структуре РРЛ, в которой учитывался бы опыт разработки аппаратуры РРС, проектирования и эксплуатации РРЛ. Роль таких РРЛ стали играть специально разработанные гипотетические (предполагаемые) эталонные цепи. Структура этих цепей определяется, в частности, видом сообщений и способом их передачи.

На рисунке 6.8,а условно изображена гипотетическая эталонная цепь, предназначенная для РРЛ с ЧРК, на которых число каналов ТЧ больше 60. Указанная цепь имеет протяженность 2500 км и состоит из 9 однородных секций. Структура цепи фиксируется порядком размещения вторичных вдоль линии индивидуальных преобразователей частоты, первичных и преобразователей. Как видно из рисунка 6.8,а, на указанных РРЛ допускается лишь (не считая ОРС) две станции с выделением (вводом) индивидуальных каналов и пять станций с выделением (вводом) 12-канальных (первичных) групп. Внутри секции число ПРС, на которых имеет место только ретрансляция сигнала и нет выделения каналов ТЧ или стандартных групп каналов, не регламентируется.

Рисунок 6.8. Структура гипотетических цепей МСЭ (МККР) для РРЛ с ЧРК: а) с числом ТФК более 60; б) с каналами телевидения и вещания; в) цепь ЕАСС для магистральной РРЛ.

На рисунке 6.8,б представлена гипотетическая эталонная цепь для РРЛ с каналами телевидения и звукового вещания. Эта цепь состоит из трёх участков переприёма соответственно по видео- или низким частотам, то есть содержит три модулятора и три демодулятора.

Протяженность некоторых магистральных РРЛ в РФ значительно превосходит 2500 км. Поэтому для взаимоувязанной сети связи (ВСС) пришлось разработать ряд новых гипотетических цепей. Так, на магистральной сети в качестве гипотетической эталонной РРЛ принята цепь протяженностью 12500 км. Она состоит из 5 участков по 2500 км (рисунок 6.8,в), которые соединены между собой по тональной частоте или видеоспектру. В случае организации каналов ТЧ принято, что каждый однородный участок такой номинальной цепи состоит из 10 секций протяженностью 250 км. При этом внутри участка не предусмотрены индивидуальные преобразователи, а каждая секция начинается и кончается преобразователем третичной группы.

Для каждого конкретного вида эталонной цепи можно определить допустимое значение мощности шума или отношения сигнал-шум на выходе канала. Но вследствие замираний шумы на выходе каналов РРЛ являются нестационарными случайными процессами. Поэтому для шумов в ТФ, ТВ и других каналах РРЛ вводится несколько норм, полученных на основе обработки соответствующих статистических данных, учета специфики аппаратуры и особенностей получателя сообщений , .

Рисунок 6.9 иллюстрирует рекомендации, установленные МККР для телефонных и телевизионных каналов РРЛ. Так, согласно этим рекомендациям принято, что в любом телефонном канале в точке с нулевым относительным уровнем допустимые мощности шума (Р ш.доп), вносимого радиорелейным оборудованием линии, имеющей протяженность 2500 км и структуру, соответствующую гипотетической эталонной цепи, составляют следующие величины (смотри рисунок 6.9,а): среднеминутная псофометрическая мощность шума, которая может превышаться в течение не более Т = 20% времени любого месяца, 7500 пВт0, что соответствует 10lg(7500/10 9) = –51,25 дБ; среднеминутная псофометрическая мощность шума, которая может превышаться в течение не более Т = 0.1% времени любого месяца, 47500 пВт0 (–43.23 дБ); средняя за 5 мс невзвешенная мощность шума, которая может превышаться в течение не более Т = 0.01% времени любого месяца, 10 6 пВт0 (–30 дБ). В рекомендацию, относящуюся к 20% времени, включена и мощность помех (1000 пВт), обусловленных работой спутниковых систем в общих с РРЛ полосах частот.

Рисунок 6.9. Нормирование мощности шумов и отношения сигнал-шум на выходе телефонных (а) и телевизионных (б) каналов

Если структура РРЛ протяженностью l км значительно отличается от эталонной, то допустимая среднеминутная псофометрическая мощность шума (Р ш.доп) в телефонном канале, которая может превышаться в течение не более 20% времени любого месяца, составляет величины: Р ш.доп = (3l + 200) пВт0, если 50 ≤ l ≤ 840 км; Р ш.доп = (3l + 400) пВт0, если 840 ≤ l ≤ 1670 км; Р ш.доп = (3l + 600) пВт0, если 1670 ≤ l ≤ 2500 км.

Для видеоканалов нормируется отношение размаха сигнала изображения к визометрическому напряжению шума (U р /U ш). На выходе гипотетической цепи протяженностью 2500 км это отношение (рисунок 6.9,б) может быть менее 61 дБ, 57 дБ и 49 дБ в течение соответственно не более 20, 1 и 0.1% времени любого месяца (при использовании унифицированного взвешивающего фильтра допускается уменьшение защищенности ТВ каналов на 4 дБ и, в частности, приведенные рекомендации на U p /U ш, относящиеся к 20 и 0.1% времени любого месяца снижаются до 57 и 45 дБ соответственно). При этом учитываются помехи от всех источников, влияющих на качество работы данного канала. Поскольку случайные процессы, представляющие все помехи на РРЛ, как внутренние, так и внешние, практически во всех случаях могут считаться независимыми, мощность помех на выходе канала (Р п.вых) обычно находится суммированием мощности помех отдельных источников. Так, для линии протяженностью 2500 км, псофометрическая мощность помех в канале ТЧ может превышать 7500 пВт в течение не более 20% времени любого месяца, связывают с выполнением следующего условия с учетом помех от ИСЗ будет равна:

где Р п.г – мощность переходных помех, вносимых одним комплектом оборудования, с помощью которого осуществляется переприем по групповому спектру; m – число узловых станций на которых осуществляется переприем по групповому спектру (две ОРС приравниваются одной УРС); n – число пролетов на линии; Р п.вч i – суммарная мощность переходных помех, обусловленных неидеальностью характеристик элементов ВЧ тракта на i-м пролете; Р т i (20%) – мощность (превышаемая в течение не более 20% времени любого месяца) теплового шума, вносимого на i-м пролете; Р п.м i (20%) – мощность переходных помех, обусловленная мешающим действием радиопомех на i-м пролете; третье и четвертое слагаемые в (6.9) содержат величины зависящие от времени (в третье слагаемое кроме тепловых шумов, мощность которых зависит от изменения мощности сигнала на входе приемника, вызванных замираниями, входят также и постоянные по мощности компоненты теплового шума Р т.г и Р т.м).

Тепловые шумы, учитываемые при оценке качества работы телевизионных каналов, как и в каналах ТЧ, складываются по мощности. Если, например, в расчет принимать мощность шумов, превышаемую в течение не более 20% времени любого месяца, то

где U т (20%) – эффективное визометрическое напряжение теплового шума на выходе видеоканала, превышаемое в течение не более 20% времени любого месяца; U р – напряжение размаха сигнала изображения; U т.м и U т.г – эффективное визометрическое напряжение теплового шума, вносимого соответственно одним модемом (м) и одним гетеродинным трактом; обычно U т.м = 0.14…0.22 мВ, а U т.г = 0.06…0.14 мВ; U т i (20%) – эффективное визометрическое напряжение (превышаемое в течение не более 20% времени любого месяца) теплового шума, вносимого на i-м пролете.

6.5. Принципы построения аппаратуры с ВРК

На рисунке 6.10 приведена упрощённая структурная схема оконечной станции многоканальной системы с ВРК . Непрерывное сообщение от каждого из абонентов u 1 (t) … u N (t) через соответствующие дифференциальные системы ДС 1 … ДС N подаются на входы канальных модуляторов КМ 1 … КМ N . В канальных модуляторах в соответствии с передаваемым сообщением производятся модуляции импульсов, следующих через период дискретизации Т д, по одному из параметров, например, ФИМ. В соответствии со значением передаваемого непрерывного сообщения в момент отсчёта при ФИМ происходит изменение положения импульса постоянной амплитуды и длительности относительно середины канального интервала от +∆t m до – ∆t m . Промодулированные импульсы с выхода КМ, импульсы синхронизации от генератора синхронизации (ГИС), а также импульсы датчика служебной связи (ДСС), датчика сигналов управления и вызовов (ДУВ) объединяются. В результате получается групповой сигнал u гр (t). Для обеспечения работы канальных модуляторов и дополнительных устройств последовательности импульсов с частотой дискретизации F д, сдвинутые относительно первого канала на i∆t к, где i – номер канала. Таким образом, моменты начала работы КМ определяются запускающими импульсами от РК, который определяет моменты подключения к общему широкополосному каналу соответствующего абонента или дополнительного устройства .

Полученный групповой сигнал u гр (t) подаётся на вход регенератора (Р), который придаёт дискретным сигналам различных каналов одинаковые характеристики, например одинаковую форму импульса. Все устройства, предназначенные для образования сигнала u гр (t): КМ 1 … КМ N , РК, ГИС, ДУВ, ДСС, Р – входят в аппаратуру объединения сигналов (АО), которая осуществляет объединение во времени всех сигналов и формирует групповой сигнал. Далее сигнал может передаваться на следующую станцию по проводным соединительным линиям или с помощью радиосвязи.

Рисунок 6.10. Упрощённая структурная схема радиорелейной оконечной станции системы связи с ВРК

На приёме выделенный сигнал u * гр (t) подаётся на входы всех канальных демодуляторов КД 1 … КД N и приемников служебной связи (ПСС), управления и вызова (ПУВ).

Канальные демодуляторы осуществляют разделение u * гр (t) на отдельные канальные сигналы, представляющие собой дискретные отсчёты, и восстановление по этим отсчётам непрерывных сообщений u * 1 (t) … u * N (t), соответствующих поданным на входы КМ в АО. Для обеспечения временного разделения канальных сигналов необходимо, чтобы каждый из КД открывался поочерёдно только в соответствующие данному каналу интервалы времени ∆t к. Это обеспечивается импульсами, снимаемыми с выходов РК′ аппаратуры разделения сигналов (АР), работающего аналогично РК в АО на передающем конце линии связи. Для обеспечения правильного разделения каналов РК′, который находится в АР, должен работать синхронно и синфазно с РК АО, что осуществляется с помощью импульсов синхронизации (ИС), выделяемых соответствующими селекторами (СИС) и блоком синхронизации (БС). Сообщения с выходов КД поступают к соответствующим абонентам через дифференциальные системы .

Помехоустойчивость систем передачи с ВРК во многом определяется точностью и надёжностью работы системы синхронизации и распределителей каналов, установленных в аппаратуре объединения и разделения каналов. Для обеспечения точности работы системы синхронизации импульсы синхронизации (ИС) должны иметь параметры, позволяющие наиболее просто и надёжно выделять их из последовательности импульсов группового сигнала u * гр (t). Наиболее целесообразным при ФИМ оказалось применение сдвоенных ИС, для передачи которых выделяют один из канальных интервалов ∆t к в каждом периоде дискретизации Т д (смотри рисунок 6.11).

Рисунок 6.11. Групповой сигнал при ВРК с ФИМ

Определим число каналов, которое можно получить в системе с ФИМ. На рисунке 6.11 показана последовательность импульсов при многоканальной передаче с ФИМ. Из рисунка следует, что

Т д = (2∆τ макс + τ з)N гр, (6.11)

где τ з – защитный интервал; ∆τ макс – максимальное смещение (девиация) импульсов. При этом полагаем, что длительность импульсов мала по сравнению с τ з и ∆τ макс.

Из формулы (6.11) получаем

;

максимальная девиация импульсов при заданном количестве каналов

,

принимаем , поэтому

. (1.12)

Учитывая, что при телефонной передаче Т д = 125 мкс, получим при N гр = 6 ∆τ макс = 8 мкс, при N гр = 12 ∆τ макс = 3 мкс и при N гр = 24 ∆τ макс = 1.5 мкс. Помехоустойчивость системы с ФИМ тем выше, чем больше ∆τ макс.

При передаче сигналов с ФИМ по радиоканалам на второй ступени (в радиопередатчике) может использоваться амплитудная (АМ) или частотная (ЧМ) модуляция. В системах с ФИМ – АМ обычно ограничиваются 24 каналами, а в более помехоустойчивой системе ФИМ – ЧМ – 48 каналами.

6.6. Методы оценки помех в каналах РРЛ

Как отмечалось ранее, на передачу сигналов по РРЛ, как и во всех радиосистемах, влияют помехи внешнего и внутреннего происхождения. К внешним помехам относят космические и атмосферные шумы, индустриальные помехи и сигналы от других радиосистем . Уровень этих помех обычно удается свести к минимуму с помощью тех или иных организационных мер (соответствующий выбор частот, фильтрация мешающих радиосигналов, правильное размещение станций и тому подобное). Если РРЛ работает в диапазоне дециметровых или сантиметровых волн, то влиянием индустриальных помех можно пренебречь.

Особое внимание при организации РРЛ приходится уделять внутрисистемным помехам. К ним относятся флуктуационные (тепловые и дробовые) шумы, аппаратурные шумы (пульсации питающих напряжений, шумы коммутации и другие) и специфические помехи, обусловленные искажениями широкополосных сигналов при прохождении через тракты с неидеальными характеристиками. При многоканальной передаче такие помехи проявляются как переходные. Для уменьшения влияния флуктуационных шумов (обычно их сводят к тепловым шумам) приходится увеличивать "энергетический потенциал" системы, то есть увеличивать мощность передатчиков (при некоторой заданной средней протяженности пролетов), уменьшать шумовую температуру приемников (например, применением параметрических усилителей на входе приемников), увеличивать коэффициент усиления антенн и тому подобное. Борьба с аппаратурными шумами ведется путем совершенствования аппаратуры и порядка ее эксплуатации.

Тепловые шумы в телефонных каналах. При передаче по телефонным каналам сигналов в аналоговой форме тепловые шумы накапливаются (суммируются по мощности) по мере прохождения сигнала через различные элементы тракта от одной станции до другой. Качество телефонного канала принято характеризовать мощностью помех в точке нулевого относительного уровня сигнала на выходе ТФ канала. Эта мощность определяется многими слагаемыми.

Шумовые свойства всех блоков линейной части приемника до АО учитываются коэффициентом шума приемника Ш. При этом полная эквивалентная мощность теплового шума, отнесенного ко входу приемника (при условии согласования его входного сопротивления с сопротивлением эквивалентного источника шума),

где k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура окружающей среды (обычно принимают Т=290 К); П э – эффективная полоса шумов приемника, которая обычно принимается равной ширине полосы ∆f п.ч тракта промежуточной частоты; Р т.вых – мощность шума на выходе линейной части приемника, имеющей коэффициент усиления по мощности, равный К м. Если принять, что мощность Р т.вх равномерно распределена в полосе П э, то спектральная плотность мощности, выделяемой на сопротивлении 1 Ом,

G т.вх = kТШR вх, (6.14)

Уровень шума на входе ЧД зависит от уровня сигнала на входе приемника u с (t).

На рисунке 6.12,а представлена векторная диаграмм, из которой видно, что в результате сложения случайного вектора шума U т.вх (t), отображающего u т.вх (t), с вектором сигнала U c , отображающим u с (t), образуется случайный вектор U ∑ (t), отображающий суммарный сигнал

Рисунок 6.12. Векторное (а) и спектральное (б,в) представления сигнала и теплового шума на входе (а,б) и выходе (в) приемника.

Таким образом, случайные изменения фазы частотно-модулированного сигнала при частотном детектировании его трансформируются в случайные изменения амплитуды сигнала, то есть проявляются в виде шума .

Мощность теплового шума в канале ТЧ на i-м интервале РРЛ может быть определена по формуле:

, (6.16)

где

Коэффициент шума приемника; ∆F к = 3.1 кГц – ширина полосы i-го канала ТЧ; F к – значение центральной частоты канала ТЧ в групповом сигнале; ∆f к – эффективная девиация на канал; β пр – коэффициент учитывающий предыскажения сигнала; К п – псофометрический коэффициент.

В телефонных каналах обычно нормируется псофометрическая (взвешенная) мощность шума в точке с нулевым относительным уровнем, в которой средняя мощность измерительного сигнала равна 10 9 пВт 0. Псофометрический коэффициент отражает реальное восприятие различных составляющих спектра шума и для канала ТЧ выбирается равным 0.56 (-2.5 дБ). При измерениях шумов в канале используются псофометрические фильтры для телефонных и вещательных и визометрические для телевизионных каналов. Характеристики этих фильтров приведены на рисунках 6.13 и 6.14 соответственно.

Мощность сигнала на входе приемника Р пр i зависит от параметров аппаратуры, условий распространений радиоволны . Первоначально ориентируются на конкретную величину Р пр i = Р пр i (20%) – мощность сигнала на входе приемника, которая может уменьшаться в течении не более 20% времени любого месяца

, (6.17)

где Р пр.св – мощность без учета влияния условий распространения радиоволн; V 20% – величина множителя ослабления поля свободного пространства , ниже которой он может быть в течение не более 20% времени любого месяца наблюдения. Обычно выбирают V 20% ≈ 0.5. В реальном случае V изменяется от 0 до 2 в зависимости от параметров тропосферы и вида поверхности Земли. Множитель ослабления показывает, на сколько случай реального распространения радиоволн отличается от идеального (т.е. V=1).

С учетом вышеизложенного можно записать уравнение радиосвязи , отражающие основные факторы, влияющие на уровень сигнала при его распространении по радиотрассе:

где Р п [Вт] – мощность передатчика; G п, G пр – коэффициенты передающей и приемной антенн соответственно; λ – длина волны; R i – расстояние между станциями; η п, η пр – коэффициент полезного действия антенно-волноводного тракта передающей и приемной станции соответственно.

где а АВТ [дБ] – суммарное ослабление сигнала в АВТ.

Практикум на применение уравнения радиосвязи:

Найти требуемую мощность передатчика РРЛ связи, если чувствительность приемника ПРС, расположенного на расстоянии R=20 км, равна Рмин=10 -3 мкВт, G пер =G пр =37 дб; f=0.8 ГГц, V=0.7 дб, η=0.8.

При решении задач подобного типа необходимо четко представлять себе все факторы, влияющие на уровень сигнала при его распространении по радиотрассе (6.18). Под чувствительностью приемника подразумевается тот минимальный уровень сигнала на входе приемника, при котором качество приема полезного сигнала еще считается удовлетворительным. Рабочая длина волны связана с частотой радиосигнала через скорость света.

Те же рассуждения применяйте при решении таких задач как:

Найти мощность сигнала на выходе приемной антенны РРЛ связи, если Рпер=0.5 дБ/Вт, расстояние между станциями R=43 км, G пер =3600; G пр =41 дБ, f пер =2 ГГц, η пер =η пр =0.7, V=0.8

Определить мощность передатчика РРЛ связи, при которой на входе приемника будет иметь место пороговая мощность сигнала, равная 0.01 мкВт, если R=40 км, G пер =2000, G пр =20 дБ, η пер =3.5 дБ, η пр =2 дБ, V=0.7, f пер =1.5 ГГц.

Формула (6.18) через V 20% учитывает долговременное состояние тропосферы, при этом среднеминутная псофометрическая мощность шума равная 7500 пВт может превышаться в течении не более t=20% времени любого месяца.

В тоже время на интервалах РРЛ могут иметь место глубокие замирания сигнала из-за изменения состояния тропосферы.

Для более глубоких замираний может допускаться большая мощность шума, но на более коротких интервалах времени.

Так, среднеминутная псофометрическая мощность шума 47500 пВт0 может превышаться в течение не более t = 0.1 % времени любого месяца, а средняя за 5 мс не взвешенная мощность шума 10 6 пВт0 может превышаться в течение не более t = 0.01 % времени любого месяца. Указанные нормы приведены для эталонной линии протяженностью 2500 км.

В общем случае множитель ослабления V (t) интегрально учитывает влияние на процесс распространения радиоволн Земли и тропосферы. V(t) – векторная величина, но во многих случаях достаточно знать ее модуль

|V (t)| = V(t) = E(t)/E 0 , (6.20)

где Е(t) и Е 0 – модули напряженности электрического поля на входе приемной антенны при распространении радиоволн соответственно в реальных условиях (с учетом влияния тропосферы и Земли) и в свободном пространстве. В общем случае V(t) – случайная функция времени, и, например, V(20%) находится с использованием некоторых статических данных.

Из-за неоднородностей тропосферы радиоволны распространяются в ней по криволинейной траектории, что получило название тропосферной рефракции . Электрические свойства тропосферы характеризуются степенью изменения диэлектрической проницаемости воздуха по высоте и определяются градиентом диэлектрической проницаемости .

В основе метода расчета трасс РРЛ лежит построение профилей пролетов .

Профилем пролета называется вертикальный разрез местности между двумя соседними радиорелейными станциями с учетом леса, строений и особенностей рельефа. Пример такого профиля показан на рисунке 6.15.. При этом в качестве определяющего параметра выбирается величина просвета (зазора) Н между линией "прямой видимости" АВ, соединяющей центры антенн, и ближайшей к ней (по вертикали) точкой препятствия С (на рисунке 6.15 изображен вариант профиля с одним препятствием; в специальных пособиях по расчету и проектированию РРЛ рассматриваются также профили, когда в минимальную область пространства попадает несколько препятствий). Просвет Н считается положительным, если линия АВ проходит выше препятствия, и отрицательным, если эта линия пересекает профиль пролета.

Механизм распространения радиоволн на участке от передающей антенны (будем считать, что она установлена в точке А, рисунок 6.15) до приемной антенны (в точке В) существенно зависит от величины просвета Н, что, естественно, накладывает отпечаток и на методику расчета, в частности, множителя ослабления V. При этом можно выделить три основные группы пролетов (для некоторого фиксированного состояния тропосферы):

1. открытые, когда Н ≥ Н 0 ;

2. полуоткрытые, когда Н 0 > Н ≥ 0;

3. закрытые, когда Н < 0.

Через Н 0 здесь обозначен критический просвет , при котором в точке приема векторная сумма напряженности поля прямого и отраженного сигналов равна напряженности поля в свободном пространстве (V = 1). В общем случае

, (6.21)

где к 1 = R 1 /R – относительная координата точки препятствия С.

Профиль пролета позволяет учесть влияние кривизны земной поверхности на процесс распространения радиоволн . В частности, с помощью профиля можно получить представление об отражении радиоволн от поверхности Земли. Но в целом характер передачи сигналов на участке АВ будет весьма приближенным, если не учесть влияния тропосферы. При этом, прежде всего, приходится считаться с рефракцией радиоволн , то есть искривлением траектории волн (АВ на рисунке 6.15), обусловленным неоднородным строением тропосферы. Основную роль здесь играет неоднородность тропосферы в вертикальной плоскости. Рефракцию учитывают тем, что в величину просвета над определяющими точками (на рисунке 6.15 – точка С) вносится поправка

Таким образом, зависящая от g величина просвета H(g) = H + ∆H(g).

При изменении метеорологических условий на пролете изменяются величины g и H(g), что может привести к резким колебаниям множителя ослабления, а следовательно, и уровня сигнала на входе приемника. На открытых пролетах (Н ≥ Н 0) напряженность поля в точке приема определяется в основном интерференцией прямой и отраженных от земной поверхности волн. В случае одной отраженной волны (как на рисунке 6.5.4) множитель ослабления для реальных условий можно представить в виде

где |Ф| – модуль коэффициента отражения от земной поверхности, а

– относительный (нормированный) просвет . Из (6.5.11) следует, что при p(g)≥1 максимальные значения множителя ослабления чередуются с минимальными (рисунок 6.16).

Рисунок 6.16. Зависимость множителя ослабления V от относительного просвета p(g) и параметра μ.

На полуоткрытых и закрытых пролетах, где p(g) < 1, уровень поля в точке приема обусловлен главным образом процессом дифракции радиоволн, то есть огибанием ими земной поверхности. Множитель ослабления V в этом случае рассчитывается на основе приближенных методов, с применением аппроксимации реального препятствия частью сферической поверхности. Прежде чем найти V, необходимо применить параметр μ, характеризующий радиус кривизны сферы, аппроксимирующей препятствие, и зависящий от высоты ∆y и хорды сегмента аппроксимирующей сферы . Чем ближе к 0 этот параметр, тем более плоской является трасса. На полуоткрытых пролетах и пролетах с малым закрытием хорда r определяется из профиля пролета (рисунок 6.16) как расстояние между точками пересечения препятствия линией, параллельной АВ и отстоящей от вершины на величину ∆y = H o . Для пролетов, имеющих среднюю протяженность и одно препятствие, во многих случаях можно руководствоваться приближенным значением V, определяемым из графиков рисунок 6.16, полагая, что

где α = ∆y/H 0 = 1, ℓ = r/R, к 1 =R 1 /R.

Как видно из рисунка 6.16, множитель ослабления V может изменяться в широких пределах. Для оценки устойчивости связи необходимо знать минимально допустимое значение множителя ослабления V i min на каждом i-м пролете. Под V i min понимается такое значение V i , при котором суммарная мощность помех (P п.вых) или отношение (U т /U p) 2 в канале на конце линии равны максимально допустимым значениям P п.вых max или (U т /U p) 2 max , определяемым соответствующими рекомендациями для малых процентов времени.

В конечном счете расчет сводится к определению процента времени , в течение которого на выходе канала суммарная мощность шумов может быть больше максимально допустимой (Р шт.max). На пролете это условие соответствует вероятности того, что множитель ослабления будет меньше минимального допустимого значения T(V

где n – количество интервалов; Т 0 (Vза счет экранирующего действия препятствия ; ∑Т п (Vза счет интерференции прямой волны и волны, отраженной от поверхности Земли ; Т тр (Vза счет интерференции прямой волны и волны, отраженной от слоистых неоднородностей в тропосфере ; Т д (Vза счет ослабления радиоволны в осадках .

Для телефонного ствола на j-ом интервале

, (6.27)

где М тф [пВт0/км 2 ] – параметр, характеризующий аппаратуру телефонного ствола. Более подробно о порядке расчета устойчивости РРЛ для 0.1% и 0.01% времени смотрите

Переходные помехи, вносимые в телефонный канал групповым трактом. Эти помехи обусловлены нелинейностью амплитудных характеристик устройств группового тракта (усилителей, модуляторов, демодуляторов и так далее). Эти помехи можно рассчитать по формуле:

ПВт, (6.28)

где ∆F к = 3.1 кГц – ширина телефонного канала; F в, F н – верхняя и нижняя частот группового сигнала; Р ср – средняя мощность многоканального сообщения; y 2 (δ), y 3 (δ) –κоэффициенты, учитывающие распределение мощности нелинейных шумов в групповом спектре по 2-ой и 3-ей гармоникам соответственно, где δ = (F-F н)/(F в -F н), а F – некоторая частота в групповом спектре, в области которой определяются шумы. Графики y 2 (δ) и y 3 (δ) для различных значений β=F в /F н приведены на рисунке 6.5.6.

Рисунок 6.17. Графики зависимостей y 2 (δ),y 3 (δ), а 2 (δ) и а 3 (δ)

а 2 (δ), а 3 (δ) – поправочные коэффициенты, учитывающие перераспределение шумов в групповом спектре из-за введения предыскажений (рисунок 1.17,в). К 2к (δ), К 3к (δ) – коэффициенты нелинейности по 2-й и 3-й гармоникам элементов группового тракта измеренные при измерительном уровне .

Переходные помехи из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и группового времени запаздывания (ГВЗ) элементов ВЧ тракта . Эти шумы могут быть рассчитаны по формуле:

пВт, (6.29)

где , – коэффициенты учитывающие неравномерность ГВЗ: (∆τ +) – при отклонении частоты ЧМ-сигнала от ω 0 на +∆ω и (∆τ -) – на -∆ω; F к – частота в области которой оцениваются шумы.

Контрольные вопросы:

1. Объясните принципы организации связи с помощью РРЛ прямой видимости.
2. От чего зависит протяженность между соседними станциями (дайте всесторонний, развернутый ответ)?
3. Каково назначение оконечных промежуточных и узловых радиорелейных станций?
4. Каково назначение системы телеобслуживания РРЛ.
5. Что такое активная ретрансляция сигналов.
6. Классифицируйте цифровые радиорелейные линии прямой видимости.
7. Почему радиосигналы СВЧ передаются лишь в пределах прямой видимости.
8. Перечислите внутрисистемные помехи РРЛ.
9. Дайте определение радиосистеме передачи РСП. Приведите структурную схему многоканальной РСП.
10. Объясните принцип организации многоствольной РРЛ.
11. Как обеспечить минимум внутрисистемных помех без значительного расширения частотных интервалов между стволами?
12. Для чего служит фильтр поглощения в АФТ?
13. Приведите схему оконечной приемопередающей станции. Поясните назначение всех блоков.
14. По какому принципу выбираются значения частот для работы радиорелейных станций.
15. Каково назначение системы СОВТ.
16. Что входит в состав радиоствола?
17. Чем отличается телефонный радиоствол от телевизионного?
18. Чем состав оборудования ПРС отличается от УРС.
19. Чему равна полная эквивалентная мощность теплового шума, отнесенного к входу приемника.
20. Поясните необходимость применения ограничителя амплитуд при приеме сигналов с частотной модуляцией.
21. Какую функцию выполняет предыскажающий контур?
22. От каких факторов зависит полоса пропускания сигналов с частотной модуляцией?
23. Какие параметры РРЛ определяет гипотетическая цепь МСЭ?
24. Какие характеристики нормируются при передаче сигналов телевидения?
25. Какие виды шумов могут присутствовать в канале ТЧ?
26. Каким образом на качество передачи сигналов влияет неравномерность характеристики ГВЗ?
27. Какую функцию выполняют смесители приемника и передатчика?
28. Что изменится в схеме (Рисунок 6.6) при применении многоствольной системы передачи?
29. Что означает термин "частота нулевых предыскажений"?
30. Дайте определение профиля пролета.
31. С какой целью строится условный нулевой уровень?
32. Как рефракция может повлиять на тип пролета?
33. В каком случае тропосфера считается однородной?
34. Как вы понимаете значение термина "замирание радиосигнала"?
35. Что показывает величина множитель ослабления поля свободного пространства?
36. Возможна ли радиосвязь в случае закрытого пролета?
37. Какие факторы могут изменить уровень сигнала на входе приемника?
38. Поясните работу схемы оконечной станции системы связи с ВРК.
39. Чем объяснить малый объем передаваемой информации в системах с ФИМ – АМ и ФИМ – ЧМ?
40. Сравните помехоустойчивость систем ЧРК- ЧМ и ФИМ- ЧМ.

Радиорелейная связь обеспечивает высококачественные дуплексные каналы связи, практически мало зависящие от времени года и суток, от состояния погоды и атмосферных помех.

При организации радиорелейной связи необходимо учитывать зависимость ее от рельефа местности, что вызывает необходимость тщательного выбора трассы линии связи, невозможность работы или значительное уменьшение дальности действия радиорелейных станций в движении, возможность перехвата передач и создания радиопомех противником.

Радиорелейная связь может быть организована по направлению, по сети и по оси. Применение того или иного способа в каждом отдельном случае зависит от конкретных условий обстановки, особенностей организации управления, рельефа местности, важности данной связи, потребности в обмене, наличия средств и других факторов.

Направление радиорелейной связи - это способ организации связи между двумя пунктами управления (командирами, штабами) (Рис. 19).

Рисунок 19. Организация радиорелейной связи по направлениям

Этот способ обеспечивает наибольшую надежность работы направления связи и большую ее пропускную способность, но по сравнению с другими способами обычно требует повышенного расхода частот и радиорелейных станций при штабе, организующем связь. Кроме того, при организации связи по направлениям возникают трудности в размещении большого количества радиорелейных станций без взаимных помех на узле связи старшего штаба и исключается возможность маневра каналами между направлениями.

Сеть радиорелейной связи - это способ организации связи, при котором связь старшего пункта управления (командира, штаба) с несколькими подчиненными пунктами управления (командирами, штабами) осуществляется с помощью одного радиорелейного полукомплекта (Рис. 20).

Рисунок 20. Организация сети радиорелейной связи

При работе по сети передатчики радиорелейных станций подчиненных корреспондентов постоянно настроены на частоту приемника главной станции. Следует иметь в виду, что при отсутствии обмена все станции сети должны находиться в симплексном режиме, то есть в режиме дежурного приема. Право вызова предоставляется преимущественно главной станции. После вызова главной станцией одного из корреспондентов переговор между ними может продолжаться в дуплексном режиме. По окончании переговора станции вновь переключаются в симплексный режим. Количество радиорелейных станций в сети не должно превышать трех-четырех.

Связь по сети возможна главным образом при условии, когда главная станция работает на ненаправленную (штыревую) антенну. В зависимости от обстановки подчиненные корреспонденты могут использовать как штыревые, так и направленные антенны. Если подчиненные корреспонденты находятся относительно главной станции в каком-либо одном направлении или в пределах сектора направленного излучения антенны главной станции, то связь старшего командира с подчиненными может обеспечиваться по сети и при работе на направленную антенну, имеющую сравнительно большой угол направленности (60 - 70°).

Ось радиорелейной связи - это способ организации радиорелейной связи, при котором связь старшего пункта управления (командира, штаба) с несколькими подчиненными пунктами управления (командирами, штабами) осуществляется по одной радиорелейной линии, развернутой в направлении перемещения своего пункта управления или одного из пунктов управления 1подчиненных штабов (Рис. 23).

Рисунок 21. Организация оси радиорелейной связи

Связь пункта управления старшего штаба с пунктами управления осуществляется через опорные (вспомогательные) узлы связи, на которых производится распределение телефонных и телеграфных каналов между пунктами управления.

По сравнению со связью по направлениям организация радиорелейной связи по оси уменьшает количество радиорелейных станций на узле связи пункта управления старшего штаба и тем самым упрощает назначение частот этим станциям без взаимных помех, дает возможность осуществлять маневр каналами, обеспечивает более эффективное их использование, сокращает время для выбора и расчета трасс, облегчает управление радиорелейной связью и требует меньшего количества личного состава, необходимого для охраны и обороны промежуточных станций. Недостатками этого способа являются зависимость всей радиорелейной связи от работы осевой линии и необходимость в дополнительной коммутации каналов на опорных (вспомогательных) узлах связи. Пропускная способность оси определяется емкостью осевой линии, поэтому организация радиорелейной связи по оси целесообразна лишь в том случае, если на осевой линии используются многоканальные станции, а на линиях привязки - малоканальные. Применение для оси малоканальных станций не дает должного эффекта, так как требует значительного количества этих станций и частот.

Радиорелейная связь осуществляется непосредственно или через промежуточные (ретрансляционные) радиорелейные станции. Эти станции развертываются в тех случаях, когда связь непосредственно между оконечными станциями не обеспечивается вследствие удаленности их друг от друга или по условиям рельефа местности, а также при необходимости выделения каналов в промежуточном пункте.

Радиорелейная связь (РРЛ) – вид радиосвязи, образующийся в результате работы цепочки принимающих и передающих радиостанций. Наземная радиорелейная связь функционирует на миллиметровых, сантиметровых и дециметровых волнах. РРЛ-сети играют важную роль в сотовой связи, поскольку позволяют передавать очень большие объемы трафика при минимальных затратах. В будущем эта технология способна покрыть потребности сотовых операторов в пропускной способности на все 100%, а значит обеспечить качественную работу множества различных услуг и приложений, подключение к интернету устройств и вещей.

Возможности РРЛ

Главное преимущество РРЛ связано с возможностью увеличить пропускную способность как backhaul-, так и fronthaul-сетей. РРЛ позволяет использовать сразу несколько частотных диапазонов и таким образом увеличить емкость сети при минимальных расходах. Например, используя частоты в диапазоне E-band (70/80 ГГц), можно увеличить пропускную способность в семь раз и при этом разгрузить традиционные для сотовой связи частоты. Это имеет большое значение в свете запуска в коммерческую эксплуатацию сетей пятого поколения (5G), запланированного на 2020 год.

Для модернизации существующих сетей в процессе развертывания 5G будет использоваться комбинация технологий радиорелейной и оптоволоконной связи. Выбирая между РРЛ и оптоволокном как технологией развития транспортной сети, операторы принимают решение исходя из наличия оптоволокна в том или ином районе и стоимости владения сетью (показатель ТСО). «В России не везде можно и целесообразно прокладывать ВОЛС, поэтому мы не планируем отказываться от использования РРЛ. В каждом конкретном случае мы изучаем все возможные способы строительства и модернизации сети и выбираем тот, который является оптимальным», - поясняет представитель компании «МегаФон» Юлия Дорохина. Аналогичной стратегии придерживается Tele2. «Мы используем радиорелейное оборудование там, где это экономически целесообразно», - говорит представитель Tele2 Константин Прокшин.

Оптоволокно в силу надежности обеспечиваемых соединений все чаще применяется для государственных услуг и фиксированной связи, например, при развертывании FTTH-решений в домене доступа. РРЛ, в свою очередь, является основной технологией для соединения базовых станций, ее преимущества – быстрота, невысокая стоимость развертывания и серьезный рост пропускной способности. «Радиорелейная связь - это основной способ подключения базовых станций на нашей сети наряду с ВОЛС. Мы используем этот способ подключения сейчас и планируем использовать его в будущем. При этом мы строим ВОЛС до позиций в городах и на узловых позициях, что обеспечивает эффективную целевую архитектуру транспортной сети», -

комментирует директор по развитию сети ПАО «ВымпелКом» Сергей Кнышев.

По прогнозам Ericsson к 2020 году около 65% всех типов базовых станций в мире в качестве среды передачи будут использовать РРЛ (исключение составят Китай, Япония, Южная Корея и Тайвань, где высока степень проникновения оптического волокна). При этом активней всего будет осваиваться частотный диапазон E-band, на который в 2020 году будет приходиться около 20% вновь развертываемых РРЛ систем. К этому времени доля традиционных частотных диапазонов 6-42 ГГц составит 70% для вновь развертываемых РРС. Впрочем, популярность РРЛ будет сильно варьироваться от региона к региону. Например, в Северной Америке к 2020 году число подключенных через РРЛ базовых станций достигнет 20%, а в Индии этот показатель составит 70%. Столь существенная разница сложилась исторически и связана, в основном, со степенью зрелости телекоммуникационных рынков и доступностью услуг фиксированной связи.

Используемые частотные диапазоны

В настоящее время, для радиорелейной связи используется полоса шириной около 40 ГГц, однако она доступна целиком не во всех странах мира. В РРЛ выделяется 5 диапазонов, каждый из которых имеет свои характеристики:

6–13 ГГц Это низкие частотные диапазоны, они менее чувствительны к дождю, и по этой причине применяются в дождливых регионах на протяженных транзитных участках.

Пропускная способность в этом диапазоне ограничена, однако проблема решается агрегацией нескольких каналов. Чаще всего используется полоса 7 ГГц, менее популярны 6 ГГц и 8 ГГц. Что касается более высоких участков этого спектра, в большей части стран мира используется 13 ГГц, а в Северной Америке – 11 ГГц. Полоса 10 ГГц эксплуатируется в основном на Ближнем Востоке.

15–23 ГГц Эти частоты сейчас используются во многих странах мира, и они продолжат играть важную роль в ближайшие годы. С недавних пор в данных диапазонах используются более широкие каналы, и это при сочетании с технологиями, повышающими эффективность использования спектра, позволит увеличить пропускную способность сетей в будущем.

26–42 ГГц В этих диапазонах существуют как широко используемые частоты, так и не используемые вовсе. В Европе операторы активно работают в диапазоне 38 ГГц, и в дальнейшем ситуация не изменится. Также операторами занят диапазон 26 ГГц, и растет интерес к частотам в диапазонах 28 ГГц и 32 ГГц. Большие перспективы у частотных каналов шириной 56 МГц и 112 МГц, поскольку они способны обеспечить гигабитные скорости передачи данных.

60 ГГц Диапазон V-band (58,25-63,25 ГГц) идеально подходит для приложений малых сот, так как обеспечивает высокую пропускную способность из-за большой ширины каналов и низкий уровень интерференции из-за большого затухания. До настоящего времени диапазон 60 ГГц активно не использовался, поскольку уличные сети из малых сот не развертывались в больших масштабах. В ряде стран операторы уже начали строить РРЛ сети в этом диапазоне, однако в во многих уголках мира его статус остается неясным. Сейчас важно определиться с регулированием совместного использования данного диапазона, для того, чтобы операторы и разные службы не создавали помех для работы друг друга.

70/80 ГГц В последние годы растет число развертываний в диапазоне E-band, главным преимуществом которого является возможность обеспечить очень высокую пропускную способность. Эти частоты применяются для передачи данных на сравнительно короткое расстояние в 2-5км, однако этого достаточно для городских условий. Во многих странах существует упрощенный режим лицензирования в данном диапазоне, который стимулирует интерес к нему со стороны операторов.

«При новом строительстве достаточно популярным в городских условиях решением является использование оборудования нелицензионных диапазонов частот 60, 70/80 ГГц (V-band, E-band) в силу ряда факторов: относительная простота самого оборудования, оперативность, универсальность, уведомительных характер использования», - поясняет представитель компании «Ростелеком» Андрей Поляков.

«Мы используем самые современные типы оборудования РРЛ на базе IP и новые технологии: широкополосные РРЛ и РРЛ в высокочастотных диапазонах - Eband, Vband, которые обеспечивают большие скорости при использовании нелицензируемых диапазонов», - говорит директор по развитию сети ПАО «ВымпелКом» Сергей Кнышев.

На данный момент в диапазоне E-band оборудование РРЛ способно обеспечивать передачу данных на скорости до 5 Гбит/сек. В частности, с февраля этого года такие скорости доступны в сети египетского оператора Mobinil, входящего в Orange Group. Оператор использует системы Ericsson MINI-LINK 6352. «Ширина диапазона E-band обеспечивает высокую пропускную способность сети, - поясняет глава Ericsson в регионе Ближний Восток и Африка Рафия Ибрагим (Rafiah Ibrahim). - Использование систем MINI-LINK 6352 позволило улучшить LTE-покрытие и существенно увеличить скорость передачи данных в сети Mobinil».

В целом, каждый из пяти диапазонов радиорелейной связи имеет большой потенциал, для использования которого в полной мере требуется внести коррективы в законодательство. При использовании V- и Е-диапазонов и технологий XPIC, MIMO, а также антенн со сверхвысокой производительностью, таких как ETSI class 4, можно добиться более эффективного использования имеющегося частотного спектра и повысить пропускную способность сетей. «В традиционных диапазонах мы стали использовать адаптивную модуляцию, XPIC, и другие технологии, увеличивающие пропускную способность и надежность сети», - говорит Сергей Кнышев.

Кроме того, сейчас ведутся дискуссии об использовании диапазонов W-band (92-114,5 ГГц) и D-band (141–174,8 ГГц). В частности, компания Ericsson и Технический университет Чалмерса недавно продемонстрировали работу чипсета, обеспечивающего передачу данных на скорости 40 Гбит/сек в диапазоне 140 ГГц.

Перспективы РРЛ

Простота использования, быстрота развертывания и высокая пропускная способность сетей востребованы во всех отраслях промышленности. РРЛ используется в секторе ЖКХ для передачи трафика SCA DA, для которого важна высокая пропускная способность. Благодаря надежности и гибкости РРЛ применяется в работе государственных служб, в частности, полиции. Также РРЛ используется в корпоративных сетях в качестве технологии, дополняющей оптоволокно. Интернет-провайдеры применяют радиорелейную связь для оказания услуг домашним хозяйствам, поскольку такие сети строятся в короткие сроки и позволяют быстро начать получать доход от предоставления услуг доступа в интернет. РРЛ все чаще используется для трансляции эфирного телевидения, особенно больше значение данная технология приобрела в связи с переходом с аналогового на цифровое вещание. Кроме того, РРЛ применяется в создании мультисервисных сетей, в которых требуется обеспечить стабильность передачи и защиту данных.

«Сфера применения РРЛ трансформируется, всё более смещаясь в сегмент региональных и городских линий связи, а также в сегмент линий доступа. Традиционные магистральные РРЛ продолжают использоваться в основном в северных регионах, но постепенно их роль снижается в пользу оптических технологий там, где такая замена возможна и экономически целесообразна, - говорит представитель компании «Ростелеком» Андрей Поляков. - РРЛ, на мой взгляд, могут иметь перспективы развития в северных регионах с низкой плотностью населения и, соответственно, незначительным прогнозируемым ростом трафика, а также, в силу природных особенностей территорий (горы, вечная мерзлота, нестабильные грунты), удорожающих прокладку ВОЛП по сравнению со средней полосой РФ. Также РРЛ могут быть востребованы в местах, где прокладка ВОЛП практически невозможна- различные природоохранные территории и заповедники».

Варианты развертывания РРЛ-сетей

Существует множество вариантов развертывания радиорелейных сетей. При этом выбранный сценарий развертывания влияет на все аспекты работы, начиная от базовых станций и расходов на поддержание работы сети, заканчивая производительностью и возможностями для модернизации. Один из путей – пошаговое развертывание (hop-by-hop) по аналогии с коробками для пиццы с фиксированной конфигурацией, которая создается постепенно, исходя из текущих потребностей. Сетевые узлы при этом представляют из себя модули, что позволяет с легкостью расширять их, увеличивая пропускную способность. Ценность такого подхода - гарантия минимальной цены каждого шага и как следствие – наилучший показатель TCO. Недостаток данной модели заключается в том, что в итоге можно получить сеть, сплошь состоящую из оборудования разных вендоров.

Для того, чтобы в полной мере оценить преимущества концепции сетевых узлов, специалисты компании Ericsson изучили типичный сетевой кластер из узлов, состоящих из 109 транзитных сегментов, построенных на базе радиорелейного оборудования шести различных вендоров. При проектировании сети использовалась звездная топология, в которой центральный узел агрегирует весь трафик со всех узлов РРЛ. При этом для кластера был предусмотрен план модернизации, рассчитанный на пять лет и учитывающий поддержку растущего 3G- и 4G-трафика.

Было разработано три модели:

Пошаговая (hop-by-hop) модель,

Модель с использованием сетевых узлов,

Модель, комбинирующая оба варианта.

План развития сети состоял из следующих этапов:

Рост скорости передачи данных по сети 3G: 30 Мбит/сек в первый год с дальнейшим ростом на 10% в год;

Расширение сети 4G: 10 МГц в первый год, 10+10 МГц во второй и третий годы, 10+20 МГц в четвертый и пятый годы.

В результате проведенных исследований выяснилось, что использование сетевых узлов является наиболее эффективным и наименее затратным способом увеличения пропускной способности, при котором новый функционал внедряется шаг за шагом. После пяти лет использования сети, состоящей из узлов, затраты сократились на 40%. Это было достигнуто за счет повторного использования оборудования, обеспечивающего экономию на расходах, связанных с покупкой нового оборудования и комплектующих. В то же время, по мере развития сети пошаговая модель потребовала полной замены всего оборудования, а также апгрейда базовых станций и кабелей. Совместное использование коммутаторов, вентиляторов, блоков питания и процессоров позволило снизить потребление энергии и, следовательно, сократить расходы на оборудование при расширении существующих сайтов.

Модель на базе сетевых узлов обеспечила сокращение количества оборудования в три раза. Это привело к упрощению операций и процессов поддержки работы сети, что в конечном итоге вылилось в снижение трудозатрат и издержек. Также удалось добиться снижения затрат за счет сокращения времени, требующегося для решения проблем с производительностью и отказами оборудования. Кроме того, активно применялся апгрейд действующего оборудования, который также уменьшил возможные расходы. В придачу к этому сокращение количества элементов оборудования позволило улучшить процессы мониторинга и минимизировать время, требующееся для восстановления сети после отказов и время, необходимое для принятия мер для улучшения пользовательских характеристик.

Помимо всего перечисленного, в ходе испытаний специалисты Ericsson выяснили, что при применении модели с сетевыми узлами требуется в три раза меньшая площадь, чем при использовании пошаговой модели. Сокращение количества стоек при узловой модели позволяет сэкономить на покупке шкафов. Дело в том, что на многих сайтах расходы на шкафы и соответсвующую инфраструктуру могут превышать расходы на транспортное оборудование, а при строительстве сети на основе узлового подхода можно избежать этих расходов. Также при такой модели в пятилетней перспективе значительно сокращается показатель OPEX, поскольку установка меньшего количества оборудования требует меньше места, что ведет к уменьшению затрат на аренду и меньшему энергопотреблению.