Файл: Введение в системы радиосвязи и радиодоступа.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 26.10.2023

Просмотров: 212

Скачиваний: 2

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 3. Общие сведения о системах связиканала FKи динамическим диапазоном DK. Под динамическим диапазоном канала понимают отношение допустимой мощности передаваемого сигнала к мощности помехи, неизбежно присутствующей в канале. Типы каналов, по которым пере- даются сообщения, многочисленны и разнообразны. Широко применяются кана- лы проводной связи, коротковолновой радиосвязи с использованием отражения от ионосферы, ультракоротковолновой связи ионосферного и тропосферного рассе- яния, метеорной связи, космической связи и т. п. Характеристики этих каналов значительно отличаются друг от друга.Обобщенной характеристикой непрерывного канала является его емкость (объем):VKTKFKDK.Необходимым условием неискаженной передачи по каналу сигналов с объемомVCдолжно бытьVCD VK.(3.1)Для согласования сигнала с каналом осуществляют вторичное преобразование первичного сигнала. В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трем параметрам, т. е. добиваются выполнения условий:TCD TК;FCD FK;DCD DK.(3.2)При этих условиях объем сигнала полностью «вписывается» в объем канала.Однако неравенство (3.1) может выполняться и тогда, когда не выполнены од- но или два из неравенств (3.2). Это означает, что можно производить «обмен»длительности на ширину спектра или ширину спектра на динамический диапа- зон и т. д. Например, записанный на пленку сигнал можно воспроизводить с по- ниженной скоростью. При этом диапазон частот исходного сигнала уменьшится во столько раз, во сколько увеличится время передачи. Принятый сигнал также записывается на пленку, а затем воспроизводится с повышенной скоростью для восстановления исходного сигнала. Записанный сигнал можно передавать также и с повышенной скоростью. Широко используется также обмен динамического диапазона на полосу пропускания. Так, использование помехоустойчивых широко- полосных видов модуляции позволяет передать сообщение по каналам с увеличен- ным уровнем помех. Но это требует полосы пропускания канала более широкой,чем спектр сообщения.По способу распространения электромагнитной энергии различают каналы с открытым и закрытым распространением. В каналах с закрытым распростране- нием электромагнитные колебания распространяются по направляющим линиям(проводные, кабельные, волноводные тракты и т. п.). В каналах с открытым рас- пространением используются радиоволны в диапазоне частот от 30 до 30 10 12Гц.3.5 Общие сведения о сетях связиСети связи — совокупность технических средств, обеспечиваю-щих передачу и распределения сообщений.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Общие сведения о сетях связи29В зависимости от того, имеются или отсутствуют в сети специаль- ные устройства коммутации, различают коммутируемые и неком- мутируемые сети.Правила построения сетей зависят от способа распределения и вида передава- емых сообщений.Среди некоммутируемых сетей наиболее часто встречаются следующие спосо- бы организации сетей: «общая шина» (рисунок 3.5, а), «кольцо» (рисунок 3.5, б),полносвязная сеть («каждый с каждым») (рисунок 3.5, в). Подобные конфигурации наиболее характерны для компьютерных сетей.Рис. 3.5 – Некоммутируемые сети: а) «общая шина»; б) «кольцо»;в) полносвязная сетьКаждый из способов организации сетей имеет свои достоинства и недостатки.Так, в структурах «общая шина» и «кольцо» все участники сети используют об- щую среду распространения сигналов и имеют уникальные признаки, характерные только для данного абонента и называемого адреса. Этот адрес обязательно име- ется в передаваемом сообщении, и по этому адресу принимающая сторона судит о том, ей или другому участнику сети предназначено это со общение.Достоинством таких сетей является простота организации. Недостатки подоб- ных структур заключаются в следующем. При обрыве линии связи в любом месте связь становится невозможной для целой группы пользователей. Кроме того, в та- ких сетях в любой момент времени может передавать сообщение только одна пара участников сети.Организация сети по принципу «каждый с каждым» требует значительно боль- шего количества соединительных линий. Но зато сеть отличается наилучшей опе- ративностью: в любой момент времени может быть установлена связь любой пары абонентов. В целом, такая сеть является более надежной: выход из строя одной ли- нии вызовет нарушение связи только одной пары абонентов. Остальные участники сети будут продолжать работать в прежних условиях.По указанным причинам перечисленные выше структуры организации сетей наиболее эффективно работают лишь при небольшом числе абонентов. С уве- личением количества абонентов возрастает сложность организации таких сетей,либо уменьшается время, доступное каждому из абонентов для использования об- щих ресурсов, либо с ростом числа абонентов стремительно возрастает количество и длина линий, их соединяющих.При увеличении количества участников сети наиболее эффективными оказы- ваются коммутируемые сети. В таких сетях абоненты разбиваются на группы, 30Глава 3. Общие сведения о системах связии в каждой группе каждый из абонентов соединяется со специальным узлом ком- мутации линиями связи, называемые абонентскими линиями. В узлах коммутации потоки от отдельных абонентов объединяются и передаются на другие узлы ком- мутации по линиям связи, называемым соединительными линями и способным переносить большие, чем абонентские линии, объемы информации. Общая длина необходимых линий связи в таких сетях сокращается.При введении специального устройства — узла коммутации — может быть уменьшено количество необходимых линий для соединения абонентов и их об- щая длина. При этом сеть сохраняет высокую оперативность и достаточно вы- сокую надежность, связанную с нарушениями в работе линий связи: при обрыве абонентской линии связи лишь один пользователь получает отказ в услугах свя- зи. Но в таких структурах высокая ответственность ложится на узлы коммутации:нарушения в его работе могут привести к срыву связи всей сети.Простейшая коммутируемая сеть имеет один узел коммутации. Такую структу- ру сети называют радиальной, или «звездой» (рисунок 3.6, а). При увеличении чис- ла пользователей сети более эффективной оказывается радиально-узловая струк- тура (рисунок 3.6, б).Рис. 3.6 – Коммутируемые сети: а) радиальные; б) радиально-узловыеВ коммутируемой сети для обеспечения передачи сообщений, предназначен- ных конкретному пользователю, оконечные аппараты абонентов предварительно связываются с помощью узлов коммутации и соединительных линий. Электриче- ская цепь (канал), состоящая из нескольких участков, называется соединительным трактом.Процесс выбора электрических цепей и объединение их в соедини-тельный тракт называется коммутацией каналов.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Сеть, обеспечивающая коммутацию каналов, называется сетью с коммутацией каналов. После установления соединения в такой сети информация от источника к получателю поступает в реальном времени с учетом лишь физических задержек распространения сигнала по цепи. Это является достоинством таких сетей. Недо- 3.5 Общие сведения о сетях связи31статок данного режима работы сети заключается в следующем. Пока общий ресурс сети (узлы коммутации и соединительные линии) занят одной парой пользователей сети, другие абоненты не могут в этот интервал времени воспользоваться сетью,даже в том случае, если по ней не передается никакой информации.В сетях связи возможны и другие режимы работы. Передачу документальных сообщений можно выполнять не только после установления всего соединительно- го тракта («из конца в конец»), а поэтапно, от одного узла коммутации к друго- му. В каждом последующем узле принятое сообщение становится в очередь и от- правляется к очередному узлу по мере освобождения линии. Такая организация доставки информации называется коммутацией сообщений, а сеть, обеспечиваю- щая коммутацию сообщений, называется сетью с коммутацией сообщений. «Про- стои» соединительных линий в такой сети оказываются менее продолжительными,и в целом такая сеть может передать больший объем информации.Вариантом сети с коммутацией сообщений является сеть с коммутацией паке-тов. В такой сети отправляемые сообщения разбиваются на блоки (пакеты) фикси- рованного размера. По сети каждый такой пакет передается как самостоятельное сообщение. В месте приема исходное сообщение восстанавливается из набора по- лученных пакетов. Эффективность такого режима работы сети оказывается еще выше. На практике наиболее часто используют методы с коммутацией каналов и коммутацией пакетов.По иерархическим признакам (масштабу охвата территории и количеству участников) сети разделяются на глобальные (всемирные) и региональные (на- циональные, зоновые или местные). Примерами глобальных сетей являются ком- пьютерные сети Internet, сети сотовой связи GSM и т. д. Региональные сети об- служивают территорию соответствующего региона. Компьютерные сети по этому признаку классифицируют на глобальные сети и локальные сети.По функциональным признакам сети связи разделяются на сети передачи(магистральные сети), сети распределения (системы коммутации) и сети управ- ления.По виду передаваемых сообщений сети разделяются: на телефонные сети, те- леграфные сети, радио- и телевизионные вещательные сети, сети сотовой связи,сети передачи дискретных сообщений, сети передачи газет и т. д.Телефонная сеть является одной из наиболее разветвленных сетей и строит- ся по радиально-узловому принципу. Оконечными устройствами телефонной сети являются телефонные аппараты и факс-модемы.Телеграфная сеть также строится по радиально-узловому принципу с учетом административного деления страны. Оконечными устройствами телеграфной сети являются телеграфные аппараты отделений связи либо других пользователей.Сети сотовой связи также строятся по радиально-узловому принципу с учетом особенностей распространения радиоволн.Сети передачи дискретных сообщений имеют схожую структуру и являются одним из наиболее динамично развивающихся участников процесса передачи ин- формации.Сети передачи газет обеспечивают передачу газетной информации факси- мильным способом.Важнейшими сетями передачи массовых сообщений являются сети вещания. 32Глава 3. Общие сведения о системах связиВещание — это процесс одновременной передачи сообщений об-щего характера широкому кругу абонентов при помощи техниче-ских средств связи.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Вещательная программа представляет собой последовательную во времени передачу различных сообщений. Технология вещания включает в себя как под- готовку вещательных программ, так и доведение этих программ до абонентов.Основными требованиями к сетям вещания являются высокое качество передавае- мых программ, надежность и экономичность при охвате вещанием всего населения страны.Сети радиовещания и телевизионного вещания строятся по радиально-узлово- му принципу. Распространение программ в сетях радио- и телевизионного веща- ния осуществляется по каналам связи, разветвление выполняется на специальных узлах. По способу доведения вещательных программ до абонентов различают ра- диовещание (в том числе и эфирное телевидение) с использованием передающих радио- и телевизионных станций и проводное вещание (в том числе и кабельное телевидение).Зона уверенного приема телевизионного сигнала ограничена пределами пря- мой видимости между передающей антенной телецентра и приемной антенной абонента. Радиус этой зоны растет с увеличением высоты подъема антенны. Ти- повые радиопередающие станции с опорами для антенн высотой 200. . .300 метров обеспечивают зону уверенного приема с радиусом 60. . .100 километров.Современной разновидностью эфирного телевидения является спутниковое те- левидение с непосредственным приемом на установки, расположенные у абонен- тов (непосредственное телевидение — НТВ).Контрольные вопросы по главе 3 1) По каким признакам классифицируются виды электрической связи?2) Из каких компонентов состоят обобщенные структурные схемы систем связи?3) Перечислите основные характеристики сигналов электросвязи.4) Какие основные характеристики имеют каналы электрической связи?5) Как связаны основные характеристики сигналов и каналов связи?6) Как устроены некоммутируемые сети?7) Из каких компонентов состоят коммутируемые сети? Глава 4СИГНАЛЫ И ПОМЕХИ4.1 Модели радиотехнических сигналовВ современных системах связи используют сложные сигналы (то есть имею- щие сложные математические модели, описывающие поведение сигналов) и слож- ные методы их обработки. В то же время для описания сигналов любой сложности часто используются комбинации элементарных сигналов, модели которых описы- ваются простыми математическими выражениями.Так, для решения большого числа радиотехнических задач широкое примене- ние находит функция включения (функция Хэвисайда) (рис. 4.1):σˆt t0¢¨¨¨¨¨¨¦¨¨¨¨¨¨¤0,при t@ t0,1 2,при tt0,1,при tA t0,(4.1)где t0— задержка включения.Рис. 4.1 – Функция включенияФункция включения (ступенька) является математической абстракцией и в фи- зически реализуемых устройствах в «чистом» виде не встречается. Ее можно рас- сматривать как предельный переход от ряда аналитических функций, например:σˆt limλ ª1πarctgˆλt 1 2 .(4.2) 34Глава 4. Сигналы и помехиС помощью этой функции (набора таких ступенек с разной амплитудой) с раз- ной степенью точности можно описать характер поведения любой зависимостиsˆt (рис. 4.2), например поведение электрической цепи при включении питания.Понятно, что для более точного описания радиотехнических сигналов нередко тре- буется уменьшение высоты каждой из используемых ступенек при одновременном увеличении количества самих ступенек.Рис. 4.2 – Динамическое представление сигналаДругим вариантом модели элементарного сигнала является прямоугольный им- пульс. Формально он может быть получен путем сложения двух функций включе- ния различных полярностейσˆtt1 и σˆtt2 с различными временами задержекt1и t2(рис. 4.3).Рис. 4.3 – Формирование прямоугольного импульсаВариантом прямоугольного импульса является так называемый дельта-им- пульс, получаемый при предельном переходе от прямоугольного импульса, у ко- торого с уменьшением длительности импульса, равнойτ ˆt2 t1, одновременно увеличивается амплитуда E при сохранении «площади» импульса, определяемой как Sτ E (рис. 4.4):δˆt limτ 0 1τ<@@@@>σŒt τ2‘σŒt τ2‘=AAAA?.(4.3)Дельта-функцияδˆt может быть интерпретирована как результат дифферен- цирования функции включенияσˆt. Роль дельта-функций при анализе радиотех- нических цепей и сигналов также велика, несмотря на то, что и дельта-функция является математической абстракцией. В частности, для определения импульсных характеристик радиотехнических устройств используются импульсные сигналы,длительность которых много меньше длительности реакции цепи на это воздействие. 4.1 Модели радиотехнических сигналов35Значительное место в ряду радиотехнических сигналов занимают периодиче- ские сигналы (рисунок 4.5), математические модели которых могут быть представ- лены выражением:sˆt sˆt kT,(4.4)где k — любое целое число, а T — период сигнала (минимальный интервал времени между повторяющимися значениями сигнала).Рис. 4.4 – Переход к дельта-функцииПериодические сигналы в силу своей регулярности являются хорошей осно- вой для формирования различных тактирующих и синхронизирующих последова- тельностей, а также могут быть использованы в качестве несущих колебаний для различных видов модуляции.Рис. 4.5 – Периодический сигналОдним из наиболее известных периодических сигналов является гармониче- ская функция:sˆt A cosˆ2πft 3 A cos ‹2πtT 3 A cosˆωt 3,(4.5)где A — амплитуда гармонических колебаний; f — циклическая частота гармониче- ских колебаний (величина, обратная периоду T колебаний), f1T; 3 — начальный сдвиг фазы гармонического колебания;ω 2πf — круговая частота гармонических колебаний.Здесь и далее значения сигналов в текущий момент времени (мгновенное зна- чение сигналов, например sˆt), будем обозначать строчными буквами, для обозна- чения амплитуды колебаний будем использовать прописные буквы.Поведение гармонического колебания во временной области показано на ри- сунке 4.6. При анализе радиотехнических устройств, кроме временного представ- ления, также используется представление сигналов в частотной области. 36Глава 4. Сигналы и помехиРис. 4.6 – Гармонический сигналШирокое применение гармонического сигнала объясняется универсальностью формы гармонического колебания. Эта универсальность заключается в том, что гармоническое колебание не изменяет свою форму при прохождении через ли- нейные цепи (напомним, что в линейной цепи коэффициенты дифференциального уравнения, описывающего работу этой цепи, постоянны и не зависят от величи- ны входного сигнала). При прохождении гармонического сигнала через линейную цепь форма (повторяющая синусоидальную зависимость) и частота этих колебаний остаются неизменными, могут измениться только амплитуда и начальная фаза.4.2 Гармонический анализ и синтез сигналовУниверсальность гармонического колебания заключается также в том, что лю- бой периодический сигнал может быть составлен (в этом случае говорят: синте- зирован) только из гармонических колебаний с определенными амплитудами, ча- стотами и начальными фазами. Раздел теории сигналов, который занимается раз- ложением сигналов на гармонические составляющие, называется гармоническим анализом сигналов, или Фурье-анализом. Основные положения этой теории заклю- чаются в следующем.Любой периодический сигнал с периодом T может быть представлен суммиро- ванием определенного набора гармонических колебаний с круговыми частотами,равнымиωnnω1 2πnT, где n — номер гармоники (натуральное число). При этом гармонику с номером n1 называют основной гармоникой, а гармоники с номерами nA 1 — высшими гармониками. В общем случае количество таких гармоник может быть бесконечным. Сигнал, представленный суммой гармоник,может быть записан в виде:sˆta0 2ªQn 1ancosˆnω1t bnsinˆnω1t .(4.6)Коэффициенты anи bnвыражения (4.6) определяются интегрированием сигна- ла на интервале времени, равном периоду, по правилам:a0 2TT2ST2sˆt dt,(4.7) 4.2 Гармонический анализ и синтез сигналов37an2TT2ST2sˆt cosˆnω1t dt,(4.8)bn2TT2ST2sˆt sinˆnω1t dt.(4.9)Представление периодического сигнала в виде набора гармонических состав- ляющих называется спектром. Такое разложение периодического сигнала также называют рядом Фурье. Выражение (4.6) может быть представлено в другой форме:sˆta0 2ªQn 1Ancosˆnω1t 3n,(4.10)где амплитуда Anи фаза3nn-й гармоники определяются по правилу:An»a2n b2n,(4.11)3narctgbnan.(4.12)Графическое представление спектра сигналов выполняют в виде набора вер- тикальных отрезков, начинающихся на оси абсцисс (на оси частот). При этом по- ложение отрезка на оси абсцисс (от начала координат) отражает частоту соответ- ствующей гармоники, а длина отрезка соответствует амплитуде этой гармоники.Операция формирования сложного сигнала из набора гармоник называется синтезом сигнала. На практике для синтеза сигналов обычно используют не бес- конечный ряд, а ограниченный набор гармоник (его называют усеченным рядомФурье). Понятно, что если сигнал будет представлен неполным набором гармоник,его форма будет искажена. Одной из задач синтеза сигналов является формирова- ние сигналов с допустимыми искажениями из ограниченного набора гармоник.В качестве примера рассмотрим формирование сигнала, близкого к прямо- угольному, из усеченного ряда Фурье. На рисунке 4.7 представлены сигналы, по- лученные суммированием первых гармоник, выбранных из полного ряда Фурье.На рисунке 4.7, а пунктиром изображен меандр (симметричный прямоугольный сигнал) mˆt, сплошной линией — уровень первой гармоники a1ˆt, содержащей- ся в этом сигнале. На рисунке 4.7, б изображен спектр первой гармоники s1ˆf .Спектр гармонического (синусоидального) колебания содержит только одну со- ставляющую на частоте ff1 1T, где T — период колебаний. Периоды исходного прямоугольного сигнала и его первой гармоники совпадают.На рисунке 4.7, в пунктиром изображены первая и третья гармоники, содержа- щиеся в меандре, а сплошной линией — их сумма. Заметим, что у симметричных сигналов (в том числе и у меандра) все гармоники с четными номерами отсут- ствуют (точнее, значения их амплитуд равны нулю). Спектры первых трех гар- моник приведены на рисунке 4.7, г (уровень второй гармоники равен нулю). На рисунке 4.7, д приведены первые четыре ненулевые гармоники (то есть гармоники с номерами 1, 3, 5 и 7) и их сумма. На рисунке 4.7, е показаны их спектры. 381   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18

Глава 4. Сигналы и помехиРис. 4.7 – Формирование прямоугольного сигнала из суммы первых гармоник:а), в), д) — временное представление первых гармоник меандра и их суммы;б), г), е) — спектральное представление соответствующих наборов гармоникНа рисунке видно, что с увеличением количества гармоник форма синтези- рованного сигнала все более приближается к прямоугольной, а различие между прямоугольной волной и сигналом, образованным суммой гармонических состав- ляющих, становится все меньше.В заключение следует добавить, что в ряд Фурье можно разлагать только пе- риодические сигналы, для анализа же непериодических сигналов используется ап- парат интегралов Фурье.4.3 Первичные сигналы электросвязиСистемы связи должны быть спроектированы таким образом, чтобы качествен- но, то есть своевременно и без потерь, передавать информацию, содержащуюся в исходном сообщении. Рассмотрим основные характеристики наиболее распро- страненных видов сообщений: звуковые и оптические.Звук — это колебательное движение частиц упругой среды, рас-пространяющееся в виде волн в газообразных, жидких или твер-дых средах и воспринимаемое органами чувств человека.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Первичные сигналы электросвязи39Для анализа звука могут быть использованы различные методы. Одной из ши- роко применяемых характеристик звука является его спектр, получаемый в резуль- тате разложения звука на гармонические составляющие. Человек может слышать звуки в диапазоне частот от 4. . .6 Гц до 20 кГц. Частота основной составляющей спектра определяет воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих — тембр звука. Энергетическая характеристика звуковых колебаний определяется звуковым давлением, воспринимаемым человеком как громкость звука.Источниками звука могут быть любые явления, вызывающие местные измене- ния давления. В качестве источников звука широко применяются колеблющиеся твердые тела, например струны и деки музыкальных инструментов, диффузоры громкоговорителей, мембраны телефонов и разнообразные электроакустические преобразователи. В качестве приемников звука используются микрофоны и другие акустоэлектрические преобразователи.Значительную долю звуковых сообщений представляют сигналы речи. Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полость рта и носа [7]. Частота колебаний основного тона лежит в пределах от 50. . .80 Гц (бас) до 200. . .250 Гц (детский и женский голоса).Речь человека кроме основного тона содержит большое количество гармоник (до49), причем их амплитуды убывают с увеличением частоты.Энергетический спектр сигнала речи представляет собой усредненное распре- деление энергии звуковых колебаний в полосе частот. Степень воздействия звука на органы чувств принято оценивать в относительных единицах, вычисляемых как уровень звукового давления:β 10 lg П2ˆf П2 0 , [дБ],(4.13)где П2ˆf  — средний квадрат звукового давления, оказываемый гармоническими со- ставляющими звука, расположенными в окрестностях частоты f в полосе частот,равной 1 Гц; П0— порог слышимости (минимальное звуковое давление, которое начинает ощущаться человеком с нормальным слухом на частоте 600. . .800 Гц).Здесь и далее в качестве количественных характеристик сигналов и систем свя- зи используется десятичный логарифм отношения двух величин одинаковой раз- мерности. Одна единица такой величины называется Бел (обозначается [Б]) в честь американского ученого Александра Белла. Единица измерения один Бел — это до- статочно большая величина, и на практике обычно применяют единицу измерения,в 10 раз меньшую — децибел (обозначается [дБ]).Усредненные энергетические спектры звуковых сигналов: русской и англий- ской речи приведены на рисунке 4.8. Спектры этих сигналов имеют различия, но максимальные составляющие этих спектров (как и спектры речи других языков)лежат в диапазоне частот 0,6. . .1,0 кГц. В общем случае речь представляет собой широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50. . .100 Гц до 8. . .10 кГц. В результате исследований речи установлено, что вполне удовле- творительное качество речи сохраняется при ограничении спектра частотами от300 Гц до 3400 Гц. Эти частоты приняты международными и национальными организациями стандартизации в области связи в качестве границ эффективного спектра сигналов речи. 40Глава 4. Сигналы и помехиРис. 4.8 – Энергетический спектр речевого сигнала:——— — русская речь,- - - - - - — английская речьСистемы связи, ориентированные на передачу сигналов речи, должны обес- печивать необходимое качество их передачи, определяемое уровнем громкости,разборчивости, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Системы радиосвязи и телефонные сети, предназначенные для передачи звуковых сообще- ний, также должны учитывать следующие характеристики сигналов речи.Средняя мощность сигнала речи, подаваемого на вход системы связи, должна быть определена техническими характеристиками данной системы. Кроме средней мощности при передаче речи различают также мощность на интервале активности(мощность сигнала в фазе разговора) и пороговую мощность (мощность сигнала на интервале пауз).Коэффициент активности телефонного сообщения определяется отношением суммарного времени, в течение которого мощность сигнала одного из абонентов превышает пороговое значение, к общему времени разговора. Полагают, что каж- дый из собеседников при разговоре занимает приблизительно 50% времени, а так- же учитывают, что отдельные слова и фразы разделяются паузами. В результате,коэффициент активности речевого сигнала принимают равным 0,25. . .0,35.Динамический диапазон сигнала речи — отношение максимального значения мгновенной мощности сигнала PMAXк минимальному значению мгновенной мощ- ности PMIN, или в логарифмических единицах измерения:D10 lg‹PMAXPMIN , [дБ].(4.14)В выражении (4.14) за величину PMAXпринимают такое значение мощности сигнала, которое может быть превышено лишь в течение 2% общего времени пе- редачи; а за величину PMINпринимают такое значение мощности сигнала, которое должно быть превышено в течение 98% общего времени.В программах звукового вещания сигналы переносят информацию, содержа- щуюся не только в звуках речи, но и музыкальных инструментов и других ис- точников звука. Возрастание количества переносимой информации сопровожда- ется изменением характеристик систем связи. Качество передаваемых сигналов звукового вещания определяется классом канала вещания. Например, диапазон ча- стот, переносимый сигналами вещания первого класса, ограничивается частотами 4.4 Помехи радиосвязи410,05. . .10,0 кГц (достаточно высокое качество). Лучшие характеристики передачи сигналов обеспечивает канал высшего качества (0,03. . .15,0 кГц).Динамический диапазон сигналов передачи программ звукового вещания: речь диктора — 25. . .35 дБ; художественное чтение — 40. . .50 дБ; вокальные и музыкаль- ные инструменты — 45. . .55 дБ, симфонический оркестр — до 65 дБ.В программах телевизионного вещания к звуковым сообщениям добавляют- ся оптические сообщения, а также дополнительная информация, необходимая для согласованной работы передающего и приемного устройств. Более подробно сиг- налы телевизионного вещания будут рассмотрены в последующих разделах. Здесь отметим лишь основные характеристики сигналов телевизионного вещания.Стандарты телевизионного вещания в разных странах могут быть разными.В нашей стране для передачи сигналов черно-белого изображения используется диапазон частот от 0 до 6 МГц. Передачу сигналов цветности осуществляют в том же частотном диапазоне, что и сигналов черно-белого изображения. Цветное теле- видение должно быть совместимым с черно-белым, то есть черно-белые передачи должны одинаково восприниматься на цветных и черно-белых приемниках. В то же время цветные передачи на черно-белых приемниках должны восприниматься как черно-белые передачи.Сигналы звукового сопровождения занимают отдельную полосу частот в спек- тре телевизионного сигнала. Динамический диапазон телевизионного сигнала со- ставляет приблизительно 40 дБ.4.4 Помехи радиосвязиПомехой называют постороннее электрическое колебание, меша-ющее нормальному приему сигналов.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Причиной и источниками помех могут являться различные факторы, и помехи могут быть классифицированы по различным признакам.В зависимости от места возникновения посторонние электрические колебания можно разделить на внешние и внутренние помехи. Внутренние помехи возни- кают в узлах аппаратуры и трактах систем связи. Внешние помехи обусловлены действием источников помех, внешних по отношению к системе связи и не свя- занных с ее функционированием.По степени возможности ликвидации помех последние могут быть классифицированы на устранимые и неустранимые помехи.Принципиально неустранимым видом помех являются внутренние помехи.Они появляются сразу же после включения аппаратуры. По природе возникнове- ния внутренние помехи разделяются на тепловые и дробовые шумы. Тепловые 42Глава 4. Сигналы и помехишумы обусловлены хаотическим движением электронов в проводниках и при- сущи практически всем элементам электрической цепи. Одним из наиболее эф- фективных приемов уменьшения этой составляющей помех является снижение температуры элементов этой цепи. Дробовые шумы характерны для так называе- мых активных приборов электрической цепи (биполярные и полевые транзисторы,электронно-вакуумные и газоразрядные лампы и так далее) и возникают в усилите- лях, преобразователях, модуляторах и т. д. Для уменьшения доли дробовых помех используют приборы с улучшенными шумовыми характеристиками.Наибольшее влияние на характеристики связи имеют шумы приемной антенны и входных каскадов приемника. Это обусловлено тем, что шумы каскадов, распо- ложенных ближе к входу приемника, получают такое же усиление, как и прини- маемые сигналы. Шумы последующих каскадов усиливаются в меньшей степени,поэтому их вклад в результирующий шум на выходе приемника значительно мень- ше, чем шумов, поступающих с входных устройств.Внутренние шумы электронных устройств проявляются во всех частотных диа- пазонах, используемых в радиосвязи. Удельный вес внутренних шумов возрастает с увеличением частоты, и в диапазоне сверхвысоких частот их значение становит- ся преобладающим, так как доля остальных видов помех может быть значительно снижена.Внешние помехи обусловлены действием источников помех, не вызванных функционированием данного канала связи. По месту возникновения эти помехи можно разделить на следующие составляющие.Атмосферные помехи обусловлены электрическими явлениями в атмосфере(грозы, молнии и т. д.). Спектр атмосферных помех сосредоточен преимуществен- но в области низких частот, и наибольшее влияние атмосферные помехи оказывают на средства радиосвязи длинноволнового диапазона.Космические шумы вызываются радиоизлучением каких-либо объектов космо- са, например каких-либо созвездий. Солнце также является источником излучений в радиодиапазоне. На шумовые характеристики излучения Солнца, в частности,влияют солнечные пятна. Космические шумы оказывают наибольшее влияние на системы спутниковой связи, особенно при совпадении направлений приема полез- ных сигналов и источников шумовых излучений.Индустриальные помехи вызываются непреднамеренным электромагнитным излучением электрического или электронного оборудования. В их числе могут быть установки промышленного, транспортного, медицинского, научного назна- чения. Источником подобного излучения обычно выступают цепи, в которых осу- ществляется коммутация сильных токов, сварочные аппараты, коллекторные элек- тродвигатели и т. д. Уровень таких незапланированных излучений ограничивается нормами на предельно-допустимые уровни излучения. На местах возникновения таких помех принимаются меры для уменьшения уровня излучения.Спектр индустриальных помех тяготеет к низкочастотному диапазону, и уро- вень частотных составляющих помехи падает с ростом частоты. В то же время современные электронные устройства, не предназначенные для работы с радио- волнами, являются источниками радиоизлучения. В первую очередь это касается цифровых устройств, например компьютеров. Спектр излучения таких устройств определяется быстродействием его основных процессов и распространяется в об- ласть высоких частот. 4.4 Помехи радиосвязи43Еще одним источником помех радиосвязи являются побочные излучения ра- диосредств. Причина их возникновения заключается в следующем. Каждому сред- ству радиосвязи для его нормального функционирования в общем частотном диа- пазоне выделяется определенная полоса частот. Эта полоса частот определяется государственными органами с учетом международных соглашений. Эти органы определяют не только диапазон разрешенных для работы частот, но и определяют уровни внеполосного излучения, то есть те уровни побочного излучения, которые могут вырабатываться данным устройством вне полосы разрешенных частот.В реальных устройствах побочное излучение практически всегда существует и может влиять на характеристики радиосвязи других систем. Например, пусть приемник принимает слабые сигналы с частотой f1, а неподалеку работает ис- точник радиосигналов с частотой, равной f12. Если уровень подавления второй гармоники этого источника радиосигналов будет недостаточным, то побочное из- лучение второй гармоники, излучаемое этим источником и равное 2 f12 f1, будет мешать приему других сигналов с частотой f1Помехи могут быть классифицированы и по другим признакам.Например, по длительности существования помех их можно разделить на им- пульсные и непрерывные помехи.По характеру распределения энергии помех по частотному диапазону разделя- ют сосредоточенные по спектру и распределенные помехи.По характеру взаимодействия с сигналом помехи можно разделить на адди- тивные и мультипликативные. При аддитивных помехах результат взаимодействия сигнала sˆt и помехи nˆt представляют их суммой:xˆt sˆt nˆt;(4.15)при мультипликативных помехах на результат обработки принимаемых сигналов влияет их произведение sˆt nˆt.Приемы борьбы с помехами заключаются в обеспечении такого уровня сиг- нала в месте приема, который бы обеспечил требуемое качество принимаемого сигнала. Одной из важнейших характеристик принимаемого сигнала является от- ношение мощности сигнала к мощности шума. Этот параметр в радиотехнике так и называется — отношение сигнал/шум. Это отношение в месте приема может быть увеличено различными способами, например увеличением мощности передатчика системы связи, применением передающей или приемной антенны с направленны- ми свойствами (если это позволяют условия эксплуатации для данной системы связи). Отношение сигнал/шум можно увеличить при снижении уровня шумов.Например, долю внутренних шумов можно уменьшить, применяя во входных кас- кадах приемника малошумящие усилители.Другие методы повышения качества принимаемых сигналов связаны с приме- нением сложных сигналов и методов их обработки, обеспечивающих увеличение отношения сигнал/шум на выходе приемного устройства. 44Глава 4. Сигналы и помехиКонтрольные вопросы по главе 4 1) Какие элементарные функции используются для описания сигналов в связи?2) Почему гармонические колебания широко используются для описания сигналов?3) В чем заключается сущность гармонического анализа периодических сигналов?4) Как может быть выполнен синтез периодических сигналов?5) Что понимают под первичным сигналом электросвязи?6) Какие параметры характеризуют сигналы электрической связи?7) По каким признакам классифицируются помехи при передаче сигналов электросвязи? Глава 5МОДУЛЯЦИЯ5.1 Общие сведения о модуляцииЭлектрические сигналы, несущие информацию о человеческой речи, видимом изображении (и так далее), имеют такой спектральный состав, который затрудняет их непосредственное использование в радиосвязи. Во-первых, для эффективного излучения и приема колебаний с таким спектром понадобились бы антенны очень больших размеров. Во-вторых, поскольку сигналы от одного типа источников име- ют приблизительно одинаковый спектр, то при одновременном излучении сигна- лов одинакового спектрального состава от нескольких источников на приемном конце будет невозможно выделить сигнал от интересующего источника. Ситуация в радиоэфире в этом случае будет напоминать галдеж на рыночной площади в ба- зарный день.Лучшие характеристики при распространении радиоволн имеют колебания с более высокой частотой. Эти колебания и используют для переноса информа- ции (их и называют несущими колебаниями). Однако само несущее колебание яв- ляется периодическим и новой информации получателю не доставляет. Для того,чтобы несущее колебание отражало передаваемую информацию, нужно один или несколько параметров несущего колебания связать с передаваемым сообщением.Процесс изменения какого-либо из параметров несущего колебания по закону пе- редаваемого сообщения называется модуляцией.В качестве несущего колебания наиболее часто используют гармо- ническое колебание.В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания — амплитуда,частота или начальная фаза несущего колебания — изменяется по закону переда- ваемого сообщения, различают виды модуляции: соответственно амплитудная, ча- 46Глава 5. Модуляциястотная или фазовая. Сигнал, получаемый в процессе модуляции, называют моду- лированным колебанием, или радиосигналом. Если в качестве несущего колебания используют последовательность импульсов, то в результате модуляции изменяют параметры последовательности импульсов: амплитуду, временное положение, дли- тельность импульса. Соответственно процесс называют амплитудно-импульсной модуляцией, время-импульсной модуляцией, широтно-импульсной модуляцией.Если в результате модуляции формируют код, соответствующий какому-либо из этих параметров, и представляют его набором импульсов, то такой вид модуляции называют кодово-импульсной.Для того, чтобы на приемном конце можно было разделить сигналы от разных источников, используют какой-либо отличительный признак несущего колебания.Наиболее часто в качестве такого отличительного признака является частота несу- щего колебания. В таком случае говорят о частотном разделении сигналов. На приемном конце устанавливается устройство, реагирующее только на сигнал с за- ранее определенным отличительным признаком. При частотном разделении сиг- налов в качестве обнаружителя отличительного признака используют частотные фильтры, настроенные на частоту выбранного несущего колебания. На выход та- кого фильтра проходит сигнал только с выбранной несущей частотой, несмотря на то, что на вход фильтра поступают все сигналы, наведенные в приемной антенне.В технике связи могут быть использованы сигналы и с другими отличительными признаками.После выбора несущего колебания с выбранным отличительным признаком выделяют информацию, заключенную в модуляции какого-либо из параметров вы- бранного несущего колебания. На этом этапе обработки принимаемого сигнала выполняют операции, обратные операциям модуляции, выполняемым при переда- че сигнала, и данный этап преобразований сигналов называют демодуляцией.5.2 Амплитудная модуляцияВ процессе амплитудной модуляции амплитуда U0несущего колебания u0ˆtU0cosˆω0t3 перестает быть постоянной и изменяется по закону передаваемого сообщения. Амплитуда Uˆt несущего колебания может быть связана с передавае- мым сообщением соотношением:Uˆt U0 kAeˆt,(5.1)где U0— амплитуда несущего колебания в отсутствии сообщения (немодулирован- ное колебание); eˆt — функция, зависящая от времени, соответствующая переда- ваемому сообщению (ее называют модулирующим сигналом); kA— коэффициент пропорциональности, отражающий степень влияния модулирующего сигнала на величину изменения амплитуды результирующего сигнала (модулированного ко- лебания).Выражение для амплитудно-модулированного сигнала в общем случае имеет вид:uAMˆt U0 kAeˆt cosˆω0t 3.(5.2)Простейший для анализа случай амплитудно-модулированного колебания по- лучается, если в качестве модулирующего сигнала используется гармоническое колебание (такой случай называется тональной модуляцией): 5.2 Амплитудная модуляция47eˆt E cosˆΩt ȍ,(5.3)где E — амплитуда,Ω — угловая частота; Θ — начальная фаза модулирующего сигнала.Для упрощения анализа будем полагать начальные фазы колебаний равными нулю (т. е.3 0, Θ 0), что не повлияет на общность выводов. Тогда для тональной амплитудной модуляции можно записать:uAMˆt U0 kAE cosΩt cos ω0tU0 1 MAcosΩt cos ω0t,(5.4)где MAEU0— коэффициент амплитудной модуляции (иногда говорят — глубина амплитудной модуляции).Для определения спектра амплитудно-модулированного колебания выполним несложные преобразования выражения (5.4):uAMˆt U0cosω0t MAE cosΩt cos ω0tU0cosω0tU0MA2cosˆω ٍt U0MA2cosˆω ٍt.(5.5)Из анализа выражения (5.5) следует, что при амплитудной модуляции гар- моническим колебанием спектр амплитудно-модулированного сигнала содержит три гармонические составляющие. Гармоническая составляющая с частотой, рав- нойω0, представляет собой исходную немодулированную несущую с частотойω0и амплитудой U0. Гармонические составляющие с частотами, равнымиˆω0 ٍиˆω0 ٍ, представляют собой продукт амплитудной модуляции и называются соответственно нижней и верхней боковыми составляющими. Амплитуды боко- вых составляющих одинаковы, равны U0MA2 и расположены симметрично отно- сительно несущей частотыω0на расстоянии, равномΩ. Таким образом, ширина полосы частот∆ω, занимаемая амплитудно-модулированным колебанием при мо- дуляции гармоническим сигналом с частотойΩ, равна ∆ω 2Ω.Графики несущего колебания u0ˆt, модулирующего сигнала eˆt и амплитудно- модулированного сигнала uAMˆt приведены на рисунке 5.1.При отсутствии модуляции (MA0) амплитуды боковых составляющих рав- ны нулю и спектр амплитудно-модулированного сигнала состоит только из несу- щего колебания с частотойω0. При коэффициенте амплитудной модуляции MA@@ 1 амплитуда результирующего колебания изменяется от максимального значенияUMAXU0ˆ1 MA до минимального UMINU0ˆ1 MA. Таким образом, коэффи- циент MAамплитудной модуляции может быть определен как:MAUMAX UMINUMAX UMIN.(5.6)При коэффициенте амплитудной модуляции MAA 1 возникают искажения, на- зываемые перемодуляцией (рисунок 5.2). Такие искажения могут приводить к по- тере информации, и их стараются не допускать.Подобный подход можно применить и к анализу амплитудно-модулированных колебаний сложной формы. В этом случае периодический модулирующий сиг- нал может быть представлен набором гармонических составляющих, частота ко- торых кратна периоду исходного сигнала. Каждая из гармоник модулирующего 481   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18

Глава 5. МодуляцияРис. 5.1 – Тональная амплитудная модуляция:а) несущее колебание и его спектр (б); в) модулирующий сигнал и его спектр (г);д) амплитудно-модулированное колебание и его спектр (е)Рис. 5.2 – Тональная амплитудная модуляция при коэффициенте MAA 1:а) модулирующий сигнал;б) амплитудно-модулированное колебание и его спектр (в)сигнала сформирует в спектре амплитудно-модулированного колебания две бо- ковые составляющие, симметрично отстоящие от несущей на величину, равную частоте соответствующей гармоники. Для примера, если спектр модулирующе- 5.3 Частотная модуляция49го сигнала имеет вид, представленный на рисунке 5.3, а, то спектр амплитудно- модулированного колебания может быть представлен диаграммой, приведенной на рисунке 5.3, б.Рис. 5.3 – Спектры сигналов: а) модулирующего сигнала;б) амплитудно-модулированного колебанияВ общем случае, ширина ПAMспектра амплитудно-модулированного колебания(диапазон частот, необходимый для передачи сигнала в канале связи) равна:ПAM2ΩB,(5.7)гдеΩB— верхняя (наибольшая) частота в спектре модулирующего сигнала.5.3 Частотная модуляцияЕсли при амплитудной модуляции частотаω0и начальная фаза3 несущего колебания сохраняются неизменными, а по закону передаваемого сообщения eˆtизменяется амплитуда U0, то при угловой модуляции амплитуда U0сохраняется постоянной, а изменяться может частота либо начальная фаза несущего колеба- ния. Поскольку частота и начальная фаза являются составляющими обобщенного угла несущего колебанияωˆt 3ˆt, то такую модуляцию называют угловой.В зависимости от того, какой из параметров обобщенного угла, частотаωˆt или начальная фаза3ˆt, несет информацию о передаваемом сообщении eˆt, различа- ют частотную либо фазовую модуляцию.При частотной модуляции амплитуда несущего колебания U0сохраняется по- стоянной, а частота несущего колебанияωˆt определяется модулирующим сигна- лом eˆt в соответствии с выражением:ωˆt ω0 kЧМeˆt,(5.8)где kЧМ— коэффициент пропорциональности, связывающий отклонение∆ωЧМча- стотыωˆt от своего номинального значения ω0, равное∆ωЧМωˆt ω0, и вели- чину модулирующего напряжения eˆt, вызывающего это отклонение.Максимальное отклонение частоты, вызываемое максимальным модулирую- щим напряжением, называют девиацией частоты. 50Глава 5. МодуляцияПри модулирующем сигнале в виде гармонического напряжения:eˆt E cosˆΩt ȍмгновенное значение частоты частотно-модулированного колебания изменяется по закону:ωˆt ω0 kЧМE cosˆΩt ȍ.(5.9)Временные диаграммы несущего и модулирующего колебаний, а также частот- но-модулированного сигнала приведены на рисунке 5.4.Рис. 5.4 – Частотная модуляция: а) колебание с постоянной частотой;б) модулирующий сигнал; в) частотно-модулированное колебаниеСвязь между спектрами модулирующего и формируемого им частотно-моду- лированного сигнала выражается не такими простыми выражениями, как при ам- плитудной модуляции, и определяется соотношением между отклонением частоты результирующего частотно-модулированного колебания, вызываемого модулирую- щим сигналом, и скоростью изменения этого отклонения частоты.В частности, пусть тональная модуляция гармоническим сигналом с часто- тойω вызывает отклонение частоты с девиацией, равной ∆ωЧМ. Тогда в слу- чае «быстрой» модуляции (при∆ωЧМP ω) полоса частот, занимаемая частотно- модулированным колебанием, определяется наибольшей частотой спектра модули- рующего сигнала:ПЧМ 2Ω.(5.10)В случае «медленной» модуляции (при∆ωЧМQ ω) частотный диапазон частот- но-модулированного колебания определяется величиной девиации частоты∆ωЧМ:ПЧМ 2∆ωЧМ.(5.11)5.4 Фазовая модуляцияПри фазовой модуляции амплитуда несущего колебания U0сохраняется посто- янной, а фаза несущего колебания3ˆt связана с модулирующим напряжением eˆtзависимостью:3ˆt ω0t kФМeˆt 3 0,(5.12) 5.4 Фазовая модуляция51где kФМ— коэффициент пропорциональности, определяющий связь между модули- рующим напряжением eˆt и дополнительным приращением полной фазы резуль- тирующего фазомодулированного колебания.При модуляции фазы по гармоническому закону:eˆt E cosˆΩt ȍполная фаза фазомодулированного колебания принимает значение:3ˆt ω0t kФМE cosˆΩt ȍ 3 0.(5.13)Максимальное дополнительное отклонение фазы несущего колебания относи- тельно регулярного значенияω0t характеризуется индексом фазовой модуляции MФM:MФMkФМE.(5.14)Таким образом, полное описание фазомодулированного колебания, модулиро- ванного тональным сигналом, имеет вид:uФMˆt U0cosω0t kФМE cosˆΩt ȍ 3 0.(5.15)Временные диаграммы модулирующего и несущего сигналов, а также фазомо- дулированного колебания приведены на рисунке 5.5.Рис. 5.5 – Фазовая модуляция: а) модулирующий сигнал; б) несущее колебание(штриховая линия) и фазомодулированное колебание (сплошная линия)Определение спектра фазомодулированного сигнала даже в случае простых модулирующих сигналов представляет собой достаточно сложную задачу. Исклю- чение составляет случай с малым индексом фазовой модуляции (MФMP 1). В этом случае при нулевых начальных сдвигах фаз (Θ0 и3 00) напряжение (5.15)можно представить в виде:uФMˆt U0cosω0t MФMcosΩt U0cosˆω0t cosˆMФMcosΩt U0sinˆω0t sinˆMФMcosΩt.(5.16)В силу малости аргумента (MФMcosΩt P 1) тригонометрических функций cosˆMФMcosΩt и sinˆMФMcosΩt справедливы приближенные соотношения 52Глава 5. МодуляцияcosˆMФMcosΩt 1 и sinˆMФMcosΩt MФMcosΩt. С учетом этих прибли- жений выражение (5.16) приводится к виду:uФMˆt U0cosω0tU0MФM2cosˆω0 ٍt U0MФM2cosˆω0 ٍt.(5.17)По своему виду выражение (5.17) для фазомодулированных колебаний приMФMP 1 напоминает выражение для амплитудно-модулированных колеба- ний (5.5): несущее колебание с частотойω0и амплитудой U0и две боковые со- ставляющие с одинаковыми амплитудами, равными U0MA2, и частотами, равны- миˆω0 ٍ и ˆω0 ٍ. Различие в составе спектров амплитудно-модулированных и фазомодулированных колебаний заключается лишь в том, что в этих колебаниях компоненты с частотой, равнойˆω0 ٍ, имеют противоположные знаки. Полоса частот, занимаемая фазомодулированным сигналом, в этом случае также равна:ПФM 2Ω.(5.18)При больших индексах фазовой модуляции (MФMA 1) зависимость между по- лосами частот, занимаемыми модулирующим и фазомодулированным сигналами,подчиняется более сложным выражениям, чем, например, соотношение (5.18).5.5 Модулирование импульсных последовательностейНаряду с модулированием гармонических несущих в различных радиотехни- ческих устройствах находят модулирование импульсных последовательностей (так называемая импульсная модуляция). Уточняющее название вида импульсной мо- дуляции определяется тем параметром последовательности импульсов, который подвергается модуляции. Форма несущего импульсного колебания и продукты мо- дуляции последовательности импульсов при модуляции гармоническим сигналом приведены на рисунке 5.6.При модуляции амплитуды последовательности импульсов по закону переда- ваемого сообщения при их постоянной длительности имеет место амплитудно- импульсная модуляция (АИМ — рисунок 5.6, в). При изменении длительности по- следовательности импульсов при их постоянной амплитуде говорят, что имеет ме- сто широтно-импульсная модуляция (ШИМ — рисунок 5.6, г). При изменении вре- менного положения импульсов говорят о времяимпульсной модуляции (ВИМ —рисунок 5.6, д).В системах связи часто имеют дело с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ —рисунок 5.6, е). В этом случае значение аналогового модулирующего сигнала в каждый тактируемый момент преобразуется в цифровой код. Продуктом модуля- ции является последовательность импульсов, соответствующая этому коду в дан- ном интервале времени. ИКМ-сигнал — это одна из форм представления цифрового сигнала.В радиосвязи импульсная модуляция нередко является промежуточным этапом подготовки сигналов для передачи при комбинированных видах модуляции.В технике радиосвязи импульсно-модулированные колебания вырабатываются на промежуточных этапах формирования передаваемых сигналов при комбиниро- ванных видах модуляции. Контрольные вопросы по главе 553Рис. 5.6 – Модуляция импульсной последовательности: а) несущая последовательность импульсов; б) модулирующий сигнал;в) амплитудно-импульсная модуляция; г) широтно-импульсная модуляция;д) времяимпульсная модуляция; е) импульсно-кодовая модуляцияКонтрольные вопросы по главе 5 1) Что такое модуляция сигналов? С какой целью она используется в радио- связи?2) Что происходит в результате амплитудной модуляции сигналов?3) Основные характеристики сигналов при амплитудной модуляции?4) Как ведут себя параметры гармонического сигнала при частотной модуляции?5) Как изменяются параметры гармонического сигнала в результате фазовой модуляции?6) Чем определяется ширина спектра модулированного сигнала при разных видах модуляции?7) Какие виды модуляции импульсных последовательностей используются в связи? Глава 6РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН6.1 Общие сведения о радиоволнахВ беспроводной электросвязи непосредственное соединение между источни- ками и получателями сигналов в виде электрических или оптических кабелей от- сутствует. Средства радиосвязи, радиовещания и телевидения в качестве среды распространения электромагнитных волн обычно используют атмосферу Земли.Основные параметры системы связи в значительной степени определяются харак- теристиками распространения электромагнитных волн. Рассмотрим их подробнее.Из курса физики известно, что проводник, по которому протекает постоянный электрический ток, создает в окружающем пространстве постоянное магнитное поле. В общем случае, практически любой отрезок проводника при протекании по нему переменного тока является источником переменного электромагнитного по- ля. Особенностью переменного электромагнитного поля является его способность распространяться в окружающем пространстве.В свободном пространстве электромагнитные колебания распространяются прямолинейно и равномерно, то есть с постоянной скоростью, равной скорости света (c3 10 8м/с). На распространение электромагнитных волн в несвободном пространстве существенное влияние оказывает окружающая среда. В частности,распространение радиоволн в условиях Земли зависит от многих факторов: релье- фа местности, климатических условий, времени суток и года и, в первую очередь,от длины волны этого колебания.Электромагнитные волны, расположенные в диапазоне частот от 10 до 10 13Гц,используются в радиотехнике и называются радиоволнами. Международная клас- сификация диапазонов радиоволн приведена в таблице 6.1. Длина волныλ элек- тромагнитного колебания связана с частотой f этого колебания и скоростью c рас- пространения электромагнитных волн в свободном пространстве соотношением:λcf.(6.1) 6.1 Общие сведения о радиоволнах55Таблица 6.1Наименования волнДиапазон волнДиапазон частотДекамегаметровые10 5. . .10 4км3. . .30 ГцМегаметровые10 4. . .10 3км30. . .300 ГцГектокилометровые10 3. . .10 2км300. . .3000 ГцМириаметровые100. . .10 км3. . .30 кГцКилометровые10. . .1 км30. . .300 кГцГектометровые1000. . .100 м300. . .3000 кГцДекаметровые100. . .10 м3. . .30 МГцМетровые10. . .1 м30. . .300 МГцДециметровые100. . .10 см300. . .3000 МГцСантиметровые10. . .1 см3. . .30 ГГцМиллиметровые10. . .1 мм30. . .300 ГГцДецимиллиметровые1. . .0,1 мм300. . .3000 ГГцУпрощенный механизм формирования электромагнитного поля можно пред- ставить следующим образом. Протекающий по проводнику переменный ток в со- ответствии с законом электромагнитной индукции будет возбуждать в простран- стве, окружающем диполь, переменное магнитное поле. Изменяющееся магнит- ное поле, в свою очередь, порождает в окружающем пространстве переменное электрическое поле. В процессе взаимного преобразования изменяющегося маг- нитного поля в электрическое, а переменного электрического поля в магнитное образуется единое электромагнитное поле. Явление возбуждения в пространстве электромагнитного поля переменным током, протекающим в проводнике, называ- ется электромагнитным излучением.В общем случае любой отрезок проводника, по которому протекает перемен- ный ток, создает в окружающем пространстве электромагнитное поле. Эти явления связаны принципом двойственности: в любом отрезке проводника, находящемся в электромагнитном поле, индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС).Величина ЭДС, наводимой в проводнике, зависит как от энергии электромагнитно- го поля, так и от конфигурации проводника и соотношения его размеров и длины волны электромагнитных колебаний.Для оценки энергетических характеристик электромагнитных волн использу- ют плотность потока мощности, проходящей через единицу площади, перпенди- кулярной направлению распространения волны. Если предположить, что источник излучения точечный (на практике это означает, что размеры источника излучения пренебрежимо малы по сравнению с длиной волны излучаемого колебания), то можно считать, что электромагнитная волна будет равномерно излучаться во всех направлениях. На удалении R от источника излучения плотность потока мощностиП, создаваемой точечным источником, одинакова и определяется выражением:ПPT4πR2,(6.2)где PT— мощность источника излучения.Дальность действия системы связи определяется мощностью передатчика и чувствительностью приемника. Напряженности электрической и магнитной со- 56Глава 6. Распространение радиоволнставляющих электромагнитного поля, создаваемого этим источником, определя- ются мощностью излучения источника PTи удалением R от источника. Так, для оценки напряженности электрического поля ETпри распространении радиоволн в свободном пространстве можно использовать приближенное соотношение:ETº30PTR.(6.3)6.2 Физические характеристики среды распространения радиоволнРадиоволны являются одним из диапазонов электромагнитных волн, поэтому распространение радиоволн подчиняется общим законам распространения элек- тромагнитных колебаний (так же, как и световых волн). Распространение радио- волн в условиях Земли имеет некоторые существенные отличия от распростра- нения радиоволн в свободном пространстве. Поверхностные слои Земли и око- лоземного пространства представляют собой среды с разными характеристиками для распространения электромагнитного поля. Так же, как и для оптических волн,на границе сред с различными электрическими характеристиками (например, зем- ля — околоземное пространство) возможно отражение и преломление радиоволн.В то же время и сама поверхность Земли, и околоземное пространство представля- ют собой неоднородные среды с различными электрическими параметрами (элек- тропроводностью, диэлектрической проницаемостью и т. д.). Поэтому при распро- странении электромагнитных волн в неоднородных средах могут изменяться как направление, так и скорость распространения электромагнитной энергии (рефрак-ция). Дополнительное поглощение энергии радиоволн наблюдается при их распро- странении в средах с потерями.Существенной особенностью распространения радиоволн в земных условиях является зависимость характеристик распространения от длины волны. Распро- странение радиоволн вдоль земной поверхности зависит от ее рельефа и физиче- ских свойств.Наиболее важными электрическими параметрами почвы являются ее электропроводность и диэлектрическая проницаемость.Эти характеристики определяют параметры отраженных и преломленных волн на границе раздела двух сред. Электропроводность почвы определяет также поте-ри энергии при распространении волн. Потери энергии при распространении ра- диоволн отсутствуют, если поверхность Земли можно считать идеальным провод- ником либо идеальным диэлектриком. В реальных условиях распространяющиеся над поверхностью земли электромагнитные колебания наводят в почве индукци- онные токи. При протекании этих токов в почве выделяется тепло. В конечном итоге это вызывает безвозвратные потери распространяющейся электромагнитной волны. Эти потери растут с ростом частоты. 6.2 Физические характеристики среды распространения радиоволн57Не менее важное влияние на распространение радиоволн в око- лоземном пространстве играет земная атмосфера (газообразная оболочка Земли). По комплексу физических признаков атмосферу принято делить на три характерных слоя: тропосферу, стратосфе- ру и ионосферу.Тропосфера представляет собой нижний слой атмосферы, расположенный от поверхности Земли до высот порядка 10–20 км. Свойства тропосферы определя- ются смесью газов (азот, кислород и т. д.) и водяных паров. С высотой температура и давление воздуха, а также содержание водяных паров в тропосфере понижаются.Таким образом, тропосфера неоднородна по своим электрическим свойствам. Кро- ме того, изменение метеоусловий приводит к образованию воздушных течений,вызывающих интенсивные перемешивания слоев тропосферы.Стратосфера — слой атмосферы, лежащий над тропосферой, простирающий- ся до высот порядка 60–80 км. Признаком перехода к стратосфере является пре- кращение понижения ее температуры с высотой (в верхних слоях тропосферы тем- пература опускается до(50. . .60)‰). Плотность газов в стратосфере значительно меньше, чем в тропосфере. Электрические свойства стратосферы практически не изменяются, и радиоволны распространяются в ней прямолинейно и почти без потерь.Ионосферой называется верхний слой ионизированной атмосферы, окружаю- щей Землю (до высот порядка нескольких тысяч километров). Под воздействием космического излучения и ультрафиолетовых лучей солнца из атомов газа, состав- ляющих атмосферу, выбиваются электроны, в результате чего образуются поло- жительные ионы газа и свободные электроны. При встрече свободного электрона с ионизированным атомом происходит их объединение (рекомбинация). На боль- ших высотах плотность атмосферы низка, поэтому вероятность встречи свободно- го электрона с ионом газа мала, и значительная часть газа оказывается ионизиро- ванной. Ионизированный газ обладает электропроводностью и способен изменить характеристики распространения электромагнитных колебаний. Чем больше кон- центрация свободных электронов, тем сильнее они влияют на распространение радиоволн. Степень ионизации газа определяется многими факторами.Во-первых, поскольку основной причиной ионизации является излучениеСолнца, то понятно, что процессы ионизации активнее происходят на участках земной атмосферы, обращенной к Солнцу. Соответственно, в дневное время в про- цессе ионизации возникает большее количество свободных электронов и ионизи- рованных молекул, чем в ночные часы. Кроме того, рост интенсивности солнеч- ного излучения в дневное время приводит к ионизации слоев атмосферы, распо- ложенных ближе к поверхности Земли, т. е. к снижению высоты ионизированных газов.Во-вторых, на высоте в сотни километров от поверхности Земли газовый со- став атмосферы перестает быть однородным. На этих высотах наблюдается рассло- ение газов, составляющих воздух: более тяжелые газы занимают преимуществен- но нижнюю часть этого диапазона высот, более легкие газы способны подниматься и до более высоких отметок. 581   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18

Глава 7. Оборудование каналов связиРис. 7.10 – Приемопередатчик цифровой системы связиВ результате, на выходе кодера формируются электрические сигналы, соответ- ствующие кодовой последовательности, определяемой передаваемым сообщением.Кодовые сигналы в виде последовательности импульсов затем поступают намодулятор, на второй вход которого подается колебание несущей частоты с вы- хода синтезатора частоты. В модуляторе выполняется соответствующая моду- ляция (амплитудная, фазовая, частотная и т. д.) колебания несущей частоты в со- ответствии с поступающей кодовой последовательностью. Затем модулированные сигналы усиливаются до необходимого уровня с помощью усилителя мощностии излучаются передающей антенной.Наведенные в приемной антенне электромагнитные излучения поступают на вход усилителя и преобразователя частоты, где выделяются и усиливаются коле- бания несущей частоты полезного сигнала. В демодуляторе выполняется демоду- ляция принимаемого сообщения, и на выходе демодулятора формируется последо- вательность импульсов, соответствующая последовательности импульсов переда- ваемого сообщения (на выходе кодера), которая поступает на декодер. В декодере выполняется операция, обратная кодированию, и восстановленное сообщение на- правляется получателю сообщений.В одном приемопередающем устройстве кодер и декодер обычно объединя- ют в единый конструктивный узел (чаще — это одна микросхема) и объединенный блок кодер-декодер по первым буквам составляющих называют кодеком. Анало- гично, объединенный блок модулятор-демодулятор называют модемом.Радиопередающие устройства отличаются по назначению, условиям эксплуа- тации, виду модуляции радиосигналов и другим характеристикам.К основным энергетическим показателям РПдУ относят величину мощностисигнала, подводимого к антенне, и коэффициент полезного действия. Различают пиковую мощность полезного сигнала РПдУ и усредненное значение мощности за определенный интервал времени.Коэффициент полезного действия — это отношение полезноймощности, подводимой к антенне, к мощности, потребляемойРПдУ от источника электропитания.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Контрольные вопросы по главе 777Под диапазоном частот, в котором работает данное РПдУ, понимают такую полосу частот, которая необходима для передачи полезных сигналов в системе связи и выделена данному РПдУ для формирования радиосигналов. К сожалению,кроме полезных сигналов, радиопередающие устройства излучают и побочные ко- лебания.Внеполосными излучениями называют такие сигналы, формируемые РПдУ,спектры которых расположены вне полосы, отведенной для данной системы связи.Внеполосные излучения являются источниками дополнительных помех для систем связи, работающих в других полосах частот.Важной характеристикой систем связи является стабильность частоты излу- чаемых колебаний. Под нестабильностью частоты РПдУ понимают отклонение частоты излучаемых колебаний относительно номинального значения. Недоста- точная стабильность частоты ухудшает качество связи и может являться причиной помех для радиотехнических устройств, работающих в смежных диапазонах частот.По назначению радиопередающие устройства делят на связные и радиовеща- тельные. По условиям эксплуатации РПдУ разделяют на стационарные и мобиль- ные (устанавливаемые на подвижных объектах: самолетные, автомобильные, но- симые и т. д.). РПдУ различаются также диапазоном рабочих частот, мощностью излучаемых колебаний и т. д.Контрольные вопросы по главе 7 1) Что такое диаграмма направленности антенны? Привести примеры диа- грамм направленности.2) Пояснить конструкцию и принцип действия антенны типа «волновой канал».3) Из каких основных компонентов состоит структурная схема приемника прямого усиления?4) Пояснить структурную схему супергетеродинного приемника.5) Какие характеристики используются для оценки работоспособности радио- приемных устройств.6) По каким признакам классифицируют радиоприемные устройства?7) Пояснить структурную схему радиопередающего устройства.8) Из каких основных компонентов состоит структурная схема приемопере- датчика цифровой системы связи. Глава 8РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ И СПУТНИКОВЫЕСИСТЕМЫ СВЯЗИ8.1 Радиорелейные системы связиУспешное развитие радиосвязи сопровождается увеличением скоростей и объ- емов передаваемой информации. Для передачи возрастающих потоков информа- ции с малыми потерями используют сигналы с более широкой полосой, что тре- бует расширения диапазона частот, занимаемого системой связи. В свою очередь,передача сигналов с более широкой полосой требует перехода на более высокие несущие частоты. Тем более что расширять полосу рабочих частот систем связи в уже освоенных диапазонах волн становится невозможным из-за тесноты в эфире.Исторически сложилось так, что в первую очередь были освоены длинноволновые участки радиодиапазона, а для перспективных радиотехнических систем как меж- дународными соглашениями, так и национальными стандартами, резервировались области более высокочастотных сигналов.В результате, современные системы связи осваивают диапазоны все более ко- ротких волн. К достоинствам диапазонов ультракоротких волн относится также несущественный уровень атмосферных и индустриальных помех. Кроме того, ши- рокополосные сигналы позволяют использовать прогрессивные виды модуляции и другие приемы обработки сигналов, обеспечивающие лучшие характеристики помехоустойчивости приема. В то же время нужно помнить, что радиоволны с дли- ной волны короче 10 метров можно эффективно использовать лишь в пределах границ прямой видимости.Компромиссным решением при построении широкополосных систем связи,предназначенных для работы на больших дальностях, является применение ра-диорелейных линий связи (РРЛ). Радиорелейные линии представляют собой цепоч- ку ретрансляторов, обеспечивающих поочередную передачу радиосигналов между оконечными станциями. 8.1 Радиорелейные системы связи79Различают два вида радиорелейных систем передачи (РРСП) —РРСП прямой видимости, станции которых размещаются на рас- стоянии прямой видимости, и тропосферные РРСП, использую- щие рассеяние и отражение радиоволн в нижних областях атмо- сферы при взаимном расположении станций далеко за пределами прямой видимости.В РРСП прямой видимости для увеличения расстояния между станциями ра- диорелейных линий антенны ретрансляторов подвешивают на высокие сооруже- ния (мачты, опоры, высотные строения и т. д.). В условиях равнинной местности высота поднятия антенн 60. . .100 метров позволяет организовать уверенную связь на расстояниях 40. . .60 километров.Цепочку радиорелейной линии составляют радиорелейные станции трех ти- пов: оконечные радиорелейные станции (ОРС), промежуточные радиорелейные станции (ПРС), узловые радиорелейные станции (УРС). Условная радиорелейная линия связи схематично представлена на рисунке 8.1.Рис. 8.1 – Радиорелейная линия связи прямой видимостиНа оконечной радиорелейной станции начинается и заканчивается тракт пе- редачи. Аппаратура ОРС осуществляет преобразование сигналов, поступающих от разных источников информации (телефонные сигналы от междугородней телефон- ной станции, телевизионные сигналы от междугородней телевизионной аппарат- ной и т. д.), в сигналы, передаваемые по радиорелейной линии, а также обратное преобразование сигналов, приходящих по РРЛ, в сигналы телерадиовещания или телефонии. Радиосигналы ОРС с помощью передающего устройства и антенны излучаются в направлении следующей, обычно промежуточной, радиорелейной станции.Промежуточные радиорелейные станции предназначены для приема сигналов от предыдущей станции радиорелейной линии, усиления этих сигналов и излуче- ния в направлении последующей станции РРЛ.На каждой промежуточной радиорелейной станции установлены по две антен- ны, ориентированные на соседние РРСП. Каждая из антенн является приемопере- дающей, то есть используется и для приема, и для передачи сигналов. Одним из преимуществ работы радиорелейной линии связи в сверхвысокочастотном (СВЧ)диапазоне является возможность применения высоконаправленных антенн с малы- ми габаритами. Небольшие размеры антенн упрощают их установку на высоких 80Глава 8. Радиорелейные и спутниковые системы связисооружениях. Хорошие направленные свойства антенн СВЧ-диапазона позволяют облегчить требования к характеристикам приемопередающего тракта.Если бы частота излучаемого сигнала промежуточной радиорелейной станции была бы равна частоте принимаемого сигнала той же ПРС, существовала бы опас- ность прохождения мощного сигнала, излученного в направлении последующейРРСП, на вход приемника той же ПРС, принимающего сигнал с противополож- ного направления от предыдущей РРСП. Объясняется это тем, что, несмотря на хорошие направленные свойства передающей и приемной антенн СВЧ-диапазона,все же не удается полностью исключить возможность попадания мощного сигнала передатчика (пусть и ослабленного направленными характеристиками антенн) на вход приемника с высокой чувствительностью. Такое несанкционированное (пара- зитное) прохождение сигналов передатчика промежуточной радиорелейной стан- ции на вход приемника той же ПРС стараются уменьшить. В противном случаеПРС может перейти в режим самовозбуждения и, вместо ретрансляции принятых сигналов, передатчик ПРС будет излучать колебания, не имеющие никакого отно- шения к передаваемой по РРЛ информации.Один из способов уменьшения влияния передатчика на работу приемника той же самой ПРС заключается в том, что выходной сигнал ПРС излучают на дру- гой частоте, смещенной относительно частоты принимаемого сигнала на величину сдвига, равного:fCДBSfПPД fПPMS,(8.1)где fПPM— частота принимаемого сигнала; fПPД— частота излучаемого сигнала. Ве- личину fCДBвыбирают из условия гарантированного исключения взаимного влия- ния сигналов на выбранных частотах.Одна цепочка приемопередатчиков РРЛ образует СВЧ симплексный (т. е. пред- назначенный для передачи сигналов в одном направлении) ствол. Структура сим- плексного ствола с учетом плана распределения частот приведена на рисунке 8.2.Рис. 8.2 – Распределение частот в символьном стволе радиорелейной линии связи прямой видимостиДва симплексных ствола, работающие во встречных направлениях, образуют дуплексный СВЧ ствол. Для передачи сигналов в обратном направлении может быть использована та же пара частот, что и в прямом направлении (двухчастотная система), либо другая пара частот (четырехчастотная система). Структурная схема одноствольной дуплексной промежуточной радиорелейной станции приведена на рисунке 8.3.Для увеличения пропускной способности радиорелейной линии на каждой ра- диорелейной станции устанавливают несколько комплектов приемопередающей аппаратуры, подключенных к общей антенне. Магистральные радиорелейные ли- нии связи могут иметь до восьми дуплексных СВЧ-стволов (из них 6. . .7 рабочих и 1. . .2 резервных). 8.1 Радиорелейные системы связи81Рис. 8.3 – Структурная схема дуплексной промежуточной радиорелейной станцииКроме ОРС и ПРС для ввода в радиорелейную линию дополнительных потоков информации и вывода из РРЛ части передаваемой информации используют узло- вые радиорелейные станции. В узловых радиорелейных станциях, как и в ОРС,имеется аппаратура преобразования телефонных, радио- и телевизионных сигна- лов в сигналы, передаваемые по РРЛ, и аппаратура обратного преобразования.Кроме того, от узловых радиорелейных станций могут начинаться новые радиоре- лейные линии (ответвления).При проектировании радиорелейных линий следует учитывать и возможные изменения условий распространения радиоволн. Так, при повышенной рефрак- ции (искривление направления распространения радиоволн) сигналы могут рас- пространяться далеко за горизонтом. Поэтому колебания, излучаемые радиорелей- ной станцией с частотой, например, f1, могут быть приняты не только соседней станцией, но и станцией, отстоящей от нее через три пролета. Но для последней станции это будет паразитным сигналом, так как она должна принимать сигналы только от ближайшей станции. Нежелательные сигналы от всех других станций будут вызывать ухудшение качества приема.Для устранения подобных явлений ретрансляторы радиорелейной линии связи располагают не по прямой линии, а зигзагом, так, чтобы не совпадали главные направления соседних участков трассы, использующих одинаковые частоты. При этом используют направленные свойства антенн. Радиорелейные станции разносят от генерального направления радиорелейной линии связи таким образом, чтобы направлению на станцию, отстоящую через три пролета, соответствовали мини- мальные уровни диаграммы направленности антенны. На рисунке 8.4 показаны три пролета участка трассы РРЛ. На крайних пролетах используются одинаковые частоты. На такой трассе даже при сильной рефракции радиоволн сигналы от стан- ций с номерами ПРСiи ПРСi2практически не влияют друг на друга. На рисун- ке заметно, что антенны практически не воспринимают радиоволны, приходящие с направления, лежащего на прямой, связывающей эти станции.Рис. 8.4 – Схема расположения ретрансляторов на трассе радиорелейной линии связи (вид сверху) 82Глава 8. Радиорелейные и спутниковые системы связиТропосферные радиорелейные системы передачи используют локальные объ- емные неоднородности атмосферы, вызываемые различными физическими про- цессами, происходящими в околоземном пространстве. Эти неоднородности спо- собны отражать и рассеивать электромагнитные колебания при их распростране- нии в атмосфере. Поскольку неоднородности располагаются на значительной вы- соте, то и рассеиваемые ими радиоволны могут распространяться на большие рас- стояния, значительно превышающие расстояние прямой видимости.В силу нерегулярной структуры неоднородностей тропосферы сигналы тропо- сферных линий подвержены глубоким замираниям. Это затрудняет передачу боль- ших объемов информации с хорошим качеством. С учетом изложенных обстоя- тельств тропосферные радиорелейные линии связи оказывается выгодным строить в труднодоступных и удаленных районах при не слишком больших объемах пере- даваемой информации. На рисунке 8.5. показан участок трассы радиорелейной ли- нии связи. При этом расстояния между станциями можно выбирать до нескольких сотен километров, а емкость систем связи может составлять десятки телефонных каналов.Рис. 8.5 – Тропосферная РРСП8.2 Спутниковые системы связи. Общие сведенияСистемы спутниковой связи можно рассматривать как особый вид радиорелей- ных линий связи, если антенну ретранслятора подвесить на опору, высота которой равна высоте орбиты спутника. В такой системе связи значительно увеличивается зона прямой видимости поверхности Земли, просматриваемой со спутника, и со- ответственно размеры земной территории, с которой виден спутник в один и тот же момент времени.Радиооборудование спутниковой системы связи, расположенное на спутнике,называют космической радиостанцией, а радиооборудование, расположенное наЗемле, называют наземной радиостанцией. Канал передачи радиосигнала от назем- ной станции на спутник называют восходящим, а канал передачи сигналов в обрат- ном направлении — нисходящим. На спутниках, помимо ретрансляционной аппа- ратуры, размещают также источники электропитания (солнечные батареи). Кроме того, на спутниках имеется оборудование, обеспечивающее стабилизацию положе- ния спутников на орбите и ориентирование его в пространстве (антенны ретранс- лятора направляют в сторону Земли, солнечные батареи — в сторону Солнца). 8.2 Спутниковые системы связи. Общие сведения83Характеристики спутниковых систем связи в значительной степени зависят от параметров орбиты спутника. Орбита спутника — это траектория движения спут- ника в пространстве.Физическое тело выходит на круговую орбиту вокруг Земли и становится ее спутником, если ему сообщить первую космическую скорость. В этом случае цен- тростремительная сила, равная силе притяжения спутника Землей, уравновеши- вается центростремительной силой, определяемой линейной скоростью спутникаv и расстоянием между центрами масс Земли и спутника, равного R h, где R —радиус Земли, h — высота спутника над поверхностью Земли. Без учета других факторов, влияющих на поведение спутника на орбите, уравнение состояния ди- намического равновесия спутника имеет вид:γm MˆR h2m v2R h,(8.2)где m — масса спутника; M — масса Земли, равная M5,98 10 24килограмм массы;γ — гравитационная постоянная, равная γ 6,67 1011м3/кг с2; R — средний радиусЗемли, равный R6371 км.Для высот, значительно меньших радиуса Земли (hP R), выражение (8.2) упро- щается:mgmv2R,(8.3)где gγ MR2 9,81 м/с2— ускорение свободного падения у поверхности Земли.Скорость, необходимая для того, чтобы движущееся тело превратилось в спут- ника Земли, определяется из соотношения (8.2):vR½gR h.(8.4)Первая космическая скорость у поверхности Земли (h 0), согласно (8.3), (8.4)равна:v»R g 7,9 км/с.(8.5)Период обращения спутника вокруг Земли с учетом выражения (8.4) опреде- ляется как:T2πR hv2πR hR¾gR h2πˆR h3 2R g1 2.(8.6)Графики зависимости линейной скорости спутника на круговой орбите и пери- ода обращения спутника вокруг Земли от высоты орбиты над поверхностью Земли приведены на рисунке 8.6. Более точные формулы движения спутника учитывают влияние других факторов (отличие формы Земли от шарообразной, притяжениеЛуны, Солнца и других небесных тел и т. д.).Если спутнику сообщают скорость большую, чем первая космическая, то он будет двигаться по эллиптической орбите. Скорость спутника при движении по эллиптической орбите непрерывно изменяется от наименьшего значения в точке максимального удаления от Земли (апогей) до максимального значения в точке наибольшего сближения с Землей (перигей). 841   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   18

Глава 8. Радиорелейные и спутниковые системы связиРис. 8.6 – Зависимость периода обращения спутника вокруг Земли от высоты орбитыОрбиты могут проходить в любом направлении вокруг земного шара, но плос- кость орбиты будет проходить через центр Земли. Орбиты могут быть классифи- цированы по различным признакам.Орбиты различают по взаимному расположению плоскости орбиты спутника и плоскости земного экватора. Если плоскость орбиты спутника совпадает с плос- костью экватора Земли, то орбиту спутника называют экваториальной. Орбиту на- зывают полярной, если плоскость орбиты спутника проходит через полюса Земли.Орбиту называют наклонной при других взаимных расположениях плоскости ор- биты спутника и плоскости земного экватора.Орбиты могут быть круговыми с центром окружности, расположенным в цен- тре Земли, или эллиптическими, при этом центр Земли находится в одном из фоку- сов эллипса. Кроме того, орбиты различаются также по высоте над поверхностьюЗемли.Уникальные свойства имеет спутник, расположенный на экваториальной ор- бите, на высоте около 36 тысяч километров от поверхности Земли. Период обра- щения спутника на такой высоте совпадает с периодом вращения Земли вокруг своей оси. Если на такую орбиту запустить спутник в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли, то такой спутник будет казаться неподвижным относительно поверхности Земли. Спутник на такой орбите называют геостацио-нарным.Для построения спутниковых систем связи используют, в основном, три разно- видности орбит: геостационарную орбиту, высокую эллиптическую орбиту и низ- ко-высотную орбиту. Примерные схемы этих орбит приведены на рисунке 8.7.Участок земной поверхности, на котором могут быть располо-жены наземные станции спутниковой связи, называется зонойобслуживания.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Характеристики спутниковой системы связи определяются положением спут- ника на орбите и взаимным расположением земной и спутниковой станций. Одним из важных параметров спутниковой связи является угол возвышения спутника для земного наблюдателя — это угол между направлением на спутник и касательной к окружности в точке расположения земной станции. 8.3 Основные характеристики спутниковых систем связи85Рис. 8.7 – Орбиты спутников Земли: 1 — геостационарная;2 — высокая эллиптическая; 3 — низко-высотная8.3 Основные характеристики спутниковых систем связиСхема взаимного расположения Земли и спутника представлена на рисунке 8.8.В точке A расположена земная станция. Если точка A находится на касательной ABк окружности, то для наземной станции спутник виден на линии горизонта. Угол возвышения спутника в данном случае равен нулю, а зона обслуживания таким спутником достигает максимального значения. Однако при нулевых углах возвы- шения между антеннами наземных и космических станций могут находиться дере- вья, здания, неровности рельефа местности и т. д., ограничивающие пределы пря- мой видимости. Кроме того, при уменьшении угла возвышения сигналы получают большее ослабление, так как проходят в атмосфере увеличенные расстояния. По- этому реальную зону обслуживания определяют минимально допустимым углом возвышения спутника, обычно не менее 5XРис. 8.8 – Взаимное расположение Земли и спутникаСущественной особенностью спутниковой связи является задерж-ка распространения сигналов, вызванная прохождением довольно больших расстояний.Эта задержка изменяется от минимальной величины, когда спутник находится в зените, до максимальной величины, когда спутник находится на линии горизонта. 86Глава 8. Радиорелейные и спутниковые системы связиДля треугольника ABO, приведенного на рисунке 8.8, справедливо соотношение:sinˆ™OABOBsinˆ™OABAB.(8.7)Учитывая, что угол™OAB ™AOD ™DAB, а угол ™OAD π2 (AD — каса- тельная к окружности в точке A) и обозначив отрезки: AB — расстояние от спутника до земной станции (SABS d), BC — минимальное расстояние от спутника до земной поверхности (SBCS h, SOBS R h), после несложных преобразований получим:cosˆ™DABR hsinˆ™AOBd.(8.8)Из выражения (8.8) несложно выразить расстояние от спутника до любой на- земной станции d через высоту орбиты h, угол возвышения™DAB и угол охвата земной поверхности™AOD. Под углом охвата земной поверхности ™AOD понима- ют телесный угол, в пределах которого часть поверхности с наземными станциями спутниковой связи видна из центра Земли.При минимальном угле возвышения™AOD θ время tЗзадержки распростра- нения сигнала до спутника и обратно изменяется в пределах:2hcD tЗD2ˆR h sinˆ™AOBc cosθ.(8.9)Коэффициент 2 отражает задержку распространения сигнала на восходящем и нисходящем участках трассы.Геостационарный спутник находится на большой высоте, с которой видно бо- лее четверти поверхности земного шара. Это является одним из достоинств геоста- ционарной орбиты. Так как геостационарный спутник кажется неподвижным для земного наблюдателя, то упрощается наведение антенн наземных станций (не тре- буется слежения за положением спутника на орбите). Но большая высота орбиты имеет и недостатки: задержка распространения сигнала составляет около 14 се- кунды, сигнал получает значительное ослабление на таких протяженных трассах.Кроме того, в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту,а в приполярных областях и вовсе не виден. На геостационарной орбите находится несколько сотен спутников, обслуживающих разные регионы Земли, в том числе и отечественные спутники «Горизонт», «Экран».Для обслуживания территорий в северных широтах используют спутники навысокой эллиптической орбите с большим углом наклонения. В частности, отече- ственные спутники «Молния» имеют эллиптическую орбиту с высотой апогея над северным полушарием порядка 40 тысяч километров и перигея около 500 кило- метров. Наклонение плоскости орбиты к плоскости земного экватора составляет63°и период обращения 12 часов. Движение спутника в области апогея замедляет- ся, и сеансы радиосвязи возможны в течение 6. . .8 часов. Данный тип спутников также позволяет обслуживать большие территории. Но недостатком их использова- ния является необходимость слежения антенных систем за медленно дрейфующи- ми спутниками и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий.Низкоорбитальные спутники запускаются на круговые орбиты с высотой по- рядка 500. . .1500 километров и большим углом наклонения орбиты (полярные 8.3 Основные характеристики спутниковых систем связи87и околополярные орбиты). Запуск легких спутников связи осуществляют с помо- щью недорогих пусковых установок. В системах связи с низко-высотными спутни- ками времена задержки распространения сигнала невелики, но значительно умень- шены и зоны охвата. Скорость перемещения спутника относительно поверхностиЗемли достаточно высока, и длительность сеанса связи от восхода спутника до его захода не превышает десятки минут. Поэтому для обеспечения связи на боль- ших территориях на низко-высотных орбитах должны одновременно находиться десятки спутников.В спутниковых системах связи (ССС) обычно поддерживается радиообмен между несколькими земными станциями. Земные станции подключены к источ- никам и потребителям программ теле- и радиовещания, к узлам коммутации сетей связи, например междугородним телефонным станциям. Для примера рассмотрим вариант дуплексной связи между двумя земными станциями. Структурная схема такой ССС приведена на рисунке 8.9.Рис. 8.9 – Структурная схема спутниковой системы связиСигнал U1, предназначенный для передачи в системе связи, поступает на пе- редатчик Пд1первой земной станции. В передатчике Пд1осуществляются необ- ходимые преобразования несущего колебания с частотой f1(модуляция, усиле- ние и т. д.), и сформированный передатчиком радиосигнал через разделительный фильтр РФ1поступает на антенну земной станции 1, которая излучает его в сто- рону спутника-ретранслятора. Сигнал U2, поступающий для передачи в системе связи на вторую земную станцию, претерпевает подобные преобразования в ана- логичных узлах и излучается в сторону космической станции с частотой, равной f2Радиосигналы с частотами f1и f2, наведенные в антенне космической стан- ции, через разделительный фильтр РФ0поступают на приемники сигналов ПМ01и ПМ02. Принимаемые сигналы получают в этих приемниках необходимую об- работку (преобразование частоты, усиление, в некоторых системах связи преду- смотрена демодуляция сигналов либо другие преобразования, предусмотренные 88Глава 8. Радиорелейные и спутниковые системы связиалгоритмом обработки сигналов). Затем в передатчиках ПД01и ПД02сигналы пере- носятся на частоты сигналов нисходящих каналов и усиливаются до необходимого уровня. В результате этих преобразований сигнал с частотой f1на выходе цепоч- ки, состоящей из приемника ПМ01и передатчика Пд01, преобразуется в сигнал с частотой fЗ, а сигнал с частотой f2на выходе цепочки ПМ02–Пд02преобразуется в сигнал с частотой f4. Через разделительный фильтр РФ0эти сигналы поступают на антенну космической станции и излучаются в сторону земных станций.На Земле сигналы с частотами f3и f4достигают антенн земных станций и по- ступают на входы соответствующих приемников. Приемник Пм2настроен на ча- стоту f3, соответственно на выходе приемника будет восстановлен сигнал U‡1, по- даваемый на вход системы связи со стороны земной станции 1. Различие в обозна- чениях сигналов U1и U‡1вызваны возможными их искажениями на трассе распро- странения. В свою очередь, на выходе приемника Пм1будет восстановлен сигналU‡2, передаваемый земной станцией 2.Для систем спутниковой связи выделены полосы частот отдельно для восходя- щих и нисходящих каналов в диапазоне частот от 0,6. . .86 ГГц.8.4 Службы спутниковой связиОдним из эффективных применений ССС является организация теле- и ра- диовещания с использованием спутников связи. В этом случае программы цен- тральных студий теле- и радиовещания через ретрансляторы спутников связи пе- редаются на сеть земных станций, принимающих сигналы спутников. Дальнейшее распределение этих сигналов по наземной сети осуществляется традиционными способами: с помощью эфирного или кабельного (проводного) телерадиовещания.В зависимости от назначения спутниковых систем связи и типа земных стан- ций различают следующие службы радиосвязи:ˆ фиксированная спутниковая служба — для связи между станциями, распо- ложенными в определенных, фиксированных пунктах, а также распределе- ния телевизионных программ;ˆ подвижная спутниковая служба — для связи между мобильными станция- ми, размещенными на транспортных средствах (самолетах, морских судах,автомобилях и т. д.);ˆ радиовещательная спутниковая служба для непосредственного приема ра- дио- и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у абонентов.Фиксированная спутниковая служба традиционно развивается в направлении создания систем магистральной связи на основе мощных земных станций с ан- тенными системами размером в несколько десятков метров. Из международных систем связи наиболее известна ССС InTelSat, через спутники которой передается около 23 международных телефонных переговоров и подавляющая часть телеви- зионных программ. В Российской системе «Орбита» используются спутники на высокой эллиптической орбите «Молния» и геостационарные спутники «Радуга»и «Горизонт».Подвижная спутниковая служба поддерживает системы связи, в которых хо- тя бы одна станция была установлена на подвижных объектах. Например, систе- Контрольные вопросы по главе 889ма морской спутниковой связи InMarSat с помощью геостационарных спутников обеспечивает связь между морскими судами и береговыми станциями в акваторияхАтлантического, Индийского и Тихого океанов.Сочетание достижений в микроэлектронике и космической технике позволи- ли создать системы связи с приемлемыми характеристиками на основе низкоорби- тальных спутников. Низкая высота орбиты не позволяет устанавливать длительных сеансов связи с одним спутником. Непрерывность связи в таких системах может быть обеспечена увеличением количества спутников, одновременно находящих- ся на орбите и поочередно облетающих обслуживаемую ими территорию. Низкая стоимость запуска легких спутников делает экономически целесообразным разме- щение на орбите нескольких десятков спутников одновременно.В системах спутниковой связи с использованием низкоорбитальных спутников возможна разная организация связи между абонентами. Если оба абонента нахо- дятся в зоне видимости одного спутника, между ними устанавливается прямая радиотелефонная связь через ретранслятор спутника. Если же абоненты находят- ся в зоне видимости разных спутников, то устанавливается специальный канал связи между этими спутниками. Если спутники находятся в пределах взаимной видимости, между ними может быть установлена специальная межспутниковая радиолиния. Кроме того, связь между спутниками может быть установлена через наземные сети связи, к которым подключены земные станции, находящиеся в зоне видимости каждого из спутников.Радиовещательная спутниковая служба для непосредственного приема те-левизионного вещания (НТВ) обеспечивает прием абонентами телевизионных про- грамм в диапазоне частот 12 гигагерц. Этот частотный диапазон выбран из условия минимизации затрат на бортовое и наземное оборудование систем спутниковой связи. Для непосредственного приема программ спутникового телевидения або- ненты (коллективные или индивидуальные) должны иметь дополнительное обо- рудование. В составе этого оборудования для приема и преобразования сигналов со спутника используют конвертор (преобразователь частоты сигнала со спутника)и антенную систему с устройством дистанционного управления антенной, с помо- щью которого устанавливается направление антенны на выбранный геостационар- ный спутник.Контрольные вопросы по главе 8 1) Раскройте основные принципы функционирования радиорелейной систе- мы связи.2) Поясните организацию дуплексной системы радиорелейной связи прямой видимости.3) Раскройте основные характеристики орбит искусственных спутников Земли.4) Какие особенности присущи спутниковым системам связи?5) Раскройте основные характеристики спутниковых систем связи.6) Поясните структурную схему спутниковой системы дуплексной связи.7) Поясните назначение и основные характеристики служб спутниковой связи. Глава 9СИСТЕМЫ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ9.1 Системы персонального радиовызоваВ современных условиях возрастают потребности в обмене разнообразной ин- формацией, в том числе и между подвижными объектами. Системы радиосвязи,в которых оборудование одного или нескольких участников связи размещается на подвижных объектах (автомобили, корабли, самолеты, переносные и портативные конструкции), называются системами подвижной (мобильной) радиосвязи. В зави- симости от характера предоставляемых такими системами услуг на современном этапе можно выделить следующие основные виды подвижной связи:ˆ системы персонального радиовызова (Paging Systems);ˆ профессиональные системы подвижной радиосвязи (Professional MobileRadio);ˆ системы сотовой подвижной радиосвязи (Cellular Radio System);ˆ системы беспроводных телефонов (Cordless Telephony).Системы персонального радиовызова (пейджинговые системы радиосвязи)предназначены для оперативной передачи подвижному абоненту, находящемуся в зоне действия системы связи, ограниченного по объему сообщения. Так как в пейджинговой системе не предусмотрена двухсторонняя связь, то требуется меньше затрат на организацию самой связи, за счет увеличения мощности цен- тральной передающей станции можно снизить требования к мобильному приемни- ку: уменьшить чувствительность приемника, его энергопотребление, вес, габариты и т. д.Системы персонального радиовызова строятся, в основном, для обслуживания значительных территорий. В то же время имеется немало систем ограниченного применения, например для внутрипроизводственной связи внутри одного здания или в границах группы строений. 9.1 Системы персонального радиовызова91В самом общем виде система персонального радиовызова представляет собой набор портативных приемников подвижных абонентов и общий радиопередающий центр, обеспечивающий подготовку и излучение адресной информации. Система персонального радиовызова работает следующим образом.Для сбора и формирования передаваемых сообщений радиопередающий центр содержит систему сбора информации и пейджерный терминал. В систему сбора информации могут поступать сообщения в различном формате: по телефонной се- ти общего пользования, по компьютерным сетям и т. д. Эти сообщения обрабаты- ваются операторами или службами автоматической обработки (для сообщений, по- ступающих по цифровым каналам) и подаются на пейджинговый терминал. Пей- джинговый терминал осуществляет основную обработку поступивших сообщений в соответствии с используемым протоколом. Коды каждого сообщения заносят- ся в буферную память и ставятся в очередь к ранее поступившим сообщениям.Каждому сообщению присваивается определенный адрес. Затем эти сообщения пакетами (группами) с определенной периодичностью излучаются в пределах зо- ны обслуживания сети. Для этого с помощью передатчиков сигналы пейджерного терминала модулируют несущую частоту (обычно в диапазонах метровых или де- циметровых волн), в течение короткого времени излучаемую в пространство.Малогабаритный приемник (пейджер) абонента сети подвижной связи посто- янно находится в режиме дежурного приема в зоне действия системы связи. Каж- дый приемник имеет свой индивидуальный номер (адрес) для приема адресуемой ему информации. Для этого абонентские пейджеры постоянно анализируют адреса всех поступивших сообщений. При совпадении адреса поступившего сообщения с номером абонента это сообщение обрабатывается и сохраняется в памяти при- емника. О поступившем сообщении абонент извещается звуковым или световым сигналом либо вибрацией корпуса.Передача данных в разных системах связи осуществляется по различным про- токолам.Протокол — это набор правил, которые устанавливают порядоквзаимодействия участников связи.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Протокол определяет основные характеристики обмена информацией: формат передаваемых сообщений, скорость передачи, способность противодействовать по- мехам, вид модуляции и т. д.Одна из первых распространенных систем подвижной связи использовала про- токол POCSAG, позволяющий передавать цифровые, буквенные и тональные со- общения в виде потока бит со скоростью 512 бит/с и частотной манипуляцией несущей. При этом передаче логической единицы соответствует уменьшение ча- стоты излучаемого сигнала на 4,5 кГц, передаче логического нуля соответствует увеличение частоты на 4,5 кГц.Комбинации бит представляют собой кодовые слова. Формат кодовых слов в POCSAG представлен на рис. 9.1. В стандарте POCSAG кодовое слово состав- ляют 32 бита. Различают два вида кодовых слов: информационное кодовое слово и кодовое слово синхронизации. В свою очередь, информационные кодовые слова 921   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   18


Министерство образования и науки Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
С. И. Богомолов
ВВЕДЕНИЕ В СИСТЕМЫ
РАДИОСВЯЗИ И РАДИОДОСТУПА
Учебное пособие
Томск
«Эль Контент»
2012

УДК
621.396(075.8)
ББК
32.884.1я73
Б744
Рецензенты:
Оброков А. Ф., канд. биол. наук, доцент кафедры философии Томского государственного архитектурно-строительного университета;
Пуговкин А. В., проф. кафедры телекоммуникаций и основ радиотехники
ТУСУРа.
Богомолов С. И.
Б744
Введение в системы радиосвязи и радиодоступа : учебное пособие /
С. И. Богомолов. — Томск : Эль Контент, 2012. — 152 с.
ISBN 978-5-4332-0064-7
В учебном пособии представлены установочные сведения подготовки бакалавров по направлению «Инфокоммуникационные технологии и систе- мы связи». Дана характеристика средств радиосвязи и их место в процессе передачи информации. Рассмотрены основные понятия в области телеком- муникаций, элементы систем радиосвязи, модели сигналов и их основные преобразования в радиотехнических устройствах.
Затронуты вопросы подготовки специалистов в области радиосвязи с учетом основных положений государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для данного направления.
УДК
621.396(075.8)
ББК
32.884.1я73
ISBN 978-5-4332-0064-7
© Богомолов С. И., 2012
© Оформление.
ООО «Эль Контент», 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
5
1
Инфокоммуникационные технологии и средства связи
в современном мире
7
1.1
Общие сведения об инфокоммуникационных технологиях и средствах связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2
Из истории развития радиосвязи
11
2.1
Радио на начальном этапе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 2.2
Становление радио . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13 2.3
Из истории развития радиосвязи и радиовещания на Томской земле
16 2.4
Из истории ТУСУРа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3
Общие сведения о системах связи
21
3.1
Основные понятия и определения в области связи . . . . . . . . . . .
21 3.2
Обобщенная структурная схема системы связи . . . . . . . . . . . . .
23 3.3
Основные характеристики сигналов электросвязи . . . . . . . . . . .
25 3.4
Каналы электрической связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27 3.5
Общие сведения о сетях связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
4
Сигналы и помехи
33
4.1
Модели радиотехнических сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33 4.2
Гармонический анализ и синтез сигналов . . . . . . . . . . . . . . . .
36 4.3
Первичные сигналы электросвязи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38 4.4
Помехи радиосвязи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
5
Модуляция
45
5.1
Общие сведения о модуляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45 5.2
Амплитудная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46 5.3
Частотная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49 5.4
Фазовая модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50 5.5
Модулирование импульсных последовательностей . . . . . . . . . .
52
6
Распространение радиоволн
54
6.1
Общие сведения о радиоволнах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54 6.2
Физические характеристики среды распространения радиоволн . .
56 6.3
Особенности распространения радиоволн различных диапазонов .
60

4
Оглавление
7
Оборудование каналов связи
66
7.1
Антенно-фидерные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66 7.2
Радиоприемные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70 7.3
Радиопередающие устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
8
Радиорелейные и спутниковые системы связи
78
8.1
Радиорелейные системы связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78 8.2
Спутниковые системы связи. Общие сведения . . . . . . . . . . . . .
82 8.3
Основные характеристики спутниковых систем связи . . . . . . . .
85 8.4
Службы спутниковой связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
9
Системы подвижной радиосвязи
90
9.1
Системы персонального радиовызова . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90 9.2
Профессиональная подвижная радиосвязь . . . . . . . . . . . . . . . .
93 9.3
Системы сотовой подвижной связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95 9.4
Системы беспроводных телефонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
10 Системы радиодоступа
103
10.1
Понятие сети доступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 10.2
Сети радиодоступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 10.3
Технологии широкополосного доступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
11 Международные и национальные организации в связи
112
11.1
Организации стандартизации в связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 11.2
Общие сведения о связи в Российской Федерации . . . . . . . . . . . 114 11.3
Стандартизация высшего профессионального образования в РФ . . 117
Заключение
120
Литература
121
Приложение А
122
Список условных обозначений и сокращений
144
Глоссарий
147

ВВЕДЕНИЕ
Информационные технологии и средства телекоммуникаций в современном мире играют ведущие роли в процессе передачи и обработки информации. От первых опытов по беспроводной электросвязи прошло немногим более 100 лет,
но за это время средства и технологии радиосвязи, как составная часть научно- технического прогресса, проникли во многие области современного общества. Со- временные средства радиосвязи, несмотря на незначительные габариты и вес, за- частую представляют собой достаточно сложные технические устройства, требу- ющие квалифицированных специалистов по проектированию таких систем и под- держанию их высоких эксплуатационных характеристик.
Содержание дисциплины «Введение в системы радиосвязи и радиодоступа»
представляет материал, который дает первое знакомство с различными аспектами как самих средств и систем радиосвязи, так и с некоторыми вопросами подготовки специалистов для этой отрасли. Для понимания излагаемого материала требуются знания в объеме учебной программы общеобразовательной школы, в частности по физике и математике, но в то же время не выходящие за ее рамки.
Структура данного учебного пособия формируется следующим образом:
В главе 1 дается знакомство с основными понятиями в области телекоммуни- каций, указаны роль и место радиосвязи в современном мире. В главе 2 проведен краткий обзор развития средств радиосвязи. Отмечены первые этапы развития ра- диосвязи во всемирном масштабе, на территории нашей страны, а также Томской области. Последняя секция этой главы знакомит с историей создания и становле- ния ТУСУРа — первого за Уралом ВУЗа радиотехнического профиля.
В главах с 3 по 10 рассмотрены общие вопросы, относящиеся к различным аспектам деятельности средств радиосвязи: даны общие понятия и определения в области связи, приведены структурные схемы основных систем связи, рассмот- рены понятия: канал связи, сети связи. В последующих главах рассмотрены ос- новные характеристики сигналов электросвязи и их преобразования при передаче и приеме, необходимые для уяснения последующего материала. Приведены крат- кие сведения о распространении радиоволн и оборудовании каналов связи. Изло- жены сведения о радиосистемах, которые составляют ядро специальности.
В главе 11 изложены вопросы, связанные с получением высшего професси- онального образования в России. В качестве примера в приложении приведены выдержки из Государственного образовательного стандарта высшего профессио-

6
Введение
нального образования по направлению подготовки «Инфокоммуникационные тех- нологии и системы связи». В этом стандарте дана основная характеристика на- правления подготовки бакалавров и изложены требования, предъявляемые к вы- пускникам по окончании обучения.
Соглашения, принятые в книге
Для улучшения восприятия материала в данной книге используются пикто- граммы и специальное выделение важной информации.
Эта пиктограмма означает определение или новое понятие.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Эта пиктограмма означает внимание. Здесь выделена важная ин- формация, требующая акцента на ней. Автор здесь может поде- литься с читателем опытом, чтобы помочь избежать некоторых ошибок.
В блоке «На заметку» автор может указать дополнительные сведе- ния или другой взгляд на изучаемый предмет, чтобы помочь чита- телю лучше понять основные идеи.
Контрольные вопросы по главе

Глава 1
ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА СВЯЗИ
В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ
1.1 Общие сведения об инфокоммуникационных технологиях и средствах связи
Область электрической связи в настоящее время испытывает революционные преобразования, связанные с глобализацией производственных и экономических процессов в мировом сообществе; этому соответствует зарождение и развитие но- вых технологий: слияние компьютерных и телекоммуникационных систем, внед- рение волоконно-оптической техники, развитие цифровых методов и устройств передачи, хранение и обработка информации.
Для того, чтобы оценить роль электросвязи в обществе, рассмотрим те виды информации, которые она способна передавать. На рисунке 1.1 изображены ос- новные источники информации в системе координат «время сеанса связи» — «ско- рость передачи информации». Самые низкие требования к системам электросвязи предъявляет телеметрия — область связи, где нужно передавать сигналы от разных датчиков производственных и бытовых систем (температура, влажность, давление и т. п.). Здесь объемы передаваемой информации невелики, поэтому их передача обеспечивается на малых скоростях и за короткие промежутки времени.
Скорости в единицы и десятки килобит в секунду и времена занятия канала,
исчисляемые минутами, характерны для передачи данных с помощью обычных модемов с коммутируемым соединением. Еще больше увеличивается диапазон из- менения скорости и времени для передачи голоса как при телефонной связи, вклю- чая цифровую телефонию, так и при радиовещании. Переход к телевидению, ка- чественной передаче звука, скоростному Интернету требует скоростей в единицы,
десятки и сотни мегабит в секунду.

8
Глава 1. Инфокоммуникационные технологии
и средства связи в современном мире
Рис. 1.1 – Телекоммуникационные услуги
Приведенная диаграмма показывает, что сигналы, передаваемые в современ- ных телекоммуникационных системах, очень отличаются друг от друга. Можно выделить три вида информационных потоков (трафика):
ˆ голосовой трафик (передача звука);
ˆ данные (трафик компьютерных сетей);
ˆ телевидение.
Другой важный вывод, следующий из диаграммы,— это чрезвычайно боль- шой диапазон требуемой скорости передачи и времени сеанса. Это обстоятельство предъявляет к телекоммуникационным системам, их разработчикам и операто- рам связи очень высокие требования в части реализации аппаратно-программных средств и их эксплуатации.
В развитии электросвязи на современном этапе существует ряд тенденций, качественно меняющих понятие и содержание привыч- ных нам услуг телефонии и телевидения.
Цифровизация. Переход к цифровым сигналам обеспечивает высокую помехо- устойчивость передачи, повышает ее качество и надежность, существенно сокра- щает вес и габариты оборудования. Поскольку представление цифрового сигнала одинаково для всех видов трафика, то это создает реальную платформу для их объединения в одном канале передачи.
Глобализация. Практически телекоммуникационные сети приобретают всемир- ный характер. Это касается и телефонии, когда мы можем связаться с абонентом в любой стране, и передачи данных (сеть Интернет). Примерами глобальных сетей

1.1 Общие сведения об инфокоммуникационных технологиях и средствах связи
9
также являются: сети сотовой связи (GSM, NMT и др.), сети спутниковой связи
(InMarSat, Global Star и др.).
Персонализация. С появлением сотовых телефонов, терминалов спутниковой связи телекоммуникации все больше привязываются не к месту нахождения тер- минала (телефонный аппарат, телевизор и т. п.), а к персоне, человеку, который носит или возит терминал с собой.
Мобильность. Эта тенденция существовала и раньше, но сейчас она разви- вается в массовых средствах связи благодаря развитию технологий радиосвязи,
которые являются беспроводными и поэтому обеспечивают услугами абонентов,
находящихся в движении, как при перемещении пешком, так и в автомобиле или даже самолете или космическом аппарате.
Интеграция услуг. Цифровые сигналы позволяют объединить разнородный трафик (голос, данные, видео) в одном цифровом потоке. История и развитие интеграции услуг и служб телекоммуникаций схематично представлены на ри- сунке 1.2. Вначале существовали аналоговая телефония с частотным разделением каналов и технологией коммутации каналов и широковещательное аналоговое те- левидение. По мере развития цифровых технологий появились компьютерные сети и цифровая телефония, которые можно было объединить с помощью технологии
N-ISDN (узкополосная интеграция служб цифровых сетей). Узкополосность здесь проявляется в том, что объединяются близкие по скорости процессы — телефония и сравнительно низкоскоростная (до 200 кбит/с) передача данных. Далее по ме- ре развития цифрового телевидения и широкополосных сетей передачи данных появляются перспективы интеграции высокоскоростных услуг (B-ISDN) (широко- полосного ISDN).
Рис. 1.2 – Развитие технологий телекоммуникаций. Интеграция служб

10
Глава 1. Инфокоммуникационные технологии
и средства связи в современном мире
Системы электросвязи по виду используемой среды передачи (линии связи)
можно разделить на три большие категории:
1) Проводная электросвязь осуществляется по медным двухпроводным ли- ниям и коаксиальным кабелям. В настоящее время подавляющее число абонентских линий (сеть доступа) реализуется с помощью многопарных электрических кабелей. Сельская связь также строится на таких линиях.
2) Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) основаны на оптических ка- белях, обладающих гигантской пропускной способностью. Поэтому их ос- новная ниша для применения — магистральные сети, т. е. сети, соединяю- щие государства, большие города, АТС внутри городов, областные центры с районными центрами. Кроме этого, на ВОЛС строятся и скоростные сети доступа (скоростной Интернет, кабельное телевидение).
3) Радиосвязь реализуется с помощью различного вида радиоканалов, когда передача информации осуществляется с помощью радиоволн, распростра- няющихся в свободном пространстве. Основные достоинства радиосвязи:
ˆ быстрота развертывания системы связи;
ˆ возможность работы с мобильными абонентами;
ˆ возможность широковещательного режима.
Методы передачи с помощью радиоканалов реализуются в следующих систе- мах: спутниковая связь; сотовая связь; телевидение и радиовещание; радиорелей- ная связь; радиодоступ, особенно в труднодоступных и малонаселенных регионах.
Все эти виды радиотехнологий успешно дополняют проводную электросвязь и волоконно-оптические линии связи.
Контрольные вопросы по главе 1 1) Какие основные требования предъявляются к системам связи для передачи разного вида информации?
2) Каковы основные тенденции развития электросвязи на современном этапе?
3) На какие группы могут быть разбиты системы электросвязи по виду ис- пользуемой среды передачи?

Глава 2
ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ РАДИОСВЯЗИ
2.1 Радио на начальном этапе
Уровень развития любого общества в значительной степени определяется воз- можностями получения, обработки, хранения и передачи различной информации.
В современном мире уверенные позиции в процессе обработки и доставки инфор- мации занимают средства электрической связи. Радиосвязь является одной из со- ставляющих электросвязи, использующей в качестве среды распространения элек- тромагнитных колебаний свободное пространство (не направляющие структуры).
Возникновению радиосвязи предшествовали успехи исследования электриче- ства в целом и развития средств проводной электрической связи в частности.
К концу ХIХ века специалисты научились передавать по проводам электрические сигналы, переносившие текст телеграмм и человеческую речь, которые можно бы- ло воспроизвести на приемном конце линии связи. В качестве очередной задачи технического прогресса на повестку дня вставал вопрос о создании беспроводного телеграфа.
В свою очередь, развитие практического электричества подталкивало физиков к исследованиям общей природы электрических и магнитных явлений. К этому времени уже было известно, что вокруг проводника с электрическим током воз- никает магнитное поле (Б. Эрстед). Затем было установлено, что изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток (М. Фарадей).
В результате обобщения экспериментальных данных, связанных с взаимным влиянием электрических и магнитных явлений, Д. Максвелл предложил теорию единого электромагнитного поля. В этой теории установлены общие закономерно- сти поведения электрического и магнитного полей. Так, при протекании по про- воднику изменяющегося электрического тока вокруг этого проводника возбужда- ется переменное магнитное поле. Это изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, индуцирует переменное магнитное поле, и т. д. Изменяющиеся электрическое и магнитное поля, взаимно

Смотрите также файлы