6.1. Принципы построения радиорелейных линий прямой видимости

6.2. Структура радиосистем передачи

6.2.1. Многоствольные РРЛ. Планы распределения частот

6.2.2. Антенно-фидерные тракты

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

6.4. Нормирование качества связи на РРЛ

6.5. Принципы построения аппаратуры с ВРК

6.6. Методы оценки помех в каналах РРЛ

6.1. Принципы построения радиорелейных линий прямой видимости

Радиосистема передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, называется радиорелейной системой передачи [1].

Рисунок 6.1. Принцип радиорелейной связи

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

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

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

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

Протяженность пролетов R между соседними станциями зависит от профиля рельефа местности и высот установки антенн. Обычно ее выбирают близкой к расстоянию прямой видимости R₀, км. Для гладкой сферической поверхности Земли и без учета атмосферной рефракции:

(6.1)

где h₁ и h₂ – высоты подвеса соответственно передающей и приемной антенн (в метрах). В реальных условиях, в случае мало пересеченной местности R₀ = 40…70 км, а h₁ и h₂ составляют 50…80 м. Принцип радиорелейной связи показан на рисунке 1.1, где отмечены радиорелейные станции трех типов: оконечная (ОРС), промежуточная (ПРС) и узловая (УРС) [1].

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

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

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

С помощью УРС обычно решают задачи разветвления и объединения потоков информации, передаваемых по разным РРЛ, на пересечении которых и располагается УРС. К УРС относят также станции РРЛ, на которых осуществляется ввод и вывод телефонных, телевизионных и других сигналов, посредством которых, расположенный вблизи от УРС населенный пункт связывается с другими пунктами данной линии.

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

С помощью РРЛ решают следующие задачи:

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

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

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

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

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

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

Классификация РРЛ.

Радиорелейные линии прямой видимости можно классифицировать по различным признакам и характеристикам [6].

По способу разделения каналов и виду модуляции несущей можно выделить:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Стало просто не выгодно выпускать РРС специально для передачи лишь потоков Е1 или менее, за исключением ряда новых весьма специфических и редких пока применений (передача Е1 шумоподобными сигналами, распределительные станции для систем доступа и прочие) [12].

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

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

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

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

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

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

К этой группе высокоскоростных РРС, использующих технологию SDH, можно отнести РРС со скоростью передачи информации 51.84 Мбит/с (STM-0), которые иногда называют "среднескоростными". Они упрощают реализацию ответвлений от синхронных линий передачи, позволяют значительно увеличить возможности построения сетей SDH различной конфигурации, ответвлять от ВОЛС или РРЛ информацию к сетям доступа пользователя, подключать к сетям SDH до 21 потока Е1, а также потоки Е3 [7].

6.2. Структура радиосистем передачи

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

С помощью современных РСП можно передавать любые виды информации: телефонные, телеграфные и фототелеграфные сообщения, программы телевидения и звукового вещания, газетные полосы, цифровую информацию и так далее [3].

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

Рисунок 6.2. Обобщенная структурная схема многоканальной РСП

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

6.2.1. Многоствольные РРЛ. Планы распределения частот

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

Пропускная способность РРЛ может быть в несколько раз увеличена за счет образования новых стволов. Для этого на станциях устанавливают дополнительные комплекты приемопередающего оборудования, с помощью которых создаются новые высокочастотные тракты. Для сигналов разных стволов используются различные несущие частоты. Вся система многоствольной РРЛ организуется таким образом, чтобы все стволы работали независимо один от другого, а с другой стороны были взаимозаменяемы. Такой принцип позволяет обеспечить необходимую верность передачи сообщений в каждом стволе и повышает надежность работы всей линии в целом. В тоже время повышение пропускной способности РРЛ за счет многоствольной работы не приводит к пропорциональному росту стоимости линии, так как многие высоконадежные компоненты линии (антенны, станционные сооружения, опоры для подвеса антенн, источники электроснабжения и тому подобное) являются общими для всех стволов [12].

В качестве примера, поясняющего принцип организации многоствольной работы, рассмотрим вариант РРЛ из трех дуплексных стволов. На рисунке 1.3 представлена упрощенная структурная схема основного оборудования трех станций этой линии: ОРС, ПРС, и УРС. Схема содержит: передатчики (П); приемники (Пр); оконечные устройства (ОУ), включающие модемы, усилители и другие элементы, осуществляющие преобразование групповых телефонных сообщений (ТФ) или компонентов сигналов телевизионного и звукового вещания (ТВ, ЗВ) в сигналы линейного тракта, а также обратное преобразование: системы полосовых фильтров (ПФ), каждый из которых имеет полосу прозрачности, соответствующую одному стволу при односторонней связи; в режиме передачи ПФ обеспечивает необходимую развязку передатчиков (у этих систем ПФ указан первый индекс 1, то есть они обозначены ПФ₁₁, ПФ₁₂, ПФ₁₃; изменение вторых индексов отражает смену частот приема и передачи в соответствии с двухчастотным планом); в режиме приема системы ПФ являются разделительными фильтрами: из суммарного ВЧ сигнала каждый полосовой фильтр системы выделяет сигнал одного ствола и направляет его в соответствующий приемник (у этих систем ПФ указан первый индекс 2, то есть они обозначены ПФ₂₁, ПФ₂₂, ПФ₂₃); развязывающие устройства (РУ), задачей которых является дополнительное уменьшение взаимовлияния трактов передачи и приема: ряд элементов этих трактов, таких, например, как фидеры и антенны (А), как правило являются общими. Аппаратура ввода-вывода сигналов (АВВ) обеспечивает решение специфических для УРС задач – разветвления и объединения информационных потоков.

В качестве примера использования схемы рассмотрим на рисунке 6.3 передачу группового телефонного сообщения (ТФ) в одном направлении связи. Это сообщение формируется в аппаратуре объединения каналов (АОК) и по соединительной линии поступает на ОРС. С помощью ОУ и П сигнал ТФ преобразуется в ВЧ сигнал требуемой мощности, который через один из полосовых фильтров системы ПФ₁₁ и РУ поступает в антенну А и излучается в направлении ПРС. Здесь сигнал данного ствола проходит последовательно через элементы А, РУ, ПФ₂₂ и группу приемников. С помощью одного из Пр и ОУ ВЧ сигнал данного ствола может быть преобразован в сигнал ТФ и направлен в АВВ.

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

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

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

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

2. Непосредственную модуляцию групповым сообщением одного из параметров ВЧ несущей (модулятор – в передатчике) [1].

Последний вариант используется, в частности, на цифровых РРЛ.

В настоящее время прием и передачу сигналов на станции на каждом направлении связи ведут в основном по общему антенно-фидерному тракту (обычно антенны и фидеры оказываются гораздо более широкополосными, чем сигналы одного ствола) [8], а необходимую развязку приема и передачи обеспечивают не только фильтрами, но и различными невзаимными устройствами, то есть устройствами, свойства которых зависят от направления распространения электромагнитных волн. К этим устройствам относят, в частности, широко применяемые ферритовые вентили и циркуля торы. Кроме того, для обеспечения эффективной развязки трактов передачи и приема, а также соседних стволов, во многих современных РРС используют волны различной поляризации (горизонтальной и вертикальной). В этом случае в качестве РУ применяют, например, поляризационные селекторы. Схема на рисунке 6.3 построена с учетом рекомендованного МККР (ныне МСЭ) двухчастотного плана с группированием частот передачи и приема: группы передаваемых и принимаемы на каждой станции сигналов проходят через различные системы полосовых фильтров, например на ПРС – это ПФ₁₂ и ПФ₂₁. Заметим, что конструктивно системы ПФ с различными первыми, но одинаковыми вторыми индексами, например ПФ₁₁ и ПФ₂₁, могут быть выполнены вполне идентично.

Рассмотрим один из вариантов конкретного частотного плана и некоторые примеры схем антенно-фидерных трактов (АФТ) многоствольных систем [8]. На рисунке 6.4 а представлен план распределения частот, применяемый в магистральных радиорелейных системах "Восход", "Рассвет-2", "Курс-4", работающих в диапазоне 3.4…3.9 ГГц, в системе "Курс-6", работающей в диапазоне 5.67…6.17 ГГц и в зоновой системе "Курс-8", работающей в диапазоне 7.9…8.4 ГГц. Конкретные номиналы рабочих частот можно найти в любом справочнике по РРЛ. Этот план позволяет организовать до восьми дуплексных широкополосных стволов по двухчастотной системе. Каждый из стволов может использоваться для организации телефонных каналов (до 1920) или для передачи одной телевизионной программы. Как видно из рисунка 6.4 а, несущие частоты стволов (f₁,f₂,…,f₁₆ – отложены на оси f_с) разнесены на интервалы, кратные F = 14 МГц. План рассчитан на промежуточную частоту F_пч = 5F = 70 МГц. При этом частоты гетеродинов (помечены точками на оси f_г) размещаются в интервалах между рабочими частотами стволов, а частоты зеркальных каналов (помечены точками на оси f_з) – внутри полосы, выделенной для системы. Частоты приема и передачи в одном дуплексном стволе разнесены на величину 19F = 266 МГц. Для соседних по частоте стволов в диапазонах, близких к 4 и 6 ГГц, должны использоваться различные антенны и разные типы поляризации волн – горизонтальная (г) и вертикальная (в). Распределение волн по поляризации на частотах приема (f_пр) и передачи (f_п) должно соответствовать рисунку 6.4, а, б или в. Обычно стволы разбиваются на две перемежающие группы. Одна группа стволов, например с нечетными номерами, используется для магистральных линий, а другая (с четными номерами) – в линиях, являющихся ответвлениями от магистрали, как показано на рисунке 6.5 а. Пример разнесения сигналов по разным антеннам на ПРС для шести дуплексных стволов показан на рисунке 6.5 б. Частотный план на рисунке 6.4, а предусматривает, что разность между частотами соседних стволов в одной антенне составляет величину 4F = 56 МГц, а в разных антеннах – 2F = 28 МГц; разность между ближайшими несущими частотами приема и передачи в разных антеннах – 5F = 70 МГц, в одной антенне – 7F = 98 МГц. Заметим, что система "Курс-8", функционирующая в диапазоне 7.9…8.4 ГГц при соответствующей компоновке АФТ (рисунок 6.6) допускает работу восьми дуплексных стволов на одну антенну. Разнесение сигналов разных стволов по частоте, по поляризации и по различным ветвям антенно-фидерного тракта, а также соответствующий выбор частот местных гетеродинов – все это в совокупности обеспечивает минимум внутрисистемных помех без значительного расширения частотных интервалов между стволами.

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

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

6.2.2. Антенно-фидерные тракты

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

Рисунок 6.6. Структурные схемы АФТ

Элементами структурной схемы на рисунке 6.6 являются:

• приемопередающая антенна (А);
• переход (П), обеспечивающий согласование фидеров различной конструкции (в данном случае согласование антенны с волноводом);
• герметизирующие элементы (ГЭ) – специальные волноводные вставки, создающие замкнутый объем для системы осушки волноводных трактов (СОВТ);
• секции со штуцером (СШ), с помощью которых АФТ соединяется с воздухопроводом СОВТ;
• фильтр поглощения (ФП), предназначенные для уменьшения в "многоволновом" круглом волноводе уровня паразитных высших волн (например, Е₀₁ и Е₁₁) с продольной составляющей электрического поля вдоль оси волновода (его основная волна – Н₁₁; паразитные волны могут преобразовываться в основную волну и вызывать попутные потоки, искажающие сигналы и, следовательно, ухудшающие качество передачи);
• волновод круглого сечения (ВК), обычно используемый в вертикальном тракте, соединяющем установленную на опоре антенну с горизонтальным трактом, где применяют в основном эллиптические волноводы (ВЭ);
• корректор эллиптичности (КЭ), снижающий уровень паразитной кросс-поляризованной волны в круглом волноводе, которая затрудняет разделение волн по поляризации;
• поляризационный селектор (ПС), в котором с помощью поляризационных фильтров осуществляется разделение и объединение волн с различным типом поляризации – горизонтальной (г) и вертикальной (в);
• нагрузка (Н), для поглощения паразитных волн, возникающих за счет несогласованности и неидеальности элементов АФТ;
• ферритовые циркуляторы (ФЦ), обеспечивающие разделение волн по направлению распространения (основное свойство ФЦ: сигнал поступивший в ФЦ в плечо с номером i, (где i = 1,2,3), может выйти из ФЦ только через ближайшее плечо, указанное стрелкой);
• разделительные фильтры (РФ), выполняющие задачу объединения и разделения сигналов различных стволов по частоте.

Приемники, подключенные к РФ₁ и РФ₃, и передатчики, соединенные с РФ₂ и РФ₄, обеспечивают дуплексную связь в одном направлении. Путь сигналов (на несущих f₁…f₁₆) каждого из стволов нетрудно проследить по схеме, руководствуясь направлением соответствующих стрелок [8].

На РРЛ прямой видимости, работающих в диапазоне СВЧ, используются рупорно-параболические антенны (РПА), перископические и параболические (однозеркальные и двухзеркальные). Выбор той или иной антенны зависит не только от типа аппаратуры, но и от емкости РРЛ. Этим же определяется состав и структура АФТ. Если, например, линия включает в себя не 8, а 4 ствола, то каждый из поляризационных фильтров через ВЭ и ГЭ может быть непосредственно соединен с одним из РФ. В другом варианте когда отсутствует разделение по поляризации, внешний волновод может быть соединен с двумя РФ (работающими один на передачу, другой – на прием) посредством ФЦ [9].

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

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

Приемопередающая аппаратура радиосвязи. Широкое использование в аппаратуре РРЛ получили гетеродинные приемопередатчики, которые построены на основе передатчика с преобразователем частоты и супергетеродинного приемника [2].

Упрощенная схема оконечной приемопередающей станции приведена на рисунке 6.6

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

Далее сигнал усиливается в усилителе групповых сигналов (УГС), ограничивается по амплитуде в усилителе-ограничителе (АО) и подается на предыскажающий контур (ПК). Предыскажения вводятся с целью выравнивания отношения P_c/Р_ш по всему спектру ГС. В частотном модуляторе (ЧМ) производится модуляция промежуточной частоты ( F_пч обычно выбирается равной 70 МГц) групповым сигналом [11].

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

, (6.2)

где f_в – верхняя частота модулирующего сигнала.

Рисунок 6.6. Упрощенная структурная схема приемопередающего оборудования.

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

, (6.3)

где К_чм – крутизна модуляционной характеристики; Р_изм = 1 мВт – средняя мощность измерительного сигнала на сопротивлении R. Поскольку, если U_гр(t) и измерительный сигнал выделяются на одинаковых сопротивлениях R, и , то

, (6.4)

где ∆f_э и ∆f_к измеряются в кГц, а Р_ср – безразмерная величина, численно равная Р_ср в мВт. Если выходное сопротивление измерительного генератора активно и совпадает с входным сопротивлением канала (600 Ом), то соотношение Р_ср/ Р_изм в дБ соответствует уровню

, (6.5)

откуда . Поэтому вместо (1.3.3) можно записать

. (6.6)

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

,

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

 

Практикум решения задач на применение формулы Карсона:

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

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

Частотная модуляция (ЧМ) позволяет обеспечить относительно высокую помехоустойчивость передачи сообщений [1]. При этом не требуется большая стабильность частоты передатчика. Мощность его используется весьма эффективно: она практически не зависит от характеристик сообщений на входе модулятора, пик-фактор всегда равен единице. Уровень сигнала на входе приемника может изменяться в достаточно широких пределах (на пример, при замираниях), не влияя на мощность полезного сигнала после демодулятора. Все это в целом объясняет широкое применение ЧМ на РРЛ, в спутниковых, тропосферных и других системах передачи. Вместе с тем частотной модуляцией свойственны и определенные недостатки: резкое снижение качества передачи, если отношение средних мощностей сигнала и шума на входе приемника (Р_с/Р_ш)_вх падает ниже некоторого порогового значения (пороговый эффект проявляется обычно при (Р_с/Р_ш)_вх ≤ 10); широкий спектр частот, который необходимо передавать по радиоканалу для нормального восстановления сообщений на выходе демодулятора; зависимость уровня шумов на выходе канала от мощности входного сигнала приемника (проявляется при замираниях); необходимость выравнивания качества работы разных телефонных каналов при их частотном разделении и другие.

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

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

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

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

, (6.8)

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

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

Основное усиление сигнала осуществляется в усилителях промежуточной частоты (УПЧ). Тракт промежуточной частоты, используется для создания высокой избирательности при малых расстройках относительно границ полосы пропускания [12].

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

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

Гетеродин приемника включает в себя генератор сдвига (Гздв) и смеситель сдвига (СМсдв), в котором частота f_сдв смешивается с частотой несущей f_н. Таким образом частота гетеродина приемника (f_гет) отличается от частоты f_н на ± f_сдв, чем обеспечивается разнос частоты приема и передачи. Обычно f_сдв выбирается равной 213 МГц. На выходе смесителя приемника (СМпр) получается сигнал f_пч ± ∆f, который через полосовой фильтр (ПФ) подается на главный усилитель ПЧ (УПЧ-1), в котором осуществляется основное усиление сигнала и автоматическая регулировка (АРУ). Таким образом, уровень сигнала промежуточной частоты на выходе главного усилителя поддерживается постоянным в достаточно большом диапазоне изменений уровня принимаемого сигнала (в приемниках магистральных РРЛ достигает 46–50 дБ). Оконечный усилитель (УПЧ-2) имеет два выхода, один из которых используется для подачи сигнала на вход передатчика (ретрансляция сигнала на ПРС), второй – для выделения сигнала промежуточной частоты на УРС. В РРЛ с частотным уплотнением и ЧМ, обычно устанавливается усилитель-ограничитель, который подавляет паразитную АМ. При работе станции в режиме ретрансляции сигнал с выхода УПЧ-1 приемника поступает на вход МУПЧ передатчика. На оконечных (ОРС) и узловых (УРС) станциях, где осуществляется преобразование спектра сигнала до группового (ГС), сигнал ПЧ подается на вход УПЧ-2 и после ограничения по амплитуде в АО поступает на частотный детектор (ЧД). ГС с выхода ЧД после коррекции АЧХ в выравнивающем контуре (ВК) и усиления в УГС подается на вилку фильтров ДК устройства разделения групповых сигналов (УРГС).

Особенности трактов промежуточной частоты цифровых РРЛ заключаются в разных требованиях к полосам пропускания и точной коррекции частотных характеристик тракта, а также в повышенном требовании к линейности амплитудной характеристики активных элементов этого тракта [7].

6.4. Нормирование качества связи на РРЛ

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

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

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

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

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

Для каждого конкретного вида эталонной цепи можно определить допустимое значение мощности шума или отношения сигнал-шум на выходе канала. Но вследствие замираний шумы на выходе каналов РРЛ являются нестационарными случайными процессами. Поэтому для шумов в ТФ, ТВ и других каналах РРЛ вводится несколько норм, полученных на основе обработки соответствующих статистических данных, учета специфики аппаратуры и особенностей получателя сообщений [19], [20].

Рисунок 6.9 иллюстрирует рекомендации, установленные МККР для телефонных и телевизионных каналов РРЛ. Так, согласно этим рекомендациям принято, что в любом телефонном канале в точке с нулевым относительным уровнем допустимые мощности шума (Р_ш.доп), вносимого радиорелейным оборудованием линии, имеющей протяженность 2500 км и структуру, соответствующую гипотетической эталонной цепи, составляют следующие величины (смотри рисунок 6.9,а): среднеминутная псофометрическая мощность шума, которая может превышаться в течение не более Т = 20% времени любого месяца, 7500 пВт0, что соответствует 10lg(7500/10⁹) = –51,25 дБ; среднеминутная псофометрическая мощность шума, которая может превышаться в течение не более Т = 0.1% времени любого месяца, 47500 пВт0 (–43.23 дБ); средняя за 5 мс невзвешенная мощность шума, которая может превышаться в течение не более Т = 0.01% времени любого месяца, 10⁶ пВт0 (–30 дБ). В рекомендацию, относящуюся к 20% времени, включена и мощность помех (1000 пВт), обусловленных работой спутниковых систем в общих с РРЛ полосах частот.

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

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

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

, (6.9)

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

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

, (6.10)

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

6.5. Принципы построения аппаратуры с ВРК

На рисунке 6.10 приведена упрощённая структурная схема оконечной станции многоканальной системы с ВРК [6]. Непрерывное сообщение от каждого из абонентов u₁(t) … u_N(t) через соответствующие дифференциальные системы ДС₁ … ДС_N подаются на входы канальных модуляторов КМ₁ … КМ_N. В канальных модуляторах в соответствии с передаваемым сообщением производятся модуляции импульсов, следующих через период дискретизации Т_д, по одному из параметров, например, ФИМ. В соответствии со значением передаваемого непрерывного сообщения в момент отсчёта при ФИМ происходит изменение положения импульса постоянной амплитуды и длительности относительно середины канального интервала от +∆t_m до – ∆t_m. Промодулированные импульсы с выхода КМ, импульсы синхронизации от генератора синхронизации (ГИС), а также импульсы датчика служебной связи (ДСС), датчика сигналов управления и вызовов (ДУВ) объединяются. В результате получается групповой сигнал u_гр (t). Для обеспечения работы канальных модуляторов и дополнительных устройств последовательности импульсов с частотой дискретизации F_д, сдвинутые относительно первого канала на i∆t_к, где i – номер канала. Таким образом, моменты начала работы КМ определяются запускающими импульсами от РК, который определяет моменты подключения к общему широкополосному каналу соответствующего абонента или дополнительного устройства [1].

Полученный групповой сигнал u_гр(t) подаётся на вход регенератора (Р), который придаёт дискретным сигналам различных каналов одинаковые характеристики, например одинаковую форму импульса. Все устройства, предназначенные для образования сигнала u_гр(t): КМ₁ … КМ_N, РК, ГИС, ДУВ, ДСС, Р – входят в аппаратуру объединения сигналов (АО), которая осуществляет объединение во времени всех сигналов и формирует групповой сигнал. Далее сигнал может передаваться на следующую станцию по проводным соединительным линиям или с помощью радиосвязи.

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

На приёме выделенный сигнал u^*_гр(t) подаётся на входы всех канальных демодуляторов КД₁ … КД_N и приемников служебной связи (ПСС), управления и вызова (ПУВ).

Канальные демодуляторы осуществляют разделение u^*_гр(t) на отдельные канальные сигналы, представляющие собой дискретные отсчёты, и восстановление по этим отсчётам непрерывных сообщений u^*₁(t) … u^*_N(t), соответствующих поданным на входы КМ в АО. Для обеспечения временного разделения канальных сигналов необходимо, чтобы каждый из КД открывался поочерёдно только в соответствующие данному каналу интервалы времени ∆t_к. Это обеспечивается импульсами, снимаемыми с выходов РК′ аппаратуры разделения сигналов (АР), работающего аналогично РК в АО на передающем конце линии связи. Для обеспечения правильного разделения каналов РК′, который находится в АР, должен работать синхронно и синфазно с РК АО, что осуществляется с помощью импульсов синхронизации (ИС), выделяемых соответствующими селекторами (СИС) и блоком синхронизации (БС). Сообщения с выходов КД поступают к соответствующим абонентам через дифференциальные системы [2].

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

Рисунок 6.11. Групповой сигнал при ВРК с ФИМ

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

Т_д = (2∆τ_макс + τ_з)N_гр, (6.11)

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

Из формулы (6.11) получаем

;

максимальная девиация импульсов при заданном количестве каналов

,

принимаем , поэтому

. (1.12)

Учитывая, что при телефонной передаче Т_д = 125 мкс, получим при N_гр = 6 ∆τ_макс = 8 мкс, при N_гр = 12 ∆τ_макс = 3 мкс и при N_гр = 24 ∆τ_макс = 1.5 мкс. Помехоустойчивость системы с ФИМ тем выше, чем больше ∆τ_макс.

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

6.6. Методы оценки помех в каналах РРЛ

Как отмечалось ранее, на передачу сигналов по РРЛ, как и во всех радиосистемах, влияют помехи внешнего и внутреннего происхождения. К внешним помехам относят космические и атмосферные шумы, индустриальные помехи и сигналы от других радиосистем [1]. Уровень этих помех обычно удается свести к минимуму с помощью тех или иных организационных мер (соответствующий выбор частот, фильтрация мешающих радиосигналов, правильное размещение станций и тому подобное). Если РРЛ работает в диапазоне дециметровых или сантиметровых волн, то влиянием индустриальных помех можно пренебречь.

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

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

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

, (6.13)

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

G_т.вх = kТШR_вх, (6.14)

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

На рисунке 6.12,а представлена векторная диаграмм, из которой видно, что в результате сложения случайного вектора шума U_т.вх(t), отображающего u_т.вх(t), с вектором сигнала U_c, отображающим u_с(t), образуется случайный вектор U_∑(t), отображающий суммарный сигнал

, (6.15)

Из векторной диаграммы следует, что в результате действия теплового шума полезный сигнал в приемнике приобретает паразитную амплитудную (АМ) и фазовую (ФМ) модуляцию. Как отмечалось выше, паразитная АМ обычно устраняется АО. Влияние же паразитной ФМ, обусловлено случайным изменением фазы φ(t) сигнала u_∑(t), может быть уменьшено только увеличением энергетического потенциала системы, то есть увеличением u_c(t). Из векторной диаграммы следует, что девиация фазы φ(t) непосредственно зависит от величины модулей U_c и U_т.вх(t).

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

Таким образом, случайные изменения фазы частотно-модулированного сигнала при частотном детектировании его трансформируются в случайные изменения амплитуды сигнала, то есть проявляются в виде шума [3].

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

, (6.16)

где

- коэффициент шума приемника; ∆F_к = 3.1 кГц – ширина полосы i-го канала ТЧ; F_к – значение центральной частоты канала ТЧ в групповом сигнале; ∆f_к – эффективная девиация на канал; β_пр – коэффициент учитывающий предыскажения сигнала; К_п – псофометрический коэффициент.

В телефонных каналах обычно нормируется псофометрическая (взвешенная) мощность шума в точке с нулевым относительным уровнем, в которой средняя мощность измерительного сигнала равна 10⁹ пВт 0. Псофометрический коэффициент отражает реальное восприятие различных составляющих спектра шума и для канала ТЧ выбирается равным 0.56 (-2.5 дБ). При измерениях шумов в канале используются псофометрические фильтры для телефонных и вещательных и визометрические для телевизионных каналов. Характеристики этих фильтров приведены на рисунках 6.13 и 6.14 соответственно.

Рисунок 6.13. Амплитудно-частотная характеристика псофометрических фильтров для телефонных (1) и вещательных каналов (2)

Рисунок 6.14. Частотная характеристика унифицированного визометрического фильтрова

Мощность сигнала на входе приемника Р_{пр i} зависит от параметров аппаратуры, условий распространений радиоволны [5]. Первоначально ориентируются на конкретную величину Р_{пр i} = Р_{пр i} (20%) – мощность сигнала на входе приемника, которая может уменьшаться в течении не более 20% времени любого месяца

, (6.17)

где Р_пр.св – мощность без учета влияния условий распространения радиоволн; V_20% – величина множителя ослабления поля свободного пространства, ниже которой он может быть в течение не более 20% времени любого месяца наблюдения. Обычно выбирают V_20% ≈ 0.5. В реальном случае V изменяется от 0 до 2 в зависимости от параметров тропосферы и вида поверхности Земли. Множитель ослабления показывает, на сколько случай реального распространения радиоволн отличается от идеального (т.е. V=1).

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

, (6.18)

где Р_п [Вт] – мощность передатчика; G_п, G_пр – коэффициенты передающей и приемной антенн соответственно; λ – длина волны; R_i – расстояние между станциями; η_п, η_пр – коэффициент полезного действия антенно-волноводного тракта передающей и приемной станции соответственно.

, (6.19)

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

Практикум на применение уравнения радиосвязи:

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

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

Те же рассуждения применяйте при решении таких задач как:

Найти мощность сигнала на выходе приемной антенны РРЛ связи, если Рпер=0.5 дБ/Вт, расстояние между станциями R=43 км, G_пер=3600; G_пр=41 дБ, f_пер=2 ГГц, η_пер=η_пр=0.7, V=0.8

Определить мощность передатчика РРЛ связи, при которой на входе приемника будет иметь место пороговая мощность сигнала, равная 0.01 мкВт, если R=40 км, G_пер=2000, G_пр=20 дБ, η_пер=3.5 дБ, η_пр=2 дБ, V=0.7, f_пер=1.5 ГГц.

Формула (6.18) через V_20% учитывает долговременное состояние тропосферы, при этом среднеминутная псофометрическая мощность шума равная 7500 пВт может превышаться в течении не более t=20% времени любого месяца.

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

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

Так, среднеминутная псофометрическая мощность шума 47500 пВт0 может превышаться в течение не более t = 0.1 % времени любого месяца, а средняя за 5 мс не взвешенная мощность шума 10⁶ пВт0 может превышаться в течение не более t = 0.01 % времени любого месяца. Указанные нормы приведены для эталонной линии протяженностью 2500 км.

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

|V(t)| = V(t) = E(t)/E₀, (6.20)

где Е(t) и Е₀ – модули напряженности электрического поля на входе приемной антенны при распространении радиоволн соответственно в реальных условиях (с учетом влияния тропосферы и Земли) и в свободном пространстве. В общем случае V(t) – случайная функция времени, и, например, V(20%) находится с использованием некоторых статических данных.

Из-за неоднородностей тропосферы радиоволны распространяются в ней по криволинейной траектории, что получило название тропосферной рефракции [5]. Электрические свойства тропосферы характеризуются степенью изменения диэлектрической проницаемости воздуха по высоте и определяются градиентом диэлектрической проницаемости .

В основе метода расчета трасс РРЛ лежит построение профилей пролетов [4].

Профилем пролета называется вертикальный разрез местности между двумя соседними радиорелейными станциями с учетом леса, строений и особенностей рельефа. Пример такого профиля показан на рисунке 6.15.. При этом в качестве определяющего параметра выбирается величина просвета (зазора) Н между линией "прямой видимости" АВ, соединяющей центры антенн, и ближайшей к ней (по вертикали) точкой препятствия С (на рисунке 6.15 изображен вариант профиля с одним препятствием; в специальных пособиях по расчету и проектированию РРЛ [11,14] рассматриваются также профили, когда в минимальную область пространства попадает несколько препятствий). Просвет Н считается положительным, если линия АВ проходит выше препятствия, и отрицательным, если эта линия пересекает профиль пролета.

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

1. открытые, когда Н ≥ Н₀;

2. полуоткрытые, когда Н₀ > Н ≥ 0;

3. закрытые, когда Н < 0.

Через Н₀ здесь обозначен критический просвет, при котором в точке приема векторная сумма напряженности поля прямого и отраженного сигналов равна напряженности поля в свободном пространстве (V = 1). В общем случае [11]

, (6.21)

где к₁ = R₁/R – относительная координата точки препятствия С.

Рисунок 6.15. Профиль пролета РРЛ прямой видимости

Профиль пролета позволяет учесть влияние кривизны земной поверхности на процесс распространения радиоволн [6]. В частности, с помощью профиля можно получить представление об отражении радиоволн от поверхности Земли. Но в целом характер передачи сигналов на участке АВ будет весьма приближенным, если не учесть влияния тропосферы. При этом, прежде всего, приходится считаться с рефракцией радиоволн, то есть искривлением траектории волн (АВ на рисунке 6.15), обусловленным неоднородным строением тропосферы. Основную роль здесь играет неоднородность тропосферы в вертикальной плоскости. Рефракцию учитывают тем, что в величину просвета над определяющими точками (на рисунке 6.15 – точка С) вносится поправка

, (6.22)

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

При изменении метеорологических условий на пролете изменяются величины g и H(g), что может привести к резким колебаниям множителя ослабления, а следовательно, и уровня сигнала на входе приемника. На открытых пролетах (Н ≥ Н₀) напряженность поля в точке приема определяется в основном интерференцией прямой и отраженных от земной поверхности волн. В случае одной отраженной волны (как на рисунке 6.5.4) множитель ослабления для реальных условий можно представить в виде [11]

, (6.23)

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

, (6.24)

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

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

На полуоткрытых и закрытых пролетах, где p(g) < 1, уровень поля в точке приема обусловлен главным образом процессом дифракции радиоволн, то есть огибанием ими земной поверхности. Множитель ослабления V в этом случае рассчитывается на основе приближенных методов, с применением аппроксимации реального препятствия частью сферической поверхности. Прежде чем найти V, необходимо применить параметр μ, характеризующий радиус кривизны сферы, аппроксимирующей препятствие, и зависящий от высоты ∆y и хорды сегмента аппроксимирующей сферы [11]. Чем ближе к 0 этот параметр, тем более плоской является трасса. На полуоткрытых пролетах и пролетах с малым закрытием хорда r определяется из профиля пролета (рисунок 6.16) как расстояние между точками пересечения препятствия линией, параллельной АВ и отстоящей от вершины на величину ∆y = H_o. Для пролетов, имеющих среднюю протяженность и одно препятствие, во многих случаях можно руководствоваться приближенным значением V, определяемым из графиков рисунок 6.16, полагая, что

, (6.25)

где α = ∆y/H₀ = 1, ℓ = r/R, к₁ =R₁/R.

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

В конечном счете расчет сводится к определению процента времени, в течение которого на выходе канала суммарная мощность шумов может быть больше максимально допустимой (Р_шт.max). На пролете это условие соответствует вероятности того, что множитель ослабления будет меньше минимального допустимого значения T(V<V_min), поскольку при V=V_min шумы на выходе канала равны максимально допустимым. Множитель ослабления на пролете может стать меньше V_min только при глубоких замираниях, которые вызываются независимыми друг от друга причинами. Поэтому, вероятность того, что на пролете будут наблюдаться значения V<V_min равна сумме замираний различного вида:

, (6.26)

где n – количество интервалов; Т₀ (V<V_min) – вероятность того, что V<V_min за счет экранирующего действия препятствия; ∑Т_п(V<V_min) – вероятность того, что V<V_min за счет интерференции прямой волны и волны, отраженной от поверхности Земли; Т_тр(V<V_min) – вероятность того, что V<V_min за счет интерференции прямой волны и волны, отраженной от слоистых неоднородностей в тропосфере; Т_д(V<V_min) – вероятность того, что V<V_min за счет ослабления радиоволны в осадках.

Для телефонного ствола на j-ом интервале

, (6.27)

где М_тф[пВт0/км²] – параметр, характеризующий аппаратуру телефонного ствола. Более подробно о порядке расчета устойчивости РРЛ для 0.1% и 0.01% времени смотрите [4]

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

, пВт, (6.28)

где ∆F_к = 3.1 кГц – ширина телефонного канала; F_в, F_н – верхняя и нижняя частот группового сигнала; Р_ср – средняя мощность многоканального сообщения; y₂(δ), y₃(δ) –κоэффициенты, учитывающие распределение мощности нелинейных шумов в групповом спектре по 2-ой и 3-ей гармоникам соответственно, где δ = (F-F_н)/(F_в-F_н), а F – некоторая частота в групповом спектре, в области которой определяются шумы. Графики y₂(δ) и y₃(δ) для различных значений β=F_в/F_н приведены на рисунке 6.5.6.

Рисунок 6.17. Графики зависимостей y₂(δ),y₃(δ), а₂(δ) и а₃(δ)

а₂(δ), а₃(δ) – поправочные коэффициенты, учитывающие перераспределение шумов в групповом спектре из-за введения предыскажений (рисунок 1.17,в). К_2к(δ), К_3к(δ) – коэффициенты нелинейности по 2-й и 3-й гармоникам элементов группового тракта измеренные при измерительном уровне [4].

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

пВт, (6.29)

где , – коэффициенты учитывающие неравномерность ГВЗ: (∆τ₊) – при отклонении частоты ЧМ-сигнала от ω₀ на +∆ω и (∆τ_-) – на -∆ω; F_к – частота в области которой оцениваются шумы.

Контрольные вопросы:

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