Принципы построения тропосферных радиорелейных линий (ТРЛ) характеризуются рядом особенностей, связанных со спецификой передачи радиосигналов [10]. Создание ТРЛ стало возможным после того, как было открыто явление дальнего тропосферного распространения (ДТР) УКВ. ДТР происходит за счет отражения и рассеяния радиоволн турбулентными и слоистыми неоднородностями тропосферы. При этом поле в точке приема создается в результате переизлучения только тех неоднородностей, которые находятся в пределах объема Q, образованного пересечением диаграмм направленности передающей и приемной антенн (рисунок 8.1). Если использовать антенны с высокой направленностью (большим коэффициентом усиления), то объем переизлучения будет уменьшаться.

Рисунок 8.1. Модель распространения УКВ на пролете ТРЛ

В результате этого рост уровня сигнала на выходе приемной антенны А₂ может отставать от роста усиления антенны. Данное явление принято называть потерей усиления антенн. Переизлучающий объем Q тропосферы играет роль пассивного ретранслятора. Q характеризуется значительной пространственной и временной неоднородностью. Рассеяние радиосигнала в объеме Q происходит во все стороны и лишь незначительная часть его поступает в точку приема. Чем больше угол рассеяния Q (рисунок 8.1), тем меньше угол принимаемого сигнала.

Все это в целом приводит к следующим особенностям в передаче сигналов по ТРЛ:

1. Поскольку для переизлучения можно использовать даже верхние слои тропосферы (в умеренных широтах высота тропосферы составляет 10-12 км), протяженность пролетов R на ТРЛ может превышать 1000 км (при этом антенны можно располагать непосредственно на Земле). Однако, с учетом других особенностей расстояние между станциями выбирают чаще в пределах 200…400 км.

2. В следствии значительного ослабления сигналов на пролетах приходится существенно увеличивать энергетический потенциал системы. На ТРЛ применяют передатчики мощностью до 10 кВт, антенны размерами до 30×30 м² и соответственно коэффициентом усиления до 50…55 дБ, малошумящие приемники [8].

3. Из-за пространственно-временной неоднородности переизлучающих объемов тропосферы принимаемые сигналы на ТРЛ подвержены как быстрым, так и медленным замираниям. Первые обусловлены интерференцией множества радиоволн, переизлученных разными участками рассеяния в объеме Q. Длительность быстрых замираний изменяется от сотых долей секунды до нескольких секунд. В течении 5…10 мин случайный процесс изменения уровня принимаемого сигнала приближенно можно считать стационарным. Для этого интервала времени на основе статистических данных можно определить медианное значение множителя ослабления V_м, то есть такое значение V, которое превышается (или не превышается) в течении 50% указанного времени наблюдения. Распределение мгновенных значений множителя ослабления V при быстрых замираниях удовлетворительно аппроксимируется законом Релея. При этом выраженная в процентах времени интегральная функция распределения

. (8.1)

Медленные замирания связанны с изменением метеорологических условий на трассе. С учетом медленных замираний процесс изменения уровня сигнала в целом является нестационарным. Математической моделью медленных замираний принято считать распределение случайных величин V_м относительно медианного значения, определенного за длительный срок, например за месяц или год. Чаще используется медианное значение (V_м.м), которое рассчитывается на основе статистических данных об изменении V_м в течении одного месяца наблюдения. Колебания V_м.м в течении года связывают с сезонными замираниями (месячная медиана уровня сигнала в летние месяцы примерно на 10 дБ больше, чем зимой). Для борьбы с медленными и сезонными замираниями эффективны адаптивные системы с каналом обратной связи [27], по которому можно управлять мощностью и (или) частотой передатчика.

Для быстрых замираний на ТРЛ изменение сигналов в любой момент времени неоднородны в различных областях пространства и частот, поэтому для борьбы с быстрыми замираниями организовывают параллельные каналы передачи, отличающиеся несущими частотами (разнесение по частоте) и (или) траекториями распространения волн (разнесение в пространстве за счет использования различных областей переизлучения и (или) нескольких взаимно удаленных приемных антенн). При относительном частотном разносе Δf/f₀ = 2·10^-3…5·10³ или разносе антенн в перпендикулярном трассе направлении на 70…100 длин волн замирания сигналов в отдельных каналах становятся некоррелированными. В этом случае, например, для системы m-кратного разнесенного приема с автовыбором большего из сигналов (сигнала большей мощности в точке приема), распределение результирующей величины множителя ослабления

, (8.2)

что указывает на повышение устойчивости связи по сравнению с одинарным приемом, Т(V) определяется (8.1).

4. Селективные замирания по частоте препятствуют передаче по ТРЛ широкополосных сигналов (как аналоговых, так и цифровых), так как при широком спектре передаваемых сигналов селективные замирания вызывают изменения фазовых и амплитудных соотношений спектральных компонентов, то есть искажается спектр, а, следовательно и форма сигналов. В групповом телефонном сигнале возникают переходные помехи как при использовании метода ЧРК-ЧМ, так и при импульсной (цифровой) модуляции. Селективные замирания являются следствием многолучевого распространения радиоволн. Если относительное запаздывание лучей Δt превосходит длительность одного цифрового сигнала τ, то возникает явление эхо, искажается форма сигналов.

Связанное с селективными замираниями ограничение полосы частот при передаче аналоговых и цифровых сигналов указывает на недостаточную пропускную способность ТРЛ. Действительно, число ТФ каналов в одном стволе ТРЛ пока не велико (120 ТФК). Для передачи телевидения применяют специальное оборудование, используют частоты в диапазоне 4…6 ГГц, антенны с шириной диаграммы направленности не более 0.3º.

Для борьбы с быстрыми замираниями наибольшее распространение получили различные варианты разнесенного приема и применение широкополосных составных сигналов. Так как замирания на ТРЛ весьма интенсивны, на этих линиях часто прибегают к комбинированным видам разнесения сигналов.

На рисунке 8.2 представлена упрощенная структурная схема АФТ и приемопередающей аппаратуры ОРС для одного дуплексного ствола ТРЛ, на которой предусмотрен счетверенный прием с разнесением сигналов по частоте и пространству (на ПРС и УРС объем оборудования соответственно увеличивается). В состав схемы входят антенны (А), поляризационные селекторы (ПС), разделительные фильтры (РФ), приемники (Пр), передатчики (П), устройства комбинирования сигналов (УК), частотные детекторы (ЧД), аппаратура разделения и объединения каналов (АР) и (АО), частотный модулятор (ЧМ) и разветвитель (Р). Соседняя станция линии передает одинаковые сообщения на разных несущих частотах f₁ и f₂. Эти сигналы принимаются разнесенными в пространстве антеннами А₁ и А₂, и через ПС и РФ поступают в приемники. В УК₁ и УК₂ комбинируются сигналы промежуточной частоты f_пр с выходов приемников, настроенных на одинаковые несущие частоты, но соединенных с разными антеннами. Таким образом, УК₁ и УК₂ реализуют эффект пространственного разнесения. В УК₃ осуществляется последетекторное комбинирование сигналов, разнесенных по частоте. В обратном направлении связи одинаковые сообщения, также передаются на разных частотах f₃ и f₄.

Рисунок 8.2. Упрощенная структурная схема ОРС при счетверенном приеме

Используемые на ТРЛ антенны параболического типа не обеспечивают достаточную величину коэффициента защитного действия. При значительных мощностях передатчиков и высокой чувствительности приемников это создает реальную опасность помех, вызванных приемом сигналов с противоположного направления связи [9]. Поэтому на ТРЛ, как правило, применяют четырехчастотный план. Таким образом, с учетом разнесения по частоте для одного дуплексного ствола требуется восемь рабочих частот. Причем разность частот передачи и приема в одной антенне (с целью упрощения развязывающих фильтров) устанавливается довольно большой: для систем, работающих на частотах ниже 1000 МГц, эта разность равна примерно 40 МГц, а для систем работающих на частотах выше 1000 МГц, около 80 МГц.

В общем случае комбинирование сигналов в УК₁, УК₂ и УК₃ может производиться по принципу линейного оптимального сложения или путем автовыбора. Любой из этих вариантов может быть реализован в УК₃, когда комбинируются сигналы после ЧД. Условием нормального линейного или оптимального сложения в УК₁ и УК₂ является синфазность сигналов на частоте f_пр.

ТРЛ находит весьма ограниченное применение и с развитием связи с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ) их значимость существенно снизилась.

В таблице 8.1 приведены параметры отечественных тропосферных радиорелейных систем передачи.

Таблица 8.1 – Параметры отечественных ТРЛ

Контрольные вопросы:

1. Перечислите особенности передачи сигналов по ТРЛ.
2. Как борются с быстрыми замираниями на ТРЛ?
3. Что такое селективные замирания?
4. Какой план частот применяется на ТРЛ? Почему?
5. Назовите некоторые тропосферные радиорелейные системы передачи.