Особенности распространения радиоволн УКВ диапазона. (Тема 1.1) презентация

Тема N1: Основы радиорелейной и тропосферной связи.

Занятие № 1 - 1 -

Южно-Уральский Государственный Университет
Факультет Военного Обучения
Военная Кафедра Связи

Цикл военно-специальной и военно-технической подготовки

Занятие №1 Особенности распространения радиоволн УКВ диапазона (лекция).

Вопросы занятия:
1. Общая характеристика радиорелейной связи
2. Особенности распространения радиоволн УКВ диапазона

Челябинск, 2012г.

Военная Кафедра Связи

Занятие № 1 - 1 -

В настоящее время резко возросла значимость радиорелейной и тропосферной связи в общей системе связи и управления. Непрерывно расширяется сеть радиорелейной и тропосферной связи, использующей идею ретрансляции сигналов в виде радиорелейных линий связи стало возможным в результате прогресса в области усилительных и генеративных приборов, антенно-фидерных устройств, а также в области распространения радиоволн дециметрового, сантиметрового и более коротковолновых диапазонов волн.
Тема сегодняшнего занятия: "Общая характеристика радиорелейной связи и диапазонов УКВ ".

Цель:
Изучить общие сведения о радиорелейной связи и особенности распространения
радиоволн в УКВ диапазоне.
- Воспитать стремление к изучению радиорелейной связи.

Введение

Военная Кафедра Связи

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Радиорелейная связь - это вид дуплексной радиосвязи на ультракоротких волнах с многократным переприемом сигналов. Термин «relay» означает восстановление сигнала на приемной стороне. Применительно к радиорелейной связи этот термин означает восстановление сигналов на каждой промежуточной станции, замену слабого сигнала сильным.
Радиорелейные станции делятся на два типа – радиорелейные станции прямой видимости и радиорелейные станции дальнего тропосферного рассеяния радиоволн.
В первом случае трасса выбирается так, чтобы между антеннами соседних станций имелась прямая видимость, и связь осуществляется за счет радиоволн, распространяющихся вдоль поверхности земли.'
Во втором случае радиоволны достигают точки приема за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы.
Радиорелейная связь - вид связи, сочетающий в себе ряд положительных качеств многоканальной проводной электросвязи и радиосвязи на ультракоротких волнах (УКВ).

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ

Радиорелейная связь обеспечивает: - многоканальность, высокую пропускную способность; - большую дальность связи; - дуплексность каналов и трактов; - строгую нормированность качественных показателей и электрических характеристик каналов и трактов, низкий уровень в них шумов и помех. Характерными особенностями радиорелейной связи является: - применение метода радиосвязи на УКВ земной волной, дальность которой резко ограничена; - использование принципа ретрансляции сигналов для обеспечения требуемой дальности связи; - применение, как правило, остронаправленных антенн. . Радиорелейные средства связи применяются для развертывания (строительства) полевых и стационарных многоканальных линий между узлами связи. Они используются, как правило, самостоятельно для строительства радиорелейных линий, а также для наращивания линий радио- и проводной связи, для дистанционного управления радиостанциями средней и большой мощности.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Занятие № 1 - 1 -

Радиорелейные средства позволяют осуществлять дуплексную, многоканальную телефонную, телеграфную, факсимильную и видеотелефонную связи при высоком их качестве и малой зависимости от времени года и суток, от атмосферных и местных электрических помех.

Каналы связи, образованные радиорелейными средствами связи используются, как правило, в комплексе с аппаратурой автоматического засекречивания. /

Связь между двумя удаленными пунктами образуется путем использования ряда приемо-передающих радиорелейных станций, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой геометрической видимости между их антеннами.

Военная Кафедра Связи

Принцип радиорелейной связи иллюстрируется на рисунке 1, на котором схематично изображена радиорелейная линия (PPЛ), состоящая из оконечных и промежуточных радиорелейных станций (РРС), размещенными на местности с некоторыми интервалами, протяженность которых определяется условиями распространения УКВ вдоль земной поверхности и обычно не превышает 50 км.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Для улучшения условий прохождения УКВ на интервалах и увеличения их длины РРС, как правило, развертывают на вершинах и скатах высот местности так, чтобы на интервалах между антеннами обеспечивалась «прямая видимость», а точнее «радиовидимость», под которой понимается отсутствие экранирования рельефом местности или массивами местных предметов (лес, строения) траекторий радиоволн, распространяющихся между антеннами РРС данного интервала в условиях нормальной рефракции радиоволн. Для увеличения протяженности интервалов на равнинной и малопересеченной местности, а также для обеспечения возможности организации радиорелейной связи в условиях лесистой местности применяют сравнительно высокие (до 20-30 м) антенные опоры (мачты). Нормальная рефракция радиоволн искривляет их траекторию в сторону поверхности земли (выпуклостью вверх), благодаря чему радиовидимость возрастает. При высоте антенных опор до 20-30 м дальность связи составляет 35-40 км. Необходимость применения для радиорелейной связи УКВ обусловлена рядом причин и прежде всего широкополостностью радиосигналов РРС. Эта причина, а также дуплексность связи, удваивающая требуемый расход полосы частот, приводят к необходимости использовать диапазоны частот, обладающие большой частотной емкостью, к каковым относится диапазон УКВ.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Широкополосность радиосигналов РРС в свою очередь обусловленная причинами: применяемыми методами модуляции и требованием многоканальности, т.е. большой пропускной способностью РРС. Дело в том, для радиорелейной связи пригодны не всякие методы модуляции, а только частотная модуляция (ЧМ) и импульсные методы модуляции (ИМ), из которых наиболее часто используется фазоимпульсная модуляция (ФИМ), кодо-импульсная модуляция (КИМ) и дельта-модуляция. Пригодность ЧМ и ИМ для радиорелейной связи объясняется тем, что при этих видах модуляции уровень полезного сигнала на выходе радиопередающих устройств, а следовательно, и в каналах, не зависит от уровня радиосигнала на входе соответствующего радиоприемного устройства. Благодаря этому в условиях замирания радиосигналов на интервалах PPЛ остаточное затухание каналов и трактов РРЛ сохраняется постоянным, т.е. выполняется важное требование, предъявляемое к любым каналам дальней связи и, в частности, к каналам РРЛ. При таких видах модуляции, как, например, амплитудная (AM) однополосная (ОПМ), эти требования выполняться не будут, причем вследствие значительной глубины и «быстроты» замираний радиосигналов на интервале РРЛ необходимую стабильность остаточного затухания обеспечивать оказывается затруднительным, даже при использовании сложных систем АРУ в радиоприемных устройствах.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Однако, как известно ЧМ и ИМ характеризуются большой широкополостностью радио-сигналов, требующей соответственно большего расхода полосы частот. Фактор много-канальности (высокой пропускной способности) РРЛ в свою очередь так же требует соответствующего увеличения расхода полосы частот, занимаемой радиосигналами РРС при ЧМ и ИМ. Взятые в совокупности эти две причины приводят к тому, что радио-сигналы РРС нередко охватывают полосы частот в сотни и тысячи килогерц, а иногда и в единицы и десятки мегагерц. Второй важной причиной наряду с широкополос-ностью сигналов обуславливающей необходимость применения для радиорелейной связи УКВ, является почти полное отсутствие в этих диапазонах атмосферных и про-мышленных помех от источников радиоизлучения, находящихся за горизонтом. Низкий уровень внешних помех наряду с высокой помехоустойчивос-тью ЧМ и ИМ позволяет получить требуемый нижний уровень шумов в каналах и трактах РРЛ, т.е. обеспечить их высокую шумовую защищенность. В настоящее время системы радио-релейной и тропосферной связи продолжают совершенствоваться в различных нап-равлениях, увеличиваются пропускная способность и помехоустойчивость, разраба-тываются новые системы связи, радиорелейные линии в миллиметровом диапазоне волн и волноводные линии связи, обладающей огромной пропускной способностью. Наряду с этим происходит переход аналоговой формы сообщений к передаче сообще-ний в дискретной (цифровой) форме, что дает возможность не только увеличить поме-хоустойчивость систем связи, но и удешевить производство и эксплуатацию аппаратуры.

Занятие № 1 - 1 -

Последнее объясняется тем, что дискретные элементы радиоэлектроники, используемые в многоканальных дискретных системах связи, могут изготовляться с применением методов автоматизации, позволяющих стандартизировать все конструктивные элементы аппаратуры. Именно в этом направлении сконцентрированы усилия ученых нашей страны.
Достоинства и недостатки
Радиорелейная связь сочетает в себе достоинства как радиосвязи, так и проводной многоканальной связи и занимает промежуточное положение: многоканальные сигналы передаются и принимаются средствами радиосвязи, но формируются, особенно при частотном уплотнении, средствами проводной связи. При этом радиорелейные линии обеспечивают такое же качество связи и достоверность передачи информации, как и линии проводной дальней связи. Радиорелейная связь получила широкое распространение во всех областях народного хозяйства, а также в вооруженных силах для управления войсками. Радиорелейные линии широко используются для коммерческой связи и для обмена программ вещания и телевидения между различными странами всех континентов.
Достоинство радиорелейной связи:
- возможность организации многоканальной связи и передачи любых сигналов, как узкополосных, так и широкополосных;
- возможность обеспечения двухсторонней связи (дуплексной) связи между потребителями каналов (абонентами);
- возможность создания 2-х проводных и 4-х проводных выходов каналов связи;
- практическое отсутствие атмосферных и промышленных помех;
- узконаправленность излучения антенных устройств;
- сокращение времени организации связи в сравнении с проводной связью.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Недостатки радиорелейной связи:
- необходимость обеспечения прямой геометрической видимости между антеннами соседних станций;
- необходимость использования высокоподнятых антенн;
- использование промежуточных станций для организации связи на большие расстояния, что является причиной снижения надежности и качества связи;
- громоздкость аппаратуры;
- сложность в строительстве радиорелейных линий в труднодоступной местности.

2. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН УКВ ДИАПАЗОНА

Для радиорелейной связи используется диапазон УКВ, указанный в таблице:

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Разделение радиоволн на диапазоны в первую очередь диктуется особенностями их распространения.
В настоящее время наиболее широко для радиорелейной связи принимаются диапазоны дециметровых и сантиметровых волн.
Диапазоны метровых волн (короче 5 м) используются только для малоканальной радиорелейной связи.
Диапазоны миллиметровых волн и сантиметровые волны короче 3-х см считаются перспективными для некоторых видов РРЛ, но применение этих волн в настоящее время ограничено недостаточной их освоенностью и проблемами, связанными сильным поглощением этих волн гидрометеорами (дождь, снег, туман и т.д.). На практике для радиорелейной связи в указанных диапазонах, т.е. УВЧ; ОВЧ; СВЧ; КВЧ выделяются лишь отдельные участки, так как в этих диапазонах функционируют и другие радиоэлектронные средства.
А. Свойства УКВ диапазона
- большая частотная емкость;
- практическое отсутствие атмосферных и промышленных помех;
- малая дифракционная (огибающая) способность;
- возможность создания антенных устройств узконаправленного излучения и приема электромагнитных колебаний.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Первая способность УКВ диапазона - большая частотная емкость. Для радиорелейной связи могут быть использованы любые частоты УКВ диапазона. В этом диапазоне для передач сообщений можно задействовать широкие полосы частот (до нескольких МГц) и обеспечивать многоканальную связь (поскольку для передачи информации от наиболее распространеных источников требуется полоса в несколько КГц) или передавать широкополосные сигналы. Большая частотная емкость позволяет для связи на каждом интервале радиорелейной линии выделить две частоты одну для передачи, другую для приема сигналов и организовать благодаря этому дуплексную связь. Вместе с тем большая частотная емкость дает возможность для передачи информации использовать разнообразные методы модуляции, и в частности такие, которые обеспечивают как высокую помехоустойчивость, так и постоянство остаточного затухания (аг) каналов связи. Последнее означает, что разность уровней сигналов на входе и выходе каналов оконечных станций - величина постоянная, независящая от условий связи:
Рс вх -Рс вых = ar =const
Уровнем принято называть значение величины сигналов, выраженное в относительных (безразмерных) единицах - децибелах:
P = 10lgP1/Po) = 20lg(U1/Uo)
где Р, и U, - мощность и напряжение на выходе канала связи
Ро и Uo - мощность и напряжение на входе канала связи.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Необходимость обеспечения постоянства остаточного затухания каналов диктуется рядом факторов:
Во-первых, при этом может быть улучшено качество связи, поскольку в канале связи случайными величинами являются величина шума и передаваемых сигналов, а параметры каналов остаются
неизменными.
Во-вторых, появляется возможность включения на выходе каналов дифференциальных систем, что обеспечивает двухпроводные выходы каналов связи. В этом случае сопряжение каналов радиорелейных линий с каналами линий дальней связи осуществляется не только при четырехпроводных, но и при двухпроводных выходах.
В-третьих, некоторые виды оконечной аппаратуры работают эффективно при неизменном коэффициенте передачи сигналов.
Постоянство остаточного затухания каналов радиорелейных линий достигается при использовании таких методов модуляции, при которых уровень полезного сигнала на выходе приемника станции не зависит от величины высокочастотного сигнала на его входе, если последний больше определенной пороговой, для данного приемника величины. Это обеспечивается при передачи информации с помощью частотной и различных методов импульсной модуляции (кроме амплитудно-импульсной), которые требуют, как правило, широкой полосы частот тракта связи.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Характерным свойством таких методов модуляции является возможность улучшения качества связи не только за счет увеличения энергии принимаемых сигналов, но и за счет увеличения спектра частот, которые занимают эти сигналы, таким образом, используя для радиорелейной связи широкую полосу частот, можно обеспечить передачу большого
количества информации и добиться существенного улучшения качества связи.
Второе свойство УКВ диапазона - практическое отсутствие внешних атмосферных и промышленных помех - выдвигает на первое место внутренние флуктуационные шумы приемных устройств. Уровень внутренних шумов легко учитывается при проектировании станции и расчете количества связи и при необходимости может быть уменьшено применение специальных малошумящих усилителей. Это также способствует существенному повышению качества связи на радиорелейной линии.
Третье свойство УКВ диапазона - малая дифракционная способность, которая тем меньше, чем короче используемая для связи длина волны. Это явилось основной причиной применения промежуточных станций для организации связи на большие расстояния. Протяженность интервалов между соседними станциями должна быть такой, чтобы обеспечивалась прямая геометрическая видимость между их антенными системами. Уверенная связь на каждом интервале обеспечивается передатчиками сравнительно малой мощности (ед., десятки ватт).

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Препятствия, закрывающие линию прямой видимости, вызывают очень большое ослабление радиосигналов, компенсация которого требует резкого увеличения мощностей передатчиков. Это явление особенно характерно для линий, работающих в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн. В диапазоне метровых волн допускается частичное закрытие препятствиями линий прямой видимости на интервалах связи, но и в этом случае существенно понижается уровень полезного сигнала в месте приема и ухудшается качество связи.
Как правило при гладкой сферической земной поверхности протяженность интервалов выбирается меньше расстояния прямой видимости, т.к. для получения устойчивой связи необходимо обеспечить определенный просвет между линией, соединяющей антенны, и поверхностью земли. Однако, на пересеченной местности, если станции расположены на господствующих высотах, протяженность интервалов может достигать 60км и более.
Все это показывает, что использование радиоволн УКВ диапазона является главной, определяющей, особенностью радиорелейной связи.
Особенности распространения УКВ.
Характер распространения радиоволн зависит от длины волны, кривизны земли, почвы, состава атмосферы, времени суток и года, состояния ионосферы, магнитного поля Земли, метеорологических условий.

Слои атмосферы высотой примерно до 100-130км. по своему составу однородны. В этих слоях имеется воздух, содержащий (по объему 78% азота и 21% кислорода.) Нижний слой атмосферы толщиной 10-15 км. называется тропосферой. В этом слое имеются водянные пары, содержание которых резко колеблется с изменением метеорологических условий. Тропосфера постепенно переходит в стратосферу, границей которой считается высота, на которой прекращается падение температуры радиоволны, излучаемые антенной, распространяются вдоль земной поверхности и под углом к горизонту. Первые волны - поверхностные, вторые - пространственные. Поверхностная волна электромагнитных колебаний распространяется вдоль Земли. Характер распространения этой волны определяется электрическими свойствами почвы и воды, а также частотой излучаемых колебаний. На сравнительно коротких расстояниях радиосвязь осуществляется главным образом поверхностными радиоволнами.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

рис. 2.2. Пути распространения радиоволн.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Пространственная волна распространяется от антенны в атмосферу Земли.

Волны отраженные или рассеянные неоднородными слоями или «зернами» тропосферы - тропосферные волны.
Радиосвязь – род электросвязи, которая реализуется с использованием радиосредств и земных и ионосферных радиоволн.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Поверхностная волна основанием своего фронта касается Земли. Поверхность Земли поглощает часть энергии распространяющихся вдоль нее поверхностных волн, поскольку земля имеет активное сопротивление. Чем короче волна, т.е. чем больше частота, тем больше ток индуктируется в земле и тем больше потери. Для частот выше 1МГц поверхностная волна фактически сильно затухает из-за поглощения землей и поэтому не используется. Связь на большие расстояния осуществляется главным образом пространственными волнами.

рис. 2.3. Прямой и отраженный лучи пространственной волны.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

При наличии прямой видимости пространственная волна обычно состоит из двух составляющих: прямого луча и луча, отраженного от земли. Луч, отраженный от земли, слабее от потерь, происходящих во время отражения от земли. В приемной антенне общий сигнал равен векторной сумме этих двух составляющих.
Отраженный луч имеет сдвиг по фазе на 180°. Если два луча прошли одно и тоже расстояние, то векторная сумма их равна нулю, в результате в приемной антенне сигнала не будет. В действительности отраженный луч проходит несколько большее расстояние. Разность фаз определяется разностью пути в отношениях длины волны. Общий принимаемый сигнал зависит главным образом от используемой частоты. При низких частотах использование пространственных волн не представляет интереса для связи. Только на высоких частотах, где разность пути является соизмеримой с используемой длиной волны, пространственная волна широко используется.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Преломление УКВ в нижних слоях атмосферы.
Прилегающие к земле слои атмосферы неоднородны по своим электрическим свойствам. Показатель преломления n различных слоев атмосферы изменяется, убывая с высотой (на уровне моря п=1.003).
Траектория распространения УКВ с учетом рефракции при различных п.
Уменьшение величины n приводит к тому, что радиоволны будут при переходе из слоя в слой преломляться в направлении земной поверхности. Траектория луча оказывается искривленной, вследствие чего становится возможной радиосвязь на расстоянии несколько превышающем дальность оптического горизонта. Указанное явление - атмосферная рефракция. В случае, когда радиус кривизны траекторий радиолуча становится равным радиусу Земли, радиоволны распространяются параллельно земной поверхности. Такой случай называется «критической рефракцией». При больших значениях показателя преломления n траектории, радиоволн излученных под небольшим углом к горизонту, искривляются настолько, что они снова падают на землю, отражаются от нее и опять движутся по криволинейной траектории с последующим возвращением на земную поверхность.

рис. 2.5. Распространение радиоволн по атмосферному волновому каналу.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Верхняя граница волнового канала

Такое распространение радиоволн называют «сверхрефракцией», а область пространства, в которой радиоволны распространяются подобным образом, называют волновым каналом. В этом случае дальность радиосвязи может в десятки раз превышать дальность прямой видимости.
Волновые каналы образуются в атмосфере только в тех случаях, когда преувеличение высоты температура воздуха вместо обычного убывания возрастает (инверсия температуры), а влажность воздуха быстро падает.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Отражение УКВ от слоистых неоднородностей тропосферы.
Инверсные слои воздуха иногда образуются на некоторой высоте земной поверхнос-ти. Они называются слоистыми неоднородностями тропосферы. Лучшей способностью к отражению обладают метровые волны. С укорочением волны эффективность отражения падает. Отражение от слоистых неоднородностей может сильно увеличить дальность радиосвязи. Волновые каналы и слоистые неоднородности образуются сравнительно редко.

рис. 2.6. Оражение УКВ от приподнятого слоя инверсии

Дальнее тропосферное рассеяние УКВ В тропосфере воздух никогда не находится в спокойном состоянии. Имеются восходящие и нисходящие потоки воздуха, обусловленные различным нагреванием отдельных участков земной поверхности. В результате этих процессов тропосфера представляет собой электрически неоднородную среду, каждая точка которой харак-теризуется своими значениями температуры, давления, влажности и следовательно диэлектрической проницаемостью. Направленный поток энергии УКВ, посылаемый передающей антенной станции А, так называемая падающая волна, пронизывает тол-щину тропосферы и в виде проходящей волны, уходит в открытое пространство. Не-однородности воздушных масс, являющиеся одновременно неоднородностями диэ-лектрической проницаемости среды, рассеивают под небольшими углами и направ-лению падающей волны некоторую весьма небольшую часть энергии волн.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

Часть рассеянной энергии при условии, что она оказывается направленной в сторону приемной антенны станции Б, используется для обеспечения связи между станциями А и Б. Предельная дальность при тропосферной радиосвязи достигается при больших экономических затратах и только на уникальных стационарных линиях, где применяются особо мощные передатчики (мощностью в десятки КВт.), высоконаправленные дорогостоящие антенны с весьма большими коэффициентами усиления и, соответственно, размерами, сверхчувствительные радиоприемные устройства и т.д. Обычно ограничиваются дальностью связи на интервалах не более 500км., в основном 200-300км.
На подвижных военных TPЛ интервалы, как правило не превышают 120-200км.
Влияние ионосферы на распространение УКВ
Известны случаи распространения метровых волн на расстояние в несколько тысяч километров. Причиной дальнего распространения УКВ метрового диапазона является рассеяние на неоднородностях ионосферы, обусловленных метеорной ионизацией «ионосферными ветрами» и другими явлениями. Сущность самого явления рассеяния электромагнитных волн от ионосферных неоднородностей такова же, как и при рассеянии от вихревых неоднородностей в тропосфере. Такие ионизированные участки существуют лишь несколько секунд, а затем практически исчезают. Однако так как в атмосферу ежеминутно попадает большое число метеоритов, то можно осуществить достаточно эффективную (прерывистую) во времени связь, за появлением следов метеоритов наблюдает специальная радиосистема с небольшой излучаемой мощностью. Как только подходящий след обнаружен, включается мощный передатчик и сообщение «выстреливаются» с применением аппаратуры БД и СБД.

Занятие № 1 - 1 -

Военная Кафедра Связи

III. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1. Ответить на вопросы студентов.

Занятие закончено